Бірінші класс шектеулер және фазалық кеңістіктегі жүйелердің квантталуы
First class constraint
Физикадағы бірінші класс шектеулер, фазалық кеңістіктегі шектеулер бетінде жоғалып, Гамильтон жүйесінде маңызды. Түрлері мен ерекшеліктері туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Физикада бірінші сыныпты шектеу – бұл шектелген Гамильтон жүйесіндегі динамикалық шама, оның барлық басқа шектеулермен Пойсон жақшасы фазалық кеңістіктегі шектеу бетінде (барлық шектеулердің бірдей нөлге теңеу арқылы жасырын түрде анықталатын бет) жоғалады. Бірінші сыныпты шектеуді есептеу үшін екінші сыныпты шектеулердің жоқ деп қарастырылады немесе олардың бұрын есептелгенін және олардың Дирак жақшалары құрылғандығын қабылдайды. Бірінші және екінші сыныпты шектеулер, симплектикалық форманың дегенерацияланған өлшегіш теориялары сияқты механикалық жүйелерді кванттаудың бір жолы ретінде енгізілген. Бірінші және екінші сыныпты шектеулер терминологиясы бастапқы және екінші шектеулер терминологиясына шатастыратын түрде ұқсас, олардың туындау жолын көрсетеді. Бұл жіктемелер тәуелсіз: бірінші және екінші сыныпты шектеулер бастапқы немесе екінші деңгейлі болуы мүмкін, сондықтан шектеулердің жалпы алғанда төрт түрлі классы бар.
In physics, a first class constraint is a dynamical quantity in a constrained Hamiltonian system whose Poisson bracket with all the other constraints vanishes on the constraint surface in phase space (the surface implicitly defined by the simultaneous vanishing of all the constraints). To calculate the first class constraint, one assumes that there are no second class constraints, or that they have been calculated previously, and their Dirac brackets generated. First and second class constraints were introduced by as a way of quantizing mechanical systems such as gauge theories where the symplectic form is degenerate. The terminology of first and second class constraints is confusingly similar to that of primary and secondary constraints, reflecting the manner in which these are generated. These divisions are independent: both first and second class constraints can be either primary or secondary, so this gives altogether four different classes of constraints.
Геометриялық теория
Көбірек көркемдеу үшін, өлшемді талшығы бар векторлық буманы қарастырайық, осы векторлық буманы қосылыммен жабдықтаңыз. Сондай-ақ, осы буманың f тегіс қимасы бар делік. Содан кейін, f-тің қосылымға қатысты ковариантты туындысы – бұл тангенстік бумадан бастап , дейін, негізгі нүктені сақтайтын тегіс сызықтық карта. Бұл сызықтық картаның f нөлдері бар барлық талшықтар үшін оң жақтан керіленетінін (яғни, сәйкестік картасы болатынын) болжаңыз. Содан кейін, имплицитті функция теоремасы бойынша, f нөлдерінің қосалқы кеңістігі – қосалқы көптүрлілік болады. Кәдімгі Пуассон жақшасы тек M-дегі тегіс функциялар кеңістігінде ғана анықталған, . Дегенмен, қосылымды пайдаланып, V тензорларының бағаланған алгебрасы талшықтар ретінде болса, оны f тегіс қималары кеңістігіне кеңейтуге болады. Сондай-ақ, осы Пуассон жақшасы бойынша (ескеріңіз, бұл "кеңейтілген Пуассон жақшасы" үшін бұдан былай жалпы жағдайда дұрыс емес) және f нөлдерінің субкөптүрлігінде (егер осы жақшалар барлық жерде нөлге тең болса, онда шектеулер қабық бойынша жабылады делінеді). Дұрыс керіленетін шарт және ағындардың коммутативтілік шарттары қосылымды таңдауға тәуелді емес екені белгілі болды. Сондықтан, егер біз тек шектелген субкеңістікте жұмыс істесек, қосылымды ескермей кетуге болады.
For a more elegant way, suppose given a vector bundle over , with dimensional fiber Equip this vector bundle with a connection. Suppose too we have a smooth section f of this bundle. Then the covariant derivative of f with respect to the connection is a smooth linear map from the tangent bundle to , which preserves the base point. Assume this linear map is right invertible (i. e. there exists a linear map such that is the identity map) for all the fibers at the zeros of f. Then, according to the implicit function theorem, the subspace of zeros of f is a submanifold. The ordinary Poisson bracket is only defined over , the space of smooth functions over M. However, using the connection, we can extend it to the space of smooth sections of f if we work with the algebra bundle with the graded algebra of V tensors as fibers. Assume also that under this Poisson bracket, (note that it's not true that in general for this "extended Poisson bracket" anymore) and on the submanifold of zeros of f (If these brackets also happen to be zero everywhere, then we say the constraints close off shell). It turns out the right invertibility condition and the commutativity of flows conditions are independent of the choice of connection. So, we can drop the connection provided we are working solely with the restricted subspace.
Интуитивті мағынасы
Бұл нені білдіреді? Бұл Гамильтондық және шектеу ағындары шектелген кіші кеңістікте бір-бірімен коммутациялайды дегенді білдіреді; немесе, егер біз шектелген кіші кеңістіктегі нүктеден бастасақ, Гамильтондық және шектеу ағындары осы нүктені шектелген кіші кеңістіктегі басқа нүктеге жеткізеді. Біз өзімізді тек шектелген кіші кеңістікпен шектегімізді қаласақ, Гамильтондық немесе кез келген басқа физикалық өлшенетін шама тек осы кіші кеңістікте анықталуы керек. Балама ретінде, біз шектелген кіші кеңістікте келісетін симплектикалық көптіктегі тегіс функциялардың эквиваленттілік класын қарастыра аламыз (яғни, f-тер арқылы туындаған идеалға қатысты бөлік алгебрасы). Ескеретін нәрсе, шектелген кіші кеңістіктегі Гамильтондық ағындар Гамильтондық мәніне емес, оның градиентіне байланысты. Бірақ осыдан шығудың оңай жолы бар. f-тер арқылы туындаған симплектикалық ағындардың әрекеті астындағы шектелген кіші кеңістіктің орбиталарын қарастырыңыз. Бұл кіші кеңістіктің жергілікті жапырақтанғанын береді, өйткені ол интегралдану шарттарын қанағаттандырады (Фробениус теоремасы). Егер біз шектелген кіші кеңістіктегі бірдей орбитадағы екі түрлі нүктеден бастап, екі түрлі Гамильтондықтар бойынша оларды дамытсақ, олар шектелген кіші кеңістікте келісетін болса, онда екі нүктенің уақыт бойынша эволюциясы олардың сәйкес Гамильтондық ағындары астында әрқашан бірдей уақытта бірдей орбитада болады. Сондай-ақ, егер бізде A1 және B1 екі тегіс функциясы болса, олар кемінде шектелген кіші кеңістікте орбиталарда тұрақты (яғни физикалық өлшенетін шамалар) (яғни шектелген кіші кеңістікте {A1,f}={B1,f}=0) және тағы екі A2 және B2, олар да орбиталарда тұрақты, сондықтан A1 және B1 тиісінше A2 және B2 шектелген кіші кеңістікте келіседі, содан кейін олардың Пуассон жақшалары {A1, B1} және {A2, B2} де орбиталарда тұрақты және шектелген кіші кеңістікте келіседі. Жалпы, "ергодикалық" ағымдарды (орбитаның кейбір ашық жиынтықта тығыз екенін білдіретін) немесе "субергодикалық" ағымдарды (орбитаның орбитаның өлшемінен үлкен өлшемдегі кейбір субманолифтерде тығыз екенін білдіретін) жобауға болмайды. Өзіне-өзі қиылысатын орбиталар болуы мүмкін емес. Бірінші сыныпты шектеулердің көптеген "практикалық" қолданыстарында мұндай күрделіліктерді көре алмаймыз: f ағындарымен шектелген кіші кеңістіктің үлестік кеңістігі (яғни орбиталық кеңістік) дифференциалданатын көптік ретінде әрекет ету үшін жеткілікті түрде жақсы жүріс-тұрыс көрсетеді, оны М симплектикалық формасын оған проекциялау арқылы симплектикалық көптікке айналдыруға болады (бұл жақсы анықталғанын көрсетуге болады). Бұрын айтылған физикалық өлшенетін шамалар туралы байқауларға сүйене отырып, біз осы "физикалық" кіші симплектикалық көптікпен жұмыс істей аламыз, бірақ 2n өлшемге кем. Жалпы, нақты есептеулер жасағанда (диффеоморфизм шектеулерімен жұмыс істегенде жергілікті емес екенін ескермейтін болсақ) үлестік кеңістікпен жұмыс істеу қиын, сондықтан әдетте соған ұқсас нәрсе жасалады. Белгілі болғандай, шектелген субкөптік - бұл кесір көптікке байланысты бундель (бірақ жалпы алғанда талшықты бундель емес). Сондықтан, бөлшек көптікпен жұмыс істеудің орнына, біз бундельдің қимасымен жұмыс істей аламыз. Бұл өлшегішті орнату деп аталады. Басты мәселе - бұл бундельде жалпы алғанда жаһандық қима болмауы мүмкін. Осы жерде, мысалы, жаһандық аномалиялар "проблемасы" пайда болады. Жаһандық аномалия Грибовтың екіұштылығынан өзгеше, өлшемді орнату өлшемді бірегей түрде орнатуға жұмыс істемегенде, жаһандық аномалияда өлшем өрісінің дәйекті анықтамасы болмайды. Жаһандық аномалия 1980 жылы Виттен ашқан кванттық өлшегіш теориясын анықтауға кедергі келтіреді. Сипатталғандар бірінші сыныпты шектеулер болып табылады. Тағы бір күрделілігі - Δf кодименсиясы 1 немесе одан үлкен шектелген субкөптүрліліктің қосалқы кеңістіктерінде оң жаққа кері ауыстырылмайтын болуы мүмкін (бұл осы мақалада бұрын айтылған күшті болжамға қайшы келеді). Бұл, мысалы, жалпы салыстырмалылық теориясының коттедр формуласында, коттедр өрісі мен байланыс формасы кеңістіктің кейбір ашық қосалқы жиынтығында нөлге тең болатын конфигурациялардың қосалқы кеңістігінде болады. Мұнда шектеулер диффеоморфизмдік шектеулер болып табылады. Мұны айналып өтудің бір жолы: Кемелендіруші шектеулер үшін Δf оң инвертибильділігінің шартын мынаған жеңілдетеміз: f нөлдерінде жоғалатын кез келген тегіс функция f-тің (бірден-бір емес) тегіс қимасы бар векторлық бундельмен (егер бұл екілік векторлық кеңістік болса) векторлық кеңістіктің дуалдық кеңістігімен. Бұл реттелу шарты деп аталады.
What does it all mean intuitively? It means the Hamiltonian and constraint flows all commute with each other on the constrained subspace; or alternatively, that if we start on a point on the constrained subspace, then the Hamiltonian and constraint flows all bring the point to another point on the constrained subspace. Since we wish to restrict ourselves to the constrained subspace only, this suggests that the Hamiltonian, or any other physical observable, should only be defined on that subspace. Equivalently, we can look at the equivalence class of smooth functions over the symplectic manifold, which agree on the constrained subspace (the quotient algebra by the ideal generated by the f 's, in other words). The catch is, the Hamiltonian flows on the constrained subspace depend on the gradient of the Hamiltonian there, not its value. But there's an easy way out of this. Look at the orbits of the constrained subspace under the action of the symplectic flows generated by the f 's. This gives a local foliation of the subspace because it satisfies integrability conditions (Frobenius theorem). It turns out if we start with two different points on a same orbit on the constrained subspace and evolve both of them under two different Hamiltonians, respectively, which agree on the constrained subspace, then the time evolution of both points under their respective Hamiltonian flows will always lie in the same orbit at equal times. It also turns out if we have two smooth functions A1 and B1, which are constant over orbits at least on the constrained subspace (i. e. physical observables) (i. e. {A1,f}={B1,f}=0 over the constrained subspace)and another two A2 and B2, which are also constant over orbits such that A1 and B1 agrees with A2 and B2 respectively over the restrained subspace, then their Poisson brackets {A1, B1} and {A2, B2} are also constant over orbits and agree over the constrained subspace. In general, one cannot rule out "ergodic" flows (which basically means that an orbit is dense in some open set), or "subergodic" flows (which an orbit dense in some submanifold of dimension greater than the orbit's dimension). We can't have self intersecting orbits. For most "practical" applications of first class constraints, we do not see such complications: the quotient space of the restricted subspace by the f flows (in other words, the orbit space) is well behaved enough to act as a differentiable manifold, which can be turned into a symplectic manifold by projecting the symplectic form of M onto it (this can be shown to be well defined). In light of the observation about physical observables mentioned earlier, we can work with this more "physical" smaller symplectic manifold, but with 2n fewer dimensions. In general, the quotient space is a bit difficult to work with when doing concrete calculations (not to mention nonlocal when working with diffeomorphism constraints), so what is usually done instead is something similar. Note that the restricted submanifold is a bundle (but not a fiber bundle in general) over the quotient manifold. So, instead of working with the quotient manifold, we can work with a section of the bundle instead. This is called gauge fixing. The major problem is this bundle might not have a global section in general. This is where the "problem" of global anomalies comes in, for example. A global anomaly is different from the Gribov ambiguity, which is when a gauge fixing doesn't work to fix a gauge uniquely, in a global anomaly, there is no consistent definition of the gauge field. A global anomaly is a barrier to defining a quantum gauge theory discovered by Witten in 1980. What have been described are irreducible first class constraints. Another complication is that Δf might not be right invertible on subspaces of the restricted submanifold of codimension 1 or greater (which violates the stronger assumption stated earlier in this article). This happens, for example in the cotetrad formulation of general relativity, at the subspace of configurations where the cotetrad field and the connection form happen to be zero over some open subset of space. Here, the constraints are the diffeomorphism constraints. One way to get around this is this: For reducible constraints, we relax the condition on the right invertibility of Δf into this one: Any smooth function that vanishes at the zeros of f is the fiberwise contraction of f with (a non unique) smooth section of a vector bundle where is the dual vector space to the constraint vector space V. This is called the regularity condition.
Лагранждық гаузер теориясынан алынған шектелген гамильтондық динамика
Біріншіден, біз әрекеттің тек өрістердің бірінші туындысына ғана тәуелді жергілікті Лагранж функциясының интегралы деп есептейміз. Көбірек жалпы жағдайларды талдау мүмкін болғанымен, олар күрделірек. Гамильтон формализміне көшкенде, шектеулердің бар екенін анықтаймыз. Іс-әрекет формализмінде қабықшадағы (on shell) және қабықшадан тыс (off shell) конфигурациялар болады. Қабықшадан тыс сақталатын шектеулер біріншілік шектеулер деп, ал тек қабықшада ғана сақталатындары екіншілік шектеулер деп аталады.
First of all, we will assume the action is the integral of a local Lagrangian that only depends up to the first derivative of the fields. The analysis of more general cases, while possible is more complicated. When going over to the Hamiltonian formalism, we find there are constraints. Recall that in the action formalism, there are on shell and off shell configurations. The constraints that hold off shell are called primary constraints while those that only hold on shell are called secondary constraints.
Екінші сыныптық шектеулер
Шектелген Гамильтон жүйесінде, егер динамикалық шаманың кем дегенде бір шектеумен Пуассон жақшасы нөлдік болмаса, онда ол екінші сыныпқа жатады. Демек, егер шектеудің кем дегенде бір басқа шектеумен нөлдік емес Пуассон жақшасы болса, онда ол екінші сыныпты шектеу болып табылады. Әртүрлі мысалдар үшін Дирак жақшаларын қараңыз.
In a constrained Hamiltonian system, a dynamical quantity is second class if its Poisson bracket with at least one constraint is nonvanishing. A constraint that has a nonzero Poisson bracket with at least one other constraint, then, is a second class constraint. See Dirac brackets for diverse illustrations.