Введение
В физике, ограничение первого класса — это динамическая величина в гамильтоновой системе с ограничениями, чей пуассоновский скобка со всеми другими ограничениями обращается в нуль на поверхности ограничений в фазовом пространстве (поверхность, неявно определяемая одновременным обращением в нуль всех ограничений). Для вычисления ограничений первого класса предполагается, что ограничений второго класса нет, либо они были вычислены ранее, и их скобки Дирака построены. Ограничения первого и второго классов были введены как способ квантования механических систем, таких как калибровочные теории, где симплектическая форма вырождена. Терминология ограничений первого и второго классов запутанно похожа на терминологию первичных и вторичных ограничений, отражая способ их получения. Эти разделения независимы: ограничения как первого, так и второго класса могут быть как первичными, так и вторичными, что в итоге дает четыре различных класса ограничений.
Геометрическая теория
Для более элегантного подхода, предположим, что дан векторный расслоение над , с -мерным волокном. Оснастим это векторное расслоение связностью. Предположим также, что у нас есть гладкий сечение f этого расслоения. Тогда ковариантная производная f по связности — это гладкое линейное отображение из тангенциального расслоения в , сохраняющее базовую точку. Предположим, что это линейное отображение правообратимо (т.е. существует линейное отображение , такое что — это тождественное отображение) для всех волокон в нулях f. Тогда, согласно теореме о неявной функции, подпространство нулей f является подмногообразием. Обычная скобка Пуассона определена только над , пространством гладких функций над M. Однако, используя связность, мы можем расширить её до пространства гладких сечений f, если работать с алгебраическим расслоением с градуированной алгеброй тензоров V в качестве волокон. Предположим также, что при этой скобке Пуассона (обратите внимание, что в общем случае для этой "расширенной скобки Пуассона" больше не выполняется) и на подмногообразии нулей f (Если эти скобки также оказываются нулевыми везде, то говорят, что ограничения замыкаются вне оболочки). Оказывается, условие правообратимости и условие коммутативности потоков не зависят от выбора связности. Следовательно, мы можем отказаться от связности, если работаем исключительно с ограниченным подпространством.
Интуитивное значение
Что это все значит интуитивно? Это означает, что гамильтоновские и ограничительные потоки все коммутируют друг с другом на ограниченном подпространстве; или, альтернативно, что если мы начинаем с точки в ограниченном подпространстве, то гамильтоновские и ограничительные потоки все приводят точку в другую точку в ограниченном подпространстве. Поскольку мы хотим ограничиться только ограниченным подпространством, это предполагает, что гамильтониан или любой другой физический наблюдаемая должна быть определена только в этом подпространстве. Эквивалентно, мы можем рассмотреть класс эквивалентности гладких функций над симплектическим многообразием, которые совпадают на ограниченном подпространстве (квоциентная алгебра по идеалу, порожденному f, другими словами). Проблема в том, что гамильтоновские потоки на ограниченном подпространстве зависят от градиента гамильтониана там, а не от его значения. Но есть простой выход. Рассмотрим орбиты ограниченного подпространства под действием симплектических потоков, генерируемых f. Это дает локальную фолиацию подпространства, поскольку она удовлетворяет условиям интегрируемости (теорема Фробениуса). Оказывается, если мы начнем с двух разных точек на одной орбите в ограниченном подпространстве и эволюционируем обе под действием двух разных гамильтонианов, соответственно, которые совпадают на ограниченном подпространстве, то временная эволюция обеих точек под их соответствующими гамильтоновскими потоками всегда будет лежать на одной орбите в равные моменты времени. Также оказывается, что если у нас есть две гладкие функции A1 и B1, которые постоянны на орбитах, по крайней мере, в ограниченном подпространстве (т.е. физические наблюдаемые) (т.е. {A1,f}={B1,f}=0 на ограниченном подпространстве) и еще две A2 и B2, которые также постоянны на орбитах, так что A1 и B1 совпадают с A2 и B2 соответственно на ограниченном подпространстве, то их пуассоновские скобки {A1, B1} и {A2, B2} также постоянны на орбитах и совпадают на ограниченном подпространстве. В общем случае нельзя исключить "эргодические" потоки (что в основном означает, что орбита плотна в некотором открытом множестве) или "субэргодические" потоки (которые орбита плотна в некотором подмногообразии размерности, большей, чем размерность орбиты). Не может быть самопересекающихся орбит. Для большинства "практических" приложений ограничений первого класса мы не видим таких осложнений: пространство-доля ограниченного подпространства по потокам f (другими словами, орбитальное пространство) достаточно хорошо ведет себя, чтобы действовать как дифференцируемое многообразие, которое можно превратить в симплектическое многообразие, спроецировав на него симплектическую форму M (это можно показать как хорошо определенное). В свете наблюдений о физических наблюдаемых, упомянутых ранее, мы можем работать с этим более "физическим" меньшим симплектическим многообразием, но с 2n меньшими измерениями. В общем случае с пространством-долей немного сложно работать при выполнении конкретных вычислений (не говоря уже о нелокальности при работе с ограничениями диффеоморфизма), поэтому обычно делается что-то подобное. Обратите внимание, что ограниченное подмногообразие является расслоением (но не волокнистым расслоением в общем случае) над факторным многообразием. Вместо того, чтобы работать с факторным многообразием, мы можем работать с сечением расслоения. Это называется фиксацией калибровок. Основная проблема в том, что это расслоение может не иметь глобального сечения в общем случае. Именно здесь возникает, например, "проблема" глобальных аномалий. Глобальная аномалия отличается от неоднозначности Грибова, которая возникает, когда фиксация калибровок не работает для однозначной фиксации калибровки, в глобальной аномалии нет последовательного определения поля калибровки. Глобальная аномалия — это препятствие для определения квантовой калибровочной теории, открытое Виттеном в 1980 году. Описанные здесь ограничения являются ограничениями первого класса. Еще одно осложнение заключается в том, что Δf может быть не правообратимым на подпространствах ограниченного подмногообразия коразмерности 1 или более (что нарушает более сильное предположение, изложенное ранее в этой статье). Это происходит, например, в котетрадной формулировке общей теории относительности, в подпространстве конфигураций, где поле котетрада и форма соединения случайно равны нулю над некоторым открытым подмножеством пространства. Здесь ограничения являются ограничениями диффеоморфизма. Один из способов обойти это: для приводимых ограничений мы ослабляем условие на правообратимость Δf до следующего: любая гладкая функция, которая обращается в нуль в нулях f, является волоконным сжатием f с (неоднозначным) гладким сечением векторного расслоения, где является двойственным векторным пространством к пространству ограничений V. Это называется условием регулярности.
Ограниченная гамильтоновская динамика из теории гаджета Лагранжа
Во-первых, мы будем исходить из того, что действие является интегралом от локального лагранжиана, зависящего только от первых производных полей. Анализ более общих случаев возможен, но более сложен. При переходе к гамильтонову формализму обнаруживаются ограничения. Вспомним, что в рамках формализма действия существуют конфигурации "на оболочке" и "вне оболочки". Ограничения, выполняющиеся вне оболочки, называются первичными, а те, что выполняются только на оболочке – вторичными.
Ограничения второго класса
В ограниченной гамильтоновой системе динамическая величина является функцией второго рода, если её скобка Пуассона с хотя бы одним ограничением не равна нулю. Следовательно, ограничение, имеющее ненулевую скобку Пуассона с хотя бы одним другим ограничением, является ограничением второго рода. См. скобки Дирака для разнообразных примеров.