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/ NetNews Usenet Archive 1993 #3 / NN_1993_3.iso / spool / sci / physics / 23433 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1993-01-25  |  7.2 KB

  1. Path: sparky!uunet!haven.umd.edu!ames!network.ucsd.edu!galaxy!guitar!baez
  2. From: baez@guitar.ucr.edu (john baez)
  3. Newsgroups: sci.physics
  4. Subject: Poisson brackets, symplectic geometry, quantization - and everything!
  5. Message-ID: <25400@galaxy.ucr.edu>
  6. Date: 25 Jan 93 02:37:32 GMT
  7. Sender: news@galaxy.ucr.edu
  8. Organization: University of California, Riverside
  9. Lines: 136
  10. Nntp-Posting-Host: guitar.ucr.edu
  11.  
  12. Micheal Weiss writes:
  13.  
  14. > I'm emailing you the question, but (should you have time to respond) you
  15. > should probably post the answer, since I'm sure I'm not the only one who'd
  16. > be interested.
  17.  
  18. Sorry that I have been rather busy with guests and slow to reply.
  19.  
  20. > I'm trying to work out the connections between two things you've written,
  21. > and Dirac's famous Poisson bracket equation:
  22. >
  23. >     uv - vu  =  ih/2pi [u,v],     where [u,v] is the P.B. of u and v
  24. >
  25. > You wrote at one time:
  26. >
  27. > Note that there IS a functor from the symplectic category to the
  28. > Hilbert category, namely one assigns to each symplectic manifold X the
  29. > Hilbert space L^2(X), where one takes L^2 w.r.t. the Liouville measure.
  30. > Every symplectic map yields a unitary operator in an obvious way.
  31. > This is called PREQUANTIZATION.  The problem with it physically is that
  32. > a one-parameter group of symplectic transformations generated by a
  33. > positive Hamiltonian is not mapped to a one-parameter group of unitaries
  34. > with a POSITIVE generator.  So my conjecture is that there is no
  35. > "positivity-preserving" functor from the symplectic category to the
  36. > Hilbert category.)
  37. >
  38. > On another occasion:
  39. >
  40. > In the case of bosons, the classical phase space is a symplectic vector
  41. > space (i.e., equipped with a nondegenerate antisymmetric bilinear pairing).
  42. > When we have picked a complex structure, the antisymmetric pairing is
  43. > supposed to become the imaginary part of a (complex) inner product on V,
  44. > which then can be completed to obtain a complex Hilbert space.
  45. >
  46. > (I've silently elided phrases about the fermionic case in this quotation.)
  47. >
  48. > I have the feeling all three statements (Dirac's P.B. equation,
  49. > prequantization, and the equation Im(inner product)=symplectic form) all
  50. > belong to the same circle of ideas, but I don't quite see the details.
  51.  
  52. Indeed they do belong to the same circle of ideas - but alas, the circle is
  53. rather big, and (typical of circles) it's hard to know where to start!  First
  54. let me say that there is a vast lore concerning prequantization, and then 
  55. quantization, of classical mechanical systems whose phase space is a 
  56. symplectic manifold.  Prequantization is easy (and I've described most of
  57. it above!), but quantization is hard.  Note that in prequantization one cooks
  58. up a Hilbert space by taking L^2 of the phase space.  This is "twice as big 
  59. as it should be," since in the simplest kinds of quantization one uses L^2
  60. of the *configuration* space, which is a manifold of half the dimension.
  61. So the trick is to find a Hilbert space that's "half as big" lurking inside
  62. L^2 of the phase space.  When one does this correctly, your Hamiltonian
  63. (which started life as a postive function on the classical phase space) should
  64. somehow correspond to a positive operator on the Hilbert space.
  65.  
  66. There are two basic approaches:
  67.  
  68. 1)  If your phase space (= symplectic manifold) is the cotangent bundle of
  69. a manifold (the configuration space), you can use L^2 of the configuration
  70. space.  This is the simplest approach and is used in freshman quantum 
  71. mechanics.  
  72.  
  73. 2)  If your phase space is not just a symplectic manifold but actually
  74. a Kaehler manifold (a complex manifold with an inner product on each tangent
  75. space whose imaginary part is the symplectic structure), you can take
  76. the holomorphic L^2 functions on phase space.  
  77.  
  78. Both these approaches work fine for the LINEAR case in which your phase space 
  79. is just C^n (or, basically the same, the cotangent bundle of R^n).  Moreover
  80. both generalize the INFINITE-DIMENSIONAL linear case, which is what 
  81. comes up in quantum field theory, and is the subject of
  82. my book with Segal and Zhou.  Approach 1 (the "real wave representation")
  83. and approach 2 (the "complex wave representation" aka "Bargmann-Segal 
  84. representation") give isomorphic answers.   There is a 3rd equally good approach
  85. in this case, more algebraic and less geometrical, the "particle
  86. representation" aka "Fock space".  This is most often used in quantum 
  87. field theory by people who just want to calculate the answers.  The
  88. real wave representation is nicer for constructive quantum field theory.
  89. The complex wave representation illuminates some other features, namely:
  90. for prequantization all we needed was the symplectic structure (in the
  91. finite-dim case), but for quantization we need the complex inner product 
  92. of which the symplectic structure is the imaginary part.  In other words,
  93. quantization requires making a *choice*.  Now in the finite-dimensional case
  94. this choice turns out not to matter much - that is, given two different
  95. inner products having the same imaginary part, we get two different complex
  96. wave representations, but they turn out to be isomorphic.  In the infinite
  97. dimensional case this fails, and the choice of inner product really matters
  98. a lot!  This is why such things as picking the right complex structure
  99. (to get an inner product from a symplectic form) are so important.
  100.  
  101. Here's another way of putting it that might clarify the relation to
  102. Dirac's equation
  103.  
  104.      uv - vu  =  ih/2pi [u,v],     where [u,v] is the P.B. of u and v
  105.  
  106. Say we are given a symplectic vector space V with symplectic
  107. form omega.  We say that a "Weyl system over V" is the following:
  108.  
  109. 1)  A Hilbert space K
  110. 2)  A real-linear map phi from V to self-adjoint linear operators 
  111. on K ("field operators") such that
  112.  
  113. [phi(v),phi(w)] = i omega(v,w).
  114.  
  115. Here I am eliminating the hbar and also ignoring the analysis problems
  116. in taking commutators of unbounded self-adjoint operators.   See our
  117. book for the way to do it right!  A Weyl system is a kind of quantization
  118. (or prequantization) of the classical system whose phase space is V.
  119. The Stone-von Neumann theorem says that (modulo those analysis problems!)
  120. there is a unique irreducible Weyl system over a finite-dimensional 
  121. symplectic vector space, and all the rest are direct sums of this.
  122. This theorem breaks down in infinite dimensions, which is part of why
  123. QFT is so hard.
  124.  
  125. A Weyl system only notices the symplectic structure of V.  If however
  126. V is really a complex Hilbert space (with the imaginary part of its inner
  127. product as a symplectic form), we can define the "free boson field over V"
  128. to be a Weyl system with 
  129.  
  130. 1) a unit vector v in K ("the vacuum") which is a cyclic vector for
  131. the operators phi(v) (so all states can be obtained from the vacuum by hitting
  132. it with products of field operators and taking linear combinations and limits
  133. thereof).
  134. 2) a unitary representation Gamma of the unitary operators of V on K, such 
  135. that a) v is invariant under Gamma, b) Gamma is "positive", i.e.
  136. for any self-adjoint A on V with A >= 0, we have dGamma(A) >= 0, and
  137. c) Gamma(g)phi(v)Gamma(g^{-1}) = phi(gv).
  138.  
  139. Part 2 makes the symmetries of the classical system V act as symmetries
  140. of the quantum Hilbert space K in a nice way.  The big theorem is that
  141. for every Hilbert space V there is a *unique* (up to isomorphism) free
  142. boson field.  But note that this depends on the inner product on V, not
  143. just on the symplectic form.
  144.  
  145.  
  146.  
  147.  
  148.