Hamiltonijan

Hamiltonijan je funkcija ili operator, u zavisnosti od toga da li se koristi u kontekstu klasične ili kvantne mehanike, koji je od centralnog značaja za opis vremenske evolucije u fizici.

Hamiltonijan u klasičnoj fizici

U klasičnoj fizici Hamiltonijan je definisan kao Ležandrova transformacija lagranžijana. Naime, kako se uzima da je lagranžijan funkcija genralisanih koordinata, generalisanih brzina i vremena u situaciji u kojoj je pogodnije koristiti generalisane impulse potrebno je izvršiti transformaciju koja će dovesti do pojave tražene zavisnosti. Dotična transformacija je ležandrova transformacija i u njoj se zavisnost od generalisanih brzina smenjuje zavisnošću od generalisanih impulsa. Ona glasi

$H(q_i, p_i, t)=\sum_{k=1}^{n}p_k \dot{q}_k-L(q_i, \dot{q}_i, t)$

, gde $i=1...n$, -{n}- je broj stepeni slobode sistema, -{L}- lagranžijan sistema, a $q_i, \dot{q}_i, p_i, t$ generalisane koordinate, generalisane brzine, generalisani impulsi i vreme respektivno. Ovo je istovremeno definiciona relacija za hamiltonijan. U slučaju kada je kinetička energija sistema homogena kvadratna funkcija generalisanih brzina hamiltonijan je jednak ukupnoj energiji sistema. Ovo je najčešći slučaj i hamiltonijan se često poistovećuje sa ukupnom energijom sistema.

Izražene preko hamiltonijana, jednačine kretanja sistema (koje se zovu Hamiltonove jednačine) glase

$\dot{q}_i=\frac{\partial H}{\partial p_i}$

$\dot{p}_i=-\frac{\partial H}{\partial q_i}+Q_i^{nepot}$

, gde $Q_i^{nepot}$ predstavlja nepotencijalne generalisane sile. Ove jednačine pružaju nekoliko pogodnosti, među kojima su: impulsi i koordinate figurišu simetrično u jednačinama i jednačine su diferencijalne jednačine prvog reda.

Hamiltonov formalizam u klasičnoj mehanici je takođe značajan zato što pokazuje analogije između klasične i kvantne mehanike.

Hamiltonijan u kvantnoj mehanici

U kvantnoj mehanici hamiltonijan je hermitski operator i pridružen je opservabli energije. Vremensku evoluciju kvantnog sistema diktira hamiltonijan preko Šredingerove jednačine

$i\hbar\frac{\partial |\psi\rangle}{\partial t}=\hat{H}|\psi\rangle$

, gde je $\hat{H}$ hamiltonijan, a$|\psi\rangle$ stanje sistema.

Kako hamiltonijan predstavlja energiju, njegove svojstvene vrednosti predstavljaju moguće energije koje sistem može da poseduje. Svaka opservabla čiji operator komutira sa hamiltonijanom predstavlja održanu veličinu.