- Poissonklammer
-
Die Poisson-Klammer (nach Siméon Denis Poisson) ist ein bilinearer Differentialoperator in der kanonischen (hamiltonschen) Mechanik. Sie ist definiert als
wobei f und g Funktionen sind. Hierbei sind die qk die generalisierten Koordinaten, pk die kanonisch konjugierten Impulse und s die Anzahl der Freiheitsgrade.
Inhaltsverzeichnis
Herleitung
Der Einfachheit halber verwenden wir Vektorschreibweise
sowie
- .
Zudem verwenden wir bei den partiellen Ableitungen die vektorielle Notation mit einem Skalarprodukt im s-dimensionalen Raum, also etwa
- ,
wobei H die Hamilton-Funktion des Systems ist. Mit diesen Vereinfachungen wird die Zeitableitung einer beliebigen Observablen zu
- .
Benutzen wir nun die Hamilton'schen Gleichungen in vektorieller Form,
so erhalten wir damit
Man definiert also die Poisson-Klammer allgemein als
Eigenschaften
- Antisymmetrie
- Bilinearität
- Produktregel
- Invarianz
Physikalisch liegt es nahe anzunehmen, dass die Zeitentwicklung einer Eigenschaft eines Systems nicht von den verwendeten Koordinaten abhängen sollte. Damit sollten auch die Poisson-Klammern unabhängig von den verwendeten kanonischen Koordinaten sein. Seien und zwei verschiedene Sätze von Koordinaten, die durch kanonische Transformationen transformiert werden, so gilt
- .
Der Beweis für die Invarianzeigenschaft ist länglich, sodass wir ihn hier auslassen.
Fundamentale Poisson-Klammern
Für die kanonische Mechanik wichtig sind die fundamentalen Poisson-Klammern
welche einfach aus den trivialen Beziehungen
folgen.
Dabei ist δkl das Kronecker-Delta.
Anwendung
- Die Poisson-Klammer kann dazu benutzt werden, um die zeitliche Änderung von Observablen durch die Dynamik des Systems zu bestimmen. Es gilt für eine Observable
- Insbesondere kann man mit dieser Gleichung Konstanten der Bewegung (Erhaltungsgrößen) charakterisieren. Eine Observable ist nämlich genau dann eine Erhaltungsgröße, wenn
- gilt. Ist f nicht explizit zeitabhängig, wird daraus
- Dual zur Bewegungsgleichung der Observablen ist die Liouville-Gleichung, die die Dynamik der Verteilungsdichte in der statistischen Mechanik beschreibt:
- In der Quantenmechanik wird im Rahmen der kanonischen Quantisierung die Poisson-Klammer durch mal den Kommutator ersetzt. Die Liouville-Gleichung findet ihre Entsprechung dabei in der Von-Neumann'schen Bewegungsgleichung.
- Sowohl die Phasenraumfunktionen der kanonischen Mechanik als auch die Operatoren der Quantenmechanik bilden mit ihren Klammern jeweils eine Liealgebra.
Siehe auch
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