Кіріспе

Физикада вариациялық принцип - физикалық жүйенің күйін немесе динамикасын анықтаудың баламалы әдісі, оны функция немесе функционалдық экстремум (минималды, максимум немесе атқыштар нүктесі) ретінде анықтау арқылы. Материя мен жарықты симуляциялау үшін көптеген заманауи бағдарламалық жасақтамада вариациялық әдістер пайдаланылады. 18-ғасырда аналитикалық механиканың дамуынан бастап физиканың негізгі теңдеулері, әдетте, әрекет принциптері тұрғысынан анықталады, онда қозғалыс теңдеуін қалпына келтіру үшін жүйе әрекетіне вариациялық принцип қолданылады. Бұл мақалада осындай әрекет принциптерінің тарихи дамуы және физикада қолданылатын басқа да вариациялық әдістер сипатталады. Физика тарихы туралы жалпы түсінік және физика тарихының сызбасы туралы мәліметтер үшін Физика тарихы деген бетті қараңыз.

Ежелгі дәуір

Вариациялық принциптер геодезия мен оптиканың ертедегі идеяларында кездеседі. Ежелгі Мысырдың арқан тартушылары екі нүкте арасында арқанды арқандарды созып, жолды өлшейтін, ал ол арақашықтықты азайтады. Клавдий Птолемей өзінің Географиясында (Бк 1, Ч 2) "тікелей бағыттан ауытқу" үшін түзету керектігін атап көрсетті. Ежелгі Грекияда Евклид өзінің Катоптрикасында айнадан шағылысқан жарық жолы үшін түсу бұрышы шағылысу бұрышына тең екенін айтады.

Гаусс пен Герцтің кеңейтулері

Классикалық механиканың басқа да экстремалды принциптері, мысалы Карл Фридрих Гаустың 1829 жылғы ең аз шектеу принципі және оның түйіні, Генрих Герцтің 1896 жылғы ең аз қисықтық принципі жасалды.

Кванттық механикада

Вариациялық принциптер кванттық механиканың дамуындағы маңызды кезеңдерде шешуші рөл атқарды.

Сомерфельд атомы

Макс Планк кванттық радиаторлар қара дене радиациясының спектрін түсіндіреді деген ұсынысынан кейін және фотоэлектрлік әсерді түсіндіру үшін Альберт Эйнштейн кванттық сәулелену гипотезасынан кейін Нильс Бор атомның модельіндегі орбиталар үшін кванттық энергия деңгейлерін ұсынды, осылайша атомдардың сәулеленуін сіңіру үшін Балмер сериясын түсіндірді. Алайда бұл гипотеза механикалық модельді қамтымайды. Арнольд Сомерфельд сутегі орбиталарының әрекеті квантталғанда Бальмер тізбесін болжап, релятивистік түзетулер арқылы спектрлік сызықтардағы жақсы құрылымға әкелетінін көрсетті. Алайда, бұл тәсіл көбірек электроны бар атомдарға қолданыла алмады және, ең бастысы, кванттық гипотезаның өзі классикалық механиканың бұл шешімінен түсіндірілмеді. Дирак толқын функциясының ықтималдық амплитудасы әрекеттің күрделі экспоненциалдық функциясы арқылы амплитудамен байланысты екенін көрсете алды.

Файнманның ең аз әрекет механикасы

1942 жылы Дирактың жұмысынан кейін он жылға жуық уақыт өткен соң Ричард Фейнман кванттық механиканың жаңа формуласын іс-қимыл принципі бойынша жасады. Фейнман Дирак формуласын ықтималдық амплитудасының әрбір мүмкін жолдан үлесі үшін физикалық рецепт ретінде түсіндірді және Бұл мүмкіндіктер араласады; конструктивті араласу ең көп амплитудалы жолдарды береді. Класстық шекте , әрекет принципімен берілген бір классикалық жолға қарағанда үлкен әрекет мәндері бар.

Әрекеттегі телеология қағидалары

Физикалық құбылыстардың кеңдігі іс-қимыл принциптері бойынша зерттеуге жатады, бұл ғалымдарды барлық ғасырлар бойы бұл ұғымдарды ерекше маңызды деп қарастыруға әкеледі; екі нүктеді жолдармен байланыстыру кейбіреулерді белгілі бір жолды таңдаудың "мақсатын" ұсынуға әкеледі. Бұл телеологиялық көзқарас ең ерте физикадан Ферма, Мопертуис және Макс Планкке дейін, бірақ ешқандай ғылыми негіздемесіз жүреді. Түсті тілдің қолданылуы қазіргі заманда да жалғасуда, мысалы: "Табиғаттың бұйрығы (барлық жолдарды зерттеуге)!" немесе "Бір бөлшектің ең аз әрекет ететін жолға түсіп кетуі емес, ол көршілес аймақтағы барлық жолдарды иіскейді". Рейли әдісі материалдың құрамын толық білмей және есептеу қуатын қажет етпей, негізгі жиіліктерді шамалауға мүмкіндік береді. Ресейде Иван Бубнов (1913 жылы) және Борис Галеркин (1915 жылы) сияқты физиктер 1908 жылдан бастап Рицтің кейбір әдістерін қайтадан тауып, танымал етті. 1940 жылы Георгий И. Петров осы шамаларды жақсартты.