Принцип наименьшего действия в квантовой теории поля. Как начать следовать Закону Наименьшего Усилия: три необходимых действия

Коэффициент полезного действия При помощи различных машин можно заставить источники энергии производить различную работу – поднимать грузы, двигать станки, перевозить грузы и людей.Можно подсчитать количество энергии, вложенной в машину, и значение полученной от нее

Принцип исключения Несмотря на свои очевидные успехи, в 1924 г. «старая» квантовая теория, которая в течение нескольких предшествующих лет, казалось, дает методы и принципы, способные помочь, по крайней мере, представить основы атомной феноменологии, столкнулась с

Глава II Принцип действия ядерных бомб Напомнив некоторые общие сведения из области ядерной физики, мы можем перейти к изложению принципа действия ядерных бомб.Все ядерные бомбы делятся на две большие группы: бомбы, основанные на реакции деления, называемые иногда

II. Защита от поражающего действия ядерных бомб 1. Защита от светового излучения.Самая надежная защита от светового излучения заключается в том, чтобы не быть застигнутым вспышкой врасплох. Мы уже говорили, что световое излучение распространяется прямолинейно и

Глава VIII Принцип действия и возможности ядерного реактора I. Устройство ядерного реактора Ядерный реактор состоит из следующих пяти основных элементов:1) ядерного горючего;2) замедлителя нейтронов;3) системы регулирования;4) системы охлаждения;5) защитного

Глава 19 ПРИНЦИП НАИМЕНЬШЕГО ДЕЙСТВИЯ Добавление, сделанное после лекцииКогда я учился в школе, наш учитель фи­зики, по фамилии Бадер, однажды зазвал меня к себе после урока и сказал: «У тебя вид такой, как будто тебе все страшно надоело; послу­шай-ка об одной интересной

Принцип наименьшего действия - наиболее важный среди семейства ; он является одним из ключевых положений современной физики.

Первая формулировка принципа дана (P. Maupertuis (фр.) ) в 1744. Отсюда он вывел законы отражения и преломления света.

Принцип наименьшего действия в классической механике

Напомним вначале, на примере физической системы с одной , что , о котором тут идёт речь, это , т. е. правило, которое каждой функции x(t) сопоставляет некоторое число. Действие имеет вид: S[x] = \int \mathcal{L}(x(t),\dot{x}(t),t) dt , где \mathcal{L}(x(t),\dot{x}(t),t) есть системы, зависящий от траектории (т.е. координаты, которая в свою очередь зависит от времени), её первой по времени, а также может явно зависеть от .

Действие можно вычислить для совершенно произвольной траектории, какой бы «дикой» и «неестественной» она бы ни была. Однако в среди всего набора возможных траекторий существует одна-единственная, по которой тело действительно пойдёт. Принцип наименьшего действия как раз и даёт ответ на вопрос, как действительно будет двигаться тело:

Это значит, что если задан лагранжиан системы, то мы с помощью можем установить, как именно будет двигаться тело.

Заметим, что если из условий задачи принципиально можно найти закон движения, то это автоматически означает, что можно построить функционал, принимающий экстремальное значение при истинном движении.

Ему подчиняются, в связи с чем этот принцип является одним из ключевых положений современной физики. Получаемые с его помощью уравнения движения имеют название уравнений Эйлера - Лагранжа .

Первую формулировку принципа дал П. Мопертюи (P. Maupertuis) в году, сразу же указав на его универсальную природу, считая его приложимым к оптике и механике. Из данного принципа он вывел законы отражения и преломления света.

История

Мопертюи пришёл к этому принципу из ощущения, что совершенство Вселенной требует определенной экономии в природе и противоречит любым бесполезным расходам энергии. Естественное движение должно быть таким, чтобы сделать некоторую величину минимальной. Нужно было только найти эту величину, что он и продолжал делать. Она являлась произведением продолжительности (время) движения в пределах системы на удвоенную величину, которую мы теперь называем кинетической энергией системы.

Эйлер (в «Réflexions sur quelques loix générales de la nature» , 1748) принимает принцип наименьшего количества действия, называя действие «усилием». Его выражение в статике соответствует тому, что мы теперь назвали бы потенциальной энергией , так что его утверждение наименьшего действия в статике эквивалентно условию минимума потенциальной энергии для конфигурации равновесия.

В классической механике

Принцип наименьшего действия служит фундаментальной и стандартной основой лагранжевой и гамильтоновой формулировок механики.

Вначале рассмотрим построение таким образом лагранжевой механики . На примере физической системы с одной степенью свободы , напомним, что действие - это функционал относительно (обобщенных) координат (в случае одной степени свободы - одной координаты ), то есть выражается через так, что каждому мыслимому варианту функции сопоставляется некоторое число - действие (в этом смысле можно сказать, что действие как функционал есть правило, позволяющее для любой заданной функции вычислить вполне определенной число - также называемое действием). Действие имеет вид:

где есть лагранжиан системы, зависящий от обобщённой координаты , её первой производной по времени , а также, возможно, и явным образом от времени . Если система имеет большее число степеней свободы , то лагранжиан зависит от большего числа обобщённых координат и их первых производных по времени. Таким образом, действие является скалярным функционалом, зависящим от траектории тела.

То, что действие является скаляром, позволяет легко записать его в любых обобщенных координатах, главное только, чтобы положение (конфигурация) системы однозначно ими характеризовалось (например, вместо декартовых это могут быть полярные координаты, расстояния между точками системы, углы или их функции и т. д.).

Действие можно вычислить для совершенно произвольной траектории , какой бы «дикой» и «неестественной» она бы ни была. Однако в классической механике среди всего набора возможных траекторий существует одна-единственная, по которой тело действительно пойдёт. Принцип стационарности действия как раз и даёт ответ на вопрос, как действительно будет двигаться тело:

Это значит, что если задан лагранжиан системы, то мы с помощью вариационного исчисления можем установить, как именно будет двигаться тело, сначала получив уравнения движения - уравнения Эйлера - Лагранжа , а затем решив их. Это позволяет не только серьёзно обобщить формулировку механики, но и выбирать наиболее удобные координаты для каждой определенной задачи, не ограничиваясь декартовыми, что может быть очень полезно для получения наиболее простых и легко решаемых уравнений.

где - функция Гамильтона данной системы; - (обобщенные) координаты, - сопряженные им (обобщенные) импульсы, характеризующие вместе в каждый данный момент времени динамическое состояние системы и, являясь каждое функцией времени, характеризуя, таким образом, эволюцию (движение) системы. В этом случае для получения уравнений движения системы в форме канонических уравнений Гамильтона надо проварьировать записанное так действие независимо по всем и .

Необходимо заметить, что если из условий задачи принципиально можно найти закон движения, то это автоматически не означает, что можно построить функционал, принимающий стационарное значение при истинном движении. Примером может служить совместное движение электрических зарядов и монополей - магнитных зарядов - в электромагнитном поле . Их уравнения движения невозможно вывести из принципа стационарности действия. Аналогично некоторые гамильтоновы системы имеют уравнения движения, не выводимые из этого принципа.

Примеры

Тривиальные примеры помогают оценивать использование принципа действия через уравнения Эйлера-Лагранжа. Свободная частица (масса m и скорость v ) в Евклидовом пространстве перемещается по прямой линии. Используя уравнения Эйлера-Лагранжа, это можно показать в полярных координатах следующим образом. В отсутствие потенциала функция Лагранжа просто равна кинетической энергии

в ортогональной системе координат .

В полярных координатах кинетическая энергия, и следовательно, функция Лагранжа становится

Радиальная и угловая компонента уравнений становятся, соответственно:

Решение этих двух уравнений

Здесь - это условная запись бесконечнократного функционального интегрирования по всем траекториям x(t), а - постоянная Планка . Подчеркнём, что в принципе действие в экспоненте появляется (или может появляться) само, при изучении оператора эволюции в квантовой механике, однако для систем, имеющих точный классический (неквантовый) аналог, оно в точности равно обычному классическому действию.

Математический анализ этого выражения в классическом пределе - при достаточно больших , то есть при очень быстрых осцилляциях мнимой экспоненты - показывает, что подавляющее большинство всевозможных траекторий в этом интеграле взаимосокращаются при этом в пределе (формально при ). Для почти любого пути найдется такой путь, на котором набег фазы будет в точности противоположным, и они в сумме дадут нулевой вклад. Не сокращаются лишь те траектории, для которых действие близко к экстремальному значению (для большинства систем - минимуму). Это - чисто математический факт из теории функций комплексного переменного ; на нём, например, основан метод стационарной фазы .

В результате частица в полном согласии с законами квантовой механики движется одновременно по всем траекториям, но в обычных условиях в наблюдаемые значения дают вклад только траектории, близкие к стационарным (то есть классическим). Поскольку квантовая механика переходит в классическую в пределе больших энергий, то можно считать, что это - квантовомеханический вывод классического принципа стационарности действия .

В квантовой теории поля

В квантовой теории поля принцип стационарности действия также успешно применяется. В лагранжеву плотность здесь входят операторы соответствующих квантовых полей. Хотя правильнее тут в сущности (за исключением классического предела и отчасти квазиклассики) говорить не о принципе стационарности действия, а о фейнмановском интегрировании по траекториям в конфигурационном или фазовом пространстве этих полей - с использованием упомянутой только что лагранжевой плотности.

Дальнейшие обобщения

Более широко, под действием понимают функционал, задающий отображение из конфигурационного пространства на множество вещественных чисел и, в общем, он не обязан быть интегралом, потому что нелокальные действия в принципе возможны, по крайней мере, теоретически. Более того, конфигурационное пространство не обязательно является функциональным пространством, потому что может иметь некоммутативную геометрию.

Примечания

Литература

• Вариационные принципы механики. Сб. статей классиков науки. Под редакцией Полака Л.С. М.: Физматгиз. 1959.
• Ланцош К. Вариационные принципы механики. - М .: Физматгиз. 1965.
• Бердичевский В. Л. Вариационные принципы механики сплошной среды. М.: Наука, 1983. - 448 с.

Принцип наименьшего действия, впервые точно сформулированный Якоби, аналогичен принципу Гамильтона, но менее общ и более труден для доказательства. Этот принцип применим только к тому случаю, когда связи и силовая функция не зависят от времени и когда, следовательно, существует интеграл живой силы.

Этот интеграл имеет вид:

Принцип Гамильтона, изложенный выше, утверждает, что вариация интеграла

равна нулю при переходе действительного движения ко всякому другому бесконечно близкому движению, которое переводит систему из того же начального положения в то же конечное положение за тот же промежуток времени.

Принцип Якоби, наоборот, выражает свойство, движения, не зависящее от времени. Якоби рассматривает интеграл

определяющий действие. Установленный им принцип утверждает, что вариация этого интеграла равна нулю, когда мы сравниваем действительное движение системы со всяким другим бесконечно близким движением, переводящим систему из того же начального положения в то же конечное положение. При этом мы не обращаем внимания на затрачиваемый промежуток времени, но соблюдаем уравнение (1), т. е. уравнение живой силы с тем же значением постоянной h, что и в действительном движении.

Это необходимое условие экстремума приводит, вообще говоря, к минимуму интеграла (2), откуда и происходит название принцип наименьшего действия. Условие минимума представляется наиболее естественным, так как величина Т существенно положительна, и потому интеграл (2) необходимо должен иметь минимум. Существование минимума может быть строго доказано, если только промежуток времени - достаточно мал. Доказательство этого положения можно найти в известном курсе Дарбу по теории поверхностей. Мы, однако, не будем приводить его здесь и ограничимся выводом условия

432. Доказательство принципа наименьшего действия.

При действительном вычислении мы встречаемся с одним затруднением, которого нет в доказательстве теоремы Гамильтона. Переменная t не остается более независимой от вариаций; поэтому вариации q i и q. связаны с вариацией t сложным соотношением, которое следует из уравнения (1). Самый простой способ обойти это затруднение заключается в том, чтобы изменить независимую переменную, выбрав такую, значения которой располагались бы между постоянными пределами, не зависящими от времени. Пусть к есть новая независимая переменная, пределы которой и предполагаются не зависящими от t. При перемещении системы параметры и t будут функциями от этой переменной

Пусть буквы со штрихами q будут обозначать производные от параметров q по времени.

Так как связи, по предположению, не зависят от времени, то декартовы координаты х, у, z являются функциями от q, не содержащими время. Поэтому их производные будут линейными однородными функциями от q и 7 будет однородной квадратичной формой от q, коэффициенты которой суть функции от q. Имеем

Чтобы отличать производные q по времени, обозначим при помощи скобок, (q), производные от q, взятые по и положим в соответствии с этим

тогда будем иметь

и интеграл (2), выраженный через новую независимую переменную А, примет вид;

Производную можно исключить при помощи теоремы живой силы. Действительно, интеграл живой силы будет

Подставив это выражение в формулу для приведем интеграл (2) к виду

Интеграл, определяющий действие, принял, таким образом, окончательный вид (3). Подинтегральная функция есть квадратный корень из квадратичной формы от величин

Покажем, что дифференциальные уравнения экстремалей интеграла (3) представляют собой в точности уравнения Лагранжа. Уравнения экстремалей, на основании общих формул вариационного исчисления, будут:

Умножим уравнения на 2 и выполним частные дифференцирования, принимая во внимание, что не содержит тогда получим, если не писать индекса ,

Это уравнения экстремалей, выраженные через независимую переменную Задача заключается теперь в том, чтобы возвратиться к независимой переменной

Так как Г есть однородная функция второй степени от и - однородная функция первой степени, то имеем

С другой стороны, к множителям при производных в уравнениях экстремалей можно применить теорему живой силы, которая приводит, как мы видели выше, к подстановке

В результате всех подстановок уравнения экстремалей приводятся к виду

Мы пришли, таким образом, к уравнениям Лагранжа.

433. Случай, когда нет движущих сил.

В случае, когда движущих сил нет, уравнение живой силы есть и мы имеем

Условие, что интеграл есть минимум, заключается в данном случае в том, что соответствующее значение -10 должно быть наименьшим. Таким образом, когда движущих сил нет, то среди всех движений, при которых живая сила сохраняет одно и то же данное значение, действительное движение есть то, которое переводит систему из ее начального положения в конечное положение в кратчайшее время.

Если система сводится к одной точке, движущейся по неподвижной поверхности, то действительное движение, среди всех движений по поверхности, совершающихся с той же скоростью, есть такое движение, при котором точка переходит из своего начального положения в конечное положение в кратчайший

промежуток времени. Иначе говоря, точка описывает на поверхности кратчайшую линию между двумя ее положениями, т. е. геодезическую линию.

434. Замечание.

Принцип наименьшего действия предполагает, что система имеет несколько степеней свободы, так как если бы имелась лишь одна степень свободы, то одного уравнения было бы достаточно для определения движения. Так как движение может быть в данном случае вполне определено уравнением живой силы, то действительное движение будет единственным, удовлетворяющим этому уравнению, и потому не может быть сравниваемо с каким-либо другим движением.

Наиболее общая формулировка закона движения механических систем дается так называемым принципом наименьшего действия (или принципом Гамильтона). Согласно этому принципу каждая механическая система характеризуется определенной функцией

или, в краткой записи, причем движение системы удовлетворяет следующему условию.

Пусть в моменты времени система занимает определенные положения, характеризуемые двумя наборами значений координат (1) и Тогда между этими положениями система движется таким образом, чтобы интеграл

имел наименьшее возможное значение. Функция L называется функцией Лагранжа данной системы, а интеграл (2.1) - действием.

Тот факт, что функция Лагранжа содержит только q и q, но не более высокие производные является выражением указанного выше утверждения, что механическое состояние полностью определяется заданием координат и скоростей.

Перейдем к выводу дифференциальных уравнений, решающих задачу об определении минимума интеграла (2,1). Для упрощения записи формул предположим сначала, что система обладает всего одной степенью свободы, так что должна быть определена всего одна функция

Пусть есть как раз та функция, для которой S имеет минимум. Это значит, что S возрастает при замене на любую функцию вида

где - функция, малая во всем интервале времени от до (ее называют вариацией функции поскольку при все сравниваемые функции (2,2) должны принимать одни и те же значения то должно быть:

Изменение 5 при замене q на дается разностью

Разложение этой разности по степеням (в подынтегральном выражении) начинается с членов первого порядка. Необходимым условием минимальности S) является обращение в нуль совокупности этих членов; ее называют первой вариацией (или обычно просто вариацией) интеграла. Таким образом, принцип наименьшего действия можно записать в виде

или, произведя варьирование:

Замечая, что проинтегрируем второй член по частям и получим:

Но в силу условий (2,3) первый член в этом выражении исчезает. Остается интеграл, который должен быть равен нулю при произвольных значениях . Это возможно только в том случае, если подынтегральное выражение тождественно обращается в нуль. Таким образом, мы получаем уравнение

При наличии нескольких степеней свободы в принципе наименьшего действия должны независимо варьироваться s различных функций Очевидно, что мы получим тогда s уравнений вида

Это - искомые дифференциальные уравнения; они называются в механике уравнениями Лагранжа. Если функция Лагранжа данной механической системы известна, то уравнения (2,6) устанавливают связь между ускорениями, скоростями и координатами, т. е. представляют собой уравнения движения системы.

С математической точки зрения уравнения (2,6) составляют систему s уравнений второго порядка для s неизвестных функций . Общее решение такой системы содержит произвольных постоянных. Для их определения и тем самым полного определения движения механической системы необходимо знание начальных условий, характеризующих состояние системы в некоторый заданный момент времени, например знание начальных значений всех координат и скоростей.

Пусть механическая система состоит из двух частей А и В, каждая из которых, будучи замкнутой, имела бы в качестве функции Лагранжа соответственно функции ? Тогда в пределе, при разведении частей настолько далеко, чтобы взаимодействием между ними можно было пренебречь, лагранжева функция всей системы стремится к пределу

Это свойство аддитивности функции Лагранжа выражает собой тот факт, что уравнения движения каждой из невзаимодействующих частей не могут содержать величины, относящиеся к другим частям системы.

Очевидно, что умножение функции Лагранжа механической системы на произвольную постоянную само по себе не отражается на уравнениях движения.

Отсюда, казалось бы, могла вытекать существенная неопределенность: функции Лагранжа различных изолированных механических систем могли бы умножаться на любые различные постоянные. Свойство аддитивности устраняет эту неопределенность, - оно допускает лишь одновременное умножение лагранжевых функций всех систем на одинаковую постоянную, что сводится просто к естественному произволу в выборе единиц измерения этой физической вели чины; мы вернемся еще к этому вопросу в § 4.

Необходимо сделать еще следующее общее замечание. Рассмотрим две функции отличающиеся друг от друга на полную производную по времени от какой-либо функции координат и времени

Вычисленные с помощью этих двух функций интегралы (2,1) связаны соотношением

т. e. отличаются друг от друга дополнительным членом, исчезающим при варьировании действия, так что условие совпадает с условием и вид уравнений движения остается неизменным.

Таким образом, функция Лагранжа определена лишь с точностью до прибавления к ней полной производной от любой функции координат и времени.