朗道力学笔记 IV

范围:第七章 正则方程

七、正则方程

1. 哈密顿函数、罗斯函数

1.1 哈密顿函数

对拉格朗日函数进行勒让德变换,将之转化为 p,q 的函数:

dL(q,q˙,t)=∂L∂qdq+∂L∂q˙dq˙+∂L∂tdt=p˙dq+pdq˙+∂L∂tdt

再利用 pdq˙=d(pq˙)−q˙dp

dL=p˙dq+d(pq˙)−q˙dp+∂L∂tdt(7.1)⇒d(pq˙−L)=q˙dp−p˙dq−∂L∂tdt

令

(7.2)H(q,p,t)=pq˙−L

则 H 是 q,p,t 的函数。这里 q˙ 应该被用 p,q,t 表示。

由(7.1)易得:

(7.3)∂H∂p=q˙∂H∂q=−p˙

这两条方程即哈密顿方程,它们代替了拉格朗日方程,是运动方程的另一种表述。(哈密顿方程为 2n 个一阶微分方程,拉格朗日方程为 n 个二阶方程,它们是等价的。)

由(7.1)(7.2)(7.3)又有

dHdt=∂H∂qq˙+∂H∂pp˙+∂H∂t=∂H∂q∂H∂p−∂H∂p∂H∂q+∂H∂t(7.4)⇒dHdt=∂H∂t=−∂L∂t

当 L 不显含 t 时,H=Const. 即为体系的能量守恒定律,故 H 是能量或者某个能量的函数。事实上,根据式(2.1),H=E。

1.2 罗斯函数

将拉格朗日函数对部分变量做勒让德变换,使得一部分 q˙ 变为 p,就能得到罗斯函数。例如 L(q1,q2;q˙1,q˙2;t)→R(q1,q2;p1,q˙2;t)(这里忽略了事件的偏微分,并不影响)

dL=∂L∂q1dq1+∂L∂q2dq2+∂L∂q˙1dq˙1+∂L∂q˙2dq˙2=∂L∂q1dq1+∂L∂q2dq2+∂L∂q˙2dq˙2+d(∂L∂q˙1q˙1)−q˙1d∂L∂q˙1

类似哈密顿函数,可以得到

(7.5)dR=d(∂L∂q˙1q˙1−L)=−∂L∂q1dq1−∂L∂q2dq2−∂L∂q˙2dq˙2+q˙1d∂L∂q˙1=q˙1dp1−p2dq˙2−p˙1dq1−p˙2dq2

于是得到了

(7.6)R(q1,q2;p1,q˙2;t)=p1q˙1−L

拉格朗日量、哈密顿量、罗斯函数都不显含循环坐标。1)他们三者等价,都是描述体系运动的量。对称性应该保证它们均不显含循环坐标。2)逻辑上讲:拉格朗日量不显含循环坐标 q →对应的动量 p 为定值→0=p˙=−∂H/∂q →哈密顿量不显含 q。罗斯函数同理。

罗斯函数在循环坐标下方便使用。因为 R(q1,q2;p1,q˙2) 不显含 q1 且 p1 此时为定值。本来多条运动微分方程最终转化为一条 q2 的拉格朗日方程。

2. 泊松括号

若 f,g 为 p,q,t 的函数,定义运算

(7.7){f,g}=∑k(∂f∂pk∂g∂qk−∂g∂pk∂f∂qk)

该运算即为泊松括号。该运算有如下规律:

(7.8(1 ~6)){f,g}=−{g,f}{f,Const.}=0{f1+f2,g}={f1,g}+{f2,g}{f1f2,g}=f1{f2,g}+f2{f1,g}∂∂t{f,g}={∂f∂t,g}+{f,∂g∂t}{f,qk}=∂f∂pk    {f,pk}=−∂f∂qk

以及雅可比恒等式:

(7.9){f,{g,h}}+{h,{f,g}}+{g,{h,f}}=0

该式的证明:只要把它们全打开,就能消掉。

泊松定理:两个运动积分构成的泊松括号也是运动积分。以下为其证明:

对于任意 f(q,p,t)

(7.10)dfdt=∂f∂t+∑k(∂f∂qkq˙k+∂f∂pkp˙k)=∂f∂t+{H,f}

若 f 为运动积分,则 f=Const.。理应有 f 不显含时间的,但不知道为什么没有。

(7.11)0=dfdt=∂f∂t+{H,f}

这将证明两个运动积分 f,g 的泊松括号 {f,g} 为运动积分转化为证明式(7.11)

d{f,g}dt=∂{f,g}∂t+{H,{f,g}}={∂f∂t,g}+{f,∂g∂t}−{g,{H,f}}−{f,{g,H}}={∂f∂t,g}+{{H,f},g}+{f,∂g∂t}+{f,{H,g}}={∂f∂t+{H,f},g}+{f,∂g∂t+{H,g}}={0,g}+{f,0}=0

QED

泊松括号与量子力学里面的两个算符的交换[A,B]似乎有着一定的联系,这样的联系到底是什么?

3. 作为坐标函数的作用量

根据式(1.2),系统的作用量为

(7.12)S=∫t1t2Ldt

固定 t1 和 q(t1),对于每一个末态 (t2,q(t2)) 都存在至少一个运动过程是能够真实发生的。严格的证明可能需要对这个命题加以更多的限制,比如说全空间势能处处不能是无限大等。简单的说明:若有 n 个独立坐标,则可得到 n 条拉格朗日方程,满足这些拉格朗日方程的运动即为真实运动。这些方程内含 2n 个待定常数,刚好可以对应 q(t1),q(t2)。故任意初末态均能有至少一个运动过程。记

S=S(q(t2),t2)

为真实发生的作用量。根据拉格朗日方程,其变分为:

δS=∑i(∂L∂q˙iδqi|t1t2+∫t1t2(∂L∂qi−ddt∂L∂q˙i)δqidt)

从一个真实运动 q(t) 变为另一个相邻的真实运动 q(t)+δq(t),(7.13)中后一个加项由于拉格朗日方程仍为0,而由于固定 q(t1),δq(t1)=0,简记 δq(t2)=δq,则

(7.13)δS=∑ipiδqi⇒∂S∂qi=pi

又由定义(7.12)

L=dSdt=∑i∂S∂qiq˙i+∂S∂t

这里的 t 即为 t2。得

(7.14)∂S∂t=L−∑ipiq˙i=−H

结合(7.13)、(7.14)得到

(7.15)dS=∑ipidqi−Hdt

对于虚运动(非真实运动),(7.15)也是成立的。这可以从以下两个角度说明:

  1. 直接从(虚)作用量的定义得到:

    dS=Ldt=(∑ipiq˙i−H)dt=∑ipidqi−Hdt
  2. 虚运动可以看作很多段真实运动的依次发生,只不过相邻两实运动之间在真实情况中不能相接。比如说无外场空间中自由粒子的真实运动为运输直线运动。某个虚的曲线运动(和/或变速运动)可以看作很多段匀速直线小运动的一词发生,只不过相接处发生了转折(和/或变速)。

故最小作用量原理可以写成

δS=δ∫(∑ipidqi−Hdt)=∫(δp dq+p dδq−∂H∂qδq dt−∂H∂pδp dt)=∫δp(dq−∂H∂pdt)−∫δq(dp+∂H∂qdt)+pδq|(1)(2)

这里可以直接得到哈密顿正则方程(7.3)。

4. 莫培督原理

不太会

5. 正则变换

5.1 定义

在哈密顿方法中,若用 P(p,q,t),Q(p,q,t),H′(P,Q,t) 代替原本的变量 p,q,H(p,q,t),得到的方程仍满足 Q˙=∂H′∂P,P˙=−∂H′∂Q,则可以用这个新的系统完全代替旧的系统,且保持各种力学关系方程不变。正则变换是这种变换中的一类。下面是正则变换推导过程。

p,q,H 满足关系:

δS=δ∫(∑ipidqi−Hdt)=0

P,Q,H′ 满足哈密顿正则方程,故也满足关系:

δ∫(∑iPidQi−H′dt)=0

类似于式(1.3),为保证上述两个关系成立,它们只能差一动量、位置、时间的函数的全微分,即

(7.16)∑iPidQi−H′dt+dF=∑ipidqi−Hdt

其中 F 被称为正则变换的母函数,一个母函数 F 即可定义一个正则变换。改写式(7.16)可得

(7.17)dF=∑ipidqi−∑iPidQi+(H′−H)dt

故这里的 F 是 q,Q,t 的函数,满足

(7.18)∂F∂qi=pi,  ∂F∂Qi=−Pi,  ∂F∂t=H′−H

通过勒让德变换能够得到以 q,P 或其他变量为自变量的母函数,如 Φ(q,P,t)=F+∑iPiQi 满足

pi=∂Φ∂qi,  Qi=∂Φ∂Pi,  H′−H=∂Φ∂t

5.2 泊松括号的不变性

泊松括号对正则变换不变,即

(7.19){f,g}p,q={f,g}P,Q

证明:泊松括号没有对 t 做偏导,故 f,g,P,Q 是否显含 t 不影响(7.19)是否成立。不妨设 f,g,P,Q 不显含 t,且将函数 g 看作是某个 p,q 系统的哈密顿量(这里比较奇怪的是是否 g 总是能看作一个哈密顿量),由(7.11)得到

{f,g}p,q=−dfdt

由于 P,Q 也不含 t,可以让构造母函数使之也不显含 t。故在 P,Q 系统中的哈密顿量也是 g。则

{f,g}P,Q=−dfdt

故两者相等。QED

5.3 特例

5.3.1 点变换

将原系统中的位置 qi 用独立的新位置 Qi(q,t) 代替,进而得到每个 Qi 对应的 Pi。这个变换即为点变换。显然 P,Q 系统仍满足哈密顿正则方程(7.3),故是为正则变换。如直角坐标系下的系统变换到极坐标系中。或者从一个惯性参考系变换到匀加速参考系。

点变换的母函数用 q,P 表示为

(7.20)Φ(q,P,t)=∑iQi(q,t)Pi
5.3.2 运动中的 p,q 变化

运动中的 p,q 变化也是可以看作是正则变换。此处 (p,q)=(p(t),q(t)),(P,Q)=(p(t+τ),q(t+τ)) ,τ 为一固定的时间差。考虑过程 (p,q)→(P,Q) 的作用量 S,由式(7.15)得

(7.21)dS(p,Q,t)=∑(PdQ−pdq)−(H′−H)dt

去用 q,Q 表示的母函数

F=−S

显然它就是 (p,q)→(P,Q) 变换的母函数。

5.4 刘维尔定理

由 p^i,q^i 张成的相空间中的微元 dΓ=dq1...dqsdp1...dps 在正则变换到 P^i,Q^i 相空间中,体积不变。

证明:就是证明从变量 p,q 到变量 P,Q 的变换,其雅可比行列式

D=∂(Q1,...Qs,P1,...Ps)∂(q1,...qs,p1,...ps)=1

将这个变换看成两步 (q,p)→(q,P)→(Q,P),即

D=∂(Q1,...Qs,P1,...Ps)∂(q1,...qs,P1,...Ps)∂(q1,...qs,p1,...ps)∂(q1,...qs,P1,...Ps)

其中

∂(Q1,...Qs,P1,...Ps)∂(q1,...qs,P1,...Ps)=|DqQDPQDqPDPP|=|DqQDPQ0I|=detDqQ

同理

∂(q1,...qs,p1,...ps)∂(q1,...qs,P1,...Ps)=detDPp

DqQ 的第 i 行第 j 列为 ∂Qi∂qj=∂2Φ∂Pi∂qj,而 DPp 的第 j 行第 i 列为 ∂pj∂Pi=∂2Φ∂Pi∂qj。故 detDqQ=detDPp。QED

由5.3.2知运动中的 p,q 变化可以看作是正则变换,故相空间的中一块在运动中的体积保持不变。此即为刘维尔定理。

6. 哈密顿-雅可比方程及其解法

由式(7.15)可知

∂S∂t=−H

将 H 写成 q,p=∂S∂q,t 的函数,得到哈密顿-雅可比方程

(7.22)∂S∂t+H(q,∂S∂q,t)=0

通过哈密顿-雅可比方程可以解出 q 关于 t 的关系,即得到系统的运动方程,具体过程如下:

  1. 求得 S 的通解,其中应该包含 s+1 个待定常数。S 总可以写成如下形式(α,A 为待定常数)

    (7.23)S=f(q1,...,qs;t;α1,...,αs)+A
  2. 将(7.23)中的 α1,... 看作是新的动量,记新的坐标为 β1,...,βs,以 f 为母函数进行正则变换。有

    p=∂S∂q=∂f∂q,   β=∂f∂α,   H′=H+∂f∂t=0
  3. 在 α,β 系统中有

    β˙=∂H′∂α=0,   α˙=−∂H′∂β=0⇒α=Const.   β=Const.
  4. s 条方程 β=∂f∂α,在其中取 α,β 均为待定常数,即可得到 q 的 s 条普通方程,进而解出 q(t)。

下面为用于第一步中求 S 通解的分离变量法。

方程(7.22)可以被写成

Ψ(q,t,∂S∂q,∂S∂t)=0

注意这里 Φ 不显含 S,这使得之后的方法能够推进。假定对于 q1,∂S∂q1 只以固定的形式 φ(q1,∂S∂q1) 的形式出现,则可改写方程为

Φ(qi,t,∂S∂qi,∂S∂t,φ(q1,∂S∂q1))=0

其中 i≠1。反解上面的方程,可得

ψ(qi,t,∂S∂qi,∂S∂t)=φ(q1,∂S∂q1)

这要求 ψ=φ=α1=Const.。故可令 S=S′(qi,t)+S1(q1,t),从而有

φ(q1,∂S∂q1)=α1Φ(qi,t,∂S∂qi,∂S∂t,α1)=0

这样就达到了消元的目的。

注意这个分离变量法与解薛定谔方程的分离变量法有些区别,是因为薛定谔方程本身显含 Ψ 可以转化成 Φ(q,t,∂2ln⁡Ψ∂q2,∂ln⁡Ψ∂t) 的形式,所以分离变量时将 Ψ 写成 φψ。

7. 浸渐不变量

7.1 作用变量浸渐不变

一维有限运动的系统,用 λ 表征其(某一)特性。λ 随时间变化极为缓慢,也就是浸渐地变化。系统的周期为 T,有

Tdλdt≪λ

随着 λ 的变化,系统能量 E 也会变化,E˙―∝λ˙,故这两者可以组成不变的常数,称之为浸渐不变量。

设 H(p,q,λ(t)) 为系统的哈密顿量。由方程(7.4)得

(7.24)E˙=∂H∂t=∂H∂λλ˙⇒E˙―=∂H∂λ―λ˙

其中

∂H∂λ―=1T∫0T∂H∂λdt=1T∮∂H∂λdq∂H/∂p(7.25)=∮∂H∂λdq∂H/∂p∮dq∂H/∂p

这里的第2、3步用了(7.3)关系式。其中环路积分为 p,q 相图上的一圈(一个周期)。这里的积分是对于固定的 E,λ 做的(或者说这里的 E 就是其平均值),q 可以写成 q,E,λ 的函数,有

(7.26)H(p(q,E,λ),q,λ)=E⇒∂H∂λ+∂H∂p∂p∂λ=0∂H∂p∂p∂E=1

将(7.24)(7.25)(7.26)结合,得到

∂H∂λ―=∮∂H∂λdq∂H/∂p∮dq∂H/∂p=−∮∂p∂λdq∮∂p∂Edq⇒E˙―=∂H∂λ―λ˙=−∮∂p∂λdq∮∂p∂Edqλ˙(7.27)⇒∮(∂p∂EE˙―+∂p∂λλ˙)dq=0

令作用变量 I=I(E―,λ)=12π∮pdq|E=E―,则有

I˙=12π∮(∂p∂EE―˙+∂p∂λλ˙)dq=12π∮(∂p∂EE˙―+∂p∂λλ˙)dq=0

得到浸渐不变量

I=Const.

这里的考虑是:凡是有关于周期(环路积分)的物理量,它的参数能量都应该带上拔。不知道这样的考虑是否正确。

7.2 角变量

当 λ 是常数时,选取作用变量 I 作为新的动量进行正则变换,以简约作用量 S0 为母函数。

S0(q,E¯,λ)=∫q0qp(q,E¯,λ)dq

(这里的 q 是为了体现傀标,与 q 做区分。q0 是某个初位置。)由7.1知 I 不随时间变化,也就是说 I 不随 λ 变化,I=I(E―)。故 E― 可以被 I 表示,记做 S0=S0(q,I,λ)。这里有 ∂S0(q,E,λ)/∂q=∂S0(q,I,λ)/∂q=p。于是新动量 I 对应的新坐标(即角变量) w

(7.28)w=∂S0(q,I,λ)∂I

又 S0 不显含时间,H′=H=E¯(I),故

(7.29)I˙=0,   w˙=dE¯(I)dI

式(7.29)显示,I 是一个定值,而 w 是线性函数。根据定义 I=12π∮pdq|E=E― 可知在每个周期内 S0 增加 ΔS0=2πI,w 增加 Δw=Δ∂S0∂I=∂ΔS0∂I=2π。

当 λ=λ(t) 随时间变化时,仍做上述正则变换。(注意此时 S0 已经不再是有物理意义的简约作用量了。 )此时有

(7.30)H′=E(I,λ)+∂S0(q,I,λ(t))∂t=E(I,λ)+Λλ˙

其中 Λ=∂S0(q,I,λ)∂λ。得到

I˙=−∂H′∂w=−