Основы теоретической физики/Момент импульса

2.3.7. Момент импульсаПравить

Момент импульса в Лагранжевой механике сохраняется благодаря тому, что функция Лагранжа не изменяется при любых трехмерных поворотах системы координат, то есть из-за изотропии пространства. Для релятивистского момента импульса можно вывести аналогичный закон.

Пусть Xi – это 4-вектор координат частицы. Если сделать бесконечно малый поворот системы координат в четырехмерном пространстве, то координаты частицы поменяются на X'i. Изменение координат при повороте можно представить как сумму изменений координат при поворотах вокруг каждой оси:

  формулы (2.3.58)

Длина 4-вектора не изменяется при поворотах, так как это интервал:

  формулы (2.3.59)

Подставим (2.3.58)  в (2.3.59) :

  формулы (2.3.60)

Раскрывая в (2.3.60)  скобки и опуская члены второго порядка малости, получим:

  формулы (2.3.61)

Полученное выражение (2.3.61) , представляет собой произведение двух тензоров второго ранга. Такое произведение может быть равно нулю лишь в том случае, если один тензор симметричный, а второй – антисимметричный. Значит, поскольку тензор XiXk - симметричный, тензор   - должен быть антисимметричным. То есть:

  формулы (2.3.62)

Рассмотрим теперь вариацию действия в формуле (2.3.62)  при повороте системы координат:

  формулы (2.3.63)

При бесконечно малом повороте, вариация координаты в (2.3.63)  это разность координат в разных системах отсчета, из (2.3.58)  получим:

  формулы (2.3.64)

Подставим (2.3.64)  в (2.3.63) :

  формулы (2.3.65)

Рассмотрим теперь два вспомогательных тензора: антисимметричный и симметричный тензоры Aik и Bik, сумма которых даст тензор PiXk:

  формулы (2.3.66)

Сделаем замену (2.3.66)  в формуле (2.3.65) :

  формулы (2.3.67)

Во втором слагаемом в (2.3.67) , стоит произведение симметричного и антисимметричного тензора, значит это слагаемое равно нулю.

Таким образом, учитывая, что вариация действия должна равняться нулю, из (2.3.67)  получаем:

  формулы (2.3.68)

Формула (2.3.68)  определяет антисимметричный тензор второго ранга, компоненты которого сохраняется при повороте системы координат в четырехмерном пространстве. Этот тензор и называют 4-тензором момента импульса частицы:

  формулы (2.3.69)

Легко заметить, что ненулевые, чисто пространственные компоненты тензора (2.3.69) , совпадают с «классическим» трехмерным моментом импульса:

  формулы (2.3.70)

Три смешанные компоненты тензора (2.3.69) , представляют собой вектор:

  формулы (2.3.71)

Можно объединить (2.3.70)  и (2.3.71) , тогда тензор момента импульса можно записать в виде матрицы из двух векторов:

  формулы (2.3.72)

Формула (2.3.72)  определяет четырехмерный момент импульса одной частицы. Так как момент импульса — это аддитивный интеграл движения, то для множества частиц формула (2.3.72)  примет вид:

  формулы (2.3.73)

В левой части (2.3.73)  компоненты 4-момента сохраняются, а в правой части трехмерный момент импульса сохраняется, значит сохраняется и вектор (2.3.71) :

  формулы (2.3.74)

Можно преобразовать (2.3.74) :

  формулы (2.3.75)

В формуле (2.3.75)  вектор   — это релятивистское определение радиус-вектора центра инерции системы. Скорость   — это скорость системы частиц как целого.

Можно заметить, что если скорости всех частиц много меньше скорости света, то энергия покоя будет много больше кинетической энергии и для центра инерции получится «классическое» выражение:

  формулы (2.3.76)

См. такжеПравить

<<Назад  |  Далее>>
Оглавление

ПримечанияПравить