相空间是一个物理系统一切可能状态的集合,其都是透过某些参数化方式所描述的。每一个可能的状态独一无二地对应于相空间中的一个点。对于机械系统来说,相空间通常包括所有位置和动量参数的可能值,并且相空间是直接空间和倒易空间的直积。在19世纪末期,这个概念由几位著名的科学家如路德维希·玻尔兹曼、亨利·庞加莱与乔赛亚·威拉德·吉布斯所发展出来。
在相空间中,系统的每一个自由度或参数都被表示为多维空间中的一个轴;一维系统称为相线,二维系统称为相平面。为了描述系统的可能状态或参数的允许值组合,每一个点都被纳入到多维空间中。系统随时间演变的状态在高维空间中勾画出一条路径(相空间轨迹)。这条相空间轨迹代表从特定初始条件出发的一组兼容状态,满足任何初始条件的一个全相空间集。
相空间作为系统的全貌展示,能够简单明了地揭示系统的特性,也许这些特性本身不易被直接观察到。
例如,对于一个包含多个分子的气体系统,可能需要为每个粒子的 x、y 和 z 位置及动量分别设置独立的维度。这样一来,理想单原子气体就有六个维度,而更复杂的分子系统则需要更多维度,来描述分子的振动模式及三个轴的旋转。相空间在分析限制于不同旋转或平移运动机械系统的行为时显得尤为有用,比如在机器人技术中分析机械手臂的运动范围,或确定达到特定位置/动量结果的最佳路径。
在经典力学中,任何位置的广义坐标的选择都会定义共轭的广义动量,这两者共同定义了相空间中的坐标。从更抽象的角度来看,经典力学中的相空间是配置空间的共切束,这样的解释表明,配置空间的局部坐标选择会诱导共切空间上标准辛结构的自然局部达布克斯坐标。
利用经典统计力学,研究系统在相空间中的运动。这里的局部点密度符合李乌维尔定理,因此可以视为常数。在经典力学的模型系统中,系统在某一特定时间的相空间坐标由系统的所有动态变量组成。这使得通过对哈密顿或拉格朗日运动方程的积分,预测系统的未来或过去的状态变得无比可行。
对于简单系统来说,其自由度数量可能受到限制。当一个系统以单一变数的自动常微分方程的形式出现时,将得到一个自由度,这样的系统称为相线,且其系统的质量行为会在相线上直观展现。例如,指数增长/衰减的模型(有一个不稳定/稳定平衡)以及逻辑增长模型(有两个平衡,其中一个稳定一个不稳定)都是简单的范例。
在古典力学中,多维的相空间可用于描绘单一粒子在一维中的运动,两个变数为位置和速度。
相空间作为一个重要概念,在混沌理论、量子力学以及热力学中的角色尤为突出。在量子力学中,相空间的坐标 p 和 q 通常成为希尔伯特空间中的厄米算子。然而,在某些情况下,它们可以保持其经典解释,只要它们的函数以新颖的代数方式组合。这种解释同量子力学的测不准原理相悖,且每个量子机械可观数都对应于相空间上一个独特的函数或分布。相空间的使用不仅限于物理学,医学与生物工程中也采用相空间方法可视化多维生理反应。
通过相空间的学术探索,我们能更深入理解系统的本质与行为,然而是否能以此为基础展开更深层的研究,为我们未来的科学探索开启新的大门?