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¿Si se conocen todas las cantidades conservadas de un sistema, se puede explicado por simetrías?

Si un sistema ha $N$ grados de libertad (DOF) y, por tanto, $N$ independiente de1cantidades conservadas de las integrales de movimiento, pueden continua simetrías con un total de $N$ parámetros que entregar estas cantidades conservadas por medio del teorema de Noether? Creo que esto no es exactamente el opuesto del teorema de Noether ya que no me pregunte si para cada conservado la cantidad de una simetría puede ser recuperada, de que me pregunte acerca de la conexión entre el conjunto de cantidades conservadas y simetrías.


1) o $2N-1$ o $N$, dependiendo de la definición y detalles que no son relevantes aquí. Pero permítanme ampliar a él de todos modos... considero que el número de DOFs igual al número de condiciones iniciales necesarios para describir completamente un sistema en la Mecánica Clásica. Eso significa que, velocidades (o momentos) se consideran individuales DOFs, y no que cada par de coordenadas + velocidad constituyen sólo uno DOF. El tiempo no DOF sin embargo, es un parámetro. Por favor, hablar de esto en esta pregunta si usted no está de acuerdo.

16voto

Stefano Puntos 763

Ya hay varias buenas respuestas. Sin embargo, el off-shell aspecto relacionado con el Teorema de Noether no ha sido abordado hasta el momento. (Las palabras en la cáscara y off-shell se refieren a si las ecuaciones de movimiento (e.o.m.) están satisfechos o no.) Permítanme reformular el problema como sigue.

Considere la posibilidad de una (no necesariamente aislado) Hamiltoniano del sistema con $N$ grados de libertad (d.o.f.). El espacio de fase ha $2N$ coordenadas, que denotamos $(z^1, \ldots, z^{2N})$.

(Vamos a tener nada que decir sobre el correspondiente problema de Lagrange.)

1) estructura Simpléctica. Generalmente, trabajamos en las coordenadas de Darboux $(q^1, \ldots, q^N; p_1, \ldots, p_N)$, con el simpléctica canónica potencial de un formulario

$$\vartheta=\sum_{i=1}^N p_i dq^i.$$

Sin embargo, resulta ser más eficiente en cálculos posteriores, si por el contrario nos desde el principio considere general coordina $(z^1, \ldots, z^{2N})$ y un general (definidos a nivel global) simpléctica potencial de un formulario

$$\vartheta=\sum_{I=1}^{2N} \vartheta_I(z;t) dz^I,$$

con los no-degenerado (=invertible) simpléctica de dos formas

$$\omega = \frac{1}{2}\sum_{I,J=1}^{2N} \omega_{IJ} \ dz^I \wedge dz^J = d\vartheta,\qquad\omega_{IJ} =\partial_{[I}\vartheta_{J]}=\partial_{I}\vartheta_{J}-\partial_{J}\vartheta_{I}. $$

La correspondiente corchete de Poisson es

$$\{f,g\} = \sum_{I,J=1}^{2N} (\partial_I f) \omega^{IJ} (\partial_J g), \qquad \sum_{J=1}^{2N} \omega_{IJ}\omega^{JK}= \delta_I^K. $$

2) la Acción. El Hamiltoniano de acción $S$ lee

$$ S[z]= \int dt\ L_H(z^1, \ldots, z^{2N};\dot{z}^1, \ldots, \dot{z}^{2N};t),$$

donde

$$ L_H(z;\dot{z};t)= \sum_{I=1}^{2N} \vartheta_I(z;t) \dot{z}^I- H(z;t) $$

es el Hamiltoniano de Lagrange. Por la variación infinitesimal $$\delta S = \int dt\sum_{I=1}^{2N}\delta z^I \left( \sum_{J=1}^{2N}\omega_{IJ} \dot{z}^J-\partial_I H - \partial_0\vartheta_I\right)+ \int dt \frac{d}{dt}\sum_{I=1}^{2N}\vartheta_I \delta z^I, \qquad \partial_0 \equiv\frac{\partial }{\partial t},$$

de la acción $S$, nos encontramos con el Hamilton e.o.m.

$$ \dot{z}^I \approx \sum_{J=1}^{2N}\omega^{IJ}\left(\partial_J H + \partial_0\vartheta_J\right) = \{z^I,H\} + \sum_{J=1}^{2N}\omega^{IJ}\partial_0\vartheta_J. $$

(Vamos a usar el $\approx$ signo de estrés que una ecuación es una en la cáscara de la ecuación.)

3) las Constantes de movimiento. La solución

$$z^I = Z^I(a^1, \ldots, a^{2N};t)$$

para el primer fin de Hamilton e.o.m. depende de a $2N$ constantes de integración $(a^1, \ldots, a^{2N})$. Suponiendo adecuadas condiciones de regularidad, en principio, es posible invertir localmente esta relación tal que las constantes de integración

$$a^I=A^I(z^1, \ldots, z^{2N};t)$$

se expresan en términos de la $(z^1, \ldots, z^{2N})$ variables y el tiempo de $t$. Estas funciones $A^I$ $2N$ constantes de movimiento (c.o.m.), es decir, constante en el tiempo $\frac{dA^I}{dt}\approx0$. Cualquier función de $B(A^1, \ldots, A^{2N})$ de la $A$'s, pero sin el expreso dependencia del tiempo, volverá a ser un c.o.m. En particular, se pueden expresar los valores iniciales $(z^1_0, \ldots, z^{2N}_0)$ tiempo $t=0$ funciones

$$Z^J_0(z;t)=Z^J(A^1(z;t), \ldots, A^{2N}(z;t); t=0)$$

de la $A$'s, por lo que el $Z^J_0$ convertirse c.o.m.

Ahora, vamos a

$$b^I=B^I(z^1, \ldots, z^{2N};t)$$

ser $2N$ c independiente.o.m., lo que hemos argumentado anteriormente debe existir. La pregunta es si existe el $2N$ off-shell simetrías de la acción $S$, de tal manera que la correspondiente Noether corrientes en el shell c.o.m.?

Observación. Cabe destacar que en la cáscara de simetría es un vacuo concepto, porque si hacemos variar la acción $\delta S$ y aplicar correo.o.m., a continuación, $\delta S\approx 0$ se desvanece por definición (modulo límite de términos), independiente de lo que la variación $\delta$ se compone de. Por esta razón, a menudo sólo nos acortar off-shell simetría en la simetría. Por otro lado, cuando se habla de c.o.m., siempre asumimos que e.o.m.

4) Cambio de coordenadas. Ya que la acción $S$ es invariante bajo cambios de coordenadas, podemos simplemente cambiar las coordenadas de $z\to b = B(z;t)$ $2N$ c.o.m., y el uso de la $b$'s como coordenadas (a la que nos acaba de llamar a $z$ a partir de ahora). Entonces el correo.o.m. en estas coordenadas son sólo

$$\frac{dz^I}{dt}\approx0,$$

así llegamos a la conclusión de que en estas coordenadas, tenemos

$$ \partial_J H + \partial_0 \vartheta_J=0$$

como un off-shell ecuación. [Un inciso: Esto implica que el simpléctica matriz$\omega_{IJ}$, que no depende explícitamente del tiempo,

$$\partial_0\omega_{IJ} =\partial_0\partial_{[I}\vartheta_{J]}=\partial_{[I} \partial_0\vartheta_{J]}=-\partial_{[I}\partial_{J]} H=0.$$

Por lo tanto la distribución de Poisson matriz$\{z^I,z^J\}=\omega^{IJ}$, que no depende explícitamente del tiempo. Por el Teorema de Darboux, podemos localmente encontrar las coordenadas de Darboux $(q^1, \ldots, q^N; p_1, \ldots, p_N)$, los cuales son también c.o.m.]

5) la Variación. Ahora podemos realizar una variación infinitesimal $\delta= \varepsilon\{z^{I_0}, \cdot \}$,

$$\delta z^J = \varepsilon\{z^{I_0}, z^J\}=\varepsilon \omega^{I_0 J},$$

con Hamiltonianos generador de $z^{I_0}$ donde $I_0\in\{1, \ldots, 2N\}$. Es sencillo comprobar que la variación infinitesimal $\delta= \varepsilon\{z^{I_0}, \cdot \}$ es un off-shell de simetría de la acción (modulo límite de términos)

$$\delta S = \varepsilon\int dt \frac{d f^0}{dt}, $$

donde

$$f^0 = z^{I_0}+ \sum_{J=1}^{2N}\omega^{I_0J}\vartheta_J.$$ El desnudo de Noether actual es

$$j^0 = \sum_{J=1}^{2N}\frac{\partial L_H}{\partial \dot{z}^J} \omega^{I_0 J}=\sum_{J=1}^{2N}\omega^{I_0J}\vartheta_J,$$

de modo que la plena Noether actual

$$ J^0=j^0-f^0=-z^{I_0} $$

se convierte en (menos) es el Hamiltoniano generador de $z^{I_0}$, que se conserva en la cáscara $\frac{dJ^0}{dt}\approx 0$, por definición.

Así que la respuesta es sí en el caso de Hamilton.

9voto

Philippe Gerber Puntos 181

Sí, esta es la opuesta a la del teorema de Noether. Así que vamos a llamar a nuestro conservado cantidad $A$ (vamos a considerar sólo una cantidad conservada para empezar) y comienzan con $\left \{H, A \right \} = 0$ ley para la conservación. Debido a la conexión entre corchete de Poisson con flujos en el espacio de fase esto explica que $\mathcal{L}_{V_H} A$ = 0 ($A$ se conserva en el tiempo de evolución) y $\mathcal{L}_{V_A} H = 0$ (Hamilton se conserva bajo la simetría que ha fundamentales campo $V_A$) mientras que los vectores de los campos asociados a las funciones en el espacio de fase en $V_X = ({\rm d} X)^{\sharp}$ son no degenerados en cierto sentido. Nota que la recaudación de $(\cdot)^{\sharp}$ operador se define obviamente utilizando la inversa de la forma simpléctica. Este por ejemplo, significa que por ejemplo genuino constantes (que ciertamente son también constantes de movimiento) no funcionarán debido a la ${\rm d} C = 0$ y obtenemos cero vector de campo.

Por otro lado, mientras todos los conservados en las cantidades son no degenerados que siempre se puede encontrar el asociado a la simetría de los flujos a través de la integración de los mencionados campos vectoriales. Pero tenga en cuenta que lo que recibimos en el final son simetrías del espacio de fase. Si estos también están directamente vinculados a algunas de simetría de la posición subyacente de espacio (si es que existe tal espacio, que es, en general no hay necesidad de ser uno, pero en aplicaciones habituales tomamos el espacio de fase de la posición del colector de $M$ como la cotangente del paquete de $T^*M$) es una pregunta para una mayor investigación. Voy a probar a mirar en ello más tarde, si puedo encontrar algo de tiempo.

5voto

Jake Wharton Puntos 160

Voy a empezar con algunas sutilezas terminológicas, que se deben tener en cuenta, cuando se trata de "conservar cantidades" o "las integrales de movimiento".

Primero que todo es importante para el estado en el que las variables de las cantidades de que se puede confiar. En el campo de las ecuaciones diferenciales, Hamiltoniana de la dinámica y de los sistemas dinámicos, una cantidad conservada, por definición, explícitamente no depende del tiempo, es generalmente una función, definida en un espacio (el colector), que describe el estado de su sistema (que se utiliza todos los grados de libertad como se ha definido).

Otra cosa a tener en cuenta, parece ser posible tener una función de una constante de movimiento, por lo tanto, llegar a otra cantidad que es constante, por lo tanto la producción de cualquier cantidad de las constantes de movimiento. Así que hay implícita una condición para la independencia funcional entre los $N$ constantes de movimiento. Que puede ser formulado como la desaparición de los corchetes de Poisson entre cualquier par de las cantidades. Aquí está la referencia al respecto en la Wikipedia, también le he pedido a una pregunta acerca de hace algún tiempo...

Así que creo que su implícito declaración:

Si un sistema tiene N grados de libertad (DOF) y por lo tanto N conservadas independiente de las cantidades

No es totalmente correcta, si se toma en cuenta lo que se dijo acerca de la noción de "conservar la cantidad".


Respecto a su pregunta sobre la búsqueda de la simetría de la transformación, que corresponde a la cantidad, he abordado el tema en esta pregunta.

Brevemente, es decir, dado un "generador" $\delta G$ y una cierta cantidad $A$. La pequeña transformación, generados por $\delta G$: $$A \to A+\delta A,\quad\quad \delta A = -\{\delta G, A\}$ $

Poner a $A = H$, y tomando nota de que, si $\delta G$ es una constante de movimiento, entonces la $\{\delta G, H\} = 0$. Enseguida se llega a la conclusión de que la transformación generada por $\delta G$ es la simetría de la transformación. (Algunos ejemplos se encuentran aquí.)

-1voto

David J. Sokol Puntos 1730

Querido Tobías, todo es mucho más simple: las ecuaciones son restricciones a la posible movimiento del sistema y que ellos mismos proporcionan cantidades conservadas. Usted puede llamar a estos ecuación "restricciones" o "simetría requisito", si te gusta, pero son condiciones necesarias y suficientes para haber conservado cantidades (=soluciones).

Consideremos una ODA: $F(\dot{x},x,t) = 0$ con algunos datos iniciales $x_0 (t_0)$. Después de resolver esta ecuación de obtener una solución que se puede convertir en una forma implícita como esto: $f(x(t), t, x_0)=0$. Por otro lado, esta implícito forma de solución es una ley de la conservación: una combinación del problema variable y el tiempo no depende del tiempo.

Ahora puedo diferenciar esta implícita la solución y obtener: $f'_x\cdot \dot{x} + \dot{f} = 0$. Es una expresión de la conservación de algo, ¿no? Por otro lado, debe coincidir o ser equivalente a la ecuación original $F=0$. Ahora entiendo que las ecuaciones son necesarias y suficientes requisitos de cantidades conservadas. Los últimos son, en gran medida, sinónimo de soluciones.

EDIT: no es necesario en ninguna simetría que han conservado las cantidades. Sólo ecuaciones. Simetrías simplificar el aspecto de cantidades conservadas (soluciones). Considere la posibilidad de una 1D movimiento de una partícula en un tiempo-dependiente de la fuerza externa. La energía y el impulso no se han conservado, pero todavía hay dos de la conservación "leyes".

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