Кіріспе
Физикада Гамильтон механикасы – 1833 жылы пайда болған Лагранж механикасының қайта формулировкасы. Сэр Уильям Роуэн Гамильтон енгізген Гамильтон механикасы Лагранж механикасында қолданылатын (жалпыланған) жылдамдықтарды (жалпыланған) импульстармен алмастырады. Екі теория да классикалық механиканы түсіндіреді және бірдей физикалық құбылыстарды сипаттайды. Гамильтон механикасы геометриямен (әсіресе, симплектикалық геометрия және Пуассон құрылымдары) тығыз байланысты және классикалық және кванттық механика арасындағы байланыс қызметін атқарады.
In physics, Hamiltonian mechanics is a reformulation of Lagrangian mechanics that emerged in 1833. Introduced by Sir William Rowan Hamilton, Hamiltonian mechanics replaces (generalized) velocities used in Lagrangian mechanics with (generalized) momenta. Both theories provide interpretations of classical mechanics and describe the same physical phenomena. Hamiltonian mechanics has a close relationship with geometry (notably, symplectic geometry and Poisson structures) and serves as a link between classical and quantum mechanics.
Негізгі физикалық түсіндіру
Гамильтониялық механиканың қарапайым түсіндірмесі, оның массасы m болатын бір релятивистік емес бөлшектен тұратын бір өлшемді жүйеге қолданылуынан туындайды. Гамильтонияның мәні – жүйенің толық энергиясы, бұл жағдайда кинетикалық және потенциалдық энергияның қосындысы, сәйкесінше T және V деп белгіленеді. Мұнда p – импульс, mv-ға тең, ал q – кеңістіктегі координата. Онда T тек p функциясы, ал V тек q функциясы болып табылады (яғни T және V склерономикалық). Бұл мысалда, q-ның уақыт бойынша туындысы жылдамдыққа тең, сондықтан бірінші Гамильтон теңдеуі бөлшектің жылдамдығы оның импульсіне қатысты кинетикалық энергиясының туындысына тең екенін білдіреді. Импульс p-нің уақыт бойынша туындысы Ньютон күшіне тең, сондықтан екінші Гамильтон теңдеуі күш потенциалдық энергияның теріс градиентіне тең екенін білдіреді.
T is a function of p alone, while V is a function of q alone (i. e., T and V are scleronomic). In this example, the time derivative of q is the velocity, and so the first Hamilton equation means that the particle's velocity equals the derivative of its kinetic energy with respect to its momentum. The time derivative of the momentum p equals the Newtonian force, and so the second Hamilton equation means that the force equals the negative gradient of potential energy.
Гамильтонияның қасиеттері
Гамильтонияның мәні жүйенің толық энергиясына тең болады, егер және тек қана энергия функциясы да осы қасиетке ие болса. (1= \mathcal H анықтамасын қараңыз). Егер 1= \mathbf p(t) және 1= \mathbf q(t) Гамильтон теңдеулерінің шешімі болса, онда соңғы мүшеден басқа барлығы қысқарады. Бұл нүктелік түрлендірулерде, яғни кеңістік координаттарының тегіс өзгерулерінде өзгеретін емес. (Бұл энергия функциясының нүктелік түрлендірулерде инвариантты болуынан туындайды. инварианттылығын тікелей анықтауға болады). (Қараңыз). 1= \frac{\partial \mathcal H}{\partial q^i} = \dot p i = \frac{\partial \mathcal L}{\partial q^i} (Гамильтон және Эйлер-Лагранж теңдеулерін салыстырыңыз немесе қараңыз). Егер және тек қана 1= \frac{\partial \mathcal L}{\partial q^i}=0 болса, онда соңғы теңдеу орындалатын координат циклдік (немесе ескерілмейтін) деп аталады. Кез келген циклдік координат еркіндік дәрежесінің санын 1=1-ге азайтады, сәйкес импульстің сақталуына әкеледі және Гамильтон теңдеулерін шешуді жеңілдетеді.
Нысандық массалар жүйелеріне қолдану
Нүктелік массалар жүйесі үшін, жалпыланған жылдамдыққа қатысты квадраттық болу шарты, бұл жағдай үшін әрқашан орындалады, және бұл шарттың өзі де қажеттілік болып табылады.
Энергияны сақтау
Егер белгілі бір шарттар орындалса, онда Гамильтонианның сақталуы энергияның сақталуын білдіреді. Бұл үшін уақыттың тікелей айнымалы ретінде енбеуі қажет. Кеңейтілген Эйлер-Лагранж формуласына сәйкес (Қараңыз), Рейлидің диссипациялық функциясы энергияның шашырауын көрсетеді. Сондықтан, энергия бұл жағдайда сақталмайды, бұл жылдамдыққа тәуелді потенциалға ұқсас. Қорыта айтқанда, релятивистік емес жүйе үшін қажетті шарт – Гаудж түрлендіруі кезінде, яғни барлық физикалық нәтижелер жергілікті U(1) түрлендірулеріне қатысты өзгермейтін болуы керек.
Риманнан төменгі көптік
Кометрик дегенеративті болған кезде, ол инверттендірілмейді. Бұл жағдайда, Римандық көптүрлілік болмайды, себебі метрика жоқ. Дегенмен, Гамильтониан әлі де бар. Егер кометир конфигурациялық кеңістік Q-ның кез келген нүктесінде дегенеративті болса, яғни кометирдің ранкі Q көптүрлілігінің өлшемінен кем болса, онда суб-Римандық көптүрлілік пайда болады. Бұл жағдайдағы Гамильтониан суб-Римандық Гамильтониан деп аталады. Кез келген мұндай Гамильтониан кометирді бірегей түрде анықтайды, және керісінше. Бұл, кез келген суб-Римандық көптүрлілік өзінің суб-Римандық Гамильтонианымен бірегей түрде анықталады дегенді білдіреді, сондай-ақ керісі де рас: кез келген суб-Римандық Гамильтонианға сәйкес бірегей суб-Римандық көптүрлілік бар. Суб-Римандық геодезиялардың болуы Чоу-Рашевский теоремасымен берілген. Үзіліссіз, нақты мәнді Гейзенберг тобы суб-Римандық көптүрлілікке қарапайым мысал келтіреді. Гейзенберг тобы үшін Гамильтонианда pz мүшесі болмайды.
pz is not involved in the Hamiltonian.
Пуассон алгебрасы
Гамильтондық жүйелерді әр түрлі жолмен жалпылауға болады. Симплектикалық көптүрліліктегі тегіс функциялар алгебрасын қарастырудың орнына, Гамильтон механикасы жалпы коммутативтік бірлік нақты Пуасон алгебраларында тұжырымдалуы мүмкін. Күй – бұл Пуасон алгебрасындағы үздіксіз сызықтық функционал (тиісті топологиямен жабдықталған), алгебраның кез келген А элементе үшін A² теріс емес нақты санға бейнеленеді. Намбу динамикасы одан әрі жалпылауды ұсынады.