Часть серии по |
Классическая механика |
---|
- В этой статье обсуждается история принципа наименьшего действия. По поводу приложения, пожалуйста, обратитесь к действию (физика) .
Принцип наименьшего действия - или, точнее, принцип стационарного действия - это вариационный принцип , что, когда применяется к действию в виде механической системы, могут быть использованы для получения уравнения движения для этой системы. Его исторически называли «наименьшим», потому что для его решения необходимо найти путь движения в пространстве, который имеет наименьшее значение. [1]
Этот принцип может быть использован для вывода ньютоновских , лагранжевых и гамильтоновых уравнений движения и даже общей теории относительности (см. Действие Эйнштейна – Гильберта ). В теории относительности другое действие должно быть минимизировано или максимизировано.
Классическая механика и электромагнитные выражения являются следствием квантовой механики. Метод стационарного действия помог в развитии квантовой механики. [2] В 1933 году физик Поль Дирак продемонстрировал, как этот принцип может быть использован в квантовых вычислениях, выявив квантово-механическую основу принципа квантовой интерференции амплитуд. [3] Впоследствии Джулиан Швингер и Ричард Фейнман независимо применили этот принцип в квантовой электродинамике. [4] [5]
Принцип остается центральным в современной физике и математике , которые применяются в термодинамике , [6] механика жидкости , [7] теория относительности , квантовая механика , [8] физика элементарных частиц и теория струн [9] и является центром современного математическое исследование в теории Морса . Принцип Мопертюи и принцип Гамильтона иллюстрируют принцип стационарного действия.
Принципу действия предшествуют более ранние идеи в оптике . В Древней Греции , Евклид написал в своем Catoptrica , что, по пути света , отражаясь от зеркала, то угол падения равняется углу отражения . [10] Герой Александрии позже показал, что этот путь был кратчайшей длиной и минимальным временем. [11]
Ученые часто приписывают Пьеру Луи Мопертюи формулировку принципа наименьшего действия, поскольку он писал об этом в 1744 [12] и 1746 году. [13] Однако Леонард Эйлер обсуждал этот принцип в 1744 году [14], и данные показывают, что Готфрид Лейбниц предшествовал обоим. на 39 лет. [15] [16] [17]
Общее заявление [ править ]
Отправной точкой является действие физической системы , обозначаемое (каллиграфически S). Это определяется как интеграл от лагранжиана L между двумя моментами времени T 1 и T 2 - технически функционал из N обобщенных координат д = ( д 1 , д 2 , ..., д Н ) , которые являются функциями времени и определим конфигурацию системы:
где точка обозначает производную по времени , а t - время.
Математически принцип [19] [20]
где δ (строчная греческая дельта ) означает небольшое изменение. В словах это гласит: [18]
- Путь, пройденный системой между моментами времени t 1 и t 2 и конфигурациями q 1 и q 2, является тем, для которого действие является стационарным (без изменений) до первого порядка .
Стационарное действие не всегда является минимумом, несмотря на историческое название наименьшего действия. [21] [1] : 19–6 Это принцип минимума для достаточно коротких конечных отрезков пути. [22]
В приложениях заявление и определение действия взяты вместе: [23]
И действие, и лагранжиан содержат динамику системы на все времена. Термин «путь» просто относится к кривой, начерченной системой в терминах координат в конфигурационном пространстве , то есть кривой q ( t ), параметризованной временем (см. Также параметрическое уравнение для этой концепции).
Истоки, утверждения и противоречия [ править ]
Ферма [ править ]
В 1600-х годах Пьер де Ферма постулировал, что « свет проходит между двумя заданными точками по пути кратчайшего времени », что известно как принцип наименьшего времени или принцип Ферма . [20]
Мопертюи [ править ]
Кредит за формулировку принципа наименьшего действия обычно отдается Пьеру Луи Мопертюи , который считал, что «Природа бережлив во всех своих действиях», и широко применял этот принцип:
Законы движения и покоя, выведенные из этого принципа, в точности такие же, как и наблюдаемые в природе, мы можем восхищаться применением их ко всем явлениям. Движение животных, вегетативный рост растений ... это только его последствия; и зрелище вселенной становится настолько грандиознее, красивее и достойнее своего Автора, когда известно, что для всех движений достаточно небольшого числа законов, установленных самым мудрым образом.
- Пьер Луи Мопертюи [24]
Это понятие Мопертюи, хотя и несколько детерминированное сегодня, действительно отражает большую часть сути механики.
Применительно к физике Мопертюи предположил, что минимизируемая величина является произведением продолжительности (времени) движения внутри системы на « vis viva »,
который является интегралом удвоенной величины того, что мы теперь называем кинетической энергией T системы.
Эйлер [ править ]
Леонард Эйлер сформулировал принцип действия в 1744 году в очень узнаваемых терминах в Additamentum 2 к его Methodus Inveniendi Lineas Curvas Maximi Minive Proprietate Gaudentes . Начиная со второго абзаца:
Пусть масса снаряда будет M , и пусть его скорость будет v, когда он перемещается на бесконечно малое расстояние ds . У тела будет импульс Mv, который, умноженный на расстояние ds , даст Mv ds , импульс тела, проинтегрированный по расстоянию ds . Теперь я утверждаю, что кривая, описанная таким образом телом, является кривой (среди всех других кривых, соединяющих те же конечные точки), которая минимизирует
или, при условии, что M постоянно на пути,
- .
- Леонард Эйлер [14] [25]
Как утверждает Эйлер, ∫ Mv d s - это интеграл количества движения от пройденного расстояния, который в современных обозначениях равен сокращенному или сокращенному действию
Таким образом, Эйлер сделал эквивалентное и (по-видимому) независимое утверждение вариационного принципа в том же году, что и Мопертюи, хотя и несколько позже. Любопытно, что Эйлер не претендовал на приоритет, как показывает следующий эпизод.
Спорный приоритет [ править ]
Приоритет Мопертюи был оспорен в 1751 году математиком Сэмюэлем Кенигом , который утверждал, что он был изобретен Готфридом Лейбницем в 1707 году. Хотя этот принцип похож на многие аргументы Лейбница, сам принцип не был задокументирован в трудах Лейбница. Сам Кениг показал копию письма 1707 года от Лейбница Якову Герману с принципом, но оригинал письма был утерян. В ходе судебного разбирательства Кениг был обвинен в подделке документов [15], и даже король Пруссии вступил в дебаты, защищая Мопертюи (главу его Академии), в то время как Вольтер защищал Кенига. [ необходима цитата ]
Эйлер, вместо того чтобы претендовать на приоритет, был стойким защитником Мопертюи, и сам Эйлер привлек к ответственности Кенига за подделку документов перед Берлинской академией 13 апреля 1752 года. [15] Заявления о подделке документов были пересмотрены 150 лет спустя, а архивные работы CI Герхардт в 1898 году [16] и В. Кабиц в 1913 году [17] обнаружили другие копии письма, а также три других, цитируемых Кенигом, в архивах Бернулли .
Дальнейшее развитие [ править ]
Эйлер продолжал писать на эту тему; в своей книге «Réflexions sur quelques loix générales de la nature» (1748) он назвал количество «усилием». Его выражение соответствует тому, что мы теперь назвали бы потенциальной энергией , так что его утверждение о наименьшем действии в статике эквивалентно принципу, согласно которому система тел в состоянии покоя примет конфигурацию, которая минимизирует общую потенциальную энергию.
Лагранж и Гамильтон [ править ]
Большая часть вариационного исчисления была сформулирована Жозефом-Луи Лагранжем в 1760 году [26] [27], и он применил его к задачам динамики. В « Mécanique analytique» (1788 г.) Лагранж вывел общие уравнения движения механического тела. [28] Уильям Роуэн Гамильтон в 1834 и 1835 годах [29] применил вариационный принцип к классической функции Лагранжа.
получить уравнения Эйлера – Лагранжа в их нынешнем виде.
Якоби и Морс [ править ]
В 1842 году Карл Густав Якоби занялся проблемой, всегда ли вариационный принцип находит минимум в отличие от других стационарных точек (максимумов или стационарных седловых точек ); большая часть его работ была сосредоточена на геодезических на двумерных поверхностях. [30] Первые четкие общие утверждения были сделаны Марстоном Морсом в 1920-х и 1930-х годах [31], что привело к тому, что сейчас известно как теория Морса . Например, Морс показал, что количество сопряженных точек на траектории равно количеству отрицательных собственных значений во второй вариации лагранжиана.
Гаусс и Герц [ править ]
Были сформулированы другие экстремальные принципы классической механики , такие как принцип наименьшего принуждения Гаусса и его следствие принцип наименьшей кривизны Герца .
Споры о возможных телеологических аспектах [ править ]
Математическая эквивалентность дифференциальных уравнений движения и их интегрального аналога имеет важные философские последствия. Дифференциальные уравнения - это утверждения о величинах, локализованных в одной точке пространства или одном моменте времени. Например, второй закон Ньютона
утверждает, что мгновенная сила F, приложенная к массе m, вызывает ускорение a в тот же момент . Напротив, принцип действия не ограничен определенной точкой; скорее, он включает интегралы по интервалу времени и (для полей) по расширенной области пространства. Более того, в обычной формулировке классических принципов действия начальное и конечное состояния системы фиксированы, например,
- Учитывая, что частица начинается в позиции x 1 в момент времени t 1 и заканчивается в позиции x 2 в момент времени t 2 , физическая траектория, которая соединяет эти две конечные точки, является экстремумом интеграла действия.
В частности, фиксация конечного состояния была интерпретирована как придающая принципу действия телеологический характер, который исторически был спорным. Однако, согласно В. Юрграу и С. Мандельштаму, телеологический подход ... предполагает, что сами вариационные принципы обладают математическими характеристиками, которыми они де-факто не обладают [32]. Кроме того, некоторые критики поддерживают эту очевидную телеологию.происходит из-за способа, которым был задан вопрос. Определяя некоторые, но не все аспекты как начальных, так и конечных условий (положения, но не скорости), мы делаем некоторые выводы о начальных условиях из конечных условий, и именно этот «обратный» вывод можно рассматривать как телеологическое объяснение. Телеологию также можно преодолеть, если рассматривать классическое описание как предельный случай квантового формализма интегрирования по путям, в котором стационарные траектории получаются в результате интерференции амплитуд по всем возможным траекториям. [1]
Рассказ « История твоей жизни » писателя-фантаста Теда Чанга содержит визуальные изображения Принципа Ферма, а также обсуждение его телеологического измерения. Книга Кита Девлина « Математический инстинкт» содержит главу «Элвис, валлийский корги, умеющий проводить вычисления», в которой обсуждаются вычисления, «встроенные» в некоторых животных, поскольку они решают проблему «наименьшего времени» в реальных ситуациях.
См. Также [ править ]
- Экшен (физика)
- Формулировка интеграла по траекториям
- Квантовый принцип действия Швингера
- Путь наименьшего сопротивления
- Аналитическая механика
- Вариационное исчисление
- Гамильтонова механика
- Лагранжева механика
- бритва Оккама
Примечания и ссылки [ править ]
- ^ a b c Глава 19 Тома II, Фейнман Р. , Лейтон Р. и Сэндс М. Лекции Фейнмана по физике . 3 тома 1964, 1966. Карточка каталога Библиотеки Конгресса № 63-20717. ISBN 0-201-02115-3 (набор из трех томов в мягкой обложке 1970 г.); ISBN 0-201-50064-7 (памятный трехтомник в твердом переплете 1989 г.); ISBN 0-8053-9045-6 (окончательное издание 2006 г. (2-е издание); твердый переплет)
- ^ Ричард Фейнман , Характер физического закона .
- ^ Дирак, Поль AM (1933). «Лагранжиан в квантовой механике» (PDF) . Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion . 3 (1): 64–72.
- ^ Р. Фейнман, Квантовая механика и интегралы по траекториям, McGraw-Hill (1965), ISBN 0070206503
- ^ JS Schwinger, Квантовая кинематика и динамика, WA Benjamin (1970), ISBN 0738203033
- ↑ Гарсия-Моралес, Владимир; Пеллисер, Хулио; Мансанарес, Хосе А. (2008). «Термодинамика, основанная на принципе наименее сокращенного действия: производство энтропии в сети связанных осцилляторов». Летопись физики . 323 (8): 1844–58. arXiv : cond-mat / 0602186 . Bibcode : 2008AnPhy.323.1844G . DOI : 10.1016 / j.aop.2008.04.007 . S2CID 118464686 .
- ^ http://www.scholarpedia.org/article/Principle_of_least_action
- ^ Фейнман, Ричард Филлипс (1942). «Принцип наименьшего действия в квантовой механике». Bibcode : 1942PhDT ......... 5F . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ «Принцип наименьшего действия - damtp» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 10.10.2015 . Проверено 18 июля 2016 .
- ^ Helzberger, Макс (1966). «Оптика от Евклида до Гюйгенса». Прикладная оптика . 5 (9): 1383–93. Bibcode : 1966ApOpt ... 5.1383H . DOI : 10,1364 / AO.5.001383 . PMID 20057555 .
В
катоптрике
сформулирован закон отражения, а именно, что входящие и исходящие лучи образуют один и тот же угол с нормалью к поверхности ".
- ^ Клайн, Моррис (1972). Математическая мысль от древних до наших дней . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. стр. 167 -68. ISBN 0-19-501496-0.
- ^ PLM de Maupertuis, Accord de différentes lois de la nature qui avaient jusqu'ici paru несовместимого. (1744) Mém. В качестве. Sc. Париж р. 417. ( перевод на английский )
- ↑ PLM de Maupertuis, Le lois de mouvement et du repos, déduites d'un principe de métaphysique. (1746) Mém. Ac. Берлин, стр. 267. ( перевод на английский )
- ^ а б Леонард Эйлер, Methodus Inveniendi Lineas Curvas Maximi Minive Proprietate Gaudentes. (1744) Буске, Лозанна и Женева. 320 страниц. Перепечатано в Леонхарди Эйлери Опера Омния: Серия I, том 24. (1952) К. Картеодори (редактор) Орелл Фуэссли, Цюрих. Отсканированная копия полного текста в архиве Эйлера , Дартмут.
- ^ a b c Дж. Дж. О'Коннор и Э. Ф. Робертсон, « Берлинская академия и подделка », (2003), в архиве истории математики MacTutor .
- ^ a b Герхард CI. (1898) "Uber die vier Briefe von Leibniz, die Samuel König in dem Appel au public, Leide MDCCLIII, veröffentlicht hat", Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften , I , 419–427.
- ^ Б Kabitz W. (1913) "Убер в Гота сделайте aufgefundene Abschrift де фон С. Кёниг в seinem Streite мит Маупертуис унд дер Akademie veröffentlichten, Seinerzeit für unecht erklärten Leibnizbriefes", Sitzungsberichte дер Königlich Preussischen Akademie дер Wissenschaften , II , 632- 638.
- ^ а б Р. Пенроуз (2007). Дорога в реальность . Винтажные книги. п. 474. ISBN 978-0-679-77631-4.
- ^ Энциклопедия физики (второе издание), Р. Лернер,Л. Триггу, издателей СКЗ, 1991, ISBN (Verlagsgesellschaft) 3-527-26954-1, ISBN (СКЗ Inc.) 0-89573-752-3
- ^ a b Аналитическая механика, LN Hand, JD Finch, Cambridge University Press, 2008, ISBN 978-0-521-57572-0
- ^ Гудман, Бернард (1993). «Действие» . В Паркер, SP (ред.). Энциклопедия физики Макгроу-Хилла (2-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. п. 22. ISBN 0-07-051400-3.
- ^ Stehle, Филип М. (1993). «Принцип наименьшего действия» . В Паркер, SP (ред.). Энциклопедия физики Макгроу-Хилла (2-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. п. 670. ISBN 0-07-051400-3.
- ^ Классическая механика, TWB Kibble, European Physics Series, McGraw-Hill (Великобритания), 1973, ISBN 0-07-084018-0
- ^ Крис Дэвис. Простая теория. Архивировано 15 июня 2006 г. в Wayback Machine (1998).
- ^ Эйлер, Additamentum II ( внешняя ссылка ), там же. ( Перевод на английский )
- ^ DJ Struik, изд. (1969). Справочник по математике, 1200–1800 . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. стр. 406–413
- ^ Клайн, Моррис (1972). Математическая мысль от древних до наших дней . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-501496-0. стр. 582-589
- ^ Лагранж, Жозеф-Луи (1788). Mécanique Analytique .п. 226
- ^ WR Гамильтон, "Об общем методе динамики", Философские труды Королевского общества, часть I (1834), стр.247-308 ; Часть II (1835 г.) стр. 95-144 . ( Из коллекции сэра Уильяма Роуэна Гамильтона (1805–1865): Математические статьи под редакцией Дэвида Р. Уилкинса, Школа математики, Тринити-колледж, Дублин 2, Ирландия. (2000); также рассматривается как Об общем методе в динамике )
- ^ GCJ Jacobi, Vorlesungen über Dynamik, gehalten an der Universität Königsberg im Wintersemester 1842–1843 . А. Клебш (редактор) (1866 г.); Реймер; Берлин. 290 страниц, доступны в Интернете, uvres completeètes, том 8. Архивировано 22ноября2007 г. в Wayback Machine в Gallica-Math. Архивировано 23ноября2008 г. в Wayback Machine из Gallica Bibliothèque nationale de France .
- ^ Марстон Морс (1934). «Вариационное исчисление в целом», Публикация 18 коллоквиума Американского математического общества ; Нью-Йорк.
- ^ Stöltzner, Майкл (1994). «Принципы действия и телеология». В Х. Атманспахере; GJ Dalenoort (ред.). Внутри и снаружи . Серия Спрингера в синергетике. 63 . Берлин: Springer. С. 33–62. DOI : 10.1007 / 978-3-642-48647-0_3 . ISBN 978-3-642-48649-4.
Внешние ссылки [ править ]
В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: Принципом наименьшего действия |
- Интерактивное объяснение принципа наименьшего действия
- Интерактивный апплет для построения траекторий по принципу наименьшего действия
- Георгиев, Георгий Йорданов (2012). «Количественная мера, механизм и аттрактор для самоорганизации в сетевых сложных системах». Самоорганизующиеся системы . Конспект лекций по информатике. 7166 . С. 90–5. DOI : 10.1007 / 978-3-642-28583-7_9 . ISBN 978-3-642-28582-0. S2CID 377417 .
- Георгиев, Георгий; Георгиев, Искрен (2002). «Наименьшее действие и метрика организованной системы». Открытые системы и информационная динамика . 9 (4): 371–380. arXiv : 1004.3518 . DOI : 10.1023 / а: 1021858318296 . S2CID 43644348 .
- Терехович, Владислав (2018). «Метафизика принципа наименьшего действия». Исследования по истории и философии науки Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 62 : 189–201. arXiv : 1511.03429 . Bibcode : 2018SHPMP..62..189T . DOI : 10.1016 / j.shpsb.2017.09.004 . S2CID 85528641 .
- Лекции Фейнмана по физике Vol. II гл. 19: Принцип наименьшего действия