Это не официальный сайт wikipedia.org 01.01.2023

Теорема Лиувилля о сохранении фазового объёма — Википедия

Теорема Лиувилля о сохранении фазового объёма

Теоре́ма Лиуви́лля, названная по имени французского математика Жозефа Лиувилля, является ключевой теоремой в математической физике, статистической физике и гамильтоновой механике. Теорема утверждает сохранение во времени фазового объёма, или плотности вероятности в фазовом пространстве.

ФормулировкаПравить

Функция распределения гамильтоновой системы постоянна вдоль любой траектории в фазовом пространстве.

Уравнение ЛиувилляПравить

Уравнение Лиувилля описывает эволюцию во времени функции распределения (плотности вероятности) гамильтоновой системы в 6 N  -мерном фазовом пространстве ( N   — количество частиц в системе). Рассмотрим гамильтонову систему с координатами q i   и сопряжёнными импульсами p i  , где i = 1 , , d ,   d = 3 N  . Тогда распределение в фазовом пространстве ρ ( p i , q i )   определяет вероятность ρ ( p , q ) d d q d d p   того, что система будет находиться в элементе объёма d d q d d p   своего фазового пространства.

Уравнение Лиувилля описывает эволюцию ρ ( p i , q i ; t )   во времени t   согласно правилу нахождения полной производной функции с учётом несжимаемости потока в фазовом пространстве:

d ρ d t = ρ t + i = 1 d ( ρ q i d q i d t + ρ p i d p i d t ) = 0.  

Производные фазовых координат по времени для гамильтоновых систем описываются согласно уравнениям Гамильтона:

q ˙ i d q i d t = H p i ,  
p ˙ i d p i d t = H q i .  

Простое доказательство теоремы состоит в наблюдении, что эволюция ρ   определяется уравнением неразрывности (непрерывности):

ρ t + ( ρ v ) = ρ t + ρ div v + v grad ρ = 0 ,  

где v   — скорость перемещения исследуемого объёма фазового пространства:

( ρ v ) = i = 1 d ( ( ρ q ˙ i ) q i + ( ρ p ˙ i ) p i )  

и замечанием, что разность между этим выражением и уравнением Лиувилля определяется только слагаемым, описывающим дивергенцию, а именно её отсутствие, что означает отсутствие источников или стоков плотности вероятности:

ρ div v = ρ i = 1 d ( q ˙ i q i + p ˙ i p i ) = ρ i = 1 d ( 2 H q i p i 2 H p i q i ) = 0 ,  

где H   — гамильтониан, и были использованы уравнения Гамильтона. Это можно представить как движение через фазовое пространство «потока жидкости» точек системы. Теорема означает, что производная Лагранжа или субстанциональная производная плотности d ρ / d t   равна нулю. Это следует из уравнения непрерывности, так как поле скоростей ( p ˙ , q ˙ )   в фазовом пространстве бездивергентно, что в свою очередь вытекает из гамильтоновых уравнений для консервативных систем.

Геометрическая интерпретацияПравить

Рассмотрим траекторию малого пятна (множества точек) в фазовом пространстве. Перемещаясь вдоль множества траекторий, пятно растягивается в одной координате, скажем — p i   — но сжимается по другой координате q i   так, что произведение Δ p i Δ q i   остаётся константой. Площадь пятна (фазовый объём) не изменяется.

Более точно, фазовый объём Γ   сохраняется при сдвигах времени. Если

Γ d d q d d p = C ,  

и Γ ( t )   — множество точек фазового пространства, в которое может эволюционировать множество Γ   в момент времени t  , тогда

Γ ( t ) d d q d d p = C  

для всех времён t  . Объём фазового пространства гамильтоновой системы сохраняется, поскольку эволюция во времени в гамильтоновой механике — это каноническое преобразование, а все канонические преобразования имеют единичный якобиан.

Через симплектическую формуПравить

Пусть ( M , ω )   — симплектическое многообразие и H : M R   — гладкая функция. Пусть V   есть симплектический градиент H  , то есть векторное поле удовлетворяющее соотношению

d H ( X ) = ω ( V , X )  

для любого векторного поля X  . Тогда

L V ω = 0 ,  

где L   обозначает производную Ли.

Из этого утверждения следует теорема Лиувилля. Действительно, из выше приведённого тождества следует, что

L V ω n = 0 ,  

а если M   — 2 n  -мерно, то ω n   является формой объёма на M  .

Физическая интерпретацияПравить

Ожидаемое полное число частиц — интеграл по всему фазовому пространству от функции распределения:

N = d d q d d p ρ ( p , q )  

(нормировочный множитель опущен). В простейшем случае, когда частица движется в евклидовом пространстве в поле потенциальных сил F   с координатами x   и импульсами p  , теорему Лиувилля можно записать в виде

ρ t + v x ρ + F m p ρ = 0 ,  

где v = x ˙   — скорость. В физике плазмы это выражение называется уравнением Власова или бесстолкновительным уравнением Больцмана и используется, чтобы описать большое число бесстолкновительных частиц, двигающихся в самосогласованном поле сил F  .

В классической статистической механике число частиц N   велико, порядка числа Авогадро. В стационарном случае ρ / t = 0   можно найти плотность микросостояний, доступных в данном статистическом ансамбле. Для стационарных состояний функции распределения ρ   равна любой функции гамильтониана H  , например, в распределении Максвелла-Больцмана ρ e H / k T  , где T   — температура, k   — постоянная Больцмана.

Запись через скобку ПуассонаПравить

Используя скобку Пуассона, имеющее в канонических координатах ( q i , p j )   вид

{ A , B } = i = 1 N ( A q i B p i + A p i B q i ) ,  

уравнение Лиувилля (другое название: уравнение Лиувилля — фон Неймана[1]) для гамильтоновых систем приобретает вид

ρ t = { ρ , H } .  

Запись с использованием оператора ЛиувилляПравить

При помощи оператора Лиувилля

i L ^ = i = 1 d [ H p i q i H q i p i ]  

уравнение для гамильтоновых систем приобретает вид

ρ t + i L ^ ρ = 0.  

ЗамечанияПравить

Эта процедура, часто используемая, чтобы получить квантовые аналоги классических систем, вовлекает описание классической системы, используя гамильтонову механику. Классическим переменным тогда дают иное толкование, а именно, как квантовые операторы, в то время как скобки Пуассона заменены коммутаторами. В этом случае получается уравнение

t ρ = 1 i [ H , ρ ] ,  

где ρ матрица плотности. Это уравнение называется уравнением фон Неймана и описывает эволюцию квантовых состояний гамильтоновых систем.

  • Уравнение Лиувилля верно для равновесных и неравновесных систем. Это фундаментальное уравнение неравновесной статистической механики.
  • Предположение о несжимаемости фазового потока, то есть выполнение условия
i = 1 d ( q i d q i d t + p i d p i d t ) = 0 ,   

является существенным. В общем случае произвольной динамической системы

q ˙ i = Q i ( p , q , t ) , p ˙ i = P i ( p , q , t )   

уравнение для эволюции во времени плотности ρ ( p , q , t )   распределения частиц в фазовом пространстве получается из уравнения баланса

ρ ( p , q , t ) d Λ = ρ ( p , q , t ) d Λ ,   
t = t + d t , p i = p i + P i d t , q i = q i + Q i d t , d Λ = d Λ [ 1 + d t i = 1 d ( Q i q i + P i p i ) ]   

(последнее соотношение — это масштабирование элемента фазового объёма при бесконечно малом перемещении вдоль фазовой траектории). Итоговое уравнение имеет вид

ρ t + i = 1 d ( ( ρ Q i ) q i + ( ρ P i ) p i ) = 0  

(см. также Уравнение Фоккера — Планка) и в случае   Q i = H / p i ,   P i = H / q i   совпадает с уравнением Лиувилля.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. [https://mipt.ru/upload/iblock/2a6/Amosov-arpg6egghva.pdf Амосов Г.Н. Вероятностные и когомологические характеристики квантовых динамических систем: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. — М., 2008. — С. 10.]