Pauli matricas

**Pauli matricas** ir noteikta veida 2 × 2 izmēru kompleksas matricas, kuras pirmais sācis lietot fiziķis Volfgangs Pauli, lai aprakstītu spinu. Matricas ir šādas:
:
  \sigma_1 = \sigma_x = X =
    \begin{pmatrix}
      0 & 1 \\
      1 & 0
    \end{pmatrix},

:
  \sigma_2 = \sigma_y = Y =
    \begin{pmatrix}
      0 & -i \\
      i & 0
    \end{pmatrix},

:
  \sigma_3 = \sigma_z = Z =
    \begin{pmatrix}
      1 & 0 \\
      0 & -1
    \end{pmatrix},

kur *i* ir imaginārā vienība. Dažreiz arī 2 × 2 vienības matricu
:
  \sigma_0 = I =
    \begin{pmatrix}
      1 & 0 \\
      0 & 1
    \end{pmatrix}

pieskaita pie Pauli matricām. Ja nepieciešams summēt pār Pauli matricām, tad parasti tās apzīmē ar grieķu burtu σ (sigma), norādot indeksu (šis apzīmējums plaši izplatīts fizikā). Citos gadījumos uzskatāmībai tiek lietoti lielie burti *X*, *Y*, *Z* (piemēram, kvantu skaitļošanā).

Pauli matricas ir īpašas ar to, ka tās vienlaicīgi ir gan Ermita, gan unitāras, un kopā ar vienības matricu tās veido bāzi visām 2 × 2 matricām.

## Īpašības

### Algebriskās īpašības

Pauli matricu algebriskās īpašības ir uzskaitītas zemāk dotajā tabulā. Daļa no šīm īpašībām neizpildās vienības matricai \sigma_0\, (tas norādīts trešajā kolonnā).

### Bāze

Pauli matricas veido maksimālu lineāri neatkarīgu (gan pār reālajiem, gan kompleksajiem skaitļiem) 2 × 2 Ermita matricu kopu jeb bāzi. Tas nozīmē, ka

* jebkuru 2 × 2 Ermita matricu var viennozīmīgi izteikt kā lineāru kombināciju ar *reāliem* koeficientiem no Pauli matricām;
* jebkuru 2 × 2 kompleksu matricu var viennozīmīgi izteikt kā lineāru kombināciju ar *kompleksiem* koeficientiem no Pauli matricām.

Līdzīgā veidā Pauli matricu *n*-kāršie tenzorreizinājumi veido bāzi attiecīgi 2*n* × 2*n* Ermita un 2*n* × 2*n* kompleksajām matricām.

Pauli matricu veidotā bāze ir ortogonāla attiecībā pret Hilberta-Šmita skalāro reizinājumu \langle A, B \rangle = \operatorname{Tr}(A^\dagger B):
:
  \operatorname{Tr}(\sigma_j^\dagger \sigma_k) = 2\delta_{jk},

kur "Tr" apzīmē matricas pēdu (diagonāles elementu summu) un \delta_{jk}\, ir Kronekera delta. Ja katru no Pauli matricām izdala ar \sqrt{2}, tad iegūtās matricas veido ortonormētu bāzi.

### Reizināšanas likums

Tā kā Pauli matricas veido bāzi visām 2 × 2 kompleksajām matricām, tad jebkuru divu Pauli matricu reizinājumu var viennozīmīgi izteikt kā lineāru kombināciju no Pauli matricām. Vispārīgā gadījumā Pauli matricu reizināšanas likumu var uzrakstīt šādi:
:
  \sigma_j \cdot \sigma_k = \delta_{jk} \, I + i \sum_{l=1}^3 \varepsilon_{jkl} \sigma_l.

Pa labi ir dota Pauli matricu reizināšanas tabula (*j*-tās rindiņas un *k*-tās kolonnas krustpunktā dota *σ**j*·*σ**k* vērtība).

### Grupas struktūra

Pauli matricas *neveido* grupu, jo kopa {*I*, *X*, *Y*, *Z*} nav slēgta pret reizināšanu (tas ir redzams no Pauli matricu reizināšanas tabulas). Ir vairāki veidi, kā Pauli matricas var papildināt, lai iegūtu kopu, kas ir noslēgta pret reizināšanu. Viens no veidiem ir atļaut koeficientus ±1 un ±i. Tad iegūst grupu, kas sastāv no 16 elementiem:
:
  \{ c \sigma \mid c = \pm 1, \pm i, \; \sigma = I, X, Y, Z \}

Taču šai grupai ir apakšgrupa, kas ir izomorfa kvaternioniem:
:
  (I, iX, iY, iZ) \simeq (1, k, j, i).


### Komutāciju sakarības

Pauli matricām piemīt šādas **komutācijas** un **antikomutācijas** sakarības:
:
\begin{array}{ccl}
  \left[  \sigma_j, \sigma_k \right]  &=& 2 i \varepsilon_{jkl} \, \sigma_l, \\[0.9ex]
  \left\{ \sigma_j, \sigma_k \right\} &=& 2 \delta_{jk} \, I,
\end{array}

kur *j*, *k* ∈ {1,2,3}, indekss *l* ir jāsummē no 1 līdz 3 (tam tiek lietota Einšteina summēšanas konvencija), [*A*, *B*] = *AB* − *BA* ir komutators, *i* ir imaginārā vienība, \varepsilon_{jkl} ir Levi-Čivita simbols, {*A*, *B*} = *AB* + *BA* ir antikomutators, \delta_{jk}\, ir Kronekera delta un *I* ir vienības matrica. Šīs abas sakarības izriet no Pauli matricu reizināšanas likuma. Pauli matricu komutatoru vērtības ir dotas tabulā (*j*-tās rindiņas un *k*-tās kolonnas krustpunktā dota [*σ**j*, *σ**k*] vērtība).

### Īpašvērtības un īpašvektori

Visām Pauli matricām (izņemot vienības matricu) ir īpašvērtības +1 un -1. Tām atbilstošie vienības garuma īpašvektori ir doti tabulā.

## Skatīt arī

* Gella-Manna matricas

## Atsauces

## Ārējās saites

* Eric W. Weisstein, Pauli Matrices, MathWorld.
* Pauli matrices, PlanetMath.