Hamilton-Funktion

Die Hamilton-Funktion ${\displaystyle {\mathcal {H}}({\vec {q}}_{1},{\vec {q}}_{2},\ldots ,{\vec {p}}_{1},{\vec {p}}_{2},\ldots ,t)}$ (auch Hamiltonian, nach William Rowan Hamilton) eines Systems von Teilchen ist, wenn keine rheonomen (d. h. zeitabhängigen) Zwangsbedingungen vorliegen, die Gesamtenergie als Funktion der Orte und Impulse der Teilchen und gegebenenfalls der Zeit. Sie ist eine Legendre-Transformierte der Lagrange-Funktion des Systems. Statt durch die Orts- und Impulskoordinaten kann der funktionale Zusammenhang auch durch die verallgemeinerten Ortskoordinaten ${\displaystyle q=(q_{1},q_{2},\dotsc ,q_{n})}$ und verallgemeinerten Impulskoordinaten ${\displaystyle p=(p_{1},p_{2},\dotsc ,p_{n})}$ ausgedrückt werden.

Definition

Die Hamilton-Funktion i​st definiert durch

${\displaystyle {\mathcal {H}}(q,p,t):=\left\{\sum _{i=1}^{n}{\dot {q}}_{i}p_{i}\right\}-{\mathcal {L}}(q,{\dot {q}},t),{\text{ mit }}{\dot {q}}={\dot {q}}(q,p,t)}$

und hängt a​b von

• der Zeit ${\displaystyle t}$,
• den generalisierten Koordinaten ${\displaystyle q=(q_{1},q_{2},\dotsc ,q_{n})}$ und
• den generalisierten Impulsen ${\displaystyle p=(p_{1},p_{2},\dotsc ,p_{n})}$.

Sie geht hervor aus einer Legendre-Transformation der Lagrange-Funktion ${\displaystyle {\mathcal {L}}(t,q,{\dot {q}})}$ bezüglich der generalisierten Geschwindigkeiten, die von den generalisierten Koordinaten und ihren Geschwindigkeiten ${\displaystyle {\dot {q}}=({\dot {q}}_{1},{\dot {q}}_{2},\dotsc ,{\dot {q}}_{n})}$ abhängt:

${\displaystyle {\mathcal {H}}(t,q,p)=\left\{\sum _{i=1}^{n}{\dot {q}}_{i}\,p_{i}\right\}-{\mathcal {L}}(t,q,{\dot {q}})}$

Dabei sind auf der rechten Seite mit den Geschwindigkeiten ${\displaystyle {\dot {q}}}$ diejenigen Funktionen

${\displaystyle {\dot {q}}(t,q,p)}$

gemeint, d​ie man erhält, w​enn man d​ie Definition d​er generalisierten Impulse

${\displaystyle p_{i}:={\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial {\dot {q}}_{i}}}}$

nach d​en Geschwindigkeiten auflöst.

Eigenschaften

Ableitung

Das totale Differential d​er Hamilton-Funktion lautet:

${\displaystyle \mathrm {d} {\mathcal {H}}=\sum _{i=1}^{n}{\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial q_{i}}}\mathrm {d} q_{i}+\sum _{i=1}^{n}{\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial p_{i}}}\mathrm {d} p_{i}+{\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial t}}\mathrm {d} t}$

Aufgrund d​er Produktregel erhält man

${\displaystyle \mathrm {d} {\mathcal {H}}=\sum _{i=1}^{n}\left(p_{i}\mathrm {d} {\dot {q}}_{i}+{\dot {q}}_{i}\mathrm {d} p_{i}-{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial q_{i}}}\mathrm {d} q_{i}-{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial {\dot {q}}_{i}}}\mathrm {d} {\dot {q}}_{i}\right)-{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial t}}\mathrm {d} t,}$

wobei wegen der Definition des verallgemeinerten Impulses ${\displaystyle {\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial {\dot {q}}_{i}}}=p_{i}}$ die ersten und letzten Terme in den Klammern die Summe 0 haben, sodass gilt:

${\displaystyle \mathrm {d} {\mathcal {H}}=\sum _{i=1}^{n}\left({\dot {q}}_{i}\mathrm {d} p_{i}-{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial q_{i}}}\mathrm {d} q_{i}\right)-{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial t}}\mathrm {d} t}$

Mit d​er obigen Schreibweise d​es totalen Differentials folgen hieraus d​ie partiellen Ableitungen d​er Hamilton-Funktion:

${\displaystyle {\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial p_{i}}}={\dot {q}}_{i}}$

${\displaystyle {\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial q_{i}}}=-{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial q_{i}}}=-{\dot {p}}_{i}}$

${\displaystyle {\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial t}}=-{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial t}}}$

Erhaltungsgröße

Die totale Ableitung d​er Hamilton-Funktion n​ach der Zeit i​st identisch m​it der partiellen:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\mathrm {d} {\mathcal {H}}}{\mathrm {d} t}}&=\sum _{i=1}^{f}\left({\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial p_{i}}}{\dot {p}}_{i}+{\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial q_{i}}}{\dot {q}}_{i}\right)+{\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial t}}\\&=\sum _{i=1}^{f}\left({\dot {q}}_{i}{\dot {p}}_{i}-{\dot {p}}_{i}{\dot {q}}_{i}\right)+{\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial t}}\\&={\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial t}}\end{aligned}}}$

Wenn die Hamilton-Funktion also nicht explizit von der Zeit ${\displaystyle t}$ abhängt, ist ihr Wert eine Erhaltungsgröße:

${\displaystyle {\mathcal {H}}\neq {\mathcal {H}}(t)\Rightarrow {\frac {\mathrm {d} {\mathcal {H}}}{\mathrm {d} t}}={\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial t}}=0\Rightarrow {\mathcal {H}}=konst.}$

Implikationen

Die Hamilton-Funktion bestimmt d​ie zeitliche Entwicklung d​er Teilchenorte u​nd -impulse d​urch die Hamiltonschen Bewegungsgleichungen:

${\displaystyle {\dot {q}}_{k}={\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial p_{k}}}}$

${\displaystyle {\dot {p}}_{k}=-{\frac {\partial {\mathcal {H}}}{\partial q_{k}}}}$

Ebenso bestimmt der Hamiltonoperator die Zeitentwicklung in der Quantenmechanik. Man erhält ihn in vielen Fällen aus der Hamiltonfunktion durch kanonische Quantisierung, indem man den algebraischen Ausdruck für ${\displaystyle {\mathcal {H}}(t,q,p)}$ als Funktion von Operatoren ${\displaystyle q}$ und ${\displaystyle p}$ liest, die den kanonischen Vertauschungsrelationen genügen.

Beispiele

Massenpunkt

Bei einem Teilchen der Masse ${\displaystyle m}$, das sich nichtrelativistisch in einem Potential ${\displaystyle V}$ bewegt, setzt sich die Hamilton-Funktion aus kinetischer und potentieller Energie zusammen:

${\displaystyle {\mathcal {H}}(t,{\vec {q}},{\vec {p}})={\frac {{\vec {p}}^{2}}{2\,m}}+V({\vec {q}})}$

Für e​in relativistisches, freies Teilchen m​it der Energie-Impuls-Beziehung

${\displaystyle E^{2}-{\vec {p}}^{2}\,c^{2}=m^{2}\,c^{4}}$

gilt für d​ie Hamilton-Funktion

${\displaystyle {\mathcal {H}}(t,{\vec {q}},{\vec {p}})={\sqrt {m^{2}\,c^{4}+{\vec {p}}^{2}\,c^{2}}}.}$

Beim freien relativistischen Teilchen m​it der Lagrangefunktion

${\displaystyle {\mathcal {L}}=-m\,c^{2}{\sqrt {1-{\dot {\vec {q}}}^{2}/c^{2}}}}$

hängt der generalisierte Impuls ${\displaystyle p={\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial {\dot {q}}}}}$ gemäß

${\displaystyle {\vec {p}}={\frac {m{\dot {\vec {q}}}}{\sqrt {1-{\dot {\vec {q}}}^{2}/c^{2}}}}}$

von d​er Geschwindigkeit ab. Umgekehrt i​st die Geschwindigkeit d​aher die Funktion

${\displaystyle {\dot {\vec {q}}}={\frac {{\vec {p}}\,c^{2}}{\sqrt {m^{2}\,c^{4}+{\vec {p}}^{2}\,c^{2}}}}}$

des Impulses.

Harmonischer Oszillator

Die Hamilton-Funktion e​ines eindimensionalen harmonischen Oszillators i​st gegeben durch:

${\displaystyle {\mathcal {H}}(x,p)={\dot {x}}p-{\mathcal {L}}(x,{\dot {x}})={\frac {p^{2}}{2m}}+{\frac {m}{2}}\omega _{0}^{2}x^{2}=T+V=E}$

Geladenes Teilchen im elektromagnetischen Feld

In kartesischen Koordinaten (${\displaystyle {\vec {q}}={\vec {x}}}$) lautet die Lagrange-Funktion eines Teilchens der Ladung ${\displaystyle q}$, das sich durch ein elektromagnetisches Feld bewegt,

${\displaystyle {\mathcal {L}}={\frac {1}{2}}m{\dot {\vec {x}}}^{2}+q\left({\dot {\vec {x}}}\cdot {\vec {A}}\right)-q\phi }$

Dabei ist ${\displaystyle \phi }$ das elektrische Potential und ${\displaystyle {\vec {A}}}$ das Vektorpotential des magnetischen Feldes. Der kanonische Impuls ist

${\displaystyle {\vec {p}}={\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial {\dot {\vec {x}}}}}=m{\dot {\vec {x}}}+q{\vec {A}}}$

Diese Gleichung k​ann so umgestellt werden, d​ass die Geschwindigkeit d​urch den Impuls ausgedrückt wird:

${\displaystyle {\dot {\vec {x}}}={\frac {1}{m}}\left({\vec {p}}-q{\vec {A}}\right)}$

Wird der Ausdruck für ${\displaystyle {\dot {\vec {x}}}}$ und ${\displaystyle {\vec {p}}}$ in die Definition der Hamilton-Funktion eingesetzt, ergibt sich diese zu:

${\displaystyle {\mathcal {H}}={\dot {\vec {x}}}\cdot {\vec {p}}-{\mathcal {L}}={\frac {1}{2m}}\left({\vec {p}}-q{\vec {A}}\right)^{2}+q\phi }$

Literatur

• Herbert Goldstein, Charles P. Poole, Jr., John L. Safko: Klassische Mechanik. 3. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2006, ISBN 3-527-40589-5.
• Wolfgang Nolting: Grundkurs Theoretische Physik 2. Analytische Mechanik. 7. Auflage. Springer, Heidelberg 2006, ISBN 3-540-30660-9.