Формулировка в фазовом пространстве
Часть серии статей о |
Квантовая механика |
---|
в фазовом пространстве Формулировка квантовой механики ставит переменные положения и импульса в равное положение в фазовом пространстве . Напротив, картина Шредингера использует представления положения или импульса (см. Также пространство положения и импульса ). Две ключевые особенности формулировки фазового пространства заключаются в том, что квантовое состояние описывается распределением квазивероятностей (вместо волновой функции , вектора состояния или матрицы плотности ), а операторное умножение заменяется звездным произведением .
Теория была полностью развита Хилбрандом Грёневолдом в 1946 году в его докторской диссертации. [1] и независимо от Джо Мойала , [2] каждый основан на более ранних идеях Германа Вейля [3] и Юджин Вигнер . [4]
Главное преимущество формулировки в фазовом пространстве состоит 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 носит статистический характер 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 отдается предпочтение в некоторых квантовой оптики приложениях (см. Оптическое фазовое пространство ) или при изучении декогеренции и ряда специализированных технических проблем, хотя в остальном формализм реже используется 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 в фазовом пространстве [ править ]
в фазовом пространстве f ( x , p ) Распределение квантового состояния является квазивероятностным распределением. В формулировке фазового пространства распределение в фазовом пространстве можно рассматривать как фундаментальное, примитивное описание квантовой системы, без какой-либо ссылки на волновые функции или матрицы плотности. [7]
Существует несколько различных способов представления распределения, и все они взаимосвязаны. [8] [9] Наиболее примечательным является Вигнера представление W ( x , p ) , открытое первым. [4] Другие представления (приблизительно в порядке убывания распространенности в литературе) включают Глаубера-Сударшана P , [10] [11] Из Q , [12] Представления Кирквуда–Рихачека, Мехты, Ривье и Борна–Джордана. [13] [14] Эти альтернативы наиболее полезны, когда гамильтониан принимает определенную форму, например, нормальный порядок для P-представления Глаубера – Сударшана. Поскольку представление Вигнера является наиболее распространенным, в этой статье мы обычно будем придерживаться его, если не указано иное.
Распределение в фазовом пространстве обладает свойствами, подобными плотности вероятности в 2 n -мерном фазовом пространстве. Например, она имеет действительное значение , в отличие от обычно комплексной волновой функции. Мы можем понять вероятность попадания в интервал положений, например, путем интегрирования функции Вигнера по всем импульсам и по интервалу положений:
Если Â ( x , p ) является оператором, представляющим наблюдаемую, он может быть отображен в фазовое пространство как A ( x , p ) посредством преобразования Вигнера . И наоборот, этот оператор может быть восстановлен преобразованием Вейля .
Среднее значение наблюдаемой относительно распределения в фазовом пространстве равно [2] [15]
Однако следует предостеречь: несмотря на внешнее сходство, W ( x , p ) не является настоящим совместным распределением вероятностей , поскольку области под ним не представляют собой взаимоисключающие состояния, как того требует третья аксиома теории вероятностей . Более того, оно может, вообще говоря, принимать отрицательные значения даже для чистых состояний, за единственным исключением (необязательно сжатых ) когерентных состояний , что нарушает первую аксиому .
Доказано, что области такого отрицательного значения «маленькие»: они не могут расширяться до компактных областей размером более нескольких ħ и, следовательно, исчезают в классическом пределе . Они защищены принципом неопределенности , который не позволяет точно локализовать внутри областей фазового пространства, меньших ħ , и, таким образом, делает такие «отрицательные вероятности» менее парадоксальными. Если левую часть уравнения следует интерпретировать как математическое ожидание в гильбертовом пространстве относительно оператора, то в контексте квантовой оптики это уравнение известно как теорема оптической эквивалентности . (Подробнее о свойствах и интерпретации функции Вигнера см. ее основную статью .)
Альтернативный подход к квантовой механике с использованием фазового пространства направлен на определение волновой функции (а не просто плотности квазивероятности) в фазовом пространстве, обычно с помощью преобразования Сигала-Баргмана . Чтобы быть совместимым с принципом неопределенности, волновая функция в фазовом пространстве не может быть произвольной функцией, иначе она может быть локализована в сколь угодно малой области фазового пространства. Скорее, преобразование Сигала – Баргмана является функцией голоморфной . Существует плотность квазивероятности, связанная с волновой функцией в фазовом пространстве; это Хусими Q-представление волновой функции положения .
Звездный продукт [ править ]
Фундаментальным некоммутативным бинарным оператором в формулировке фазового пространства, который заменяет стандартный оператор умножения, является звездное произведение , представленное символом ★ . [1] Каждое представление распределения в фазовом пространстве имеет свой характерный звездный продукт. 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 через изменение аргументов f и g :
Также возможно определить ★ -произведение в интегральной форме свертки: [16] по существу через преобразование Фурье :
(Так, например, [7] Гауссианы составляют гиперболически :
или
и т. д.)
энергии Распределения собственных состояний известны как звездные состояния , звездные функции , ★-генсостояния или ★ -ген - функции , а соответствующие энергии известны как звездные значения или ★ -генные значения . Они решаются, аналогично независимому от времени уравнению Шредингера , с помощью уравнения ★ -genvalue, [17] [18]
где H — гамильтониан, простая функция фазового пространства, чаще всего идентичная классическому гамильтониану.
времени Эволюция
Временная эволюция распределения фазового пространства задается квантовой модификацией потока Лиувилля . [2] [9] [19] Эта формула является результатом применения преобразования Вигнера к версии квантового уравнения Лиувилля с матрицей плотности :уравнение фон Неймана .
В любом представлении распределения фазового пространства с соответствующим 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 «диффузионной» и сжимаемой. [2] Поэтому концепция квантовой траектории является здесь деликатным вопросом. [20] Посмотрите фильм о потенциале Морса ниже, чтобы оценить нелокальность квантового фазового потока.
NB. Учитывая ограничения, налагаемые принципом неопределенности на локализацию, Нильс Бор решительно отрицал физическое существование таких траекторий в микроскопическом масштабе. С помощью формальных траекторий в фазовом пространстве проблема эволюции во времени функции Вигнера может быть строго решена с использованием метода интеграла по путям. [21] и метод квантовых характеристик , [22] хотя в обоих случаях существуют серьезные практические препятствия.
Примеры [ править ]
Простой гармонический генератор [ править ]
Гамильтониан простого гармонического осциллятора в одном пространственном измерении в представлении Вигнера – Вейля имеет вид
выглядеть следующим образом : Тогда уравнение ★-genvalue для статической функции Вигнера будет
Рассмотрим сначала мнимую часть уравнения ★ -genvalue,
Это означает, что можно записать ★ -genstates как функции одного аргумента:
С помощью такой замены переменных можно записать действительную часть ★ -генного уравнения в виде модифицированного уравнения Лагерра (не уравнения Эрмита !), в решении которого участвуют полиномы Лагерра как [18]
представленный Гроенволдом, [1] со связанными ★ -genvalues
Для гармонического осциллятора временная эволюция произвольного распределения Вигнера проста. Начальный W ( x , p ; t = 0) = F ( u ) развивается в соответствии с приведенным выше уравнением эволюции, управляемым гамильтонианом осциллятора, заданным путем простого жесткого вращения в фазовом пространстве , [1]
Обычно «выброс» (или когерентное состояние) энергии E ≫ ħω может представлять собой макроскопическую величину и выглядеть как классический объект, равномерно вращающийся в фазовом пространстве, простой механический осциллятор (см. анимированные рисунки). Интегрируя по всем фазам (начальным положениям при t = 0) таких объектов, непрерывный «палисад» дает независимую от времени конфигурацию, аналогичную вышеупомянутым статическим ★ -генсостояниям F ( u ) , интуитивно понятную визуализацию классического предела для больших -системы действий. [6]
частицы момент Угловой свободной
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 свободно распространяющегося состояния равна
где α — параметр, описывающий начальную ширину гауссианы, а τ = m / α 2 ч .
Первоначально положение и импульс некоррелированы. Таким образом, в трех измерениях мы ожидаем, что векторы положения и импульса будут в два раза скорее перпендикулярны друг другу, чем параллельны.
Однако по мере развития состояния положение и импульс становятся все более коррелирующими, поскольку части распределения, находящиеся дальше от начала координат, требуют достижения большего импульса: асимптотически
(Это относительное «сжатие» отражает расширение свободного волнового пакета в координатном пространстве.)
Действительно, можно показать, что кинетическая энергия частицы становится только асимптотически радиальной, что соответствует стандартному квантово-механическое понятие ненулевого углового момента в основном состоянии, определяющее независимость ориентации: [24]
Потенциал Морса [ править ]
Потенциал Морзе используется для аппроксимации колебательной структуры двухатомной молекулы.
туннелирование Квантовое
Туннелирование — это отличительный квантовый эффект, при котором квантовая частица, не обладая достаточной энергией, чтобы пролететь выше, все равно проходит через барьер. Этот эффект не существует в классической механике.
Квартичный потенциал [ править ]
Шредингера Состояние кота [ править ]
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Гроневолд, HJ (1946). «О принципах элементарной квантовой механики». Физика . 12 (7): 405–460. Бибкод : 1946Phy....12..405G . дои : 10.1016/S0031-8914(46)80059-4 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и Мойал, Дж. Э.; Бартлетт, MS (1949). «Квантовая механика как статистическая теория». Математические труды Кембриджского философского общества . 45 (1): 99–124. Бибкод : 1949PCPS...45...99M . дои : 10.1017/S0305004100000487 . S2CID 124183640 .
- ^ Вейль, Х. (1927). «Квантовая механика и теория групп». Журнал физики (на немецком языке). 46 (1–2): 1–46. Бибкод : 1927ZPhy...46....1W . дои : 10.1007/BF02055756 . S2CID 121036548 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Вигнер, Э. (1932). «О квантовой поправке к термодинамическому равновесию». Физический обзор . 40 (5): 749–759. Бибкод : 1932PhRv...40..749W . дои : 10.1103/PhysRev.40.749 . hdl : 10338.dmlcz/141466 .
- ^ Али, С. Тварек; Английский, Мирослав (2005). «Методы квантования: Руководство для физиков и аналитиков». Обзоры по математической физике . 17 (4): 391–490. arXiv : math-ph/0405065 . дои : 10.1142/S0129055X05002376 . S2CID 119152724 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Куртрайт, ТЛ; Захос, СК (2012). «Квантовая механика в фазовом пространстве». Информационный бюллетень по физике Азиатско-Тихоокеанского региона . 01 :37–46. arXiv : 1104.5269 . дои : 10.1142/S2251158X12000069 . S2CID 119230734 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б К. Зачос , Д. Фэрли и Т. Куртрайт , «Квантовая механика в фазовом пространстве» (World Scientific, Сингапур, 2005 г.) ISBN 978-981-238-384-6 .
- ^ Коэн, Л. (1966). «Обобщенные функции распределения в фазовом пространстве». Журнал математической физики . 7 (5): 781–786. Бибкод : 1966JMP.....7..781C . дои : 10.1063/1.1931206 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Агарвал, Г.С.; Вольф, Э. (1970). «Исчисление функций некоммутирующих операторов и общие методы фазового пространства в квантовой механике. II. Квантовая механика в фазовом пространстве». Физический обзор D . 2 (10): 2187–2205. Бибкод : 1970PhRvD...2.2187A . дои : 10.1103/PhysRevD.2.2187 .
- ^ Сударшан, ЭКГ (1963). «Эквивалентность квазиклассических и квантовомеханических описаний статистических световых лучей». Письма о физических отзывах . 10 (7): 277–279. Бибкод : 1963PhRvL..10..277S . дои : 10.1103/PhysRevLett.10.277 .
- ^ Глаубер, Рой Дж. (1963). «Когерентные и некогерентные состояния радиационного поля». Физический обзор . 131 (6): 2766–2788. Бибкод : 1963PhRv..131.2766G . дои : 10.1103/PhysRev.131.2766 .
- ^ Коди Хусими (1940). «Некоторые формальные свойства матрицы плотности», Учеб. Физ. Математика. Соц. Япония. 22 : 264–314.
- ^ Агарвал, Г.С.; Вольф, Э. (1970). «Исчисление функций некоммутирующих операторов и общие методы фазового пространства в квантовой механике. I. Теоремы об отображении и упорядочение функций некоммутирующих операторов». Физический обзор D . 2 (10): 2161–2186. Бибкод : 1970PhRvD...2.2161A . дои : 10.1103/PhysRevD.2.2161 .
- ^ Кэхилл, Кентукки; Глаубер, Р.Дж. (1969). «Упорядоченные разложения в бозонных амплитудных операторах» (PDF) . Физический обзор . 177 (5): 1857–1881. Бибкод : 1969PhRv..177.1857C . дои : 10.1103/PhysRev.177.1857 . ; Кэхилл, Кентукки; Глаубер, Р.Дж. (1969). «Операторы плотности и распределения квазивероятностей» . Физический обзор . 177 (5): 1882–1902. Бибкод : 1969PhRv..177.1882C . дои : 10.1103/PhysRev.177.1882 . .
- ^ Лакс, Мелвин (1968). «Квантовый шум. XI. Многовременное соответствие между квантовыми и классическими случайными процессами». Физический обзор . 172 (2): 350–361. Бибкод : 1968PhRv..172..350L . дои : 10.1103/PhysRev.172.350 .
- ^ Бейкер, Джордж А. (1958). «Формулировка квантовой механики на основе распределения квазивероятностей, индуцированного в фазовом пространстве». Физический обзор . 109 (6): 2198–2206. Бибкод : 1958PhRv..109.2198B . дои : 10.1103/PhysRev.109.2198 .
- ^ Фэрли, Д.Б. (1964). «Формулировка квантовой механики в терминах функций фазового пространства». Математические труды Кембриджского философского общества . 60 (3): 581–586. Бибкод : 1964PCPS...60..581F . дои : 10.1017/S0305004100038068 . S2CID 122039228 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Куртрайт, Т.; Фэрли, Д.; Зачос, К. (1998). «Особенности нестационарных функций Вигнера». Физический обзор D . 58 (2): 025002. arXiv : hep-th/9711183 . Бибкод : 1998PhRvD..58b5002C . doi : 10.1103/PhysRevD.58.025002 . S2CID 288935 .
- ^ Мехта, CL (1964). «Фазовая формулировка динамики канонических переменных» . Журнал математической физики . 5 (5): 677–686. Бибкод : 1964JMP.....5..677M . дои : 10.1063/1.1704163 .
- ^ М. Олива, Д. Какофенгитис, О. Стойернагель (2018). «Ангармонические квантово-механические системы не имеют траекторий в фазовом пространстве». Физика А. 502 : 201–210. arXiv : 1611.03303 . Бибкод : 2018PhyA..502..201O . дои : 10.1016/j.physa.2017.10.047 . S2CID 53691877 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Маринов, М.С. (1991). «Новый тип интеграла по траекториям в фазовом пространстве». Буквы по физике А. 153 (1): 5–11. Бибкод : 1991PhLA..153....5M . дои : 10.1016/0375-9601(91)90352-9 .
- ^ Криворученко М.И.; Фесслер, Аманд (2007). «Символы Вейля операторов Гейзенберга канонических координат и импульсов как квантовые характеристики». Журнал математической физики . 48 (5): 052107. arXiv : quant-ph/0604075 . Бибкод : 2007JMP....48e2107K . дои : 10.1063/1.2735816 . S2CID 42068076 .
- ^ Куртрайт, TL. Зависящие от времени функции Вигнера .
- ^ Даль, Йенс Педер; Шляйх, Вольфганг П. (15 января 2002 г.). «Представления о радиальной и угловой кинетической энергии». Физический обзор А. 65 (2): 022109. arXiv : quant-ph/0110134 . Бибкод : 2002PhRvA..65b2109D . дои : 10.1103/physreva.65.022109 . ISSN 1050-2947 . S2CID 39409789 .