Кіріспе

Тұрақты әрекет принципі физикада Гамильтон принципі - Уильям Роуэн Гамильтонның тұрақты әрекет принципі туралы тұжырымдамасы. Ол физикалық жүйенің динамикасы бір функция, Лагранж функциясы негізінде функционал үшін вариациялық проблемамен анықталады, онда жүйе мен оған әсер ететін күштер туралы барлық физикалық ақпарат болуы мүмкін. Вариациялық проблема физикалық жүйенің дифференциалдық теңдеулерін шығаруға тең және мүмкіндік береді. Бастапқыда классикалық механика үшін жасалса да, Гамильтон принципі электромагниттік және гравитациялық өрістер сияқты классикалық өрістерге де қолданылады және кванттық механикада, кванттық өріс теориясында және сынилық теорияларында маңызды рөл атқарады.

Математикалық тұжырымдамасы

Гамильтон принципі бойынша, N жалпыланған координаттары 1='q' = (q1, q2, , qN) арқылы сипатталған жүйенің екі нақтыланған күйі 1='q'1 = 'q'(t1) және 1='q'2 = 'q'(t2) арасындағы екі нақтыланған уақыттағы t1 және t2 - бұл әрекет функционалының стационарлық нүктесі (вариациясы нөл болатын нүкте), онда жүйе үшін Лагранж функциясы. Басқаша айтқанда, шынайы эволюцияның кез келген бірінші реттік бұзылуы (ең көп дегенде) екінші реттік өзгерістерге әкеледі. Әрекеті функционал, яғни, оның кірісі ретінде функцияны алатын және бір санды, скалярды қайтаратын нәрсе. Функционалдық талдау тұрғысынан алғанда, Гамильтон принципі физикалық жүйенің шынайы эволюциясы функционалдық теңдеудің шешімі болып табылады. Яғни жүйе конфигурациялық кеңістіктегі жолды алады, ол үшін іс-әрекет тұрақты, жолдың басында және соңында белгіленген шекті шарттармен.

Деформацияланатын денелерге қолданылады

Гамильтон принципі - эластодинамикадағы маңызды вариациялық принцип. Қатты денелерден тұратын жүйеге қарама-қарсы, деформацияланатын денелердің еркіндік дәрежесі шексіз және кеңістіктің үздіксіз аймақтарын алып жатыр; нәтижесінде, жүйенің жай-күйі кеңістіктің және уақыттың үздіксіз функцияларын пайдалану арқылы сипатталады. Мұндай денелер үшін Гамильтонның кеңейтілген принципі T - кинетикалық энергия, U - эластикалық энергия, We - денеге сыртқы жүктемелердің жұмысы, ал t1, t2 - бастапқы және соңғы уақыт. Егер жүйе консервативті болса, сыртқы күштердің жұмысы скалярлық потенциал V-ден алынуы мүмкін. Бұл жағдайда, Гамильтон принципі деп аталады және ол координаттық түрлендірулер кезінде инвариант болып табылады.

Маупертуис қағидатымен салыстыру

Гамильтон принципі мен Мопертуи принципі кейде шатастырылады және екеуі де ең аз әрекет принципі деп аталады. Олар үш маңызды жағынан ерекшеленеді: олардың әрекеттің Маупертуистің принципі туралы анықтамасы қысқаша әрекеті немесе қысқартылған әрекеті деп аталатын жалпыланған координаттар бойынша интегралды қолданады, мұнда p = (p1, p2, , pN) жоғарыда анықталған конугат моменттер. Керісінше, Гамильтон принципі , уақыт бойынша Лагранж интегралын пайдаланады. олар анықтаған шешімге Гамильтон принципі траекторияны q ((t) уақыт функциясы ретінде анықтайды, ал Мопертуис принципі траекторияның жалпыланған координаттардағы пішінін ғана анықтайды. Мысалы, Мопертуис принципі гравитация сияқты кері квадраттық орталық күшінің әсерінен бөлшектің қозғалатын эллипстің пішінін анықтайды, бірақ бөлшектің сол траекторияда қалай қозғалатынын сипаттамайды. (Бірақ бұл уақыт параметрлеуін траекторияның өзінен энергияны сақтауды пайдалана отырып, кейінгі есептеулерде анықтауға болады). Ал Гамильтон принципі эллипстің бойымен қозғалыс уақыттың функциясы ретінде тікелей анықтайды. және өзгеріске шектеулер. Мопертуис принципі екі соңғы нүктелік q1 және q2 күйлерін беруді және әр траекторияда энергия сақталуын (әр траектория үшін бірдей энергия) талап етеді. Бұл соңғы нүкте уақытын да әртүрлі етуге мәжбүр етеді. Керісінше, Гамильтон принципі энергияны сақтауды талап етпейді, бірақ t1 және t2 соңғы нүктелер уақытын, сондай-ақ q1 және q2 соңғы нүктелер жағдайын көрсетуді талап етеді.

Классикалық өріс теориясы

Әрекеттің принципі электромагниттік өріс немесе ауырлық сияқты өрістердің қозғалыс теңдеулерін алу үшін кеңейтілуі мүмкін. Эйнштейн теңдеуі Эйнштейн-Хилберт әрекетімен ауытқу принципімен шектеледі. Гравитациялық өрістегі дененің жолын (яғни кеңістіктегі уақытқа еркін түсу, геодезиялық деп аталады) әрекет принципі арқылы табуға болады.

Кванттық механика және кванттық өріс теориясы

Кванттық механикада жүйе бір жолмен жүрмейді, оның әрекеті тұрақты, бірақ жүйенің мінез-құлқы барлық елестетілетін жолдарға және олардың әрекеті мәніне байланысты. Әр түрлі жолдарға сәйкес келетін әрекет жол интегралын есептеу үшін қолданылады, ол әр түрлі нәтижелердің ықтималдық амплитудасын береді. Классикалық механикада Ньютон заңдарымен теңестірілсе де, әрекет принципі жалпыландыруға жақсырақ сәйкес келеді және қазіргі физикада маңызды рөл атқарады. Шын мәнінде, бұл принцип физикалық ғылымдағы үлкен жалпылаулардың бірі болып табылады. Әсіресе, ол кванттық механикада толық бағаланады және жақсы түсініледі. Ричард Фейнманның кванттық механиканың жол интегралы формуласы жол интегралдарын пайдалана отырып, стационарлық әрекет принципіне негізделген. Максвелл теңдеулерін стационарлық әрекеттің шарттары ретінде алуға болады.