Jump to content

Ограничение первого класса

(Перенаправлено из ограничений первого класса )

В физике ограничение первого класса — это динамическая величина в гамильтоновой системе со связями, скобка Пуассона которой вместе со всеми другими ограничениями обращается в нуль на поверхности ограничений в фазовом пространстве (поверхность, неявно определяемая одновременным исчезновением всех ограничений). нет Чтобы вычислить ограничение первого класса, предполагается, что ограничений второго класса или что они были рассчитаны ранее и сгенерированы их скобки Дирака . [1]

Ограничения первого и второго класса были введены Дираком ( 1950 , стр.136, 1964 , стр.17) как способ квантования механических систем, таких как калибровочные теории, в которых симплектическая форма вырождена. [2] [3]

Терминология ограничений первого и второго класса до степени смешения аналогична терминологии первичных и вторичных ограничений , что отражает способ их создания. Эти подразделения независимы: ограничения как первого, так и второго класса могут быть как первичными, так и вторичными, что в целом дает четыре разных класса ограничений.

Скобки Пуассона

[ редактировать ]

Рассмотрим многообразие Пуассона M с гладким гамильтонианом над ним (для теорий поля M было бы бесконечномерным).

Предположим, у нас есть некоторые ограничения

для n гладких функций

они будут определены только на диаграмме В целом . Предположим, что всюду на ограниченном множестве n производных n функций линейно независимы , а также что скобки Пуассона

и

все исчезают в ограниченном подпространстве.

Это означает, что мы можем написать

для некоторых гладких функций ---есть теорема, показывающая это; и

для некоторых гладких функций .

Это можно сделать глобально, используя раздел unity . Тогда мы говорим, что у нас есть неприводимое ограничение первого класса ( неприводимое здесь понимается в другом смысле, чем тот, который используется в теории представлений ).

Геометрическая теория

[ редактировать ]

Для более элегантного способа предположим, что дано векторное расслоение над , с -мерное волокно . Снабдим это векторное расслоение связностью . Предположим также, что у нас есть гладкое сечение f этого расслоения.

Тогда ковариантная производная f линейным по связности является гладким отображением из касательного расслоения к , который сохраняет базовую точку . Предположим, что это линейное отображение обратимо справа (т. е. существует линейное отображение такой, что тождественное отображение ) для всех слоев в нулях f . Тогда согласно теореме о неявной функции подпространство нулей f является подмногообразием .

Обычная скобка Пуассона определена только над , пространство гладких функций над M . Однако, используя связность, мы можем распространить ее на пространство гладких сечений f, работать с расслоением алгебр, слоями которого является градуированная алгебра V если -тензоров.

Предположим также, что под этой скобкой Пуассона (обратите внимание, что это неправда, что вообще для этой "расширенной скобки Пуассона" уже нет) и на подмногообразии нулей f (если эти скобки также всюду равны нулю, то мы говорим, что ограничения закрывают оболочку ). Оказывается, правильное условие обратимости и условия коммутативности потоков не зависят от выбора связи. Итак, мы можем разорвать соединение, если работаем исключительно с ограниченным подпространством.

Интуитивное значение

[ редактировать ]

Что все это означает интуитивно? Это означает, что гамильтониан и потоки ограничений коммутируют друг с другом в ограниченном подпространстве; или, альтернативно, если мы начнем с точки ограниченного подпространства, то гамильтониан и потоки ограничений перенесут эту точку в другую точку ограниченного подпространства.

Поскольку мы хотим ограничиться только ограниченным подпространством, это предполагает, что гамильтониан или любая другая физическая наблюдаемая должна определяться только в этом подпространстве. Эквивалентно, мы можем рассмотреть класс эквивалентности гладких функций над симплектическим многообразием, которые согласуются на ограниченном подпространстве ( факторалгебре по идеалу , порожденному f другими словами, ).

Загвоздка в том, что гамильтоновы потоки в ограниченном подпространстве зависят от градиента гамильтониана, а не от его значения. Но из этой ситуации есть простой выход.

Посмотрите на орбиты ограниченного подпространства под действием симплектических потоков, порождаемых f . Это дает локальное слоение подпространства, поскольку оно удовлетворяет условиям интегрируемости ( теорема Фробениуса ). Оказывается, если мы начнем с двух разных точек на одной и той же орбите в ограниченном подпространстве и будем развивать их обе под двумя разными гамильтонианами соответственно, которые согласуются в ограниченном подпространстве, то временная эволюция обеих точек под действием их соответствующих гамильтоновых потоков будет всегда лежат на одной и той же орбите в одинаковое время. Также оказывается, что у нас есть две гладкие функции A 1 и B 1 , которые постоянны на орбитах, по крайней мере, в ограниченном подпространстве (т.е. физических наблюдаемых) (т.е. {A 1 ,f}={B 1 ,f}=0 над ограниченное подпространство) и еще два A 2 и B 2 , которые также постоянны на орбитах, таких что A 1 и B 1 согласуются с A 2 и B 2 соответственно в ограниченном подпространстве, то их скобки Пуассона {A 1 , B 1 } и {A 2 , B 2 } также постоянны на орбитах и ​​согласуются в ограниченном подпространстве.

В общем, нельзя исключать « эргодические » потоки (что по сути означает, что орбита плотна в некотором открытом множестве) или «субергодические» потоки (орбита которых плотна в некотором подмногообразии размерности, большей, чем размерность орбиты). У нас не может быть самопересекающихся орбит.

Для большинства «практических» применений ограничений первого класса мы не видим таких сложностей: факторпространство ограниченного подпространства f-потоками (другими словами, пространство орбит) ведет себя достаточно хорошо, чтобы действовать как дифференцируемое многообразие. , которое можно превратить в симплектическое многообразие , проецируя на него симплектическую форму M (можно показать, что это корректно определено ). В свете упомянутых ранее наблюдений о физических наблюдаемых мы можем работать с этим более «физическим» симплектическим многообразием меньшего размера, но с на 2n меньшим количеством измерений.

В общем, с факторпространством немного сложно работать при выполнении конкретных вычислений (не говоря уже о нелокальности при работе с ограничениями диффеоморфизма ), поэтому вместо этого обычно делают нечто подобное. Обратите внимание, что ограниченное подмногообразие является расслоением (но не расслоением вообще) над фактормногообразием. Таким образом, вместо того, чтобы работать с фактормногообразием, мы можем работать с частью расслоения. Это называется фиксацией манометра .

Основная проблема заключается в том, что этот пакет может не иметь глобального раздела вообще «проблема» глобальных аномалий . Вот тут-то и возникает, например, . Глобальная аномалия отличается от неоднозначности Грибова , которая заключается в том, что, когда фиксация калибровки не позволяет однозначно зафиксировать калибровку, в глобальной аномалии не существует последовательного определения калибровочного поля. Глобальная аномалия является препятствием для определения квантовой калибровочной теории, открытой Виттеном в 1980 году.

То, что было описано, представляет собой неприводимые ограничения первого класса. Другая сложность заключается в том, что Δf может не быть обратимым справа на подпространствах ограниченного подмногообразия коразмерности 1 или больше (что нарушает более сильное предположение, сформулированное ранее в этой статье). Это происходит, например, в котетрады формулировке общей теории относительности в подпространстве конфигураций, где поле котетрады и форма связи оказываются равными нулю в некотором открытом подмножестве пространства. Здесь ограничения представляют собой ограничения диффеоморфизма.

Один из способов обойти это: для приводимых ограничений мы ослабляем условие правой обратимости ∆ f до следующего: любая гладкая функция, которая обращается в нуль в нулях f, представляет собой послойное сжатие f с (неединственным ) гладкий участок -векторный пучок, где векторное пространство, двойственное пространству ограничений V. векторному Это называется условием регулярности .

Гамильтонова динамика с ограничениями из лагранжевой калибровочной теории

[ редактировать ]

Прежде всего, мы предположим, что действие представляет собой интеграл локального лагранжиана , который зависит только с точностью до первой производной полей. Анализ более общих случаев хотя и возможен, но более сложен. Переходя к гамильтонову формализму, мы обнаруживаем наличие ограничений. Напомним, что в формализме действий существуют конфигурации в оболочке и вне оболочки . Ограничения, которые удерживают оболочку, называются первичными ограничениями, а те, которые удерживаются только оболочкой, называются вторичными ограничениями.

Рассмотрим динамику одиночной точечной частицы массы m без внутренних степеней свободы, движущейся в псевдоримановом пространственно-временном многообразии S с метрикой g . Предположим также, что параметр τ, описывающий траекторию частицы, произволен (т.е. мы настаиваем на репараметризационной инвариантности ). Тогда его симплектическим пространством является кокасательное расслоение T*S с канонической симплектической формой ω .

Если мы координируем T * S по его положению x в базовом многообразии S и по его положению в кокасательном пространстве p , то у нас есть ограничение

ж = м 2 - г ( Икс ) −1 ( п , п ) знак равно 0 .

Гамильтониан H , как ни удивительно, равен H = 0. В свете наблюдения, что гамильтониан определен только до класса эквивалентности гладких функций, согласующихся в ограниченном подпространстве, мы можем вместо этого использовать новый гамильтониан H '= f . Тогда мы имеем интересный случай, когда гамильтониан — это то же самое, что ограничение! см. в гамильтоновом ограничении Дополнительную информацию .

Рассмотрим теперь случай теории Янга–Миллса для вещественной простой алгебры Ли L отрицательно определенной формой Киллинга η ), минимально связанной с вещественным скалярным полем σ , которое преобразуется как ортогональное представление ρ с базовым векторным пространством V под действием L. в ( d − 1) + 1 пространстве-времени Минковского . Для l в L пишем

р(л)[с]

как

л[с]

для простоты. Пусть A — форма L -значная связности теории. Обратите внимание, что здесь A отличается от A, раз используемого физиками, в i и g . Это согласуется с соглашением математиков.

Действие S определяется выражением

где g — метрика Минковского, F форма кривизны

(no is s или g s!), где второй член является формальным сокращением для предположения, что скобка Ли является коммутатором, D — ковариантная производная

Dσ = dσ − A [σ]

и α — ортогональная форма для ρ .

Какова гамильтонова версия этой модели? Ну, во-первых, нам нужно нековариантно разделить A на временную составляющую φ и пространственную часть A . Затем полученное симплектическое пространство имеет сопряженные переменные σ , π σ (принимающие значения в базовом векторном пространстве , двойственное представление ρ ), A , π A , φ и π φ . Для каждой пространственной точки у нас есть ограничения π φ =0 и гауссово ограничение

где поскольку ρ переплетчик

,

ρ ' — дуализованный переплетчик

( L самодвойственна через η ). Гамильтониан,

Последние два члена представляют собой линейную комбинацию гауссовских ограничений, и мы имеем целое семейство (калибровочных эквивалентов) гамильтонианов, параметризованных f . Фактически, поскольку последние три члена для состояний со связями исчезают, мы можем от них отказаться.

Ограничения второго класса

[ редактировать ]

В гамильтоновой системе со связями динамическая величина является вторым классом , если ее скобка Пуассона хотя бы с одним ограничением не обращается в нуль. Ограничение, имеющее ненулевую скобку Пуассона хотя бы с одним другим ограничением, является ограничением второго класса .

см. в скобках Дирака Разнообразные иллюстрации .

Пример: частица, заключенная в сферу.

[ редактировать ]

Прежде чем перейти к общей теории, поэтапно рассмотрим конкретный пример, чтобы мотивировать общий анализ.

Начнём с действия, описывающего ньютоновскую частицу массы m, прикованную к сферической поверхности радиуса R внутри однородного гравитационного поля g . Когда кто-то работает с механикой Лагранжа, есть несколько способов реализовать ограничение: можно переключиться на обобщенные координаты, которые явно решают ограничение, или можно использовать множитель Лагранжа, сохраняя при этом избыточные координаты, ограниченные таким образом.

В этом случае частица ограничена сферой, поэтому естественным решением было бы использовать угловые координаты для описания положения частицы вместо декартовых и решить (автоматически устранить) ограничение таким способом (первый вариант). Вместо этого по педагогическим причинам рассмотрим задачу в (избыточных) декартовых координатах с множителем Лагранжа, обеспечивающим ограничение.

Действие дается

где последний член — это член множителя Лагранжа, обеспечивающий ограничение.

Конечно, как уже отмечалось, мы могли бы просто использовать другие, неизбыточные, сферические координаты и записать это как

вместо этого без дополнительных ограничений; но мы рассматриваем прежнюю координацию, чтобы проиллюстрировать ограничения.

Сопряженные импульсы имеют вид

, , , .

Обратите внимание, что мы не можем определить λ по импульсам.

Гамильтониан выражением определяется

.

На данном этапе мы пока не можем исключить λ . Здесь мы рассматриваем λ как сокращение функции симплектического пространства , которую нам еще предстоит определить, а не как независимую переменную. Для обеспечения единообразия обозначений определите u 1 = λ с этого момента . Приведенный выше гамильтониан с членом p λ является «наивным гамильтонианом». Обратите внимание: поскольку на оболочке ограничение должно выполняться, на оболочке нельзя отличить наивный гамильтониан от приведенного выше гамильтониана с неопределенным коэффициентом: λ = u 1 .

У нас есть основное ограничение

п λ =0 .

Из соображений непротиворечивости мы требуем, чтобы скобка Пуассона всех ограничений с гамильтонианом обращалась в нуль в ограниченном подпространстве. Другими словами, ограничения не должны меняться во времени, если они хотят быть тождественно равными нулю по уравнениям движения.

Из этого условия согласованности мы сразу получаем вторичное ограничение

Это ограничение следует добавить в гамильтониан с неопределенным (не обязательно постоянным) коэффициентом u2 , увеличивая гамильтониан до

Аналогично, из этого вторичного ограничения мы находим третичное ограничение

Опять же, следует добавить это ограничение в гамильтониан, поскольку на оболочке никто не сможет заметить разницу. Поэтому пока гамильтониан имеет вид

где u 1 , u 2 и u 3 еще полностью не определены.

Обратите внимание, что часто все ограничения, найденные из условий согласованности, называются вторичными ограничениями , а вторичные, третичные, четверичные и т. д. ограничения не различаются.

Мы продолжаем поворачивать рукоятку, требуя, чтобы это новое ограничение имело исчезающую скобку Пуассона.

Мы могли бы отчаяться и подумать, что этому нет конца, но поскольку появился один из новых множителей Лагранжа, это не новое ограничение, а условие, фиксирующее множитель Лагранжа:

Подстановка этого значения в наш гамильтониан дает нам (после небольшой алгебры)

Теперь, когда в гамильтониане появились новые члены, следует вернуться назад и проверить условия согласованности первичного и вторичного ограничений. Условие согласованности вторичного ограничения дает

Опять же, это не новое ограничение; это только определяет, что

На этом этапе больше нет ограничений или условий согласованности, которые нужно проверять !

Собрав все это вместе,

.

При нахождении уравнений движения следует использовать приведенный выше гамильтониан, и, если стараться никогда не использовать ограничения перед взятием производных в скобке Пуассона, можно получить правильные уравнения движения. То есть уравнения движения имеют вид

Прежде чем анализировать гамильтониан, рассмотрим три ограничения:

Обратите внимание на нетривиальную в скобках Пуассона структуру ограничений . В частности,

Вышеупомянутая скобка Пуассона не просто не исчезает вне оболочки, как можно было бы ожидать, но даже на оболочке она отлична от нуля . Следовательно, φ 2 и φ 3 являются ограничениями второго класса , а φ 1 — ограничениями первого класса. Обратите внимание, что эти ограничения удовлетворяют условию регулярности.

Здесь мы имеем симплектическое пространство, в котором скобка Пуассона не обладает «хорошими свойствами» на ограниченном подпространстве. Однако Дирак заметил, что мы можем превратить основное дифференциальное многообразие симплектического пространства в многообразие Пуассона , используя его одноименную модифицированную скобку, называемую скобкой Дирака , так что эта скобка Дирака любой (гладкой) функции с любым из ограничений второго класса всегда исчезает .

По сути, эти скобки (проиллюстрированные для этой сферической поверхности в статье о скобках Дирака ) проецируют систему обратно на поверхность ограничений.Если затем пожелать канонически проквантовать эту систему, то необходимо ввести канонические скобки Дирака: [4] а не канонические скобки Пуассона для коммутационных соотношений.

Изучение приведенного выше гамильтониана показывает, что происходит ряд интересных вещей. Следует отметить, что на оболочке, когда ограничения удовлетворены, расширенный гамильтониан идентичен наивному гамильтониану, как и требовалось. Также обратите внимание, что λ выпала из расширенного гамильтониана. Поскольку φ 1 является первичным ограничением первого класса, его следует интерпретировать как генератор калибровочного преобразования. Калибровочная свобода — это свобода выбора λ , которая перестала оказывать какое-либо влияние на динамику частицы. Следовательно, то, что λ выпало из гамильтониана, что u 1 не определено и что φ 1 = p λ является первым классом, все это тесно взаимосвязано.

Обратите внимание, что было бы более естественно не начинать с лагранжиана с множителем Лагранжа, а вместо этого взять r ² − R ² в качестве основного ограничения и продолжить формализм: результатом будет исключение посторонней динамической величины λ . Однако этот пример более поучителен в его нынешнем виде.

Пример: действие Прока

[ редактировать ]

Другой пример, который мы будем использовать, — это действие Proca . Поля и действие

где

и

.

и являются каноническими переменными . Ограничения второго класса:

и

.

Гамильтониан определяется выражением

.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Ингемар Бенгтссон, Стокгольмский университет. «Гамильтоновы системы с ограничениями» (PDF) . Стокгольмский университет . Проверено 29 мая 2018 г. Мы начинаем с лагранжиана L ( q, ̇ q ), выводим канонические импульсы, постулируем наивные скобки Пуассона и вычисляем гамильтониан. Для простоты предполагается, что ограничений второго класса не возникает, а если и возникают, то с ними уже разобрались и наивные скобки заменены скобками Дирака. Сохраняется ряд ограничений [...]
  2. ^ Дирак, Поль AM (1950), «Обобщенная гамильтонова динамика», Canadian Journal of Mathematics , 2 : 129–148, doi : 10.4153/CJM-1950-012-1 , ISSN   0008-414X , MR   0043724 , S2CID   119748805
  3. ^ Дирак, Поль AM (1964), Лекции по квантовой механике , Серия монографий Высшей школы естественных наук Белфера, том. 2, Высшая научная школа Белфера, Нью-Йорк, ISBN  9780486417134 , МР   2220894 . Полная перепечатка оригинала, Dover Publications, Нью-Йорк, 2001 г.
  4. ^ Корриган, Э.; Захос, СК (1979). «Нелокальные заряды для суперсимметричной σ-модели». Буквы по физике Б. 88 (3–4): 273. Бибкод : 1979PhLB...88..273C . дои : 10.1016/0370-2693(79)90465-9 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: eec1fc9fbd950400316374538006d28a__1708773240
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/ee/8a/eec1fc9fbd950400316374538006d28a.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
First class constraint - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)