lec 03

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Last time:Lec_02 希望作用量中总只出现一阶项, 并考虑了一般相空间中的坐标.

我们考虑 2n2n 维相空间上的任意坐标

ξIe.g.ξI=(xi,pi)\xi^I\quad\text{e.g.}\quad\xi^{I}=(x^i,p_i)

Q: 为什么要写成 1st-order 的形式?
A: 1st-order 的计算比较方便, 例如离散方法中的插值更容易实现, 数值上也更稳定. 这是最直观的理由.

Q: 我们既然允许不依赖任何坐标系, 为什么不能允许任意阶导数出现?
A: 这里想传达的是: 到底哪些东西可以任意, 哪些必须做出一个选择.

一般的作用量

S=path[γI(ξ,t)dξIH(ξ,t)dt]S=\int_{\text{path}}\left[{\large\gamma}_{I}(\xi,t)\mathrm{d}\xi^I-H(\xi,t)\mathrm{d}t\right]

考虑 Berry Connection

γIdξI=pidxi+qAi(x,t)dxi+ai(p)dpiBerry connection{\large\gamma}_I\mathrm{d}\xi^I = p_i\mathrm{d}x^i +qA_i(\mathbf{x},t)\mathrm{d}x^i +\underbrace{\hbar a^i(\mathbf{p})\mathrm{d}p_i}_{\text{Berry connection}}

Gauge of the Action

这个作用量里面哪些是物理的, 哪些是非物理的? 非物理的部分对应规范的选取. 若考虑

SS+χendpointsS\to S+\chi\Big|_{\text{endpoints}}

也就是说, 两个 action 只差一个 boundary term, 因而给出相同的物理. 这就是 action 中的 gauge. 为了看到这一点, 考虑变换

γI(ξ,t)γI(ξ,t)+Iχ(ξ,t)H(ξ,t)H(ξ,t)tχ(ξ,t)\begin{align}&{\large\gamma}_I(\xi,t)\to{\large\gamma}_I(\xi,t)+\partial_I\chi(\xi,t)\\& H(\xi,t)\to H(\xi,t)-\partial_t\chi(\xi,t)\end{align}

^de958e

则给出相同的 action.

例:电磁场

做规范变换

Ai(x,t)Ai(x,t)+iφ(x,t),A0(x,t)A0(x,t)tφ(x,t)A_i(\mathbf{x},t)\to A_i(\mathbf{x},t)+\partial_i\varphi(\mathbf{x},t),\qquad A_0(\mathbf{x},t)\to A_0(\mathbf{x},t)-\partial_t\varphi(\mathbf{x},t)

这正对应上面

γIγI+Iχ,HHtχ\gamma_I\to\gamma_I+\partial_I\chi,\qquad H\to H-\partial_t\chi

的结构. 同样, Berry connection 也有 gauge.

一般地, 若

pidxixidpip_i\mathrm{d}x^i\mapsto -x^i\mathrm{d}p_i

则取

χ=pixi\chi=-p_ix^i

接下来要讨论的就是 Simple Harmonic Oscillator 和 Symmetry 与 Noether theorem

Change of coordinate

既然这个理论不依赖于具体坐标, 现在就来试着改变坐标系. 考虑

ξI=ξI(ξ~I~,t)\xi^I=\xi^I(\tilde{\xi}^{\tilde{I}},t)

lec03 coordinate transform

那么

dξI=ξIξ~I~dξ~I~+ξItdt\mathrm{d}\xi^I=\frac{\partial\xi^I}{\partial\tilde{\xi}^{\tilde{I}}}\mathrm{d}\tilde{\xi}^{\tilde{I}}+\frac{\partial\xi^I}{\partial t}\mathrm{d}t

如果要求作用量描述相同的物理, 我们需要新的 γ\gamma.

γ~I~(ξ~I~,t)=γI(ξ(ξ~,t),t)ξIξ~I~\tilde{{\large\gamma}}_{\tilde{I}}(\tilde{\xi}^{\tilde{I}},t)={\large\gamma}_I(\xi(\tilde{\xi},t),t)\frac{\partial\xi^I}{\partial\tilde{\xi}^{\tilde{I}}}

同样, Hamiltonian 也跟着变换.

H~(ξ~,t)=H(ξ(ξ~,t),t)tξIγI(ξ(ξ~,t),t)\tilde{H}(\tilde{\xi},t)=H(\xi(\tilde{\xi},t),t)-\partial_t\xi^I{\large\gamma}_I(\xi(\tilde{\xi},t),t)

关于上下标

dξI=ξIξ~I~dξ~I~+ξItdt\mathrm{d}\xi^I=\frac{\partial\xi^I}{\partial\tilde{\xi}^{\tilde{I}}}\mathrm{d}\tilde{\xi}^{\tilde{I}}+\frac{\partial\xi^I}{\partial t}\mathrm{d}t

上下指标都配对消掉了, 对 γ\gamma 也是一样. 好处在于可以快速看出最终结果的指标结构.

什么时候需要这样的坐标变换?

SHO 是一个例子.

先做一个无量纲化, 取

x=mωx,p=pmωx'=\sqrt{m\omega}\,x,\qquad p'=\frac{p}{\sqrt{m\omega}} pdxω(p22mω+mω2x2)dt=pdxω2(p2+x2)dtp\mathrm{d}x-\omega(\frac{p^2}{2m\omega}+\frac{m\omega}{2}x^2)\mathrm{d}t=p'\mathrm{d}x'-\frac{\omega}{2}(p'^2+x'^2)\mathrm{d}t

这迫使我们想到采用相空间的极坐标

ρ2sin2θdθ+ρsinθcosθdρω2ρ2dt-\rho^2\sin^2\theta \mathrm{d}\theta+\rho\sin\theta\cos\theta \mathrm{d}\rho-\frac{\omega}{2}\rho^2\mathrm{d}t

现在还很丑, 需要找一个 χ\chi 把表达式化简.

ρ22dθω2ρ2dt+d(ρ22cosθsinθ)-\frac{\rho^2}{2}\mathrm{d}\theta-\frac{\omega}{2}\rho^2\mathrm{d}t+\mathrm{d}(\frac{\rho^2}{2}\cos\theta\sin\theta)

作用量中不显含 θ\theta, 这在运动方程中给出了极大的便利

δSδθdρ=0δSδρ=0    dθdt=ω\begin{align}&\frac{\delta S}{\delta \theta}\propto \mathrm{d}\rho=0\\& \frac{\delta S}{\delta \rho}=0\implies \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=-\omega \end{align}

这跟 action-angle coordinates 很像.

对于 polar coordinates, 也会采用 ρeiθ\rho e^{i\theta} 的形式, 这使我们想到 QM 的 operator a,aa,a^{\dagger}. 这种 semi-classical 的描述在没有 QM 时用得较多. 后面会讲 (?)

要求 EoM

δSδξI=0    IγJdξJ(dξJJγI+dttγI)IHdt=0\frac{\delta S}{\delta{\xi^I}}=0\implies \partial_I{\large\gamma}_J\mathrm{d}\xi^J-(\mathrm{d}\xi^J\partial_J{\large\gamma}_I+\mathrm{d}t\partial_t{\large\gamma}_I)-\partial_IH\mathrm{d}t=0

(IγJJγI)dξJ=(IH+tγI)dt(\partial_I{\large\gamma}_J-\partial_J{\large\gamma}_I)\mathrm{d}\xi^J=(\partial_I H+\partial_t{\large\gamma}_I)\mathrm{d}t

这两部分在 χ\chi 的 gauge 变换下都保持不变:

γI(ξ,t)γI(ξ,t)+Iχ(ξ,t),H(ξ,t)H(ξ,t)tχ(ξ,t){\large\gamma}_I(\xi,t)\to{\large\gamma}_I(\xi,t)+\partial_I\chi(\xi,t),\qquad H(\xi,t)\to H(\xi,t)-\partial_t\chi(\xi,t)

这两部分看起来就像磁场和电场的结构.

于是定义记号

ωIJ2[IγJ]=IγJJγI\omega_{IJ}\coloneqq 2\partial_{[I}{\large\gamma}_{J]}=\partial_I{\large\gamma}_J-\partial_J{\large\gamma}_I

[][\cdots] 的意思是 antisymmetrize, 上面这个东西叫 symplectic 2-form. 2 的意思是有两个指标, form 的意思是它是反对称的.

在一般的形式 ξI=(xi,pi)\xi^I=(x^i,p_i)

γ=pidxi,γxi=pi,γpi=0\gamma=p_i\,\mathrm{d}x^i,\qquad \gamma_{x^i}=p_i,\qquad \gamma_{p_i}=0

这里 γI\gamma_I 只有一个相空间指标 II. 写成 γxi,γpi\gamma_{x^i},\gamma_{p_i} 时, xi,pix^i,p_i 只是坐标标签, 不是在 γ\gamma 上再额外附加一个需要升降的 ii 型指标.

ωIJ=(ωxi,  xj=0ωxi,  pj=δi jωpi,  xj=δj iωpi,  pj=0)\omega_{IJ} = \left( \begin{array}{c|c} \omega_{x^i,\;x^j}=0 & \omega_{x^i,\;p_j}=-\delta_i^{\ j} \\[4pt] \omega_{p_i,\;x^j}=\delta_j^{\ i} & \omega_{p_i,\;p_j}=0 \end{array} \right)

这里矩阵的行列顺序固定为 (xi,pi)(x^i,p_i).

其中

ωpi,  xj=piγxjxjγpi=pipj=δj i,\omega_{p_i,\;x^j} = \partial_{p_i}\gamma_{x^j}-\partial_{x^j}\gamma_{p_i} = \partial_{p_i}p_j = \delta_j^{\ i},

所以左下角块必须写成 δj i\delta_j^{\ i}.

将上式除以 dt\mathrm{d}t, 得到

ωIJdξJdt=IH+tγI\omega_{IJ}\frac{\mathrm{d}\xi^J}{\mathrm{d}t}=\partial_I H+\partial_t{\large\gamma}_I

因此

dξIdtEoM=(ω1)IJ(JH+tγJ)\frac{\mathrm{d}\xi^I}{\mathrm{d}t}\Big|_{\text{EoM}}=(\omega^{-1})^{IJ}(\partial_J H+\partial_t{\large\gamma}_J)

^d87288

看逆矩阵

(ω1)IJ=((ω1)xi,  xj=0(ω1)xi,  pj=δ ji={xi,pj}(ω1)pi,  xj=δi j={pi,xj}(ω1)pi,  pj=0)(\omega^{-1})^{IJ} = \left( \begin{array}{c|c} (\omega^{-1})^{x^i,\;x^j}=0 & (\omega^{-1})^{x^i,\;p_j}=\delta^i_{\ j}=\{x^i,p_j\} \\[4pt] (\omega^{-1})^{p_i,\;x^j}=-\delta_i^{\ j}=\{p_i,x^j\} & (\omega^{-1})^{p_i,\;p_j}=0 \end{array} \right)

Poisson bracket 自动出现了. 这无非是在一种特殊坐标系下, 取 2-form 逆的分量.

Σ 到这里我们做了什么?

到这里我们做了什么?

  1. 我们从一般的 action 出发, 讨论它的 gauge invariance, 并计算了 EoM.
  2. 将方程整理为在 χ\chi 的 gauge 变换下不变的形式. 这是 EoM 中真正物理的部分, 并从中定义了 symplectic 2-form.
  3. 从中写出最一般的 EoM, 在 usual case 中计算逆, 发现 Poisson bracket 自动出现. 这表明这个矩阵的逆更为重要, 它不依赖于具体坐标.

所以现在需要去找这个矩阵有哪些不依赖于坐标的性质.

Check Coordinate Transformation Properties

ω~I~J~=ωIJξIξ~I~ξJξ~J~\tilde{\omega}_{\tilde{I}\tilde{J}}=\omega_{IJ}\frac{\partial\xi^I}{\partial\tilde{\xi}^{\tilde{I}}}\frac{\partial\xi^J}{\partial\tilde{\xi}^{\tilde{J}}}

需要检查这与 ω~\tilde{\omega} 的定义相容.

这是一个作业

Abstractly, a symplectic 2-form:

The First Very Important Property of ωIJ\omega_{IJ}

ωIJ\omega_{IJ} has no intrinsic local information. ^b055b4

Darboux theorem

Locally in phase space, one can always find a coordinate system such that

ωIJ=(ωxi,  xj=0ωxi,  pj=δi jωpi,  xj=δj iωpi,  pj=0)\omega_{IJ} = \left( \begin{array}{c|c} \omega_{x^i,\;x^j}=0 & \omega_{x^i,\;p_j}=-\delta_i^{\ j} \\[4pt] \omega_{p_i,\;x^j}=\delta_j^{\ i} & \omega_{p_i,\;p_j}=0 \end{array} \right)

^bb0d22

这就是 “canonical” 的定义.

不同的坐标在局部没有本质区别, 但它们有时没有明确的物理意义, 所以很多时候我们不会采用这种方便的坐标.

证明留作作业