Jump to content

Нелинейное уравнение Шрёдингера

Абсолютное значение комплексной решений огибающей точных аналитических бризерных нелинейного уравнения Шрёдингера (НУШ) ​​в безразмерной форме. (А) Дыхалка Ахмедиева; (Б) дышащий сапсан ; (В) бризер Кузнецова–Ма. [ 1 ]

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 ]

Нелинейное уравнение Шредингера (Классическая теория поля)

для комплексного поля ψ ( x , t ).

Это уравнение возникает из гамильтониана [ 8 ]

со скобками Пуассона

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 ]
Гиперболический секущий (sech) огибающий солитон для поверхностных волн на глубокой воде.
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 ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ 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.

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ 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
  2. ^ Перейти обратно: а б с д Маломед, Борис (2005), «Нелинейные уравнения Шрёдингера», Скотт, Олвин (ред.), Энциклопедия нелинейной науки , Нью-Йорк: Routledge, стр. 639–643.
  3. ^ Питаевский Л.; Стрингари, С. (2003), Конденсация Бозе-Эйнштейна , Оксфорд, Великобритания: Кларендон
  4. ^ Гуревич А.В. (1978), Нелинейные явления в ионосфере , Берлин: Springer.
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ Г. Фалькович (2011). Механика жидкости (Краткий курс для физиков) . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1-107-00575-4 .
  8. ^ 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.
  9. ^ Абловиц, М.Дж. (2011), Нелинейные дисперсионные волны. Асимптотический анализ и солитоны , Cambridge University Press, стр. 152–156, ISBN  978-1-107-01254-7
  10. ^ «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 )
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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.]
  16. ^ 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 )
  17. ^ 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 .
  18. ^ Уизем, Великобритания (1974). Линейные и нелинейные волны . Уайли-Интерсайенс. стр. 601–606 и 489–491. ISBN  0-471-94090-9 .
  19. ^ Дунайский, Мацей (2010). Солитоны, инстантоны и твисторы . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 49. ИСБН  978-0-19-857063-9 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: d50103506592210468b37e17812aed70__1699647300
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/d5/70/d50103506592210468b37e17812aed70.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Nonlinear Schrödinger equation - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)