Нелинейное уравнение Шрёдингера

В теоретической физике (одномерное) нелинейное уравнение Шредингера ( НУШ ) представляет собой нелинейную вариацию уравнения Шредингера . Это классическое уравнение поля , основные приложения которого связаны с распространением света в нелинейных оптических волокнах и плоских волноводах. [ 2 ] и конденсатам Бозе-Эйнштейна, заключенным в сильно анизотропные сигарообразные ловушки в режиме среднего поля . [ 3 ] Кроме того, уравнение появляется при исследовании гравитационных волн малой амплитуды на поверхности глубокой невязкой (нулевой вязкости) воды; [ 2 ] волны Ленгмюра в горячей плазме ; [ 2 ] распространение плоскодифрагированных волновых пучков в фокусирующих областях ионосферы; [ 4 ] распространение солитонов альфа-спирали Давыдова , отвечающих за перенос энергии вдоль молекулярных цепей; [ 5 ] и многие другие. В более общем смысле NLSE выглядит как одно из универсальных уравнений, описывающих эволюцию медленно меняющихся пакетов. квазимонохроматических волн в слабонелинейных средах, имеющих дисперсию . [ 2 ] В отличие от линейного уравнения Шрёдингера , NLSE никогда не описывает эволюцию квантового состояния во времени. [ нужна ссылка ] 1D NLSE является примером интегрируемой модели .
В квантовой механике 1D НУШ является частным случаем классического нелинейного поля Шредингера , которое, в свою очередь, является классическим пределом квантового поля Шредингера. И наоборот, когда классическое поле Шредингера канонически квантовано , оно становится квантовой теорией поля (которая является линейной, несмотря на то, что она называется «квантовым нелинейным уравнением Шредингера»), которая описывает бозонные точечные частицы с взаимодействиями с дельта-функцией - частицы либо отталкивать или притягивать, когда они находятся в одной точке. Фактически, когда число частиц конечно, эта квантовая теория поля эквивалентна модели Либа–Линигера . Как квантовые, так и классические одномерные нелинейные уравнения Шредингера интегрируемы. Особый интерес представляет предел бесконечной силы отталкивания, и в этом случае модель Либа-Линигера становится газом Тонкса-Жирардо (также называемым твердым бозе-газом или непроницаемым бозе-газом). В этом пределе бозоны могут, благодаря замене переменных, которая является континуальным обобщением теории Преобразование Жордана–Вигнера , преобразоваться в систему одномерных невзаимодействующих бесспиновых [ номер 1 ] фермионы. [ 6 ]
Нелинейное уравнение Шрёдингера представляет собой упрощенную 1+1-мерную форму уравнения Гинзбурга–Ландау, введенного в 1950 году в их работе по сверхпроводимости, и было явно записано Р.И. Чиао, Э. Гармиром и К. Х. Таунсом ( 1964 ), уравнение (5 )) при изучении оптических лучей.
Многомерная версия заменяет вторую пространственную производную лапласианом. В более чем одном измерении уравнение неинтегрируемо, оно допускает коллапс и волновую турбулентность. [ 7 ]
Уравнение
[ редактировать ]Нелинейное уравнение Шрёдингера — нелинейное уравнение в частных производных , применимое к классической и квантовой механике .
Классическое уравнение
[ редактировать ]Классическое уравнение поля (в безразмерной форме): [ 8 ]
для комплексного поля ψ ( x , t ).
Это уравнение возникает из гамильтониана [ 8 ]
В отличие от своего линейного аналога, он никогда не описывает эволюцию квантового состояния во времени. [ нужна ссылка ]
Случай с отрицательным κ называется фокусирующим и допускает яркие солитонные решения (локализованные в пространстве и имеющие пространственное затухание к бесконечности), а также бризерные решения. Ее можно точно решить, используя преобразование обратного рассеяния , как показано Захаровым и Шабатом (1972) (см. ниже ). Другой случай, когда κ положительный, представляет собой дефокусирующую НУШ, которая имеет темные солитонные решения (имеющие постоянную амплитуду на бесконечности и локальный пространственный провал по амплитуде). [ 9 ]
Квантовая механика
[ редактировать ]Чтобы получить квантованную версию , просто замените скобки Пуассона коммутаторами.
и нормального порядка гамильтониан
Квантовая версия была решена с помощью анзаца Бете Либом и Линигером . Термодинамику описал Чэнь-Нин Ян . Квантовые корреляционные функции также были оценены Корепиным в 1993 году. [ 6 ] Модель имеет более высокие законы сохранения — Дэвис и Корепин в 1989 году выразили их через локальные поля. [ 10 ]
Решение уравнения
[ редактировать ]Нелинейное уравнение Шрёдингера интегрируется в 1d: Захаров и Шабат ( 1972 ) решили его с помощью обратного преобразования рассеяния . Соответствующая линейная система уравнений известна как система Захарова–Шабата :
где
Нелинейное уравнение Шрёдингера возникает как условие совместности системы Захарова–Шабата:
Полагая q = r * или q = − r *, получаем нелинейное уравнение Шредингера с притягивающим или отталкивающим взаимодействием.
Альтернативный подход напрямую использует систему Захарова – Шабата и следующее преобразование Дарбу :
что оставляет систему инвариантной.
Здесь φ — другое обратимое матричное решение (отличное от φ ) системы Захарова–Шабата со спектральным параметром Ω:
Начиная с тривиального решения U = 0 и повторяя его, можно получить решения с n солитонами .
Уравнение НУШ представляет собой уравнение в частных производных, подобное уравнению Гросса – Питаевского . Обычно оно не имеет аналитического решения и использует те же численные методы, которые используются для решения уравнения Гросса – Питаевского, такие как расщепленный метод Кранка – Николсона. [ 11 ] и спектр Фурье [ 12 ] методы, используемые для ее решения. Для ее решения существуют различные программы на языках Fortran и C. [ 13 ] [ 14 ]
Галилеева инвариантность
[ редактировать ]Нелинейное уравнение Шрёдингера инвариантно Галилея в следующем смысле:
Учитывая решение ψ ( x, t ), новое решение можно получить, заменив x на x + vt всюду в ψ( x, t ) и добавив фазовый множитель :
Нелинейное уравнение Шредингера в волоконной оптике
[ редактировать ]В оптике нелинейное уравнение Шредингера встречается в системе Манакова — модели распространения волн в волоконной оптике. Функция ψ представляет собой волну, а нелинейное уравнение Шредингера описывает распространение волны через нелинейную среду. Производная второго порядка представляет собой дисперсию, а член κ представляет нелинейность. Уравнение моделирует множество эффектов нелинейности в волокне, включая, помимо прочего, автомодуляцию , четырехволновое смешение , генерацию второй гармоники , вынужденное комбинационное рассеяние , оптические солитоны , сверхкороткие импульсы и т. д.
Нелинейное уравнение Шредингера в волнах на воде
[ редактировать ]
Синяя линия: волны на воде.
Красная линия: солитон огибающей.
Для волн на воде уравнение Шредингера описывает эволюцию огибающей модулированных групп нелинейное волн. В статье 1968 года Владимир Захаров описывает гамильтонову структуру водных волн. волны В той же статье Захаров показывает, что для медленно модулированных групп волн амплитуда приближенно удовлетворяет нелинейному уравнению Шредингера. [ 15 ] Значение параметра нелинейности к зависит от относительной глубины воды. Для глубокой воды, когда глубина воды велика по сравнению с длиной волны водных волн, к отрицательное и огибающей могут возникать солитоны . Кроме того, групповая скорость этих солитонов огибающей может быть увеличена за счет ускорения, вызванного внешним зависящим от времени потоком воды. [ 16 ]
Для мелкой воды с длинами волн, превышающими глубину воды в 4,6 раза, параметр нелинейности к положителен и группы волн с солитонами огибающей не существуют. На мелководье существуют солитоны возвышения поверхности или волны поступательного движения , но они не подчиняются нелинейному уравнению Шредингера.
Нелинейное уравнение Шрёдингера считается важным для объяснения образования волн-убийц . [ 17 ]
Комплексное . поле ψ , появляющееся в нелинейном уравнении Шрёдингера, связано с амплитудой и фазой волн на воде Рассмотрим медленно модулированную несущую волну с возвышением водной поверхности η вида:
где a ( x0 , x0 t0 θ ) и ( — , . t0 ) и амплитуда фаза медленно модулированные Далее ω 0 и k 0 — (постоянные) угловая частота и волновое число несущих волн, которые должны удовлетворять дисперсионному соотношению ω 0 = Ω( k 0 ). Затем
Итак, его модуль | ψ | – амплитуда волны a , а ее аргумент arg( ψ ) – фаза θ .
Связь между физическими координатами ( x 0 , t 0 ) и координатами ( x, t ), используемыми в приведенном выше нелинейном уравнении Шредингера , определяется выражением:
( x, t ) — преобразованная система координат, движущаяся с групповой скоростью Ω'( k0 Таким образом , ) несущих волн: дисперсионного соотношения Кривизна Ω"( k 0 ), представляющая собой дисперсию групповой скорости , всегда отрицательна для волн на воде под действием силы тяжести при любой глубине воды.
Для волн на водной поверхности глубокой воды коэффициенты важности нелинейного уравнения Шрёдингера составляют:
- так
где g — ускорение силы тяжести на поверхности Земли.
В исходных координатах ( x 0 , t 0 ) нелинейное уравнение Шрёдингера для волн на воде имеет вид: [ 18 ]
с (т.е. сопряженное комплексно - ) и Так для глубоких волн.
Эквивалентный аналог манометра
[ редактировать ]NLSE (1) калибровочно эквивалентен следующему изотропному уравнению Ландау-Лифшица (LLE) или ферромагнетика Гейзенберга уравнению
Обратите внимание, что это уравнение допускает несколько интегрируемых и неинтегрируемых обобщений в 2 + 1 измерениях, таких как уравнение Ишимори и так далее.
Формулировка нулевой кривизны
[ редактировать ]NLSE эквивалентен кривизне конкретного - подключение включено быть равным нулю. [ 19 ]
Явно, с координатами на , компоненты соединения даны где — матрицы Паули . Тогда уравнение нулевой кривизны
эквивалентно NLSE . Уравнение нулевой кривизны названо так, поскольку оно соответствует кривизне, равной нулю, если она определена .
Пара матриц и также известны как пара Лакса для NLSE в том смысле, что уравнение нулевой кривизны восстанавливает УЧП, а не удовлетворяет уравнению Лакса.
Связь с вихрями
[ редактировать ]Хасимото (1972) показал, что работа да Риоса ( 1906 ) по вихревым нитям тесно связана с нелинейным уравнением Шрёдингера. Впоследствии Салман (2013) использовал это соответствие, чтобы показать, что бризерные решения могут возникать и для вихревой нити.
См. также
[ редактировать ]- Система АКНС
- Уравнение углового дома
- Кварцевое взаимодействие для родственной модели квантовой теории поля
- Солитон (оптика)
- Логарифмическое уравнение Шрёдингера
Примечания
[ редактировать ]- ^ Возможным источником путаницы здесь является теорема о статистике спина , которая требует, чтобы фермионы имели полуцелый спин; однако это теорема релятивистских 3+1-мерных квантовых теорий поля и, следовательно, неприменима в этом одномерном, нерелятивистском случае.
Ссылки
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Рисунок 1 из: Онорато, М.; Промент, Д.; Клаусс, Г .; Кляйн, М. (2013), «Боевые волны: от нелинейных бризеров Шрёдингера к испытаниям на мореходность», PLOS ONE , 8 (2): e54629, Bibcode : 2013PLoSO...854629O , doi : 10.1371/journal.pone. 0054629 , ЧВК 3566097 , ПМИД 23405086
- ^ Перейти обратно: а б с д Маломед, Борис (2005), «Нелинейные уравнения Шрёдингера», Скотт, Олвин (ред.), Энциклопедия нелинейной науки , Нью-Йорк: Routledge, стр. 639–643.
- ^ Питаевский Л.; Стрингари, С. (2003), Конденсация Бозе-Эйнштейна , Оксфорд, Великобритания: Кларендон
- ^ Гуревич А.В. (1978), Нелинейные явления в ионосфере , Берлин: Springer.
- ^ Балакришнан, Р. (1985). «Распространение солитона в неоднородных средах». Физический обзор А. 32 (2): 1144–1149. Бибкод : 1985PhRvA..32.1144B . дои : 10.1103/PhysRevA.32.1144 . ПМИД 9896172 .
- ^ Перейти обратно: а б Корепин В.Е.; Боголюбов, Н.М.; Изергин, А.Г. (1993). Квантовый метод обратной задачи рассеяния и корреляционные функции . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-58646-7 .
- ^ Г. Фалькович (2011). Механика жидкости (Краткий курс для физиков) . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-00575-4 .
- ^ Перейти обратно: а б В.Е. Захаров ; С.В. Манаков (1974). «О полной интегрируемости нелинейного уравнения Шрёдингера». Журнал теоретической и математической физики . 19 (3): 551–559. Бибкод : 1974TMP....19..551Z . дои : 10.1007/BF01035568 . S2CID 121253212 . Первоначально в: Теоретическая и математическая физика 19 (3): 332–343. Июнь 1974 года.
- ^ Абловиц, М.Дж. (2011), Нелинейные дисперсионные волны. Асимптотический анализ и солитоны , Cambridge University Press, стр. 152–156, ISBN 978-1-107-01254-7
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 мая 2012 г. Проверено 4 сентября 2011 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ П. Муруганандам и С.К. Адхикари (2009). «Программы на Фортране для нестационарного уравнения Гросса – Питаевского в полностью анизотропной ловушке». Вычислить. Физ. Коммун . 180 (3): 1888–1912. arXiv : 0904.3131 . Бибкод : 2009CoPhC.180.1888M . дои : 10.1016/j.cpc.2009.04.015 . S2CID 7403553 .
- ^ П. Муруганандам и С.К. Адхикари (2003). «Динамика бозе-эйнштейновской конденсации в трех измерениях псевдоспектральными и конечно-разностными методами». Дж. Физ. Б. 36 (12): 2501–2514. arXiv : cond-mat/0210177 . Бибкод : 2003JPhB...36.2501M . дои : 10.1088/0953-4075/36/12/310 . S2CID 13180020 .
- ^ Д. Вудрагович; и др. (2012). «Программы на языке C для нестационарного уравнения Гросса – Питаевского в полностью анизотропной ловушке». Вычислить. Физ. Коммун . 183 (9): 2021–2025. arXiv : 1206.1361 . Бибкод : 2012CoPhC.183.2021V . дои : 10.1016/j.cpc.2012.03.022 . S2CID 12031850 .
- ^ Л.Е. Янг-С.; и др. (2016). «Программы OpenMP на Фортране и C для нестационарного уравнения Гросса – Питаевского в полностью анизотропной ловушке». Вычислить. Физ. Коммун . 204 (9): 209–213. arXiv : 1605.03958 . Бибкод : 2016CoPhC.204..209Y . дои : 10.1016/j.cpc.2016.03.015 . S2CID 206999817 .
- ^ В.Е. Захаров (1968). «Устойчивость периодических волн конечной амплитуды на поверхности глубокой жидкости». Журнал прикладной механики и технической физики . 9 (2): 190–194. Бибкод : 1968JAMTP...9..190Z . дои : 10.1007/BF00913182 . S2CID 55755251 . Первоначально в: Журнал Прикладной Механики и Технической Физики 9 (2): 86–94, 1968.]
- ^ Г.Г. Розенман, А. Арье, Л. Шемер (2019). «Наблюдение ускоряющихся одиночных волновых пакетов». Физ. Преподобный Е. 101 (5): 050201. doi : 10.1103/PhysRevE.101.050201 . ПМИД 32575227 . S2CID 219506298 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Дист, К.; Крогстад, HE; Мюллер, П. (2008). «Океанские волны-убийцы». Ежегодный обзор механики жидкости . 40 (1): 287–310. Бибкод : 2008AnRFM..40..287D . doi : 10.1146/annurev.fluid.40.111406.102203 .
- ^ Уизем, Великобритания (1974). Линейные и нелинейные волны . Уайли-Интерсайенс. стр. 601–606 и 489–491. ISBN 0-471-94090-9 .
- ^ Дунайский, Мацей (2010). Солитоны, инстантоны и твисторы . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 49. ИСБН 978-0-19-857063-9 .
Другой
[ редактировать ]- Цзяо, Республика Корея; Гармир, Э.; Таунс, CH (1964), "Самозахват оптических лучей", Phys. Преподобный Летт. , 13 (15): 479–482, Бибкод : 1964PhRvL..13..479C , doi : 10.1103/PhysRevLett.13.479
- да Риос, Луиджи Санте (1906), «О движении неопределенной жидкости с вихревой нитью любой формы» , Rendiconti del Circolo Matematico di Palermo (на итальянском языке), 22 : 117–135, doi : 10.1007/BF03018608 , JFM 37.0764.01 , S2CID 120549348
- Хасимото, Хиденори (1972), «Солитон на вихревой нити», Journal of Fluid Mechanics , 51 (3): 477–485, Bibcode : 1972JFM....51..477H , doi : 10.1017/S0022112072002307 , S2CID 123315958
- Салман, Хайдер (2013), «Бризеры на квантованных сверхтекучих вихрях», Phys. Преподобный Летт. , 111 (16): 165301, arXiv : 1307.7531 , Bibcode : 2013PhRvL.111p5301S , doi : 10.1103/PhysRevLett.111.165301 , PMID 24182275 , S2CID 25062555
- Захаров В.Е.; Шабат, AB (1972), «Точная теория двумерной самофокусировки и одномерной самомодуляции волн в нелинейных средах» , Журнал экспериментальной и теоретической физики , 34 (1): 62–69, Бибкод : 1972JETP ...34...62Z , MR 0406174 , заархивировано из оригинала 07 марта 2016 г. , получено 11 мая 2013 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Нелинейные системы Шрёдингера» . Схоларпедия .
- Учебная лекция по нелинейному уравнению Шредингера (видео) .
- Нелинейное уравнение Шредингера с кубической нелинейностью в EqWorld: мир математических уравнений.
- Нелинейное уравнение Шредингера со степенной нелинейностью в EqWorld: мир математических уравнений.
- Нелинейное уравнение Шредингера общего вида в EqWorld: мир математических уравнений.
- Математические аспекты нелинейного уравнения Шредингера в Dispersive Wiki