หลักการของแฮมิลตัน

| ส่วนหนึ่งของชุดบทความเกี่ยวกับ |
| กลศาสตร์คลาสสิก |
|---|
ในวิชาฟิสิกส์หลักการของแฮมิลตันคือหลักการของการกระทำที่คงที่ซึ่งคิดค้นโดยวิลเลียม โรวัน แฮมิลตันหลักการนี้กล่าวว่าพลวัตของระบบทางกายภาพถูกกำหนดโดยปัญหาแปรผันสำหรับฟังก์ชันที่อิงตามฟังก์ชันเดียวคือลากรางจ์ซึ่งอาจบรรจุข้อมูลทางกายภาพทั้งหมดเกี่ยวกับระบบและแรงที่กระทำต่อระบบนั้น ปัญหาแปรผันนี้เทียบเท่ากับและช่วยให้สามารถหาอนุพันธ์ของสมการการเคลื่อนที่ของระบบทางกายภาพได้ แม้ว่าเดิมทีจะถูกกำหนดขึ้นสำหรับกลศาสตร์คลาสสิก แต่ หลักการของแฮมิลตันก็ยังใช้ได้กับสาขา คลาสสิก เช่น สนาม แม่เหล็กไฟฟ้าและสนามโน้มถ่วงและมีบทบาทสำคัญในกลศาสตร์ควอนตัมทฤษฎีสนามควอนตัมและทฤษฎีวิกฤต
การกำหนดสูตรทางคณิตศาสตร์
ตันกล่าวว่า การเปลี่ยนแปลงที่แท้จริงq ( t )ของระบบที่อธิบายโดยพิกัดทั่วไปN q ( q1 , q2 ..., qN )ระหว่างสถานะสองสถานะที่กำหนดq1 = ( t1 )และq2 = q ( t2 ณ เวลาสองเวลาที่กำหนดt1 และ t2 คือจุดนิ่ง (จุดที่การเปลี่ยนแปลง เป็นศูนย์ ของฟังก์ชันการกระทำ ที่คือฟังก์ชันลากรางจ์สำหรับระบบ กล่าวอีก นัยหนึ่ง การรบกวน อันดับแรก ใดๆ ของการเปลี่ยนแปลงที่แท้จริงจะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอันดับสอง (อย่างมากที่สุด) ใน ฟังก์ชัน การกระทำเป็นฟังก์ชัน กล่าวคือสิ่งที่รับฟังก์ชันเป็นอินพุตและส่งคืนค่าตัวเลขเดียว ซึ่งเป็นสเกลาร์ในแง่ของการวิเคราะห์เชิงฟังก์ชันหลักการของแฮมิลตันกล่าวว่า การเปลี่ยนแปลงที่แท้จริงของระบบทางกายภาพคือคำตอบของสมการเชิงฟังก์ชัน
กล่าวคือ ระบบจะเลือกเส้นทางในปริภูมิการกำหนดค่าซึ่งการกระทำนั้นคงที่ โดยมีเงื่อนไขขอบเขตคงที่ที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของเส้นทาง
ที่มาจากการกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
แม้ว่าหลักการของแฮมิลตันจะถือได้ว่าเป็นสมมติฐานที่ใช้แทนกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันได้อย่างมีประสิทธิภาพ[ 2 ]แต่ก็สามารถอนุมานได้จากกฎของนิวตันเช่นกัน[ 3 ] : 44 เริ่มต้นด้วยหลักการของดาล็องแบร์ :
โดยที่คือดัชนีของมวลคือแรงที่กระทำ (ไม่รวมแรงยึดเหนี่ยว) คือความเร่งของมวล และคือการกระจัดเสมือนของมวลที่ ซึ่งสอดคล้องกับข้อจำกัด สมการข้างต้นเป็นจริงสำหรับทุกช่วงเวลาดังนั้นปริพันธ์จำกัดเทียบกับจะต้องเป็น 0 เช่นกัน:
ผลรวมและปริพันธ์ทั้งหมดสามารถกระจายได้:
เมื่อพิจารณาพจน์ที่สอง เราสามารถใช้กฎการคูณเพื่อหาความสัมพันธ์ได้ดังนี้:
ความแปรผันและอนุพันธ์เทียบกับเวลาสามารถสลับที่กันได้ (หมายความว่า) ดังนั้นเราจึงสามารถจัดเรียงใหม่เพื่อแยกพจน์ความเร่งออกมาได้:
เมื่อแทนค่านี้ลงในอินทิกรัล เราจะได้:
ในหลักการของแฮมิลตัน เรากำหนดรูปแบบการเปลี่ยนแปลงให้มีค่าเป็นศูนย์ที่จุดปลาย: ซึ่งทำให้พจน์แรกทางด้านขวาหายไปอย่างสมบูรณ์ และพจน์ที่เหลือก็คือ:
พลังงานจลน์รวมอยู่ที่ไหน เมื่อพิจารณาจากพจน์แรงที่กระทำ หากแรงเหล่านั้นเป็นแรงอนุรักษ์ ก็สามารถหาได้จากพลังงานศักย์ งานที่ทำโดยแรงเหล่านี้ในระหว่างการเคลื่อนที่เสมือนคือ:
เมื่อแทนค่าทุกอย่างกลับเข้าไปในอินทิกรัลจะได้:
นี่คือลากรางเจียนนี่คือหลักการของแฮมิลตันสำหรับระบบมวลที่ไม่สัมพัทธภาพในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กไฟฟ้า[ 4 ]
สมการออยเลอร์-ลากรองจ์ที่ได้มาจากปริพันธ์การกระทำ
การกำหนดให้วิถีการเคลื่อนที่จริงq ( t )เป็นจุดนิ่งของฟังก์ชันการกระทำนั้นเทียบเท่ากับชุดสมการเชิงอนุพันธ์สำหรับq ( t ) ( สมการออยเลอร์-ลากรางจ์ ) ซึ่งสามารถหาได้ดังต่อไปนี้
ให้q ( t ) แทนการเปลี่ยนแปลง ที่แท้จริงของระบบระหว่างสถานะสองสถานะที่กำหนด= ( t1 )และ q2 = q ( t2 ) เวลาสองเวลาที่กำหนดt1และt2และให้ε ( t ) เป็นการรบกวนเล็กน้อยที่เป็นศูนย์ ณจุดปลายของ
เมื่อพิจารณาการรบกวนε ( t ) ในอันดับแรก การเปลี่ยนแปลงในฟังก์ชันการกระทำจะเป็น ดังที่เราได้ขยายLagrangian Lไปถึงอันดับแรกในการรบกวนε ( t )แล้ว
การนำวิธีการอินทิเกรตโดยส่วนมาใช้กับพจน์สุดท้ายจะได้ผลลัพธ์ดังนี้
เงื่อนไขขอบเขตทำให้พจน์แรกหายไป
หลักการของแฮมิลตันกำหนดให้การเปลี่ยนแปลงอันดับแรกนี้เป็นศูนย์สำหรับการรบกวนที่เป็นไปได้ทั้งหมดε ( t )กล่าวคือ เส้นทางที่แท้จริงเป็นจุดนิ่งของฟังก์ชันการกระทำ(ไม่ว่าจะเป็นจุดต่ำสุด จุดสูงสุด หรือจุดอานม้า) ข้อกำหนดนี้สามารถเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อ
สมการเหล่านี้เรียกว่าสมการออยเลอร์-ลากรางจ์สำหรับปัญหาแปรผัน
ตัวอย่าง: อนุภาคอิสระในพิกัดเชิงขั้ว
ตัวอย่างง่ายๆ ช่วยให้เข้าใจการใช้หลักการของการกระทำผ่านสมการออยเลอร์-ลากรางจ์ได้ดียิ่งขึ้น อนุภาคอิสระ (มวลmและความเร็วv ) ในปริภูมิยูคลิดเคลื่อนที่ในเส้นตรง การใช้สมการออยเลอร์-ลากรางจ์ สามารถแสดงในพิกัดเชิงขั้วได้ดังนี้ ในกรณีที่ไม่มีศักย์ ลากรางจ์จะมีค่าเท่ากับพลังงานจลน์ ในพิกัดตั้งฉาก ( x , y ) โดยที่จุดแสดงถึงการอนุพันธ์เทียบกับพารามิเตอร์ของเส้นโค้ง (โดยปกติคือเวลาt ) ดังนั้น เมื่อใช้สมการออยเลอร์-ลากรางจ์
และเช่นเดียวกันสำหรับyด้วย ดังนั้นจึงสามารถใช้สูตรของออยเลอร์-ลากรางจ์เพื่อพิสูจน์กฎของนิวตันได้
ในระบบพิกัดเชิงขั้ว( r , φ )พลังงานจลน์และดังนั้นลากรางเจียนจึงกลายเป็น
ส่วนประกอบ แนวรัศมีrและφของสมการออยเลอร์-ลากรางจ์ จะกลายเป็นดังนี้ ตามลำดับ
โปรดจำไว้ว่า r นั้นขึ้นอยู่กับเวลาด้วย และจำเป็นต้องใช้กฎผลคูณในการคำนวณอนุพันธ์รวมเทียบกับเวลา
คำตอบของสมการทั้งสองนี้หาได้จาก ชุดค่าคงที่a , b , c , dที่กำหนดโดยเงื่อนไขเริ่มต้น ดังนั้นคำตอบจึงเป็นเส้นตรงในพิกัดเชิงขั้ว โดยที่aคือความเร็วcคือระยะห่างที่ใกล้ที่สุดจากจุดกำเนิด และdคือมุมของการเคลื่อนที่
นำไปใช้กับวัตถุที่สามารถเปลี่ยนรูปได้
หลักการของแฮมิลตันเป็นหลักการแปรผันที่สำคัญในพลศาสตร์ของวัสดุยืดหยุ่นตรงกันข้ามกับระบบที่ประกอบด้วยวัตถุแข็ง วัตถุที่เปลี่ยนรูปได้มีจำนวนองศาอิสระอนันต์และครอบครองพื้นที่ต่อเนื่อง ดังนั้นสถานะของระบบจึงถูกอธิบายโดยใช้ฟังก์ชันต่อเนื่องของพื้นที่และเวลา หลักการของแฮมิลตันแบบขยายสำหรับวัตถุดังกล่าวมีดังนี้ โดย T คือพลังงานจลน์Uคือพลังงานยืดหยุ่นWeคืองานที่ทำโดยแรงภายนอกบนวัตถุ และt1 t2คือ เวลาเริ่มต้นและ สิ้นสุด หากระบบเป็นระบบอนุรักษ์ งานที่ทำโดยแรงภายนอกอาจได้มาจากศักย์สเกลาร์Vในกรณีนี้ นี่เรียกว่าหลักการของแฮมิลตันและไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้การแปลงพิกัด
การเปรียบเทียบกับหลักการของโมแปร์ตุยส์
หลักการของแฮมิลตันและหลักการของโมแปร์ตุยส์มักถูกเข้าใจผิดว่าเป็นสิ่งเดียวกัน และทั้งสองหลักการต่างก็ถูกเรียกว่าหลักการกระทำน้อยที่สุด แต่ ทั้งสอง หลักการแตกต่างกันในสามประเด็นสำคัญ:
- คำจำกัดความของการกระทำ นั้น ...หลักการของ Maupertuis ใช้ปริพันธ์เหนือพิกัดทั่วไปที่เรียกว่าแอคชั่นแบบย่อหรือแอคชั่นแบบลดรูป โดยที่p = ( p , p , ..., p ) คือโมเมนตัมคู่ควบที่กำหนดไว้ข้างต้น ในทางตรงกันข้าม หลักการของ Hamilton ใช้ปริพันธ์ของLagrangianเหนือเวลา
- วิธีแก้ปัญหาที่พวกเขากำหนด...หลักการของแฮมิลตันกำหนดวิถีการเคลื่อนที่q ( t ) เป็นฟังก์ชันของเวลา ในขณะที่หลักการของโมแปร์ตุยส์กำหนดเพียงรูปร่างของวิถีการเคลื่อนที่ในพิกัดทั่วไปเท่านั้น ตัวอย่างเช่น หลักการของโมแปร์ตุยส์กำหนดรูปร่างของวงรีที่อนุภาคเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของแรงศูนย์กลางผกผันกำลังสอง เช่นแรงโน้มถ่วงแต่ไม่ได้อธิบายโดยตรงว่าอนุภาคเคลื่อนที่ไปตามวิถีการเคลื่อนที่นั้นอย่างไร (อย่างไรก็ตาม การกำหนดพารามิเตอร์เวลานี้อาจกำหนดได้จากวิถีการเคลื่อนที่เองในการคำนวณในภายหลังโดยใช้การอนุรักษ์พลังงาน ) ในทางตรงกันข้าม หลักการของแฮมิลตันระบุการเคลื่อนที่ไปตามวงรีโดยตรงเป็นฟังก์ชันของเวลา
- ...และข้อจำกัดเกี่ยวกับความแปรผันหลักการของโมแปร์ตุยส์กำหนดให้ต้องระบุสถานะปลายทางทั้งสองq และq และต้องอนุรักษ์พลังงานตลอดทุกวิถีการเคลื่อนที่ (พลังงานเท่ากันสำหรับทุกวิถีการเคลื่อนที่) ซึ่งทำให้เวลาปลายทางต้องเปลี่ยนแปลงไปด้วย ในทางตรงกันข้าม หลักการของแฮมิลตันไม่กำหนดให้มีการอนุรักษ์พลังงาน แต่กำหนดให้ต้องระบุเวลาปลายทางt และt รวมถึงสถานะปลายทางq และq ด้วย
หลักการปฏิบัติสำหรับสาขาต่างๆ
ทฤษฎีสนามคลาสสิก
หลักการกระทำสามารถขยายไปใช้เพื่อหาสมการการเคลื่อนที่สำหรับสนามต่างๆเช่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าหรือแรงโน้มถ่วงได้
สมการของไอน์สไตน์ใช้แอคชั่นของไอ น์สไตน์-ฮิลเบิร์ตภายใต้ข้อจำกัดของหลักการแปรผัน
เส้นทางของวัตถุในสนามโน้มถ่วง (เช่น การตกอย่างอิสระในปริภูมิเวลา หรือที่เรียกว่าเส้นทางจีโอเดสิก ) สามารถหาได้โดยใช้หลักการของการกระทำ
กลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสนามควอนตัม
ในกลศาสตร์ควอนตัมระบบไม่ได้ดำเนินไปตามเส้นทางเดียวที่มีการกระทำคงที่ แต่พฤติกรรมของระบบขึ้นอยู่กับเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมดและค่าของการกระทำของแต่ละเส้นทาง การกระทำที่สอดคล้องกับเส้นทางต่างๆ จะถูกนำมาใช้ในการคำนวณปริพันธ์เส้นทางซึ่งจะให้ค่าแอมพลิจูดความน่าจะเป็นของผลลัพธ์ต่างๆ
แม้ว่าในกลศาสตร์คลาสสิก หลักการของการกระทำจะเทียบเท่ากับกฎของนิวตันแต่หลักการของการกระทำนั้นเหมาะสมกว่าสำหรับการสรุปทั่วไปและมีบทบาทสำคัญในฟิสิกส์สมัยใหม่ อันที่จริง หลักการนี้เป็นหนึ่งในข้อสรุปทั่วไปที่ยิ่งใหญ่ในวิทยาศาสตร์กายภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หลักการนี้ได้รับการยอมรับและเข้าใจอย่างถ่องแท้ที่สุดในกลศาสตร์ควอนตัมสูตรการคำนวณปริพันธ์เส้นทางของริชาร์ด ไฟน์แมน ในกลศาสตร์ควอนตัมนั้นอิงอยู่กับหลักการของ การกระทำที่อยู่กับที่ โดยใช้ปริพันธ์เส้นทาง สมการของแม็กซ์เวลล์สามารถอนุมานได้ว่าเป็นเงื่อนไขของการกระทำที่อยู่กับที่
ดูเพิ่มเติม
- กลศาสตร์เชิงวิเคราะห์
- พื้นที่การกำหนดค่า
- สมการแฮมิลตัน-จาโคบี
- เส้นทางจีโอเดสิกในฐานะการไหลแบบแฮมิลโทเนียน
- หลักการแปรผันของเฮอร์กลอตซ์
- ปริภูมิเฟส
- หลักการแปรผัน
อ่านเพิ่มเติม
- WR Hamilton, "ว่าด้วยวิธีการทั่วไปในพลศาสตร์", วารสารปรัชญาของราชสมาคมภาคที่ 2 (1834) หน้า 247–308 ; ภาคที่ 1 (1835) หน้า 95–144 ( จากชุดรวมบทความของเซอร์วิลเลียม โรวัน แฮมิลตัน (1805–1865): บทความทางคณิตศาสตร์เรียบเรียงโดยเดวิด อาร์. วิลกินส์, โรงเรียนคณิตศาสตร์, วิทยาลัยทรินิตี้, ดับลิน 2, ไอร์แลนด์ (2000); และได้รับการวิจารณ์ในชื่อ "ว่าด้วยวิธีการทั่วไปในพลศาสตร์" )
- Landau LD และ Lifshitz EM (1976) กลศาสตร์ฉบับที่ 3 สำนักพิมพ์ Pergamon Press ISBN 0-08-021022-8(ปกแข็ง) และISBN 0-08-029141-4(ปกอ่อน), หน้า 2–4.
- Arnold VI. (1989) วิธีการทางคณิตศาสตร์ของกลศาสตร์คลาสสิกฉบับที่ 2 สำนักพิมพ์ Springer Verlag หน้า 59–61
- Cassel, Kevin W.: วิธีการแปรผันพร้อมการประยุกต์ใช้ในวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์, สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์, 2013
- Bedford A.: หลักการของแฮมิลตันในกลศาสตร์ต่อเนื่อง. Pitman, 1985. Springer 2001, ISBN 978-3-030-90305-3 ISBN 978-3-030-90306-0 (eBook), https://doi.org/10.1007/978-3-030-90306-0