Wykład XI Mechanika

Przekształcenia kanoniczne

W formalizmie Lagrange’a możemy dowolnie zmieniać współrzędne uogólnione, a postać równań ruch nie ulega zmianie tzn. jeśli wprowadzimy współrzędne Q ( q , q ,K, q ) , to i

1

2

n

d ∂ L

∂ L

d ∂ L

∂ L

spełniają one równania

−

= 0

q spełniają

−

= 0 .

dt ∂ Q&

, jeśli

∂ Q

i

dt ∂ q&

∂ q

i

i

i

i

∂ L

W formalizmie Hamiltona tak nie jest, bo q i p musza spełniać jeszcze związek p& =

.

i

i

i

∂ qi

Definicja

 q → Q ( q , q ,K, q ; p , p ,K, p ) Transformacja

i

i

1

2

n

1

2

n



i = ,

1 ,

2 K, n

 p → P ( q , q ,K, q ; p , p ,K, p ) i

i

1

2

n

1

2

n

nazywa się kanoniczną jeśli Q i P spełniają równania kanoniczne. Tzn. jeśli q i p spełniają i

i

i

i

H

∂ ( p, q, t)

H

∂ ( p, q, t)

q& =

,

p& = −

(1)

i

i

p

∂

q

∂

i

i

to Q i P mają spełniać i

i

&

H

∂ ' ( P, Q, t) H

∂ ' ( P, Q, t) Q =

,

P& = −

(2)

i

i

P

∂

Q

∂

i

i

gdzie H' jest nową funkcja Hamiltona H' ( P, Q, t) ≡ H ( p Q

( , p), q Q

( , p), t ) .

Warunki, które musi spełniać transformacja, żeby była kanoniczną można otrzymać z zasady wariacyjnej Hamiltona. Równania (1) bowiem wynikają ze znikania wariacji t 2

 N



∫ dt∑ q&

δ

p − H ( p, q, t)  = 0



i

i

i=1



1

t

natomiast równania (2) z

t 2

N

∫ 

dt ∑





Q&

δ

P − H '( P, Q, t)  = 0 .



i

i

i=1



1

t

Ponieważ q

δ ( t ) = q

δ ( t ) = 0 oraz Q

δ ( t ) = Q

δ ( t ) = 0 , więc do każdej funkcji podcałkowej 1

2

1

2

można dodać zupełną pochodną dowolnej funkcji współrzędnych i czasu, odpowiednio dg( q, t)

dG Q

( , t)

lub

, gdyż

dt

dt

t 2

δ ∫ dg( q, t)

dt

= δ [ g( q( t ), t ) − g( q( t ), t )] = 0 .

2

2

1

1

dt

1

t

dF ( q, Q, t) A zatem różnicą funkcji podcałkowych może być

, tzn.

dt

1

Wykład XI cd. Mechanika N

N

&

dF ( q, Q, t)

∑ q& p − H( p, q, t) − ∑ Q P + H' ( P, Q, t) =

i

i

i

i

i 1

=

i 1

=

dt

co daje

N

N

N  F

∂

F

∂



F

∂

∑ p dq − H( p, q, t) dt − ∑ PdQ + H' ( P, Q, t) dt = dF( q, Q, t) = ∑

dq +

dQ −

dt

i

i

i

i



i

i 



=1

=1

=1  ∂

∂



∂

i

i

i

q

Q

t

i

i

Przy dowolnych q

δ oraz Q

δ dostajemy

F

∂ ( q, Q, t)

F

∂ ( q, Q, t)

F

∂ ( q, Q, t)

p =

,

P = −

,

H ( p, q, t) − H '( P, Q, t) =

i

q

i

∂

Q

∂

t

∂

i

i

co prowadzi do związku

p

∂

∂2 F ( q, Q, t) P

∂ j

i

=

= −

Q

∂

q

∂

Q

∂

q

∂

j

i

j

i

F ( q, Q, t) nazywa się funkcja tworząca transformacji kanonicznej.

Definiujemy nową funkcję tworzącą Φ( q, P, t) ≡ F ( q, Q( q, P), t) + ∑ Q P , i

i

i

Φ

d

= dF + ∑( PdQ + Q dP ) i

i

i

i

i

Jak poprzednio, żądamy

∑ N

N

p dq − H ( p, q, t) dt −

PdQ

H' ( P, Q, t) dt dF

d ( q, P, t) PdQ

Q dP

i

i

∑

+

=

= Φ

−

i

i

∑(

+

)

i

i

i

i

i=1

i=1

i

Uwzględniając, że

N  ∂Φ

Φ

∂



Φ

∂

dΦ( q, P, t) = ∑

dq +

dP −

dt



,

i

i 



=1  ∂

∂



∂

i

q

P

t

i

i

dostajemy

Φ

∂ ( q, P, t)

Φ

∂ ( q, P, t)

Φ

∂ ( q, P, t)

p =

,

Q =

,

H ( p, q, t) − H '( P, Q, t) = −

i

q

i

∂

P

∂

t

∂

i

i

co daje

p

∂

∂2Φ( q, P, t)

Q

∂ j

i =

=

P

∂

q

∂

P

∂

q

∂

j

i

j

i

2

Wykład XI cd. Mechanika

 q → Q ( q , q ,K, q ; p , p ,K, p ) Je

i

i

1

2

n

1

2

n

śli transformacja 

i = ,

1 ,

2 K, n

 p → P ( q , q ,K, q ; p , p ,K, p ) i

i

1

2

n

1

2

n

jest kanoniczna to

∂ p

P

∂

p

∂

Q

∂

i

j i j (

3

)

= −

,

=

Q

∂

q

∂

P

∂

q

∂

j

i

j

i

Nawiasy Poissona

Bezpośrednio z definicji nawiasów Poissona mamy

{ q , q } = 0 = { p , p } ,

{ p , q }

ij

= δ

i

j

i

j

i

j

pq

pq

pq

{K, }

K

- nawias Poissona obliczany przy użyciu współrzędnych i pędów p i q.

pq

Równanie (3) zaś daje

{ Q , Q } = 0 = { P , P } ,

{ P, Q }

ij

= δ

i

j

i

j

i

j

pq

pq

pq

co dowodzi się prostym przeliczeniem.

Twierdzenie

Nawias Poissona dwóch dowolnych wielkości f i g jest niezmiennikiem transformacji kanonicznej tzn.

{ f , g} = { f , g}

pq

PQ

Dowodzi się dosyć żmudnym przeliczeniem.

Twierdzenie

Zachodzenie związków

{ Q , Q } = 0 = { P, P } ,

{ P , Q }

ij

= δ

i

j

i

j

i

j

pq

pq

pq

jest warunkiem koniecznym i dostatecznym, że transformacja ( q, p, H ) → ( Q, P, H' ) jest kanoniczna.

Konieczność została wykazana powyżej. Dostateczność łatwo wykazać dla transformacji niezależnych od czasu. Wtedy

∂

∂

∂

∂

Q& = { H , Q }

= { H , Q }

H

Q

H

H

i

ij

= ∑

= ∑

δ =

i

i

pq

i PQ

P

∂

Q

∂

P

∂

P

∂

j

j

j

j

j

i

∂

∂

∂

∂

P& = { H , P}

= { H , P}

H

P

H

H

i

ij

= −∑

= −∑

δ = −

i

i

pq

i PQ

Q

∂

P

∂

Q

∂

Q

∂

j

j

j

j

j

i

Ogólny dowód pomijam.

3

Wykład XI cd. Mechanika Twierdzenie

Jakobian transformacji kanonicznej jest równy jedności.

Dowód

Q

∂

Q

∂

P

∂

P

∂

1

n

1

n

L

L

q

∂

q

∂

q

∂

q

∂

1

1

1

1

M

M

M

M

M

M

Q

∂

Q

∂

P

∂

P

∂

1

n

1

n

L

L

∂ Q

( , P)

q

∂

q

∂

q

∂

q

∂

n

n

n

n

J ≡

=

∂

Q

∂

Q

∂

P

∂

P

( q, p

∂

)

1

n

1

n

L

L

p

∂

p

∂

p

∂

p

∂

1

1

1

1

M

M

M

M

M

M

Q

∂

Q

∂

P

∂

P

∂

1

n

1

n

L

L

p

∂

p

∂

p

∂

p

∂

n

n

n

n

Korzystamy z własności jakobianów dotyczącej złożenia transformacji ( X ) → ( Y ) → ( Z ) :

∂( X )

∂( X ) / ∂( Z )

=

∂( Y )

∂( Y ) / ∂( Z )

∂( Q)

∂( P)

∂( q)

∂( q)

∂( Q)

∂( P)

∂( Q)

∂( P)

∂( Q)

∂( q)

∂( q)

∂( Q, P)

∂( Q, P) / ∂( q, P)

∂( P)

∂( P)

0

1

∂( q)

A

J ≡

=

=

=

=

=

= 1

∂( q, p)

∂( q, p) / ∂( q, P)

∂( q)

∂( p)

1

0

∂( p)

T

A

∂( q)

∂( p)

∂( q)

∂( q)

∂( P)

∂

∂ q

∂

( P)

∂( P)

( )

( p)

∂( P)

∂( P)

Q

∂

p

∂

ij

j

gdzie macierz

i

A ≡

=

, T

A oznacza macierz transponowaną ( AT = A ) .

q

∂

P

∂

i

j

4