Coordenadas canónicas

En matemática y mecánica clásica, las coordenadas canónicas son conjuntos de coordenadas en el espacio de fase que se pueden usar para describir un sistema físico en cualquier momento dado. Se utilizan en la formulación hamiltoniana de la mecánica clásica. Un concepto estrechamente relacionado también aparece en la mecánica cuántica (véase el teorema de Stone-von Neumann y las relaciones de conmutación canónicas para más detalles).

Como la mecánica hamiltoniana se generaliza por la geometría simpléctica y las transformaciones canónicas se generalizan por las transformaciones de contacto, la definición de coordenadas canónicas en la mecánica clásica del Plantilla:Siglo puede generalizarse a una definición más abstracta de coordenadas del Plantilla:Siglo en el fibrado cotangente de una variedad (la noción matemática de espacio de fases).

Definición en mecánica clásica

En mecánica clásica, las coordenadas canónicas son un sistema de referencia $q_i$ y $p_i$ en el espacio de fase que se utilizan en el formalismo hamiltoniano. Las coordenadas canónicas satisfacen las relaciones fundamentales del corchete de Poisson:

$\{q_i,q_j\}=0\{p_i,p_j\}=0\{q_i,p_j\}={\delta }_{ij}$

Un ejemplo típico de coordenadas canónicas para $q_i$ son las coordenadas cartesianas habituales, y $p_i$ son las componentes del momento. Por lo tanto, en general, las coordenadas $p_i$ se denominan momentos conjugados.

Las coordenadas canónicas se pueden obtener a partir de las coordenadas generalizadas del formalismo lagrangiano mediante una transformación de Legendre, o de otro conjunto de coordenadas canónicas mediante una transformación canónica.

Definición en fibrados cotangentes

Las coordenadas canónicas se definen como un conjunto especial de coordenadas en el fibrado cotangente de una variedad. Por lo general, se escriben como un conjunto de $(q^i,p_j)$ o $(x^i,p_j)$ con las x o las q que denotan las coordenadas en la variedad subyacente y las p que indican el momento conjugado, que son 1-formas en el fibrado cotangente en el punto q de la variedad.

Una definición común de coordenadas canónicas es cualquier conjunto de coordenadas en el fibrado cotangente que permite que la forma canónica se escriba de la manera siguiente:

$\sum _i{p}_i\mathrm{d}{q}^i$

hasta un diferencial total. Un cambio de coordenadas que conserva esta forma es una transformación canónica; se trata de un caso especial de un simplectomorfismo, que es esencialmente un cambio de coordenadas en una variedad simpléctica.

En la siguiente exposición se supone que las variedades son múltiples reales, de modo que los vectores cotangentes que actúan sobre vectores tangentes producen números reales.

Desarrollo formal

Dado un múltiple Plantilla:Mvar, un campo vectorial Plantilla:Mvar en Plantilla:Mvar (una sección del fibrado tangente Plantilla:Math) puede considerarse como una función que actúa sobre el fibrado cotangente, por la dualidad entre los espacios tangente y cotangente. Es decir, se define una función

$P_X:T^{*}Q\to ℝ$

tal que

$P_X(q,p)=p(X_q)$

se cumple para todos los vectores cotangentes Plantilla:Mvar en $T_q^{*}Q$ . Aquí, $X_q$ es un vector en $T_{q}Q$, el espacio tangente al múltiple Plantilla:Mvar en el punto Plantilla:Mvar. La función $P_X$ se llama la función de impulso correspondiente a Plantilla:Mvar.

En coordenadas locales, el campo vectorial Plantilla:Mvar en el punto Plantilla:Mvar puede escribirse como

$X_q=\sum _i{X}^i(q)\frac{\partial }{\partial q^i}$

donde $\partial /\partial q^i$ son las coordenadas en Plantilla:Mvar. El momento conjugado tiene entonces la expresión

$P_X(q,p)=\sum _i{X}^i(q)p_i$

donde el $p_i$ se definen como las funciones de impulso correspondientes a los vectores $\partial /\partial q^i$:

$p_i=P_{\partial /\partial q^i}$

los $q^i$ junto con los $p_j$ forman un sistema de coordenadas en el fibrado cotangente $T^{*}Q$. Estas coordenadas se denominan coordenadas canónicas.

Coordenadas generalizadas

En la mecánica lagrangiana, se usa un conjunto diferente de coordenadas, llamadas coordenadas generalizadas, que se denotan comúnmente como $(q_i,{\dot{q}}_i)$ con $q_i$ denominada la posición generalizada y ${\dot{q}}_i$ La velocidad generalizada. Cuando se define un Hamiltoniano en el fibrado cotangente, las coordenadas generalizadas se relacionan con las coordenadas canónicas por medio de las ecuaciones de Hamilton-Jacobi.

Véase también

• Análisis discriminante lineal
• Colector simpléctico
• Campo vectorial simpléctico
• Simpectomorfismo
• Impulso cinético

Bibliografía

• Plantilla:Cita libro Plantilla:Cita libro Plantilla:Cita libro
• Ralph Abraham y Jerrold E. Marsden, Fundamentos de la mecánica, (1978) Benjamin-Cummings, Londres Plantilla:ISBN Véase sección 3.2.