정준 변환 (Canonical Transformations)
1. 정의
정준 변환(canonical transformation)은 위상 공간의 좌표 변환으로, 새 좌표에서도 해밀턴 방정식이 성립하는 변환이다:
여기서 는 변환된 해밀토니안이다. 동등하게, 심플렉틱 형식을 보존하는 변환이다:
2. 생성 함수
정준 변환은 생성 함수(generating function)에 의해 구성된다:
| 유형 | 생성 함수 | 관계식 | |------|-----------|--------| | | , | | | | , | | | | , | | | | , | |
서로 다른 유형은 르장드르 변환으로 연결된다: 등.
3. 중요한 정준 변환의 예
항등 변환: ,
점 변환 (배위 공간의 좌표 변환):
예: 직교-극좌표 변환 ,
,
좌표와 운동량이 교환된다! 이는 위상 공간에서 와 가 대등한 역할을 함을 보여준다.
4. 해밀턴-야코비 방정식과의 관계
모든 좌표가 순환 좌표가 되는 정준 변환을 찾으면, 변환된 해밀토니안에서:
모든 가 상수이고 로 선형이다. 이런 변환의 생성 함수 는 해밀턴-야코비 방정식을 만족한다:
이 는 해밀턴의 주함수(Hamilton's principal function)이며, 고전적 작용과 관련된다. 양자역학의 WKB 근사에서 파동함수의 위상이 이 주함수에 해당한다.
5. 무한소 정준 변환
항등 변환에 가까운 무한소 정준 변환:
여기서 는 변환의 생성자(generator)이다.
시간 진화는 해밀토니안 를 생성자로 하는 무한소 정준 변환의 연속이다:
즉, 는 시간 병진의 생성자이다.
6. 정준 변환의 군 구조
정준 변환의 집합은 심플렉틱 군(symplectic group)을 형성한다. 선형 정준 변환은 행렬 으로 표현되며:
이 정준이려면 를 만족해야 한다:
이를 만족하는 실수 행렬의 군이 이다. 이 군은 양자 광학, 입자 가속기 물리학 등에서 중요한 역할을 한다.