物理と数学:老人のつぶやき

物理とか数学とかに関した、気ままな話題とか日常の生活で思ったことや感じたこと、自分がおもしろく思ったことを綴る。

量の理論といえば、

2022-04-30 14:00:59 | 物理学
量の理論といえば、民間教育団体である、数学教育協議会の量の理論のことを思い出す人も多いだろうが、ここではそういうことよりも広いことを述べたい。

量子力学では物理量は観測値であるから、実数でありそのことを反映して、物理量はHermite演算子で表される。

Hermite演算子は実数を演算子に拡張したようなものであり、その固有値は実数である。Hermite演算子の定義はあまりよくわからないものであるが、その期待値をとると、実数になるような演算子というのが一つの定義であろう。

こういうことをはっきりと書いてあるのは私の知る限りではBohmの『量子論』(みすず書房)である。もちろんこれから出発して、Hermite演算子の定義はさらに一般化されるのが普通である。

この一般化されたHermite演算子の定義をはじめて学ぶとHermite演算子がもともと、どういうのものだったか、わからなくなる(注)。

これは量子力学を学んだ人の知る、独特の量の概念であるが、相対性理論とかではスカラーとかベクトルに加えて、テンソルを学ぶ。

これがまたわからない概念だと大学生のころは感じていた。そのモヤモヤが晴れたのは大学院で学んだ変換性でベクトルとかテンソルを定義するという説明を聞いたときであった(この辺の経験はエッセイ「テンソル解析の学習の問題点」に書いた。小著『物理数学散歩』(国土社)所収)。

ところが相対性理論とかでは、あまりでて来ないスピーノルという量がある。これは電子の波動関数を記述するときに、電子のスピン状態という内部自由度を記述するために必要とされたものである。

もっとも、このスピーノルという量が物理で必要とされる前に、数学ですでに発見されていたのかどうかはよくは知らない。たぶん、物理学で電子の内部状態を記述するためにスピノールが必要とされる前にエリー・カルタンによって考え出されていたのであろう。

こういうふうに物理量はとても多彩なものであり、外延量だとか内包量とかいわれる「量の理論」よりはもっと広範なものである。

さらに、相対性理論でのテンソルには連続変換に対する変換だけではなく、離散変換である、空間反転等の変換もある。

ちなみにスカラーは0階のテンソルであり、ベクトルは1階のテンソルである。本物のテンソルは2階のテンソルから始まる。

小学校で小学生に算数を教えておられる先生方が、これらをすべて知ることは不可能だと思うが、そういう広がりがあるらしいと知っておられることは望ましいと思う。

(注)Hermite演算子を行列(マトリックス)で表す場合には、

 A^{+}=A

である行列をHermitean行列という。ここで、+は普通に使うdaggar(短剣)の記号の代わりに用いている。

 A^{+}をHermite共役行列という。これは行列の要素の複素数共役をとり、かつ行と列とを入れ替えた行列である。

このHermitean行列は実数を多次元化したような感じのマトリックスである。
その対角要素は実数である。

グラフを使った還元公式の導出

2022-04-30 12:27:52 | 数学
グラフを使った還元公式の導出とは、sin関数とかcos関数のグラフから、これらの関数の還元公式をどうつくるかである。もちろん、還元公式の導出のしかたは他にもあるし、それらの導出についてすでに「数学・物理通信」に2度ほど書いた。関心のある人は「数学・物理通信」を参照してほしい。

前にも書いたとかと思うが、cos xはsin xをx軸の左方向に¥pi/2だけ平行移動したものであり、逆にsin xはcos xをx軸の右の方向に¥pi/2だけ平行移動したものであるという事実である。

そうするとcos (\pi/2+x)ならこれはsin xと比べれば、\piだけを左方向に平行移動したものである。だから、元のsin xの符号が変わった ーsin xとなるのである。

というような原稿の草稿を昨日の午前中に書いた。それで前から入力している「一般二項定理の発見」の入力がまったくてできなかった。

面倒な入力が待っているので、しかたがない。こういうのもなかなか一気には行かないものだ。

それに「一般二項定理の発見」が終わったとしても、Wallisの推測についてのエッセイはまだ全くその草稿すら取り掛かれていないので、いつまでたっても仕事は終わらない。

Newtonの「一般二項定理の発見」について書くのならば、そのきっかけを与えた、Wallisの推測について書かないと首尾一貫していないと思われる。

空間反転に対するベクトルの変換は?

2022-04-30 11:37:22 | 物理学
空間反転に対するベクトルの変換はどうだったか。

昔のかすかな記憶を思い起こすと、ロー・メソンのような、べクトル粒子のスピンとパリティは1^{-}であったと思う。光子もベクトル粒子だから、スピンとパリティは1^{-}である。

ということは座標(x, y, z) に対して、空間反転(-x, -y, -z)をすれば、ベクトルは(A_{x}, A_[y}, A_[z})から(ーA_{x}, ーA_[y},ーA_[z})と変換するのがベクトルであったと思う。

そして、擬ベクトル(または軸性ベクトルともいう)はこの空間反転において符号を変えない。 普通のベクトル(極性ベクトル)は空間反転に対して符号を変えるが、擬ベクトルは符号を変えない。

極性ベクトルを鏡に映すと符号が反転するが、軸性ベクトルは極性ベクトルのベクトル積で定義されるベクトルだから、二つのベクトルがベクトルの符号が反転して、結果的に軸性ベクトルは符号が反転しないのである。(ー1)と(ー1)をかけると元の1に戻る理屈である。

だから、軸性ベクトルは普通のベクトルである、極性べクトルとは空間反転による性質がちがうのだが、そういう差をあえて目をつぶって電磁気学の記述をやさしくしているのが、ベクトル解析をつくったGibbsやHeavisideの卓見であったのだと思う。

しかし、普通の空間回転とかboostといわれるローレンツ変換のような、連続的な変換だけではなくて、空間反転のような離散的な変換を考えてくると極性ベクトルと軸性ベクトルとのちがいがでてくるのはしかたがない。