개념완성

정준 변환 (Canonical Transformations)

1. 정의

정의6.1정준 변환

정준 변환(canonical transformation)은 위상 공간의 좌표 (q,p)(Q,P)(q, p) \to (Q, P) 변환으로, 새 좌표에서도 해밀턴 방정식이 성립하는 변환이다:

Q˙k=KPk,P˙k=KQk\dot{Q}_k = \frac{\partial K}{\partial P_k}, \qquad \dot{P}_k = -\frac{\partial K}{\partial Q_k}

여기서 K(Q,P,t)K(Q, P, t)는 변환된 해밀토니안이다. 동등하게, 심플렉틱 형식을 보존하는 변환이다:

kdPkdQk=kdpkdqk\sum_k dP_k \wedge dQ_k = \sum_k dp_k \wedge dq_k

2. 생성 함수

정의6.2생성 함수의 네 가지 유형

정준 변환은 생성 함수(generating function)에 의해 구성된다:

| 유형 | 생성 함수 | 관계식 | |------|-----------|--------| | F1(q,Q,t)F_1(q, Q, t) | p=F1qp = \frac{\partial F_1}{\partial q}, P=F1QP = -\frac{\partial F_1}{\partial Q} | K=H+F1tK = H + \frac{\partial F_1}{\partial t} | | F2(q,P,t)F_2(q, P, t) | p=F2qp = \frac{\partial F_2}{\partial q}, Q=F2PQ = \frac{\partial F_2}{\partial P} | K=H+F2tK = H + \frac{\partial F_2}{\partial t} | | F3(p,Q,t)F_3(p, Q, t) | q=F3pq = -\frac{\partial F_3}{\partial p}, P=F3QP = -\frac{\partial F_3}{\partial Q} | K=H+F3tK = H + \frac{\partial F_3}{\partial t} | | F4(p,P,t)F_4(p, P, t) | q=F4pq = -\frac{\partial F_4}{\partial p}, Q=F4PQ = \frac{\partial F_4}{\partial P} | K=H+F4tK = H + \frac{\partial F_4}{\partial t} |

서로 다른 유형은 르장드르 변환으로 연결된다: F2=F1+QPF_2 = F_1 + QP 등.

3. 중요한 정준 변환의 예

예제항등 변환과 점 변환

항등 변환: F2=qkPkF_2 = q_kP_k \Rightarrow Qk=qkQ_k = q_k, pk=Pkp_k = P_k

점 변환 (배위 공간의 좌표 변환): F2=fk(q)PkF_2 = f_k(q)P_k

Qk=fk(q),pk=jfjqkPjQ_k = f_k(q), \qquad p_k = \sum_j \frac{\partial f_j}{\partial q_k}P_j

예: 직교-극좌표 변환 Q1=q12+q22Q_1 = \sqrt{q_1^2 + q_2^2}, Q2=arctan(q2/q1)Q_2 = \arctan(q_2/q_1)

예제교환 변환

F1=qkQkF_1 = q_kQ_k \Rightarrow pk=Qkp_k = Q_k, Pk=qkP_k = -q_k

좌표와 운동량이 교환된다! 이는 위상 공간에서 qqpp가 대등한 역할을 함을 보여준다.

4. 해밀턴-야코비 방정식과의 관계

참고해밀턴-야코비 이론

모든 좌표가 순환 좌표가 되는 정준 변환을 찾으면, 변환된 해밀토니안에서:

Q˙k=KPk=const.,P˙k=KQk=0\dot{Q}_k = \frac{\partial K}{\partial P_k} = \text{const.}, \qquad \dot{P}_k = -\frac{\partial K}{\partial Q_k} = 0

모든 Pk=αkP_k = \alpha_k가 상수이고 Qk=βk+ωktQ_k = \beta_k + \omega_k t로 선형이다. 이런 변환의 생성 함수 S(q,P,t)S(q, P, t)는 해밀턴-야코비 방정식을 만족한다:

H(q,Sq,t)+St=0H\left(q, \frac{\partial S}{\partial q}, t\right) + \frac{\partial S}{\partial t} = 0

SS는 해밀턴의 주함수(Hamilton's principal function)이며, 고전적 작용과 관련된다. 양자역학의 WKB 근사에서 파동함수의 위상이 이 주함수에 해당한다.

5. 무한소 정준 변환

정의6.3무한소 정준 변환

항등 변환에 가까운 무한소 정준 변환:

Qk=qk+ϵ{qk,G},Pk=pk+ϵ{pk,G}Q_k = q_k + \epsilon\{q_k, G\}, \qquad P_k = p_k + \epsilon\{p_k, G\}

여기서 G(q,p)G(q, p)는 변환의 생성자(generator)이다.

δqk=ϵGpk,δpk=ϵGqk\delta q_k = \epsilon\frac{\partial G}{\partial p_k}, \qquad \delta p_k = -\epsilon\frac{\partial G}{\partial q_k}

시간 진화는 해밀토니안 HH를 생성자로 하는 무한소 정준 변환의 연속이다:

qk(t+dt)=qk(t)+dtHpk,pk(t+dt)=pk(t)dtHqkq_k(t+dt) = q_k(t) + dt\frac{\partial H}{\partial p_k}, \qquad p_k(t+dt) = p_k(t) - dt\frac{\partial H}{\partial q_k}

즉, HH는 시간 병진의 생성자이다.

6. 정준 변환의 군 구조

참고심플렉틱 군

정준 변환의 집합은 심플렉틱 군(symplectic group)을 형성한다. 선형 정준 변환은 행렬 MM으로 표현되며:

(QP)=M(qp)\begin{pmatrix} Q \\ P \end{pmatrix} = M \begin{pmatrix} q \\ p \end{pmatrix}

MM이 정준이려면 MTJM=JM^T J M = J를 만족해야 한다:

J=(0InIn0)J = \begin{pmatrix} 0 & I_n \\ -I_n & 0 \end{pmatrix}

이를 만족하는 2n×2n2n \times 2n 실수 행렬의 군이 Sp(2n,R)Sp(2n, \mathbb{R})이다. 이 군은 양자 광학, 입자 가속기 물리학 등에서 중요한 역할을 한다.