Обычно в учебных курсах по нерелятивистской квантовой механике формализм для описания спинового углового момента сразу дается в готовом виде без каких-либо удовлетворительных объяснений. Подходить к лекторам с вопросами об этом, как правило, тоже бесполезно - вразумительного ответа не получить, так как большинство физиков не знают ответа на этот вопрос. Вам будут говорить что угодно, но не точный ответ на вопрос.
В учебниках аналогично - в лучшем случае вам сначала расскажут что-нибудь про свойства спиноров и про матрицы Паули, а потом будет разрыв в переходе к конечным формулам.
Я решил написать статью, которая закроет этот разрыв. Вдохновила меня на это другая статья на Хабре "О спинорах человеческим языком", в которой, к сожалению, этот переход к физике хотя и был начат, но тоже так и не был осуществлен. От этой статьи переход можно сделать быстро (поэтому рекомендуется начать с нее). Начнем отсюда из этой статьи:

Описанное на этом скриншоте разложение можно осуществить с помощью любого единичного вектора. Но все эти векторы и даже скаляры - это комплексные матрицы 2 на 2, так как геометрическая алгебра Cl(3) описывается в базисе матриц Паули. Работать с комплексными матрицами 2 на 2 для описания спиновых направлений неудобно - они избыточны. Проще было бы, если придумать такое представление для векторов спина, чтобы его описывать вектором 2 на 1.
Обратим внимание на сами матрицы Паули:
Если в качестве единичного вектора взять вектор вдоль оси Oz, то проектор будет иметь максимально простой вид:
Итак, определим пространство спиноров как идеал
, где
— проектор:
Тогда любой спинор из этого идеала, представленный в виде матрицы, получается умножением произвольного элемента алгебры
на матрицу-проектор
:
Независимо от того, какую матрицу мы брали, у результирующей матрицы
второй столбец всегда равен нулю. Это означает, что вся информация о нашем спиноре
содержится исключительно в его первом столбце.
Тогда удобно писать спинор не матрицей, а одним столбцом.
Тогда базисные спиноры в их матричном представлении выглядят так:
Первый базисный спинор (матрица):
Второй базисный спинор (матрица):
Второй базисный спинор в абстрактной алгебре получается действием элемента на проектор
:
Таким образом,
Эти две матрицы, таким образом, можно описывать как столбцы 2 на 1, так как второй их столбец всегда равен нулю. Теперь покажем, как любой спин может быть описан через них - выразим собственные векторы соответствующих матриц Паули.
Ось Z (ось квантования по умолчанию)
Это базис, на котором всё строится. Состояния "вверх" и "вниз" являются собственными состояниями оператора (матрицы
).
1. Спин Вверх (вдоль оси Z) |↑_z⟩
Стандартная КМ:
Геометрическая Алгебра:
Это наш "первый" базисный спинор, сам проектор.Если измерить спин вдоль оси
, мы с вероятностью 100% получим значение
.
2. Спин Вниз (вдоль оси Z) |↓_z⟩
Стандартная КМ:
Геометрическая Алгебра:
Это наш "второй" базисный спинор, полученный действием e₁ на проектор.Если измерить спин вдоль оси
, мы с вероятностью 100% получим значение
.
Ось X
Состояния "вправо" и "влево" являются собственными состояниями оператора (матрицы σ₁). Они представляют собой равные суперпозиции состояний "вверх" и "вниз".
3. Спин Вправо (вдоль оси X) |→⟩ или |↑_x⟩
Стандартная КМ:
ЭтоГеометрическая Алгебра:
Если измерить спин вдоль оси
, мы с вероятностью 100% получим
. Если же измерить его вдоль оси
, то с вероятностью 50% получим "вверх" и с вероятностью 50% "вниз".
4. Спин Влево (вдоль оси X) |←⟩ или |↓_x⟩
Стандартная КМ:
(1/√2) * [1, -1]
ЭтоГеометрическая Алгебра:
Если измерить спин вдоль оси
, мы с вероятностью 100% получим
.
Ось Y
Состояния "вправо" и "влево" вдоль оси являются собственными состояниями оператора
(матрицы
). Они также являются суперпозициями состояний "вверх" и "вниз", но с комплексной фазой, что критически важно.
5. Спин Вправо (вдоль оси Y) |↗⟩ или |↑_y⟩
Стандартная КМ:
ЭтоГеометрическая Алгебра:
Здесь i — это обычная комплексная единица.Если измерить спин вдоль оси
, мы с вероятностью 100% получим
.
6. Спин Влево (вдоль оси Y) |↙⟩ или |↓_y⟩
Стандартная КМ:
(1/√2) * [1, -i]
ЭтоГеометрическая Алгебра:
Если измерить спин вдоль оси
мы с вероятностью 100% получим

Примеры решения задач.
Задачи на движение частицы со спином в магнитном поле решаются на основе уравнения Паули.
Здесь - это сумма
, состоящая из произведений сигма-матриц Паули на проекции (числа) вектора магнитного поля на координатные оси.
- это спинор, описываемый с помощью вектора-столбца.
Задача 1.
Частица со спином 1/2, начальное состояние которой "спин направлен вправо" (вдоль оси X), помещается в постоянное однородное магнитное поле, направленное вдоль оси Z. Описать движение (прецессию) вектора спинового момента во времени.
Решение.
Стандартное уравнение Шредингера выглядит так:
Давайте переведем его на язык ГА.
|ψ⟩ становится нашим спинором ψ.
H становится нашим мультивектором H.
Умножение H|ψ⟩ становится геометрическим произведением Hψ.
Комплексная единица
в алгебре
естественным образом представляется псевдоскаляром
. Он обладает нужным свойством
Магнитное поле:
Начальное состояние ψ(0): "Спин вправо". Это собственное состояние оператора
с собственным значением
. В стандартной КМ это вектор
Наша цель: Найти ψ(t) и вычислить ожидаемые значения
в зависимости от времени.
Мы знаем, что в нашем формализме:
|↑⟩ (спин вверх) соответствует
, где
|↓⟩ (спин вниз) соответствует
Следовательно, наше начальное состояние:
Подставляем все в уравнение Шрёдингера:
Поскольку I⁻¹ = -I, получаем:
Теперь подставим наш гамильтониан :
Давайте вычислим:
Произведение псевдоскаляра на вектор дает бивектор
, который представляет плоскость
, ортогональную вектору
.
Наше уравнение движения принимает окончательный, невероятно изящный вид:
Мы получили дифференциальное уравнение
, где
— это бивектор, умноженный на некоторую частоту.
Решением такого уравнения является экспонента:
Подставим Ω:
Теперь вспомним определение Ротора — оператора вращения в ГА:,
где — бивектор плоскости вращения, а
— угол.
Сравнивая это с нашим решением, мы видим, что получается из
действием ротора:
Это ротор, который описывает вращение:
В плоскости:
(плоскость XY).
На угол:
Скорость этого вращения (угловая частота) равна
Это и есть знаменитая частота Ларморовской прецессии ω_L.
В формализме Геометрической Алгебры описание прецессии спина становится геометрически прозрачным:
Уравнение Шрёдингера
говорит, что изменение спинорного состояния
во времени определяется действием оператора
Этот оператор
оказывается бивектором, который представляет плоскость вращения, перпендикулярную магнитному полю.
Решение уравнения — это
где
— это Ротор.
Это уравнение дословно читается так: "Спинорное состояние в момент времени t получается путем поворота начального состояния
".
Таким образом, прецессия — это не какой-то сложный побочный эффект матричной алгебры, а прямое следствие того, что гамильтониан взаимодействия спина с магнитным полем в своей основе является генератором вращений (бивектором). Формализм ГА делает эту фундаментальную геометрическую природу явления очевидной. Итак:
Используя аналог формулы Эйлера для роторов, получаем:
Теперь применяем ротор к начальному состоянию:
где для краткости
Раскроем скобки во второй части, помня правила и
:
Подставляем обратно:
Это точный вид спинора в любой момент времени t. Хотя он выглядит громоздко, он содержит полную информацию о системе.
Чтобы понять, что происходит физически, нам нужно перейти к матричному представлению и вычислить ожидаемые значения
Начальное состояние в виде вектора-столбца:
Ротор в виде матрицы:
Состояние ψ(t) в виде вектора-столбца:
Это тот же результат, что и в стандартной КМ.-
Вычисление
:
Используем -
Вектор ожидаемого значения спинового момента равен:
Что это описывает?
При
. Вектор направлен вдоль оси
, как и было задано.
При
, вектор
вращается в плоскости
с постоянной угловой скоростью
. Его
-компонента остается равной нулю.
Задача 2.
Частица со спином 1/2, начальное состояние которой "спин направлен вверх" (вдоль оси ), помещается в постоянное однородное магнитное поле, направленное вдоль оси
. Описать прецессию вектора спинового момента.
Решение.
Магнитное поле:
Начальное состояние
: "Спин вверх". Это собственное состояние оператора
с собственным значением
. В нашей стандартной конструкции это
.
Наша цель: Найти
и вычислить ожидаемые значения
Начальное состояние: Состояние "спин вверх" по оси
соответствует нашему базовому проектору
Начальное состояние:
Состояние "спин вверх" по оси Z соответствует нашему базовому проектору
Гамильтониан:
Энергия взаимодействия . Так как поле
направлено вдоль
, оператор взаимодействия соответствует
.
Уравнение движения и определение ротора
Уравнение Шредингера в ГА имеет вид , где псевдоскаляр
.
Вычисляем ключевой бивектор, который будет генератором вращения:
Уравнение движения принимает вид:
Решением является временная эволюция, описываемая ротором :
Обозначив Ларморовскую частоту , получаем ротор, описывающий вращение:
В плоскости: YZ (задается бивектором
)
На угол:
Чтобы найти наблюдаемые величины, переведем наши объекты в стандартный формализм.
Начальное состояние:
Нам нужно матричное представление для бивектора
Тогда матрица ротора :
Состояние в момент времени t:
Теперь вычисляем , используя
.
Физический смысл:
Вращение происходит вокруг оси X. Начальная проекция спина на ось X была равна нулю, и она остается такой во все моменты времени, так как коммутирует с гамильтонианом.
Вектор ожидаемого значения спинового момента во времени:
Описание движения:
При
. Спин направлен вдоль оси Z , как и было задано.
При
, вектор спина вращается. Его X-компонента всегда равна нулю. Компоненты Y и Z осциллируют, описывая окружность в плоскости YZ.
Спин прецессирует вокруг оси магнитного поля (оси X) с Ларморовской частотой . Формализм Геометрической Алгебры предсказал это с самого начала, определив, что генератором вращения является бивектор
, соответствующий плоскости YZ.