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, kontraste kun la dua-ordaj ekvacioj de Euler–Lagrange.

Difino

Laŭ hamiltona mekaniko, klasika fizika sistemo konsistas el:

• Simplekta sternaĵo ${\displaystyle (M,\omega )}$, k.e., para-dimensia reela diferenciala sternaĵo ${\displaystyle M}$ kune kun fermita^[1] nedegenera^[2] diferenciala 2-formo ${\displaystyle \omega }$ (la simplekta formo). La dimensio de ${\displaystyle M}$ estas duobla da la nombro de gradoj de libereco. (Pli ĝenerale oni povas uzi sternaĵon de Poisson anstataŭ simplekta sternaĵo.) Stato estas punkto en ${\displaystyle M}$.
• Reela funkcio ${\displaystyle H\colon \mathbb {R} \times M\to \mathbb {R} }$, 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.

${\displaystyle H=T+V,\quad T={\frac {p^{2}}{2m}},\quad V=V(q)\,,}$

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 ${\displaystyle x_{0}\in M}$.

La simplekta formo ${\displaystyle \omega }$ difinas izomorfion ${\displaystyle V\mapsto \omega (V,\cdot )}$ inter la spaco de vektoroj ${\displaystyle T_{x}M}$ kaj la spaco de kovektoroj ${\displaystyle T_{x}^{*}M}$ ĉe ĉiu punkto ${\displaystyle x\in M}$ — kaj tiel inter vektoraj kampoj kaj 1-formoj (kovektoraj kampoj). Difinu la (2,0)-tensoron ${\displaystyle \omega ^{-1}}$. Oni povas do difini la hamiltonan vektoran kampon ${\displaystyle X_{H}}$ kiel

${\displaystyle X_{H}(t)=\omega ^{-1}(\operatorname {d} \!H(t),\cdot )}$.

La stato ${\displaystyle x(t)}$ evoluas laŭ la ekvacio de Hamilton, kiu asertas ke la evoluo de la stato sekvas la hamiltonan vektoran kampon. Alivorte:

${\displaystyle {\dot {x}}(t)=X_{H}(t,x(t))=\omega ^{-1}(\operatorname {d} \!H(t,x(t)),\cdot )}$.

Tiu ĉi estas la ekvacio de movado de hamiltona sistemo.

Loke, oni povas difini lokan koordinatsistemon ${\displaystyle (q_{i},p_{i})}$ (${\displaystyle i=1,\dots ,\dim M/2}$) tian ke la formo ${\displaystyle \omega }$ fariĝas:

${\displaystyle \omega _{ij}={\begin{pmatrix}0&I_{\dim M/2}\\-I_{\dim M/2}&0\end{pmatrix}}}$

kie ${\displaystyle I_{n}}$ estas ${\displaystyle n\times n}$ identa matrico. Simile,

${\displaystyle (\omega ^{-1})^{ij}={\begin{pmatrix}0&-I_{\dim M/2}\\I_{\dim M/2}&0\end{pmatrix}}}$.

Do la kanonaj ekvacioj de Hamilton fariĝas:

${\displaystyle {\dot {q}}_{i}={\frac {\partial H}{\partial p_{i}}}}$

${\displaystyle {\dot {p}}_{i}=-{\frac {\partial H}{\partial q_{i}}}}$.

Ni observu ke la koordinatoj ${\displaystyle q_{i}}$ kaj la movokvantoj ${\displaystyle p_{i}}$ estas traktitaj simile (kontraste kun la ekvacioj de Euler–Lagrange de lagranĝa mekaniko).

Krampoj de Poisson

La krampoj de Poisson ${\displaystyle \{\cdot ,\cdot \}}$ de du skalaraj kampoj ${\displaystyle f,g\colon M\to \mathbb {R} }$ estas difinitaj kiel

${\displaystyle \{f,g\}=-\omega ^{-1}(\operatorname {d} \!f,\operatorname {d} \!g)}$.

Loke,

${\displaystyle \{f,g\}={\frac {\partial f}{\partial q}}{\frac {\partial g}{\partial p}}-{\frac {\partial f}{\partial p}}{\frac {\partial g}{\partial q}}}$.

Ilia uzo simpligas la ekvacioj de Hamilton al

${\displaystyle {\dot {q}}_{i}=\{q,H\}}$

${\displaystyle {\dot {p}}_{i}=\{p,H\}}$.

Do la evoluo de ia funkcio ${\displaystyle f\colon \mathbb {R} \times M\to \mathbb {R} }$ de tempo kaj stato estas

${\displaystyle {\dot {f}}={\frac {\partial f}{\partial q}}{\dot {q}}+{\frac {\partial f}{\partial p}}{\dot {p}}+{\frac {\partial f}{\partial t}}=\{f,H\}+{\frac {\partial f}{\partial t}}}$.

Alivorte, ĝenerale,

${\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!t}}=\{\cdot ,H\}+{\frac {\partial }{\partial t}}}$.

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 sistemoj

Similaĵo al la principo de senmova ago por lagranĝa sistemo ekzistas por hamiltona sistemo. Nomu la spacon de kurboj el ${\displaystyle x_{0}\in M}$ al ${\displaystyle x_{1}\in M}$ ${\displaystyle \Gamma (x_{0},x_{1})}$. Difinu la agon ${\displaystyle S\colon \Gamma (x_{0},x_{1})\to \mathbb {R} }$ kiel

${\displaystyle S[\gamma ]=\int _{t_{0}}^{t_{1}}\left(\sum _{i}p_{i}(t){\dot {q}}_{i}(t)-H(t,q,p)\right)\;\operatorname {d} \!t}$.

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.

${\displaystyle \delta S=\delta (\int (p{\dot {q}}-H)\operatorname {d} \!t}$

${\displaystyle =\int \left(\delta p{\dot {q}}+p\delta {\dot {q}}-{\frac {\partial H}{\partial q}}\delta q-{\frac {\partial H}{\partial p}}\delta p\right)\operatorname {d} \!t}$

${\displaystyle =\int \left(\delta p\left({\dot {q}}-{\frac {\partial H}{\partial p}}\right)-\delta q\left({\dot {p}}+{\frac {\partial H}{\partial q}}\right)\right)\operatorname {d} \!t}$.

∴ ${\displaystyle {\dot {q}}=\partial H/\partial p}$ kaj ${\displaystyle {\dot {p}}=-\partial H/\partial q}$ se ${\displaystyle \delta S=0}$ por iu ajn ${\displaystyle \delta q}$ kaj ${\displaystyle \delta p}$. ∎

Teoremo de Liouville

Natura voluma formo ekzistas sur simplekta sternaĵo ${\displaystyle (M,\omega )}$, kiu estas ${\displaystyle \omega ^{n}}$ (${\displaystyle \dim M=2n}$). Konsideru distribuon (de ensemblo aŭ probablo) ${\displaystyle \rho \colon M\to \mathbb {R} }$. La kvanto ${\displaystyle N=\int _{M}\rho \omega ^{n}}$ (${\displaystyle =1}$ por probablodistribuo) devas konserviĝi; do la distribuo devas verigi la ekvacio de kontinueco:

${\displaystyle \partial _{t}\rho +\partial _{i}(X_{H}^{i}\rho )=0}$,

kie ${\displaystyle X_{H}}$ estas la hamiltona vektora kampo kaj ${\displaystyle i=1,\dotsc ,\dim M}$ estas sumita. Do

${\displaystyle {\dot {\rho }}=\partial _{t}\rho +X_{H}^{i}\partial _{i}\rho }$

${\displaystyle =-\rho \partial _{i}X_{H}^{i}}$

${\displaystyle =0}$. (Ĉar ${\displaystyle \partial _{i}X_{H}^{i}\propto \partial _{i}(\omega ^{ij}\partial _{j}H)=(\partial _{i}\omega ^{ij})\partial _{j}H+\omega ^{ij}\partial _{i}\partial _{j}H}$; la unua termo nulas ĉar fermiteco de ${\displaystyle \omega }$, la dua ĉar antisimetrio de ${\displaystyle \omega }$.)

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.

Notoj

1. diferenciala formo ${\displaystyle \alpha }$ estas fermita s.n.s. ${\displaystyle \operatorname {d} \!\alpha =0}$.
2. k.e., por ĉiu nenula vektoro ${\displaystyle X\in T_{x}M}$ ekzistas vektoro ${\displaystyle Y\in T_{x}M}$ tia ke ${\displaystyle \omega (X,Y)\neq 0}$.
3. JW Gibbs, Elementary principles in statistical mechanics (Elementaj principoj de statistika mekaniko), 1902.

Referencoj

• 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

Bibliografio

• Landau & Lifshitz: Mecánica, Ed. Reverté, Barcelono, p.158 - 175, 1991. ISBN 84-291-4081-6.(hispane)
• Weisstein, Eric W., "Hamiltoniano" (angle)
• Binney, James, "Klasika mekaniko Arkivigite je 2005-10-25 per la retarkivo Wayback Machine" (Postscripta formato PS) Notoj de lekcio (Portabla documenta formato PDF) (angle)

• Kategorio Hamiltona mekaniko en la Vikimedia Komunejo (Multrimedaj datumoj)