正则表示与局域性

[arXiv:2511.11343] Global symmetries: locality, unitarity, and regularity

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局域性

  • 量子场论的自我修养
    • 局域性 (locality)
    • 幺正性 (unitarity)
    • 洛伦兹协变性 (Lorentz covariance)
    • 因果性 (causality)
    • 谱条件 (spectrum condition)

局域性

  • 局域性:物理系统由大量独立的积木搭建而成,相隔甚远的时空点的物理过程互不影响
  • 粗略的局域物理模型:希尔伯特空间 H\mathcal{H} 是一些基本组分的张量积

    H=H1H2HN\mathcal{H} = \mathcal{H}_1 \otimes \mathcal{H}_2 \otimes \cdots \otimes \mathcal{H}_N

  • 量子场论相当于 NN \to \infty (热力学) 极限

局域对称性

  • 考虑对称性 GG,以及 GGH\mathcal{H} 上的线性幺正表示 U(g)U(g)
  • 这个对称性是局域的,如果对于任意 gGg \in G,都有

    U(g)=U1(g)U2(g)UN(g)U(g) = U_1(g) \otimes U_2(g) \otimes \cdots \otimes U_N(g)

    其中 Ui(g)U_i(g)GGHi\mathcal{H}_i 上的表示

NN \to \infty

  • 为了简单起见,考虑 Hi\mathcal{H}_i 都形成相同的 GG 表示 H0\mathcal{H}_0

    H=H0H0H0\mathcal{H} = \mathcal{H}_0 \otimes \mathcal{H}_0 \otimes \cdots \otimes \mathcal{H}_0

  • 我们关心分解成 GG-幺正不可约表示的情况

    Hαmα(N)R(α)\mathcal{H} \cong \bigoplus_\alpha m_\alpha(N) \mathcal{R}^{(\alpha)}

  • 重数计算公式

    mα=1GgχR(α)(g)χH(g)m_\alpha = \frac{1}{|G|}\sum_{g} \overline{\chi_{\mathcal{R}^{(\alpha)}}(g)} \chi_\mathcal{H}(g)

N+N \to +\infty

  • 由于 H=H0N\mathcal{H} = \mathcal{H}_0^{\otimes N},所以

    χH(g)=(χH0(g))N\chi_\mathcal{H}(g) = \left(\chi_{\mathcal{H}_0}(g)\right)^N

  • 因此重数为

    mα(N)= 1GgχR(α)(g)(χH0(g))N= 1G(χH0(e)NχR(α)(e)+geχR(α)(g)(χH0(g))N)\begin{align*} m_\alpha(N) = & \ \frac{1}{|G|}\sum_{g} \overline{\chi_{\mathcal{R}^{(\alpha)}}(g)} \left(\chi_{\mathcal{H}_0}(g)\right)^N\\ = & \ \frac{1}{|G|} \bigg( \chi_{\mathcal{H}_0}(e)^N \overline{\chi_{\mathcal{R}^{(\alpha)}}(e)} + \sum_{g \neq e} \overline{\chi_{\mathcal{R}^{(\alpha)}}(g)} \left(\chi_{\mathcal{H}_0}(g)\right)^N \bigg) \end{align*}

N+N \to +\infty 极限

  • 随着 NN 增大,两项的增长速率不一样
  • 寻找增长最快的项

N+N \to +\infty 极限

  • 定理χR(g)χR(e)|\chi_{\mathcal{R}}(g)| \le |\chi_{\mathcal{R}}(e)| for all geg \neq e

    说明

    • 任何一个 R\mathcal{R} 都等价于一个幺正表示,因此只需证明幺正表示的情形
    • λi\lambda_i 是幺正算符 U(g)U(g) 的特征值,则必然有 λi=1|\lambda_i| = 1
    • 因此

      χR(g)=iλiiλi=dimR=χR(e)|\chi_{\mathcal{R}}(g)| = \left|\sum_i \lambda_i\right| \leq \sum_i |\lambda_i| = \dim\mathcal{R} = \chi_{\mathcal{R}}(e)

N+N \to +\infty 极限

χH0(e)NχR(α)(e)+geχR(α)(g)(χH0(g))N\chi_{\mathcal{H}_0}(e)^N \overline{\chi_{\mathcal{R}^{(\alpha)}}(e)} + \sum_{g \neq e} \overline{\chi_{\mathcal{R}^{(\alpha)}}(g)} \left(\chi_{\mathcal{H}_0}(g)\right)^N

  • N+N\to +\infty 时,第二项中 χH0(g)<χH0(e)|\chi_{\mathcal{H}_0}(g)| < |\chi_{\mathcal{H}_0}(e)| 的项会被指数级压制
  • 不被指数压制的的是那些满足 χH0(g)=χH0(e)|\chi_{\mathcal{H}_0}(g)| = |\chi_{\mathcal{H}_0}(e)| 的项
  • 什么时候 χH0(g)=χH0(e)|\chi_{\mathcal{H}_0}(g)| = |\chi_{\mathcal{H}_0}(e)| 成立?

N+N \to +\infty 极限

  • 定理χR(g)=χR(e)|\chi_{\mathcal{R}}(g)| = |\chi_{\mathcal{R}}(e)| 当且仅当 U(g)=λidU(g) = \lambda \operatorname{id}

    说明

    • 由三角不等式知,等号成立当且仅当所有 λi\lambda_i "同向"
    • 由于 λi=1|\lambda_i| = 1,只能 λi=λ\lambda_i = \lambda,其中 λ\lambda 是某个单位复数
    • 因此 U(g)=λidU(g) = \lambda \operatorname{id}

N+N \to +\infty 极限

  • 定理:所有满足 U(g)=λidU(g) = \lambda \operatorname{id}gg 组成一个子群 KGK \subset G

    说明

    • 验证乘法封闭和取逆封闭
    • g1,g2Kg_1, g_2 \in K,则

      U(g1g2)=U(g1)U(g2)=λ1λ2idU(g_1 g_2) = U(g_1) U(g_2) = \lambda_1 \lambda_2 \operatorname{id}

    • gKg \in K,则

      U(g1)=U(g)1=λ1idU(g^{-1}) = U(g)^{-1} = \lambda^{-1} \operatorname{id}

N+N \to +\infty 极限

  • 定理KK 是一个正规子群

    说明

    • 验证共轭封闭
    • gKg \in K,则对于任意 hGh \in G,都有

      U(hgh1)=U(h)U(g)U(h)1=λidU(h g h^{-1}) = U(h) U(g) U(h)^{-1} = \lambda \operatorname{id}

      因此 hgh1Kh g h^{-1} \in K

N+N \to +\infty 极限

  • 物理:对于 gKg \in KH0\mathcal{H}_0 的作用可以看成是"平凡的",相当于 没有作用

    因为对所有态都乘以复数 λ\lambda

  • H0\mathcal{H}_0有效作用的是商群 G/KG/K

  • 下面只考虑 G=G/KG' = G/KH0\mathcal{H}_0 上作用所产生的表示

  • G/KG/K 中,只有单位元 g=eg=e 满足 χH0(g)=χH0(e)|\chi_{\mathcal{H}_0}(g)| = |\chi_{\mathcal{H}_0}(e)|,非单位元 geg \neq e 都满足严格不等式

    χH0(g)<χH0(e)=dimH0|\chi_{\mathcal{H}_0}(g)| < |\chi_{\mathcal{H}_0}(e)| = \dim \mathcal{H}_0

N+N \to +\infty 极限

  • 因此当 N+N \to +\infty 时,重数的行为为

    mα(N)1GχH0(e)NχR(α)(e)=(dimH0)NGdimR(α)m_\alpha(N) \to \frac{1}{|G|} \chi_{\mathcal{H}_0}(e)^N \chi_{\mathcal{R}^{(\alpha)}}(e) = \frac{(\dim \mathcal{H}_0)^N }{|G|}\dim \mathcal{R}^{(\alpha)}

正则表示

  • 因此当 N+N \to +\infty 时,H\mathcal{H} 分解成 GG-幺正不可约表示的情形为

    Hα(dimH0)NGdim(R(α))R(α)\mathcal{H} \cong \bigoplus_\alpha \frac{(\dim \mathcal{H}_0)^N }{|G|} \dim (\mathcal{R}^{(\alpha)})\mathcal{R}^{(\alpha)}

  • 这非常类似正则表示的分解形式

    Rregα(dimR(α))R(α)\mathcal{R}_{\text{reg}} \cong \bigoplus_\alpha (\dim \mathcal{R}^{(\alpha)}) \mathcal{R}^{(\alpha)}

正则表示

  • 定理: 当 N+N \to +\infty 时,局域对称性 GGH=H0N\mathcal{H} = \mathcal{H}_0^{\otimes N} 上的表示 (形式上) 趋近于正则表示的"若干倍数"

    H(dimH0)NGRreg\mathcal{H} \cong \frac{(\dim \mathcal{H}_0)^N}{|G|}\mathcal{R}_{\text{reg}}