Введение

Первый пример группы Ли, являющейся одновременно компактной и неабелевой.
В теории представлений групп Ли изучение представлений SU(2) имеет основополагающее значение для изучения представлений полупростых групп Ли. Это первый пример группы Ли, которая является и компактной группой, и неабелевой группой. Первое свойство означает, что теория представлений дискретна: представления являются прямыми суммами набора основных неприводимых представлений (определяемых теоремой Питера — Вейля). Второе свойство означает, что будут существовать неприводимые представления размерности больше 1. SU(2) является универсальной накрывающей группой SO(3), и поэтому ее теория представлений включает в себя теорию последней, благодаря сюръективному гомоморфизму в нее. Это обуславливает важность SU(2) для описания нерелятивистского спина в теоретической физике; дополнительные физические и исторические сведения приведены ниже. Как показано ниже, конечномерные неприводимые представления SU(2) индексируются неотрицательным целым числом и имеют размерность. В физической литературе представления обозначаются величиной , где тогда является либо целым, либо полуцелым числом, а размерность равна .

Алгебра лжи

Представления группы находятся путем рассмотрения представлений алгебры Ли SU(2). Поскольку группа SU(2) простосвязна, каждое представление ее алгебры Ли может быть интегрировано в представление группы; мы приведем явную конструкцию представлений на уровне группы ниже.

Действие на многочленах

Поскольку SU(2) просто связен, общий результат показывает, что каждое представление его (комплексифицированной) алгебры Ли порождает представление самого SU(2). Однако желательно привести явную реализацию представлений на уровне группы. Представления группы могут быть реализованы на пространствах многочленов от двух комплексных переменных. То есть, для каждого неотрицательного целого числа *n* мы обозначаем через пространство однородных многочленов степени *n* от двух комплексных переменных. Тогда размерность равна . Существует естественное действие SU(2) на каждое , заданное формулой . Соответствующее представление алгебры Ли является тем, что описано в предыдущем разделе. (См. здесь явную формулу для действия алгебры Ли на пространстве многочленов.)

Отношение к представлениям SO ((3)

Обратите внимание, что либо все веса представления четные (если *l* четное), либо все веса нечетные (если *l* нечетное). С физической точки зрения, это различие важно: представления с четными весами соответствуют обычным представлениям группы вращения SO(3). Напротив, представления с нечетными весами соответствуют двузначным (спинориальным) представлениям SO(3), также известным как проективные представления. В физических соглашениях, четное *l* соответствует целому числу, а нечетное *l* – полуцелому числу. Эти два случая описываются как спин, равный целому числу, и спин, равный полуцелому числу, соответственно. Представления с нечетными, положительными значениями *l* являются верными представлениями SU(2), в то время как представления SU(2) с неотрицательными, четными значениями *l* не являются верными.

Другой подход

См. пример к теореме Бореля — Вейля — Ботта.

Наиболее важные неснижаемые представления и их применения

Представления SU(2) описывают нерелятивистский спин, поскольку являются двойным покрытием группы вращений евклидова 3-мерного пространства. Релятивистский спин описывается теорией представлений SL2(C), супергруппой SU(2), которая аналогичным образом покрывает SO+(1,3) – релятивистскую версию группы вращений. Симметрия SU(2) также поддерживает концепции изобарического спина и слабого изоспина, которые вместе называются изоспином. Представление с (т.е. в физической конвенции) является представлением 2, фундаментальным представлением SU(2). Когда элемент SU(2) записывается в виде комплексной 2×2 матрицы, это просто умножение на столбец из двух чисел. В физике оно известно как спин ½ и, исторически, как умножение кватернионов (точнее, умножение на единичный кватернион). Это представление также можно рассматривать как двузначное проективное представление группы вращений SO(3). Представление с (т.е. ) является представлением 3, сопряжённым представлением. Оно описывает 3D-вращения, стандартное представление SO(3), поэтому для него достаточно вещественных чисел. Физики используют его для описания массивных частиц со спином 1, таких как векторные мезоны, но его значение для теории спина гораздо выше, поскольку оно привязывает спиновые состояния к геометрии физического 3-мерного пространства. Это представление возникло одновременно с представлением 2, когда Уильям Роуэн Гамильтон ввел версоры – его термин для элементов SU(2). Следует отметить, что Гамильтон не использовал стандартную терминологию теории групп, поскольку его работа предшествовала развитию теории групп Ли. Представление (т.е. ) используется в физике частиц для некоторых барионов, таких как Δ.