正準変換

ハミルトン形式の解析力学において、正準変換（せいじゅんへんかん、テンプレート:Lang-en-short）とは、正準変数を新たなハミルトンの運動方程式を満たす新しい正準変数に写す変数変換。正準変換の下では、正準変数である一般化座標と一般化運動量は互いに混ざり合うことができ、等価な役割を果たす。また、正準変換はポアソン括弧を不変に保つ性質を持つ。幾何学的な観点からは、相空間をシンプレクティック多様体として見做した場合、基本 2形式を保つシンプレクティック同相写像に対応する。

概要

ハミルトン力学では、一般化座標テンプレート:Mathと対応する一般化運動量テンプレート:Mathの組からなる、正準変数テンプレート:Math が独立な変数となる。

相空間上の運動は、正準変数と時間テンプレート:Mvarの関数であるハミルトニアンテンプレート:Mathを用いて、ハミルトンの運動方程式

$\begin{array}{cc}\dot{q_i}& =\frac{\partial H}{\partial p_i}\\ \dot{p_i}& =-\frac{\partial H}{\partial q_i}\end{array}$

によって記述される。但し、ドット記号は時間微分を表す。

ここで、正準変数と時間の関数である新たな変数

$\begin{array}{cc}{Q}_i& =Q_i(q,p,t)\\ P_i& =P_i(q,p,t)(i=1,\dots ,n)\end{array}$

が新たな正準変数となるとき、すなわち、新たなハミルトニアンテンプレート:Mathが存在して、

$\begin{array}{cc}\dot{Q_i}& =\frac{\partial K}{\partial P_i}\\ \dot{P_i}& =-\frac{\partial K}{\partial Q_i}\end{array}$

が成り立つとき、テンプレート:Mathを正準変換という。 正準変換の下では、一般化座標と一般化運動量は互いに混ざり合い、等価な役割を果たす。

但し、新たなハミルトニアンが存在し、正準方程式を満たす変数変換を正準変換とする定義は広すぎるため、通常は母関数を通じて構成され、ポアソン括弧を不変に保つものを正準変換として限定する。 例えば、定数テンプレート:Mvarによるスケール変換

$\begin{array}{c}{Q}_i=a{q}_i,P_i=a{p}_i\\ K=a^{2}H\end{array}$

や テンプレート:Mvar、テンプレート:Mvar の入れ替えとハミルトニアンの負号を変えた変換

$Q_i=p_i,P_i=q_i$

$K=-H$

は正準方程式を満たすが、正準変換には含めない。

母関数による構成

正準変換を構成する標準的な手法は、母関数を用いる手法である。ハミルトンの運動方程式は、作用

$S[q,p]=\underset{t_1}{\overset{t_2}{\int }}\{\sum _{i=1}^n{p}_i{\dot{q}}_i-H(q,p,t)\}dt$

の変分テンプレート:Mathを最小にするというテンプレート:Illから導かれる。 したがって、新旧の正準変数とハミルトニアンの間には

$\sum _{i=1}^n{p}_i{\dot{q}}_i-H(q,p,t)=\sum _{i=1}^n{P}_i{\dot{Q}}_i-K(Q,P,t)+\frac{d}{dt}W$

という関係式が成り立つ。 但し、テンプレート:Mathは新旧の正準変数と時間の任意の関数である。

特に、テンプレート:Mathの中から独立な変数として二つを選び、テンプレート:Mvarを定めた場合、両辺の独立な変数に対する微分を考えることで、テンプレート:Math、テンプレート:Mathを定めることができる 。この場合、関数テンプレート:Mvarを与えることで、正準変換が定まることから、テンプレート:Mvarを正準変数の母関数と呼ぶ。二つの独立な変数の選び方に応じて、四つのタイプの母関数が存在する。

タイプ1

独立な変数としてテンプレート:Mathを選んだ場合、テンプレート:Mathはタイプ1の母関数と呼ばれる。このとき、新旧の正準変数とハミルトニアンの間に以下の関係が成り立つ。

$p_i=\frac{\partial W_1}{\partial q_i},P_i=-\frac{\partial W_1}{\partial Q_i},H=K-\frac{\partial W_1}{\partial t}$

タイプ2

タイプ1の母関数テンプレート:Mathに対し、ルジャンドル変換

$W_2(q,P,t)=W_1(q,Q,t)+\sum _{i=1}^n{Q}_i{P}_i$

を施せば、独立な変数としてテンプレート:Mathを選んだ場合であるタイプ2の母関数テンプレート:Mathが得られる。 このとき、新旧の正準変数とハミルトニアンの間に以下の関係が成り立つ。

$Q_i=\frac{\partial W_2}{\partial P_i},p_i=\frac{\partial W_2}{\partial q_i},H=K-\frac{\partial W_2}{\partial t}$

タイプ3

タイプ1の母関数テンプレート:Mathに対し、ルジャンドル変換

$W_3(Q,p,t)=W_1(q,Q,t)-\sum _{i=1}^n{q}_i{p}_i$

を施せば、独立な変数としてテンプレート:Mathを選んだ場合であるタイプ3の母関数テンプレート:Mathが得られる。 このとき、新旧の正準変数とハミルトニアンの間に以下の関係が成り立つ。

$q_i=-\frac{\partial W_3}{\partial p_i},P_i=-\frac{\partial W_3}{\partial Q_i},H=K-\frac{\partial W_3}{\partial t}$

タイプ4

タイプ2の母関数テンプレート:Mathに対し、ルジャンドル変換

$W_4(p,P,t)=W_2(q,P,t)-\sum _{i=1}^n{q}_i{p}_i$

を施せば、独立な変数としてテンプレート:Mathを選んだ場合であるタイプ3の母関数テンプレート:Mathが得られる。このとき、新旧の正準変数とハミルトニアンの間に以下の関係が成り立つ。

$q_i=-\frac{\partial W_4}{\partial p_i},Q_i=\frac{\partial W_4}{\partial P_i},H=K-\frac{\partial W_4}{\partial t}$

例

恒等変換

正準変換の最も簡単な例は、恒等変換テンプレート:Math、テンプレート:Mathである。この場合、新たなハミルトニアンはテンプレート:Mathと不変である。

この正準変換の母関数は

$W_2(q,P)=\sum _{i=1}^n{q}_i{P}_i$

であり、この場合、新旧の正準変数の間には

$p_i=\frac{\partial W_2}{\partial q_i}=P_i$

$Q_i=\frac{\partial W_2}{\partial P_i}=q_i$

の関係が満たされている。

一般化座標と一般化運動量の交換

任意の系において、一般化座標と一般化運動量の符号を込めた交換

$Q_i=p_i$

$P_i=-q_i(i=1,\cdots ,n)$

は正準変換である。この場合、新たなハミルトニアンはテンプレート:Mathと不変である。

この正準変換の母関数は

$W_1(q,Q)=\sum _{i=1}^n{q}_i{Q}_i$

であり、この場合、新旧の正準変数の間には

$p_i=\frac{\partial W_1}{\partial q_i}=Q_i$

$P_i=-\frac{\partial W_1}{\partial Q_i}=-q_i$

の関係が満たされている。

一次元調和振動子

質量テンプレート:Mvar、角振動数テンプレート:Mvarの一次元調和振動子では、ハミルトニアンは

$H(q,p)=\frac{1}{2m}{p}^2+\frac{m{\omega }^2}{2}{q}^2$

で与えられる。母関数を

$W_1(q,Q)=\frac{1}{2}m\omega q^2\cot Q$

で与えると、新旧の正準変数の間には

$p=\frac{\partial W_1}{\partial q}=m\omega q\cot Q$

$P=-\frac{\partial W_1}{\partial Q}=\frac{1}{2}m\omega q^2\frac{1}{{\sin }^{2}Q}$

の関係が成り立つ。

また、新しいハミルトニアンは、

$K(Q,P)=H(q,p)=\omega P$

とテンプレート:Mvarだけの関数となる。すなわち、テンプレート:Mvarは循環座標である。この場合、テンプレート:Mvarとテンプレート:Mvarの時間発展は、

$Q(t)=\omega t+\beta$

$P(t)=\frac{E}{\omega }=\mathrm{const.}$

と簡単な形で求まる。但し、テンプレート:Mvarは任意の定数、テンプレート:Mvarは保存量である系のエネルギーである。

ゲージ変換

電磁ポテンシャルのゲージ変換は、座標テンプレート:Mvarを変化させない正準変換

$Q_i=q_i,$

$P_i=p_i+e\frac{\partial u}{\partial q_i}$

に対応する。この正準変換の母関数は

$W_1(q,P,t)=\sum _i{q}_i{P}_i-eu(q,t)$

であり、新旧の正準変数の間には

$Q_i=\frac{\partial W_1}{\partial P_i}=q_i,$

$p_i=\frac{\partial W_1}{\partial q_i}=P_i-e\frac{\partial u}{\partial q_i},$

$H=K-\frac{\partial W_1}{\partial t}=K+e\frac{\partial u}{\partial t}$

の関係が成り立つ。荷電粒子のハミルトニアンテンプレート:Mvarが電磁ポテンシャルテンプレート:Mathを用いて

$H=\frac{1}{2m}\sum _i(p_i-e{A}_i{)}^2+e\varphi$

で表されることから、新しい正準変数でも同じ形式

$K=\frac{1}{2m}\sum _i(P_i-eA{\text{'}}_i{)}^2+e{\varphi }^{\prime }$

が成り立つことが分かる。ここでテンプレート:Mathはゲージ変換した電磁ポテンシャル

${\varphi }^{\prime }=\varphi -\frac{\partial u}{\partial t},$

$A{\text{'}}_i=A_i+\frac{\partial u}{\partial q_i}$

である。

正準変換の性質

ポアソン括弧の不変性

正準変換テンプレート:Mathに対し、ポアソン括弧は不変に保たれる。すなわち、元の正準変数に対するポアソン括弧をテンプレート:Math、新しい正準変数に対するポアソン括弧をテンプレート:Mathと表すと、

$\{f,g{\}}_{q,p}=\{f,g{\}}_{Q,P}$

が成り立つ。逆にポアソン括弧を不変に保つ変数変換は正準変換となる。ポアソン括弧の不変性が成り立つには、

$\{Q_i,Q_j{\}}_{q,p}=0$

$\{P_i,P_j{\}}_{q,p}=0$

$\{Q_i,P_j{\}}_{q,p}={\delta }_{ij}(i=1,\cdots ,n)$

が満たされていればよい。但し、テンプレート:Mathはクロネッカーのデルタである。

群の構造

正準変換は次の性質を満たしており、群の構造を持つ。

• 恒等変換は正準変換である。
• 正準変換に対し、逆変換が存在し、逆変換も正準変換となる。
• ２つの正準変換の合成は正準変換である。
• 正準変換の合成は結合法則を満たす。

微小正準変換と対称性

微小正準変換

正準変数テンプレート:Mathを微小変化させる微小正準変換

$Q_i=q_i+\delta q_i(q,p,t)$

$P_i=p_i+\delta p_i(q,p,t)(i=1,\cdots ,n)$

の母関数は、恒等変換を与える母関数にテンプレート:Mathを加えた

$W_2(q,P)=\sum _{i=1}^n{q}_i{P}_i+ϵG(q,P,t)$

の形で与えられる。但し、テンプレート:Mvarは微小定数、 テンプレート:Mathは任意の関数である。

このとき、微小変化テンプレート:Mathは

$\delta q_i(q,p,t)=ϵ\frac{\partial G(q,p,t)}{\partial p_i}$

$\delta p_i(q,p,t)=-ϵ\frac{\partial G(q,p,t)}{\partial q_i}$

となる。任意の力学量テンプレート:Mathに対し、微小正準変換に対する変化

$\delta F=F(q+\delta q,p+\delta p,t)-F(q,p,t)$

は、ポアソン括弧を用いて、

$\delta F=ϵ\{F,G{\}}_{p,q}$

で与えられる。

例

時間発展

テンプレート:Mvarとして、ハミルトニアンテンプレート:Mathをとれば、

$\delta q_i=ϵ\frac{\partial H(q,p,t)}{\partial p_i}=ϵ{\dot{q}}_i$

$\delta q_i=-ϵ\frac{\partial H(q,p,t)}{\partial q_i}=ϵ{\dot{p}}_i$

であるから、正準変換は

$Q_i=q_i(t)+\delta q_i=q_i(t+ϵ)$

$P_i=p_i(t)+\delta p_i=p_i(t+ϵ)$

となる。すなわち、微小時間テンプレート:Mvarにおける時間発展は、ハミルトニアンによる微小正準変換となる。有限時間での時間発展は、微小時間における時間発展を繰り返し合成することで得られる。正準変換の合成も正準変換であるため、テンプレート:Mathの時間発展は、正準変換の特別な例となっている。

リウヴィルの定理

テンプレート:Main 相空間の体積要素

$\prod _{i=1}^{n}d{q}_{i}d{p}_i=d{q}_{1}d{p}_1\cdots d{q}_{n}d{p}_n$

は正準変換テンプレート:Mathの下、不変となる。

$\prod _{i=1}^{n}d{q}_{i}d{p}_i=\prod _{i=1}^{n}d{Q}_{i}d{P}_i$

したがって、相空間のある領域テンプレート:Mvarが正準変換により、領域テンプレート:Mvarに写されるとすると、

$\int \cdots \underset{\gamma }{\int }\prod _{i=1}^{n}d{q}_{i}d{p}_i=\int \cdots \underset{\mathrm{\Gamma }}{\int }\prod _{i=1}^{n}d{Q}_{i}d{P}_i$

が成り立つ。すなわち、領域テンプレート:Mvarの体積は正準変換テンプレート:Mathで不変に保たれる。

特に、時間発展は正準変換の特別な例であり、領域テンプレート:Mvarの時間発展を考えると、リウヴィルの定理

$\int \cdots \underset{\gamma (t)}{\int }\prod _{i=1}^{n}d{q}_{i}d{p}_i=\mathrm{const.}$

が導かれる。

ハミルトン-ヤコビの理論

テンプレート:Main 新ハミルトニアンが恒等的にゼロ テンプレート:Mathとなる正準変換テンプレート:Mathを考えると 、ハミルトンの運動方程式は

$\dot{Q_i}=\frac{\partial K}{\partial P_i}=0$

$\dot{P_i}=-\frac{\partial K}{\partial Q_i}=0(i=1,\cdots ,n)$

と簡単な形になる。このとき、新たな正準変数テンプレート:Mathは定数テンプレート:Mathとなる。

$Q_i={\beta }_i$

$P_i={\alpha }_i(i=1,\cdots ,n)$

このような正準変換を生む母関数として、タイプ2の母関数テンプレート:Mathを選べば、母関数テンプレート:Mathと元のハミルトニアンテンプレート:Mathの間には、

$H(q,\frac{\partial S}{\partial q},t)+\frac{\partial S}{\partial t}=0$

という関係式が成り立つ。但し、テンプレート:Mathとテンプレート:Mathであることを用いている。この1階の偏微分方程式をハミルトン-ヤコビ方程式という。

参考文献

• テンプレート:Cite book
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関連項目

• ハミルトン力学
  • 正準変数