Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из теоремы о диссипации флуктуации )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Теорема флуктуации-диссипации ( FDT ) или соотношение флуктуации-диссипации ( FDR ) - мощный инструмент в статистической физике для предсказания поведения систем, которые подчиняются детальному равновесию . Учитывая, что система подчиняется детальному балансу, теорема является общим доказательством того, что термодинамические флуктуации физической переменной предсказывают отклик, количественно выраженный проводимостью или импедансом (подразумевается в их общем смысле, а не только в терминах электромагнитного поля) той же физической переменной. (например, напряжение, разница температур и т. д.), и наоборот. Теорема флуктуации-диссипации применима как кклассические и квантово-механические системы.

Флуктуационно-диссипативная теорема была доказана Гербертом Калленом и Теодором Велтоном в 1951 г. [1] и расширена Рёго Кубо . Существуют предшественники общей теоремы, включая объяснение Эйнштейном броуновского движения [2] во время его annus mirabilis и объяснение Гарри Найквиста в 1928 году шума Джонсона в электрических резисторах. [3]

Качественный обзор и примеры [ править ]

Теорема флуктуации-диссипации гласит, что когда есть процесс, который рассеивает энергию, превращая ее в тепло (например, трение), существует обратный процесс, связанный с тепловыми флуктуациями . Лучше всего это понять, рассмотрев несколько примеров:

Если объект движется через жидкость, он испытывает сопротивление (сопротивление воздуха или жидкости). Drag рассеивает кинетическую энергию, превращая ее в тепло. Соответствующее колебание - броуновское движение . Объект в жидкости не сидит на месте, а скорее движется с небольшой и быстро меняющейся скоростью, когда молекулы жидкости сталкиваются с ним. Броуновское движение преобразует тепловую энергию в кинетическую энергию, обратную сопротивлению.
Если электрический ток проходит через проволочную петлю с резистором в ней, ток быстро упадет до нуля из-за сопротивления. Сопротивление рассеивает электрическую энергию, превращая ее в тепло ( джоулевое нагревание ). Соответствующая флуктуация - шум Джонсона . Проволочная петля с резистором на самом деле не имеет нулевого тока, у нее есть небольшой и быстро флуктуирующий ток, вызванный тепловыми колебаниями электронов и атомов в резисторе. Шум Джонсона преобразует тепловую энергию в электрическую - обратную сопротивлению.
Когда свет падает на объект, некоторая его часть поглощается, делая объект более горячим. Таким образом, поглощение света превращает световую энергию в тепло. Соответствующее колебание - тепловое излучение (например, свечение «раскаленного» объекта). Тепловое излучение превращает тепловую энергию в энергию света - обратное поглощению света. Действительно, закон Кирхгофа о тепловом излучении подтверждает, что чем эффективнее объект поглощает свет, тем больше теплового излучения он излучает.

Подробно о примерах [ править ]

Теорема о флуктуации-диссипации - это общий результат статистической термодинамики, который количественно определяет связь между флуктуациями в системе, которая подчиняется детальному балансу, и реакцией системы на приложенные возмущения.

Броуновское движение [ править ]

Например, Альберт Эйнштейн в своей статье 1905 года о броуновском движении отметил, что те же случайные силы, которые вызывают беспорядочное движение частицы в броуновском движении, также вызовут сопротивление, если частица будет протаскиваться через жидкость. Другими словами, колебания покоящейся частицы имеют то же происхождение, что и диссипативная сила трения, против которой нужно работать, если кто-то пытается возмущать систему в определенном направлении.

Из этого наблюдения Эйнштейн смог с помощью статистической механики вывести соотношение Эйнштейна – Смолуховского.

который связывает постоянную диффузии D и подвижность частицы μ , отношение конечной скорости дрейфа частицы к приложенной силе. k B - постоянная Больцмана , а T - абсолютная температура .

Тепловой шум в резисторе [ править ]

В 1928 году Джон Б. Джонсон открыл, а Гарри Найквист объяснил шум Джонсона – Найквиста . При отсутствии приложенного тока, среднеквадратичное напряжение зависит от сопротивления , и ширина полосы частот , по которой измеряется напряжение: [4]

Простая схема для иллюстрации теплового шума Джонсона – Найквиста в резисторе.

Это наблюдение можно понять через призму теоремы о флуктуации-диссипации. Возьмем, к примеру, простую схему, состоящую из резистора с сопротивлением и конденсатора с небольшой емкостью . Закон Кирхгофа дает

и поэтому функция отклика для этой схемы

В пределе низких частот его мнимая часть просто

которое затем может быть связано с автокорреляционной функцией напряжения с помощью теоремы флуктуации-диссипации

Шум напряжения Джонсона – Найквиста наблюдался в небольшой полосе частот, сосредоточенной вокруг . Следовательно

Общая формулировка [ править ]

Флуктуационно-диссипативную теорему можно сформулировать по-разному; одна особенно полезная форма следующая: [ необходима цитата ]

Пусть быть наблюдаемы из динамической системы с гамильтонианом с учетом тепловых колебаний. Наблюдаемая будет колебаться вокруг своего среднего значения с колебаниями, характеризуемыми спектром мощности . Предположим, что мы можем включить изменяющееся во времени пространственно постоянное поле, которое изменяет гамильтониан на . Отклик наблюдаемого на зависящее от времени поле характеризуется в первом порядке восприимчивостью или функцией линейного отклика системы.

где возмущение включается адиабатически (очень медленно) при .

Теорема флуктуации-диссипации связывает двусторонний спектр мощности (т.е. как положительные, так и отрицательные частоты) с мнимой частью преобразования Фурье восприимчивости :

Левая часть описывает флуктуации , правая часть тесно связана с энергией, рассеиваемой системой при накачке колебательным полем .

Это классическая форма теоремы; квантовые флуктуации принимаются во внимание при замене с (чьим пределом для IS ). Доказательство может быть найдено с помощью редукции LSZ , тождества из квантовой теории поля. [ необходима цитата ]

Теорема о флуктуации-диссипации может быть напрямую обобщена на случай пространственно-зависимых полей, на случай нескольких переменных или на квантово-механическую установку. [1]

Вывод [ править ]

Классическая версия [ править ]

Мы выводим флуктуационно-диссипативную теорему в приведенной выше форме, используя те же обозначения. Рассмотрим следующий тестовый пример: поле f было включено бесконечное время и выключено при t = 0.

где - функция Хевисайда . Мы можем выразить математическое ожидание через распределение вероятностей W ( x , 0) и вероятность перехода

Функция распределения вероятностей W ( x , 0) является равновесным распределением и, следовательно, задается распределением Больцмана для гамильтониана

где . Для слабого поля можно разложить правую часть

вот равновесное распределение в отсутствие поля. Подставляя это приближение в формулу доходности

где A ( t ) - автокорреляционная функция x в отсутствие поля:

Обратите внимание, что в отсутствие поля система инвариантна относительно сдвигов во времени. Мы можем переписать, используя восприимчивость системы, и, следовательно, найти с помощью приведенного выше уравнения (*)

Вследствие этого,

Чтобы сделать утверждение о частотной зависимости, необходимо воспользоваться преобразованием Фурье уравнения (**) . Интегрируя по частям, можно показать, что

Поскольку является действительным и симметричным, отсюда следует

Наконец, для стационарных процессов , то Винера-Хинчина теорема утверждает , что двусторонняя спектральная плотность равен преобразование Фурье функции автокорреляции:

Следовательно,

Квантовая версия [ править ]

Теорема флуктуации-диссипации связывает корреляционную функцию интересующей наблюдаемой (мера флуктуации) с мнимой частью функции отклика в частотной области (мера диссипации). Связь между этими величинами можно найти с помощью так называемой формулы Кубо [5]

что следует, в предположениях теории линейного отклика , из временной эволюции среднего по ансамблю наблюдаемой в присутствии возмущающего источника. После преобразования Фурье формула Кубо позволяет записать мнимую часть функции отклика в виде

В каноническом ансамбле второй член можно переформулировать как

где во втором равенстве мы изменили положение, используя циклическое свойство следа (на этом шаге мы также предположили, что оператор является бозонным, т.е. не вносит изменения знака при перестановке). Далее, в третьем равенстве мы вставили рядом со следом и интерпретировали как оператор временной эволюции с мнимым временным интервалом . Мнимый сдвиг во времени превращается в множитель после преобразования Фурье

и, таким образом, выражение для можно легко переписать как квантово-флуктуационно-диссипативное соотношение [6]

где спектральная плотность мощности является преобразованием Фурье автокорреляции и является функцией распределения Бозе-Эйнштейна . Тот же расчет также дает

таким образом, в отличие от того, что получается в классическом случае, спектральная плотность мощности не является точно частотно-симметричной в квантовом пределе. Соответственно, имеет мнимую часть, происходящую из правил коммутации операторов. [7] Дополнительный термин " " в выражении на положительных частотах также можно рассматривать как связанный со спонтанным излучением . Часто цитируемым результатом также является симметризованная спектральная плотность мощности

« » Можно рассматривать как связанный с квантовыми флуктуациями или с движением нулевой точки наблюдаемого . При достаточно высоких температурах, т.е. квантовый вклад пренебрежимо мал, и мы восстанавливаем классический вариант.

Нарушения в стеклянных системах [ править ]

В то время как теорема флуктуации-диссипации обеспечивает общую связь между реакцией систем, подчиняющихся детальному балансу , когда детальный баланс нарушается, сравнение флуктуаций и диссипации более сложное. Ниже так называемая температура стекла , стекловидные системы не уравновешены, и медленно приближаются к своему состоянию равновесия. Этот медленный подход к равновесию синонимичен нарушению детального баланса . Таким образом, эти системы требуют больших временных масштабов для изучения, пока они медленно движутся к равновесию.


Для изучения нарушения флуктуационно-диссипативного соотношения в стеклообразных системах, в частности в спиновых стеклах , см. [8] выполнили численное моделирование макроскопических систем (т.е. больших по сравнению с их корреляционными длинами), описываемых трехмерной моделью Эдвардса-Андерсона, с использованием суперкомпьютеров. В их моделировании система сначала готовится при высокой температуре, быстро охлаждается до температуры ниже температуры стекла и оставляется на очень долгое время для уравновешивания в магнитном поле . Затем, позже , исследуются две динамические наблюдаемые, а именно функция отклика

и спин-временная корреляционная функция

где - спин, живущий в узле кубической объемной решетки , - плотность намагниченности. Соотношение флуктуаций и диссипации в этой системе можно записать в терминах этих наблюдаемых как

Их результаты подтверждают ожидание того, что, поскольку системе дают уравновешиваться в течение более длительного времени, соотношение флуктуаций и диссипации становится ближе к выполнению.


В середине 1990-х годов при изучении динамики моделей спинового стекла было обнаружено обобщение флуктуационно-диссипативной теоремы [9] , справедливое для асимптотических нестационарных состояний, когда температура, фигурирующая в соотношении равновесия, заменяется эффективная температура с нетривиальной зависимостью от временных масштабов. Предполагается, что это соотношение сохраняется в стеклянных системах за пределами моделей, для которых оно было первоначально обнаружено.

Квантовая версия [ править ]

Энтропия Реньи, а также энтропия фон Неймана в квантовой физике не наблюдаются, поскольку они нелинейно зависят от матрицы плотности. Недавно Ансари и Назаров доказали точное соответствие, которое раскрывает физический смысл потока энтропии Реньи во времени. Это соответствие аналогично теореме о флуктуации-диссипации по духу и позволяет измерять квантовую энтропию с использованием полной статистики подсчета (FCS) передачи энергии. [10] [11] [12]

См. Также [ править ]

  • Неравновесная термодинамика
  • Отношения Грина – Кубо
  • Онсагер взаимные отношения
  • Теорема о равнораспределении
  • Распределение Больцмана
  • Диссипативная система

Заметки [ править ]

  1. ^ а б Х. Каллен ; Т. А. Велтон (1951). «Необратимость и обобщенный шум». Физический обзор . 83 (1): 34–40. Полномочный код : 1951PhRv ... 83 ... 34C . DOI : 10.1103 / PhysRev.83.34 . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  2. Эйнштейн, Альберт (май 1905 г.). "Über die von der molkularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen" . Annalen der Physik . 322 (8): 549–560. Bibcode : 1905AnP ... 322..549E . DOI : 10.1002 / andp.19053220806 . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  3. ^ Найквист H (1928). «Тепловое возбуждение электрического заряда в проводниках». Физический обзор . 32 (1): 110–113. Полномочный код : 1928PhRv ... 32..110N . DOI : 10.1103 / PhysRev.32.110 . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  4. ^ Blundell, Стивен Дж .; Бланделл, Кэтрин М. (2009). Понятия по теплофизике . ОУП Оксфорд.
  5. Перейти ↑ Kubo R (1966). «Флуктуационно-диссипативная теорема». Отчеты о достижениях физики . 29 (1): 255–284. Bibcode : 1966RPPh ... 29..255K . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 29/1/306 .
  6. ^ Hänggi Питер, Инголд Герт-Людвиг (2005). «Фундаментальные аспекты квантового броуновского движения» . Хаос: междисциплинарный журнал нелинейной науки . 15 (2): 026105. Arxiv : колич-фот / 0412052 . Bibcode : 2005Chaos..15b6105H . DOI : 10.1063 / 1.1853631 . PMID 16035907 . S2CID 9787833 .  
  7. ^ Секретарь, AA; Деворет, MH; Гирвин, С.М.; Марквардт, Флориан; Schoelkopf, RJ (2010). «Введение в квантовый шум, измерение и усиление». Обзоры современной физики . 82 (2): 1155. arXiv : 0810.4729 . Bibcode : 2010RvMP ... 82.1155C . DOI : 10.1103 / RevModPhys.82.1155 . S2CID 119200464 . 
  8. ^ Baity-Йези Марко, Calore Энрико, Круз Андрес, Антонио Фернандес Луис Мигель Gil-Narvión Хосе, Gordillo Герреро Антонио, Иньигес Дэвид, Майоран Андреа, Marinari Энцо, Мартин-мэр Виктор, Монфорт-Гарсиа Хорх Муньос Sudupe Антонио, Наварро Дени, Паризи Джорджио, Перес-Гавиро Серхио, Риччи-Терсенги Федерико, Хесус Руис-Лоренцо Хуан, Фабио Скифано Себастьяно, Сеоан Беатрис, Таранкон Альфонсо, Трипиччоне Рафаэле, Илланес Давид (2017). «Эквивалентность статики и динамики через отношение флуктуации к диссипации обеспечивает окно в фазу спинового стекла из неравновесных измерений» . Труды Национальной академии наук . 114 (8): 1838–1843. arXiv : 1610.01418 . Bibcode: 2017ПНАС..114.1838Б . DOI : 10.1073 / pnas.1621242114 . PMC  5338409 . PMID  28174274 .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  9. ^ Cugliandolo LF ; Курчан Дж. (1993). «Аналитическое решение неравновесной динамики дальнодействующей модели спинового стекла». Письма с физическим обзором . 71 (1): 173–176. arXiv : cond-mat / 9303036 . Bibcode : 1993PhRvL..71..173C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.71.173 . PMID 10054401 . S2CID 8591240 .   CS1 maint: discouraged parameter (link)
  10. Ансари Назаров (2016)
  11. ^ Ансари Назаров (2015a)
  12. ^ Ансари Назаров (2015b)

Ссылки [ править ]

  • Х. Б. Каллен, Т. А. Велтон (1951). «Необратимость и обобщенный шум». Физический обзор . 83 (1): 34–40. Полномочный код : 1951PhRv ... 83 ... 34C . DOI : 10.1103 / PhysRev.83.34 .
  • Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. (1980). Статистическая физика . Курс теоретической физики . 5 (3-е изд.).
  • Умберто Марини Беттоло Маркони; Андреа Пуглиси; Ламберто Рондони; Анджело Вульпиани (2008). "Флуктуация-диссипация: теория отклика в статистической физике". Отчеты по физике . 461 (4–6): 111–195. arXiv : 0803.0719 . Bibcode : 2008PhR ... 461..111M . DOI : 10.1016 / j.physrep.2008.02.002 . S2CID  118575899 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Аудиозапись лекции профессора Э.В. Карлсона из Университета Пердью
  • Знаменитый текст Кубо: Теорема флуктуации-диссипации
  • Вебер Дж (1956). «Теорема флуктуационной диссипации». Физический обзор . 101 (6): 1620–1626. arXiv : 0710.4394 . Bibcode : 1956PhRv..101.1620W . DOI : 10.1103 / PhysRev.101.1620 .
  • Фельдерхоф БУ (1978). «О выводе флуктуационно-диссипативной теоремы». Журнал Physics A . 11 (5): 921–927. Bibcode : 1978JPhA ... 11..921F . DOI : 10.1088 / 0305-4470 / 11/5/021 .
  • Кристани А., Риторт Ф (2003). «Нарушение флуктуационно-диссипативной теоремы в стеклообразных системах: основные понятия и числовые доказательства». Журнал Physics A . 36 (21): R181 – R290. arXiv : cond-mat / 0212490 . Bibcode : 2003JPhA ... 36R.181C . DOI : 10.1088 / 0305-4470 / 36/21/201 . S2CID  14144683 .
  • Чендлер Д. (1987). Введение в современную статистическую механику . Издательство Оксфордского университета. С.  231–265 . ISBN 978-0-19-504277-1.
  • Райхль Л.Е. (1980). Современный курс статистической физики . Остин, Техас: Техасский университет Press. С. 545–595. ISBN 0-292-75080-3. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  • Плишке М, Бергерсен Б (1989). Статистическая физика равновесия . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice Hall. С. 251–296. ISBN 0-13-283276-3.
  • Патрия РК (1972). Статистическая механика . Оксфорд: Pergamon Press. С. 443, 474–477. ISBN 0-08-018994-6. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  • Хуанг К. (1987). Статистическая механика . Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. С. 153, 394–396. ISBN 0-471-81518-7.
  • Каллен HB (1985). Термодинамика и введение в термостатистику . Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. С. 307–325. ISBN 0-471-86256-8.
  • Мазонка, Олег (2016). «Легко, как Пи: зависимость флуктуации и рассеяния» (PDF) . Справочный журнал . 16 .
  • Ансари, Мохаммад Х .; Назаров, Юлий В. (2015). «Точное соответствие между потоками энтропии Реньи и физическими потоками». Physical Review B . 91 (17): 174307. arXiv : 1502.08020 . Bibcode : 2015PhRvB..91q4307A . DOI : 10.1103 / PhysRevB.91.174307 . S2CID  36847902 .