在數學 和數學物理 中,包立矩陣 是一組三個2×2的么正 厄米 複 矩陣 ,[1] 一般都以希臘字母 σ 來表示,但有時當他們在和同位旋 的對稱性做連結時,會被寫成τ 。他們在包立表像(σz 表像)可以寫成:
σ
1
=
σ
x
=
[
0
1
1
0
]
σ
2
=
σ
y
=
[
0
−
i
i
0
]
σ
3
=
σ
z
=
[
1
0
0
−
1
]
{\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{1}=\sigma _{x}&={\begin{bmatrix}0&1\\1&0\end{bmatrix))\\\sigma _{2}=\sigma _{y}&={\begin{bmatrix}0&-i\\i&0\end{bmatrix))\\\sigma _{3}=\sigma _{z}&={\begin{bmatrix}1&0\\0&-1\end{bmatrix))\end{aligned))}
這些矩陣是以物理學家 沃爾夫岡·包立 命名的。在量子力學 中,它們出現在包立方程式 中描述磁場 和自旋 之間交互作用 的一項。所有的包立矩陣都是厄米矩陣 ,它們和單位矩陣 I (有時候又被稱為為第零號包立矩陣σ 0 ),的線性張成 為2×2厄米矩陣的向量空間 。
從量子力學的角度來看,埃爾米特矩陣 (算符 )代表可觀測的物理量 ,因此,σk , k = 0,1,2,3的線性張成代表所有作用在二維希爾伯特空間 的物理量所形成的空間。從包立本人的的研究來看,σk , k =1,2,3所代表的物理量是自旋 在三維歐幾里得空間 ℝ3 中第k 個座標軸的投影 分量。
三個包立矩陣可以共同用一種單一形式表達:
σ
a
=
[
δ
a
3
δ
a
1
−
i
δ
a
2
δ
a
1
+
i
δ
a
2
−
δ
a
3
]
{\displaystyle \sigma _{a}={\begin{bmatrix}\delta _{a3}&\delta _{a1}-i\delta _{a2}\\\delta _{a1}+i\delta _{a2}&-\delta _{a3}\end{bmatrix))}
其中δab 是克羅內克δ 函數 。當a =b 時,其值為1;當a ≠b 時,其值為0。
這些矩陣是對合 的:
σ
1
2
=
σ
2
2
=
σ
3
2
=
−
i
σ
1
σ
2
σ
3
=
[
1
0
0
1
]
=
I
{\displaystyle \sigma _{1}^{2}=\sigma _{2}^{2}=\sigma _{3}^{2}=-i\sigma _{1}\sigma _{2}\sigma _{3}={\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix))=I}
其中I 是單位矩陣 。
此外,包立矩陣的行列式 和它們的跡 分別為:
det
(
σ
i
)
=
−
1
tr
(
σ
i
)
=
0
{\displaystyle {\begin{aligned}\det(\sigma _{i})&=-1\\\operatorname {tr} (\sigma _{i})&=0\end{aligned))}
故從上述關係可以推得每個包立矩陣σ i 的本徵值 分別為±1。
每個包立矩陣有兩個本徵值,+1和−1,其對應的歸一化 本徵向量 為:
ψ
x
+
=
1
2
[
1
1
]
ψ
x
−
=
1
2
[
1
−
1
]
ψ
y
+
=
1
2
[
1
i
]
ψ
y
−
=
1
2
[
1
−
i
]
ψ
z
+
=
[
1
0
]
ψ
z
−
=
[
0
1
]
{\displaystyle {\begin{array}{lclc}\psi _{x+}=\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2))}\!\!\!\!\!&{\begin{bmatrix}{1}\\{1}\end{bmatrix))&\psi _{x-}=\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2))}\!\!\!\!\!&{\begin{bmatrix}{1}\\{-1}\end{bmatrix))\\\psi _{y+}=\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2))}\!\!\!\!\!&{\begin{bmatrix}{1}\\{i}\end{bmatrix))&\psi _{y-}=\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2))}\!\!\!\!\!&{\begin{bmatrix}{1}\\{-i}\end{bmatrix))\\\psi _{z+}=&{\begin{bmatrix}{1}\\{0}\end{bmatrix))&\psi _{z-}=&{\begin{bmatrix}{0}\\{1}\end{bmatrix))\end{array))}
包立向量定義為:
σ
→
=
σ
1
x
^
+
σ
2
y
^
+
σ
3
z
^
{\displaystyle {\vec {\sigma ))=\sigma _{1}{\hat {x))+\sigma _{2}{\hat {y))+\sigma _{3}{\hat {z))\,}
這個定義提供了將一般向量基底 對應到包立矩陣的基底的機制
a
→
⋅
σ
→
=
(
a
i
x
^
i
)
⋅
(
σ
j
x
^
j
)
=
a
i
σ
j
x
^
i
⋅
x
^
j
=
a
i
σ
j
δ
i
j
=
a
i
σ
i
{\displaystyle {\begin{aligned}{\vec {a))\cdot {\vec {\sigma ))&=(a_{i}{\hat {x))_{i})\cdot (\sigma _{j}{\hat {x))_{j})\\&=a_{i}\sigma _{j}{\hat {x))_{i}\cdot {\hat {x))_{j}\\&=a_{i}\sigma _{j}\delta _{ij}\\&=a_{i}\sigma _{i}\end{aligned))}
相同的下標是使用了愛因斯坦求和約定 。此外:
det
a
→
⋅
σ
→
=
−
a
→
⋅
a
→
=
−
|
a
→
|
2
{\displaystyle \det {\vec {a))\cdot {\vec {\sigma ))=-{\vec {a))\cdot {\vec {a))=-|{\vec {a))|^{2))
。包立矩陣有以下的對易 關係:
[
σ
a
,
σ
b
]
=
2
i
ε
a
b
c
σ
c
,
{\displaystyle [\sigma _{a},\sigma _{b}]=2i\varepsilon _{abc}\,\sigma _{c}\,,}
以及以下的反對易 關係。
{
σ
a
,
σ
b
}
=
2
δ
a
b
I
{\displaystyle \{\sigma _{a},\sigma _{b}\}=2\delta _{ab}\,I}
。其中εabc 是列維-奇維塔符號 ,δab 是克羅內克函數 ,是I 是2 ×2的單位矩陣。而一樣的,上面使用了愛因斯坦求和約定。
將包立矩陣的對易 和反對易 相加得:
[
σ
a
,
σ
b
]
+
{
σ
a
,
σ
b
}
=
(
σ
a
σ
b
−
σ
b
σ
a
)
+
(
σ
a
σ
b
+
σ
b
σ
a
)
2
i
∑
c
ε
a
b
c
σ
c
+
2
δ
a
b
I
=
2
σ
a
σ
b
{\displaystyle {\begin{aligned}\left[\sigma _{a},\sigma _{b}\right]+\{\sigma _{a},\sigma _{b}\}&=(\sigma _{a}\sigma _{b}-\sigma _{b}\sigma _{a})+(\sigma _{a}\sigma _{b}+\sigma _{b}\sigma _{a})\\2i\sum _{c}\varepsilon _{abc}\,\sigma _{c}+2\delta _{ab}I&=2\sigma _{a}\sigma _{b}\end{aligned))}
因此可得:
σ
a
σ
b
=
i
∑
c
ε
a
b
c
σ
c
+
δ
a
b
I
{\displaystyle \sigma _{a}\sigma _{b}=i\sum _{c}\varepsilon _{abc}\,\sigma _{c}+\delta _{ab}I}
為了避免符號重複,將a , b , c 改成p , q , r ,然後把上式和三維向量 ap 和bq 內積 ,可得:
a
p
b
q
σ
p
σ
q
=
a
p
b
q
(
i
∑
r
ε
p
q
r
σ
r
+
δ
p
q
I
)
a
p
σ
p
b
q
σ
q
=
i
∑
r
ε
p
q
r
a
p
b
q
σ
r
+
a
p
b
q
δ
p
q
I
{\displaystyle {\begin{aligned}a_{p}b_{q}\sigma _{p}\sigma _{q}&=a_{p}b_{q}\left(i\sum _{r}\varepsilon _{pqr}\,\sigma _{r}+\delta _{pq}I\right)\\a_{p}\sigma _{p}b_{q}\sigma _{q}&=i\sum _{r}\varepsilon _{pqr}\,a_{p}b_{q}\sigma _{r}+a_{p}b_{q}\delta _{pq}I\end{aligned))}
將它轉換成向量積的表達式:
(
a
→
⋅
σ
→
)
(
b
→
⋅
σ
→
)
=
(
a
→
⋅
b
→
)
I
+
i
(
a
→
×
b
→
)
⋅
σ
→
{\displaystyle ({\vec {a))\cdot {\vec {\sigma )))({\vec {b))\cdot {\vec {\sigma )))=({\vec {a))\cdot {\vec {b)))\,I+i({\vec {a))\times {\vec {b)))\cdot {\vec {\sigma ))}
令
a
→
=
a
n
^
{\displaystyle {\vec {a))=a{\hat {n))}
,而且
|
n
^
|
=
1
{\displaystyle |{\hat {n))|=1}
對於偶數n 可得:
(
n
^
⋅
σ
→
)
2
n
=
I
{\displaystyle ({\hat {n))\cdot {\vec {\sigma )))^{2n}=I\,}
另外加上之前求得在n = 1的情況可在n 為奇數的情況:
(
n
^
⋅
σ
→
)
2
n
+
1
=
n
^
⋅
σ
→
{\displaystyle ({\hat {n))\cdot {\vec {\sigma )))^{2n+1}={\hat {n))\cdot {\vec {\sigma ))\,}
利用矩陣指數 的概念,加上正弦 和餘弦 的泰勒級數 展開式,可得:
e
i
a
(
n
^
⋅
σ
→
)
=
∑
n
=
0
∞
i
n
[
a
(
n
^
⋅
σ
→
)
]
n
n
!
=
∑
n
=
0
∞
(
−
1
)
n
(
a
n
^
⋅
σ
→
)
2
n
(
2
n
)
!
+
i
∑
n
=
0
∞
(
−
1
)
n
(
a
n
^
⋅
σ
→
)
2
n
+
1
(
2
n
+
1
)
!
=
I
∑
n
=
0
∞
(
−
1
)
n
a
2
n
(
2
n
)
!
+
i
n
^
⋅
σ
→
(
∑
n
=
0
∞
(
−
1
)
n
a
2
n
+
1
(
2
n
+
1
)
!
)
{\displaystyle {\begin{aligned}e^{ia({\hat {n))\cdot {\vec {\sigma )))}&=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {i^{n}\left[a({\hat {n))\cdot {\vec {\sigma )))\right]^{n)){n!))\\&=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}(a{\hat {n))\cdot {\vec {\sigma )))^{2n)){(2n)!))+i\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}(a{\hat {n))\cdot {\vec {\sigma )))^{2n+1)){(2n+1)!))\\&=I\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}a^{2n)){(2n)!))+i{\hat {n))\cdot {\vec {\sigma ))\left(\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}a^{2n+1)){(2n+1)!))\right)\\\end{aligned))}
第一項的總和為
cos
a
{\displaystyle \cos {a))
,第二項括號裡的總和是
sin
a
{\displaystyle \sin {a))
,於是:
e
i
a
(
n
^
⋅
σ
→
)
=
I
cos
a
+
i
(
n
^
⋅
σ
→
)
sin
a
{\displaystyle e^{ia({\hat {n))\cdot {\vec {\sigma )))}=I\cos {a}+i({\hat {n))\cdot {\vec {\sigma )))\sin {a}\,}
2
這可以看做是歐拉公式 的類比。
另一個常用來區別包立矩陣的方法是用上標i ,用不同的i 來代表不同的包立矩陣,而下標則代表不同的矩陣元素。因此第i 個包立矩陣的第α 行第β 列的元素可表示為σ i αβ
利用這種表示方法,包立矩陣的完備性關係可寫作:
σ
→
α
β
⋅
σ
→
γ
δ
≡
∑
i
=
1
3
σ
α
β
i
σ
γ
δ
i
=
2
δ
α
δ
δ
β
γ
−
δ
α
β
δ
γ
δ
{\displaystyle {\vec {\sigma ))_{\alpha \beta }\cdot {\vec {\sigma ))_{\gamma \delta }\equiv \sum _{i=1}^{3}\sigma _{\alpha \beta }^{i}\sigma _{\gamma \delta }^{i}=2\delta _{\alpha \delta }\delta _{\beta \gamma }-\delta _{\alpha \beta }\delta _{\gamma \delta }\ }
證明
因為所有的包立矩陣,和2×2的單位矩陣可做為所有2×2矩陣在希爾伯特空間 中的正交 基底 ,表示任何一個複係數矩陣M 皆可表示為:
M
=
c
I
+
∑
i
a
i
σ
i
{\displaystyle M=c\mathbf {I} +\sum _{i}a_{i}\sigma ^{i))
其中c 是一複數,a i 是一複向量中的三個係數。
利用之前給的關係式,容易證明:
t
r
σ
i
σ
j
=
2
δ
i
j
{\displaystyle \mathrm {tr} \,\sigma ^{i}\sigma ^{j}=2\delta _{ij))
"tr"表示對該矩陣取其跡 ,因此,
c
=
1
2
t
r
M
{\displaystyle c={\frac {1}{2))\mathrm {tr} \,M}
和
a
i
=
1
2
t
r
σ
i
M
{\displaystyle a_{i}={\frac {1}{2))\mathrm {tr} \,\sigma ^{i}M}
成立。
故,
2
M
=
I
t
r
M
+
∑
i
σ
i
t
r
σ
i
M
{\displaystyle 2M=I\mathrm {tr} \,M+\sum _{i}\sigma ^{i}\mathrm {tr} \,\sigma ^{i}M}
用矩陣的標號表示的話就成為:
2
M
α
β
=
δ
α
β
M
γ
γ
+
∑
i
σ
α
β
i
σ
γ
δ
i
M
δ
γ
{\displaystyle 2M_{\alpha \beta }=\delta _{\alpha \beta }M_{\gamma \gamma }+\sum _{i}\sigma _{\alpha \beta }^{i}\sigma _{\gamma \delta }^{i}M_{\delta \gamma ))
在等號右邊,針對了兩個重複出現的標號γ 和δ ,使用了愛因斯坦求和約定 。而因為這關係對所有矩陣M 都成立,因此要證的完備性關係必然成立。
有時習慣上將2×2單位舉寫成σ 0 ,也就是,σ 0 αβ = δ αβ 。如此一來完備性關係可以更為簡潔的表示成:
∑
i
=
0
3
σ
α
β
i
σ
γ
δ
i
=
2
δ
α
δ
δ
β
γ
{\displaystyle \sum _{i=0}^{3}\sigma _{\alpha \beta }^{i}\sigma _{\gamma \delta }^{i}=2\delta _{\alpha \delta }\delta _{\beta \gamma }\,}
令算符Pij 為換位算符(或稱為置換算符)。對於兩個在張量積 空間ℂ2 ⊗ ℂ2 中的自旋σ i 和σ j 該算符有:
P
i
j
|
σ
i
σ
j
⟩
=
|
σ
j
σ
i
⟩
{\displaystyle P_{ij}|\sigma _{i}\sigma _{j}\rangle =|\sigma _{j}\sigma _{i}\rangle \,}
的關係。這個算符可以更進一步的用包立矩陣來表示:
P
i
j
=
1
2
(
σ
→
i
⋅
σ
→
j
+
1
)
{\displaystyle P_{ij}={\tfrac {1}{2))({\vec {\sigma ))_{i}\cdot {\vec {\sigma ))_{j}+1)\,}
該算符有兩個本徵值 ,分別1和-1,這個算符可以用於代表某些哈密頓量 的交互作用項,產生對稱和反對稱的本徵態 分裂的效果。
{I , iσ 1 , iσ 2 , iσ 3 } 的實數張成與四元數 ℍ 的實代數同構 ,可透過下列映射 得到對應關係(注意到包立矩陣的負號):
1
↦
I
,
i
↦
−
σ
2
σ
3
=
−
i
σ
1
,
j
↦
−
σ
3
σ
1
=
−
i
σ
2
,
k
↦
−
σ
1
σ
2
=
−
i
σ
3
.
{\displaystyle 1\mapsto I,\quad \mathbf {i} \mapsto -\sigma _{2}\sigma _{3}=-i\sigma _{1},\quad \mathbf {j} \mapsto -\sigma _{3}\sigma _{1}=-i\sigma _{2},\quad \mathbf {k} \mapsto -\sigma _{1}\sigma _{2}=-i\sigma _{3}.}
另外一種方式的映射為將包立矩陣的次序反轉[2]
1
↦
I
,
i
↦
i
σ
3
,
j
↦
i
σ
2
,
k
↦
i
σ
1
.
{\displaystyle 1\mapsto I,\quad \mathbf {i} \mapsto i\sigma _{3},\quad \mathbf {j} \mapsto i\sigma _{2},\quad \mathbf {k} \mapsto i\sigma _{1}.}
既然單位四元數與SU(2) 為群同構,此亦代表包立矩陣也可用來描述SU(2) 。從SU(2) 到SO(3) 的2對1同態性 ,也可以用包立矩陣來表述。
四元數構成可除代數——所有非零元素皆有反元素 ,然而包立矩陣並非如此。包立矩陣生成的代數的四元數版,參見複四元數 ,其共有8個實維度。
背景 基礎 表述 方程 空間幾何 詮釋 實驗 量子纳米科学
量子貝葉斯詮釋
量子生物学
量子微積分
量子化学
量子混沌
量子認知
量子宇宙學
量子微分
量子動力學
量子演化
量子幾何
量子群
測量問題
量子概率
量子隨機演算
量子時空
量子技術 進階研究 物理學者