Что не так с моим аргументом в пользу вывода гамильтониана в теории относительности?

В общей теории относительности (и специальной тоже) лагранжиан для частицы массы м при отсутствии других сил, кроме силы тяжести

л "=" м г мю ν U мю U ν

где U мю является четырехскоростной. В этом случае мы можем получить импульс п мю к

п мю "=" л U мю "=" U мю м г α β U α U β

п мю "=" м г α β 2 г α β U α U β ( дельта мю α U β + дельта мю β U α ) "=" м г мю α U α г α β U α U β

Если мы параметризуем мировую линию по собственному времени т затем л ( γ ( т ) , γ ( т ) ) "=" м и мы получаем квадратный корень из знаменателя, который просто 1 . Затем

п мю "=" м г мю α U α ,

и это компоненты ковектора. Это напрямую приводит к четырехвектору импульса

п мю "=" м U мю .

Здесь все работает. Теперь я хочу вычислить энергию. Ну гамильтониан как всегда должен быть

ЧАС "=" п мю U мю м г мю ν U мю U ν "=" м г мю ν U мю U ν м г мю ν U мю U ν .

Но если вещи параметризованы собственным временем, когда мы вычисляем ЧАС на пути, т. ЧАС ( γ ( т ) , γ ( т ) ) получаем ноль!

Я ожидал получить ЧАС "=" п 0 .

Что я здесь делаю неправильно? Почему я получаю ноль?

Может быть, я тупой, но как вы можете надеяться получить только одну компоненту 4-вектора, когда все ваши манипуляции связаны с величинами со всеми сокращенными индексами? Слева от вашего окончательного уравнения у вас есть ЧАС как скаляр, и это следует из манипулирования скалярами все время, но двумя строками позже, где вы утверждаете ЧАС должен быть компонентом 4-вектора, поэтому одно из определений должно быть неверным.
Дело принято, я не могу узнать ЧАС "=" п 0 с ЧАС преобразуется как скаляр и п 0 как компонент четырехвектора. Это разумно. Однако я делаю все это для того, чтобы оправдать 0 -й компонент 4 - Импульс - это энергия. Поэтому я считаю, что мог бы получить это, вычислив гамильтониан, который должен быть энергией. В этом смысле в относительности ЧАС это не энергия или п 0 не всегда энергия? Что мне здесь не хватает?
The ЧАС вы вычисляете, поскольку скаляр не может быть энергией, поскольку энергия является одним компонентом 4-вектора импульса.

Ответы (1)

  1. Проблема в том, что преобразование Лежандра от 4-скорости к 4-импульсу сингулярно: 4 компонента 4-импульса п мю вынуждены жить на массовой оболочке

    (А) п мю г мю ν п ν   "="   ± м 2 .
    Здесь ± относится к выбору соглашения о знаках Минковского ( ± , , , ) . Следовательно, это ограниченная система. 4-импульс имеет только 3 независимых компонента.

  2. Как выполнить сингулярное преобразование Лежандра для релятивистской точечной частицы, объясняется, например, в этом посте Phys.SE.

  3. Оказывается, появление ограничения (A) и обращение в нуль энергии/гамильтониана отражают репараметризационную инвариантность модели на мировой линии. См. также, например , этот пост Phys.SE.