Главное преимущество формулировки фазового пространства заключается в том, что она делает квантовую механику максимально похожей на гамильтонову механику , избегая операторного формализма, тем самым «освобождая» квантование от «бремени» гильбертова пространства ». [5] Эта формулировка является статистической по своей природе и предлагает логические связи между квантовой механикой и классической статистической механикой , позволяя проводить естественное сравнение между ними (см. классический предел ). Квантовая механика в фазовом пространстве часто используется в определенных приложениях квантовой оптики (см. оптическое фазовое пространство ) или при изучении декогеренции и ряда специализированных технических проблем, хотя в других случаях формализм реже применяется в практических ситуациях. [6]
Концептуальные идеи, лежащие в основе развития квантовой механики в фазовом пространстве, разветвились на математические ответвления, такие как деформационное квантование Концевича (см. формулу квантования Концевича ) и некоммутативная геометрия .
Распределение фазового пространства
Распределение фазового пространства f ( x , p ) квантового состояния является распределением квазивероятности. В формулировке фазового пространства распределение фазового пространства может рассматриваться как фундаментальное, примитивное описание квантовой системы, без какой-либо ссылки на волновые функции или матрицы плотности. [7]
Существует несколько различных способов представления распределения, все они взаимосвязаны. [8] [9] Наиболее примечательным является представление Вигнера , W ( x , p ) , открытое первым. [4] Другие представления (приблизительно в порядке убывания распространенности в литературе) включают представления Глаубера–Сударшана P , [10] [11] Хусими Q , [12] Кирквуда–Рихачека, Мехты, Ривье и Борна–Джордана. [13] [14] Эти альтернативы наиболее полезны, когда гамильтониан принимает определенную форму, такую как нормальный порядок для P-представления Глаубера–Сударшана. Поскольку представление Вигнера является наиболее распространенным, в этой статье, как правило, будет использоваться именно оно, если не указано иное.
Распределение в фазовом пространстве обладает свойствами, похожими на плотность вероятности в 2 n -мерном фазовом пространстве. Например, оно является вещественным , в отличие от комплекснозначной волновой функции. Мы можем понять вероятность нахождения в интервале положения, например, путем интегрирования функции Вигнера по всем импульсам и по интервалу положения:
Если Â ( x , p ) — оператор, представляющий наблюдаемую, он может быть отображен в фазовое пространство как A ( x , p ) посредством преобразования Вигнера . И наоборот, этот оператор может быть восстановлен посредством преобразования Вейля .
Ожидаемое значение наблюдаемой величины относительно распределения в фазовом пространстве равно [2] [15]
Области такого отрицательного значения доказуемо являются «малыми»: они не могут расширяться до компактных областей, больших, чем несколько ħ , и, следовательно, исчезают в классическом пределе . Они защищены принципом неопределенности , который не допускает точной локализации в пределах областей фазового пространства, меньших, чем ħ , и, таким образом, делает такие «отрицательные вероятности» менее парадоксальными. Если левую часть уравнения интерпретировать как математическое ожидание в гильбертовом пространстве относительно оператора, то в контексте квантовой оптики это уравнение известно как теорема об оптической эквивалентности . (Подробнее о свойствах и интерпретации функции Вигнера см. в ее основной статье .)
Альтернативный подход к квантовой механике на основе фазового пространства стремится определить волновую функцию (а не просто плотность квазивероятности) на фазовом пространстве, как правило, с помощью преобразования Сигала–Баргмана . Чтобы быть совместимым с принципом неопределенности, волновая функция фазового пространства не может быть произвольной функцией, иначе она могла бы быть локализована в произвольно малой области фазового пространства. Скорее, преобразование Сигала–Баргмана является голоморфной функцией . Существует плотность квазивероятности, связанная с волновой функцией фазового пространства; это представление Хусими Q волновой функции положения.
Звездный продукт
Фундаментальный некоммутативный бинарный оператор в формулировке фазового пространства, который заменяет стандартное операторное умножение, — это звездное произведение , представленное символом ★ . [1] Каждое представление распределения фазового пространства имеет свое характерное звездное произведение. Для конкретности мы ограничим это обсуждение звездным произведением, соответствующим представлению Вигнера–Вейля.
Для удобства обозначений введем понятие левой и правой производных . Для пары функций f и g левая и правая производные определяются как
где аргумент показательной функции можно интерпретировать как степенной ряд . Дополнительные дифференциальные соотношения позволяют записать это в терминах изменения аргументов f и g :
Также возможно определить ★ -произведение в форме интеграла свертки [16] , по сути, через преобразование Фурье :
(Так, например, [7] гауссианы составляют гиперболически :
или
и т. д.)
Распределения собственных энергетических состояний известны как stargenstates , ★ - genstates , stargenfunctions или ★ - genfunctions , а связанные с ними энергии известны как stargenvalues или ★ - genvalues . Они решаются, аналогично независимому от времени уравнению Шредингера , уравнением ★ -genvalue [17] [18]
где H — гамильтониан, простая функция фазового пространства, чаще всего идентичная классическому гамильтониану.
Это дает краткую иллюстрацию принципа соответствия : это уравнение явно сводится к классическому уравнению Лиувилля в пределе ħ → 0. Однако в квантовом расширении потока плотность точек в фазовом пространстве не сохраняется ; вероятностная жидкость кажется «диффузной» и сжимаемой. [2]
Поэтому концепция квантовой траектории является здесь деликатным вопросом. [20] Посмотрите фильм о потенциале Морзе ниже, чтобы оценить нелокальность квантового фазового потока.
NB Учитывая ограничения, накладываемые принципом неопределенности на локализацию, Нильс Бор решительно отрицал физическое существование таких траекторий в микроскопическом масштабе. С помощью формальных траекторий фазового пространства проблема эволюции во времени функции Вигнера может быть строго решена с использованием метода интеграла по траектории [21] и метода квантовых характеристик [22] , хотя в обоих случаях существуют серьезные практические препятствия.
Примеры
Простой гармонический осциллятор
Гамильтониан для простого гармонического осциллятора в одном пространственном измерении в представлении Вигнера-Вейля имеет вид
Тогда уравнение ★ -genvalue для статической функции Вигнера имеет вид
Рассмотрим сначала мнимую часть уравнения ★ -genvalue,
Это означает, что можно записать ★ -генсостояния как функции одного аргумента:
При такой замене переменных можно записать действительную часть уравнения ★ -genvalue в виде модифицированного уравнения Лагерра (не уравнения Эрмита !), решение которого включает полиномы Лагерра как [18]
введенный Гроенвольдом, [1] с соответствующими ★ -genvalues
Для гармонического осциллятора временная эволюция произвольного распределения Вигнера проста. Начальный W ( x , p ; t = 0) = F ( u ) эволюционирует по приведенному выше уравнению эволюции, управляемому гамильтонианом осциллятора, заданным простым жестким вращением в фазовом пространстве , [1]
Обычно «выступ» (или когерентное состояние) энергии E ≫ ħω может представлять макроскопическую величину и выглядеть как классический объект, равномерно вращающийся в фазовом пространстве, простой механический осциллятор (см. анимированные рисунки). Интегрирование по всем фазам (начальным положениям при t = 0) таких объектов, непрерывный «палисад», дает независимую от времени конфигурацию, похожую на приведенные выше статические ★ -генсостояния F ( u ) , интуитивную визуализацию классического предела для систем с большим действием. [6]
Собственные функции также могут быть охарактеризованы как вращательно-симметричные (и, следовательно, инвариантные во времени) чистые состояния. То есть, они являются функциями формы , которые удовлетворяют .
Угловой момент свободной частицы
Предположим, что частица изначально находится в минимально неопределенном гауссовском состоянии , с ожидаемыми значениями положения и импульса, центрированными в начале координат в фазовом пространстве. Функция Вигнера для такого состояния, распространяющегося свободно, имеет вид
где α — параметр, описывающий начальную ширину гауссианы, а τ = m / α 2 ħ .
Первоначально положение и импульсы не коррелируют. Таким образом, в трех измерениях мы ожидаем, что векторы положения и импульса будут в два раза более вероятно перпендикулярны друг другу, чем параллельны.
Однако положение и импульс становятся все более коррелированными по мере развития состояния, поскольку части распределения, расположенные дальше от начала координат по положению, требуют большего импульса для достижения: асимптотически,
(Это относительное «сжатие» отражает распространение свободного волнового пакета в координатном пространстве.)
Действительно, можно показать, что кинетическая энергия частицы становится асимптотически радиальной только в соответствии со стандартным квантово-механическим понятием ненулевого углового момента основного состояния, определяющего независимость ориентации: [24]
потенциал Морзе
Потенциал Морзе используется для аппроксимации колебательной структуры двухатомной молекулы.
Квантовое туннелирование
Туннелирование — это характерный квантовый эффект, когда квантовая частица, не имея достаточной энергии, чтобы пролететь выше, все равно проходит сквозь барьер. Этот эффект не существует в классической механике.
^ abcde Moyal, JE; Bartlett, MS (1949). «Квантовая механика как статистическая теория». Математические труды Кембриджского философского общества . 45 (1): 99–124. Bibcode :1949PCPS...45...99M. doi :10.1017/S0305004100000487. S2CID 124183640.
^ Вейль, Х. (1927). «Квантенмеханика и групповая теория». Zeitschrift für Physik (на немецком языке). 46 (1–2): 1–46. Бибкод : 1927ZPhy...46....1W. дои : 10.1007/BF02055756. S2CID 121036548.
^ ab Вигнер, Э. (1932). «О квантовой поправке для термодинамического равновесия». Physical Review . 40 (5): 749–759. Bibcode :1932PhRv...40..749W. doi :10.1103/PhysRev.40.749. hdl : 10338.dmlcz/141466 .
^ Али, С. Твареке; Энглиш, Мирослав (2005). «Методы квантования: руководство для физиков и аналитиков». Обзоры по математической физике . 17 (4): 391–490. arXiv : math-ph/0405065 . doi :10.1142/S0129055X05002376. S2CID 119152724.
^ ab Curtright, TL; Zachos, CK (2012). «Квантовая механика в фазовом пространстве». Asia Pacific Physics Newsletter . 01 : 37–46. arXiv : 1104.5269 . doi : 10.1142/S2251158X12000069. S2CID 119230734.
^ Коэн, Л. (1966). «Обобщенные функции распределения в фазовом пространстве». Журнал математической физики . 7 (5): 781–786. Bibcode : 1966JMP.....7..781C. doi : 10.1063/1.1931206.
^ ab Агарвал, GS; Вольф, E. (1970). «Исчисление функций некоммутирующих операторов и общие методы фазового пространства в квантовой механике. II. Квантовая механика в фазовом пространстве». Physical Review D. 2 ( 10): 2187–2205. Bibcode :1970PhRvD...2.2187A. doi :10.1103/PhysRevD.2.2187.
^ Глаубер, Рой Дж. (1963). «Когерентные и некогерентные состояния поля излучения». Physical Review . 131 (6): 2766–2788. Bibcode : 1963PhRv..131.2766G. doi : 10.1103/PhysRev.131.2766.
↑ Коди Хусими (1940). «Некоторые формальные свойства матрицы плотности», Proc. Phys. Math. Soc. Jpn. 22 : 264–314.
^ Агарвал, Г. С.; Вольф, Э. (1970). «Исчисление функций некоммутирующих операторов и общие методы фазового пространства в квантовой механике. I. Теоремы отображения и упорядочение функций некоммутирующих операторов». Physical Review D. 2 ( 10): 2161–2186. Bibcode :1970PhRvD...2.2161A. doi :10.1103/PhysRevD.2.2161.
^ Лакс, Мелвин (1968). «Квантовый шум. XI. Многовременное соответствие между квантовыми и классическими стохастическими процессами». Physical Review . 172 (2): 350–361. Bibcode : 1968PhRv..172..350L. doi : 10.1103/PhysRev.172.350.
^ Бейкер, Джордж А. (1958). «Формулировка квантовой механики на основе квазивероятностного распределения, индуцированного в фазовом пространстве». Physical Review . 109 (6): 2198–2206. Bibcode : 1958PhRv..109.2198B. doi : 10.1103/PhysRev.109.2198.
^ Fairlie, DB (1964). «Формулировка квантовой механики в терминах функций фазового пространства». Математические труды Кембриджского философского общества . 60 (3): 581–586. Bibcode :1964PCPS...60..581F. doi :10.1017/S0305004100038068. S2CID 122039228.
^ ab Curtright, T.; Fairlie, D.; Zachos, C. (1998). "Особенности функций Вигнера, не зависящих от времени". Physical Review D. 58 ( 2): 025002. arXiv : hep-th/9711183 . Bibcode : 1998PhRvD..58b5002C. doi : 10.1103/PhysRevD.58.025002. S2CID 288935.
^ Mehta, CL (1964). «Формулировка динамики канонических переменных в фазовом пространстве». Журнал математической физики . 5 (5): 677–686. Bibcode :1964JMP.....5..677M. doi : 10.1063/1.1704163 .
^ M. Oliva, D. Kakofengitis, O. Steuernagel (2018). «Ангармонические квантово-механические системы не имеют траекторий фазового пространства». Physica A. 502 : 201–210. arXiv : 1611.03303 . Bibcode : 2018PhyA..502..201O. doi : 10.1016/j.physa.2017.10.047. S2CID 53691877.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ Маринов, М.С. (1991). «Новый тип интеграла по траекториям в фазовом пространстве». Physics Letters A. 153 ( 1): 5–11. Bibcode : 1991PhLA..153....5M. doi : 10.1016/0375-9601(91)90352-9.
^ Криворученко, МИ; Фесслер, Аманд (2007). "Символы Вейля операторов Гейзенберга канонических координат и импульсов как квантовые характеристики". Журнал математической физики . 48 (5): 052107. arXiv : quant-ph/0604075 . Bibcode : 2007JMP....48e2107K. doi : 10.1063/1.2735816. S2CID 42068076.
^ Куртрайт, Т.Л. Функции Вигнера, зависящие от времени.
^ Dahl, Jens Peder; Schleich, Wolfgang P. (2002-01-15). "Концепции радиальной и угловой кинетической энергии". Physical Review A. 65 ( 2): 022109. arXiv : quant-ph/0110134 . Bibcode : 2002PhRvA..65b2109D. doi : 10.1103/physreva.65.022109. ISSN 1050-2947. S2CID 39409789.