Введение
Формулирование принципа стационарного действия В физике принцип Гамильтона - это формулировка Уильяма Роуэна Гамильтона принципа стационарного действия. В ней говорится, что динамика физической системы определяется вариационной задачей для функционала, основанной на одной функции, лагранжиан, которая может содержать всю физическую информацию о системе и силах, действующих на нее. Вариационная задача эквивалентна и позволяет вывести дифференциальные уравнения движения физической системы. Хотя он был сформулирован изначально для классической механики, принцип Гамильтона также применяется к классическим полям, таким как электромагнитное и гравитационное поля, и играет важную роль в квантовой механике, квантовой теории поля и теориях критичности.
In physics, Hamilton's principle is William Rowan Hamilton's formulation of the principle of stationary action. It states that the dynamics of a physical system are determined by a variational problem for a functional based on a single function, the Lagrangian, which may contain all physical information concerning the system and the forces acting on it. The variational problem is equivalent to and allows for the derivation of the differential equations of motion of the physical system. Although formulated originally for classical mechanics, Hamilton's principle also applies to classical fields such as the electromagnetic and gravitational fields, and plays an important role in quantum mechanics, quantum field theory and criticality theories.
Математическая формулировка
Принцип Гамильтона гласит, что истинная эволюция 'q'(t) системы, описанной N обобщенными координатами 1='q' = (q1, q2, , qN) между двумя указанными состояниями 1='q'1 = 'q'(t1) и 1='q'2 = 'q'(t2) в два указанных времени t1 и t2 является стационарной точкой (точкой, где изменение равняется нулю) функционала действия, где находится функция Лагранжа для системы. Другими словами, любое первое нарушение истинной эволюции приводит к изменениям второго порядка в (максимум) Действие является функциональным, то есть, что-то, что принимает в качестве ввода функцию и возвращает одно число, скаляр. В терминах функционального анализа принцип Гамильтона гласит, что истинная эволюция физической системы является решением функционального уравнения, то есть система берет путь в конфигурационном пространстве, для которого действие является стационарным, с фиксированными пограничными условиями в начале и конце пути.
where is the Lagrangian function for the system. In other words, any first order perturbation of the true evolution results in (at most) second order changes in The action is a functional, i. e., something that takes as its input a function and returns a single number, a scalar. In terms of functional analysis, Hamilton's principle states that the true evolution of a physical system is a solution of the functional equation
That is, the system takes a path in configuration space for which the action is stationary, with fixed boundary conditions at the beginning and the end of the path.
Применяется к деформируемым телам
Принцип Гамильтона является важным вариационным принципом в эластодинамике. В отличие от системы, состоящей из жестких тел, деформируемые тела имеют бесконечное количество степеней свободы и занимают непрерывные области пространства; следовательно, состояние системы описывается с помощью непрерывных функций пространства и времени. Расширенный принцип Гамильтона для таких тел дается где T - кинетическая энергия, U - эластичная энергия, We - работа, выполняемая внешними нагрузками на тело, а t1, t2 - начальное и окончательное время. Если система консервативна, то работа, выполняемая внешними силами, может быть получена из скалярного потенциала V. В этом случае это называется принципом Гамильтона и является инвариантной при координатных преобразованиях.
where T is the kinetic energy, U is the elastic energy, We is the work done by external loads on the body, and t1, t2 the initial and final times. If the system is conservative, the work done by external forces may be derived from a scalar potential V. In this case,
This is called Hamilton's principle and it is invariant under coordinate transformations.
Сравнение с принципом Маупертуа
Принцип Гамильтона и принцип Мопертуа иногда путают, и оба они называются принципом наименьшего действия. Они различаются тремя важными способами: их определение принципа действия Маупертуиса использует интеграл над обобщенными координатами, известный как сокращенное действие или уменьшенное действие, где p = (p1, p2, , pN) - это конъюгированные моменты, определенные выше. Напротив, принцип Гамильтона использует , интеграл лагранжа с течением времени. решение, которое они определяют, принцип Гамильтона определяет траекторию q ((t) как функцию времени, тогда как принцип Мопертуа определяет только форму траектории в обобщенных координатах. Например, принцип Мопертуиса определяет форму эллипса, на котором частица движется под влиянием обратной квадратной центральной силы, такой как гравитация, но не описывает сам по себе, как частица движется по этой траектории. (Однако эта параметризация времени может быть определена из самой траектории в последующих расчетах с использованием сохранения энергии). Напротив, принцип Гамильтона непосредственно определяет движение вдоль эллипса как функцию времени. и ограничения на изменение. Принцип Мопертуиса требует, чтобы были даны два состояния конечных точек q1 и q2, и чтобы энергия сохранялась вдоль каждой траектории (та же энергия для каждой траектории). Это заставляет время окончания также варьироваться. Напротив, принцип Гамильтона не требует сохранения энергии, но требует, чтобы конечные точки времени t1 и t2 были указаны, а также конечные состояния q1 и q2.
their definition of the action Maupertuis' principle uses an integral over the generalized coordinates known as the abbreviated action or reduced action where p = (p1, p2, , pN) are the conjugate momenta defined above. By contrast, Hamilton's principle uses , the integral of the Lagrangian over time. the solution that they determine Hamilton's principle determines the trajectory q(t) as a function of time, whereas Maupertuis' principle determines only the shape of the trajectory in the generalized coordinates. For example, Maupertuis' 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' principle requires that the two endpoint states q1 and q2 be given and that energy be conserved along every trajectory (same energy for each trajectory). This forces the endpoint times to be varied as well. By contrast, Hamilton's principle does not require the conservation of energy, but does require that the endpoint times t1 and t2 be specified as well as the endpoint states q1 and q2.
Классическая теория поля
Принцип действия может быть расширен, чтобы получить уравнения движения полей, таких как электромагнитное поле или гравитация. Уравнение Эйнштейна использует действие Эйнштейна-Хилберта, ограниченное вариационным принципом. Путь тела в гравитационном поле (т.е. свободное падение в пространстве-времени, так называемая геодезия) может быть найден с использованием принципа действия.
Квантовая механика и квантовая теория поля
В квантовой механике система не следует за одним путем, действие которого является неподвижным, но поведение системы зависит от всех возможных путей и значения их действия. Действие, соответствующее различным путям, используется для вычисления интеграла пути, который дает амплитуды вероятности различных результатов. Хотя в классической механике он эквивалентен законам Ньютона, принцип действия лучше подходит для обобщений и играет важную роль в современной физике. Действительно, этот принцип является одним из величайших обобщений в физической науке. В частности, он полностью оценен и лучше всего понимается в квантовой механике. Формулирование интеграла пути Ричарда Фейнмана в квантовой механике основано на принципе стационарного действия, используя интегралы пути. Уравнения Максвелла могут быть получены как условия стационарного действия.