Введение
Рецепт построения квантового аналога классической физической теории. В математической физике геометрическое квантование — это математический подход к определению квантовой теории, соответствующей заданной классической теории. Оно стремится осуществить квантование, для которого в общем случае не существует точного алгоритма, таким образом, чтобы определенные аналогии между классической и квантовой теорией оставались явными. Например, сходство между уравнением Гейзенберга в картине Гейзенберга квантовой механики и уравнением Гамильтона в классической физике должно быть заложено в основу построения.
In mathematical physics, geometric quantization is a mathematical approach to defining a quantum theory corresponding to a given classical theory. It attempts to carry out quantization, for which there is in general no exact recipe, in such a way that certain analogies between the classical theory and the quantum theory remain manifest. For example, the similarity between the Heisenberg equation in the Heisenberg picture of quantum mechanics and the Hamilton equation in classical physics should be built in.
Происхождение
Одной из самых ранних попыток естественной квантизации было квантование Вейля, предложенное Германном Вейлем в 1927 году. В рамках этого подхода делается попытка связать квантовомеханическую наблюдаемую (самосопряжённый оператор на гильбертовом пространстве) с вещественнозначной функцией на классическом фазовом пространстве. Координата и импульс в этом фазовом пространстве сопоставляются с образующими группы Гейзенберга, а гильбертово пространство представляется как групповое представление группы Гейзенберга. В 1946 году Г. Грёневальд рассмотрел произведение пары таких наблюдаемых и задался вопросом, какой функции это произведение соответствует в классическом фазовом пространстве. Это привело его к открытию звездообразного произведения функций на фазовом пространстве. Современная теория геометрической квантизации была разработана Бертрамом Костантом и Жаном Мари Суриа в 1970-х годах. Одной из мотиваций развития теории было понимание и обобщение метода орбит Кириллова в теории представлений.
Типы
Процедура геометрической квантизации состоит из трех этапов: преквантование, поляризация и метаплектическая коррекция. Преквантование порождает естественное гильбертово пространство вместе с процедурой квантования для наблюдаемых, которая точно преобразует скобки Пуассона на классической стороне в коммутаторы на квантовой стороне. Тем не менее, предквантовое гильбертово пространство обычно считается "слишком большим". Идея заключается в том, чтобы затем выбрать набор из n переменных, коммутирующих по Пуассону, на 2n-мерном фазовом пространстве и рассмотреть функции (или, точнее, сечения), зависящие только от этих n переменных. Эти n переменных могут быть вещественными, что приводит к гильбертову пространству, подобному пространству координат, или комплексно-аналитическими, порождая нечто вроде пространства Сегала — Баргмана. Поляризация — это координатно-независимое описание такого выбора n функций, коммутирующих по Пуассону. Метаплектическая коррекция (также известная как коррекция полуформы) — это техническая модификация описанной процедуры, которая необходима в случае вещественной поляризации и часто удобна для комплексной поляризации.
Поляризация
Следующим шагом в процессе геометрической квантизации является выбор поляризации. Поляризация — это выбор в каждой точке лагранжева подпространства комплексированного касательного пространства. Эти подпространства должны образовывать интегрируемое распределение, то есть коммутатор двух векторных полей, лежащих в подпространстве в каждой точке, также должен лежать в этом подпространстве в каждой точке. Квантовое (в отличие от предквантового) гильбертово пространство — это пространство сечений, ковариантно постоянных в направлении поляризации. Идея состоит в том, что в квантовом гильбертовом пространстве сечения должны быть функциями только переменных на d-мерном классическом фазовом пространстве. Если f — функция, для которой соответствующий гамильтонов поток сохраняет поляризацию, то f будет сохранять квантовое гильбертово пространство. Предположение о том, что поток f сохраняет поляризацию, является сильным. Обычно лишь немногие функции удовлетворяют этому предположению.
Коррекция полуформы
Коррекция полуформы, также известная как метаплектическая коррекция, является технической модификацией описанной выше процедуры, необходимой в случае вещественных поляризаций для получения ненулевого квантового гильбертова пространства; она также часто бывает полезна и в комплексном случае. Линейный расслоение заменяется тензорным произведением с квадратным корнем из канонического расслоения. В случае вертикальной поляризации, например, вместо рассмотрения функций от , не зависящих от , рассматриваются объекты вида. Формула для тогда должна быть дополнена дополнительным членом, содержащим производную Ли. В случае комплексной поляризации на плоскости, например, коррекция полуформы позволяет квантованию гармонического осциллятора воспроизвести стандартную квантовомеханическую формулу для энергий , , где "" возникает благодаря полуформам.
Манипуляторы Poisson
Разработана геометрическая квантизация многообразий Пуассона и симплектических фолиаций. Например, это справедливо для частично интегрируемых и сверхинтегрируемых гамильтоновых систем, а также неавтономной механики.
Пример
В случае, если симплектическое многообразие является 2-сферой, оно может быть реализовано как коадъюнктная орбита. Предполагая, что площадь сферы является целым числом, кратным , мы можем выполнить геометрическую квантизацию, и полученное гильбертово пространство несет неприводимое представление SU(2). В случае, если площадь сферы равна , мы получаем двухмерное спиновое представление ½.
Обобщение
Более общим образом, этот метод приводит к деформационному квантованию, где произведение ★ рассматривается как деформация алгебры функций на симплектическом или пуассоновом многообразии. Однако, как естественная схема квантования (функтор), преобразование Вейля неудовлетворительно. Например, преобразование Вейля классического квадрата углового момента не является просто оператором квадрата квантового углового момента, а дополнительно содержит постоянный член 3ħ²/2. (Этот дополнительный член фактически физически значим, поскольку он учитывает ненулевой угловой момент основного боровского орбиталя в атоме водорода.) Тем не менее, как простое изменение представления, преобразование Вейля лежит в основе альтернативной фазовой формулировки обычной квантовой механики.