В математике и классической механики , канонические координаты представляют собой наборы координат на фазовом пространстве , которые могут быть использованы для описания физической системы в любой данный момент времени. Канонические координаты используются в гамильтоновой формулировке из классической механики . Близкое понятие также появляется в квантовой механике ; подробности см. в теореме Стоуна – фон Неймана и канонических коммутационных соотношениях .
Как гамильтонова механика обобщают симплектической геометрией и канонических преобразования обобщаются контактными преобразованиями , поэтому определение 19 - го века канонических координат в классической механике может быть обобщенно на более абстрактный 20 определение века координат на кокасательном расслоении в виде коллектора (математическое понятие фазового пространства).
Определение в классической механике
В классической механике , канонические координаты являются координатами а также в фазовом пространстве , которые используются в гамильтоновом формализме. Канонические координаты удовлетворяют фундаментальным скобкам Пуассона :
Типичный пример канонических координат: быть обычными декартовыми координатами , ибыть компонентами импульса . Следовательно, в целом координаты называются «сопряженными импульсами».
Канонические координаты могут быть получены из обобщенных координат в лагранжевом формализме с помощью преобразования Лежандра , или из другого множества канонических координат с помощью канонического преобразования .
Определение котангенсных расслоений
Канонические координаты определяются как специальный набор координат на кокасательном расслоении в виде многообразия . Обычно они записываются как набор или же где x или q обозначают координаты на нижележащем многообразии, а p обозначают сопряженный импульс , которые являются 1-формами в кокасательном расслоении в точке q на многообразии.
Общее определение канонических координат - это любой набор координат на котангенсном расслоении, который позволяет записать каноническую однократную форму в виде
вплоть до полного дифференциала. Изменение координат, сохраняющее эту форму, является каноническим преобразованием ; это частный случай симплектоморфизма , который по сути является заменой координат на симплектическом многообразии .
В следующем изложении мы предполагаем, что многообразия являются вещественными многообразиями, так что кокасательные векторы, действующие на касательные векторы, производят действительные числа.
Формальное развитие
Учитывая многообразие Q , а векторное поле X на Q (в сечении по касательному расслоению TQ ) можно рассматривать как функцию , действующую на кокасательном расслоении , двойственность между касательными и кокасательными пространствами. То есть определить функцию
такой, что
выполняется для всех котангенсных векторов p в. Здесь, вектор в , касательное пространство к многообразию Q в точке q . Функцияназывается функцией импульса , соответствующего X .
В локальных координатах векторное поле X в точке q можно записать как
где являются системой координат на TQ . Тогда сопряженный импульс имеет выражение
где определяются как импульсные функции, соответствующие векторам :
В вместе с вместе образуют систему координат на кокасательном расслоении ; эти координаты называются каноническими координатами .
Обобщенные координаты
В лагранжевой механике используется другой набор координат, называемый обобщенными координатами . Обычно они обозначаются как с участием называется обобщенной позицией иобобщенная скорость . Когда гамильтониан задан на кокасательном расслоении, то обобщенные координаты связаны с каноническими координатами посредством уравнений Гамильтона – Якоби .
Смотрите также
Рекомендации
- Гольдштейн, Герберт ; Пул, Чарльз П., младший; Сафко, Джон Л. (2002). Классическая механика (3-е изд.). Сан-Франциско: Эддисон Уэсли. С. 347–349. ISBN 0-201-65702-3.
- Ральф Абрахам и Джерролд Э. Марсден , Основы механики , (1978) Бенджамин-Каммингс, Лондон ISBN 0-8053-0102-X См. Раздел 3.2 .