En la sección 12.11 de Electrodinámica clásica de Jackson, evalúa una integral involucrada en la solución de la función de Green para la ecuación de onda de 4 potenciales. Aquí está:
dónde y son constantes reales.
Jackson considera dos contornos abiertos: uno por encima y otro por debajo del eje real. Entiendo que para usar el lema de Jordan, cuando tenemos que cerrar el contorno en la mitad superior del plano complejo mientras que si tenemos que cerrar el contorno en el semiplano inferior.
Lo que no entiendo es por qué está bien considerar contornos por encima y por debajo del eje real cuando la integral original está a lo largo del eje real. Según tengo entendido, la necesidad de tratar con polos como este también surge mucho en QFT, por lo que quizás se entienda bien desde ese punto de vista.
Supongamos que queremos analizar el problema de un oscilador armónico forzado. denotar como la posición dependiente del tiempo del oscilador. El oscilador experimenta dos fuerzas, la fuerza del resorte y una fuerza externa . la ley de newton dice
dónde es la frecuencia de oscilación libre y . Usamos la siguiente convención de transformada de Fourier:
Con esta convención sobre la Ec. , y definiendo
Esta integral es complicada debido a los polos en el eje. La solución que todos conocen es empujar los polos fuera del eje agregando una parte imaginaria a , o moviendo el contorno por encima o por debajo del eje real, pero ¿qué significa esto realmente físicamente? ¿Cómo elegimos en qué dirección empujar los polos o mover el contorno?
En un sistema real, siempre tenemos algo de amortiguamiento . En nuestro modelo de oscilador, esto podría venir en forma de fricción dependiente de la velocidad. . Definición , la ecuación de movimiento se convierte en
Fourier transformando todo de nuevo conduce a la Ec. pero ahora con
Por lo tanto, vemos que agregar amortiguamiento mueve los polos un poco hacia el origen a lo largo del eje real, pero también les da una componente imaginaria positiva. En el límite de amortiguamiento pequeño (es decir ), encontramos . En otras palabras, el cambio de frecuencia de los polos debido al amortiguamiento es pequeño. Así que ignoremos eso y concentrémonos en la parte imaginaria agregada.
Ok, supongamos que queremos hacer la integral en el caso de que es una función delta en . En ese caso, (Estoy ignorando las unidades) y tenemos
En muchos casos, naturalmente no tiene amortiguación en el sistema. Por ejemplo, la función de Green de la pregunta,
Elegir empujar el contorno hacia arriba o hacia abajo, o de manera equivalente elegir el signo de , corresponde a imponer condiciones de contorno de fricción o antifricción, causales o anticausales. Si elige la condición de contorno "causal", encontrará que la respuesta del sistema a una función delta en el tiempo y el espacio es una onda esférica saliente que comienza en la fuente de la función delta. Esto le da la llamada "función de Green retrasada". Si elige la otra condición, encontrará que la solución para una fuente puntual es en realidad una onda esférica entrante que converge justo en el punto de la fuente. Esto le da la llamada "función de Green avanzada".
La cuestión es que puedes resolver un problema usando cualquiera de las funciones de Green. Tiene "permiso" para empujar el contorno hacia arriba o hacia abajo (o agregar o a los polos) porque eso lo inventaste como un truco para hacer la integral; no representa un factor real en su sistema físico. Por supuesto, en problemas donde hay amortiguamiento , la elección está hecha por usted. Cuando tienes amortiguamiento, no puedes tener campos en el infinito; se amortiguarían cuando interactúen con sus fuentes.
Espero que esto haya sido útil, y realmente espero que si alguien encuentra errores, salte y los corrija.
Creo que esta pregunta ha sido básicamente respondida. Hay muchas cosas matemáticas arriba (contornos, etc.) pero la pregunta inicial publicada era una pregunta de física.
Brevemente: tienes una ecuación diferencial que describe algún problema físico. Encuentras la solución. En este caso, es una integral que es "divertida" y requiere que se tomen algunas decisiones para que sea única y significativa. La física se pregunta por qué se toman las decisiones y qué significan.
Recuerde, una ecuación diferencial por sí misma no es una descripción completa de la realidad física. Resolver la ecuación diferencial le brinda todas las posibles soluciones a un problema que es bueno pero demasiado. Las ecuaciones diferenciales siempre van de la mano con las condiciones de contorno. Las condiciones de contorno son igualmente importantes. Le dicen qué solución es la significativa para su problema.
En este caso, como se explicó anteriormente, la condición de contorno es una solución retardada frente a una solución avanzada. Cuando golpea el sistema en t = 0 (con el forzado de la función delta), ¿la respuesta del sistema avanza o retrocede en el tiempo? Es decir, ¿no estaba haciendo nada antes de t=0 y luego hace cosas (retrasado)? ¿O estaba haciendo cosas para t<0 y luego lo golpeó correctamente para que se detuviera en t>0 y no hiciera nada (avanzado)? La prescripción final (la de Feynman de mover un polo hacia arriba y otro hacia abajo) se llama "ordenada en el tiempo": se crea un nuevo tipo de condición límite que une las soluciones retrasadas y avanzadas de una manera particular en t=0.
Como se explicó anteriormente, no hay una respuesta "correcta" o una forma "correcta" de hacer la integral. Depende de las condiciones de contorno. Sin condiciones de contorno, todas las formas están bien.
Si cree que estas condiciones de contorno son solo para este caso y nada muy común, reconsidere. Por ejemplo, todos sabemos intuitivamente que cuando se habla de estados propios de algún hamiltoniano en física, se normalizan. Eso nos da significado y nos permite calcular probabilidades. También que para un sistema finito las energías están discretizadas. Pero matemáticamente no es así en absoluto: si solo resuelves la ecuación de Schrödinger como una entidad matemática, obtendrás soluciones en todas las energías y funciones propias asociadas. Solo aquellos especiales con las energías adecuadas son normalizables. Aquí la condición límite es que la función de onda es normalizable (va a cero lo suficientemente rápido en el infinito). Sin él, no puedes calcular nada ni hacer predicciones reales de probabilidad sin que puedas. t averiguar qué es qué o normalizar las cosas. ¡Así que las condiciones de contorno son bastante importantes y básicas!
Tal como está escrito, la integral simplemente no existe en el sentido de Riemann: hay una singularidad en . Así que realmente estamos viendo la parte del Principio de Cauchy, que se define por:
para fijo , cada integrando es agradable y continuo (casi del eje real), por lo que si integramos en un contorno que está ligeramente por encima del eje real, obtendremos algo muy cercano a la integral original, en términos de . Si ahora controla el error en términos de épsilon, puede hacer que todo el argumento sea riguroso y, posteriormente, tomar .
Esencialmente, lo que sucede es que deformamos el contorno de integración cerca del polo agregando un semicírculo de radio centrado en el polo por encima o por debajo del eje real. Entonces podemos calcular la integral a través del teorema del residuo y tomar el límite correspondiente al contorno original.
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