Неустойчивость Остроградского

Неустойчивость Остроградского — явление, характерное для теорий с уравнениями Эйлера-Лагранжа, имеющими порядок выше второго. В этом случае, если лагранжиан невырожден, соответствующий ему гамильтониан неограничен снизу, что приводит к появлению в теорий неустойчивостей.

Теорема Остроградского^[1] может служить одним из возможных объяснений, почему, как правило, дифференциальные уравнения физических теорий имеют порядок не выше второго^[2]. Тем не менее, известно достаточно много примеров теорий с высшими производными (вырожденных), не имеющих данной неустойчивости.

Пример

Продемонстрируем теорему Остроградского в контексте механики следующим простым примером^[3]. Рассмотрим теорию с лагранжианом

$L={\frac {a}{2}}{\ddot {\phi }}^{2}-V(\phi ),$

где $a\neq 0$ — константа, а $V(\phi )$ — произвольный потенциал. Уравнения движения имеют тогда четвертый порядок, $a{\overset {....}{\phi }}-dV/d\phi =0$ , соответственно, в теории имеется две динамические степени свободы, одна из которых является патологической (и называется в контексте теории поля духом Остроградского). Действительно, заметим, что

$L=-a{\dot {\psi }}{\dot {\phi }}-{\frac {a}{2}}\psi ^{2}-V(\phi )+a{\frac {\partial (\psi {\dot {\phi }})}{\partial t}}$

даёт нам те же самые уравнения Эйлера-Лагранжа, что и исходный лагранжиан, с учётом $\psi ={\ddot {\phi }}$ . Но тогда в новых переменных $q=(\phi +\psi )/{\sqrt {2}}$ и $Q=(\phi -\psi )/{\sqrt {2}}$ мы получаем

$L=-{\frac {a}{2}}{\dot {q}}^{2}+{\frac {a}{2}}{\dot {Q}}^{2}-U(q,Q),$

где неправильный знак у кинетического члена и сигнализирует о присутствии духовой неустойчивости.

В общем случае данное рассуждение применимо для всех теорий с лагранжианами высших порядков, кроме случаев, когда такой лагранжиан вырожден (т.е. определитель кинетической матрицы равен нулю).

Примечания

↑ Ostrogradsky, M. (1850). "Mémoires sur les équations différentielles, relatives au problème des isopérimètres". Mem. Acad. St. Petersbourg. 6 (4): 385—517.
↑ Motohashi, Hayato; Suyama, Teruaki (2015). "Third-order equations of motion and the Ostrogradsky instability". Physical Review D. 91 (8): 085009. arXiv:1411.3721. Bibcode:2015PhRvD..91h5009M. doi:10.1103/PhysRevD.91.085009. S2CID 118565011.
↑ Woodard, R. P. (2019). "The Theorem of Ostrogradsky". arXiv:1506.02210.