Teoría Clásica de los Campos 2

7/25/2019 Teora Clsica de los Campos 2

1/121


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m

1

1 . P u n t o d e v i st a ' a c t i v o , p u n t o d e v i s t a p a s i v o .

y

U t i l i z a r e m o s

f

c o n f r e c u e n c i a t r a n s f o r m a c i o n e s

l i n e a l e s e n n u e s t r o e s t u d i o d e T e o r a d e C a m p o s . E s i n t e -

r e s a n t e e n t o n c e s d i s c u t i r u n p u n t o s o b r e t r a n s f o r m a c i o n e s

l i n e a l e s q u e n o h a s i d o m e n c i o n a d o h a s t a a h o r a .

U n a: t r a s f o r m a c i n . l i n e a l , h a s i d o p e n s a d a c o m o

u n o b j e t o q u e t r a n s f o r m a v e c t o r e s e n v e c t o r e s :

T ( x ) = x '

1.1)

P a r t i e n d o d e u n a c i e r t a b a s e y:e s c r i b i e n d o :

T ( e.) = e - L

J

.e .

1

J

y 1 1 J

( 1 . 2 )

l l e g a m o s s i n * d i f i c u l t a d a l a e x p r e s i n p a r a las- c o o r d e n a d a s

d e l n u e v o p u n t o e n -la v i e j a b a s e :

t


3/121

W.

- 2

e

.

= T

3

.

e

l . 1 3

( 1 . 5 )

e x p r e s i n q u e d e b e c o m p a r a r s e c o n ( 1 . 2 ) .

A h o r a u n m i s m o v e c t o r x t i e n e c o o r d e n a d a s e n

l a b a s e v i e j a d a d a s p o r :

x = x e .

1

p e r o e n l a b a s e n u e v a s e t i e n e

x = x

1

e . = x

1

0

. e = T

1

.x

3

e

1 1 j j 1

(1.6)

y l as c o o r d e n a d a s d e l m i s m o v e c t o r e n l a n u e v a b a s e s o n :

x = x

1

e

1

,1 m i j

x* = T .x

J

3

( 1 . 7 )

E s t o s e c o n o c e c o m o e l p u n t o d e v i s t a p a s i v o .

S e c a r a c t e r i z a p o r :

i ) L a t r a n s f o r m a c i n s e r e c o n o c e c o m o u n c a m b i o d e b a s e .

i i ) L a r e l a c i n ( 1 . 7 ) s e r e f i e r e a l a s c o m p o n e n t e s d e l

m i s m o v e c t o r v i s t o e n l a s d o s b a s e s .

P u e s t o q u e e n F s i c a u n v e c t o r s e i d e n t i f i c a

c o n s us c o m p o n e n t e s y l a r e l a c i n ( 1 . 7 ) e s i d n t i c a a

( 1. 3 J n o h a y c a m b i o s e n l o s a l g o r i t m o s , r e g l a s d e t r a n s -

f o r m a c i n , e t c,i n d u c i d o s p o r t r a n s f o r m a c i o n e s l i n e a l e s .

A m b o s p u n t o s d e v i s t a s o n i d n t i c o s p a r a e f e c t o s

p r c t i c o s . E n l a i n t r o d u c c i n d e l c o n c e p t o de t r a n s f o r m a -

c i n l i n e a l h e m o s p r e f e r e r i d o e l p u n t o d e v i s t a a c t i v o

m s g e o m t r i c o e i n t u i t i v o . P a r a l a d i s c u s i n d e c o v a r i a n c i a

y o b s e r v a d o r e s e q u i v a l e n t e s e s p r e f e r i b l e q u i z s a d o p t a r

u n a i n t e r p r e t a c i n p a s i v a . E n e s t a s n o t a s e m p l e a r e m o s a m b o s

p u n t o s d e v i s t a , p r e v i a a d v e r t e n c i a a l l e c t o r , p a r a t e n e r m a y o r

f l e x i b i l i d a d e n la i n t e r p r e t a c i n d e n u e s t r a s t r a n s f o r m a c i o n e s


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- 3 -

2.

C am pc /s y t r a s l a c i o n e s .

m

V

E l x i t o d e l a T e o r a d e M a x w e l l c o m o t e o r a

d e i n t e r a c c i n a d i s t a n c i a c o n l a i n t r o d u c c i n d e la

i d e a d e c a m p o s u g i e r e l a e x t e n s i n d e l m t o d o a o t r o s

t i p o s d e p o r b l e m a . E n l u g a r d e l a s e i s c o m p o n e n t e s d e

c a m p o F ^

v

( x ) d e - M a x w e y p o d e m o S;g e n e r a l i z a r a l c a s o e n

q u e l a d e s c r i p c i n d e un a' : t e o r a p r e c i s a d e u n c o n j u n t o d e

N o b j e t o s :

$

1

( x ) , $

2

( x ),. . . , $

N

( x ) ( 2 . 1 )

D e f i n i m o s u n c a m p o , c o m o u n a f u n c i n , e n g e n e r a l

4

c o m p l e j a , d e f i n i d a e n t o d o R .

L o s N c m p o s $ - ( x ) ; d e b e n p e n s a r s e c o m o l o s o b j e t o s

c i n e m t i c o s p r i m a r i o s : q u e u n , o b s e r v a d o r p o s e e p a r a la d e s c r i p

c i n d e u n c i e r t o p r o c e s o , f s i c o .

L a s o b l i g a c i o n e s q u e h e m o s c o n t r a d o b a j o e l

g r u p o d e c o v a r i a n c i a d e l a t e o r a n o s f u e r z a n a d i s c u t i r

l a t r a n s f o r m a c i n d e e s t o s o b j e t o s b a j o e l e m e n t o s d e l

g r u p o d e c o v a r i a n c i a q u e i d e n t i f i c a m o s c o n :

+

T r a s l a c i o n e s + T r a n s f o r m a c i o n e s e n L ^ ( 2 . 2 )

C a d a t e o r a d e c i d i r s o b r e l a s t r a n s f o r m a c i o n e s

discjret as F Y T co mo inciluidas o no en el gr up o de

c o v a r i a n c i a . P o r e s t a r a z n n o s e r n d i s c u t i d a s e n g e n e r a l .

L a p r e s c r i p c i n dejl c a m b i o b a j o t r a n s f o r m a c i o n e s

d e l g r u p o de c o v a r i a n c i a p u e d e s e r h e c h a e x c l u s i v a m e n t e

a n i v e l d e t r a n s f o r m a c i o n e s i n f i n i t e s i m a l e s . P a r a t r a n sf o r -

m a c i o n e s f i n i t a s p o d r e m o s ' s i e m p r e p r o c e d e r p o r r e i t e r a -

c i n d e t r a n s f o m a c i o n e s i n f i n i t e s i m a l e s .

P e n s e m o s e n u n a t r a s l a c i n i n f i n i t e s i m a l p r o d u c i d a

p o r e l v e c t o r e :

x '

M

= x

y

+

e

u

(2.3)


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- 4 -

i

' T o d a s l a s t e o r a s q u e v a m o s a e s t u d i a r a d o p t a n

c o m o r e s p ue s t a a u n a t r a s l a c i n l a r e l a c i n :

$ ( x ' ) = $

i

( x ) ; i = 1 , . . . , N ( 2 . 4 )

E n e l p u n t o d e v i s t a a c t i v o , x ' e s e l v e c t o r

t r a s l a d a d o y ;

. -

e l - c a m p o t r a s l a d a d o . S o n l o s o b j e t o s

d e q u e d i s p o n e e l o b s e r v a d o r e q u i v a l e n t e . E n e l p u n t o d e

v i s t a p a s i v o , x

1

y . x s o n l a s - c o o r d e n a d a s - d e l - m i s m o p u n t o

g e o m t r i c o d e a c u e r d o a l o s c r i t e r i o s d e lo s d o s o b s e r v a d o r e s

d e e q u i v a l e n c i a .

L a r e l a c i n ( 2.4.) a f i r m a q u e , b a j o t r a s l a c i o n e s ,

s e p o s t u l a u n c a m b i o e n l o s - c a m p o s q u e - l o s d e f i n e c o m o

" e s c a l a r e s " b a j o e l g r u p o d e t r a s l a c i o n e s .

/

E s a b s o l u t a m e n t e f u n d a m e n t a l d i s t i n g u i r e nt r e d o s

t i p o s d e c a m b i o p r o d u c i d o s e n e l ^ c a m p o p o r l a

-

t r a n s f o r m a c i n .

E n . p r i m e r l u g a r , e l a r g u m e n t o d e l c a m p o c a m b i a d e x

a x ' . A u n q u e l a f u n c i n f u e r a l a m i s m a , e s o b v i o q u e e s t o

a l t e r a e l v a l o r d e l c a m p o .

E n s e g u n d o l u g a r , l a m i s m a f u n c i n s u f r e u n c a m b i o *'

c o m o t a l y p a s a a s e r . A u n q u e n o h u b i e r a , c a m b i o d e c o o r -

d e n a d a s , e s t o p r o d u c i r a d e n u e v o u n c a m b i o e n e l c a m p o .

D e f i n i m o s e n t o n c e s c o m o c o n c e p t o s i n d e p e n d i e n t e s :

i ) V a r i a c i n l o c a l .

S e d e f i n e c o m o :

6 $

i

( x ) = - $ . ( x ) ( 2 . 5 )

L a t e r m i n o l o g a p r o v i e n e d e u n a i n t e r p r e t a c i n

p a s i v a . E n e l l a , x ' e s e l m i s m o p u n t o g e o m t r i c o q u e x . E n t o n c e s

( 2 . 5 ) m i d e e l c a m b i o e n e l c a m p o e n e l m i s m o p u n t o g e o m t r i c o ,

i i ) V a r i a c i n t o t a l .

S e d e f i n e c o m o :

A

i

(x) =

(x) - 4

i

(x)

( 2 . 0 )


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E s t a v a r i a c i n , q u e p u d i e r a l l a m a r s e " v a r i a c i n

f u n c i o n a l " p o r c u a n t o m i d e e l c a m b i o d e l a s f u n c i o n e s d e

c a m p o d e l o s d o s o b s e r v a d o r e s e n e l m i s m o a r g u m e n t o m a t e -

m t i c o,e x i s t i r a i n c l u s o a u n q u e n o s e h u b i e r a e f e c t u a d o

c a m b i o d e v a r i a b l e a l g u n o .

E l p o s t u l a d o d e t r a n s f o r m a c i n p a r a t r a s l a c i o n e s

e s e n t o n c e s e l s i g u i e n t e :

" P a r a d o s o b s e r v a d o r e s q u e d i f i e r e n e n u n a t r a s l a -

c i n i n f i n i t e s i m a l , l a v a r i a c i n l o c a l e s n u l a . " ( 2 . 7 )

0 e n f o r m a e q u i v a l e n t e , d a d o q u e :

A $-(x) = $ (x' -e) - $.( x) = ( x

1

) - e

y

3 $


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8/121

- 7 -

;

O p u e d e n e x i s t i r a g r u p a c i o n e s d e 1.6 c a m p o s ( x )

u v ^

q u e n u m e r a m o s . T ' ( x ) y t a l q u e s u r e s p u e s t a b a j o t r a n s -

f o r m a c i o n e s d e L o r e n t z s , e a :

i

T '

y V

( x ' ) = L ^ L ^ C * ) ( 3 . 6 )

o e n f o r m a i n f i n i t e s i m a l :

T

, y V

( x ' ) = T

y V

( x )

+

T

a V

( x )

+ fl

T

y6

(x) (3.7)

a

p

E s t o s t i p o s d e v a r i a c i o n e s l o c a l e s c o n s t i t u y e n l a

d e f i n i c i n d e u n c a m p o t e n s o r i a l d e o r d e n d o s .

E s t a e s o t ra , f o r m a p e r f e c t a m e n t e p o s i b l e d e

e s p e c i f i c a c i n de l o s o b j e t o s c i n e m t i c o s d e l o b s e r v a d o r

e q u i v a l e n t e . "

y

V o l v i e n d o a l a f o r m a g e n e r a l d e n o t a c i n e n l a q u e

d e n o t a m o s t o d o s , l o s c a m p o s c o m o $ - ( x ) } e s f c i l v en., o u e

t o d o s l o s e j e m p l o s d a d o s h a s t a a h o r a q u e d a n c u b i e r t o s p u l

u n a e x p r e s i n g e n e r a l d e l a f o r m a :

* ( x ' ) - . ( x ) = I * . ( x ) ( 3 . 8 )

d o n d e se s o b r e e n t i e n d e q u e h a y s u m a s o b r e " j

1 1

a d e m s d e

l a s u s u a l e s s u m a s d e c o n t r a c c i n L o r e n t z .

a 8

L a m a t r i z u

a

S. . e s u n a m a t r i z N x N : S . .

a 3 i j I J

S i p o r e j e m p l o ^ ( x ) e s u n e s c a l a r , b a s t a e l e g i r :

S ^ = M L L O e i n m e d i a t a m e n t e r e c o b r a m o s ( 3 . 3 ) .

S i p or e l c o n t r a r i o , l o s c a mp o s ^ ( x ) , ( x ) , ( x ) , ( x )

f o r m a n un v e c t o r b a s t a r e l e g i r :

S

a B

=

a

B

- 6

6

6

a

(3.9)

ij i j i j

e i n m e d i a t a m e n t e r e c o b r a m o s ( 3 . 5 ) .


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- 8 -

E x i s t e n f o r m a s d e t r a n s f o r m a c i n m s g e n e r a l e s ,

q u e n o s o n d e c a r c t e r t e n s o r i a l s i n o . e s p i n o r i a l . N o t e n e -

m o s , p o r el m o m e n t o , e s t a b l e c i d o e s t e c o n c e p t o . B a s t e s a b e r

q u e t a m b i n en e s t o s c a s o s l a f o r m a g e n e r a l d e t r a n s f o r m a c i n

b a j o e l g r u p o d e L o r e n t z v i e n e d a d a p o r u n a e x p r e s i n

d e l t i p o ( 3 . 8 ) q u e c u b r e p o r c o n s i g u i e n t e t o d o s l o s c a s o s .

E n t o n c e s l a s o b l i g a c i o n e s c i n e m t i c a s p a r a lo s

o b j e t o s q u e d e b e c o n s i d e r a r e l . o b s e r v a d o r e q u i v a l e n t e b a j o

u n a t r a n s f o r m a c i n ' i n f i n i t e s i m a l - d e L o r e n t z , q u e d a n c u b i e r t a s

ct 8

c o n l a e s p e c i f i c a c i n c o m p l e t a de l a m a t r i z q u e

e s u n a m a t r i z c o n s t a n t e N x N y q u e , a t r a v s de s u e s t r u c -

t u r a - c o m u n i c a e l c a r c t e r t e n s o r i a l o e s p i n o r i a l d e l o s o b j e t o

c i n e m t i c o s e n c o n s i d e r a c i n .

A l g u n a s t e o r a s d e c a m p o s p u e d e n a d m i t i r a l g r u p o

c o m p l e t o d e L o r e n t z c o m o g r u p o d e c o v a r i a n c i a . E n t a l c a s o ,

s e r n e c e s a r i o t a m b i n e s p e c i f i c a r , e n f o r m a u n v o c a , c u l e s

l a l e y d e t r a n s f o r m a c i n d e l o s c a m p o s { ( x ) } b a j o P y T .

4 . E j e r c i c i o s .

i ) P r o b a r , q u e e n p r i m e r o r d e n e n e

y

, l a v a r i a c i n t o t a l d e ~

u n c a m p o b a j o t r a s l a c i o n e s p u e d e e s c r i b i r s e c o m o :

A $ ( x ) = P

M

$ ( x )

y

d o n d e e s u n c i e r t o o p e r a d o r q u e s e i d e n t i f i c a r . H a l l a r l a s

r e l a c i o n e s d e c o n m u t a c i n e n t r e l o s 4 g e n e r a d o r e s .

i i ) P r o b a r q u e , e n p r i m e r o r d e n e n , 1 a v a r i a c i n d e u n

c a m p o e s c a l a r L o r e n t z p u e d e e s c r i b i r s e c o m o :

A * ( x ) = \ w

a B

L j[x)

a 0

d o n d e L ^ e s u n c i e r t o o p e r a d o r q u e s e d e f i n i r . H a l l a r l a s

r e l a c i o n e s d e c o n m u t a c i n e n t r e L y L a s c o m o e n t r e

yv ' a6

y L ^ g . ( A l g e b r a d e l g r u p o d e P o i n c a r ). --..--..

i i i ) E s t u d i a r e i p a p e l d e L e n u n a r o t a c i n i n f i n i t e s i m a l

r

y v

y p r o p o r c i o n a r s u r e l a c i n c on e l m o m e n t u m a n g u l a r o r d i n a r i o .


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TEMA IX

Vj

/

B I 1 M M I C A E M T E O R I A B E C A M P O S


11/121

S i n e x c e p c i n , u n a t e o r a d e c a m p o s f o r m u l a s u d i n -

m i c a p o r m e d i o - d e un- o b j t o a u x i l i a r q u e d e n o m i n a L a g r a n g i a -

n o d e l s i s t e m a . E l L a g r a n g i a n o j u e g a e l p a p e l p r i n c i p a l

en toda teora.-de- c am po s.

E n e s t a s n o t a s c o n s i d e r a r e m o s n i c a m e n t e L a g r a n g i a n o s

d e f i n i d o s c o m o : ,

TL = 3 L { x , $

i

( x ) , 9

p

$

i

( x ) }

:

( 1 . 1 )

E s d e c i r , e l - L a g r a n g i a n o d e p e n d e d e- -l os - o b j e t o s

c i n e m t i c o s ( x ) , d i s c u t i d o s e n l a s e c c i n a n t e r i o r y c o n

l e y e s d e t r a n s f o r m a c i n p r e s c r i t a s p a r a e l gr u p o , d e c o v a r i a n r

T a m b i n d e p e n d e d e c u y a s l e y e s d e t r a n s f o r m a c i n

h a n q u e d a d o f i j a d a s a l d e f i n i r L a s t r a n s f o r m a c i o n e s , u e $ . ( x) .

A d e m s . e l L a g r a n g i a n o

-

p u e d e t e n e r u n a d e p e n d e n c i a e x p l c i t a

e n l a v a r i a b l e x .

U n e j e m p l o d e L a g r a n g i a n o c o n t e n i e n d o d o s c a m p o s

p o d r a s e r :

3L = x

y

8

u

$

1

( x ) + + 3

y

$

1

( x ) 3

y

$

2

( x ) ( 1 . 2 )

q u e d e p e n d e d e l o s c a m p o s , s u s p r i m e r a s d e r i v a d a s y t a m b i n

d e x e x p l c i t a m e n t e . j

E n p r i n c i p i o n a d a im pi dj s t e n e r L a g r a n g i a n o s c o n

d e p e n d e n c i a e n d e r i v a d a s d e m ay ja r o r d e n e n l o s c a m p o s . N i n g n

p r i n c i p i o f s i c o s e o p o n e a e ll lo .A p e s a r d e e s t o , l a s l e y e s

d e l a s m s e x i t o s a s t e o r a s f n i c a s s e d e d u c e n d e L a g r a n g i a n o s

c o m o ( 1 . 1 ) . 0 a l a N a t u r a l e z a o a l h o m b r e p a r e c e n d i s g u s t a r l e

l a s d e r i v a d a s d e o r d e n s u p e r i o r e n e l L a g r a n g i a n o .

P u e s t o q u e e l L a g r a n g i a n o , c o m o v e r e m o s d e t e r m i n a

l a d i n m i c a d e l s i s t e m a , n u e s t r a p r i m e r a o b l i g a c i n d e b e

c o n s i s t i r en e x p r e s a r u n v o c a m e n t e c o m o d e b e c o n s t r u i r s u

L a g r a n g i a n o u n o b s e r v a d o r e q u i v a l e n t e a l q u e e s c r i b i ( 1 . 1 ) .


12/121

N a d a p u e d e s e r m s s i m p l e . E l n u e v o o b s e r v a d o r ,

q u e s e e x p r e s a c o n c o o r d e n a d a s x ' , t i e n e c l a r a m e n t e e s t a -

b l e c i d o s s u s o b j e t o s c i n e m t i c o s $ | ( x ' ) , 3 ^ $ .[ (x ')

d e a c u e r d o a l a s r e g l a s e s t a b l e c i d a s e n e l t e m a a n t e r i o r .

E n t o n c e s , p o r p o s t u l a d o , s e l i m i t a a e s c r i b i r l a

m i s m a f u n c i n IL s u s t i t u y e n d o x p o r x ' , $

i

po r y

3 $. (x) por: 3' (x') .

y i

r

y i

D e e s t a f o r m a q u e d a c l a r a m e n t e p r e s c r i t o c o mo d e b e

c o n s t r u i r s u L a g r a n g i a n o c u a l q u i e r m i e m b r o d e l a D e m o c r a -

c i a e s t a b l e c i d a p o r e l g r u p o d e c o v a r i a n c i a . T e r m i n e m o s d i c

q u e e l L a g r a n g i a n o d e b e s e r r e a l . D e n u e v o u n p o s t u l a d o .

2 . A c c i n .

U n a v e z e n - p o s e s i n d e l L a g r a n g i a n o , s e p r o c e d e a

d e f i n i r l a a c c i n W . E s t a e s u n n m e r o r e a l q u e d e p e n d e d e

d o s s u p e r f i c i e s - 3 " d i m e n s i o n a l e s y q u e s o n l o s b o r d e s

d e u n a c i e r t a r e g i n 4 - d i m e n s i o n a l fi .

E n t o n c e s

:

"

.".. '."'.

w ( i

r

z

2

) = d

4

x lL{x,4

i

(x);,3

i

( x ) }' (2.1)

P o r s u p u e s t o , u n o b s e r v a d o r e q u i v a l e n t e e s c r i b e

s u a c c i n e s c r i b i e n d o s u p r o p i o L a g r a n g i a n o e i n t e g r a n d o

a la r e g i n t r a n s f o r m a d a , p o r e l c a m b i o d e v a r i a b l e i m p l i c a

E s i n s t r u c t i v o c o m p a r a r c o n e l c a s o e n e l q u e

y

2

s o n s u p e r f i c i e s p l a n a s a t i e m p o s c o n s t a t n t e s :

Ei : t =t

1

E

0

: t = t

2

(2.2)

E s o b v i o e n e s t e c a s o q u e ( 2 . 1 ) s e e s c r i b e :

w ( t

1

, t

2

) =

H

d t

IL (t ,x) (2.3 )

j


13/121

- 3 -

i

( 2 . 3 ) e s: u n a . e x p r e s i n f a m i l i a r e m - M e c n i c a C l s i c a

d o n d e e l L a g r a n g i a n o s e e s c r i b e c o m o y L ( t ) y l a a c c i n

c o m o :

t

w ( t

1

, t

2

) =

d t L ( t )

( 2 . 4 )

'1

i. S i q u e r e m o s c o n s e r v a r e s t a n o m e n c l a t u r a c l s i c a ,

d e b e r a m o s l l a m a r L a g r a n g i a n o a l a' e x p r e s i n :

L ( t ) =

d

3

x IL (t ,x)

(2.5)

P o r e l l o e s f r e c u e n t e r e f e r i r s e a I L (x ) c o m o d e n s i -

d a d L a g r a n g i a n a ( su i n t e g r a l 3 d i m e n s o n a l p r o d u c e e l L a g r a n -

g i a n o ) . S i n e m b a r g o , e s t a a n a l o g a s l o e s e v i d e n t e p a r a s u -

p e r f i c i e s p l a n a s t - C o n s t . P o r . e l l o , e n e s t a s n o t a s s e g u i r e m o s

l l a m a n d o L a g r a n g i a n o a l o b j e t o I L (x ) q u e s e l q u e d i r e c -

t a m e n t e d e b e s e r i n t e g r a d o e n n o t a c i n 4 - d i m e n s i o n a l .

L a a c c i n d e t e r m i n a p o r c o m p l e t o l a d i n m i c a d e l

s i s t e m a a t r a v s d e l p o s t u l a d o f u n d a m e n t a l d e a c c i n m n i m a :

B A J O U N C A M B I O G E N E R A L I N F I N I T E S I M A L D E C O O R D E N A D A S

E N E L Q U E L A S D E R I V A D A S D E L O S C A M P O S V A R I At D E A C U E R D O

A L C A M B I O I N D U C I D O S O B R E L O S C A M P O S , L A P R I M E R A V A R I A C I O N

D E L A A C C I O N E S E X P R E S A B L E C O M O L A ; D I F E R E N C I A D E U N A F U N C I O N

D E S U P E R F I C I E E N T R E L O S D O S B O R D E S

D E L A R E G I O N D E I N T E G R A C I O

A W ( Z

1

, Z

2

) = F ( Z

2

) - ^ (-|)

(2.6)

E l p r i n c i p i o e s d e i m p o r t a n c i a f u n d a m e n t a l y se

h a c e n e c e s a r i o e s t u d i a r s u c o n t e n i d o c o n t o d o d e t a l l e .

i ) U n c a m b i o i n f i n i t e s i m a l d e c o o r d e n a d a s v i e n e g e n e r a d o

p o r :

x '

u

= x

,fJ

+ 6 x

y

( x ) ( 2 . 7 )


14/121

d o n d e . 5 x e s u n a c a n t i d a d i n f i n i t e s i m a l .

O b s r v e s e q u e e l c a m b i o i n d u c i d o e n l a s c o o r d e n a d a s

n o t i e n e n a d a q u e v e r c o n l a s t r a n s f o r m a c i o n e s ' i n f i n i t e -

s i m a l e s d e l g r u p o d e c o v a r i a n c i a . E s t a s l t i m a s f o r m a n u n a

c l a s e m u y p a r t i c u l a r d e v a r i a c i o n e s i n f i n i t e s i m a l e s .

A h o r a e s t a m o s c o n s i d e r a n d o v a r i a c i o n e s g e n e r a l e s . E l d e s p l a -

z a m i e n t o . x

y

p u e d e i n c l u s o v a r i a r d e p u n t o a p u n t o . P o r e s t o

s e h a e s c r i t o c o m o < 5 x

y

( x ) e n ( 2 . 7 ) .

i i ) S i m u l t n e a m e n t e a ( 2 . 7 ) e l p r i n c i p i o p i d e e f e c t u a r u n a

v a r i a c i n - i n f i n i t e s i m a l e n l a f o r m a f u n c i o n a l d e l o s c a m p o s ,

d e m o d o q u e :

$ $ = $ + A$ . (2 .8 )

1 1 1 i

L a s v a r i a c i o n e s s on .: en g e n e r a l . t o t a l m e n t e

a r b i t r a r i a s . " e ~ i n d e p e n d i e n t e s . ; d e l a v a r i a c i n d e c o o r d e n a d a s

( 2 . 7 ) . P o d e m o s l l e g a r a c a s o s e x t r e m o s e n l o s q u e n o s e v a r i a r

l a s c o o r d e n a d a s


15/121

t i e n e n p e r f e c t o s e n t i d o ,

:1

,

xp '

i i i ) E x i s t e u n c o m e n t a r i o f u n d a m e n t a l e n e l e n u n c i a d o . '

E l c a m b i o d e l a s d e r i v a d a s d e b e p r o v e n i r d e l c a m b i o i n d u-

c i d o e n l o s c a m p o s .

E l l o s i g n i f i c a , q u e e l c a m b i o e n l a s d e r i v a d a s

s e o b t i e n e s i m p l e m e n t e d e r i v a n d o e l c a m b i o d e l o s c a m p o s .

E n t o n c e s :

3

y

A $

i

( x ) = A a ^ U )

( 2 . 1 2 )

E s d e c i r , l o s s m b o l o s d e d e r i v a c i n y v a r i a c i n

t o t a l , d e b e n s e r i n t e r c a m b i a b l e s . E s t e e s e l o b j e t i v o q u e

e l e n u n c i a d o p o s t u l a c o n e l c o m e n t a r i o r e f e r i d o .

i v ) E l p r i n c i p i o s e r e f i e r e a u n a f u n c i n d e s u p e r f i c i e .

P o r c o n s i g u i e n t e t e n d r e m o s q u e t r a t a r c o n o b j e t o s t a l e s

q u e d a d a u n a s u p e r f i c i e E p r o d u c e n u n n m e r o .

U n e j e m p l o t p i c o d e f u n c i n d e s u p e r f i c i e p u e d e

s e r :

F ( E ) =

d E

p

(z) H (z)

1

y

( 2 . 1 3 )

C o n o c i d a l a f u n c i n o r d i n a r i a d e p u n t o H ^ ( z ) e s e v i d e n t e

q u e ( 2 . 1 3 ) a s i g n a u n n m e r o a c a d a s u p e r f i c i e E .

A u n q u e e l p r i n c i p i o n o e s p e c i f i c a q u e t i p o s d e

f u n c i o n e s de s u p e r f i c i e d e b e n a p a r e c e r p o d e m o s a n t i c i p a r

q u e t o d a s l a s f u n c i o n e s d e s u p e r f i c i e c o n l a s q u t e n d r e m o s

q u e t r a t a r s o n d e l a f o r m a ( 2 . 1 3 ) i

v ) P o r l t i m o e s n e c e s a r i o d e f i n i r l o q u e e l p o s t u l a d o e n t i e r

p o r p r i m e r a v a r i a c i n d e la a c c i n . E s t a s e d e f i n e c o m o :

A W ( E

1

, E

2

) =

d x

I L x ' x ' ) , 3 $ ( x ' ) ) -

d x I L { x , 0

n


16/121

- 6 -

3 . C o n s e c u e n c i a s : d'el P i n c i p i o D i n m i c o d e A c c i n M n i m a .

* /

E n e l c l c u l o q u e s i g u e h a r e m o s u s o f r e c u e n t e m e n t e

d e n o t a c i o n e s c o m o :

IL (y )

IL' (z)

( 3 . 1 )

S u s i g n i f i c a d o e s e l s i g u i e n t e . E l L a g r a n g i a n o

IL e s u n a f u n c i n d e x ^ ( x ) , ^ ( x ) , p e r o c o m o l o s c a m p o s

s o n u l t i m a d a m e n t e f u n c i o n e s d e x , t o d o e l L a g r a n g i a n o

e s u n a f u n c i n d e x . E n t o n c e s IL ( y ) s i g n i f i c a s i m p l e m e n t e

e l L a g r a n g i a n o :

IL (y) = IL (y ,$ . (y) ,3 (y) )

X / u a.

( 3 . 2 )

A n l o g a m e n t e p a r a .I L ' ( z ),e x c e p t o q u e l o s c a m p o s

$ . y s u s d e r i v a d a s s o n l o s t r a n s f o r m a d o s $ y 3 ' $ .

i

7

i

J

u i

E n t o n c e s ( 2 . 1 4 ) p i d e ' e v a l u a r :

A W ( Z

1

, Z 2) =

r

4 , d x IL (x )

ti

( 3 . 3 )x ' IL' (x ' ) -

fi'

d o n d e p o r s u p u e s t o fi' e s la r e g i n 4 - d i m e n s i o n a l t r a n s f o r m a

d a d e 0, p o r e l c a m b i o d e v a r i a b l e s .

S u m a n d o y r e s t a n d o l a m i s m a c a n t i d a d p o d e m o s e s -

c r i b i r :

A W ( Z

1

, Z

2

) = A

1

W ( Z

1

, Z

2

) + A

2

W ( Z

1

, Z

2

)

( 3 . 4 )

c o n:

A

1

W ( Z

1

, Z

2

) =

A

2

W ( Z

1

, Z

2

)

d

4

x ' IL' (x')

fl'

d

4

x IL

1

(x) -

d x IL* (x) (3 .5 )

d

4

x IL (x) (3 .6 )


17/121

- 7 -

A

1

W ( E

1

, E

2

) =

E s t u d i e m o s p r i m e r o ( 3 . 5 ) q u e p u e d e e s c r i b i r s e c o m o :

4

d x IL' (x)

d

4

x ' It

'

( x + x ) -

fi'

D e s a r r o l l a n d o p o r T a y l o r e l p r i m e r t r m i n o

o b t e n e m o s :

( 3 . 7 )

d

4

x ' IL'(x) +

n '

d

4

x ' 6 x

y

3 IL' (x)

U

Q '

( 3 . 8 )

E n e l s e g u n d o s u m a n d o , l a p r e s e n c i a m u l t i p l i c a t i v a

d e x

y

h a c e q u e t o d o e l r e s t o d e l a e x p r e s i n p u e d a e v a l u a r -

s e e n o r d e n c e r o . E n t o n c e s fi' s e c o n f u n d e c o n Q y l L ' c o n JL .

P o r t a n t o ( 3 . 7 ) es e q u i v a l e n t e a :

AIW (Z.J, Z

2

) =

d

4

x ' IL' (x) +

Q'

d

4

x


18/121

S9P-

- 8 -

E st e* J a c o b i a n o e s e l v a l o r a b s o l u t o d e l d e t e r m i n a n t e

d e l a m a t r i z :

= (d e a c u e r d o a ( 3 . 1 0 ) ) =

y

v

- 3

V

-

+

A M * 1

A ( 3

$ . ) } ( 3 . 1 9 )

"

1


20/121

- 10

d o n d e se h a l l a s o b r e e n t e n d i d a l a s u m a s o b r e i d e s d e 1 a N .

R e c o r d a n d o ( 2 . 1 2 ) y e f e c t u a n d o u n a p e q u e a m a n i p u l a -

p >

c i n p a r a o b t e n e r u n t r m i n o e n d e r i v a d a t o t a l se t i e n e :

A

2

W ( E

1

, E

2

) =

d

4

x

3 y

( A

$

( x )

3

- M * i }

Q

3(3 )

d

4

x M

,

C 3 (

0 S ) 2 0 }

0

1

" i

8

< V i

J

( 3 . 2 0 )

E n e l p r i m e r t r m i n o t e n e m o s u n a d i v e r g e n c i a y

e l t e o r e m a d e G a u s s e s a p l i c a b l e p r o p o r c i o n a n d o l a s d o s

c o n t r i b u c i o n e s - s u p e r f i c i a l e s c o n:

F

2

( Z ) =

3 1L

d Z

u

( x ) { A $

V

( x ) ^ - }

( 3 > 2 1 )

3 ( 3 < M

y i

R e u n i e n d o c o n l a s c o n t r i b u c i o n e s s u p e r f i c i a l e s

o b t e n i d a s e n ( 3 . 1 6 , 1 7 ) e s c l a r o q u e e l i n t e g r a d o t o t a l

e n l a s i n t e g r a l e s s u p e r f i c i a l e s e s :

J

U

( x ) = A $ - ( x ) - ^

1

3 ( 3 $-)

li i

+


21/121

- 1 1

/

N u e s t r a e x p r e s i n d e f i n i t i v a p a r a l a - p r i m e r a v a r i a -

c i n d e l a a c c i n e s e n t o n c e s : /

A W C Z ^ Z p =

,4 . .

(

r3IL(x)

d x A$-(x) {

1

2 l

3 A M 2 l _ }

+ F

( E ) - F(E

1

) (i.

l i

3 0

y

i

)

Z 1

c o n :

F (E) = dE (x) J^ (x )

y

E

( 3 . 2 6 )

y c o n ( x ) d a d o p o r ( 3 . 2 4 ) .

O b s e r v a n d o ( 3 . 2 5 ) , e s o b v i o q u e l os d o s l t i m o s d e

la

1

e x p r e s i n e s t n d i r e c t a m e n t e d e a c u e r d o c o n e l p o s t u l a d o .

S i n e m b a r g o , e l p r i m e r o d e e l l o s e s u n a f u n c i n d e l _ v o l u m e n fl

S i s u i n t e g r a n d o f u e r a u n a d e r i v a d a t o t a l , e l t e o r e m a de G a u s s

t r a n s f o r m a r a e s t a c o n t r i b u c i n en c o n t r i b u c i o n e s e n l o s

b o r d e s . A h o r a b i e n , s i p a r a c i e r t a e l e c c i n d e A 4> ^( x) s t o

o c u r r e , e s e v i d e n t e q u e p e r t u r b a n d o l ar e l e c c i n o b t e n d r e m o s

o t r o s i n t e g r a n d o s q u e n o s o n d e r i v a d a s t o t a l e s . L a e l e c c i n

d e A $ ^ ( x ) e s c o m p l e t a m e n t e a r b i t r a r i a i y es e n t o n c e s i m p o s i b l e

g a r a n t i z a r q u e e l p r i m e r m i e m b r o s e a c o n t r i b u c i n d e b o r d e .

E n t a l c a s o , e l p o s t u l a d o r e a l i z a d o n o s d e j a u n a

s o l a e l e c c i n . E l p r i m e r m i e m b r o d e b e s e r n u l o . A h o r a b i e n ,

p u e s t o q u e A $ ^ ( x ) s o n t o t a l m e n t e a r b i t r a r i o s , e s t a c o n d i c i n

e s e q u i v a l e n t e a l s i s t e m a d i f e r e n c i a l :

3 IL

34>

i

3 {

3 IL

3(3 $.)

y i

J

} = 0 ; i= 1

, . . .

,N (3. 27)

q u e s o n l a s e c u a c i o n e s d e E u l e r - L a g r a n g e y e s t a b l e c e n l a

d i n m i c a d e l s i s t e m a .


22/121

4 . C O V A R I A N C I A D E L E S Q U E M A D I N A M I C O P R O P U E S T O .

R e c o r d e m o s q u e lo s r e q u e r i m i e n t o s p a r a l a c o v a r i a n -

c i a d e u n a d e s c r i p c i n f s i c a b a j o s u g r u p o d e o b s e r v a d o -

r e s e q u i v a l e n t e s c o n t i e n e v a r i o s t i p o s d e r e s t r i c c i o n e s .

P r i m e r o e x i s t e n o b l i g a c i o n e s c i n e m t i c a s . D o s o b s e r v a d o r e s

e q u i v a l e n t e s d e b e n p o s e e r e l m i s m o n m e r o y t i p o d e v a r i a -

b l s c i n e m t i c a s y l e y e s . p r e c i s a s q u e l e s - p e r m i t a n r e l a c i o n a r

l a s v a r i b l e s c i n e m t i c a s de a m b o s o b s e r v a d o r e s .

E n s e g u n d o l u g a r e x i s t e u n r e q u e r i m i e n t o f u n d a m e n -

t a l d i n m ic o ^ . La s e c u a c i o n e s - d i n m i c a s d e b e n a d m i t i r e l

m i s m o c o n j u n t o d e s o l u c i o n e s .

E l p r i m e r r e q u e r i m i e n t o f u e c u m p l i d o c u a n d o e s t a -

b l e c i m o s e n f o r m a u n v o c a c m o d e b e n t r a n s f o r m a r l os c a m p o s

+

y s u s d e r i v a d a s b a j o t r a n s f o r m a c i o n e s e n IL y b a j o

t r a s l a c i o n e s .

E l s e g u n d o r e q u e r i m i e n t o p u e d e r e a l i z a r s e e n l a

s i g u i e n t e f o r m a :

E l p r i m e r o b s e r v a d o r c o n s i d e r a s u s o b j e t o s < K ( x )

y s u s p r i m e r a s d e r i v a d a s y c o n s t r u y e u n c o n j u n t o d e

e s c a l a r e s : s ^ ( x ) ,

2

( x ) , . . . , s

L

( x ) , a p a r t i r d e e l l o s .

P o r e j e m p l o s i ( x) e s d i r e c t a m e n t e e s c a l a r p u e d e f o r m a r :

^ ( x ) o o t a m b i n 3 ( x ) 3

y

$

1

(x) , et c.

C o n o b j e t o s v e c t o r i a l e s p u e d e n f o r m a r s e t a m b i n

e s c a l a r e s c o n f a c i l i d a d . T a m b i n c o n o b j e t o s e s p i n o r i a l e s .

E n d e f i n i t i v a , e 1 p r i m e r o b s e r v a d o r c o n s t r u y e L e s c a l a r e s

y e s c r i b e su L a g r a n g i a n o :

IL(x) = IL(s

1

(x) ,..., s

L

( x ) ) ( 4 . 1 )

A h o r a e l s e g u n d o o b s e r v a d o r t i e n e c i n e m t i c a m e n t e

p r e s c r i t o c o m o e s c r i b i r s u L a g r a n g i a n o : D e b e e s c r i b i r l a

m i s m a d e p e n d e n c i a f u n c i o n a l IL e n t r m i n o s d e su s p r o p i o s

o b j e t o s c i n e m t i e o s . E 1 s e g u n d o o b s e r v a d o r t o m a r e n t o n c e s :


23/121

IL'( X ' ) = IL(s' (x') ,..., s ( x ' ) ) ( 4 . 2 )

H

P u e s t o q u e l o s o b j e t o s s ^ ( x ) e r a n e s c a l a r e s ,

l o s v a l o r e s n u m r i c o s d e a m b o s L a g r a n g i a n o s c o i n c i d e n .

E s d e c i r :

IL' (x ') = IL (x) (4 .3)

d o n d e x ' e s e l p u n t o t r a n s f o r m a d o d e x p o r l a t r a n s f o r m a c i n

d e e q u i v a l e n c i a .

E n t o n c e s , a c e p t a d a e s t a c o n s t r u c c i n , e l L a g r a n g i a n o

e s u n a c a n t i d a d e s c a l a r .

A d o p t e m o s u n p u n t o d e v i s t a p a s i v o . E l p r o b l e m a

d e h a l l a r l a s e x t r e m a l e s d e :

t

I L ( x , $

i

( x )

}

8

y

$

i

( x ) ) ( 4 . 4 )

e s u n p r o b l e m a e s t r i c t a m e n t e g e o m t r i c o .

E n u n e s p a c i o d e c o n f i g u r a c i n d a d o p o r ,

u n a e x t r e m a l e s u n a l n e a q u e e q u i v a l e a u n a s o l u c i n d e

l as e c u a c i o n e s d e E u l e r - L a g r a n g e .

A h o r a b i e n , e l o b s e r v a d o r e q u i v a l e n t e t i e n e u n e s -

p a c i o d e c o n f i g u r a c i n e q u i v a l e n t e y o c u r r e q u e e l L a g r a n -

g i a n o , t o m a e l m i s m o v a l o r e n c a d a p u n t o g e o m t r i c o . E s t o s e

d e b e a q u e :

IL' (x' ,$ (x>) ,3' $ ( x

> ) (jt.5)

^ i

n o e s o t r a c o s a q u e e l m i s m o f u n c i o n a l r e f e r i d o a c o o r d e -

n a d a s d i s t i n t a s . E s e n t o n c e s e v i d e n t e q u e e l c o n j u n t o d e

e x t r e m a l e s d e a m b o s f u n c i o n a l e s e s i d n t i c o p o r l a T a z n t r i -

v i a l d e q u e , c o n l a c o n s t r u c c i n d e s c r i t a , s e t i e n e r e a l m e n t e

e l m i s m o f u n c i o n a l . E n t o n c e s e l c o n j u n t o d e s o l u c i o n e s d e

l a s e c u a c i o n e s d i n m i c a s e s e l m i s m o p a r a d o s o b s e r v a d o r e s

e q u i v a l e n t e s . E s t a c o n s t r u c c i n e s s u f i c i e n t e e n t o n c e s p a r a

g a r a n t i z a r l a c o v a r i a n c i a d e l a t e o r a . P u e d e n e x i s t i r f o r m a s

L a g r a n g i a n a s m s c o m p l e j a s q u e g a r a n t i c e n t a m b i n la c o v a r i a n


24/121

5.Ej e r c i c i o s .

1 . P a r t i c u l a r i z a r e l p r i n c i p i o d e m n i m a a c c i n p a r a u n

L a g r a n g i a n o q u e d e p e n d e e x c l u s i v a m e n t e d e l a s v a r i a b l e s :

IL = IL(s ,z^ (s) , (s) )

/

d o n d e " s " e s e l t i e m p o p r o p i o y z

u

( s ) e s l a t r a y e c t o r i a

d e l a p a r t c u l a . ( T r t e s e a z

y

( s ) c o m o u n c a m p o v e c t o r i a l

u n i d i m e n s i o n a l . E s d e c i r q u e d e p e n d e d e u n a v a r i a b l e u n i -

d i m e n s i o n a l " s " . )

2 . E n c o n t r a r l a f o r m a d e l a s " c o r r i e n t . e s " J

u

(s) par a el

e j e r c i c i o a n t e r i o r .

3 . P r o b a r q u e l a a d i c i n d e u n 4 - g r a d i e n t e a u n L a g r a n g i a n o

IL n o a l t e r a l a s e c u a c i o n e s d e E u l e r - L a g r a n g e . S i n e m b a r g o ,

h a i r r l a n u e v a e x p r e s i n d e l a s c o n t r i b u c i o n e s s u p e r f i c i a l e s

I .

4 . F o r m a l i z a r u n - p r i n c i p i o d e a c c i n m n i m a y u n a c n < ~ * at i ca

e n M e c n i c a ' c l s i c a , d o n d e l o s " c a m p o s " s o n u n i d i m e n s i o v " e c

q - ( t ) y / d o n d e el g r u p o d e c o v a r i a n c i a s o n l a s t r a s l a c i o n e s

i /

m s e l g r u p o d e G a l i l e o .

5 . H a l l a r l a s e c u a c i o n e s d e E u l e r - L a g r a n g e y l a f o r m a d e

l a c o r r i e n t e J

y

( x ) p a r a u n L a g r a n g i a n o c o n t e n i e n d o u n

c a m p o e s c a l a r $ ( x ) y u n c a m p o v e c t o r i a l B

y

( x ) d a d o p o r :

d e l a d e s c r i p c c i n .

E n e s a s n o t a s g a r a n t i z a r e m o s l a . c o v a r i a n c i a d e

u n a t e o r a d e c a m p o s e l i g i e n d o L a g r a n g i a n o s e s c a l a r e s ,

p o r e l s i m p l e p r o c e d i m i e n t o d e c o n s t r u i r f u n c i o n e s d e

u n c o n j u n t o d e e s c a l a r e s c o n s t r u i d o s c o n l a s v a r i a b l e s

c i n e m t i c a s a n u e s t r a d i s p o s i c i n e n l a t e o r a b a j o c o n s i -

d e r a c i n .


25/121


26/121

mm

Jf'. ;*; .

SS

i

- 1 -

1 . D e s c r i p c i n r e l a t i v i s t a de u n a l e y d e c o n s e r v a c i n .

i

E s t a m o s a c o s t u m b r a d o s a l a n o c i n d e u n a c a n t i d a d

Q ( t ) q u e s e c o n s e r v a e n e l t i e m p o :

Q(t) = 0

1.1)

N o o b s t a n t e e s t a n o e s u n a b u e n a r e p r e s e n t a c i n

d e la i d e a d e c o n s e r v a c i n e n u n c o n t e x t o r e l a t i v i s t a , y a

q u e p r e s u p o n e l a e l e c c i n d e u n s i s t e m a p a r t i c u l a r d e

c o o r d e n a d a s e n el q u e la v a r i a b l e t h a s i d o d e f i n i d a .

E s t u d i e m o s si n e m b a r g o l a s i t u a c i n s i g u i e n t e :

i ) J ( x ) e s u n c a m p o v e c t o r i a l . E s . / d e c i r :

J '

y

( x < ) = L \ j

V

( x ) (1 . 2 )

b a j o t r a n s f o r m a c i o n e s d e l g r u p o d e L o r e n t z r e s t r i n g i d o ,

i i ) S e t i e n e :

3 J

M

( x ) = 0

y

(1.3)

E s e v i d e n t e q u e ( 1 . 2 ) e s u n a a f i r m a c i n c o v a -

r i a n t e . U n o b s e r v a d o r c u a l q u i e r a ( t , x , y , z ) e s c r i b i r ( 1 . 3 )

c o m o :

3

t

J

0

( r , t ) + | V - 3 ( r , t ) = 0

(1

q u e t i e n e e l a s p e c t o f a m i l i a r d e u n a e c u a c i n d e c o n t i n u i

d a d . E n r e a l i d a d , s i i d e n t i j f i c a m o s J q c o n l a d e n s i d a d d e

a l g u n a c a n t i d a d . Q ,d e t a l m a n e r a q u e :

Q

v

( t )

d r J

0

( r , t )

V

(1.5)


27/121

s e a el m o n t o t o t a l d e Q c o n t e n i d o e n e l v o l u m e n V a l t i e m p o

t , e s c l a r o q u e la e c u a c i n ( 1 . 3 ) n o s i n f o r m a q u e :

d

3

r $..3(r,t) =

V

d o n d e S e s l a f r o n t e r a d e l v o l u m e n c e r r a d o V .

I n t e r p r e t a n d o 3 ( r , t ) c o m o e l f l u j o d e Q , e s c l a r o

q u e ( 1 . 5 ) e s t a b l e c e q u e Q y ( t ) s l o p u e d e v a r i a r p o r e f e c t o s

d e s u p e r f i c i a l e s d e f l u j o . E n t o n c e s Q ^ n o se c r e a n i s e

d e s t r u y e . Q e s u n a m a g n i t u d c o n s e r v a d a . E n t o n c e s c o n s i d e r a n d o

l a c a n t i d a d Q e n t o d o e l e s p a c i o :

d e b e t e n e r s e ( 1 . 1 ) y a q u e : n o h a y c r e a c i n n i a n i q u i l a c i n

d e Q . E s t o e s e v i d e n t e d i r e c t a m e n t e d e

(1..

5 ) c o n s i d e r a n d o V

3 -fc --

c o m o t o d o R y s u p o n i e n d o q u e J ( r , t ) t i e n e u n c o m p o r t a m i e n t o

r a z o n a b l e e n e l i n f i n i t o .

E l a n l i s i s e f e c t u a d o p e r t e n e c e a u n c i e r t o s i s t e m a

d e c o o r d e n a d a s . S i n e m b a r g o l a e c u a c i n d e p a r t i d a ( t . 3 )

s e r v l i d a p a r a t o d o o b s e r v a d o r e q u i v a l e n t e q u e p o d r

r e p e t i r e s t e a n l i s i s e n s u p r o p i o s i s t e m a . E s t e e s e n t o n c e s

u n b u e n c o n t e x t o p a r a e s t a b l e c e r l a i d e a d e c o n s e r v a c i n e n

f o r m a c o v a r i a n t e .

U n m e c a n i s m o q u e c o n d u c e n a t u r a l m e n t e a ( 1. 3 ) s e

v

p r o d u c e c u a n d o c o n s i d e r a m o s f u n c i o n e s d e s u p e r f i c i e s

3 - d i m e n s i o n a l e s d e l a f o r m a :

r

y

F U ) =

S i o c u r r e q u e F ( E ) n o d e p e n d e d e E , e s. d e c i r q u e :

F (E ) = F ( Z

2

) ,t o d o p a r E - , , ^ ( 1 . 9 )

s e t i e n e i n m e d i a t a m e n t e 3 J

, , J

( x ) = 0 . ( V e r e i e r c i c o 1 ) .

u ,


28/121

I

2 . T e o r e m a d e N o e t h e r .

D a d o u n L a g r a n g i a n o :

I L ( x) = I L ( x , $

i

( x ) ,3 ^ ( x ) )

y - l a a c c i n - a s o c i a d a :

w ( E

1

, z

2

) =

d x IL(x)

a

2.1)

s i e n d o 2 l a r e g i n 4 - d i m e n s i o n a l c o n b o r d e s e n E ^ y Y.^,

p r o b a m o s c o n t o d a g e n e r a l i d a d e n e l t e m a a n t e r i o r q u e :

6 W ( S

1

, E

2

) =

d

4

x ' IL' px

1

) -

fl*

d

4

x IL(x)

n

:2,2')

d

4

x (x)

9

- ^ - - 3

u

( - ^ -

q

9

* i

y

) } + F ( I

2

) - F d , ) (2

d o n d e :

i ) x ^ ( x ) , s i e n d o 6 x

y

( x ) u n a v a r i a c i n t o t a l m e n t e

a r b i t r a r i a .

i i ) A $ . ( x ) = $'( x ) . ( x ) e s l a v a r i a c i n f u n c i o n a l d e l

x i i

c a m p o . E s t o t a l m e n t e a r b i t r a r i a y n o t i e n e c o n e x i n a p r i o

c o n ' l a v a r i a c i n de c o o r d e n a d a s .

i i i ) S e t i e n e : j

I

IL' (x') = IL(x' ,$ (x') ,3 J$ (x ') ) I

i v ) L a f u n c i n F ( E ) r e s u l t a s e r :

F ( E ) =

d E

u

( x ) J

U

( x ) ( 2 . 5 )


29/121

v.)..C o n- ( x ) d a d o p o r :

J

y

( x ) = T r V f o - S ^ C x ) - 6 x

V

( x ) { t t ^ ( x ) 3

v

< >

( x ) - 6 ^

v

I L ( x ) }

( 2 . 4 )

c o n l a i m p o r t a n t e n o t a c i n :

y , _ 3I L( x) r-,

ttT (X) = (2 .5 )

1

3(3 $. )

q u e se c o n o c e c o m o e l m o m e n t o c a n n i c o c o n j u g a d o d e l

c a m p o

* * * * *

. E s t o s r e s u l t a d o s f u e r o n o b t e n i d o s s i n o t r a h i p t e s i s

q u e

-

e l " h e c h o d e a d m i t i r q u e e l c a m b i o e n l a d e r i v a d a d e

l o s c a m p o s y a n o er a a r b i t r a r i o , s i n o g e n e r a d o p o r e l c a m b i o

d e l o s c a m p o s .

E l p o s t u l a d o d e a c c i n m n i m a n o s l l e v a l a s

e c u a c i o n e s d e E u l e r - L a g r a n g e , q u e p r o d u c e n l a a n u l a c i n

d e l t r m i n o i n t e g r a l e n ( 2 . 2 ) .

S e a a h o r a , S x ^ ( x )

?


30/121

- 5 *J5

3 . I n v a r i a n i a t r a s l a c i o n a l .

lemos* p r e s c r i t o l a t r a n s f o r m a c i n c i n e m t i c a :

( 3 . 1 )

H ( x * ) = - ^ ( x )

c u a n d o :

x '

p

= x

y

+

e

y

( 3 . 2 )

s i e n d o e ^ u n v e c t o r i n f i n i t e s i m a l c o n s t a n t e .

E s t a e s u n a l e y d e t r a n s f o r m a c i n . E l c a m b i o e n

l a s c o o r d e n a d a s e s ( 3. -2 )- .E l c a m b i o e n l o s c a m p o s e s ( 3 . 1 )

q u e a s e g u r a q u e t o d o c a m p o i n t e r v i n i e n t e e n e l L a g r a n g i a n o

t i e n e v a r i a c i n l o c a l n u l a .

B a j o e s t e c a m b i o s e t i e n e :

IL' (x' ) = IL(x ' ( x

1

) , 3 ' $ | ( x ' ) )

( 3 . 3 )

D e a c u e r d o a l a s t r a n s f o r m a c i o n e s ( 3 . 1 , 2 ) es e v i d e n t e

q u e s i IL n o d e p e n d e e x p l c i t a m e n t e d e c o o r d e n a d a s :

IL(x) = IL ($

i

( x ) , 3

u

$

i

( x ) )

( 3 . 4 )

s e t e n d r :

IL' (x ') = IL(x)

L a p r i m e r a v a r i a c i n d e l a a c c i n s e r :

( 3 . 5 )

6 W ( E

1

, Z

2

) =

d

4

x ' IL' (x')

2'

d x IL(x )

( 3 . 6 )

c o m o :

D e a c u e r d o a ( 3 . 5 ) , l a p r i m e r a i n t e g r a l s e e s c r i b e

d

4

x

' IL (x' -

e )


31/121

B a j o e l c a m b i o d e v a r i a b l e s x ' = x + e , 1 a r e g i n

d e i n t e g r a c i n r e g r e s a a Q y e l J a c o b i a n o e s 1 .

E n t o n c e s t e n e m o s u n a i n v a r i a n c i a .

R e c o r d a n d o ( 2 . 4 ) , e s c l a r o q u e e n e s t e c a s o

t e n e m o s :

j ^ C x ) = -

v

r

y V

O

d o n d e h e m o s i n t r o d u c i d o l a n o t a c i n :

T

y V

( x ) = t t ^ ( x ) 9

v

(x ) - g

M V

H ( x ) ( 3. 8)

q u e s e c o n o c e c o m o e l t e n s o r d e e n e r g a-i m p u l s o c a n n i c o .

N u e s t r o s r e s u l t a d o s d e l a s e c c i n a n t e r i o r n o s

a s e g u r a n q u e : B ^ J ^ x ) = 0 , y p u e s t o q u e e

V

e s a r b i t r a r i o ,

c o n c l u i m o s :

( 3 . 7 )

3 T

U V

( x ) = 0

U

( 3 . 9 )

E n t o n c e s l a s 4 - c a n t i d a d e s :

P

V

( t )

,3 Ov f-*-..

d r T (r ,t )

s o n c o n s t a n t e s d e l m o v i m i e n t o :

( 3 . 1 0 )

d _ vi

d t

(t) = 0

(3.11)

P

V

( t ) s e d e f i n e c o m o e l m o m e n t u m l i n e a l e n e l s i s -

t e m a e n q u e s e e s t u d i l a l e y d e c o n s e r v a c i n . E s t a d e f i n i c i n

n o h a c e m s q u e c o n c o r d a r c o n l a i d e a g e n e r a l d e q u e e l m o -

m e n t u m l i n e a l c a n n i c o e s l a c a n t i d a d q u e r e s u l t a c o n s e r v a d a

c u a n d o e l s i s t e m a e s t r a s l a c i o n a l m e n t e i n v a r i a n t e .

E n t o n c e s , c u a n d o el L a g r a n g i a n o n o d e p e n d e e x p l c i t a -

m e n t e d e l a s c o o r d e n a d a s , e x i s t e l a c o n s e r v a c i n d e l m o m e n t u m

l i n e a l d e l s i s t e m a d e c a m p o s d e f i n i d o p o r l a s e x p r e s i o n e s

a n t e r i o r e s .


32/121

/

4 . I n v a r a n c i a b a j o T r a n s f o r m a c i o n e s d e L o r e n t z

Cons id rese a con t inuac in una t r ans fo rmac in de Loren tz in f in i te s ima l

'8 x

v

(x)=uf

p

x

p

(4.1)

donde u

u p

= uj

pu

, bajo la cual los campos transforman de la forma

^C r) = ^ S f f Q j i x ) (4 .2)

y donde la forma explcita de

Sf f

depender del espn del campo.

En particular,

Para un cam po escalar bajo Lorentz, = 0 y por lo tanto

5 = 0 (4.3)

Para un conjunto de cuatro campos A / = 0 ,1 , 2, 3 , que transformen

como un campo vectorial bajo Lorentz,

A = uf

v

A

v

(4.4)

se tiene

S t = - W Z (4-5)

Por supues to , l a inva r anc ia de la acc in ba jo e s ta s t r ans fo rmac iones nos

lleva a la conservacin de la corr iente dada por (2 .4) , con 8x

v

(x) y $(x)

dadas por (4 .1) y (4 .2) , respectivamente .

- 7 -


33/121

8 -

/

L a c o r r i e n t e c o n s e r v a d a e s a h o r a :

J

U

( x ) = ^ " ^

a e

x

e

{ ^ ( x ) 8

a

< D

i

( x ) - g

y a

IL (x ) }

l

U a 6

{ x

a

T ^ ( x ) - x

B

T

u a

( x )

+

S ^ ( x ) . ( x ) } ( 4 . 6 )

d o n d e s e h a u t i l i z a d o l a d e f i n i c i n ( 3 . 8 ) y s e h a e f e c t u a -

d o l a a n t i s i m e t r i z a c i n n e c e s a r i a d a d a l a c o n t r a c c i n c o n

0)

a

L a e c u a c i n d e c o n s e r v a c i n B ^ J

1 1

( x ) = 0 , p r o d u c e :

3 M

U V

( x ) = 0

y

( 4 . 7 )

d o n d e e l t e n s o r :

M ^

v X

( x ) E x

V

T ^ ( x ) - x V

V

( x )

+

S ^ ^ ( x ) $ . ( x )

( 4 . 8 )

e s a n t i s i m t r i c o e n s u s n d i c e s v , .

A n a l i z a n d o ( 4 . 7 ) e n u n s i s t e m a d e c o o r d e n a d a s ,

s e o b t i e n e l a c o n s e r v a c i n d e l a c a n t i d a d a n t i s i m t r i c a :

J

V X

( t )

d

3

r M

0 v X

( ? , t ) ; J

v A

( t ) = 0 ( 4 .9 )

q u e ^ s l a c o n s e c u e n c i a d e la i n v a r i a n c i a L o r e n t z d e l

s i s t e m a .

E s p e c i a l i z a n d o a l a s c o m p o n e n t e s e s p a c i a l e s

d e l t e n s o r y d u a l i z a n d o c o n e ^ ^ . s e o b t i e n e u n a i n t e r p r e t a

c i n d e ( 4 . 9 ) c o m o u n a g e n e r a l i z a c i n c o v a r i a n t e d e l a

l e y d e c o n s e r v a c i n d e l m e m e n t u m a n g u l a r . E s t e c o n s t a d e

u n a p a r t e a n l o g a a l m o m e n t u m a n g u l a r o r b i t a l m i e n t r a s

q u e la p a r t e e n l a m a t r i z S , p r o p o r c i o n a u n a c o n t r i b u c i n

a d i c i o n a l q u e n o e s n u l a a u n q u e P ^

1

lq s e a . D e b e e n t o n c e s c o r r e s

p o n d e r a l a i d e a d e m o m e n t u m a n g u l a r i n t r n s e c o o s p i n .


34/121

1

- 9 -

5 . I n v a r i a n c i a s i n t e r n a s . .

H a s t a e l m o m e n t o h e m o s e x p l o t a d o e l t e o r e m a d e

N o e t h e r e n l o s d o s c a s o s e n l o s q u e l a s v a r i a c i o n e s d e

l o s c a m po s - e s t n l i g a d a s a l a s v a r i a c i o n e s d e c o o r d e n a d a s

p o r p r e s c r i p c i o n e s c i n e m t i c a s .

P o r s u p u e s t o t r a n s f o r m a c i o n e s m u c h o m s g e n e r a l e s

'i.

p u e d e n se r c o n s i d e r a d a s . O b t e n i d a s l a s i n v a r i a n c i a s s e t e n d r n

l e y e s d e c o n s e r v a c i n q u e a y u d a r n a d e t e r m i n a r l a s o l u c i n

d e l p r o b l e m a . P a r a t r a n s f o r m a c i o n e s g e n e r a l e s , l a s v a r i a c i o n e s

d e l o s c a m p o s y d e l a s c o o r d e n a d a s s o n t o t a l m e n t e i n d e p e n -

d i e n t e s .

U n e j e m p l o e x t r e m o d e e s t a i n d e p e n d e n c i a s e p r o d u c e

c u a n d o l a s v a r i a c i o n e s d e l o s c a m p o s n o s o n n u l a s , p e r o

l a s V a r i a c i o n e s d e c o o r d e n a d a s s :

x

M

= 0

( 5 . 1 )

S i e x i s t e n i n v a r i a n c i a s d e e s t e t i p o r e c i b e n e l

n o m b r e d e i n v a r i a n c i a s i n t e r n a s . P a r a e s t a s i n v a r i a n c i a s

d e b e n n o t a r s e l o s s i g u i e n t e s h e c h o s :

i ) L a s v a r i a c i o n e s l o c a l e s y t o t a l e s d e l o s c a m p o s s o n

a h o r a i d n t i c a s .

i i ) P u e s t o q u e n o h a y c a m b i o d e c o o r d e n a d a s , 1 a i n v a r i a n c i a

d e l a a c c i n q u e d a g a r a n t i z a d a s i m p l e m e n t e s i s e v e r i f i c a :

IL ( x ) = 3 L (X , 4> ( x ) ( x ) ) = l L ( x ) = & ( x , ( x ) , 3

y

^ ( x ) ) ( 5

i i i ) L a c o r r i e n t e c o n s e r v a d a n o t i e n e p a r t e en 6 x

e s c r i b e s i m p l e m e n t e c o m o :

J

J

M

( x )

= T T ^ ( X

) 6 $ . (

X )

( 5 . 3 )


35/121

/

/

Suponga que tenemos una teo r a desc r i ta po r un Lag rangeano

C

que

invo luc ra a un cam po comple jo Tom ando como campos independ ien te s a

$ y $*, considrese la transformacin de fase

- = e

ia

${x).

(5.4)

Si a 1. enton ces

$ ( x )

&(x) =

(1

+ ia)^(x)

(5.5)

y por lo tanto

;

5$(x) = ia$(x).

(5.6)

Ahora bien, s i es invariante bajo estas transformaciones tenemos asoci-

ada (a dicha invariancia) la corr iente conservada (sobre las ecuaciones de

mov imien to )

y de aqui que

sa t i s faga

d ^ J '

m u

= 0 (5.9)

Una generalizacin interesante de lo anterior lo consti tuye la c lase de

t rans fo rmac iones t ipo - fa se

$

i

( x ) - > $

/

i

( x ) = ( ( 5 y + e

f l

7 ^ ) $

J

- (5.10)

donde los

a

son lo s pa rme t ros in f in i te s ima les de la t r ans fo rmac in ( inde -

pend ien te s de las coo rdenadas ) , lo s T? j son constantes numricas y e l ndice a

tom a tan t os va lo res como s ime t r a s independ ien te s ex is tan . La inva r ianc ia de

bajo ta les transformaciones t iene asociada la corr iente conservada (sobre

las ecuaciones de movimiento)

J

aiJl

= Uf{x)T

l

a

j

^

j

(x).

(5.11)

- 1 0 -


36/121

- 11

6 . E j e r c i c i o s .

1 . S e a F ( E ) u n a f u n c i n d e s u p e r f i c i e t r i d i m e n s i o n a l .

C o n s i d r e s e l a s u p e r f i c i e E + E ( z ) c orn o u n a s u p e r f i c i e

c o i n c i d e n t e c o n I e x c e p t o e n u n e n t o r n o d e l p u n t o z e n

e l c u a l d i f i e r e i n f i n i t e s i m a l m e n t e d e E . El v o l u m e n e n c e r r a d o

en tr e' E + SE (z) y"-'E e s i n f i n i t e s i m a l . D e n o m i n m o s l o 6f l( z) . ?

P r o b a r q u e s i :

F ( E ) =

d E

U

( x ) J ( x )

e n t o n c e s :

3 P ( E )

E

3E (z)

i im

6fi(z)->0

F (E + 6 E ( z ) ) - F (E )

fi(z)

= 3 J

U

( z )

u

y v e r i f i c a r e n c o n s e c u e n c i a l a i m p l i c a c i n d e ( 1. 9) ' d e d u c i d a

e n e l t e x t o .

2.C o n s i d r e s e u n L a g r a n g i a n o : H (x ,4 >

( x), 3 $

(x )) que de-

p e n d e e x p l c i t a m e n t e d e x .

N o e x i s t e e n t o n c e s i n v a r i a n c a t r a s l a c i o n a l ..Sin e m b a r -

g o l a p r i m e r a v a r i a c i n d e l a a c c i n b a j o u n a t r a s l a c i n

i n f i n i t e s i m a l e s f c i l m e n t e c a l c u l a b l e . P r o b a r e n t o n c e s q u e :

, 3 T (x ) t 0 = K (x)

I y

s i e n d o K

v

( x f t u n v e c t o r q u e d e b e r s e r c a l c u l a d o .

r

S e a e l c o n j u n t o d e 4 - c a m p o s e s c a l a r e s L o r e n t z . q u e n u m e r a m o s

e n f o r m a d e m a t r i z 2 x 2 : ( x ) , G .

(x) ,G

2 1

(x) ,C

> 2 2

(x)

.

Los

c a m p o s s e s u p o n e n r e a l e s . C o n s i d e r e m o s e l L a g r a n g i a n o :

o

IL (

x

)

= - k T r { 3 G ( x ) 3

v

G ~

1

(x)}

y

H a l l a r P

y

(x) .J

1

^ ( x ) y l a s s i m e t r a s i n t e r n a s q u e s e


37/121


38/121


39/121

1 . C i n e m t i c a ,

L a T e o r a d e S c h r o d i n g e r d e c l a r a c o m o p r i m e r p o s t u l a -

d o q u e s u g r u p o d e c o v a r i a n c i a e s e l g r u p o d e G a l i l e o

m s l a s t r a s l a c i o n e s . E s d e c i r , t r a s l a c i o n e s , r o t a c i o n e s

t r i d i m e n s i o n a l e s y l o s " b o o s t s " g a l i l e a n o s :

= t

r + Vt

( 1 . 1 )

S i e n d o e l g r u p o d e c o v a r i a n c i a d i s t i n t o d e l g r u p o

d e L o r e n t z , l a - Te or a d e S c h r o d i n g e r n o s p r o p o r c i o n a u n a

b u e n a o p o r t u n i d a d d e p r a c t i c a r l a s i d e a s d e s a r r o l l a d a s

e n u n c o n t e x t o f o r m a l m e n t e d i f e r e n t e .

L a c i n e m t i c a d e l m o d e l o p r o p o n e l a c o n s i d e r a c i n

d e u n c a m p o c o m p l e j o

''( x ).E x i s t e n d o s g r a d o s d e l i b e r t a d

e n t a l c a s o ( d os 0 . ( x ) e n n o t a c i o n e s a n t e r i o r e s ) . P o r c o m o -

d i d a d , l o s i d e n t i f i c a m o s c o n :

>(x) Y* (x ) (1. 2)

L a c i n e m t i c a n o s o b l i g a a p r e s c r i b i r en f o r m a

u n v o c a e l c a m b i o e n l o s c a m p o s b a j o t r a n s f o r m a c i o n e s d e l

g r u p o d e c o v a r i a n c i a . C u m p l i r n o s c o n e s t a s o b l i g a c i o n e s p r e s -

c r i b i e n d o :

i ) B a j o t r a s l a c i o n e s x ' ^ = a

y

( 1 - 3 )

d e b e r t e n e r s e :

V ( x ' ) - V (x) (1 . 4 )

v l a m i s m a r e l a c i n p a r a ( x ) .

E s d e c i r , l o s g r a d o s d e l i b e r t a d s on e s c a l a r e s

t r a s l a c i o n a l e s .


40/121

N

E n f o r m a c o m p l e t a m e n t e a n l o g a p r e s c r i b i m o s q u e

l o s g r a d o s d e l i b e r t a d s o n e s c a l a r e s r o t a c i o n a l e s . E n t o n c e s

b a j o u n a r o t a c i n :

i i )

t ' = t r ' = R r

- - -

( 1 . 5 )

s e t e n d r :

H" (x' ) = (x ) (1 .6)

y l a m i s m a r e l a c i n p a r a s u c o m p l e j o - c o n j u g a d o .

i i

i)

P a r a " b o o s t s " d e G a l i l e o n u e s t r a p r e s c r i p c i n e s

d i f e r e n t e . F r e n t e a l a s t r a n s f o r m a c i o n e s 1.1) p r e s c r i b i m o s

V'(x ' ) = e

l F ( : t

'

r

-

1

-'(x) (1 .7 )

?

* ( x ' ) =

e

- i F ( t , r , \ 0

c on:

v :

p

2

F

( t

t O

= (P- r + ^ t) (1 .9 )

P = M t M ( C o n s t a n t e ) ( 1 . 1 0 )

N o t o d a l ey d e t r a n s f o r m a c i n e s a d e c u a d a . E x i s t e n

r e q u e r i m i e n t o s o b v i o s q u e s e d e b e n v e r i f i c a r .

i r

P a r a e l b o o s t n u l o P = 0 , e " ~ d e b e s e r l a u n i d a d .

E s t o s e v e r i f i c a i n m e d i a t a m e n t e c o n la f o r m a ( 1 . 9 ) .

A s i m i s m o , b a j o l a a p l i c a c i n s i m u l t n e a de d os

b o o s t s P.j y ?

7

s e t e n d r :


41/121

y " ( x " ) = e

1

^ (t>

', V

2

) U/.t ') =

P r o c e d i e n d o e n u n a s o l a e t a p a d e b e r t e n e r s e :

? " ( x " ) = e

i F ( t

'

r

' W n x )

E s e v i d e n t e , q u e e x i s t e e l r e q u e r i m i e n t o f u n d a m e n t a l :

F(t ,r

=

F C t , r + ^ t , ^

2

) + F ( t , r { ) 0 - 1 1 )

( 1 . 1 1 ) e s l a r e l a c i n d e c o n s i s t e n c i a b u s c a d a .

E n l e n g u a j e d e r e p r e s e n t a c i n de g r u p o s , ( 1 . 1 1 ) a s e g u r a

q u e l a le y d e t r a n s f o r m a c i n ( 1 . 7 ) f o r m a u n a r e p r e s e n t a c i n

d e l s u b g r u p o d e b o o s t s d e G a l i l e o . M s i n f o r m a c i n s o b r e

r e p r e s e n t a c i o n e s s e r p r o p o r c i o n a d a m s a d e l a n t e .

E s i n m e d i a t o v e r i f i c a r q u e ( 1 . 9 ) v e r i f i c a ( 1 . 1 1 )

y p o r c o n s i g u i e n t e l a l e y d e t r a n s f o r m a c i n p o s t u l a d a

e s c o n s i s t e n t e .

2 . D i n m i c a .

L a d i n m i c a d e l m o d e l o s e e s p e c i f i c a a t r a v s d e l

L a r a n i a n o :

I L ( x ) = - * ( x ) 3

0

( x ) - - n x ) 3

0

* ( x )

( 2 . 1 )

D e b e r e c o r d a r s e o u e :

0

O

= ; 3.

X

e t c

(2.2)


42/121

r

E s a b s o l u t a m e n t e e v i d e n t e q u e I L (x ) e s e s c a l a r

b a j o t r a s l a c i o n e s de a c u e r d o a l a s l e y e s c i n e m t i c a s

p r e s c r i t a s . E s t a m b i n e s c a l a r b a j o r o t a c i o n e s e s p a c i a l e s ,

y a q u e e s t c o n s t r u i d o c o n e s c a l a r e s r o t a c i o n a l e s ( y ( x ) ,

w * ( x ) y e l p r o d u c t o e s c a l a r ^ ( x ) - ^ f t

x ) ) . T a m b i n

e s p o s i b l e v e r i f i c a r q u e l ( x ) e s e s c a l a r b a j o b o o s t s

d e G a l i l e o ( v e r e j e r c i c i o 2 e n e s t e c o n t e x t o ) .

E n t o n c e s , I L (x ) e s u n e s c a l a r b a j o e l g r u p o d e

c o v a r i a n c i a c o m p l e t o y l a s e c u a c i o n e s d e m o v i m i e n t o

s e r n e n t o n c e s c o v a r i a n t e s y a q u e , d e a c u e r d o a n u e s t r a

d i s c u s i n p r e v i a , l a e s c a l a r i d a d d e l L a g r a n g i a n o , g a r a n t i z a

l a c o v a r i a n c i a d e l a s e c u a c i o n e s d e m o v i m i e n t o .

T e n e m o s e v i d e n t e m e n t e :

= - j H x ) ( 2 . 3 )

3

k

n x ) ( 2 . 4)

E n t o n c e s l a s e c u a c i o n e s de m o v i m i e n t o s o n :

| 8

0

< f * ( x ) + - r V

1

^

3 0 +

I V *

( x ) = 0

2

- i 3

Q

Y * ( x ) = - ^


43/121

y ( x ) =

d

3

k *(") e

1

^

r

' 2 M

t J

( 2 . 7 )

E n t o n c e s , l a s o l u c i n g e n e r a l d e p e n d e d e u n a f u n c i n

a r b i t r a r i a

E s p o s i b l e c o m p r o b a r d i r e c t a m e n t e q u e la e c u a c i n

( 2 . 6 ) e s c o v a r i a n t e b a j o , p o r e j e m p l o - , b o os t s d e G a l i l e o .

E s t e h e c h o e s t g a r a n t i z a d o p o r l a e s c a l a r i d a d d e l L a g r a n -

g i a n o . S i n e m b a r g o , l a p o s e s i n d e l a s o l u c i n g e n e r a l ( 2 . 7 )

p e r m i t e , c o m o e j e r c i c i o i n t e r e s a n t e , u n a c o m p r o b a c i n d i r e c t a

d e e s t e h e c h o .

B a j o u n b o o s t d e G a l i l e o , e l o b s e r v a d o r e q u i v a l e n t e

t e n d r :

r

p 2

(x') = e

1 +

2 M

t J

( x ) =

2 2

d

5

k $ ( $) e xp i { ( M ) - -

t }

S i e f e c t u a m o s e l c a m b i o d e v a r i a b l e : k + ? = q ,

o b t e n e m o s :

d

3

q $ ( q - P ) e x p i { q - r +

t

-

t

}

y e n d e f i n i t i v a , n o m b r a n d o q p o r le d e n u e v o y o b s e r v a n d o

q u e r + ? t / M = r ' . o b t e n e m o s :

n

T ' ( x ' ) = d

3

k

e

i ( k - r ' - 2 M ( 2 . 8 )

E n t o n c e s , e l c o n j u n t o d e s o l u c i o n e s p a r a e l s e g u n d o

o b s e r v a d o r e s t o t a l m e n t e i d n t i c o a l p r i m e r o . C u a n d o e l p r i m e r

o b s e r v a d o r e l i g e u n a s o l u c i n c a r a c t e r i z a d a p o r o ( k ) , e l

s e c u n d o o b t i e n e u n a c o n $(c-P). P u e s t o q u e l a c o r r e s p o n d e n c i a

e n t r e y - P e s o b v i a m e n t e u n o a u n o , a m b o s o b s e r v a d o r e s

t i e n e n e l m i s m o c o n j u n t o d e s o l u c i o n e s u n a a u n a .

L a i n t e r p r e t a c i n f s i c a d e ( 2 . 3 ) e s e v i d e n t e .


44/121

i

- 6

3 . C o r r i e n t e d e p r o b a b i l i d a d .

P u e s t o q u e e l L a g r a n g i n o d e p e n d e d e u n c a m p o

c o m p l e j o y e s r e a l , e x i s t e la i n v a r i a n c i a i n t e r n a :

i6.

H" (x) = e V (x) * ' ( X ) = E "

L 9

V " C x ) ( 3 . 1 )

N u e st r o s r e s u l t a d o s e n t e o r a d e c a m p o s n o s a s e g u r a n

l a c o n s e r v a c i n d e l a c o r r i e n t e :

J ( x) = f

i

7 T

M

i

( x ) $

i

( x )

c o n p a r a f ( x ) e i g u a l a - 1 p a r a y * ( x ) .

D e a c u e r d o a ( 2 . 3 , 4 ) t e n d r e m o s :

J (x ) = ^ v * ( x ) n x ) + y ( x ) y * ( x ) = i | y ( x ) |

J

k

( x ) = -{ 3

k ,

?

A

(x; )7 (x) - 3

k

T ( x ) * ( x j ]

( 3 . 2 )

( 3 . 3 )

L a c o r r i e n t e - i J '

J

( x ) s e r i g u a l m e n t e c o n s e r v a d a

y a e s t a l a d e n o m i n a m o s j

H

( x ) . E n t o n c e s :

j( x) = | ^ ( x )

2

; j

k

( k ) - i ^ C x ) 3

k

Y

f t

( x ) - Y.* (x) (x) }

o t a m b i n :

j (x ) = I n x )|

2

; j ( x) = 1 I M { * ( x ) M x ) }

1

M

R E C F - ( x ) ( - i V ) Y ( x ) } ( 3 . 4)

T e n e m o s e n t o n c e s :

3

0

j ( x ) + 3

k

j

k

( x ) = 0

( 3 . 5 )

.0

y

; 3

o r c o n s i g u i e n t e l a e n a t i d a d , c u y a d e n s i d a d e s j (x) es

c o n s e r v a d a e n e l s e n t i d o q u e n o t i e n e f u e n t e s n i s u m i d e r o s .

N o h a y c r e a c i n n i d e s t r u c c i n .


45/121

E n P r i m e r a c u a n t i z a c i n s e i n t e r p r e t a j ^ ( x ) c o m o

l a d e n s i d a d d e p r o b a b i l i d a d d e p r e s e n c i a d e u n a p a r t c u l a .

} ( x ) e s e n t o n c e s e l f l u j o d e e s t a p r o b a b i l i d a d .

E l h e c h o d e q u e e n P r i m e r a c u a n t i z a c i n l a p a r t c u l a

e s i n m u t a b 1 e , e s d e c i r n o d e s a p a r e c e e n e l t i e m p o , i m p l i c a

l a c o n s e r v a c i n d e s u d e n s i d a d d e p r o b a b i l i d a d . P o r e l l o

s i e m p r e t e n d r e m o s . qu e a d o p t a r u n a d e n s i d a d d e p r o b a b i l i d a d

q u e s e o b t e n g a c o m o l a c o m p o n e n t e 0 d e a l g n v e c t o r

c o n s e r v a d o .

L a s a s i g n a c i o n e s e f e c t u a d a s e n e s t e a p a r t a d o s o n

o b v i a m e n t e l a s f a m i l i a r e s en M e c n i c a C u n t i c a d e S c h r o d i n -

g e r .

4 . I n v a r i a n c i a t r a s l a c i o n a l . O p e r a d o r H a m i l t o n i a n o . O p e r a d o r m om e n~

P u e s t o q u e e l L a g r a n g i a n o es e s c a l a r t r a s l a c i o n a l

b t e n e m o s l a l e y d e c o n s e r v a c i n d e T

y v

( x ) , d a d o p o r :

T ^

v

( x ) = i r ( x ) a V C x ) -

E n n u e s t r o c a s o :

T

U

(x) = T T ( X ) 3 % ( X ) - g ^ I L ( x )

y

E n t o n c e s :

T

0 0

( x ) = 4 * ( x )8

U

< > ( x ) - j ( x ) 3

U

Y* (. x) - IL(x)

,,,.

1

3 , V

A

( X ) 3

K

( X ) = -Jrr- ^ F ( X ) - ^ * ( X )

2M k

2 M

( 4 . 1 )

C o n e l l o l a e n e r g a d e l s i s t e m a e s :

P =

2 M

d x W * ( x )

Vi'(x)

(4.2)

e i n t e g r a n d o p o r p a r t e s o b t e n e m o s s i n d i f i c u l t a d :


46/121

E s e v i d e n t e q u e e l L a g r a n g i a n o a c t u a l n o p o s e e

i n v a r i a n c i a c o n r e s p e c t o a l g r u p o d e L o r e n t z r e s t r i n g i d o .

S i n e m b a r g o , e l L a g r a n g i a n o e s i n v a r i a n t e f r e n t e a r o t a c i o n e s

e s p a c i a l e s . E s i n m e d i a t o o b s e r v a r q u e u n a r o t a c i n e s p a c i a l

i n f i n i t e s i m a l p u e d e s i e m p r e e s c r i b i r s e c o m o :

P o r d e f i n i c i n e s t a e x p r e s i n d e f i n e e l o p e r a -

Dr H a m i l t o n i a n o d e l s i s t e m a :

E n f o r m a c o m p l e t a m e n t e a n l o g a , p o d e m o s c a l c u l a r

e l 3 - m o m e n t u m d e l s i s t e m a .

E l r e s u l t a d o e s :

d

3

x


47/121

- 9 -

T

1

_ X

1 1

L . = - + co .

J J 3

(5.1)

d o n d e o a

1

e s u n a m a t r i z 3 x 3 a n t i s i m t r i c a , c o n t e n i e n d o

e n t o n c e s l o s t r e s p a r m e t r o s a s o c i a d o s a r o t a c i o n e s es-

p a c a l e s . - .

B a j o e s t a s t r a n s f o r m a c i o n e s h a y i n v a r i a n c i a y

. o c e d i e n d o e n f o r m a a n l o g a al e s t u d i o r e a l i z a d o p a r a

l a i n v a r i a n c i a L o r e n t z , l l e g a m o s a l a c o n s e r v a c i n d e

l a c a n t i d a d :

J

j k

d

3

r M

0 j k

( x )

( 5 . 2 )

:on:

.Oi k, . j-rOk, k0j

r

M

J

(x) = x

J

T (x) - x T

J

(x)

(5.3)

N t e s e q u e n o h a y c o n t r i b u c i n d e t r m i n o s

d e s p i n a l h a b e r p o s t u l a d o l a e s c a l a r i d a d b a j o e s t a s

t r a n s f o r m a c i o n e s ( 1 . 6 ) .

U n c l c u l o s i m p l e n o s p r o p o r c i o n a :

M

0 j k

( x ) . - |

A

( x ) x h h ( x ) - j ^ ( x )

Y * ( x ) x

k

3^"(x) + y '(x) x

k

3

J

" ( x ) ( 5 . 4 )

G u a n d o e s t a e x p r e s i n s e s u b s t i t u y e e n ( 5 . 2 ) o b te -

n e m o s s i n d i f i c u l t a d , i n t e g r a n d o p o r p a r t e s :

J

j k

d

3

r * ( x ) ( i x h

k

- ix^^YCx)

( 5 . 5 )

D e n u e v o , p o r d e f i n i c i n s e t i e n e e l o p e r a d o r :

J

j k

= x

j

( i 3

k

) - x

k

( i 3

j

)

( 5 . 6 )

E s c o n v e n c i o n a l d e f i n i r e l o p e r a d o r m o m e n t u m

a n g u l a r d e l s i s t e m a* c o m o :


48/121

i

=

1 -Oijk

J

- 2

e

j k

q u e ^ c o n t i e n e o b v i a m e n t e l a m i s m a i n f o r m a c i n .

D e ( 5 . 6 ) o b t e n e m o s :

J

1

= x . ( i 3

k

)

1 0 -

( 5 . 7 )

( 5 . 3 )

o "tambin:

3 E r x ( - V )

( 5 . 9 )

c u e e s l a f o r m a f a m i l i a r p a r a e l o p e r a d o r d e m o m e n t u m - a n g u l a r

p a r a u n a f u n c i n e s c a l a r .

6 . p r o p a g a d o r d e l a e c u a c i n d e S c h r o d i n g e r . C a s o h o m o g n e o .

C o n s i d e r e m o s l a t r a n s f o r m a c i n d e F o u r i e r :

1

y ( x ) =

( Z

T T )

3

d

4

k Y ( k ) e ~

l k

'

x

( 6 . 1 )

D e a c u e r d o c o n l a e c u a c i n d e S c h r o d i n g e r ( 2 . 6 )

o b t e n e m o s s i n d i f i c u l t a d :

1

(2ti)

q u e e s e q u i v a l e n t e a :

d

4

k e -

i k

'

x

k ) ( k - = 0

0 k

2

-

( k

U

- ( k) = 0

( 6 . 2 )

. J

E s t a e c u a c i n e s l a t r a n s f o r m a d a d e F o u r i e r d e

l a e c u a c i n d e S c h r o d i n g e r , a l a c u a l e s e q u i v a l e n t e .

S u s o l u c i n g e n e r a l es e v i d e n t e :

0


49/121

\

s i e n d o $ ( k ) u n a f u n c i n t o t a l m e n t e a r b i t r a r i a .

S i s u s t i t u i m o s e n (" 6. 1) y e f e c t u a m o s l a i n t e g r a l

0 *

s o b r e k c o n l a a y u d a d e l a d i s t r i b u c i n o b t e n e m o s :

c n:

n x )

y-

d

3

K fft o e

i ( K

'

r

2M

t )

( 6 . 4 )

f ( t ) = - i

(2ir)

3 * ( k =

m

,

( 6 . 5 )

( 6 . 4 ) e s la s o l u c i n g e n e r a l d e n u e s t r a e c u a c i n

h e c h o q u e y a f u e u s a d o e n ( 2 . 7 ) .

P o r o t r a p a r t e , s i e s c r i b i m o s :

Y ( x ) =

d

4

k 5>(k) 6(k- 1 ^ ) e "

i k

'

x

( 6 . 6 )

C 2rr)

j

p o d e m o s u t i l i z a r l a i d e a d e q u e e l p r o d u c t o d e c o n v o l u c i n

t r a n s f o r m a p o r F o u r i e r e n p r o d u c t o o r d i n a r i o .

E x p l c i t a m e n t e , s i d e f i n i m o s :

F ( x ) =

D ( x ) =

1

(271)'

1

O )

s e t i e n e i n m e d i a t a m e n t e :

j 4 , . ,, -i k- x

d k $(k) e

,4 ,

f M

0 1c % -i k -x

d k 6 (k " 2 m) e

( 6 . 7 )

(6.8)

(x) =

d y D ( x - y ) F ( y )

( 6 . 9 )

q u e t i e n e q u e s e r o t r a f o r m a e q u i v a l e n t e d e p r o p o r c i o n a r

l a s o l u c i n d e l a e c u a c i n d e S c h r o d i n g e r .

L a f u n c i n D ( x ) s e c o n o c e c o m o p r o p a g a d o r h o m o g n e o d e

l a e c u a c i n d e S c h r o d i n g e r . P a r a c a l c u l a r l o , r e c u r r i m o s a

( 6 . 8 ) y n o t a m o s q u e l a i n t e g r a c i n s o b r e k s e e f e c t a

i n m

e d i a t a m e n t e c o n a y u d a d e l a d i s t r i b u c i n . O b t e n e m o s :


50/121

D ( x ) =

2 t t )

d

5

k ~ m

t }

D e e s t a e x p r e s i n e s e v i d e n t e q u e

i 9

t

D C x ) = - 4 r V

2

D ( x ) -

(6.10)

E s d e c i r q u e e l p r o p a g a d o r h o m o g n e o v e r i f i c a

l a e c u a c i n d e S c h j r o d i n g e r . P o r o t r a p a r t e , p a r a t = 0 , s e

t i p n e :

V

D ( t = 0 , r ) =

3

( )

( 6 . 1 1 )

q u e p u e d e p e n s a r s e c o m o c o n d i c i n d e b o r d e .

C o n t i n u a n d o n u e s t r o c l c u l o , r o t a m o s e l e s p a c i o

d e i n t e g r a c i n ^ ( m u d o c o m o v a r i a b l e d e i n t e g r a c i n )

h a s t a q u e e l v e c t o r r s e h a l l e e n d i r e c c i n k . P a s a n d o

a c o o r d e n a d a s p o l a r e s , e s t r i v i a l o b t e n e r :

1

D ( x ) =

2TT r

dk k sen kr e

- u k '

(6.12)

0

c o n l a n o t a c i n : u = i t / 2 M

( 6 . 1 3 )

P u e s t a q u e la i n t e g r a l e s p a r , p o d e m o s e s c r i b i r :

2

1

D ( x ) =

4ir r

- u k

dk k sen kr e

i - c o

y u t i l i z a n d o e l m i s m o h e c h o , e s c r i b i m o s :

-, -i kr -u k

dk k e e

( x ) = f -

4TT r

( 6 . 1 4 )

S i u f u e r a r e a l y p o s i t i v o , ( 6 . 1 4 ) s e r e d u c e a l a

t r a n s f o r m a c i n d e F o u r e r d e u n a G a u s s i a n a e n u n a d i m e n s i n .

E s t e c l c u l o e s c o n v e n c i o n a l . P a r a s i t u a r n o s e n l , c o n s i d e r a m o s


51/121

V

- 1 4 -

- 13 -

u n a p e q u e a p a r t e i m a g i n a r i a e n e l t i e m p o t :

t t - i e ( 6 . 1 5 )

d e m o d o q u e u t i e n e a h o r a u n a p a r t e r e a l p o s i t i v a y

p o d e m o s r e c u r r i r a l c l c u l o c o n v e n c i o n a l . O b t e n e m o s :

D ( x ) = ( 4T T U ) "

3 / 2

e

r / 4 u

( 6 . 1 6 )

E l n i c o p u n t o e n e l q u e l a p r e s c r i p c i n e n t

s e h a c e r e l e v a n t e e s e n la d e t e r m i n a c i n d e l a r a i z d e u .

P u e s t o q u e u t i e n e u n a p e q u e a p a r t e r e a l p o s i t i v a , l a r a i z

d e b e t o m a r s e s e g n la r a m a p r i n c i p a l .

E s

d e c i r :

i

1 / 2

= e ^

/ 4

( 6 . 1 7 )

E l p r o p a g a d o r h o m o g n e o p r o d u c e e n d e f i n i t i v a :

D ( t f

) = () 3 / 2

- M r

2

/ 2 i t

( 6 > 1 8 )

2irit

E l c o n o c i m i e n t o d e l p r o p a g a d o r h o m o g n e o c o n d u c e

a l a s o l u c i n g e n e r a l d e l a e c u a c i n d e S c h r d i n g e r d a d a

p o r ( 6 . 9 ) d o n d e F ( y ) e s a r b i t r a r a . E s e q u i v a l e n t e a l

c o n o c i m i e n t o d e l a s o l u c i n g e n e r a l d a d a e n ( 6 . 4 ) e n f o r m a

d e t r a n s f o r m a d a d e F o u r i e r .

7 . P r o p a g a d o r d e l a e c u a c i n d e S c h r d i n g e r . C a s o i n h o m o g n e o .

P r o p o n g a m o s a h o r a l a e c u a c i n :

( i 8

o

+

4 r

v

x

} D

F

( x

' >

r ) = i 4

(

x

- y ) (

7

-

1

)

c o n

l a- c o n d i c i n d e b o r d e c a u s a l :

D p ( x , v ) = 0 s i x


52/121

R e c o r d a n d o ( 6 . 1 0 , 1 1 ) e s i n m e d i a t o o b t e n e r l a

s o l u c i n d e ( 7 . 1 , 2 ) . S e t i

Teoría Clásica de los Campos 2

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