永久作用有什么?

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在物理中,我们经常会提到一个概念“作用”(action)这个概念,它的意义非常广,可以表示做功、功率等很多含义。在这里,我将介绍另一个有关作用的含义——作用量(action integral)。 这里,我们将考虑一物体在时空的运动,其路径记为 \gamma(s) ,它所经历的时空点 (\tau_0,\boldsymbol{x}_0)\rightarrow(\tau_1,\boldsymbol{x}_1)\rightarrow.... 这样我们就用 \gamma(s) 来标记这条“路”,而 s 就叫做这条路的“长度”(虽然它实际上可能是一段“道路”的长度,也可能是一只蚂蚁走过的轨迹长度等等)。而“作用量” A[\gamma] 就是这个路的所有时间参数的总和:

A[\gamma]=\int_{\gamma} ds ,其中 \int_{\gamma} 叫做路径积分算符。

上面给出的定义比较抽象,现在我们来看看它有多广泛的应用。最直观的应用就是计算做功!因为做功公式是 W=F·dx ,而假如你能把 F 看成是路径 \gamma 的函数时,就可以把它写成 F[\gamma] 的形式。这时,如果 dx 很小,我们就可以把 \gamma 看成一个点,那么 W 就等于 F[\gamma] 的数值大小;而如果 dx 大于一个临界值,我们就不能把 \gamma 看成一个点,而此时需要引入路径积分算符 \int_{\gamma} 对它进行运算才能最终得到 W 。所以我们可以把 F[\gamma] 看成是由 \gamma 决定的一个量(当然它是依赖于其他一些未说的量的)。 而另外一个经常和作用量联系在一起的量叫做引力势能: E[\gamma]=\frac{Gm^{2}}{r} 。这里 m 是物体的质量, r 是它到某个参考点的距离(在宇宙学情况下这个参考点是宇宙学常数项)。当这个物体作自由运动时,它的总能量是 E[\gamma]+A[\gamma] 。

以上都只是介绍了什么是作用量以及它有哪些应用,下面我们来讨论它本身的性质。首先它可以由路径的起点和终点通过微积分求出(当然求解过程肯定比这更复杂些): A[\gamma]=\int_{\tau_0}^{\tau_1}dt\int_{\mathcal{M}}d^n x\sqrt{-g} 。这里 g 是你选择的度规,它在每一点都要满足爱因斯坦方程。而 \mathcal{M} 是指你选取的时空的子空间(注意和时空的整体区别开来)。当你作出这些选择之后, A[\gamma] 就是一个确定的值了。另外,因为引力是远近都有的影响,所以作用量是一个远距离呈指数衰减的性质很特殊的量子场。

最后,因为我们一般对总能量 E[\gamma] 更加敏感,而它可以直接通过引力作用进行计算,而对于作用量 A[\gamma] 的计算则相当复杂,所以我们一般会先求出 E[\gamma] ,然后利用 E[\gamma]+A[γ] ≥ 0 来得到 A[\gamma] ≤ E[\gamma] 。

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