• 運動常數

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    運動常數

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    力學中,運動常數是在整個運動過程中守恒的量,實際上對運動施加了約束。 然而,它是一種數學約束,是運動方程的自然結果,而不是物理約束(這需要額外的約束力)。 常見示例包括能量、線性動量、角動量和 Laplace–Runge–Lenz 矢量(用于反平方力定律)。

    應用

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    運動常數很有用,因為它們允許在不求解運動方程的情況下導出運動的屬性。 在幸運的情況下,甚至運動的軌跡也可以導出為對應于運動常數的等值面的交集。 例如,Poinsot 的構造表明,剛體的無扭矩旋轉是球體(總角動量守恒)和橢球體(能量守恒)的交點,否則可能難以導出軌跡 并可視化。 因此,確定運動常數是力學中的一個重要目標

    確定運動常數的方法

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    有幾種方法可以確定運動常數。

    • 最簡單但最不系統的方法是直覺(心理)推導,其中假設一個量是恒定的(可能是因為實驗數據),然后在數學上表明在整個運動過程中是守恒的。
    • Hamilton-Jacobi 方程提供了一種常用且直接的方法來確定運動常數,尤其是當 Hamiltonian 在正交坐標中采用可識別的函數形式時。
    • 另一種方法是識別守恒量對應于拉格朗日量的對稱性。 諾特定理提供了一種從對稱性中推導出這些量的系統方法。 例如,能量守恒源于拉格朗日量在時間原點偏移下的不變性,線性動量守恒源于拉格朗日量在空間原點偏移(平移對稱性)下的不變性以及角動量守恒源于 拉格朗日量在旋轉下的不變性。 反之亦然; 拉格朗日量的每個對稱性都對應一個運動常數,通常稱為守恒電荷或守恒電流。
    • 如果總時間導數為零,則量 A {\displaystyle A} 是運動常數

    另一個有用的結果是泊松定理,它指出如果兩個量 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 是運動常數,那么它們的泊松括號 { A , B } {\displaystyle \{A,B\}} 。

    具有 n 個自由度和 n 個運動常數的系統,使得任何一對運動常數的泊松括號消失,被稱為完全可積系統。 據說這樣一組運動常數相互對合。 對于封閉系統(拉格朗日不明確依賴于時間),系統的能量是運動常數(守恒量)。

    在量子力學中

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    如果可觀察量 Q 與哈密頓量 H 互換,并且它本身并不明確依賴于時間,則它是一個運動常數。

    哈密頓力學

    推導

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    假設有一些可觀察到的量 Q 取決于位置、動量和時間,

    對 Q 的期望值求時間導數需要使用乘積法則

    對于量子力學系統的任意狀態,如果 H 和 Q 交換

    但是如果 ψ {\displaystyle \psi } 是哈密頓量的特征函數

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    詞條目錄
    1. 運動常數
    2. 應用
    3. 確定運動常數的方法
    4. 在量子力學中
    5. 推導

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