stringtranslate.com

Формулировка фазового пространства

Формулировка фазового пространства — это формулировка квантовой механики , которая размещает переменные положения и импульса на равных основаниях в фазовом пространстве . Две ключевые особенности формулировки фазового пространства заключаются в том, что квантовое состояние описывается распределением квазивероятности (вместо волновой функции , вектора состояния или матрицы плотности ), а операторное умножение заменяется звездным произведением .

Теория была полностью разработана Хильбрандом Грёневольдом в 1946 году в его докторской диссертации [1] и независимо от него Джо Мойалом [2], каждый из которых основывался на более ранних идеях Германа Вейля [3] и Юджина Вигнера [4] .

В отличие от формулировки фазового пространства, картина Шредингера использует представления положения или импульса (см. также пространство положения и импульса ).

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 ( xp ) 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 ( xp ) , 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 ( xp ) — 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]

Однако следует предупредить: несмотря на внешнее сходство, W ( xp ) не является подлинным совместным распределением вероятностей , поскольку области под ним не представляют взаимоисключающие состояния, как того требует третья аксиома теории вероятностей . Более того, оно может, в общем случае, принимать отрицательные значения даже для чистых состояний, за единственным исключением (опционально сжатых ) когерентных состояний , что нарушает первую аксиому .

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

Дифференциальное определение звездного продукта:

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.

Эволюция времени

Временная эволюция распределения фазового пространства задается квантовой модификацией потока Лиувилля . [2] [9] [19] Эта формула получается в результате применения преобразования Вигнера к версии матрицы плотности квантового уравнения Лиувилля , уравнения фон Неймана .

В любом представлении распределения фазового пространства с соответствующим ему звездным произведением это

или, в частности, для функции Вигнера,

где {{ , }} — скобка Мойала , преобразование Вигнера квантового коммутатора, а { , } — классическая скобка Пуассона . [2]

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

Функция Вигнера для числовых состояний a) n  = 0, b) n  = 1 и c) n  = 19. Предельные распределения для x и p восстанавливаются путем интегрирования по p и x соответственно.

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 ( xpt = 0) = F ( u ) эволюционирует по приведенному выше уравнению эволюции, управляемому гамильтонианом осциллятора, заданным простым жестким вращением в фазовом пространстве , [1]

Функция Вигнера простого гармонического осциллятора на разных уровнях возбуждения. Масштаб изменен на , чтобы показать, что функция Вигнера колеблется в пределах этого радиуса и быстро затухает за его пределами.

Обычно «выступ» (или когерентное состояние) энергии Eħω 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.

Временная эволюция функции Вигнера потенциала Морзе U ( x ) = 20(1 − e −0,16 x ) 2 в атомных единицах (а.е.). Сплошные линии представляют собой множество уровней гамильтониана H ( x , p ) = p 2 /2 + U ( x ) .

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.

Функция Вигнера для туннелирования через потенциальный барьер U ( x ) = 8 e −0,25 x 2 в атомных единицах (а.е.). Сплошные линии представляют собой множество уровней гамильтониана H ( x , p ) = p 2 /2 + U ( x ).

Квартальный потенциал

Временная эволюция функции Вигнера для потенциала U ( x ) = 0,1 x 4 в атомных единицах (а.е.). Сплошные линии представляют собой множество уровней гамильтониана H ( x , p ) = p 2 /2 + U ( x ) .

Шредингерсостояние кошки

Функция Вигнера двух интерферирующих когерентных состояний, эволюционирующих через гамильтониан SHO. Соответствующие проекции импульса и координат нанесены справа и под графиком фазового пространства.

Ссылки

  1. ^ abcd Groenewold, HJ (1946). «О принципах элементарной квантовой механики». Physica . 12 (7): 405–460. Bibcode : 1946Phy....12..405G. doi : 10.1016/S0031-8914(46)80059-4.
  2. ^ 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.
  3. ^ 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.
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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.
  6. ^ 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.
  7. ^ ab C. Zachos , D. Fairlie и T. Curtright , «Квантовая механика в фазовом пространстве» (World Scientific, Сингапур, 2005) ISBN 978-981-238-384-6
  8. ^ 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.
  9. ^ 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.
  10. ^ Сударшан, ECG (1963). «Эквивалентность полуклассических и квантово-механических описаний статистических световых пучков». Physical Review Letters . 10 (7): 277–279. Bibcode : 1963PhRvL..10..277S. doi : 10.1103/PhysRevLett.10.277.
  11. ^ 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.
  12. Коди Хусими (1940). «Некоторые формальные свойства матрицы плотности», Proc. Phys. Math. Soc. Jpn. 22 : 264–314.
  13. ^ 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.
  14. ^ Кэхилл, KE; Глаубер, RJ (1969). "Упорядоченные разложения в операторах амплитуд бозонов" (PDF) . Physical Review . 177 (5): 1857–1881. Bibcode : 1969PhRv..177.1857C. doi : 10.1103/PhysRev.177.1857.; Кэхилл, KE; Глаубер, RJ (1969). «Операторы плотности и квазивероятностные распределения». Physical Review . 177 (5): 1882–1902. Bibcode :1969PhRv..177.1882C. doi :10.1103/PhysRev.177.1882..
  15. ^ 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.
  16. ^ 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.
  17. ^ 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.
  18. ^ 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.
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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)
  21. ^ 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.
  22. ^ 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.
  23. ^ Куртрайт, Т.Л. Функции Вигнера, зависящие от времени.
  24. ^ 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.