מטריצות פאולי

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

מטריצות פאולי הן שלוש מטריצות מרוכבות המסייעות לייצג טרנספורמציות סיבוב במרחב מממד זוגי של פונקציות מרוכבות. למטריצות אלו חשיבות רבה בפיזיקה בכלל, ובתורת הקוונטים בפרט. בין היתר ניתן לייצג בעזרתן את אופרטור הספין, אופרטור הבורגיות (Helicity) ובעזרתם ניתן לכתוב את משוואת דיראק במרחב הספינור ה-4 ממדי. מטריצות אלו קרויות על שם הפיזיקאי האוסטרי וולפגנג פאולי.

המטריצות הן מסדר  2 \times 2 , כדלהלן:

\sigma_1 =\sigma_x = \begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix} \quad \quad
\sigma_2 =\sigma_y = \begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix} \quad \quad
\sigma_3 =\sigma_z = \begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}

לדוגמה, אופרטור הספין במרחב המצבים העצמיים של ספין 12 ניתן לכתיבה בצורה

 \vec{S} = \frac{\hbar}{2} \vec{\sigma} = \frac{\hbar}{2} \left(\sigma_x\hat{x} + \sigma_y\hat{y} + \sigma_z\hat{z} \right)

תכונות מטריצות פאולי[עריכת קוד מקור | עריכה]

 \sigma_i^\dagger = \sigma_i^{-1} = \sigma_i
\operatorname{Tr}(\sigma_i)=0
\det(\sigma_i)=-1
  • כל אחת ממטריצות פאולי מקיימת את השוויון : \sigma_i^2 = I כאשר I היא מטריצת היחידה.
  • כפל מטריצות:
\sigma_1\sigma_2 = i\sigma_3\,\!
\sigma_3\sigma_1 = i\sigma_2\,\!
\sigma_2\sigma_3 = i\sigma_1\,\!
אם i\ne j אז \sigma_i\sigma_j = -\sigma_j\sigma_i
  • יחסי חילוף (קומוטציה) ואנטי-חילוף (אנטי-קומוטציה):
\begin{matrix}
[\sigma_i, \sigma_j] &=& 2 i\,\varepsilon_{i j k}\,\sigma_k \\[1ex]
\{\sigma_i, \sigma_j\} &=& 2 \delta_{i j} \cdot I
\end{matrix}
  • את הזהויות לעיל אפשר לסכם כך:
\sigma_i \sigma_j = \delta_{ij} \cdot I + i \varepsilon_{ijk} \sigma_k \,.
כאשר \delta_{ij} הוא הדלתא של קרונקר ו \varepsilon_{ijk} הוא טנזור לוי-צ'יוויטה.
(\vec{a} \cdot \vec{\sigma})(\vec{b} \cdot \vec{\sigma}) = \vec{a} \cdot \vec{b} + i \vec{\sigma} \cdot (\vec{a} \times \vec{b}) \quad \quad \quad \quad \,
  • \ \sigma_2 \sigma_k \sigma_2 = -\sigma_k^*
  • \ \operatorname{Tr} ( \sigma^i \sigma^j ) = 2 \delta^{ij}

שימושים בפיזיקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

למטריצות פאולי מספר שימושים בתורת הקוונטים, ביניהם:

  • עבור ספין 12, האופרטור המתאים לספין בכיוון הציר \ \hat n הוא  \ \frac{\hbar}{2} \vec{\sigma} \cdot \hat{n}. בפרט מטריצות פאולי עצמן מתאימות לספין בכיוון הצירים x,y,z. האופרטור המתאר סיבוב של ספין 12 בזווית \theta סביב הציר \ \hat n הוא: e^{-i \frac{\theta}{2}(\hat{n} \cdot \vec{\sigma})} = \cos{\frac{\theta}{2}} -i (\hat{n} \cdot \sigma) \sin{\frac{\theta}{2}} \,
  • מטריצות פאולי משמשות לבניית מטריצות גאמה של דיראק, הנמצאות בניסוח היחסותי האינווריאנטי-לורנץ של משוואת דיראק.
  • בפיזיקה גרעינית משתמשים במטריצות פאולי לתיאור טרנספורמציות של חלקיקים בעלי איזוספין 12 (לדוגמה נוקליאונים). בתחום זה, מטריצות פאולי מסומנות בדרך כלל ב־\ \tau_i.
  • מטריצות פאולי הן היוצרות של ההצגה מממד 2 של חבורת לי \ SU(2).

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]