В специальных функциях, тема в математике, Взвешенные по спину сферические гармоники являются обобщением стандартных сферических гармоник и, как обычные сферические гармоники, являются функциями на сфере. В отличие от обычных сферических гармоник, спин-взвешенные гармоники - это U(1) калибровочные поля, а не скалярные поля : математически они принимают значения в комплексе линейный пакет. Взвешенные по спину гармоники организованы по степени l, как обычные сферические гармоники, но имеют дополнительный спиновый вес s, который отражает дополнительную симметрию U (1). Специальная основа гармоник может быть получена из сферических гармоник Лапласа Y lm и обычно обозначается sYlm, где l и m - обычные параметры, знакомые по стандартным сферическим гармоникам Лапласа. В этом особом базисе взвешенные по спину сферические гармоники появляются как фактические функции, потому что выбор полярной оси фиксирует неоднозначность калибровки U (1). Взвешенные по спину сферические гармоники могут быть получены из стандартных сферических гармоник путем применения операторов повышения и понижения спина. В частности, взвешенные по спину сферические гармоники спинового веса s = 0 - это просто стандартные сферические гармоники:
Пространства взвешенных по спину сферических гармоник были впервые идентифицированы в связи с теорией представления Группа Лоренца (Гельфанд, Минлос и Шапиро 1958). Впоследствии они были независимо повторно открыты Ньюманом и Пенроузом (1966) и применены для описания гравитационного излучения, и снова Ву и Ян (1976) как таковые. называемые «монопольными гармониками» при исследовании монополей Дирака.
Содержание
- 1 Спин-взвешенные функции
- 2 Спин-взвешенные гармоники
- 3 Представление в виде функций
- 4 Ортогональность и полнота
- 5 Расчет
- 6 Первые несколько спин-взвешенных сферических гармоник
- 6.1 Спин-вес s = 1, степень l = 1
- 7 Связь с матрицами вращения Вигнера
- 8 Тройной интеграл
- 9 См. также
- 10 Ссылки
Спин-взвешенные функции
Рассмотрим сферу S как встроенную в трехмерное евклидово пространство R. В точке x на сфере положительно ориентированный ортонормированный базис из касательных векторов в x представляет собой пару a, bвекторов такие, что
где первая пара уравнений утверждает, что a и b касаются в точке x, вторая пара утверждает, что a и b являются единичными векторами, предпоследнее уравнение, что a и b равны ортогонально, и окончательное уравнение (x, a, b) является правым базисом R.
Спин-весовая функция s f - это функция, принимающая в качестве входных данных точку x множества S и положительно ориентированный ортонормированный базис касательных векторов в x, такие что
для каждого угла поворота θ.
Следуя Eastwood Tod (1982), обозначьте совокупность всех s-функций спин-весов с помощью B (s). Конкретно, они понимаются как функции f на C \ {0}, удовлетворяющие следующему закону однородности при комплексном масштабировании
Это имеет смысл при условии, что s является полуцелым числом.
Абстрактно, B (s) изоморфно гладкому векторному расслоению , лежащему в основе антиголоморфного векторного расслоения O (2s) поворота Серра на комплексной проекционной прямой CP. Участком последнего расслоения является функция g на C \ {0}, удовлетворяющая условию
При таком ag мы можем получить s-функцию спинового веса, умножив на подходящую степень эрмитовой формы
В частности, f = Pg является s-функцией спинового веса. Связь взвешенной по спину функции с обычной однородной функцией является изоморфизмом.
Оператор ð
Пакеты спиновых весов B снабжены дифференциальным оператором ð (eth ). Этот оператор по сути является оператором Dolbeault, после того, как были выполнены подходящие идентификации,
Таким образом, для f ∈ B (s),
определяет функцию спинового веса s + 1.
Спин-взвешенные гармоники
Так же, как обычные сферические гармоники Собственные функции оператора Лапласа-Бельтрами на сфере, s-гармоники спиновых весов являются собственными определениями для оператора Лапласа-Бельтрами, действующего на связки E (s) спин-весовых s-функций.
Представление в виде функций
Взвешенные по спину гармоники могут быть представлены как функции на сфере, если точка на сфере выбрана в качестве северного полюса. По определению функция η со спиновым весом s преобразуется при вращении вокруг полюса следующим образом:
Работая в стандартных сферических координатах, мы можем определить конкретный оператор ð, действующий на функцию η, как:
Это дает нам другую функцию от θ и φ. (Оператор ð фактически является оператором ковариантной производной в сфере.)
Важным свойством новой функции ðη является то, что если η имеет спиновый вес s, то ðη имеет спиновый вес s + 1. Таким образом, оператор увеличивает спиновый вес функции на 1. Аналогичным образом мы можем определить оператор ð, который понизит спиновый вес функции на 1:
Взвешенные по спину сферические гармоники затем определяются в терминах обычных сферических гармоник как:
Функции sYlmтогда имеют свойство преобразования со спиновым весом s.
Другие важные свойства включают следующее:
Ортогональность и полнота
Гармоники ортогональны по всей сфере :
и удовлетворяют отношению полноты
Вычисление
Эти гармоники могут быть явно вычислены несколькими способами. Очевидное рекурсивное отношение возникает в результате многократного применения повышающих или понижающих операторов. Формулы для прямого расчета были получены Goldberg et al. (1967) ошибка harvtxt: нет цели: CITEREFGoldbergMacfarlaneNewmanRohlich1967 (help ). Обратите внимание, что в их формулах используется старый выбор для фазы Кондона – Шортли. Выбранное ниже соглашение, например, согласуется с Mathematica.
Более полезной из формул Голдберга и др. Является следующая:
Записная книжка Mathematica, в которой используется эта формула для вычисления произвольных сферических гармоник, взвешенных по спину, находится здесь.
Согласно фазовому соглашению здесь:
Первые несколько спин-взвешенных сферических гармоник
Аналитические выражения для первых нескольких ортонормированных спин-взвешенных сферических гармоник :
Спин-вес s = 1, степень l = 1
Связь с матрицами вращения Вигнера
Это соотношение позволяет спиновым гармоникам вычисляться с использованием рекурсивных соотношений для D-матриц.
Тройной интеграл
Тройной интеграл в случае, когда s 1 + s 2 + s 3 = 0 задается с помощью символа 3-j :
См. также
Ссылки
- Дрей, Тевиан (май 1985 г.), «Взаимосвязь между монополями. гармоники и сферические гармоники, взвешенные по спину », J. Math. Phys., Американский институт физики, 26 (5): 1030–1033, Bibcode : 1985JMP.... 26.1030D, doi : 10.1063 / 1.526533.
- Иствуд, Майкл; Тод, Пол (1982), «Эдт - дифференциальный оператор на сфере», Математические слушания Кембриджского философского общества, 92 (2): 317–330, Bibcode : 1982MPCPS..92..317E, doi : 10.1017 / S0305004100059971.
- Гельфанд, IM ; ; Шапиро, З. Я. (1958), Представления группы обращения и группы Лоренца, их применения, Государства. Издат. Физ.-мат. Лит., Москва, MR 0114876 ; (1963) Представления групп вращения и Лоренца и их приложения (перевод). Macmillan Publishers.
- Goldberg, J. N.; Macfarlane, A.J.; Newman, E.T.; Рорлих, Ф.; Сударшан, E.C.G (ноябрь 1967 г.), "Spin-s Spherical Harmonics и", J. Math. Phys., Американский институт физики, 8 (11): 2155–2161, Bibcode : 1967JMP..... 8.2155G, doi : 10.1063 / 1.1705135 (Примечание: как упоминалось выше, в этой статье используется выбор для фазы Кондона-Шортли, которая больше не является стандартной.)
- Newman, ET ; Пенроуз Р. (май 1966 г.), «Заметка о группе Бонди-Мецнера-Сакса», J. Math. Phys., Американский институт физики, 7 (5): 863–870, Bibcode : 1966JMP..... 7..863N, doi : 10.1063 / 1.1931221.
- Ву, Тай Цун; Ян, Чен Нин (1976), «Монополь Дирака без струн: монопольные гармоники», Nuclear Physics B, 107 (3): 365–380, Bibcode : 1976NuPhB. 107..365W, doi :10.1016/0550-3213(76)90143-7, MR 0471791.