Introduction
相対論的な粒子の運動を定式化するために,相対論的なLagrangianと作用およびHamiltonianを,発見的な方法で導く。非相対論的Lagrangianとその問題
まず,復習として,非相対論的な自由粒子の場合を思い出してみると,Lagrangianは運動エネルギーで与えられる:
しかしこのLagrangianから出てくる運動方程式はNewtonの運動方程式であって,相対論的な効果が含まれていないことは明らかである。
そこで,相対論的な効果を含んだ運動を記述するためには,別のLagrangianを見出す必要がある。 相対論的な自由粒子のLagrangianとしては,運動方程式が2階より高階の微分を含まないことに加え,Lorentz変換で不変であり,かつ非相対論的極限で(\ref{eq:nonrelativistic_L})に帰着するものでないといけない。
発見的方法
さて,『固有時間と時間の遅れ』のところで,世界間隔$ds$は,座標の1階微分までを含むLorentz不変なスカラーであることを見た。 そのため,この量に作用の次元に合わせるためになんらかの定数$\alpha$をかけた
という形の作用を考えてみる(作用の次元から,$\alpha$は質量かける速さの次元でないといけない)。 すなわちこの場合のLagrangianは
である。 そして,この量は
において
となり,$\alpha = -mc$と選ぶことで
と,確かに運動方程式に寄与しない定数項を除いて非相対論的なLagrangian (\ref{eq:nonrelativistic_L})に一致することがわかる。
$E=mc^2$
すなわち,相対論的な自由粒子のLagrangianおよび作用はそれぞれ
および
とすることが自然であることがわかった。 これらの関数の形がわかれば,後は非相対論的な場合と同様の手続きによって,相対論的な運動量
および,それを用いてHamiltonian
が得られる。
Hamiltonianは相空間関数としての系の全エネルギーであるから,以下これを$E$と記そう。 (\ref{eq:L_expansion})と同じように,このHamiltonianを$v/c$で展開することで
が得られ,非相対論的な極限で$mc^2$を除いて非相対論的な運動エネルギーと一致する。 また,$v=0$の場合は
となり,良く知れた質量とエネルギーの等価性を示す関係式が得られる。
References
――(1986). 力学 (ランダウ=リフシッツ理論物理学教程). 広重 徹, 水戸 巌 訳. 東京図書.
――(1978). 場の古典論(原書第6版) (ランダウ=リフシッツ理論物理学教程). 恒藤敏彦 & 広重訳. 東京図書.