格林函數與基本解

因果格林函數(causal Green's function)

對隨時間演化的問題,有一條不可商量的物理規則:結果不能早於它的原因。若你在時刻 s 敲擊系統,關於那一擊的任何效應,都不可能在更早的任何時刻被感受到。因果格林函數就是把這條規則內建進去的含時點源回應——在源作用之前它恆為零,只把系統的回答往時間的前方帶。

用 G(t, s)(暫時略去空間)表示在時刻 t 對「於時刻 s 施加的單位脈衝」的回應。因果性要求 G(t, s) = 0 當 t < s——踢之前沒有回應。定義性質是 L_t G(t, s) = delta(t - s) 加上這個「t < s 時為零」,它在數學上合法的解之中挑出延遲格林函數(另一個是超前的,在反向的 t > s 有支集,那會讓未來影響過去)。回報是一個按時間疊加的乾淨解:對開啟的驅動 f(t),u(t) = integral from -infinity to t of G(t, s) f(s) ds——注意上限是 t,這是因果性的標誌:只有過去的源有貢獻。對 PDE 這變成時空傳播子,例如波動方程的延遲基本解,把一閃沿著光錐向外散開。

為何它是物理上正確的選擇:在電磁學裡它給出延遲位勢(場由過去而非未來的電荷運動決定);在訊號處理裡它是可實現濾波器的脈衝回應;在量子場論裡延遲與費曼傳播子編碼了時間上不同的邊界條件。誠實的重點是:數學同等地容許超前解——方程本身並不知道時間之箭——所以因果性是你額外施加的條件,由物理驅動,而非從微分方程推導而來。又因為因果格林函數不是時間對稱的,它不滿足普通的互易性;取而代之的是該算子的 G 與其時間反演伴隨算子的 G 之間有一個關係。

一個阻尼振子 m x'' + c x' + k x = F(t),在時刻 s 被單位脈衝敲擊,對 t > s 以 G(t, s) = (1/(m omega)) e^(-gamma (t - s)) sin(omega (t - s)) 回應,t < s 之前為零。受驅運動是 x(t) = integral from -infinity to t of G(t, s) F(s) ds。

只有過去驅動現在——積分上限是 t。

方程本身同等地容許延遲解與超前解;因果性(源作用前為零)是你額外施加的物理條件,而因果格林函數不是時間對稱的,所以不服從普通的互易性。

又称
retarded Green's functionthe propagatorcausal propagator延遲格林函數傳播子