スピン角運動量

スピン角運動量（スピンかくうんどうりょう、）は、量子力学上の概念で、粒子が持つ固有の角運動量である。単にスピンとも呼ばれる。ここでいう「粒子」は電子やクォークなどの素粒子であっても、ハドロンや原子核や原子など複数の素粒子から構成される複合粒子であってもよい。換算プランク定数 formula_1 を単位として量子数 で表す。なお、粒子の角運動量には、スピン以外にも粒子の回転運動に由来する角運動量である軌道角運動量が存在し、スピンと軌道角運動量の和を全角運動量と呼ぶ。
概要.
「スピン」という名称はこの概念が粒子の「自転」のようなものだと捉えられたという歴史的理由によるものであるが、現在ではこのような解釈は正しいとは考えられていない。なぜなら、スピンは古典極限 において消滅する為、スピンの概念に対し、「自転」をはじめとした古典的な解釈を付け加えるのは全くの無意味だからである。
スピン量子数 が半整数 になる粒子をフェルミ粒子（フェルミオン）、整数 になる粒子をボース粒子（ボゾン）といい、両者の物理的性質は大きく異る(詳細はそれぞれの項目を参照)。
2016年現在知られている範囲において、
 の値と統計性の間のこのような関係は、相対論的な場の量子論によって説明できる。
非相対論的な量子力学において、スピン角運動量はそれ以外のオブザーバブルとは大きく異る振る舞いをする為、スピン角運動量を記述するためだけに理論の修正を迫られる。それに対し相対論的量子力学では、例えばディラック方程式の定義それ自身にスピンの概念が織り込まれているなど、より自然な形でスピンが定式化される。
歴史.
ナトリウムのスペクトルを観測する実験で、磁場においたD線が 2 本に分裂することが発見され（ゼーマン効果）、これは電子がいまだ知られていない 2 値の量子自由度があるためと考え、1925年にウーレンベックとゴーズミットは、電子は原子核の周りを公転する軌道角運動量の他に、電子が質点ではなく大きさを持ち、かつ電子自身が自転しているのではないか、という仮説をたてた。この仮定では、その自転の角運動量の大きさがformula_2であるとし、自転の回転方向が異なるため、公転に伴う角運動量との相互作用でエネルギー準位が2つに分裂したと考えると実験の結果をうまく説明できた。そしてこの自由度を電子のスピン角運動量と呼んだ。
ただし、実際にこの仮定通りスピン角運動量が電子の自転に由来していると考えると、電子が大きさを持ち、かつ光速を超える速度で自転していなければならないことになり、これは特殊相対論と矛盾してしまう。そのため、1925年にラルフ・クローニッヒによって提案されたものの、パウリによって否定されていた。パウリは、自転そのものを考えなければならない古典的な描像を捨て、一般の角運動量 formula_3 の固有値として半整数の価が許されることに注目し、この半整数の固有値をスピン角運動量とした。
その後発展した標準模型においても、電子は大きさ 0 の質点として扱っても実験的に高い精度で矛盾がなく、電子に内部構造があるか（スピン角運動量などの内部自由度に起源があるか）はわかっていない。
数学的導出の方法.
本稿では以下、特に断りがない限り非相対論な量子力学に対するスピンの概念について述べる。
準備.
本節ではまず回転群とユニタリ群について紹介し、次にこれらの概念を使って軌道角運動量の概念を回転対称性の観点から定式化する。本節で軌道角運動量の概念を復習するのは、次節以降、軌道角運動量の定義を参考にしながらスピン角運動量の概念を定式化する為である。
数学の準備.
スピン角運動量演算子の定義に必要な数学的知識を簡単に述べる。を実数全体の集合、を複素数全体の集合とする。3次元空間における回転行列全体の集合を
と表記する。ここで formula_5 は 行 列の実行列全体の集合であり、 は単位行列であり、 は の転置行列である。 は行列の積に関して群をなすので、 を3次元回転群という。
 のように、「滑らかな」構造を持った群をリー群という（厳密な定義はリー群の項目を参照）。特に のように行列からなるリー群を行列リー群あるいは単に行列群という。本項で登場するリー群は以下の行列群に限られる。そこで本項ではリー群の一般論を展開するのは避け、以下の行列群に限定して話をすすめる。 以下では複素計量ベクトル空間であり、は単位行列であり、はのエルミート共役である：
ベクトル空間がである場合は、の事をそれぞれと表記する。
をのいずれかとするとき、集合
をのリー環と呼び、formula_13の元を上の無限小変換と呼ぶ。リー「環」という名称なのは、formula_13が行列の交換子積
に関して環をなすからである。のリー環はそれぞれ、
である。が上述した形になるのは以下の理由による。を 上の可微分な曲線で、 のとき単位行列となるものとすると、 の定義より、
なので、その での微分は
ここで「」はクロス積である。、をのいずれかとし、formula_13、formula_25を、のリー環とする。（すなわちformula_13、formula_25はのいずれかである）。
をからへの可微分な準同型写像とする。このときが誘導する写像を
により定義すると、この写像はwell-definedになる。しかもこの写像はリー環としての準同型写像になることが知られている。すなわち
である。
が誘導する写像と行列の指数関数は以下の関係を満たす：
空間の回転対称性からみた軌道角運動量演算子.
（非相対論的な）量子力学において、波動関数全体の集合はヒルベルト空間 formula_34として記述可能であり、（スピンを考慮しない）一粒子からなる系の場合、formula_34 は3次元ユークリッド空間 上の空間と等しい、すなわち
である。
軌道角運動量演算子は、空間の回転に対する対称性として導出される。 そこで軌道角運動量演算子を導出するため、回転行列によって波動関数がどのように変化するかを調べる。3次元の回転行列全体のなすリー群を と書くとき、回転行列 により座標系を回転したとき、波動関数 は に移動する。すなわち、各回転行列 に対し、波動関数の空間 formula_37 上にユニタリ演算子
が定義される。
複素計量ベクトル空間上のユニタリ演算子全体のなす群をとするとき、回転行列 に対し複素ベ クトル空間formula_37 上のユニタリ演算子 を対応させる（連続準同型）写像
を のformula_37上のユニタリ表現という。
一方、 に対応する「無限小変換」全体の集合 を()のように定義し、()に従ってが誘導する写像を
そこで単位ベクトル に対し、を()のように定義し、虚数単位 と換算プランク定数を用いて、
と定義すると、formula_46は上のエルミート演算子になる。この演算子は「無限小回転に対応する演算子」であり、この演算子を軸 の周りの軌道角運動量演算子と呼ぶ。
例えば 軸の周りの軌道角運動量formula_49 が球面座標系 を用いて
と表記できる事を以下のように確認できる。を任意の波動関数とすると、()、()より
さらに 軸、 軸の周りの軌道角運動量をそれぞれformula_57、formula_58とし、とすると、()、()より交換関係
が従う。
2つの軸に関する軌道角運動量演算子は、 のユニタリ表現 によって結ばれる。すなわち、 を回転行列で 軸を 軸に移すものとすると、 軸の周りの軌道角運動量formula_62 は合成写像
である。
スピンを考慮した場合の波動関数空間ℋの数学的定式化.
前節まで述べたように、軌道角運動量演算子は粒子の位置を表すによる3次元空間上の回転対称性として定義できる。それに対しスピンはそのような定式化ができない。様々な物理実験から、スピンはとは独立な粒子の第四の内部自由度である事が知られているからである。これが原因で、スピンを考慮した場合、波動関数全体のなすヒルベルト空間 formula_34 は一粒子系であっても formula_34は とは等しくならない。
したがってスピンを記述するには、スピンの状態ベクトルの空間 をとは別個に用意し、
を考える必要がある。ここで添字は整数もしくは半整数であり、は 次元の複素計量ベクトル空間である。
一粒子系の波動関数の空間 formula_34が上述のように表記できるとき、 をその粒子のスピン量子数という。 をスピノール空間、 の元をスピノールという。 が整数ではない半整数になるときその粒子をフェルミオンといい、 が整数になるときその粒子をボゾンという。
スピンを考慮した波動関数の表示方法.
多くの物理の教科書では、スピンを考慮した波動関数formula_68を二通りの方法で表記する。そこで次にこの二通りの表記方法を紹介する。
成分表示.
テンソル積の定義より、波動関数formula_68は
という形に成分表示できる。ここでformula_71はの元であり、はの元である。そこで、
と定義すれば、
である。このように表記すると、スピン（を表すスピノール）がとは独立の第四の内部自由度である事がわかりやすい。
スピノール表示.
スピンを考慮した波動関数の成分表示()を別の角度から解釈する。スピンを考慮した波動関数に対し、を
と定義する事ができる。なお上式で「・」はベクトルのformula_71によるスカラー倍である。スピンを考慮しない通常の波動関数が1次元複素計量ベクトル空間に値を取るのに対し、は次元複素計量ベクトル空間に値を取る波動関数であるとみなせる。スピンを考慮した波動関数を、に値を取る波動関数とみなしたものを、のスピノール表示という。
多くの物理の教科書では、の元を成分表示した形で紹介している。 をの基底とするとき、は必ず
の形で表記できるので、はベクトル
と成分表示できる。
なお基底 は通常、（何らかの軸に関する）スピン演算子に対応した固有ベクトルとする。
スピンを考慮した場合のオブザーバブル.
量子力学においてスピンを考慮しない場合のオブザーバブルformula_78は、 上のエルミート演算子として定式化されている。スピンを考慮した場合、この演算子formula_78を
と同一視する事で、スピンを考慮した波動関数の空間formula_66上のオブザーバブルとみなす。(ここでは恒等写像である)。
後述するように、スピン角運動量演算子は、上のエルミート演算子として定式化できるが、これも同種の同一視により、formula_66上のオブザーバブルとみなす。すなわちformula_84を（何らかの軸に関する）スピン角運動量とするとき、formula_84は
と同一視する。
上のユニタリ表現に関する問題.
軌道角運動量演算子がformula_37上の「無限小回転に対する演算子」として定義可能であったのと同様、スピン角運動量演算子は に対する無限小回転に対する演算子として定義する事ができる。しかしながら、軌道角運動量演算子の定義におけるformula_37を単純に に置き換えただけではスピン角運動量演算子は定義できない。これは次の理由による。
軌道角運動量演算子の場合、3次元回転行列群 のformula_37上のユニタリ表現
を に関して微分する事で軌道角運動量演算子を定義していた。
したがって軌道角運動量演算子の定義において単純にformula_37を に置き換えてスピン角運動量演算子を定義しようとすると、 の 上のユニタリ表現が必要となる。しかしながら、そのような表現は常に存在するわけではないことが知られている：すなわち上述した方法論では、 が半整数の場合に対してスピン角運動量演算子を定義する事ができない。この問題の解決方法は2つあり、後述するように2つは本質的に同値である。
射影ユニタリ表現を用いた解決.
一つ目の解決方法は を直接考えるのではなく、 の元を位相の相違を無視する同値関係
で割った空間
を考え、同様にユニタリ演算子に対しても同様の同値関係
により同一視した同値類 を考えるというものである。このユニタリ演算子の同値類全体の集合を
と表記する。 を 上の射影ユニタリ群、 に属する同値類を 上の射影ユニタリ演算子と呼ぶ。
射影ユニタリ演算子 は 上の写像となる事が知られている：
そこでスピン演算子の振る舞いを記述するため、 のユニタリ表現の代わりに の射影ユニタリ表現
を用いる。
通常のユニタリ表現と違い、射影ユニタリ表現は次を満たす事が知られているよってユニタリ表現の代わりに射影ユニタリ表現を利用する事でスピン角運動量演算子が定義可能である。
本稿では、射影ユニタリ表現を利用したスピン角運動量演算子の定義の詳細は述べない。これは射影ユニタリ表現を使ってスピン演算子を記述している物理の教科書は少ない為である。しかしすでに述べたように、射影ユニタリ表現による解決方法は後述するもう一つの解決方法と本質的に同値なので、もう一つの解決方法を利用したスピン角運動量演算子の定義から射影ユニタリ表現を利用したスピン角運動量演算子の定義を導くことができる。
射影ユニタリ表現による解決方法は、物理的に意味を持たないフェーズで同一視した事を除けば、他のオブザーバブルと類似した形式でスピン角運動量演算子を記述できるため、後述するもう一つの解決と比べ、その物理的意味がわかりやすい事が利点である。
スピン群を用いた解決方法.
今一つの解決は、 の代わりに3次元スピン群 を用いるというものである。そこでまず、スピン群の定義と性質を紹介する。 次元スピン群とは以下の性質を満たす連結な行列群の事である。（このような性質を満たす連結行列群は同型を除いて1つしか存在しない事が知られている）：
ここでは次元回転行列のなす群である。スピン角運動量の定義に必要なのは、次元が3の場合のスピン群であり、は2次元特殊ユニタリ変換群 と同型なことが知られている：
したがって以下、特に断りがない限り と を同一視する。
スピン群の定義より、回転行列 は何らかのスピン群の元 を用いて
と書くことができる。これはすなわち、回転行列 を直接扱う代わりに、スピン群の元 により回転が記述可能な事を意味する。そこで のユニタリ表現の代わりに のユニタリ表現を考える。 のユニタリ表現と違い、 のユニタリ表現は以下を満たす:よって のユニタリ表現の代わりに のユニタリ表現を利用する事でスピン角運動量演算子が定義可能である。詳細は後述する。
2つの解決方法の同値性.
上述した2つの解決方法は、本質的に同値である。これは のユニタリ表現と の射影ユニタリ表現が自然に1対1対応する為である。具体的には、 をスピン群の元 の 上のユニタリ表現とし、 を回転行列 の 上の射影ユニタリ表現とすると、（適切に同型なものと置き換えれば）以下の図式が可換になる。ここで は同値類を取る写像。
スピンの定義に用いる空間と関数の具体的表記.
以上の議論により、を用いる事でスピン角運動量を定義できる事がわかった。そこで本節では、スピン角運動量の定義に必要となる
などを具体的に書き表す。ただし本節ではとに関しては最も重要なの場合を述べるに留める。それ以外のに関しては後の章を参照されたい。
スピンの場合のとの具体的表記.
 を複素二次正方行列全体の集合とし、 を単位行列とするとき、は2次元ユニタリ変換全体の集合
の部分集合である。したがって
と定義すると、包含写像
は の元の 上のユニタリ表現になっている。このユニタリ表現が、で述べた既約ユニタリ表現の の場合に相当している。すなわち、
無限小変換の集合の具体的表記.
軌道角運動量を定義する際の無限小変換の集合が必要になったのと同様の理由で、スピン角運動量の定義には の「無限小変換」全体の集合を用いるので、本節ではその具体的形と基本的な性質を調べる。()、()より、
である。 上に内積
を定義すると、 は実3次元分の自由度を持った計量ベクトル空間であるとみなせる。
次に の基底について述べる。パウリ行列 を
により定義し、の元を
により定義すると、()、()より次が成立することがわかる。
は 上の正規直交基底である。　　　　...()
そこで3次元ベクトルに対し、
と定義すると、写像
によりformula_118 と を計量ベクトル空間として同一視できる。しかもこの同一視において、以下が成立する：
ここで「」はクロス積であり、は交換子積である。
の元の具体的表記.
 は、 の実数を用いて
と書き表すことができる事が簡単な計算から従う。
一方、を単位ベクトルとし、パウリ行列を使って
と定義すると簡単な計算により、
がわかる。よって行列に対する指数関数を()式のように定義すると、に対し、
が従う。
とすると、()で述べたの基底を用いてスピン群の元を次のように書き表す事ができる事が、()、()、()からわかる：
から への準同型写像.
前の節で述べたように、 は3次元の計量ベクトル空間なので、と同一視できる。とformula_128に対し、もformula_129の元である事が簡単な計算からわかる。しかも線形写像を
と定義するとが()で定義された内積と空間の向きを保つ事を簡単な計算で確かめられる。すなわちは回転変換であるので、である。
以上により、 から への準同型写像
が定義できた。この の具体的表記は後の節で述べる。
が誘導する写像の定義とその具体的表記.
()に従い、が誘導する写像 を、
により定義する。このとき は
を満たす。成分で書けば
である。特に
は同型写像である。)Y=\left.{\operatorname{d} \over \operatorname{d}t}\Phi_3(\exp(X_{\mathbf{x}(t)}))Y\right|_{t=0}</math>formula_136formula_137formula_138
である。ここでは交換子積である。
よっての任意性と()から以下の結論が得られる：
の具体的表記.
()、()より、
である。()より、の元は何らかのを用いて、の形に書けるので、上式によりの振る舞いを完全に記述可能である。
しかも
であるので、スピン群の定義()で述べた、が2:1の写像であるという事実が確認できる。
の元の成分表示()を用いると、は下記のように表示できることも知られている：
スピン角運動量演算子の定義と性質.
スピン角運動量演算子の定義.
以上の準備の元、スピン角運動量を定義する。
を の 上の既約ユニタリ表現とする（そのようなユニタリ表現の存在性と（同型を除いた）一意性はで保証される）。なお に対する、 は()、()にすでに記載した。それ以外のsに対する、 は次節以降に後述する。
さらに
を()式で述べた、 から への 2:1 写像とする（この写像の具体的な形は()式を参照）。これらの写像を図にすると以下のとおりである。ここで記号「formula_146」はGがベクトル空間V上の行列群である事を意味する（すなわちGはVに作用する）。 が誘導する写像 を以下のように定義する：
同様に が誘導する を()式のように定義すると、 は()式のように書け、()より
である。
単位ベクトル に対し無限小回転 を()式のように定義し、合成写像
によって定まるエルミート演算子
を考えると、()より、
と書けるので、formula_155は3次元空間上の無限小回転に対応する演算子とみなせる。
このformula_155を、を回転軸にもつスピン角運動量演算子と呼ぶ。
スピン角運動量演算子の性質.
交換関係.
軸(1,0,0)、軸(0,1,0)、軸(0,0,1)∈formula_118を回転軸に持つスピン角運動量演算子をformula_158とすると、
となる。よって()より、軌道角運動量と同様、以下の交換関係が成り立つ：
回転軸の変更.
次に回転軸の異なるスピン角運動量の関係を見る。を2つの単位ベクトルとし、とが回転行列により、
で移り合っていたとする。写像は２：１の全射であるので、
を満たすが存在する。
スピン角運動量演算子formula_155、formula_164はその定義より、上のユニタリ演算子であり、両者は
という関係で結ばれる。ここで右辺はformula_164との行列としての積である。)=F_{\mathsf{n}}=RF_{\mathsf{m}}R^{-1}=(\Phi_3)_*(UX_{\mathsf{m}}U^{-1})
</math>
なので、が同型写像である事から、
よって任意のに対し、
したがって
スピンの場合の具体的表記.
スピン量子数がである場合、スピノール空間は()より
であり、単位ベクトル を回転軸に持つスピン角運動量演算子は、()、()、()、()より、
である。よって特に、formula_155はによらず常に固有値
を持つ。
それぞれの規格化された固有ベクトルは、次のとおりとなる。
のユニタリ表現と角運動量.
本節では3次元スピン群のユニタリ表現について詳細に述べ、これを土台として軌道角運動量、スピン角運動量、およびそれらの和である全角運動量の性質を調べる。
軌道角運動量と全角運動量のスピン群による表記.
を3次元空間の単位ベクトルするとき、を回転軸に持つ一粒子の軌道角運動量はのユニタリ表現が誘導する写像と同型写像formula_179を用いて
と表記できる事が()と()から従う。ここで「formula_182」は関数の合成である。一粒子のスピン角運動量も()から
と定義されていた。
を回転軸に持つ一粒子の全角運動量演算子formula_185を
と定義すると、
と表記できる。formula_189は
が誘導する写像であるので、一粒子に対する軌道角運動量、スピン角運動量、全角運動量のいずれも
という形で書けている事がわかる。
複数粒子に対する軌道角運動量、スピン角運動量、全角運動量は一粒子のものの和として表記できるので、やはり()の形で表記できる事がわかる。
よってのユニタリ表現の具体的な形を特定する事ができれば、（一粒子もしくは複数粒子に対する）軌道角運動量、スピン角運動量、全角運動量を具体的に書き下す事ができる。そこで本設では、のユニタリ表現を具体的な形で書き下し、のユニタリ表現を使って()の形で表記できる演算子の性質を調べる。
のユニタリ表現.
を整数もしくは半整数とし、を次元の複素計量ベクトル空間とする。具体的には
を想定している。複数粒子の場合も同様である。より、の上での既約ユニタリ表現が同型を除いて一意に存在するので、この既約ユニタリ表現を
と表記する。()、()ですでに述べたように、
である。
一般のに対するとはとから構成できる。
の構成.
対称テンソル積.
を構成する準備として、対称テンソル積を定義する。の個のコピーのテンソル積
を考え、formula_198の元formula_199に対し、の対称化を
により定義する。ここでformula_202は置換群である。すなわちformula_203は各に対し、formula_204の添字を入れ替えたもの全ての和をで割ったものである。（このように定義してもwell-definedである）。対称化したテンソルを対称テンソルと呼び、対称テンソル全体なす部分ベクトル空間を
と表記する。をの基底とし、
と定義すると、は明らかにformula_205の基底となる。したがってformula_205は次元である。
定義.
を
と定義する。
の構成.
に対し、
を
により定義すると、formula_213はformula_198上の内積を保つ線形写像である。明らかにformula_213は対称テンソルを対称テンソルに移すので、formula_213のformula_209への制限写像を、
と定義する。
formula_219は内積を保つので、これは
を意味する。この写像が、求めるべき既約ユニタリ表現である。
オブザーバブルとその性質.
本節では、前節で定義したの既約ユニタリ表現を用いて、オブザーバブルを定義し、そのオブザーバブルの性質を調べる。
オブザーバブル.
が誘導する写像
と3次元空間の単位ベクトルformula_224を用いてオブザーバブル
を定義できる。ここでは虚数単位であり、は()に定義されたものである。具体的には
である。
を具体的に書き表す。を
を満たすように取ると、ライプニッツルールと()より
である。ここでは常に単位行列を返す写像である。
固有状態.
スピンのときと同様の議論により、オブザーバブルは２つの固有値
を持つので、これらに対応する固有状態をそれぞれformula_239、formula_240とし、に対し、
とする。
ここでは正規化定数
すると、
なので、は固有値formula_246に対応する固有状態である。
昇降演算子.
が軸、軸、軸であるときのformula_226をformula_248、formula_249、formula_250とし、
とすると、
である。{D^{1/2}_+(X_{\mathbf{n}})} \otimes \cdots \otimes I)(\underbrace{e_{\mathbf{n}}^+\otimes \cdots \otimes e_{\mathbf{n}}^+}_{u+k}\otimes \underbrace{e_{\mathbf{n}}^-\otimes \cdots \otimes e_{\mathbf{n}}^-}_{u-k}) </math>formula_255formula_256formula_257formula_258
formula_259のケースも同様に証明できる。
クレブシュ–ゴルダン係数.
、をそれぞれ次元、次元の複素計量ベクトル空間とし、
を既約ユニタリ表現としても
は既約ユニタリ表現になるとは限らない。しかし適切に基底を取り替えれば、以下の事実が成り立つ事が知られている：
上式をクレブシュ–ゴルダン分解という。
上式左辺の基底は、
の形式で記述できる。ここでformula_266は固有値に対応するの固有状態である。一方右辺の基底は
の形式で記述できる。ここでformula_267はformula_269における、固有値に対応するの固有状態である。両者は基底変換で結ばれるので、何らかの係数を用いて
と書ける。をクレブシュ–ゴルダン係数という。