Введение
Принцип наименьшего действия в физике
В классической механике принцип Мопертуиса (названный в честь Пьера Луи Мопертуиса, 1698 – 1759) утверждает, что физическая система движется по пути наименьшей длины (при соответствующей интерпретации понятия пути и длины). Это частный случай более общего принципа наименьшего действия. С использованием вариационного исчисления можно получить интегральное представление уравнений движения системы.
In classical mechanics, Maupertuis's principle (named after Pierre Louis Maupertuis, 1698 – 1759) states that the path followed by a physical system is the one of least length (with a suitable interpretation of path and length). It is a special case of the more generally stated principle of least action. Using the calculus of variations, it results in an integral equation formulation of the equations of motion for the system.
Сравнение с принципом Гамильтона
Принцип Гамильтона и принцип Мопертюи иногда путают друг с другом, и оба называются принципом наименьшего действия. Они отличаются друг от друга тремя важными аспектами:
их определение действия,
решение, которое они определяют, и
ограничения на варьирование.
Принцип Гамильтона определяет траекторию как функцию времени, в то время как принцип Мопертюи определяет только форму траектории в обобщенных координатах. Например, принцип Мопертюи определяет форму эллипса, по которому движется частица под действием центральной силы, обратно пропорциональной квадрату расстояния, такой как сила гравитации, но не описывает сам по себе, как частица движется по этой траектории. (Однако параметризация времени может быть определена из самой траектории в последующих расчетах с использованием закона сохранения энергии.) В отличие от этого, принцип Гамильтона непосредственно определяет движение вдоль эллипса как функцию времени. Принцип Мопертюи требует, чтобы были заданы два конечных состояния и , а также чтобы энергия сохранялась вдоль каждой траектории. В отличие от этого, принцип Гамильтона не требует сохранения энергии, но требует указания конечных моментов времени и , а также конечных состояний и .
their definition of the action
the solution that they determine Hamilton's principle determines the trajectory as a function of time, whereas Maupertuis's principle determines only the shape of the trajectory in the generalized coordinates. For example, Maupertuis's principle determines the shape of the ellipse on which a particle moves under the influence of an inverse square central force such as gravity, but does not describe per se how the particle moves along that trajectory. (However, this time parameterization may be determined from the trajectory itself in subsequent calculations using the conservation of energy.) By contrast, Hamilton's principle directly specifies the motion along the ellipse as a function of time. and the constraints on the variation. Maupertuis's principle requires that the two endpoint states and be given and that energy be conserved along every trajectory. By contrast, Hamilton's principle does not require the conservation of energy, but does require that the endpoint times and be specified as well as the endpoint states and .
История
Мопертюи был первым, кто опубликовал принцип наименьшего действия, как способ адаптации принципа Ферма для волн к корпускулярной (частичной) теории света. Пьер де Ферма объяснил закон Снеллиуса для преломления света, предположив, что свет следует по пути, требующему наименьшего времени, а не наименьшего расстояния. Это беспокоило Мопертюи, поскольку он считал, что время и расстояние должны быть равнозначны: "Почему свет должен предпочитать путь, требующий наименьшего времени, пути, требующему наименьшего расстояния?" Мопертюи определил свое действие как , которое необходимо минимизировать для всех путей, соединяющих две заданные точки. Здесь – скорость света в корпускулярной теории. Ферма минимизировал , где – скорость волны; эти две скорости обратно пропорциональны, поэтому обе формы эквивалентны.
Заявление Koenig
В 1751 году приоритет Мопертуиса в отношении принципа наименьшего действия был оспорен в печати (Nova Acta Eruditorum из Лейпцига) его старым знакомым, Иоганном Самуэлем Кенигом, который процитировал письмо 1707 года, предположительно от Готфрида Вильгельма Лейбница к Якобу Герману, в котором описывались результаты, сходные с теми, что были получены Леонардом Эйлером в 1744 году. Мопертуис и другие потребовали от Кенига предоставить оригинал письма для подтверждения его подлинности. Поскольку Лейбниц умер в 1716 году, а Герман – в 1733 году, ни один из них не мог подтвердить слова Кенига. Кениг утверждал, что письмо было скопировано с оригинала, принадлежавшего Сэмюэлю Хензи, и не знал, где находится оригинал, так как Хензи был казнен в 1749 году за организацию заговора Хензи с целью свержения аристократического правительства Берна. Впоследствии Берлинская академия под руководством Эйлера признала письмо подделкой и подтвердила право Мопертуиса на приоритет в изобретении принципа. Примечательно, что Вольтер вмешался в этот спор, написав «Диатрибу доктора Акакия», чтобы высмеять научные теории Мопертуиса (в том числе и принцип наименьшего действия). Хотя эта работа нанесла ущерб репутации Мопертуиса, его приоритет в отношении принципа наименьшего действия остаётся неоспоримым.