Матрицы Паули

Ма́трицы Па́ули — это набор из трёх эрмитовых и одновременно унитарных 2×2 матриц, составляющий базис в пространстве всех эрмитовых 2×2 матриц с нулевым следом. Были предложены Вольфгангом Паули для описания спина электрона в квантовой механике. Матрицы имеют вид

${\displaystyle \sigma _{1}={\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}},}$

${\displaystyle \sigma _{2}={\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix}},}$

${\displaystyle \sigma _{3}={\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}}.}$

Вместо ${\displaystyle \sigma _{1},\sigma _{2},\sigma _{3}}$ иногда используют обозначение ${\displaystyle \sigma _{x},\sigma _{y},\sigma _{z}}$ и ${\displaystyle X,Y,Z}$.

Часто также употребляют матрицу

${\displaystyle \sigma _{0}={\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}},}$

совпадающую с единичной матрицей ${\displaystyle I}$, которую также иногда обозначают как ${\displaystyle E}$.

Матрицы Паули вместе с матрицей ${\displaystyle \sigma _{0}}$ образуют базис в пространстве всех эрмитовых матриц 2×2 (а не только матриц с нулевым следом).

Свойства

Основные соотношения

• Эрмитовость: ${\displaystyle \sigma _{i}^{\dagger }=\sigma _{i}}$.
• Равенство нулю следа: ${\displaystyle \operatorname {Tr} (\sigma _{i})=0,\ i=1,2,3}$.
• ${\displaystyle \sigma _{1}^{2}=\sigma _{2}^{2}=\sigma _{3}^{2}=\sigma _{0}^{2}=I,}$ где ${\displaystyle I=\sigma _{0}}$ — единичная матрица размерности 2×2.
• Унитарность: ${\displaystyle \sigma _{i}^{\dagger }=\sigma _{i}^{-1}=\sigma _{i}}$.
• Определитель матриц Паули равен −1.
• Алгебра, порождённая элементами ${\displaystyle \sigma _{0},-i\sigma _{x},-i\sigma _{y},-i\sigma _{z}}$, изоморфна алгебре кватернионов ${\displaystyle \langle 1,i,j,k\rangle }$.

Правила умножения матриц Паули:

${\displaystyle \sigma _{1}\sigma _{2}=i\sigma _{3},}$

${\displaystyle \sigma _{2}\sigma _{3}=i\sigma _{1},}$

${\displaystyle \sigma _{3}\sigma _{1}=i\sigma _{2},}$

${\displaystyle \sigma _{i}\sigma _{j}=-\sigma _{j}\sigma _{i}}$ для ${\displaystyle i\neq j.}$

Эти правила умножения можно переписать в компактной форме

${\displaystyle \sigma _{i}\sigma _{j}=i\varepsilon _{ijk}\sigma _{k}+\delta _{ij}\sigma _{0},\quad i,j,k=1,2,3}$,

где ${\displaystyle \delta _{ij}}$ — символ Кронекера, а ${\displaystyle \varepsilon _{ijk}}$ — символ Леви-Чивиты.

Из этих правил умножения следуют коммутационные соотношения

${\displaystyle {\begin{matrix}[\sigma _{i},\sigma _{j}]&=&2i\,\varepsilon _{ijk}\,\sigma _{k},\\\{\sigma _{i},\sigma _{j}\}&=&2\delta _{ij}\sigma _{0}.\end{matrix}}}$

Квадратные скобки означают коммутатор, фигурные — антикоммутатор.

Также для матриц Паули выполняются тождества Фирца.

Выражения для следов произведения матриц Паули

${\displaystyle \operatorname {Tr} (\sigma _{i}\sigma _{j})=2\delta _{ij},}$

${\displaystyle \operatorname {Tr} (\sigma _{i}\sigma _{j}\sigma _{k})=2i\varepsilon _{ijk}.}$

Из выражения для умножения матриц Паули следуют также следующие соотношения:

• ${\displaystyle \sigma _{1}\sigma _{2}\sigma _{3}=i\sigma _{0},}$
• ${\displaystyle ({\vec {\sigma }},{\vec {a}})^{2}=\left|{\vec {a}}\right|^{2}\sigma _{0}}$, где ${\displaystyle {\vec {\sigma }}=(\sigma _{1},\sigma _{2},\sigma _{3})}$ — вектор из матриц Паули, ${\displaystyle {\vec {a}}=(a_{1},a_{2},a_{3})}$ — произвольный вектор,

а также формулы для матричных экспонент и их следов:

• ${\displaystyle e^{i({\vec {a}},{\vec {\sigma }})}=\sigma _{0}\cos {\left|{\vec {a}}\right|}+{\frac {i({\vec {a}},{\vec {\sigma }})}{\left|{\vec {a}}\right|}}\sin {\left|{\vec {a}}\right|},}$
• ${\displaystyle e^{({\vec {a}},{\vec {\sigma }})}=\sigma _{0}\operatorname {ch} \left|{\vec {a}}\right|+{\frac {({\vec {a}},{\vec {\sigma }})}{\left|{\vec {a}}\right|}}\operatorname {sh} \left|{\vec {a}}\right|,}$
• ${\displaystyle \operatorname {Tr} \left(e^{i({\vec {a}},{\vec {\sigma }})}\right)=2\cos {\left|{\vec {a}}\right|},}$
• ${\displaystyle \operatorname {Tr} \left(e^{({\vec {a}},{\vec {\sigma }})}\right)=2\operatorname {ch} \left|{\vec {a}}\right|.}$

Связь с алгебрами Ли

Коммутационные соотношения матриц ${\displaystyle i\sigma _{k}}$ совпадают с коммутационными соотношениями генераторов универсальной обёртывающей алгебры алгебры Ли su(2). И действительно, вся эта обёртывающая алгебра может быть построена из произвольных линейных комбинаций конечных произведений матриц ${\displaystyle i\sigma _{k}\;.}$ [Слово "генераторы" ведёт своё происхождение из терминологии математики 19-го века: тогда любили говорить о "генераторах и отношениях" алгебраической структуры, так как, не имея теории множеств, математики определяли такие структуры часто "изнутри", а не "снаружи". В случае матриц Паули идеал, по которому факторизуется тензорная алгебра алгебры Ли (соответствующая фактор-алгебра и есть универсальная обёртывающая алгебра алгебры Ли), определяется "отношениями", которыми собственно и служат коммутационные соотношения матриц. Универсальные обёртывающие алгебры особенно полезны для нематричных алгебр Ли, так как скобка Ли, являющаяся примитивным понятием алгебры Ли (а произведений в алгебре Ли в общем случае нет), вкладывается в ассоциативную обёртывающую алгебру, имеющую произведения, в виде коммутатора.] Группа SU(2) с алгеброй su(2) локально изоморфна группе SO(3) вращений трёхмерного пространства, будучи её универсальной накрывающей группой; в частности этим объясняется важность матриц Паули для физики.

Применение в физике

В квантовой механике матрицы −${\displaystyle i\sigma _{j}/2}$ представляют собой генераторы инфинитезимальных вращений для нерелятивистских частиц со спином ½. Элементы матрицы спинового оператора для частиц с полуцелым спином выражаются через матрицы Паули^[1] как

${\displaystyle (s_{x})_{\sigma ,\sigma -1}=(s_{x})_{\sigma -1,\sigma }={\frac {1}{2}}{\sqrt {(s+\sigma )(s-\sigma +1)}}}$

${\displaystyle (s_{y})_{\sigma ,\sigma -1}=-(s_{y})_{\sigma -1,\sigma }={\frac {-i}{2}}{\sqrt {(s+\sigma )(s-\sigma +1)}}}$

${\displaystyle (s_{z})_{\sigma \sigma }=\sigma }$

Вектор состояния таких частиц представляет собой двухкомпонентный спинор^[2]. Двухкомпонентные спиноры образуют пространство фундаментального представления группы SU(2).

См. также

• Тождества Фирца

Примечания

1. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. § 55. Оператор спина // Квантовая механика (нерелятивистская теория). — Издание 5-е. — М.: Физматлит, 2001. — С. 258. — 808 с. — («Теоретическая физика», том III). — ISBN 5-9221-0057-2.
2. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. § 56. Спиноры // Квантовая механика (нерелятивистская теория). — Издание 5-е. — М.: Физматлит, 2001. — С. 258. — 808 с. — («Теоретическая физика», том III). — ISBN 5-9221-0057-2.

Литература

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). — Издание 4-е. — М.: Наука, 1989. — 768 с. — («Теоретическая физика», том III). — ISBN 5-02-014421-5.