stringtranslate.com

Теорема флуктуации-диссипации

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 была доказана Гербертом Калленом и Теодором Велтоном в 1951 году [1] и расширена Рёго Кубо . Существуют предшественники общей теоремы, включая объяснение Эйнштейном броуновского движения [2] во время его annus mirabilis и объяснение Гарри Найквиста в 1928 году шума Джонсона в электрических резисторах. [3]

Качественный обзор и примеры

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:

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.

Из этого наблюдения Эйнштейн смог использовать статистическую механику для выведения соотношения Эйнштейна–Смолуховского.

которая связывает постоянную диффузии D и подвижность частицы μ , отношение конечной скорости дрейфа частицы к приложенной силе. k Bпостоянная Больцмана , а Tабсолютная температура .

Тепловой шум в резисторе

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]

Простая схема для иллюстрации теплового шума Джонсона-Найквиста в резисторе.

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

и поэтому функция отклика для этой схемы равна

В пределе низких частот его мнимая часть просто

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

Наконец, для стационарных процессов теорема Винера–Хинчина утверждает, что двусторонняя спектральная плотность равна преобразованию Фурье автокорреляционной функции:

Следовательно, следует, что

Квантовая версия

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

В каноническом ансамбле второй член можно переформулировать 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.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ ab HB Callen ; TA Welton (1951). «Необратимость и обобщенный шум». Physical Review . 83 (1): 34–40. Bibcode :1951PhRv...83...34C. doi :10.1103/PhysRev.83.34.
  2. ^ Эйнштейн, Альберт (май 1905 г.). «Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flussigkeiten suspendierten Teilchen». Аннален дер Физик . 322 (8): 549–560. Бибкод : 1905АнП...322..549Е. дои : 10.1002/andp.19053220806 .
  3. ^ Найквист Х (1928). «Тепловое возбуждение электрического заряда в проводниках». Physical Review . 32 (1): 110–113. Bibcode : 1928PhRv...32..110N. doi : 10.1103/PhysRev.32.110.
  4. ^ Бланделл, Стивен Дж.; Бланделл, Кэтрин М. (2009). Концепции в теплофизике . OUP Oxford.
  5. ^ Кубо Р. (1966). «Теорема флуктуации-диссипации». Reports on Progress in Physics . 29 (1): 255–284. Bibcode :1966RPPh...29..255K. doi :10.1088/0034-4885/29/1/306. S2CID  250892844.
  6. ^ Hänggi Peter, Ingold Gert-Ludwig (2005). "Фундаментальные аспекты квантового броуновского движения". Хаос: междисциплинарный журнал нелинейной науки . 15 (2): 026105. arXiv : quant-ph/0412052 . Bibcode : 2005Chaos..15b6105H. doi : 10.1063/1.1853631. PMID  16035907. S2CID  9787833.
  7. ^ Клерк, AA; Деворе, MH; Гирвин, SM; Марквардт, Флориан; Шелькопф, RJ (2010). «Введение в квантовый шум, измерение и усиление». Reviews of Modern Physics . 82 (2): 1155. arXiv : 0810.4729 . Bibcode : 2010RvMP...82.1155C. doi : 10.1103/RevModPhys.82.1155. S2CID  119200464.
  8. ^ Байти-Хеси Марко, Калоре Энрико, Крус Андрес, Антонио Фернандес Луис, Мигель Хиль-Нарвион Хосе, Гордильо-Герреро Антонио, Иньигес Давид, Майорано Андреа, Маринари Энсо, Мартин-Майор Виктор, Монфорте-Гарсия Хорхе, Муньос Судупе Антонио, Наварро Денис, Паризи Джорджио, Перес-Гавиро Серхио, Риччи-Терсенги Федерико, Хесус Руис-Лоренцо Хуан, Фабио Скифано Себастьяно, Сеоан Беатрис, Таранкон Альфонсо, Трипиччоне Раффаэле, Илланес Давид (2017). «Эквивалентность статики и динамики через соотношение флуктуации и диссипации дает возможность проникнуть в фазу спинового стекла на основе неравновесных измерений». Труды Национальной академии наук . 114 (8): 1838–1843. arXiv : 1610.01418 . Bibcode : 2017PNAS..114.1838B . doi : 10.1073/pnas.1621242114 . PMC 5338409. PMID  28174274. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  9. ^ Cugliandolo LF ; Kurchan J. (1993). "Аналитическое решение неравновесной динамики дальнодействующей модели спинового стекла". Physical Review Letters . 71 (1): 173–176. arXiv : cond-mat/9303036 . Bibcode :1993PhRvL..71..173C. doi :10.1103/PhysRevLett.71.173. PMID  10054401. S2CID  8591240.

Ссылки

Дальнейшее чтение