许铭盯著那两条线,脑子飞速运转。
“可是……”他下意识地说,“自旋-轨道耦合之后的对称群是什么?肯定比原来的点群小,但小多少?怎么確定?”
“用李代数。”
“自旋-轨道耦合项可以看作是so(3)李代数中某个生成元的函数。它的核,也就是跟它对易的子代数就是你想要的对称群对应的李代数。这个子代数的结构,可以用嘉当分解求出来。”
他顿了顿,又说:“具体到你的情况,td点群对应的对称代数,加上自旋-轨道耦合之后,通常会降到某个阿贝尔子群,可能是c2v或者d2d。你需要先算出这个子群,然后再做对称化。”
许铭愣在那里。
李代数。
嘉当分解。
这些东西他在群论教材里看过,但从没想过能用到化学问题上。
他盯著手机上的照片,脑子里的碎片开始慢慢拼起来。
td点群……
自旋-轨道耦合……
c2v子群……
如果自旋-轨道耦合的方向是某个特定的晶轴,那剩下的对称性確实是……
“我明白了!”
他眼睛亮了起来,声音都高了:“你是说,自旋-轨道耦合相当於一个『对称性破缺』项,它把原来的点群g破缺到一个子群h。我应该先確定这个h,然后在h的不可约表示下做块对角化,而不是在g的不可约表示下做?”
肖宿点点头。
许铭盯著手机上的照片,看了很久,然后长长地呼出一口气。
喃喃道:“我想了三个月,方向就完全想反了?”
肖宿没说话,目光又回到那个湍流演示装置上。
许铭站在旁边,心里翻江倒海。
三个月。
他卡在这个问题上三个月了,熬了多少个夜,算了多少遍,甚至为这事还专门把wigner和weyl的群论原著翻出来啃了一遍。
结果不是技术细节的问题,是框架层面的方向问题。
他一直以为自旋-轨道耦合是“微扰”,应该加在对称化之后的哈密顿量上。
但肖宿告诉他,自旋-轨道耦合是“对称性破缺”,应该先確定它破缺到什么程度,再在那个破缺后的对称性下做处理。
这是两种完全不同的物理图像。
前者把自旋-轨道耦合当成一个小修正,后者把它当成一个改变体系基本对称性的因素。
而正確的,显然是后者。
“谢谢你,肖宿。”许铭认真地说,“真的,谢谢你。这个思路,比我之前想的深多了。”
肖宿转过头看他,表情平静:“不客气,你接送我们,应该的。”
许铭愣了一下,然后笑了。
这孩子,还挺讲礼数的。
……
从航空航天博物馆出来,已经是傍晚了。
华盛顿的冬天黑得早,五点多钟天色就暗下来了。
街道两旁的灯柱亮起暖黄色的光,行人的影子被拉得很长。
许铭开车送他们回酒店,路上车里很安静。
顾清尘和陆佳木在后座小声聊著什么,肖宿靠在窗边,看著外面的夜景发呆。
等红灯的时候,许铭从后视镜里看了肖宿一眼。
少年的侧脸被路灯的光映得忽明忽暗,看不出在想什么。
许铭忽然想起一件事。
“对了肖宿,”他开口,“你刚才说的先確定对称性破缺后的子群,再在这个子群下做块对角化这个想法,你是怎么想到的?”
肖宿转过头看他。
许铭说:“我是说……那种看待问题的角度。我们做计算化学的,习惯把自旋-轨道耦合当成微扰项,因为它的能量尺度比电子关联小。但你直接把它当成对称性破缺项,这个视角切换,是怎么来的?”
肖宿沉默了一会儿。
然后他说:“因为对称性是被破坏的,不是被修正的。”
许铭等著他往下说。
“微扰的意思是,你有一个精確解,然后加一个小项,在这个小项下展开。”
“但自旋-轨道耦合不是小项,至少在重元素体系里不是。金原子或者铅原子,自旋-轨道耦合的能级分裂可以到电子伏特量级,跟化学键一个量级。”
他顿了顿,又说:“这种量级的东西,你不能当成微扰。它改变的是体系的基本对称性。”
许铭听完,沉默了很久。
电子伏特量级。
他当然知道这个数据,金原子的自旋-轨道耦合確实很大,大到会影响价电子结构。
但他从来没从这个角度想过问题。
他一直把自旋-轨道耦合当成“相对论效应”的一部分,放在“修正项”的篮子里。
但肖宿说得对,当修正项大到跟主项一个量级的时候,它就不是修正项了,它是主项的一部分。
……
晚上回到酒店,肖宿坐在窗前,翻出手机里存的几篇论文。
其中有许铭发在jctc上的那篇,关於两分量近似方法的。
他快速扫了一遍,大概理解了框架。
然后他打开电脑,开始写东西。
分子体系,本质上是一个多体量子系统。
电子的运动,由薛丁格方程描述。
但这个方程太复杂,无法精確求解,只能做近似。
现有的近似方法,无论是密度泛函理论还是多体微扰论,都建立在波函数和哈密顿量的框架上。
但如果换一个视角呢?
如果把分子体系看作一个几何对象呢?
分子的构型空间,也就是所有原子可能的位置构成的集合是一个高维流形。
这个流形上有自然的对称群作用,也就是分子点群。
电子的量子態,是这个流形上的某个向量丛的截面。
化学反应的路径,是流形上的某条曲线。
化学键的形成与断裂,是这些截面之间的相交理论。
如果用辛几何的语言来描述呢?
辛几何研究的是相空间的几何结构,而量子力学本质上就是在相空间上演化的。
薛丁格方程,是哈密顿向量场在希尔伯特空间上的表现。
如果能把分子体系放到辛流形的框架里……
他敲下一行字:
“设(m, w)为分子的辛构型空间,其中m是原子的位形空间与电子自由度的直积,w是辛形式。分子点群g作用於m上,保持w不变。电子的量子態对应於m上的预量子线丛的平方可积截面。化学反应的动力学由m上的哈密顿向量场描述,化学键的稳定性对应於某些拉格朗日子流形的相交数。”
写完,他盯著这行字看了很久。
这是一个全新的视角。
