Să luăm în considerare o particulă „punctuală” în spațiu. „Punctuală” înseamnă că particula este atât de mică încât putem neglija structura sa și ne putem imagina că este concentrată într-un singur punct. (În funcție de scările luate în considerare, o planetă ar putea fi și ea „punctuală”.) În fizica clasică, „starea” unei astfel de particule este specificată prin șase numere: poziția sa x = (x1, x2, x3) și viteza v = (v1, v2, v3). Mai precis, acesta este un punct dintr-un fascicul tangent TM, unde x ∈ M, varietatea punctelor din spațiu, iar v este un vector tangent la x. De obicei M = R3, dar se poate considera mecanica clasică și pe alte varietăți – și acest lucru este util, de exemplu, pentru a descrie corpurile în rotație. Varietatea M este de obicei numită spațiul de configurație al sistemului.
A doua lege a lui Newton afirmă că particula se mișcă conform ecuației
v = dx/dt și F = m dx/dt (1.1)
unde t este timpul, m este masa particulei, iar F este forța asupra particulei la momentul t. Mai detaliat, avem un sistem de ecuații diferențiale cuplate
dx(t)/dt = v(t) și m dv(t)/dt = F(x(t), v(t), t), (1.2)
unde ne-am imaginat că forța ar putea depinde instantaneu de poziția și viteza particulei și s-ar putea schimba explicit în timp.
Situația tipică este de a considera o forță care este o funcție doar de poziția particulei (deși forțele dependente de viteză sunt utilizate pentru a oferi o descriere fenomenologică a frecării) și este, de asemenea, conservativă, ceea ce înseamnă că
F(x) = − ∂V/∂x (x) (1.3)
unde V este o funcție pe spațiul de configurație, numită potențial (sau energie potențială) și ∂V/∂x = (∂V/∂x1, ∂V/∂x2, ∂V/∂x3). Când aceasta este valabilă, ecuațiile mișcării se citesc
dx/dt = v și m dv/dt = − ∂V/∂x.
Se introduce o nouă variabilă p = mv, impulsul, și se scriu ecuațiile după cum urmează
dx/dt = p/m și dp/dt = − ∂V/∂x,
care pot fi exprimate după cum urmează
dx/dt = ∂H/∂p și dp/dt = − ∂H/∂x,
unde H(x,p) = 1/2m p2 + V(x) . Semnul minus din (1.3) este acolo pentru a produce un semn pozitiv aici, astfel încât H este pozitiv dacă V este pozitiv.
Toate cele de mai sus pot fi generalizate la următoarea situație. Se consideră o varietate Riemanniană M (de obicei M = R3n) și o funcție H definită pe fasciculul cotangent, numită Hamiltonian. În coordonate H = H(q1,…, qm; p1,…, pm) unde (q1,…, qm) sunt coordonatele pentru un punct din spațiul M și (p1,…, pm) este un co-vector la (q1,…, qm). Fasciculul cotangent T*M (de obicei doar R3n x R3n) se numește spațiu de fază. Ecuațiile de mișcare
dqi/dt = ∂H/∂pi și pi/dt = − ∂H/∂qi
se numesc ecuațiile Hamilton și descriu o clasă largă de sisteme fizice. Se verifică cu ușurință că de-a lungul traiectoriei unui astfel de sistem avem
dH/dt = Σi=1m ∂H/∂qi dqi/dt + ∂H/∂pi dpi/dt = 0.
Acesta este principiul conservării energiei, unde identificăm funcția hamiltoniană într-un punct din spațiul de fază ca fiind energia totală a sistemului cu acea configurație.
Într-un exemplu tipic avem n puncte în R3 cu hamiltonianul
H = Σi=1n p2i/2mi + Σi<jn Vij(xi − xj) + Σi=1n Vi(xi)
unde
- Vij este energia potențială de interacțiune dintre particulele i și j și
- Vi este un potențial extern care acționează asupra particulei i.
Acest sistem ar putea fi folosit, de exemplu, pentru a descrie mișcarea planetelor și a lunilor lor în sistemul solar. Dacă se face aproximarea că soarele este un punct fix, atunci acesta creează un „potențial extern” care afectează toate planetele și sateliții.
Sursa: Jeffrey Schenker, Quantum Information Theory – Lecture Notes for Math 992 Spring 2022. Licența CC BY-NC 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu
Descoperă mai multe la MultiMedia
Abonează-te ca să primești ultimele articole prin email.



Petre Marius
Transpunerea materiei vizibile in materie invizibila prin ecuati hamiltoniene in spatiu Gilbert