WKB taxminiyligi - WKB approximation

Yilda matematik fizika, WKB taxminiyligi yoki WKB usuli koeffitsientlari fazoviy o'zgaruvchan chiziqli differentsial tenglamalarning taxminiy echimlarini topish usuli. Bu odatda yarim sinfli hisoblash uchun ishlatiladi kvant mexanikasi unda to'lqin funktsiyasi eksponent funktsiya sifatida qayta tiklanib, yarim klassik ravishda kengaytiriladi va keyin amplituda yoki faza asta-sekin o'zgarib borishi qabul qilinadi.

Ism uchun boshlang'ich narsa Ventsel-Kramers-Brillouin. Bundan tashqari, LG yoki Liovil - Yashil usul. Boshqa tez-tez ishlatiladigan harf birikmalariga kiradi JWKB va WKBJ, bu erda "J" Jeffriisni anglatadi.

Qisqa tarix

Ushbu usul fiziklar nomi bilan atalgan Gregor Ventsel, Xendrik Entoni Kramers va Leon Brillouin, kim uni 1926 yilda ishlab chiqqan. 1923 yilda matematik Garold Jeffreys ga kiruvchi sinfni chiziqli, ikkinchi darajali differentsial tenglamalarga yaqinlashtirishning umumiy usulini ishlab chiqqan edi Shredinger tenglamasi. Shredinger tenglamasining o'zi ikki yildan keyin ishlab chiqilmadi va Ventsel, Kramers va Brilyuin, ehtimol, bu avvalgi ishdan bexabar edilar, shuning uchun Jeffreyis ko'pincha kreditni e'tiborsiz qoldiradi. Kvant mexanikasidagi dastlabki matnlarda ularning bosh harflarining har qanday kombinatsiyasi, jumladan, WBK, BWK, WKBJ, JWKB va BWKJ mavjud. Nufuzli munozara va tanqidiy so'rov Robert B. Dingl tomonidan berilgan.[1]

Oldindan ekvivalent usullarning paydo bo'lishi quyidagilar: Franchesko Karlini 1817 yilda, Jozef Liovil 1837 yilda, Jorj Grin 1837 yilda, Lord Rayleigh 1912 yilda va Richard Gans 1915 yilda. Liovil va Yashil usulga 1837 yilda asos solgan deb aytish mumkin va u odatda Liovil-Yashil yoki LG usuli deb ham yuritiladi.[2][3]

Jeffreyis, Ventsel, Kramers va Brilyuinning usulga qo'shgan muhim hissasi bu davolash usulini o'z ichiga olgan. burilish nuqtalari, bog'lovchi eskirgan va tebranuvchi burilish nuqtasining har ikki tomonidagi echimlar. Masalan, bu a tufayli Shredinger tenglamasida yuz berishi mumkin potentsial energiya tepalik.

WKB usuli

Odatda, WKB nazariyasi differentsial tenglama echimini yaqinlashtirish usuli hisoblanadi eng yuqori hosila kichik parametr bilan ko'paytiriladi ε. Yaqinlashish usuli quyidagicha.

Differentsial tenglama uchun

shaklidagi echimni qabul qiling asimptotik qator kengayish

chegarada δ → 0. Ning asimptotik miqyosi δ xususida ε tenglama bilan aniqlanadi - quyidagi misolga qarang.

Yuqoridagilarni almashtirish ansatz Diferensial tenglamaga kiritish va eksponent fazalarni bekor qilish istalgan sonli atamalar uchun echim topishga imkon beradi Sn(x) kengayishda.

WKB nazariyasi - bu alohida holat ko'p o'lchovli tahlil.[4][5][6]

Misol

Ushbu misol. Ning matnidan kelib chiqqan Karl M. Bender va Stiven Orszag.[6] Ikkinchi tartibli bir hil chiziqli differentsial tenglamani ko'rib chiqing

qayerda . O'zgartirish

natijada tenglama kelib chiqadi

Kimga etakchi buyurtma (agar hozircha seriya asimptotik jihatdan izchil bo'lsa), yuqoridagi kabi taxmin qilish mumkin

Chegarada δ → 0, dominant muvozanat tomonidan berilgan

Shunday qilib δ ga mutanosib ε. Ularni tenglashtirish va kuchlarni taqqoslash natijasida hosil bo'ladi

deb tan olinishi mumkin Eykonal tenglama, eritma bilan

Ning birinchi darajali vakolatlarini hisobga olgan holda ε tuzatishlar

Bu o'lchovsiz transport tenglamasi, echimga ega

qayerda k1 ixtiyoriy doimiy.

Endi biz tizimga bir juft yaqinlashuvga egamiz (juftlik, chunki S0 ikkita belgini olishi mumkin); birinchi darajali WKB-taxminlash ikkalasining chiziqli birikmasi bo'ladi:

Yuqori darajadagi atamalarni ning yuqori kuchlari uchun tenglamalarni ko'rib chiqish orqali olish mumkin δ. Aniq,

uchun n ≥ 2.

Asimptotik qatorning aniqligi

Uchun asimptotik qator y (x) odatda a turli xil seriyalar, uning umumiy muddati δn Sn(x) ma'lum bir qiymatdan keyin o'sishni boshlaydi n=nmaksimal. Shuning uchun, WKB usuli bilan erishilgan eng kichik xato, eng yaxshisi, oxirgi kiritilgan muddat tartibiga mos keladi.

Tenglama uchun

bilan Q (x) <0 analitik funktsiya, qiymat va oxirgi muddatning kattaligini quyidagicha baholash mumkin:[7]

qayerda bu nuqta baholanishi kerak va bu (murakkab) burilish nuqtasi , eng yaqin .

Raqam nmaksimal orasidagi tebranishlar soni sifatida talqin qilinishi mumkin va eng yaqin burilish nuqtasi.

Agar sekin o'zgaruvchan funktsiya,

raqam nmaksimal katta bo'ladi va asimptotik qatorning minimal xatosi eksponentsial darajada kichik bo'ladi.

Shredinger tenglamasiga amal qilish

WKB-ni ko'rsatilgan potentsialga yaqinlashtirish. Portret chiziqlar burilish nuqtalarini ko'rsatadi
Taxminan to'lqin funktsiyasi uchun ehtimollik zichligi. Portret chiziqlar burilish nuqtalarini ko'rsatadi

Yuqoridagi misol bir o'lchovli, vaqtga bog'liq bo'lmagan holda aniq qo'llanilishi mumkin Shredinger tenglamasi,

sifatida qayta yozilishi mumkin

Burilish nuqtalaridan uzoqroqqa yaqinlashish

To'lqin funktsiyasini boshqa funktsiya eksponentligi sifatida qayta yozish mumkin Φ (bu bilan chambarchas bog'liq harakat ), bu murakkab bo'lishi mumkin,

Shuning uchun; ... uchun; ... natijasida

qayerda Φ 'ning hosilasini bildiradi Φ munosabat bilan x. Ushbu lotin Φ 'funktsiyalarini tanishtirish orqali haqiqiy va xayoliy qismlarga ajratish mumkin A va B,

Keyin to'lqin funktsiyasining amplitudasi

faza esa

Shredinger tenglamasining haqiqiy va xayoliy qismlari keyinchalik aylanadi

Keyinchalik, yarim klassik yaqinlashuv ishlatiladi. Bu shuni anglatadiki, har bir funktsiya quvvat qatori sifatida kengaytirilgan ħ. Yuqoridagi tenglamalardan ko'rinib turibdiki, quvvat seriyasi kamida 1 / tartib bilan boshlanishi kerak.ħ tenglamaning haqiqiy qismini qondirish uchun. Klassikaning yaxshi chegarasiga erishish uchun Plank doimiysi qanchalik katta quvvat bilan boshlash kerak bo'lsa ħ iloji boricha:

Ushbu kengayishdagi nolinchi tartibda, shartlar A va B yozilishi mumkin,

Birinchi hosilalar A '(x) va B '(x) bekor qilindi, chunki ular buyurtma omillarini o'z ichiga oladi 1 /ħ, dominantdan yuqori ħ−2.

Agar amplituda fazaga nisbatan etarlicha sekin o'zgarib tursa (), bundan kelib chiqadi

faqat har doimgidek bo'lgani kabi, umumiy energiya potentsial energiyadan kattaroq bo'lganda amal qiladi klassik harakat.

Kengayishning navbatdagi tartibida xuddi shu protseduradan so'ng, bundan kelib chiqadi

Boshqa tomondan, agar bu bosqich asta-sekin o'zgarib tursa (amplituda bilan taqqoslaganda), () keyin

faqat potentsial energiya umumiy energiyadan kattaroq bo'lganida amal qiladi (undagi rejim) kvant tunnellari sodir bo'ladi).

Oldingi bo'lim misolida bo'lgani kabi kengayish hosilining navbatdagi tartibini topish,[8]

Klassik ravishda ruxsat berilgan mintaqada, ya'ni mintaqa ko'rsatkichdagi integraland xayoliy va taxminiy to'lqin funktsiyasi tebranuvchi. Klassik ravishda taqiqlangan mintaqada , echimlar o'sib bormoqda yoki parchalanmoqda. Bu ikkala taxminiy echimlarning ikkalasi ham mumtozga yaqin bo'lganligi maxrajda ayon bo'ladi burilish nuqtalari, qayerda E = V (x)va haqiqiy emas. (Burilish nuqtalari - bu klassik zarrachaning yo'nalishini o'zgartiradigan nuqtalar.)

Burilish nuqtalari yaqinidagi o'zini tutish

Endi to'lqin funktsiyasining burilish nuqtalari yaqinidagi xatti-harakatlarini ko'rib chiqamiz. Buning uchun biz boshqacha usulga muhtojmiz. Birinchi burilish nuqtalari yaqinida, x1, atama quvvat seriyasida kengaytirilishi mumkin,

Birinchi buyurtma bo'yicha, bir kishi topadi

Ushbu differentsial tenglama Havo tenglamasi, va echim shartlari bilan yozilishi mumkin Havo vazifalari,[9]

Har qanday sobit qiymati uchun bo'lsa ham , to'lqin funktsiyasi burilish nuqtalari yaqinida chegaralangan, yuqoridagi rasmlarda ko'rinib turganidek, to'lqin funktsiyasi u erda eng yuqori darajaga ko'tariladi. Sifatida kichrayadi, burilish nuqtalarida to'lqin funktsiyasining balandligi o'sadi.

Mos keladigan shartlar

Endi Shredinger tenglamasining global (taxminiy) echimini yaratish qoladi. To'lqin funktsiyasi kvadrat bilan birlashtirilishi uchun biz klassik taqiqlangan ikkita mintaqada faqat eksponensial ravishda chirigan eritmani olishimiz kerak. Keyinchalik ular klassik ravishda ruxsat berilgan mintaqaga burilish nuqtalari orqali to'g'ri "ulanishi" kerak. Ning ko'pgina qiymatlari uchun E, ushbu mos keladigan protsedura ishlamaydi: Yechimni yaqinga ulash orqali olingan funktsiya Klassik ravishda ruxsat berilgan mintaqaga yechimni yaqinida ulash orqali olingan funktsiyaga rozi bo'lmaydi klassik tarzda ruxsat berilgan mintaqaga. Ikkala funktsiyani kelishib olish talabi energiyaga shart qo'yadi E, bu aniq kvant energiya darajalariga yaqinlashadi.

Klassik burilish nuqtasining bir tomonidagi ikkita koeffitsientni hisobga olgan holda, klassik burilish nuqtasining boshqa tomonidagi 2 koeffitsientni ularni ulash uchun Airy funktsiyasi yordamida aniqlash mumkin. Shunday qilib, o'rtasidagi munosabatlar va topish mumkin. Ushbu munosabatlar Airy funktsiyasining ma'lum bo'lgan asimptotikasi yordamida olinadi. O'zaro munosabatlarni quyidagicha topish mumkin (ko'pincha "ulanish formulalari" deb nomlanadi):[10]

Endi global (taxminiy) echimlarni qurish mumkin. Xuddi shu narsa boshqa burilish nuqtalarida ham amalga oshirilishi mumkin; faqat boshqasi bor deb taxmin qiling, x2. Biroq, u erda ifoda yuqorida ko'rsatilganidan boshqacha ko'rinadi x1 ushbu trigonometrik funktsiyalar argumentidagi farq bilan.

Bitta qiymatli, kvadrat bilan birlashtiriladigan taxminiy echimni olish uchun zarur bo'lgan shart quyidagi shaklga ega:

qayerda muhokama qilinayotgan potentsialning burilish nuqtalari, bu erda integral yo'qoladi. Bu yerda n manfiy bo'lmagan tamsayı. Ushbu holatni shunday deb yozish mumkin

Klassik energiya egri chizig'i bilan yopilgan maydon .

Qanday bo'lmasin, energiya holati -ning versiyasidir Bor-Sommerfeld kvantizatsiyasi sharti, "bilanMaslovni tuzatish "1/2 ga teng.[11]

Shuni ko'rsatib o'tish mumkinki, turli mintaqalardagi taxminlarni birlashtirgandan so'ng, haqiqiy funktsiyaga yaxshi yaqinlashadi. Xususan, Maslov tomonidan tuzatilgan Bor-Sommerfeld energiyalari Shredinger operatorining haqiqiy qiymatlariga yaxshi yaqinlashadi.[12] Xususan, energiyadagi xato kvant energiya sathining odatiy oralig'iga nisbatan kichikdir. Shunday qilib, Bor va Sommerfeldning "eski kvant nazariyasi" ni oxiriga Shredinger tenglamasi bilan almashtirilgan bo'lsa-da, tegishli Shredinger operatorining o'ziga xos qiymatlariga yaqinlashish sifatida ushbu nazariyaning ba'zi qoldiqlari saqlanib qoladi.

Ehtimollik zichligi

Keyin taxminiy to'lqin funktsiyasi bilan bog'liq bo'lgan ehtimollik zichligini hisoblash mumkin. Kvant zarrachasining klassik taqiqlangan hududda topilish ehtimoli kichik. Shu bilan birga, klassik ravishda ruxsat berilgan mintaqada kvant zarrachasining ma'lum bir oraliqda topilish ehtimoli taxminan klassik zarrachaning o'sha oraliqda o'tkazadigan vaqt qismi harakatning bir davri mobaynida.[13] Klassik zarrachaning tezligi burilish nuqtalarida nolga teng bo'lganligi sababli, boshqa klassik ruxsat berilgan hududlarga qaraganda burilish nuqtalari yaqinida ko'proq vaqt sarflaydi. Ushbu kuzatuv burilish nuqtalari yaqinidagi to'lqin funktsiyasining eng yuqori nuqtasini (va uning ehtimollik zichligini) hisobga oladi.

WKB usulini turli xil potentsiallarga ega bo'lgan Shredinger tenglamalariga tatbiq etish va bezovtalanish usullari va yo'l integrallari bilan taqqoslash Myuller-Kirstenda ko'rib chiqilgan.[14]

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ Robert Balson Dingl, Asimptotik kengayishlar: ularni keltirib chiqarish va izohlash (Academic Press, 1973).
  2. ^ Adrian E. Gill (1982). Atmosfera-okean dinamikasi. Akademik matbuot. p.297. ISBN  978-0-12-283522-3. Liovil-Yashil WKBJ WKB.
  3. ^ Renato Spigler va Marko Vianello (1998). "Liovil-Yashil (WKB) ikkinchi darajali chiziqli farq tenglamalari bo'yicha taxminiy tadqiqotlar". Saber Elaydi; I. Gyri va G. E. Ladas (tahrir). Farqli tenglamalardagi yutuqlar: Farq tenglamalari bo'yicha Ikkinchi Xalqaro Konferentsiya materiallari: Vesprém, Vengriya, 1995 yil 7–11 avgust.. CRC Press. p. 567. ISBN  978-90-5699-521-8.
  4. ^ Filippi, Pol (1999). Akustika: asosiy fizika, nazariya va metodlar. Akademik matbuot. p. 171. ISBN  978-0-12-256190-0.
  5. ^ Kevorkyan, J .; Koul, J. D. (1996). Ko'p o'lchovli va singular bezovtalanish usullari. Springer. ISBN  0-387-94202-5.
  6. ^ a b Bender, Karl M.; Orszag, Stiven A. (1999). Olimlar va muhandislar uchun zamonaviy matematik usullar. Springer. 549-568 betlar. ISBN  0-387-98931-5.
  7. ^ Winitzki, S. (2005). "Kosmologik zarralarni ishlab chiqarish va WKB yaqinlashuvining aniqligi". Fizika. Vah. 72 (10): 104011, 14 bet. arXiv:gr-qc / 0510001. Bibcode:2005PhRvD..72j4011W. doi:10.1103 / PhysRevD.72.104011. S2CID  119152049.
  8. ^ Zal 2013 15.4-bo'lim
  9. ^ Zal 2013 15.5-bo'lim
  10. ^ Zal 2013 15.7-da'vo
  11. ^ Zal 2013 15.2-bo'lim
  12. ^ Zal 2013 Teorema 15.8
  13. ^ Zal 2013 Xulosa 15.5
  14. ^ Xarald J.W. Myuller-Kirsten, Kvant mexanikasiga kirish: Shredinger tenglamasi va yo'l integral, 2-nashr. (World Scientific, 2012).

Zamonaviy ma'lumotnomalar

Tarixiy ma'lumotlar

Tashqi havolalar

  • Fitspatrik, Richard (2002). "W.K.B. yaqinlashuvi". (Radio to'lqinlarining ionosferadan tarqalishiga WKB yaqinlashishini qo'llash).