Statistik ansambl (matematik fizika) - Statistical ensemble (mathematical physics)

Yilda fizika, xususan statistik mexanika, an ansambl (shuningdek statistik ansambl) ko'p sonli virtual nusxalardan (ba'zan cheksiz ko'p) iborat bo'lgan idealizatsiya tizim, birdaniga ko'rib chiqildi, ularning har biri haqiqiy tizim bo'lishi mumkin bo'lgan holatni anglatadi. Boshqacha qilib aytganda, statistik ansambl tizimning holati uchun ehtimollik taqsimotidir. Ansambl tushunchasi tomonidan kiritilgan J. Uillard Gibbs 1902 yilda.[1]

A termodinamik ansambl boshqa xususiyatlar qatorida statistik muvozanatda bo'lgan (quyida tavsiflangan) statistik ansamblning o'ziga xos xilma-xilligi bo'lib, uning xususiyatlarini olish uchun ishlatiladi. termodinamik tizimlar klassik yoki kvant mexanikasi qonunlaridan.[2][3]

Jismoniy fikrlar

Ansambl eksperimentator bir xil makroskopik sharoitda eksperimentni qayta-qayta takrorlagan, ammo mikroskopik tafsilotlarni boshqara olmaydigan, turli xil natijalarni kuzatishni kutishi mumkin degan tushunchani rasmiylashtiradi.

Termodinamikada, statistik mexanikada va ansambllarning shartli kattaligi kvant statistik mexanika juda katta bo'lishi mumkin, shu jumladan har qanday mumkin mikroskopik holat tizim kuzatilishi bilan mos bo'lishi mumkin makroskopik xususiyatlari. Ko'pgina muhim fizik holatlar uchun o'rtacha termodinamik ansambl bo'yicha o'rtacha qiymatlarni hisoblash, qiziqishning ko'p termodinamik miqdori uchun aniq formulalarni olish mumkin. bo'lim funktsiyasi.

Muvozanat yoki statsionar ansambl tushunchasi statistik ansambllarning ko'plab dasturlari uchun juda muhimdir. Mexanik tizim vaqt o'tishi bilan rivojlanib borishiga qaramay, ansambl rivojlanishi shart emas. Darhaqiqat, ansambl tizimning barcha o'tgan va kelajak bosqichlarini o'z ichiga olsa, rivojlanib ketmaydi. Vaqt o'tishi bilan o'zgarmaydigan bunday statistik ansambl deyiladi statsionar va ichida deb aytish mumkin statistik muvozanat.[1]

Terminologiya

Statistik termodinamikaning asosiy ansambllari

Beshta statistik ansamblning ingl.

Termodinamikani o'rganish inson idrokida "statik" bo'lib ko'rinadigan (ularning ichki qismlari harakatiga qaramay) ko'rinadigan va shunchaki makroskopik kuzatiladigan o'zgaruvchilar to'plami bilan tavsiflanishi mumkin bo'lgan tizimlar bilan bog'liq. Ushbu tizimlar bir nechta kuzatiladigan parametrlarga bog'liq bo'lgan va statistik muvozanatda bo'lgan statistik ansambllar tomonidan tavsiflanishi mumkin. Gibbsning ta'kidlashicha, turli xil makroskopik cheklovlar har xil turdagi statistik xususiyatlarga ega bo'lgan ansambllarning turlarini keltirib chiqaradi. Gibbs tomonidan uchta muhim termodinamik ansambl aniqlandi:[1]

  • Mikrokanonik ansambl yoki NVE ansambl - tizimning umumiy energiyasi va tizimdagi zarralar soni har biri ma'lum bir qiymatga o'rnatiladigan statistik ansambl; ansambl a'zolaridan har birining umumiy energiya va zarrachalar soni bir xil bo'lishi talab qilinadi. Statistik muvozanatda turish uchun tizim butunlay izolyatsiya qilingan bo'lishi kerak (energiya yoki zarralarni atrof-muhit bilan almashtira olmaydi).[1]
  • Kanonik ansambl yoki NVT ansambl - energiya aniq ma'lum bo'lmagan, ammo zarralar soni aniqlangan statistik ansambl. Energiya o'rniga harorat ko'rsatilgan. Kanonik ansambl issiqlik banyosuyla zaif termal aloqada bo'lgan yoki bo'lgan yopiq tizimni tavsiflash uchun javob beradi. Statistik muvozanatda bo'lish uchun tizim butunlay yopiq bo'lishi kerak (zarrachalarni atrof-muhit bilan almashtira olmaydi) va bir xil haroratga ega ansambllar tomonidan tasvirlangan boshqa tizimlar bilan zaif termik aloqada bo'lishi mumkin.[1]
  • Katta kanonik ansambl yoki mVT ansambl - na energiya, na zarracha soni aniqlangan statistik ansambl. Ularning o'rnida harorat va kimyoviy potentsial ko'rsatilgan. Katta kanonik ansambl ochiq tizimni tavsiflash uchun javob beradi: suv ombori bilan zaif aloqada bo'lgan yoki bo'lgan (termal kontakt, kimyoviy kontakt, radiatsion aloqa, elektr aloqa va boshqalar). Agar tizim bir xil harorat va kimyoviy potentsialga ega ansambllar tomonidan tavsiflangan boshqa tizimlar bilan zaif aloqa qilsa, ansambl statistik muvozanatda qoladi.[1]

Ushbu ansambllarning har biri yordamida amalga oshirilishi mumkin bo'lgan hisob-kitoblar ularning tegishli maqolalarida keltirilgan va boshqa fizik talablarga mos keladigan boshqa termodinamik ansambllar ham aniqlanishi mumkin, ular uchun o'xshash formulalar ko'pincha shunga o'xshash formulalar chiqarilishi mumkin.

Statistik mexanikadagi statistik ansambllarning namoyishlari

Statistik ansambl uchun aniq matematik ifoda ko'rib chiqilayotgan mexanika turiga (kvant yoki klassik) qarab aniq shaklga ega. Klassik holatda ansambl mikrostatlar bo'yicha ehtimollik taqsimotidir. Kvant mexanikasida, fon Neyman tufayli bu tushuncha, harakatlanadigan kuzatiladigan narsalarning har bir to'liq to'plami natijalari bo'yicha ehtimollik taqsimotini belgilash usuli hisoblanadi. Klassik mexanikada ansambl o'rniga ehtimollik taqsimoti sifatida yozilgan fazaviy bo'shliq; mikrostatlar faza maydonini teng o'lchamdagi bo'linmalarga bo'lishining natijasidir, garchi bu birliklarning o'lchamlari biroz o'zboshimchalik bilan tanlanishi mumkin.

Vakolatxonalarga qo'yiladigan talablar

Statistik ansambllarni qanday yaratish masalasini bir lahzaga chetga surib qo'yish operatsion, ansambllarda quyidagi ikkita operatsiyani bajarishimiz kerak A, B bir xil tizim:

  • Yo'qligini tekshirib ko'ring A, B statistik jihatdan tengdir.
  • Agar p 0 p <1, keyin ehtimollik bilan namuna olish yo'li bilan yangi ansambl yarat A ehtimollik bilan p va dan B ehtimollik bilan 1 - p.

Shuning uchun ma'lum sharoitlarda, ekvivalentlik darslari statistika ansambllari konveks to'plamining tuzilishiga ega.

Kvant mexanikasi

Kvant mexanikasidagi statistik ansambl (aralash holat deb ham ataladi) ko'pincha a bilan ifodalanadi zichlik matritsasi, bilan belgilanadi . Zichlik matritsasi kvant noaniqliklarini (tizimning holati to'liq ma'lum bo'lgan taqdirda ham mavjud) va klassik noaniqliklarni (bilim etishmasligi sababli) birlashtirilgan tartibda o'z ichiga olishi mumkin bo'lgan to'liq umumiy vositani taqdim etadi. Har qanday jismoniy kuzatilishi mumkin X kvant mexanikasida operator sifatida yozilishi mumkin, . Ushbu operatorning statistik ansamblda kutish qiymati quyidagilar bilan beriladi iz:

Bu o'rtacha qiymatlarni baholash uchun ishlatilishi mumkin (operator) ), farqlar (operator yordamida 2), kovaryanslar (operator yordamida X̂Ŷzichligi matritsasi har doim 1 ga ega bo'lishi kerak: (bu, ehtimol, ehtimolliklar bittaga qo'shilishi shart).

Umuman olganda, ansambl vaqt o'tishi bilan rivojlanib boradi fon Neyman tenglamasi.

Muvozanat ansambllari (vaqt o'tishi bilan rivojlanmaydiganlar, ) faqat saqlanadigan o'zgaruvchilar funktsiyasi sifatida yozilishi mumkin. Masalan, mikrokanonik ansambl va kanonik ansambl umumiy energiya operatori tomonidan o'lchanadigan umumiy energiyaning qat'iy funktsiyalari Ĥ (Hamiltonian). Katta kanonik ansambl qo'shimcha ravishda zarralar sonining operatori tomonidan o'lchanadigan zarralar sonining funktsiyasi hisoblanadi . Bunday muvozanat ansambllari a diagonal matritsa bir vaqtning o'zida har bir saqlanadigan o'zgaruvchini diagonallashtiradigan holatlarning ortogonal asosida. Yilda bra-ket yozuvlari, zichlik matritsasi

qaerda |ψmen, tomonidan indekslangan men, to'liq va ortogonal asosning elementlari. (E'tibor bering, boshqa asoslarda zichlik matritsasi diagonali bo'lishi shart emas.)

Klassik mexanik

Ansamblining rivojlanishi klassik tizimlari fazaviy bo'shliq (tepada). Har bir tizim bir o'lchovli bitta massiv zarrachadan iborat potentsial quduq (qizil egri chiziq, pastki rasm). Dastlab ixcham ansambl vaqt o'tishi bilan aylanmoqda.

Klassik mexanikada ansambl tizim bo'yicha aniqlangan ehtimollik zichligi funktsiyasi bilan ifodalanadi fazaviy bo'shliq.[1] Shunga ko'ra individual tizim rivojlanib boradi Xemilton tenglamalari, zichlik funktsiyasi (ansambl) vaqt o'tishi bilan rivojlanib boradi Liovil tenglamasi.

A mexanik tizim belgilangan miqdordagi qismlarga ega bo'lgan faza maydoni mavjud n umumlashtirilgan koordinatalar deb nomlangan q1, ... qnva n bog'liq kanonik momenta deb nomlangan p1, ... pn. Keyin ansambl a tomonidan namoyish etiladi qo'shilish ehtimoli zichligi funktsiyasi r(p1, ... pn, q1, ... qn).

Agar tizimdagi qismlar soni ansambldagi tizimlar orasida o'zgarishiga yo'l qo'yilsa (zarralar soni tasodifiy miqdor bo'lgan katta ansamblda bo'lgani kabi), bu kengaytirilgan fazalar oralig'ida ehtimollik taqsimoti bo'lib, u keyingi o'zgaruvchilarni o'z ichiga oladi. zarrachalar soni kabi N1 (birinchi turdagi zarralar), N2 (ikkinchi turdagi zarrachalar) va boshqalar Ns (zarrachaning oxirgi turi; s qancha xil turdagi zarralar mavjud). Keyin ansambl a tomonidan namoyish etiladi qo'shilish ehtimoli zichligi funktsiyasi r(N1, ... Ns, p1, ... pn, q1, ... qn). Koordinatalar soni n zarrachalar soniga qarab farq qiladi.

Har qanday mexanik miqdor X tizim fazasining funktsiyasi sifatida yozilishi mumkin. Har qanday bunday miqdorni kutish qiymati bu miqdorning butun faza oralig'i bo'yicha integral tomonidan berilgan r:

Ehtimollarni normallashtirish sharti talab qilinadi

Faza maydoni - bu har qanday kichik mintaqada cheksiz ko'p aniq jismoniy holatlarni o'z ichiga olgan uzluksiz makon. Ehtimolni ulash uchun zichlik faza fazosida ehtimollikka tarqatish mikrostatlar orqali fazoviy bo'shliqni qandaydir tarzda tizimning turli holatlarini aks ettiruvchi taqsimlanadigan bloklarga ajratish kerak. Ma'lum bo'lishicha, buning to'g'ri usuli shunchaki kanonik faza makonining teng o'lchamdagi bloklarini keltirib chiqaradi va shuning uchun klassik mexanikadagi mikrostat ma'lum hajmga ega bo'lgan kanonik koordinatalarning fazoviy kengaygan hududidir.[eslatma 1] Xususan, faza fazosidagi ehtimollik zichligi funktsiyasi, r, mikrostatlar bo'yicha ehtimollik taqsimoti bilan bog'liq, P omil bilan

qayerda

  • h ning birliklari bilan o'zboshimchalik bilan, lekin oldindan belgilangan doimiydir energiya × vaqt, mikrostat hajmini belgilash va to'g'ri o'lchamlarni ta'minlash r.[2-eslatma]
  • C bu ortiqcha zarralar soniga va shunga o'xshash xavotirlarga bog'liq bo'lgan ortiqcha hisoblash tuzatish koeffitsienti (pastga qarang).

Beri h o'zboshimchalik bilan tanlanishi mumkin, mikrostatning o'lchamlari ham o'zboshimchalik bilan. Shunday bo'lsa-da, qiymati h entropiya va kimyoviy potentsial kabi miqdorlarning almashinuviga ta'sir qiladi va shuning uchun uning qiymatiga mos kelish muhimdir. h turli xil tizimlarni taqqoslashda.

Fazali bo'shliqda ortiqcha hisoblashni to'g'rilash

Odatda, fazaviy bo'shliq bir nechta aniq joylarda bir xil jismoniy holatning nusxalarini o'z ichiga oladi. Bu fizik holatni matematik koordinatalarga kodlashning natijasidir; koordinatalar tizimining eng sodda tanlovi ko'pincha holatni bir necha usul bilan kodlashga imkon beradi. Bunga bir xil zarrachalarning gazini misol keltirish mumkin, ularning holati zarrachalarning alohida pozitsiyalari va momentumlari bo'yicha yoziladi: ikkita zarrachalar almashinganda, faza fazosidagi hosil bo'ladigan nuqta har xil va shunga qaramay u bir xil fizik holatga mos keladi tizim. Statistik mexanikada (fizik holatlar haqidagi nazariya) fazalar fazosi shunchaki matematik qurilish ekanligini tan olish va fazoviy fazoga integratsiyalashganida haqiqiy fizik holatlarni hisoblamaslik muhim ahamiyatga ega. Ortiqcha hisoblash jiddiy muammolarga olib kelishi mumkin:

Umuman olganda har bir jismoniy holatni noyob tarzda kodlaydigan koordinata tizimini topish qiyin. Natijada, odatda har bir holatning bir nechta nusxalari bo'lgan koordinatali tizimdan foydalanish kerak, so'ngra ortiqcha hisoblashni tanib olib tashlash kerak.

Ortiqcha hisoblashni olib tashlashning qo'pol usuli har bir fizik holatni o'z ichiga olgan faza makonining subregionini qo'lda belgilashdan iborat bo'lib, keyin faza makonining boshqa qismlarini chiqarib tashlaydi. Masalan, gaz tarkibida faqat zarralar bo'lgan fazalarni kiritish mumkin. x koordinatalar o'sish tartibida saralanadi. Bu muammoni hal qilsa-da, natijada faza fazosi natijasida hosil bo'ladigan ajralmas g'ayrioddiy chegara shakli tufayli bajarish zerikarli bo'lar edi. (Bu holda, omil C yuqorida keltirilgan o'rnatiladi C = 1va integral fazaning tanlangan subregioni bilan cheklangan bo'lar edi.)

Ortiqcha hisoblashni to'g'rilashning oddiy usuli bu butun fazoviy fazani birlashtirish, lekin ortiqcha hisoblashni to'liq qoplash uchun har bir fazaning vaznini kamaytirishdir. Bu omil tomonidan amalga oshiriladi C yuqorida keltirilgan, bu fizik holatni faza fazosida aks ettirishning necha usulini ifodalovchi butun son. Uning qiymati uzluksiz kanonik koordinatalar bilan farq qilmaydi,[4-eslatma] shuning uchun ortiqcha hisoblash oddiygina kanonik koordinatalarning butun diapazoniga qo'shilib, natijada ortiqcha hisoblash faktoriga bo'linish yo'li bilan tuzatilishi mumkin. Biroq, C zarrachalar sonlari kabi alohida o'zgaruvchilar bilan keskin farq qiladi va shuning uchun uni zarrachalar sonlarini yig'ishdan oldin qo'llash kerak.

Yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, ushbu ortiqcha hisoblashning klassik misoli har xil turdagi zarralarni o'z ichiga olgan suyuqlik tizimidir, bu erda har qanday bir xil ikkita zarrachani ajratib bo'lmaydigan va almashinadigan bo'ladi. Vaziyat zarrachalarning alohida pozitsiyalari va momentumlari bo'yicha yozilganda, bir xil zarrachalarning almashinuvi bilan bog'liq bo'lgan ortiqcha hisoblash yordamida tuzatiladi[1]

Bu "to'g'ri Boltsmanni hisoblash" deb nomlanadi.

Statistikadagi ansambllar

Fizikada qo'llaniladigan statistik ansambllarning formulasi hozirda boshqa sohalarda keng qabul qilingan, chunki qisman kanonik ansambl yoki Gibbs o'lchovi cheklovlar to'plamiga bo'ysungan holda, tizim entropiyasini maksimal darajaga ko'tarish uchun xizmat qiladi: bu maksimal entropiya printsipi. Ushbu printsip hozirda muammolarga nisbatan keng qo'llanilgan tilshunoslik, robototexnika va shunga o'xshash narsalar.

Bundan tashqari, fizika bo'yicha statistik ansambllar ko'pincha a mahalliylik printsipi: barcha o'zaro ta'sirlar faqat qo'shni atomlar yoki yaqin atrofdagi molekulalar o'rtasida bo'ladi. Shunday qilib, masalan, panjara modellari kabi Ising modeli, model ferromagnit materiallar spinlar orasidagi eng yaqin qo'shnilarning o'zaro ta'siri orqali. Mahalliylik printsipining statistik formulasi hozirgi kunda Markov mulki keng ma'noda; yaqin qo'shnilar hozir Markov adyollari. Shunday qilib, statistik ansamblning eng yaqin qo'shnilarning o'zaro ta'siriga ega bo'lgan umumiy tushunchasi Markov tasodifiy maydonlari, yana keng qo'llanilishini topadigan; masalan Hopfild tarmoqlari.

Operatsion talqin

Hozirgacha berilgan munozarada, qat'iy bo'lsa-da, biz ansambl tushunchasi odatdagidek jismoniy sharoitda amalga oshirilganidek, priori haqiqiy deb qabul qildik. Ko'rsatilmagan narsa - bu ansambl o'zi (natijaviy natijalar emas) matematik jihatdan aniq belgilangan ob'ekt. Masalan; misol uchun,

  • Bu qaerda ekanligi aniq emas juda katta tizimlar to'plami mavjud (masalan, bu a gaz konteyner ichidagi zarralar ?)
  • Ansamblni qanday qilib jismonan yaratish kerakligi aniq emas.

Ushbu bo'limda biz ushbu savolga qisman javob berishga harakat qilamiz.

Deylik, bizda a tayyorlash tartibi Masalan, fizika jadvalidagi tizim uchun: Masalan, protsedura jismoniy apparatni va apparatni boshqarish uchun ba'zi protokollarni o'z ichiga olishi mumkin. Ushbu tayyorgarlik protsedurasi natijasida ba'zi bir tizimlar bir muncha vaqt davomida alohida ishlab chiqarilgan va saqlanib qolgan. X1, X2,....,Xk, bu bizning matematik idealizatsiyamizda cheksiz tizimlarning ketma-ketligi. Tizimlar bir xil tarzda ishlab chiqarilganligi bilan o'xshashdir. Ushbu cheksiz ketma-ketlik - bu ansambl.

Laboratoriya sharoitida ushbu tayyorlangan tizimlarning har biri inputfor sifatida ishlatilishi mumkin bitta keyingi sinov jarayoni. Shunga qaramay, sinov protsedurasi jismoniy apparatni va ba'zi protokollarni o'z ichiga oladi; sinov jarayoni natijasida biz a ha yoki yo'q Javob Sinov protsedurasi berilgan E har bir tayyorlangan tizimga tatbiq etilsa, biz ketma-ketlikni qo'lga kiritamizE, X1), O'lchov (E, X2), ...., o'lchovlar (E, Xk). Ushbu qiymatlarning har biri 0 (yoki yo'q) yoki 1 (ha).

O'rtacha quyidagi vaqt mavjud deb taxmin qiling:

Kvant mexanik tizimlari uchunkvant mantiqi kvant mexanikasiga yondashuv - bu identifikatsiyalash Ha yo'q Hilbert makonining yopiq pastki fazosiga oid savollar. Ba'zi qo'shimcha texnik taxminlarga ko'ra, holatlar zichlik operatorlari berilganligi haqida xulosa chiqarish mumkin S Shuning uchun; ... uchun; ... natijasida:

Ko'rinib turibdiki, bu kvant holatlarining ta'rifini umuman aks ettiradi: Kvant holati - bu kuzatiladigan narsalardan ularning kutilgan qiymatlariga qarab xaritalash.

Shuningdek qarang

Izohlar

  1. ^ Ushbu teng hajmli bo'linish natijasidir Liovil teoremasi, men. e., Hamilton mexanikasi uchun kanonik faza makonida kengayish saqlanish printsipi. Buni ansamblning ko'plab tizimlar kontseptsiyasidan boshlab ham ko'rsatish mumkin. Gibbsga qarang Boshlang'ich tamoyillar, I bob.
  2. ^ (Tarixiy eslatma) Gibbsning asl ansambli samarali tarzda yo'lga qo'yildi h = 1 [energiya birligi] × [vaqt birligi], entropiya va kimyoviy potentsial kabi ba'zi termodinamik kattaliklarning qiymatlarida birlikka bog'liqlikka olib keladi. Kvant mexanikasi paydo bo'lganidan beri, h ko'pincha teng deb qabul qilinadi Plankning doimiysi kvant mexanikasi bilan yarim klassik yozishmalarni olish uchun.
  3. ^ Ba'zi hollarda ortiqcha hisoblash xatosi xavfli hisoblanadi. Bunga misol uch o'lchovli ob'ektlarning yo'nalishini ko'rsatish uchun ishlatiladigan koordinata tizimini tanlash. Oddiy kodlash bu 3-shar (masalan, birlik.) kvaternionlar ) bu a ikki qavatli qopqoq - har bir jismoniy yo'nalishni ikki usul bilan kodlash mumkin. Agar ushbu kodlash ortiqcha hisoblashni to'g'irlamasdan ishlatilsa, unda entropiya yuqoriroq bo'ladi k log 2 aylanadigan ob'ektga va kimyoviy potentsial pastroq kT log 2. Bu aslida kuzatiladigan xatolarga olib kelmaydi, chunki u faqat kuzatib bo'lmaydigan ofsetlarni keltirib chiqaradi.
  4. ^ Texnik jihatdan, ba'zi bir bosqichlar mavjudki, zarrachalarning almashinishi hatto o'ziga xos aniq fazani ham bermaydi: masalan, ikkita o'xshash zarralar aynan bir xil traektoriyani, ichki holatni va boshqalarni baham ko'rishlari mumkin. Ammo klassik mexanikada bu fazalar faqat faza makonining cheksiz kichik qismi (ular bor o'lchov nol) va shuning uchun ular fazaviy bo'shliqda hech qanday hajm integraliga hissa qo'shmaydi.

Adabiyotlar

Tashqi havolalar

  1. ^ a b v d e f g h men j Gibbs, Josiya Uilyard (1902). Statistik mexanikaning elementar tamoyillari. Nyu York: Charlz Skribnerning o'g'illari.
  2. ^ Kittel, Charlz; Herbert Kroemer (1980). Termal fizika, ikkinchi nashr. San-Fransisko: W.H. Freeman and Company. 31-bet. ISBN  0-7167-1088-9.
  3. ^ Landau, L.D.; Lifshitz, EM (1980). Statistik fizika. Pergamon Press. 9 ff. ISBN  0-08-023038-5.