Кіріспе
Статистикалық механикадағы теңдеу
Яржинский теңдігі (JE) – екі күй арасындағы бос энергияның айырмасын және осы күйлерді байланыстыратын траекториялар жиынтығы бойынша істелген қайтымсыз жұмысты байланыстыратын статистикалық механикадағы теңдеу. Оны 1996 жылы физик Кристофер Яржинский (сол кезде Вашингтон университетінде және Лос-Аламос Ұлттық зертханасында жұмыс істеген, қазір Мэриленд университетінде қызмет етеді) ашқан. Негізінен, Яржинский теңдігі жұмыстағы ауытқулардың белгілі бір процестегі жұмыстың орташа мәнінен тәуелсіз нақты шектеулерге бағынатынын көрсетеді.
The Jarzynski equality (JE) is an equation in statistical mechanics that relates free energy differences between two states and the irreversible work along an ensemble of trajectories joining the same states. It is named after the physicist Christopher Jarzynski (then at the University of Washington and Los Alamos National Laboratory, currently at the University of Maryland) who derived it in 1996. Fundamentally, the Jarzynski equality points to the fact that the fluctuations in the work satisfy certain constraints separately from the average value of the work that occurs in some process.
Флуктуация-диссипация теоремасы
Логарифм алып, екінші кумулянтқа дейін кумулянттық кеңеюді қолдансақ, сол жағы жылу резервуарына тараған жұмыс, ал оң жағы термиялық шудың салдарынан жұмыстағы флуктуация ретінде қарастырылуы мүмкін. Белгілі температурадағы тұтқыр сұйықтықта тұрақты күшпен белгілі бір уақыт бойына артық демпферленген бөлшекті сүйреп тартуды қарастырайық. Бөлшектің потенциалдық энергиясы болмағандықтан, еркін энергияның өзгеруі нөлге тең. Жұмыс , мұнда – уақыт ішіндегі жалғы бұрылыс. Бөлшектің бұрылысы сыртқы күштен туындаған орташа бөлігінен және оның өзіндік диффузиясынан туындаған өзгермелі бөлігінен тұрады, сондықтан , мұнда – диффузия коэффициенті. Біріктіре келгенде, немесе , мұнда – тұтқырлық. Бұл флуктуация-диссипация теоремасы. Шындығында, көптеген траекториялар үшін жұмыс оң, бірақ кейбір сирек траекториялар үшін жұмыс теріс болады, және олар күтуге зор үлес қосады, нәтижесінде күту бірге тең болады.
The work expended is , where is the total displacement during the time. The particle's displacement has a mean part due to the external dragging, and a varying part due to its own diffusion, so , where is the diffusion coefficient. Together, we obtainor , where is the viscosity. This is the fluctuation dissipation theorem. In fact, for most trajectories, the work is positive, but for some rare trajectories, the work is negative, and those contribute enormously to the expectation, giving us an expectation that is exactly one.
Тарих
Жаржинский теңдігінің ең алғашқы тұжырымы кімге тиесілі деген сұрақ туындайды. Мысалы, 1977 жылы орыс физиктері Г.Н. Бочков және Ю.Е. Кузовлев (Әдебиет тізіміне қараңыз) флуктуация-диссипация теоремасының жалпыланған түрін ұсынды, ол кез келген сыртқы уақытқа тәуелді күштердің әсерімен сақталады. Бұл нәтиже Жаржинский теңдігіне (JE) өте ұқсас болғанымен, Бочков-Кузовлевтің нәтижесі еркін энергияның айырмасын жұмыс өлшемдерімен байланыстырмайды, бұл туралы 2007 жылы Жаржинскийдің өзі айтқан. Жаржинский теңдігіне тағы бір ұқсас тұжырым – тепе-теңдіксіз бөлу теңбе-теңдігі, оның тамыры Ямада мен Кавасакиге дейін жетеді. (Тепе-теңдіксіз бөлу теңбе-теңдігі – бұл екі жүйеге қолданылатын Жаржинский теңдігі, олардың еркін энергиясының айырмасы нөлге тең, мысалы, сұйықтықтың деформациясы сияқты.) Дегенмен, бұл ерте тұжырымдар қолданылуымен шектеулі. Бочков пен Кузовлев, сондай-ақ Ямада мен Кавасаки детерминистік, уақыт бойынша қайтымды Гамильтон жүйесін қарастырады. Кавасакидің өзі атап өткендей, бұл тепе-теңдіксіз тұрақты күйлерді зерттеуге кедерес келтіреді. Тепе-теңдіксіз жүйелерде термостаттау механизмының болмауынан шексіз қызу пайда болады, бұл әртүрлі интегралдардың шашырауына алып келеді. Таза Гамильтондық сипаттама Крукстың флуктуация теоремасын, Жаржинский теңдігін және флуктуация теоремасын растауға арналған эксперименттерді зерттеуге қабілетсіз. Бұл эксперименттер жылу ванналарымен байланыстағы термостатталған жүйелерді қамтиды.