Теорема флуктуации–диссипации ( FDT ) или соотношение флуктуации–диссипации ( FDR ) является мощным инструментом в статистической физике для прогнозирования поведения систем, которые подчиняются детальному балансу . Учитывая, что система подчиняется детальному балансу, теорема является доказательством того, что термодинамические флуктуации физической переменной предсказывают реакцию, количественно определяемую проводимостью или импедансом ( в их общем смысле, а не только в электромагнитных терминах) той же физической переменной (например, напряжения, разницы температур и т. д.), и наоборот. Теорема флуктуации–диссипации применима как к классическим , так и к квантово-механическим системам.
Теорема флуктуации-диссипации гласит, что когда есть процесс, который рассеивает энергию, превращая ее в тепло (например, трение), есть обратный процесс, связанный с тепловыми флуктуациями . Это лучше всего понять, рассмотрев несколько примеров:
Если объект движется через жидкость, он испытывает сопротивление (сопротивление воздуха или жидкости). Сопротивление рассеивает кинетическую энергию, превращая ее в тепло. Соответствующее колебание — броуновское движение . Объект в жидкости не стоит на месте, а движется с небольшой и быстро меняющейся скоростью, поскольку молекулы в жидкости сталкиваются с ним. Броуновское движение преобразует тепловую энергию в кинетическую энергию — обратную сопротивлению.
Если электрический ток течет через проволочную петлю с резистором внутри, ток быстро упадет до нуля из-за сопротивления. Сопротивление рассеивает электрическую энергию, превращая ее в тепло ( джоулев нагрев ). Соответствующее колебание — шум Джонсона . Проволочная петля с резистором внутри на самом деле не имеет нулевого тока, в ней есть небольшой и быстро колеблющийся ток, вызванный тепловыми колебаниями электронов и атомов в резисторе. Шум Джонсона преобразует тепловую энергию в электрическую — процесс, обратный сопротивлению.
Когда свет падает на объект, некоторая часть света поглощается, делая объект горячее. Таким образом, поглощение света превращает световую энергию в тепло. Соответствующая флуктуация — тепловое излучение (например, свечение «раскаленного» объекта). Тепловое излучение превращает тепловую энергию в световую — процесс, обратный поглощению света. Действительно, закон Кирхгофа о тепловом излучении подтверждает, что чем эффективнее объект поглощает свет, тем больше теплового излучения он испускает.
Подробные примеры
Теорема о флуктуации-диссипации является общим результатом статистической термодинамики , которая количественно определяет связь между флуктуациями в системе, подчиняющейся детальному равновесию , и реакцией системы на приложенные возмущения.
Броуновское движение
Например, Альберт Эйнштейн в своей статье 1905 года о броуновском движении отметил , что те же случайные силы, которые вызывают хаотичное движение частицы в броуновском движении, также вызвали бы сопротивление, если бы частицу тянули через жидкость. Другими словами, флуктуация покоящейся частицы имеет то же происхождение, что и диссипативная сила трения, против которой нужно совершить работу, если попытаться возмутить систему в определенном направлении.
В 1928 году Джон Б. Джонсон открыл, а Гарри Найквист объяснил шум Джонсона-Найквиста . При отсутствии приложенного тока среднеквадратичное напряжение зависит от сопротивления , и полосы пропускания , в которой измеряется напряжение: [4]
Это наблюдение можно понять через призму теоремы флуктуации-диссипации. Возьмем, к примеру, простую цепь, состоящую из резистора с сопротивлением и конденсатора с малой емкостью . Закон напряжения Кирхгофа дает
которая затем может быть связана с функцией спектральной плотности мощности напряжения с помощью теоремы о флуктуации-диссипации
Шум напряжения Джонсона-Найквиста наблюдался в пределах небольшой полосы частот , сосредоточенной вокруг . Следовательно
Общая формулировка
Теорему флуктуации-диссипации можно сформулировать многими способами; особенно полезна следующая форма: [ требуется ссылка ] .
Пусть будет наблюдаемой динамической системы с гамильтонианом , подверженным тепловым флуктуациям. Наблюдаемая будет колебаться вокруг своего среднего значения
с флуктуациями, характеризующимися спектром мощности . Предположим, что мы можем включить изменяющееся во времени, пространственно постоянное поле , которое изменяет гамильтониан на . Реакция наблюдаемой на зависящее от времени поле характеризуется в первом порядке восприимчивостью или линейной функцией отклика системы
где возмущение адиабатически (очень медленно) включается при .
Теорема флуктуации-диссипации связывает двусторонний спектр мощности (т.е. как положительные, так и отрицательные частоты) с мнимой частью преобразования Фурье восприимчивости :
что выполняется в соответствии с соглашением о преобразовании Фурье . Левая часть описывает колебания в , правая часть тесно связана с энергией, рассеиваемой системой при накачке колебательным полем . Спектр колебаний показывает линейный отклик, поскольку прошлые колебания вызывают будущие колебания посредством линейного отклика на себя.
Это классическая форма теоремы; квантовые флуктуации учитываются заменой на (предел для которого равен ). Доказательство можно найти с помощью редукции LSZ , тождества из квантовой теории поля. [ необходима цитата ]
Теорему флуктуации-диссипации можно простым образом обобщить на случай пространственно-зависимых полей, на случай нескольких переменных или на случай квантовой механики. [1]
Вывод
Классическая версия
Выведем теорему флуктуации-диссипации в форме, приведенной выше, используя те же обозначения. Рассмотрим следующий тестовый случай: поле f было включено в течение бесконечного времени и выключается в момент t =0
где - функция Хевисайда . Мы можем выразить математическое ожидание через распределение вероятностей W ( x ,0) и вероятность перехода
Функция распределения вероятностей W ( x ,0) является равновесным распределением и, следовательно, задается распределением Больцмана для гамильтониана
где . Для слабого поля можно разложить правую часть
вот равновесное распределение в отсутствие поля. Подставляя это приближение в формулу для получаем
где A ( t ) — автокорреляционная функция x в отсутствие поля:
Обратите внимание, что при отсутствии поля система инвариантна относительно временных сдвигов. Мы можем переписать, используя восприимчивость системы, и, следовательно, найти с помощью приведенного выше уравнения (*)
Следовательно,
Чтобы сделать утверждение о частотной зависимости, необходимо провести преобразование Фурье уравнения (**) . Интегрируя по частям, можно показать, что
Так как является действительным и симметричным, то отсюда следует, что
Теорема флуктуации-диссипации связывает корреляционную функцию интересующей наблюдаемой величины (меру флуктуации) с мнимой частью функции отклика в частотной области (меру диссипации). Связь между этими величинами можно найти с помощью так называемой формулы Кубо [5]
что следует, в соответствии с предположениями теории линейного отклика , из временной эволюции ансамблевого среднего наблюдаемого в присутствии возмущающего источника. После преобразования Фурье формула Кубо позволяет записать мнимую часть функции отклика как
где во втором равенстве мы переместили, используя циклическое свойство следа. Далее, в третьем равенстве мы вставили рядом со следом и интерпретировали как оператор эволюции времени с мнимым временным интервалом . Мнимый временной сдвиг превращается в фактор после преобразования Фурье
и, таким образом, выражение для можно легко переписать как квантовое флуктуационно-диссипативное соотношение [6]
где спектральная плотность мощности — это преобразование Фурье автокорреляции , а — функция распределения Бозе-Эйнштейна . Тот же расчет также дает
Таким образом, в отличие от того, что получено в классическом случае, спектральная плотность мощности не является точно частотно-симметричной в квантовом пределе. Последовательно, имеет мнимую часть, происходящую из правил коммутации операторов. [7] Дополнительный член " " в выражении на положительных частотах также можно рассматривать как связанный со спонтанным излучением . Часто цитируемый результат также представляет собой симметризованную спектральную плотность мощности
" " можно рассматривать как связанное с квантовыми флуктуациями или с нулевым движением наблюдаемой . При достаточно высоких температурах, т.е. квантовый вклад незначителен, и мы получаем классическую версию.
Нарушения в стеклообразных системах
В то время как теорема о флуктуации-диссипации обеспечивает общее соотношение между реакцией систем, подчиняющихся детальному балансу , когда детальный баланс нарушается, сравнение флуктуаций с диссипацией является более сложным. Ниже так называемой температуры стекла стеклообразные системы не уравновешены и медленно приближаются к своему равновесному состоянию. Это медленное приближение к равновесию является синонимом нарушения детального баланса. Таким образом, эти системы требуют больших временных масштабов для изучения, пока они медленно движутся к равновесию.
Для изучения нарушения соотношения флуктуации-диссипации в стеклообразных системах, в частности спиновых стеклах , исследователи провели численное моделирование макроскопических систем (т.е. больших по сравнению с их корреляционными длинами), описываемых трехмерной моделью Эдвардса-Андерсона, с использованием суперкомпьютеров. [8] В их моделировании система изначально готовится при высокой температуре, быстро охлаждается до температуры ниже температуры стекла и оставляется для уравновешивания в течение очень длительного времени под магнитным полем . Затем, в более позднее время , исследуются две динамические наблюдаемые, а именно функция отклика
и функция спин-временной корреляции,
где — спин, живущий на узле кубической решетки объема , а — плотность намагниченности. Соотношение флуктуации-диссипации в этой системе можно записать в терминах этих наблюдаемых как
Их результаты подтверждают ожидание того, что если система находится в равновесии в течение более длительного времени, то соотношение флуктуации-диссипации становится более удовлетворительным.
В середине 1990-х годов при изучении динамики моделей спинового стекла было обнаружено обобщение теоремы о флуктуации-диссипации, справедливое для асимптотических нестационарных состояний, где температура, фигурирующая в соотношении равновесия, заменяется эффективной температурой с нетривиальной зависимостью от временных масштабов. [9] Предполагается, что это соотношение справедливо в стеклообразных системах за пределами моделей, для которых оно было первоначально обнаружено.
Знаменитый текст Кубо: Теорема о флуктуации-диссипации
Вебер Дж. (1956). «Теорема о флуктуационной диссипации». Physical Review . 101 (6): 1620–1626. arXiv : 0710.4394 . Bibcode : 1956PhRv..101.1620W. doi : 10.1103/PhysRev.101.1620.
Felderhof BU (1978). «О выводе теоремы о флуктуации-диссипации». Journal of Physics A. 11 ( 5): 921–927. Bibcode :1978JPhA...11..921F. doi :10.1088/0305-4470/11/5/021.
Cristani A, Ritort F (2003). «Нарушение теоремы флуктуации-диссипации в стеклообразных системах: основные понятия и численные доказательства». Journal of Physics A . 36 (21): R181–R290. arXiv : cond-mat/0212490 . Bibcode :2003JPhA...36R.181C. doi :10.1088/0305-4470/36/21/201. S2CID 14144683.
Чандлер Д. (1987). Введение в современную статистическую механику. Oxford University Press. С. 231–265. ISBN 978-0-19-504277-1.
Reichl LE (1980). Современный курс статистической физики . Остин, Техас: Издательство Техасского университета. С. 545–595. ISBN 0-292-75080-3.
Плишке М., Бергерсен Б. (1989). Равновесная статистическая физика . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice Hall. С. 251–296. ISBN 0-13-283276-3.