Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
In physics, a variational principle is an alternative method for determining the state or dynamics of a physical system, by identifying it as an extremum (minimum, maximum or saddle point) of a function or functional. Variational methods are exploited in many modern software to simulate matter and light. Since the development of analytical mechanics in the 18th century, the fundamental equations of physics have usually been established in terms of action principles, where the variational principle is applied to the action of a system in order to recover the fundamental equation of motion. This article describes the historical development of such action principles and other variational methods applied in physics. See History of physics for an overview and Outline of the history of physics for related histories.
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.
Variational principles are found among earlier ideas in surveying and optics. The rope stretchers of ancient Egypt stretched corded ropes between two points to measure the path which minimized the distance of separation, and Claudius Ptolemy, in his Geographia (Bk 1, Ch 2), emphasized that one must correct for "deviations from a straight course"; in ancient Greece Euclid states in his Catoptrica that, for the path of light reflecting from a mirror, the angle of incidence equals the angle of reflection; and Hero of Alexandria later showed that this path was the shortest length and least time.
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.
Other extremal principles of classical mechanics were formulated, such as Carl Friedrich Gauss's 1829 principle of least constraint and its corollary, Heinrich Hertz's 1896 principle of least curvature.
Кванттық механикада
Вариациялық принциптер кванттық механиканың дамуындағы маңызды кезеңдерде шешуші рөл атқарды.
Variational principles played decisive roles at critical times in the development of quantum mechanics.
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.
Following Max Planck's proposal that quantum radiators explain the blackbody radiation spectrum and Albert Einstein hypothesis of quantum radiation to explain the photoelectric effect, Niels Bohr proposed quantized energy levels for the orbits in his model of the atom, thereby explaining the Balmer series for absorption of radiation by atoms. However this hypothesis involved no mechanical model. Arnold Sommerfeld then showed that quantization of the action of orbits for Hydrogen predicted the Balmer series, complete with relativistic corrections leading to fine structure in spectral lines. However, this approach could not be extended to atoms with more electrons and, more fundamentally, the quantum hypothesis itself had no explanation from this classical mechanics solution. Dirac was able to show that the wavefunctions probability amplitude at was related to the amplitude at through an complex exponential function of the action.
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.
In 1942, nearly a decade after Dirac's work, Richard Feynman built a new quantum mechanics formulation on the action principle. Feynman interpreted Dirac's formula as a physical recipe for the probability amplitude contributions from every possible path between and These possibilities interfere; constructive interference gives the paths with the most amplitude. In the classical limit with large values of action compared to , the single classical path given by the action principle results.
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.
The breadth of physical phenomena subject to study by action principles lead scientists from all centuries to view these concepts as especially fundamental; the connection of two points by paths lead some to suggest a "purpose" to the selection of one particular path. This teleological viewpoint runs from the earliest physics through Fermat, Maupertuis, and on up to Max Planck, without, however, any scientific backing. The use of colorful language continues in the modern era with phrases like "Nature's command (to) Explore all paths!" or "It isn't that a particle takes the path of least action but that it smells all the paths in the neighborhood ". The Rayleigh method allows approximation of the fundamental frequencies without full knowledge of the material composition and without the requirement of computational power. In Russia, physicists like Ivan Bubnov (in 1913) and Boris Galerkin (in 1915) would rediscover and popularize some of Ritz's methods from 1908. In 1940, Georgii I. Petrov improved these approximations.