Принцип наименьшего действия и динамические законы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Астраханский государственный университет»

Кафедра теоретической физики и методики преподавания физики

Реферат

Принцип наименьшего действия и динамические законы

Выполнила:

студентка группы ФИ11

Изтелеуова Г.Н.

Проверила:

доцент кафедры ТФиМПФ

Фисенко М.А.

Астрахань - 2017

Содержание

Введение

1. История

2. В классической механике

2.1 Примеры

3. В механике сплошных сред и классической теории поля

4. В квантовой механике

5. В квантовой теории поля

6. Дальнейшие обобщения

7. Детерминизм Лапласа

8. Динамические закономерности

9. Классическая механика Ньютона

10. Уравнения Максвелла

11. Уравнения теории относительности

Заключение

Литература

механика классический ньютон относительность

Введение

а) Примнцип наимемньшего демйствия Гамильтомна (также просто принцип Гамильтона), точнее примнцип стационамрности демйствия - способ получения уравнений движения физической системы при помощи поиска стационарного (часто - экстремального, обычно, в связи со сложившейся традицией определения знака действия, наименьшего) значения специального функционала - действия. Назван в честь Уильяма Гамильтона, использовавшего этот принцип для построения так называемого гамильтонова формализма в классической механике.

Принцип стационарности действия - наиболее важный среди семейства экстремальных принципов. Не все физические системы имеют уравнения движения, которые можно получить из этого принципа, однако все фундаментальные взаимодействия ему подчиняются, в связи с чем этот принцип является одним из ключевых положений современной физики. Получаемые с его помощью уравнения движения имеют название уравнений Эйлера - Лагранжа.

Первую формулировку принципа дал П. Мопертюи (P. Maupertuis) в 1744 году, сразу же указав на его универсальную природу, считая его приложимым к оптике и механике. Из данного принципа он вывел законы отражения и преломления света.

б)Современная физика изучает огромнейшее количество различных процессов в природе. Не все из них поддаются изучению и объяснению. Безусловно многое человеку еще не известно, а если известно то может быть не объяснено сейчас. Тем не менее наука идет вперед и общие (классические) концепции существования природы известны уже сейчас.

Процессы протекающие вокруг нас не всегда поддаются точному объяснению. Как раз на этом этапе перед человеком и встала проблема создания таких моделей и методов познания, которые бы смогли объяснить непознанное. Несомненно в решении этой нелегкой задачи главную роль сыграло не только физическое толкование и применение физики, а пришлось обращаться к математики, к прикладной математики и ряду других точных наук. Результат? Постепенное постижение истины.

Как уже говорилось ранее в этой работе речь пойдет о динамических законах, на которых сегодня и держится современная картина мира. Такое деление законов еще раз подтверждает что непознанное, не точно исчисляемое и объясняемое постепенно становится явью с помощью новых концепций. Появление статистических методов в познании, а также развитие теории вероятностей ѕ вот новое оружие современного ученого.

1. История

Принцип наименьшего действия был сначала сформулирован Мопертюи[1] в 1746 году и далее развивался (после 1748 года) математиками Эйлером, Лагранжем и Гамильтоном.

Мопертюи пришёл к этому принципу из ощущения, что совершенство Вселенной требует определенной экономии в природе и противоречит любым бесполезным расходам энергии. Естественное движение должно быть таким, чтобы сделать некоторую величину минимальной. Нужно было только найти эту величину, что он и продолжал делать. Она являлась произведением продолжительности (время) движения в пределах системы на удвоенную величину, которую мы теперь называем кинетической энергией системы.

Эйлер (в «Rйflexions sur quelques loix gйnйrales de la nature», 1748) принимает принцип наименьшего количества действия, называя его «усилием». Его выражение соответствует тому, что мы теперь назвали бы потенциальной энергией, так что его утверждение наименьшего количества действия в статике эквивалентно принципу, что система тел в покое примет конфигурацию, которая минимизирует полную потенциальную энергию.

2. В классической механике

Принцип наименьшего действия служит основой лагранжевой формулировки механики.

Необходимо вначале, на примере физической системы с одной[2] степенью свободы, напомнить, что действие, о котором идёт речь - это функционал, то есть правило, которое каждой функции q(t) сопоставляет некоторое число. Действие имеет вид:

где  есть лагранжиан системы, зависящий от обобщённой координаты q, её первой производной по времени , а также, возможно, и явным образом от времени t. Если система имеет большее число степеней свободы n, то лагранжиан зависит от большего числа обобщённых координат  и их первых производных по времени. Таким образом, действие является скалярным функционалом, зависящим от траектории тела.

То, что действие является скаляром, позволяет легко записать его в любых обобщенных координатах, главное только, чтобы положение (конфигурация) системы однозначно ими характеризовалось (например, вместо декартовых это могут быть полярные координаты, расстояния между точками системы, углы или их функции и т. д.).

Действие можно вычислить для совершенно произвольной траектории q(t), какой бы «дикой» и «неестественной» она бы ни была. Однако в классической механике среди всего набора возможных траекторий существует одна-единственная, по которой тело действительно пойдёт. Принцип стационарности действия как раз и даёт ответ на вопрос, как действительно будет двигаться тело:

Это значит, что если задан лагранжиан системы, то мы с помощью вариационного исчисления можем установить, как именно будет двигаться тело, сначала получив уравнения движения - уравнения Эйлера - Лагранжа, а затем решив их. Это позволяет не только серьезно обобщить формулировку механики, но и выбирать наиболее удобные координаты для каждой определенной задачи, не ограничиваясь декартовыми, что может быть очень полезно для получения наиболее простых и легко решаемых уравнений.

Аналогично гамильтонова механика получается из принципа наименьшего действия. Действие в этом случае наиболее естественно записать[3] как

где  - функция Гамильтона данной системы;  - (обобщенные) координаты,  - сопряженные им (обобщенные) импульсы, характеризующие вместе в каждый данный момент времени динамическое состояние системы и, являясь каждое функцией времени, характеризуя, таким образом, эволюцию (движение) системы. В этом случае для получения уравнений движения системы в форме канонических уравнений Гамильтона надо проварьировать записанное так действие независимо по всем qi и pi.

Необходимо заметить, что если из условий задачи принципиально можно найти закон движения, то это автоматически не означает, что можно построить функционал, принимающий стационарное значение при истинном движении. Примером может служить совместное движение электрических зарядов и монополей - магнитных зарядов - в электромагнитном поле. Их уравнения движения невозможно вывести из принципа стационарности действия. Аналогично некоторые гамильтоновы системы имеют уравнения движения, не выводимые из этого принципа.

2.1 Примеры

Тривиальные примеры помогают оценивать использование принципа действия через уравнения Эйлера-Лагранжа. Свободная частица (масса m и скорость v) в Евклидовом пространстве перемещается по прямой линии. Используя уравнения Эйлера-Лагранжа, это можно показать в полярных координатах следующим образом. В отсутствие потенциала функция Лагранжа просто равна кинетической энергии

в ортогональной системе координат (x,y).

В полярных координатах  кинетическая энергия, и следовательно, функция Лагранжа становится

Радиальная и угловая компонента уравнений становятся, соответственно:

Решение этих двух уравнений

ряд констант «a, b, c, d» задаётся начальными условиями. Таким образом, действительно, решение - это прямая линия, заданная в полярных координатах.

3. В механике сплошных сред и классической теории поля

Аналогично вводится понятие действия в механике сплошной среды и классической теории поля. В них действие включает в себя интеграл от лагранжевой плотности, зависящей от параметров среды (поля) в каждой точке пространства и их производных по пространственным координатам и времени. Получаемые варьированием действия уравнения движения становятся уравнениями в частных производных.

Принцип стационарности действия оказался одним из самых простых способов обеспечить релятивистскую инвариантность уравнений движения - для этого достаточно, чтобы лагранжева плотность была скаляром (инвариантом) при преобразованиях системы референции, например, преобразованиях Лоренца. Из-за этого роль принципа существенно возросла в релятивистской физике. В частности, теорема Нётер, определяющая сохраняющиеся величины при временной эволюции полевых систем, относится именно к лагранжевым системам.

Надо заметить, что применение принципа стационарности действия к теории калибровочных полей (например, к электродинамике) иногда сталкивается с некоторыми специфическими проблемами, впрочем, разрешимыми.

4. В квантовой механике

В квантовой механике уже никто не требует от частицы двигаться одним образом и не двигаться другим. Мы просто честно говорим то, что диктуется законами квантовой механики. А именно:

Здесь  - это условная запись бесконечнократного функционального интегрирования по всем траекториям x(t), а  - постоянная Планка. Подчеркнём, что в принципе действие в экспоненте появляется (или может появляться) само, при изучении оператора эволюции в квантовой механике, однако для систем, имеющих точный классический (неквантовый) аналог, оно в точности равно обычному классическому действию.

Математический анализ этого выражения в классическом пределе - при достаточно больших , то есть при очень быстрых осцилляциях мнимой экспоненты - показывает, что подавляющее большинство всевозможных траекторий в этом интеграле взаимосокращаются при этом в пределе (формально при ). Для почти любого пути найдется такой путь, на котором набег фазы будет в точности противоположным, и они в сумме дадут нулевой вклад. Не сокращаются лишь те траектории, для которых действие близко к экстремальному значению (для большинства систем - минимуму). Это - чисто математический факт из теории функций комплексного переменного; на нём, например, основан метод стационарной фазы.

В результате частица в полном согласии с законами квантовой механики движется одновременно по всем траекториям, но в обычных условиях в наблюдаемые значения дают вклад только траектории, близкие к стационарным (то есть классическим). Поскольку квантовая механика переходит в классическую в пределе больших энергий, то можно считать, что это - квантовомеханический вывод классического принципа стационарности действия.

Открытие формулировки квантования в терминах функциональных интегралов (часто также говорят: «интегралы по путям», «интегралы по траекториям» или «суммирование историй»), как и установление её связи с классическим пределом, принадлежит Ричарду Фейнману, творчески развившему идею Поля Дирака.

5. В квантовой теории поля

В квантовой теории поля принцип стационарности действия также успешно применяется. В лагранжеву плотность здесь входят операторы соответствующих квантовых полей. Хотя правильнее тут в сущности (за исключением классического предела и отчасти квазиклассики) говорить не о принципе стационарности действия, а о фейнмановском интегрировании по траекториям в конфигурационном или фазовом пространстве этих полей - с использованием упомянутой только что лагранжевой плотности.

6. Дальнейшие обобщения

Более широко, под действием понимают функционал, задающий отображение из конфигурационного пространства на множество вещественных чисел и, в общем, он не обязан быть интегралом, потому что нелокальные действия в принципе возможны, по крайней мере, теоретически. Более того, конфигурационное пространство не обязательно является функциональным пространством, потому что может иметь некоммутативную геометрию.

7. Детерминизм Лапласа

Причинное объяснение многих физических явлений, т. е. реальное воплощение зародившегося еще в древности принципа причинности в естествознании, привело в конце XVIII - начале XIX вв. к неизбежной абсолютизации классической механики. Возникло философское учение - механистический детерминизм, классическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749-1827), французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма - уверенность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость. Суть его можно понять из высказывания Лапласа:

Современные события имеют с событиями предшествующими связь, основанную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела... Воля, сколь угодно свободная, не может без определенного мотива породить действия, даже такие, которые считаются нейтральными... Мы должны рассматривать современное состояние Вселенной как результат ее предшествующего состояния и причину последующего. Разум, который для какого-нибудь данного момента знал бы все силы, действующие в природе, и относительное расположение ее составных частей, если бы он, кроме того, был достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения самых огромных тел во Вселенной и самого легкого атома; для него не было бы ничего неясного, и будущее, как и прошлое, было бы у него перед глазами... Кривая, описываемая молекулой воздуха или пара, управляется столь же строго и определенно, как и планетные орбиты: между ними лишь та разница, что налагается нашим неведением.

Дальнейшее развитие физики показало, что в природе могут происходить процессы, причину которых трудно определить. Например, процесс радиоактивного распада происходит случайно. Подобные процессы происходят объективно случайно, а не потому, что мы не можем указать их причину из-за недостатка наших знаний. И наука при этом не перестала развиваться, а обогатилась новыми законами, принципами и концепциями, которые показывают ограниченность классического принципа - лапласовского детерминизма. Абсолютно точное описание всего прошедшего и предсказание будущего для колоссального многообразия материальных объектов, явлений и процессов - задача сложная и лишенная объективной необходимости. Даже в самом простейшем случае классической механики из-за неустранимой неточности измерительных приборов точное предсказание состояния даже простого объекта - материальной точки - также нереально.

8. Динамические закономерности

Физические явления в механике, электромагнетизме и теории относительности в основном подчиняются, так называемым динамическим закономерностям. Динамические законы отражают однозначные причинно-следственные связи, подчиняющиеся детерминизму Лапласа.

Динамические законы - это законы Ньютона, уравнения Максвелла, уравнения теории относительности.

9. Классическая механика Ньютона

Основу механики Ньютона составляют закон инерции Галилея, два закона открытые Ньютоном, и закон Всемирного тяготения, открытый также Исааком Ньютоном.

1. Согласно сформулированному Галилеем закону инерции, тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выведет его из этого состояния.

2. Этот закон устанавливает связь между массой тела, силой и ускорением.

3. Устанавливает связь между силой действия и силой противодействия.

4. В качестве IV закона выступает закон всемирного тяготения.

Два любых тела притягиваются друг к другу с силой пропорциональной массе сил и обратно пропорциональной квадрату расстояния между центрами тел.

10. Уравнения Максвелла

Уравнения Максвелла - наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В учении об электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом - они образуют единое электромагнитное поле.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

11. Уравнения теории относительности

Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А.Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория часто называется релятивистской теорией , а специфические явления, описываемые этой теорией - релятивистским эффектом (эффект замедления времени).

В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т. е. явления механические, электродинамические, оптические и др. во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Согласно второму постулату, постоянство скорости света в вакууме - фундаментальное свойство природы.

Общая теория относительности , называемая иногда теорией тяготения - результат развития специальной теории относительности. Из нее вытекает, что свойства пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времени может изменятся от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения.

Заключение

В заключении нужно сказать, что из выше сказанного и описанного все законы и принципы применяются сейчас в современной физике, космологии, а также в развивающемся сейчас естествознании и в ряде других наук, изучающих природу в целом.

Литература

Вариационные принципы механики. Сб. статей классиков науки. Под редакцией Полака Л.С. М.: Физматгиз. 1959. - lib.prometey.org/?id=15021

Ланцош К. Вариационные принципы механики. - book.plib.ru/download/15396.html - М.: Физматгиз. 1965.

Бердичевский В. Л. Вариационные принципы механики сплошной среды. М.: Наука, 1983. - 448 с.

Веретенников В. Г., Синицын В. А. Метод переменного действия. 2-ое издание. М.: Физматлит, 2005. - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/VeretennikovSinicyn2005ru.djvu

Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Механика. - Издание 4-е, исправленное. - М.: Наука, 1988. - 215 с. - («Теоретическая физика», том I). - ISBN 5-02-013850-9

Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. - Издание 7-е, исправленное. - М.: Наука, 1988. - 512 с. - («Теоретическая физика», том II). - ISBN 5-02-014420-7

Ланцош К. Вариационные принципы механики. М.: Физматгиз. 1965. - 408 с. - book.plib.ru/download/15396.html

Полак Л. С. «В. Р. Гамильтон и принцип стационарности действия» Изд-во АН СССР, 1936. - 272 с.

Гантмахер Ф. Р. Лекции по аналитической механике. - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Gantmaxer1966ru.djvu - 2-е издание. - М.: Наука, 1966.

Добронравов В. В. Основы аналитической механики. - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Dobronravov1976ru.djvu - М.: Высшая школа, 1976.

Лич Дж. У. Классическая механика. - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Lich1961ru.djvu - М.: Иностр. литература, 1961.

Павленко Ю. Г. Лекции по теоретической механике. - www.alleng.ru/d/phys/phys99.htm - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 392с.

Парс Л. А. Аналитическая динамика. - eqworld.ipmnet.ru/ru/library/books/Pars1971ru.djvu - М.: Наука, 1971.

Фейнман Р., Хибс А. Квантовая механика и интегралы по траекториям. Пер с англ. - М.: Мир, 1968. 384 с.

Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Том 6: Электродинамика. Перевод с английского (издание 3). - Эдиториал УРСС. - ISBN 5-354-00704-6 - глава 19: Принцип наименьшего действия. (Это простое введение).

 Е.В. Ергопуло, Лекции по КСЕ.

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: 1997

Физическая энциклопедия.

Р. Фейнман. Характер физических законов.

Размещено на Allbest.ru