正則座標
正則座標是哈密頓力學中「配對正確」的變數——一組位置 q 與動量 p,兩兩搭配得使運動方程呈現乾淨的正則形式。這裡的「正則」意為「合乎規則」:正是在這組座標中,q_dot = partial H / partial p 與 p_dot = - partial H / partial q 成立,理論更深層的結構也在其中顯現。並非你隨手發明的任何一對變數都夠格;「是否正則」是一項需要驗證的性質。
判定的定義性檢驗是基本帕松括號:座標 (q_i, p_j) 為正則,若 {q_i, q_j} = 0、{p_i, p_j} = 0,且 {q_i, p_j} = delta_ij(克羅內克 delta,i = j 時為 1,否則為 0)。等價地說,它們是在辛形式下互相共軛的對。每個 q_i 恰有一個夥伴 p_i,即其共軛動量,原先定義為 p_i = partial L / partial q_dot_i。關鍵是,這裡的「動量」不必是質量乘速度:與角度共軛的動量是角動量,與場共軛的動量是另一個場,而對帶電粒子則是 p = m v + q A,包含了向量位。
正則座標之所以重要,在於改變它們的自由度——透過保持基本括號不變的正則變換——正是哈密頓形式論的巨大威力。你可以把一組彆扭的座標換成一組使哈密頓量變得平凡的座標(這正是哈密頓-雅可比理論與作用-角變數的目標)。帕松括號、劉維爾定理與正則量子化的整套機制,都是用正則共軛對來表述的。
對平面上以極座標 (r, theta) 描述的粒子,正則動量為 p_r = m r_dot 與 p_theta = m r^2 theta_dot。注意 p_theta 是角動量而非線動量,量綱為 J s 而非 kg m/s——但 (theta, p_theta) 仍是完美的正則對;又因 theta 是循環座標,p_theta 守恆。
在極座標中,與角度共軛的動量是角動量。
與某座標共軛的動量取決於拉格朗日量,而不只取決於座標本身。給 L 加上一個全時間導數,或耦合到磁場,都會改變正則動量卻不改變物理速度——所以「正則動量」與「動力學動量 m v」可以真正不同。