Malfermi la ĉefan menuon

Hamiltona mekaniko

Hamiltona mekaniko estas reesprimo de klasika mekaniko far William Rowan Hamilton. Anstataŭ koordinatoj kaj siaj asociata rapidoj en Lagranĝa mekaniko, Hamiltona mekaniko uzas koordinatoj kaj siaj (kanonaj) movokvantoj. Tia elekto estas pli "demokratia" en senco ke la koordinatoj kaj la movokvantoj estas reprezentata simile en la ekvacioj de Hamiltona mekaniko (la ekvacioj de Hamilton), kontraste kun la ekvacioj de Euler–Lagrange de Lagranĝa mekaniko. Ankaŭ, la ekvacioj de Hamilton estas unua-ordaj, konstraste kun la dua-ordaj ekvacioj de Euler–Lagrange.

DifinoRedakti

Laŭ hamiltona mekaniko, klasika fizika sistemo konsistas el:

  • Simplekta sternaĵo  , k.e., para-dimensia reela diferenciala sternaĵo   kune kun fermita[1] nedegenera[2] diferenciala 2-formo   (la simplekta formo). La dimensio de   estas duobla da la nombro de gradoj de libereco. (Pli ĝenerale oni povas uzi sternaĵon de Poisson anstataŭ simplekta sternaĵo.) Stato estas punkto en  .
  • Reela funkcio  , la hamiltoniano, kiu estas funkcio de tempo kaj stato, kaj kies valoro estas (almenaŭ por aŭtonoma sistemo) la energio de la sistemo. La sistemo estas aŭtonoma s.n.s. la hamiltoniano ne dependas de tempo.
 
kie T estas la kineta energio, funkcio nur de movokvanto p, kaj V estas la potenciala energio, funkcio nur de la koordinato q.
  • Komenca stato  .

La simplekta formo   difinas izomorfion   inter la spaco de vektoroj   kaj la spaco de kovektoroj   ĉe ĉiu punkto   — kaj tiel inter vektoraj kampoj kaj 1-formoj (kovektoraj kampoj). Difinu la (2,0)-tensoron  . Oni povas do difini la hamiltonan vektoran kampon   kiel

 .

La stato   evoluas laŭ la ekvacio de Hamilton, kiu asertas ke la evoluo de la stato sekvas la hamiltonan vektoran kampon. Alivorte:

 .

Tiu ĉi estas la ekvacio de movado de hamiltona sistemo.

Loke, oni povas difini lokan koordinatsistemon   ( ) tian ke la formo   fariĝas:

 

kie   estas   identa matrico. Simile,

 .

Do la kanonaj ekvacioj de Hamilton fariĝas:

 
 .

Ni observu ke la koordinatoj   kaj la movokvantoj   estas traktitaj simile (kontraste kun la ekvacioj de Euler–Lagrange de lagranĝa mekaniko).

Krampoj de PoissonRedakti

La krampoj de Poisson   de du skalaraj kampoj   estas difinitaj kiel

 .

Loke,

 .

Ilia uzo simpligas la ekvacioj de Hamilton al

 
 .

Do la evoluo de ia funkcio   de tempo kaj stato estas

 .

Alivorte, ĝenerale,

 .

Ni vidu ke kvanto konserviĝas se ĝiaj krampoj kune kun la hamiltoniano nulas (kaj ĝi ne dependas rekte de tempo).

Principo de senmova ago por hamiltonaj sistemojRedakti

Similaĵo al la principo de senmova ago por lagranĝa sistemo ekzistas por hamiltona sistemo. Nomu la spacon de kurboj el   al    . Difinu la agon   kiel

 .

Do la ago estas senmova ĉe la trajektorio. Notu ke, por hamiltona sistemo, oni fiksas ambaŭ la koordinatojn kaj la movokvantojn, kontraste kun la principo de senmova ago por lagranĝa sistemo, kie oni fiksas solajn la koordinatojn, ne la rapidojn.

Skizo de pruvo.
 
 
 .
  kaj   se   por iu ajn   kaj  . ∎

Teoremo de LiouvilleRedakti

Natura voluma formo ekzistas sur simplekta sternaĵo  , kiu estas   ( ). Konsideru distribuon (de ensembloprobablo)  . La kvanto   (  por probablodistribuo) devas konserviĝi; do la distribuo devas verigi la ekvacio de kontinueco:

 ,

kie   estas la hamiltona vektora kampo kaj   estas sumita. Do

 
 
 . (Ĉar  ; la unua termo nulas ĉar fermiteco de  , la dua ĉar antisimetrio de  .)

Do la probabla denso konserviĝas laŭ hamiltona fluo. Tiu ĉi estas la teoremo de Liouville, pruvita de la usona fizikisto Josiah Willard Gibbs[3] kaj nomita laŭ la franca matematikisto Joseph Liouville.

NotojRedakti

  1. diferenciala formo   estas fermita s.n.s.  .
  2. k.e., por ĉiu nenula vektoro   ekzistas vektoro   tia ke  .
  3. JW Gibbs, Elementary principles in statistical mechanics (Elementaj principoj de statistika mekaniko), 1902.

ReferencojRedakti

  • LD Landau, EM Lifshitz, Mechanics, Pergamon Press.
  • KC Gupta, Classical mechanics of particles and rigid bodies, Wiley, 1988.
  • H Goldstein, CP Poole, JL Safko, Classical Mechanics. Addison-Wesley.
  • C Lanczos, The variational principles of mechanics. Dover, 1986, ISBN 0486650677.
  • F Kuypers, Klassische Mechanik Wiley-Vch, 2008, ISBN 3527407219.
  • ВИ Арнольд, Математические методы классической механики. 3a eld. Moskvo: Наука, 1989.
    • Angla traduko VI Arnold, Mathematical methods of mathematical physics, 2a eld. Novjorko: Springer-Verlag, 1989. ISBN 0387968903

BibliografioRedakti