Interested Article - Вектор Лапласа — Рунге — Ленца

В этой статье векторы выделены жирным шрифтом, а их абсолютные величины — курсивом, например, .

В классической механике ве́ктором Лапла́са — Ру́нге — Ле́нца называется вектор, в основном используемый для описания формы и ориентации орбиты, по которой одно небесное тело обращается вокруг другого (например, орбиты, по которой планета вращается вокруг звезды). В случае с двумя телами, взаимодействие которых описывается законом всемирного тяготения Ньютона , вектор Лапласа — Рунге — Ленца представляет собой интеграл движения , то есть его направление и величина являются постоянными независимо от того, в какой точке орбиты они вычисляются ; говорят, что вектор Лапласа — Рунге — Ленца сохраняется при гравитационном взаимодействии двух тел. Это утверждение можно обобщить для любой задачи с двумя телами, взаимодействующими посредством центральной силы , которая изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Такая задача называется Кеплеровой задачей .

Например, такой потенциал возникает при рассмотрении классических орбит (без учёта квантования) в задаче о движении отрицательно заряженного электрона, движущегося в электрическом поле положительно заряженного ядра. Если вектор Лапласа — Рунге — Ленца задан, то форма их относительного движения может быть получена из простых геометрических соображений, с использованием законов сохранения этого вектора и энергии.

Согласно принципу соответствия у вектора Лапласа — Рунге — Ленца имеется квантовый аналог, который был использован в первом выводе спектра атома водорода , ещё перед открытием уравнения Шрёдингера .

В задаче Кеплера имеется необычная особенность: конец вектора импульса всегда движется по кругу . Из-за расположения этих кругов для заданной полной энергии проблема Кеплера математически эквивалентна частице, свободно перемещающейся в четырёхмерной сфере . По этой математической аналогии сохраняющийся вектор Лапласа — Рунге — Ленца эквивалентен дополнительным компонентам углового момента в четырёхмерном пространстве .

Вектор Лапласа — Рунге — Ленца также известен как вектор Лапласа , вектор Рунге — Ленца и вектор Ленца , хотя ни один из этих учёных не вывел его впервые. Вектор Лапласа — Рунге — Ленца открывался вновь несколько раз . Он также эквивалентен безразмерному вектору эксцентриситета в небесной механике . Точно так же для него нет никакого общепринятого обозначения, хотя обычно используется . Для различных обобщений вектора Лапласа — Рунге — Ленца, которые определены ниже, используется символ .

Контекст

Одиночная частица, движущаяся под воздействием любой консервативной центральной силы , имеет по крайней мере четыре интеграла движения (сохраняющиеся при движении величины): полная энергия и три компоненты углового момента (вектора ). Орбита частицы лежит в плоскости, которая определяется начальным импульсом частицы, (или, что эквивалентно, скоростью ) и координатами, то есть радиус-вектором между центром силы и частицей (см. рис. 1). Эта плоскость перпендикулярна постоянному вектору , что может быть выражено математически с помощью скалярного произведения .

Как определено , вектор Лапласа — Рунге — Ленца всегда находится в плоскости движения, то есть для любой центральной силы. Также является постоянным только для силы, зависящей обратно пропорционально квадрату расстояния . Если центральная сила приблизительно зависит от обратного квадрата расстояния, вектор является приблизительно постоянным по длине, но медленно вращается. Для большинства центральных сил, однако, не постоянный, а изменяет длину и направление. Обобщённый сохраняющийся вектор Лапласа — Рунге — Ленца для всех центральных сил, но этот вектор — сложная функция положения и обычно не выражается аналитически в элементарных или специальных функциях .

История

Вектор Лапласа — Рунге — Ленца является сохраняющейся величиной в задаче Кеплера и полезен при описании астрономических орбит , наподобие движения планеты вокруг Солнца. Однако он никогда не был широко известен среди физиков, возможно, потому что является менее интуитивно понятным вектором, чем импульс и угловой момент . Вектор Лапласа — Рунге — Ленца независимо открывали несколько раз за прошедшие три столетия . Якоб Герман был первым, кто показал, что сохраняется для специального случая центральной силы, зависящей обратно пропорционально квадрату расстояния , и нашёл его связь с эксцентриситетом эллиптической орбиты. Работа Германа была обобщена до её современной формы Иоганном Бернулли в 1710 году . В свою очередь, Пьер-Симон Лаплас в конце XVIII столетия открыл сохранение вновь, доказав это аналитически, а не геометрически, как его предшественники .

В середине XIX века Уильям Гамильтон получил эквивалент вектора эксцентриситета, определённый , использовав его, чтобы показать, что конец вектора импульса двигается по кругу под действием центральной силы, зависящей обратно пропорционально квадрату расстояния (рис. 3) . В начале XX столетия Уиллард Гиббс получил тот же самый вектор с помощью векторного анализа . Вывод Гиббса использовал Карл Рунге в популярном немецком учебнике по векторам в качестве примера , на который ссылался в своей статье о квантовомеханическом (старом) рассмотрении атома водорода .

В 1926 году этот вектор использовал Вольфганг Паули , чтобы вывести спектр атома водорода, используя современную матричную квантовую механику , а не уравнение Шрёдингера . После публикации Паули вектор стал, главным образом, известен как вектор Рунге — Ленца .

Математическое определение

Рис. 1: Вектор Лапласа — Рунге — Ленца (показанный красным цветом) в четырёх точках (обозначенных 1, 2, 3 и 4) на эллиптической орбите связанной точечной частицы, движущейся под действием центральной силы , зависящей обратно пропорционально квадрату расстояния. Маленький чёрный круг обозначает центр притяжения. От него начинаются радиус-векторы (выделены чёрным цветом), направленные в точки 1, 2, 3 и 4. Вектор углового момента направлен перпендикулярно орбите. Компланарные векторы , и изображены синим, зелёным и красным цветами, соответственно; эти переменные определены . Вектор является постоянным по направлению и величине

Для одиночной частицы, движущейся под действием центральной силы , зависящей обратно пропорционально квадрату расстояния и описываемой уравнением , вектор Лапласа — Рунге — Ленца определён математически по формуле

где

масса точечной частицы, движущейся под воздействием центральной силы,
— вектор импульса ,
— вектор углового момента ,
— параметр, описывающий величину центральной силы,
— единичный вектор, то есть , где — радиус-вектор положения частицы, и — его длина.

Поскольку мы предположили, что сила консервативная , то полная энергия сохраняется

Из центральности силы следует, что вектор углового момента также сохраняется и определяет плоскость, в которой частица совершает движение. Вектор Лапласа — Рунге — Ленца перпендикулярен вектору углового момента и, таким образом, находится в плоскости орбиты . Уравнение верно, потому что вектора и перпендикулярны .

Это определение вектора Лапласа — Рунге — Ленца применимо для единственной точечной частицы с массой , движущейся в стационарном (не зависящем от времени) потенциале. Кроме того, то же самое определение может быть расширено на проблему с двумя телами, наподобие проблемы Кеплера, если заменить на приведённую массу этих двух тел и на вектор между этими телами.

Круговой годограф импульса

Рис. 2: Конец вектора импульса (показанный синим цветом) двигается по кругу, когда частица совершает движение по эллипсу. Четыре помеченные точки соответствуют точкам на рис. 1. Центр круга находится на оси в точке (показан пурпурным), с радиусом (показан зелёным). Угол определяет эксцентриситет эллиптической орбиты ( ). Из теоремы о вписанном угле для круга следует, что является также углом между любой точкой на окружности и двумя точками пересечения окружности с осью ,

Сохранение вектора Лапласа — Рунге — Ленца и вектора углового момента используется в доказательстве того, что вектор импульса движется по кругу под действием центральной силы, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Вычисляя векторное произведение и , приходим к уравнению для

Направляя вектор вдоль оси , а главную полуось — по оси , приходим к уравнению

Другими словами, вектор импульса ограничен окружностью радиуса , центр которой расположен в точке с координатами . Эксцентриситет соответствует косинусу угла , показанного на рис. 2. Для краткости можно ввести переменную . Круговой годограф полезен для описания симметрии проблемы Кеплера.

Интегралы движения и суперинтегрируемость

Семь скалярных величин: энергия и компоненты векторов Лапласа — Рунге — Ленца и момента импульса — связаны двумя соотношениями. Для векторов выполняется условие ортогональности , а энергия входит в выражение для квадрата длины вектора Лапласа — Рунге — Ленца, полученного выше . Тогда существует пять независимых сохраняющихся величин, или интегралов движения . Это совместимо с шестью начальными условиями (начальное положение частицы и её скорость являются векторами с тремя компонентами), которые определяют орбиту частицы, так как начальное время не определено интегралами движения. Поскольку величину (и эксцентриситет орбиты) можно определить из полного углового момента и энергии , то утверждается, что только направление сохраняется независимо. Кроме того, вектор должен быть перпендикулярным — это приводит к одной дополнительной сохраняющейся величине.

Механическая система с степенями свободы может обладать максимум интегралами движения, поскольку имеется начальных условий, а начальное время не может быть определено из интегралов движения. Система с более чем интегралами движения называется суперинтегрируемой , а система с интегралами называется максимально суперинтегрируемой . Поскольку решение уравнения Гамильтона — Якоби в одной системе координат может привести только к интегралам движения, то переменные должны разделяться для суперинтегрируемых систем в больше чем одной системе координат . Проблема Кеплера максимально суперинтегрируема, так как она имеет три степени свободы ( ) и пять независимых интегралов движения; переменные в уравнении Гамильтона — Якоби разделяются в сферических координатах и параболических координатах , как описано . Максимально суперинтегрируемые системы могут быть квантованы с использованием только коммутационных соотношений , как показано .

Уравнение Гамильтона — Якоби в параболических координатах

Постоянство вектора Лапласа — Рунге — Ленца можно вывести, используя уравнение Гамильтона — Якоби в параболических координатах , которые определяются следующим образом

где — радиус в плоскости орбиты. Обратное преобразование этих координат запишется в виде

Разделение переменных в уравнении Гамильтона — Якоби в этих координатах даёт два эквивалентных уравнения

где интеграл движения . Посредством вычитания этих уравнений и выражения в терминах декартовых координат импульса и можно показать, что эквивалентен вектору Лапласа — Рунге — Ленца

Этот подход Гамильтона — Якоби может использоваться, чтобы вывести сохраняющийся обобщённый вектор Лапласа — Рунге — Ленца в присутствии электрического поля

где заряд обращающейся частицы.

Альтернативная формулировка

В отличие от импульса и углового момента , у вектора Лапласа — Рунге — Ленца нет общепринятого определения. В научной литературе используются несколько различных множителей и символов. Самое общее определение даётся , но другое определение возникает после деления на постоянную , чтобы получить безразмерный сохраняющийся вектор эксцентриситета

где — вектор скорости. Направление этого масштабированного вектора совпадает с направлением , и его амплитуда равна эксцентриситету орбиты. Мы получим другие определения, если поделить на :

или на :

который имеет ту же размерность, что и угловой момент (вектор ). В редких случаях знак вектора Лапласа — Рунге — Ленца может быть изменён на противоположный. Другие общие символы для вектора Лапласа — Рунге — Ленца включают , , , и . Однако выбор множителя и символа для вектора Лапласа — Рунге — Ленца, конечно же, не влияет на его сохранение.

Рис. 3: Вектор углового момента , вектор Лапласа — Рунге — Ленца и вектор Гамильтона, бинормаль , являются взаимно перпендикулярными; и указывают соответственно на большую и на малую полуоси эллиптической орбиты в задаче Кеплера

Альтернативный сохраняющийся вектор: бинормаль — вектор изучен Уильямом Гамильтоном

который сохраняется и указывает вдоль малой полуоси эллипса. Вектор Лапласа — Рунге — Ленца является векторным произведением и (рис. 3). Вектор обозначен как бинормаль , так как он перпендикулярен как , так и . Подобно вектору Лапласа — Рунге — Ленца, вектор бинормали можно определить с различными множителями.

Два сохраняющиеся вектора и можно объединить в сохраняющийся двухэлементный тензор

где обозначает тензорное произведение , а и — произвольные множители . Записанное в компонентной записи, это уравнение читается так

Векторы и ортогональны друг другу, и их можно представить как главные оси сохраняющегося тензора , то есть как его собственные вектора . перпендикулярен :

поскольку и перпендикулярны, то .

Вывод орбит Кеплера

Рис. 4: Упрощённая версия рис. 1. Определяется угол между и в одной точке орбиты.

Форму и ориентацию орбиты в задаче Кеплера , зная вектор Лапласа — Рунге — Ленца , можно определить следующим образом. Рассмотрим скалярное произведение векторов и (положения планеты):

где является углом между и (рис. 4). Поменяем порядок множителей в смешанном произведении , и при помощи несложных преобразований получим определение для конического сечения :

с эксцентриситетом , заданным по формуле:

Приходим к выражению квадрата модуля вектора в виде

которое можно переписать, используя эксцентриситет орбиты

Таким образом, если энергия отрицательна, что соответствует связанным орбитам, эксцентриситет меньше, чем единица, и орбита имеет форму эллипса . Наоборот, если энергия положительна (несвязанные орбиты, также называемые орбитами рассеяния ), эксцентриситет больше, чем единица, и орбита — гипербола . Наконец, если энергия точно равна нулю, эксцентриситет — единица, и орбита — парабола . Во всех случаях вектор направлен вдоль оси симметрии конического сечения и указывает на точку самого близкого положения точечной частицы от начала координат ( перицентр ).

Сохранение под действием силы, обратно пропорциональной квадрату расстояния

Сила , действующая на частицу, предполагается центральной . Поэтому

для некоторой функции радиуса . Поскольку угловой момент сохраняется под действием центральных сил, то и

где импульс записан в виде , и двойное векторное произведение упростилось с помощью формулы Лагранжа

Тождество

приводит к уравнению

Для специального случая центральной силы, зависящей обратно пропорциональной квадрату расстояния , последнее выражение равно

Тогда сохраняется в этом случае

Как показано , вектор Лапласа — Рунге — Ленца является частным случаем обобщённого сохраняющегося вектора , который может быть определён для любой центральной силы . Однако большинство центральных сил не формируют замкнутых орбит (см. теорема Бертрана ), аналогичный вектор редко имеет простое определение и в общем случае представляет собой многозначную функцию угла между и .

Изменение под действием возмущающих центральных сил

Рис. 5: Медленно прецессирующая эллиптическая орбита, с эксцентриситетом . Такая прецессия возникает в проблеме Кеплера, если притягивающая центральная сила немного отличается от закона тяготения Ньютона. Скорость прецессии можно вычислить, используя приведённые в параграфе формулы.

Во многих практических проблемах, типа планетарного движения, взаимодействие между двумя телами только приблизительно зависит обратно пропорционально квадрату расстояния. В таких случаях вектор Лапласа — Рунге — Ленца не постоянен. Однако, если возмущающий потенциал зависит только от расстояния, то полная энергия и вектор углового момента сохраняются. Поэтому траектория движения всё ещё находится в перпендикулярной к плоскости, и величина сохраняется, согласно уравнению . Следовательно, направление медленно вращается по орбите в плоскости. Используя каноническую теорию возмущений и координаты действие-угол , можно прямо показать , что вращается со скоростью

где — период орбитального движения и равенство использовалось, чтобы преобразовать интеграл по времени в интеграл по углу (рис. 5). Например, принимая во внимание эффекты общей теории относительности , приходим к добавке, которая в отличие от обычной гравитационной силы Ньютона зависит обратно пропорционально кубу расстояния :

Подставляя эту функцию в интеграл и используя уравнение

чтобы выразить в терминах , скорость прецессии перицентра , вызванная этим возмущением, запишется в виде

которая близка по значению к величине прецессии для Меркурия необъяснённой ньютоновской теорией гравитации . Это выражение используется для оценки прецессии, связанной с поправками общей теории относительности для двойных пульсаров . Это согласие с экспериментом является сильным аргументом в пользу общей теории относительности .

Теория групп

Теорема Нётер

Теорема Нётер утверждает, что инфинитезимальная вариация обобщённых координат физической системы

вызывает изменение функции Лагранжа в первом порядке на величину полной производной по времени

что соответствует сохранению величины

Эта компонента вектора Лапласа — Рунге — Ленца соответствует вариации координат

где равняется 1, 2 и 3, а и -е компоненты векторов положения и скорости , соответственно. Функция Лагранжа данной системы

Получающееся изменение в первом порядке малости для функции Лагранжа запишется как

Это приводит к сохранению компоненты

Преобразование Ли

Рис. 6: Преобразование Ли, из которого выводится сохранение вектора Лапласа — Рунге — Ленца . Когда масштабируемый параметр изменяется, энергия и угловой момент тоже меняются, но эксцентриситет и вектор не изменяются.

Существует другой метод вывода сохранения вектора Лапласа — Рунге — Ленца, использующий вариацию координат без привлечения скоростей . Масштабирование координат и времени с разной степенью параметра (рис. 6)

изменяет полный угловой момент и энергию :

— но сохраняет произведение . Отсюда следует, что эксцентриситет и величина сохраняются в уже уравнении

Направление также сохраняется, поскольку полуоси не изменяются при скалировании. Это преобразование оставляет верным третий закон Кеплера , а именно то, что полуось и период формируют константу .

Скобки Пуассона

Для трёх компонент вектора углового момента можно определить скобки Пуассона

где индекс пробегает значения 1, 2, 3 и — абсолютно антисимметричный тензор , то есть символ Леви-Чивита (третий индекс суммирования , чтобы не путать с силовым параметром , определённым ). В качестве скобок Пуассона используются квадратные скобки (а не фигурные), как и в литературе и, в том числе, чтобы интерпретировать их как квантовомеханические коммутационные соотношения в .

Как показано , изменённый вектор Лапласа — Рунге — Ленца можно определить с той же размерностью, что и угловой момент , разделив на . Скобка Пуассона с вектором углового момента запишется в похожем виде

Скобка Пуассона с зависит от знака , то есть когда полная энергия отрицательна (эллиптические орбиты под действием центральной силы, зависящей обратно пропорционально квадрату расстояния) или положительная (гиперболические орбиты). Для отрицательных энергий скобки Пуассона примут вид

В то время как для положительных энергий скобки Пуассона имеют противоположный знак

Инварианты Казимира для отрицательных энергий определяются посредством следующих соотношений

и мы имеем нулевые скобки Пуассона для всех компонент и

равен нулю, из-за ортогональности векторов. Однако другой инвариант нетривиален и зависит только от , и . Этот инвариант можно использовать для вывода спектра атома водорода , используя только квантовомеханическое каноническое коммутационное соотношение, вместо более сложного уравнения Шрёдингера .

Законы сохранения и симметрия

Вариация координаты приводит к сохранению длины вектора Лапласа — Рунге — Ленца (см. теорема Нётер ). Это сохранение можно рассматривать как некоторую симметрию системы. В классической механике , симметрии — непрерывные операции, которые отображают одну орбиту на другую, не изменяя энергию системы; в квантовой механике , симметрии — непрерывные операции, которые смешивают атомные орбитали , не изменяя полную энергию. Например, любая центральная сила приводя к сохранению углового момента . В физике обычно встречаются консервативные центральные силы, обладающие симметрией группы вращения SO(3) . Классически, полное вращение системы не затрагивает энергию орбиты; квантовомеханически, вращения смешивают сферические функции с тем же самым квантовым числом (вырожденные состояния), не изменяя энергию.

Рис. 7: Семейство кругов годографа импульса для заданной энергии . Все круги проходят через две точки на оси (сравните с рис. 3). Это семейство годографов соответствует семейству окружностей Аполлония , и изоповерхностям биполярных координат .

Симметрия повышается для центральной силы, обратной квадрату расстояния. Специфическая симметрия проблемы Кеплера приводит к сохранению как вектора углового момента , так и вектора Лапласа — Рунге — Ленца (как определено ) и квантовомеханически гарантирует, что уровни энергии атома водорода не зависят от квантовых чисел углового момента и . Симметрия является более тонкой, потому что операция симметрии должна иметь место в пространстве большей размерности; такие симметрии часто называют скрытыми симметриями . Классически, более высокая симметрия проблемы Кеплера учитывает непрерывные изменения орбит, которые сохраняют энергию, но не угловой момент; другими словами, орбиты с одинаковой энергией, но различными угловыми моментами (эксцентриситетом) могут быть преобразованы непрерывно друг в друга. Квантовомеханически это соответствует смешиванию орбиталей, которые отличаются квантовыми числами и , атомные орбитали типа ( ) и ( ). Такое смешивание нельзя произвести с обычными трёхмерными трансляциями или вращениями, но оно эквивалентно вращению в пространстве с более высоким измерением.

Связанная система с отрицательной полной энергией обладает симметрией SO(4) , которая сохраняет длину четырёхмерных векторов

В 1935 году Владимир Фок показал, что квантовомеханическая проблема Кеплера эквивалентна проблеме свободной частицы, ограниченной четырёхмерной гиперсферой . В частности, Фок показал, что волновая функция уравнения Шрёдингера в пространстве импульсов для проблемы Кеплера представляет собой четырёхмерное обобщение стереографической проекции сферических функций из 3-сферы в трёхмерное пространство. Вращение гиперсферы и перепроектирование приводит к непрерывному преобразованию эллиптических орбит, не изменяющему энергию; квантовомеханически это соответствует смешиванию всех орбиталей с одинаковым главным квантовым числом . Валентин Баргман отметил впоследствии, что скобки Пуассона для вектора углового момента и скалированного вектора Лапласа — Рунге — Ленца формируют алгебру Ли для . Проще говоря, эти шесть величин и соответствуют шести сохраняющимся угловым импульсам в четырёх измерениях, связанных с шестью возможными простыми вращениями в этом пространстве (есть шесть способов выбрать две оси из четырёх). Это заключение не подразумевает, что наша Вселенная — четырёхмерная гиперсфера ; это просто означает, что эта специфическая проблема физики ( проблема двух тел для центральной силы, зависящей обратно квадрату расстояния) математически эквивалентна свободной частице на четырёхмерной гиперсфере.

Рассеянная система с положительной полной энергией обладает симметрией SO(3,1) , которая сохраняет длину 4-вектора в пространстве с метрикой Минковского

Фок и Баргман рассмотрели как отрицательные, так и положительные энергии. Они также были рассмотрены энциклопедически Бендером и Ициксоном . Недавнее исследование Ефимова С.П. показало, что результат В. Фока переносится из искривлённого импульсного пространства в 4-х мерное координатное . При этом переход от четырёхмерных сферических функций в физическое трёхмерное пространство возникает просто при замене четвёртой "лишней" координаты на мнимый радиус вектор . Найденное координатное пространство оказывается в теории "ближе", чем искривлённое пространство В. Фока.


Симметрия вращений в четырёхмерном пространстве

Рис. 8: Годограф импульса на рис. 7 соответствует стереографической проекции больших кругов из четырёхмерной сферы единичного радиуса. Все большие круги пересекают ось, которая направлена перпендикулярно странице. Проекция из северного полюса (единичный вектор ) к ( - ) плоскости, как показано для пурпурного годографа пунктирной чёрной линией. Большой круг на широте соответствует эксцентриситету . Цвета больших кругов, показанных здесь, соответствуют цветам их годографов на рис. 7.

Связь между проблемой Кеплера и вращениями в четырёхмерном пространстве SO(4) можно достаточно просто визуализировать . Пусть в четырёхмерном пространстве заданы декартовы координаты , которые обозначены , где представляют декартовы координаты обычного положения трёхмерного вектора . Трёхмерный вектор импульса связан с четырёхмерным вектором на четырёхмерной единичной сфере посредством

где — единичный вектор вдоль новой оси . Поскольку имеет только три независимые компоненты, то этот вектор можно обратить, получив выражение для . Например, для компоненты

и аналогично для и . Другими словами, трёхмерный вектор является стереографической проекцией четырёхмерного вектора , умноженному на (рис. 8).

Без потери общности, мы можем устранить нормальную вращательную симметрию, выбирая декартовы координаты , где ось направлена вдоль вектора углового момента , и годограф импульса расположен как показано на рисунке 7, с центрами кругов на оси . Так как движение происходит в плоскости, а и ортогональны, , и внимание можно сосредоточить на трёхмерном векторе . Семейство окружностей Аполлония годографов импульса (рис. 7) соответствует множеству больших кругов на трёхмерной сфере , все из которых пересекают ось в этих двух фокусах , соответствующих фокусам годографа импульса при . Большие круги связаны простым вращением вокруг оси (рис. 8). Эта вращательная симметрия преобразует все орбиты с той же самой энергией друг в друга; однако, такое вращение ортогонально к обычным трёхмерным вращениям, так как оно преобразует четвёртое измерение . Эта более высокая симметрия характерна для проблемы Кеплера и соответствует сохранению вектора Лапласа — Рунге — Ленца.

Изящное решение для проблемы Кеплера с использованием переменных угол-действие можно получить, избавляясь от избыточной четырёхмерной координаты и используя эллиптические цилиндрические координаты

где используются эллиптические функции Якоби : , и .

Применение и обобщения

Квантовая механика атома водорода

Рис. 9: Уровни энергии водородного атома, предсказанные с использованием коммутационных соотношений углового момента и векторных операторов Лапласа — Рунге — Ленца; эти уровни энергии были проверены экспериментально.

Скобки Пуассона дают простой способ для квантования классической системы . Коммутатор двух квантовомеханических операторов равняется скобке Пуассона соответствующих классических переменных, умноженной на . Выполняя это квантование и вычисляя собственные значения оператора Казимира для проблемы Кеплера, Вольфганг Паули вывел энергетический спектр водородоподобного атома (рис. 9) и, таким образом, его атомный эмиссионный спектр . Это изящное решение было получено до получения уравнения Шрёдингера .

Особенность квантовомеханического оператора для вектора Лапласа — Рунге — Ленца заключается в том, что импульс и операторы углового момента не коммутируют друг с другом, следовательно, векторное произведение и должно быть определено тщательно . Как правило, операторы в декартовой системе координат определены с помощью симметризованного произведения

из которого определяются соответствующие лестничные операторы

Нормированный оператор первого инварианта Казимира может быть определён подобным образом

где — оператор, обратный к оператору энергии ( гамильтониан ) и — единичный оператор. Применяя эти лестничные операторы к собственным состояниям операторов полного углового момента, азимутального углового момента и энергии, можно показать, что собственные состояния первого оператора Казимира задаются формулой . Следовательно, уровни энергии даются выражением

которое идентично формуле Ридберга для атома водорода (рис 9).

Обобщение на другие потенциалы и СТО

Вектор Лапласа — Рунге — Ленца был обобщён на другие потенциалы и даже на специальную теорию относительности . Наиболее общую форму этого вектора можно записать в виде

где (см. теорема Бертрана ) и , с углом , определённым как

Здесь релятивистский фактор . Как и раньше, можно получить сохраняющийся вектор бинормали , взяв векторное произведение с сохраняющимся вектором углового момента

Эти два вектора можно соединить в сохраняющийся двухкомпонентный тензор

Для примера вычислим вектор Лапласа — Рунге — Ленца для нерелятивистского изотропного гармонического осциллятора. Рассмотрим центральную силу:

вектор углового момента сохраняется, и поэтому движение происходит в плоскости. Сохраняющийся тензор можно переписать в более простом виде:

хотя нужно заметить, что и не перпендикулярны, как и . Соответствующий вектор Лапласа — Рунге — Ленца имеет более сложную запись

где — частота осциллятора.

См. также

Литература

  1. Арнольд В. И. . Математические методы классической механики. 5-е изд. — М. : Едиториал УРСС, 2003. — 416 с. — ISBN 5-354-00341-5 . ; в сети в электронном виде есть 3-е изд. за 1988 год, см. Добавление 8, на стр. 381
  2. . Классическая механика. 2-е изд. — М. : Наука, 1975. — 415 с.
  3. Pauli, W. Über das Wasserstoffspektrum vom Standpunkt der neuen Quantenmechanik (нем.) // Zeitschrift für Physik : magazin. — 1926. — Bd. 36 . — S. 336—363 .
  4. Hamilton, W. R. The Hodograph, or a new Method of expressing in symbolical Language the Newtonian Law of Attraction (англ.) // (англ.) : journal. — 1847. — Vol. 3 . — P. 344—353 .
  5. Хикок Ф. А. . Графики космического полёта. — М. : Машиностроение, 1968. — 133 с. — Гл. 3. Анализ траекторий с помощью полярных диаграмм, с. 42.
  6. Гулд Х., Тобочник Я. . Компьютерное моделирование в физике. Т. 1. — М. : Мир, 1990. — 352 с. — ISBN 5-03-001593-0 . . — Задача 4.9. Свойства орбит в пространстве скоростей, с. 88.
  7. Fock, V. Zur Theorie des Wasserstoffatoms (нем.) // Zeitschrift für Physik : magazin. — 1935. — Bd. 98 . — S. 145—154 .
  8. Zur Theorie des Wasserstoffatoms: Bemerkungen zur gleichnamigen Arbeit von V. Fock (нем.) // Zeitschrift für Physik : magazin. — 1936. — Bd. 99 . — S. 576—582 .
  9. Prehistory of the Runge-Lenz vector (англ.) // American Journal of Physics : journal. — 1975. — Vol. 43 . — P. 735—738 .
    More on the prehistory of the Runge-Lenz vector (англ.) // American Journal of Physics : journal. — 1976. — Vol. 44 . — P. 1123—1124 .
  10. Hamilton, W. R. On the Application of the Method of Quaternions to some Dynamical Questions (англ.) // (англ.) : journal. — 1847. — Vol. 3 . — P. Appendix III, pp. xxxvi—l .
  11. Fradkin, D. M. Existence of the Dynamic Symmetries O 4 and SU 3 for All Classical Central Potential Problems (англ.) // (англ.) : journal. — 1967. — Vol. 37 . — P. 798—812 .
  12. Yoshida, T. Two methods of generalisation of the Laplace-Runge-Lenz vector (англ.) // European Journal of Physics : journal. — 1987. — Vol. 8 . — P. 258—259 .
  13. Hermann, J. Metodo d'investigare l'orbite de' pianeti // Giornale de Letterati D'Italia. — 1710. — Т. 2 . — С. 447—467 .
    Hermann, J. Extrait d'une lettre de M. Herman à M. Bernoulli datée de Padoüe le 12. Juillet 1710 (фр.) // Histoire de l'academie royale des sciences (Paris) : magazine. — 1710. — Vol. 1732 . — P. 519—521 .
  14. Bernoulli, J. Extrait de la Réponse de M. Bernoulli à M. Herman datée de Basle le 7. Octobre 1710 (фр.) // Histoire de l'academie royale des sciences (Paris) : magazine. — 1710. — Vol. 1732 . — P. 521—544 .
  15. Laplace P. S. . Traité de mécanique celeste. Tome I, Premiere Partie, Livre II. — Paris, 1799. — P. 165ff.
  16. Gibbs J. W. , . Vector Analysis. — New York: Scribners, 1901. — 436 p. — P. 135.
  17. Runge C. . Vektoranalysis. Bd. I. — Leipzig: Hirzel, 1919. — 436 p.
  18. Lenz, W. Über den Bewegungsverlauf und Quantenzustände der gestörten Keplerbewegung (нем.) // Zeitschrift für Physik : magazin. — 1924. — Bd. 24 . — S. 197—207 .
  19. Evans, N. W. Superintegrability in classical mechanics (англ.) // Physical Review A : journal. — 1990. — Vol. 41 . — P. 5666—5676 .
  20. Зоммерфельд А. Atomic Structure and Spectral Lines (англ.) . — London: Methuen, 1923. — 118 p.
  21. Landau L. D. , Lifshitz E. M. Mechanics. — Pergamon Press, 1976. — P. 154. — ISBN 0-08-029141-4 . Ландау Л. Д. , Лифшиц Е. М. Механика. — 5-е изд. — М. : Физматлит, 2004. — 224 с. — (Курс теоретической физики, том 1). — ISBN 5-9221-0055-6 . — § 15. Кеплерова задача, «сохраняющийся вектор», с. 56; § 52. Условно-периодическое движение, задача с решением в полярных координатах, с. 217.
  22. Evans, N. W. Group theory of the Smorodinsky-Winternitz system (англ.) // Journal of Mathematical Physics : journal. — 1991. — Vol. 32 . — P. 3369—3375 .
  23. Dulock, V. A.; McIntosh H. V. On the Degeneracy of the Kepler Problem (англ.) // Pacific Journal of Mathematics : journal. — 1966. — Vol. 19 . — P. 39—55 .
  24. Redmond, P. J. Generalization of the Runge-Lenz Vector in the Presence of an Electric Field (англ.) // Physical Review : journal. — 1964. — Vol. 133 . — P. B1352—B1353 .
  25. Einstein, A. Erklärung der Perihelbeivegung der Merkur aus der allgemeinen Relativitätstheorie (нем.) // Sitzungsberichte der der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften : magazin. — 1915. — Bd. 47 , Nr. 2 . — S. 831—839 .
  26. Le Verrier, U. J. J. Sur la théorie de Mercure et sur le mouvement du périhélie de cette planète; Lettre de M. Le Verrier à M. Faye (фр.) // Comptes Rendus de l'Academie de Sciences (Paris) : magazine. — 1859. — Vol. 49 . — P. 379—383 . от 13 мая 2021 на Wayback Machine
  27. Will C. M. . General Relativity, an Einstein Century Survey / Ed. by S. W. Hawking and W. Israel. — Cambridge: Cambridge University Press, 1979.
  28. Pais, A. Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein (англ.) . — Oxford University Press , 1982.
    Пайс, Абрахам. . Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна / Под ред. А. А. Логунова . — М. : Наука, 1989. — 566 с. — ISBN 5-02-014028-7 . .
  29. Lévy-Leblond, J. M. (1971). "Conservation Laws for Gauge-Invariant Lagrangians in Classical Mechanics". American Journal of Physics . 39 (5): 502—506. Bibcode : . doi : .
  30. Prince, G. E.; Eliezer C. J. On the Lie symmetries of the classical Kepler problem (англ.) // (англ.) : journal. — 1981. — Vol. 14 . — P. 587—596 .
  31. Bander, M.; Itzykson C. Group Theory and the Hydrogen Atom (I) (англ.) // Reviews of Modern Physics : journal. — 1966. — Vol. 38 . — P. 330—345 .
  32. Bander, M.; Itzykson C. Group Theory and the Hydrogen Atom (II) (англ.) // Reviews of Modern Physics : journal. — 1966. — Vol. 38 . — P. 346—358 .
  33. Ефимов С.П. Трансформация теории Фока в координатное пространство. Гармонические тензоры в квантовой задаче Кулона (рус.) // УФН : journal. — 2022. — Т. 192 . — doi : .
  34. Rogers, H. H. Symmetry transformations of the classical Kepler problem (англ.) // Journal of Mathematical Physics : journal. — 1973. — Vol. 14 . — P. 1125—1129 .
  35. Guillemin, V.; Sternberg S. . — American Mathematical Society Colloquium Publications, volume 42, 1990. .
  36. Lakshmanan, M.; Hasegawa H. On the canonical equivalence of the Kepler problem in coordinate and momentum spaces (англ.) // (англ.) : journal. — Vol. 17 . — P. L889—L893 .
  37. Dirac P. A. M. . Principles of Quantum Mechanics. 4th edition (англ.) . — Oxford University Press, 1958.
  38. Schrödinger, E. Quantisierung als Eigenwertproblem // Annalen der Physik . — 1926. — Т. 384 . — С. 361—376 .
  39. Bohm A. . Quantum Mechanics: Foundations and Applications. 2nd edition. — Springer Verlag, 1986. — P. 208—222.

Ссылки

  • Leach, P.G.L.; G.P. Flessas. Generalisations of the Laplace — Runge — Lenz vector (англ.) // (англ.) : journal. — 2003. — Vol. 10 . — P. 340—423 . Статья посвящена обобщению вектора Лапласа — Рунге — Ленца на потенциалы, отличные от кулоновского. от 12 августа 2020 на Wayback Machine
Источник —

Same as Вектор Лапласа — Рунге — Ленца