Кіріспе
Динамикалық жүйелер теориясы мен басқару теориясында фазалық кеңістік немесе күй кеңістігі – жүйенің барлық мүмкін "күйлерінің" жиынтығын көрсететін кеңістік. Әрбір мүмкін күй фазалық кеңістіктегі бірегей нүктеге сәйкес келеді. Механикалық жүйелер үшін фазалық кеңістік әдетте позиция және импульс айнымалыларының барлық мүмкін мәндерінен құралады. Ол тікелей кеңістік пен өзара кеңістіктің тікелей көбейтіндісі болып табылады. Фазалық кеңістік тұжырымын 19 ғасырдың соңында Людвиг Болцман, Анри Пуанкаре және Жосия Виллард Гиббс жасаған.
In dynamical systems theory and control theory, a phase space or state space is a space in which all possible "states" of a dynamical system or a control system are represented, with each possible state corresponding to one unique point in the phase space. For mechanical systems, the phase space usually consists of all possible values of position and momentum variables. It is the direct product of direct space and reciprocal space. The concept of phase space was developed in the late 19th century by Ludwig Boltzmann, Henri Poincaré, and Josiah Willard Gibbs.
Негізгі қағидалар
Фазалық кеңістікте жүйенің әрбір еркіндік дәрежесі немесе параметрі көпөлшемді кеңістіктің өсі ретінде бейнеленеді; бірөлшемді жүйе – фазалық сызық, ал екіөлшемді жүйе – фазалық жазықтық деп аталады. Жүйенің кез келген мүмкін күйі немесе жүйе параметрлерінің рұқсат етілген комбинациясы үшін көпөлшемді кеңістікте нүкте белгіленеді. Жүйенің уақыт өте дамитын күйі жоғары өлшемді кеңістік арқылы жол (жүйенің фазалық кеңістіктегі траекториясы) қалдырады. Фазалық кеңістіктің траекториясы – бұл нақты бір бастапқы шартынан бастауға сәйкес келетін күйлер жиынтығы, ал толық фазалық кеңістік – кез келген бастапқы шартынан бастауға сәйкес келетін күйлер жиынтығын көрсетеді. Жалпы алғанда, фазалық диаграмма жүйе қандай болуы мүмкін екенін көрсетеді, ал оның пішіні жүйенің әйтпесе анық болмайтын қасиеттерін түсіндіруге көмектеседі. Фазалық кеңістікте көптеген өлшемдер болуы мүмкін. Мысалы, көптеген молекулалардан тұратын газ әрбір бөлшектің x, y және z координаталары мен импульстары үшін жеке өлшемді қажет етеді (идеалды моноатомдық газ үшін 6 өлшем), ал күрделі молекулалық жүйелер үшін молекулалық байланыстардың тербеліс режимдерін сипаттау үшін қосымша өлшемдер, сондай-ақ 3 осьтің айналасындағы айналу қажет. Фазалық кеңістіктер айналу немесе сырғудың әртүрлі осьтері бойынша қозғалысқа шектелген механикалық жүйелердің мінез-құлқысын талдау үшін ыңғайлы, мысалы, робототехникада роботтың манипуляторының қозғалыс диапазонын талдау немесе белгілі бір позиция/импульс нәтижесіне жету үшін оңтайлы жолды анықтау үшін.
Қосылған сәттер
Классикалық механикада, позицияға арналған жалпыланған координаттардың qi кез келген таңдауы (яғни, конфигурациялық кеңістіктегі координаттар) конъюгациялық жалпыланған импульстарды pi анықтайды, олар бірлесіп фазалық кеңістіктегі координаттарды анықтайды. Көбірек абстракциялы тұрғыдан алғанда, классикалық механикада фазалық кеңістік – конфигурациялық кеңістіктің котангенттік шоғыры болып табылады, ал осы түсіндіруде жоғарыдағы процедура конфигурациялық кеңістіктегі жергілікті координаттарды таңдау, котангенттік кеңістіктегі стандартты симплектік құрылым үшін табиғи жергілікті Дарбукс координаттарын таңдауға алып келеді.
Фазалық кеңістіктегі статистикалық ансамбльдер
Бұл кеңістіктегі жүйелер жиынтығының қозғалысын классикалық статистикалық механика зерттейді. Мұндай жүйелердегі нүктелердің жергілікті тығыздығы Лиувилл теоремасына сәйкес келеді, демек, тұрақты деп есептелуі мүмкін. Классикалық механикадағы модельдік жүйе тұрғысынан, кез келген уақытта жүйенің фазалық кеңістіктегі координаттары жүйенің барлық динамикалық айнымалыларынан құралады. Осының арқасында, Гамильтон немесе Лагранж қозғалыс теңдеулерін интеграциялау арқылы болашақта немесе өткенде кез келген уақытта жүйенің күйін анықтауға болады.
Кіші өлшемдер
Қарапайым жүйелерде еркіндік дәрежесінің біреу немесе екеуі болуы мүмкін. Еркіндік дәрежесінің бірі, егер бір айнымалыда автономды қалыпты дифференциалдық теңдеу болса пайда болады, соның нәтижесінде бір өлшемді жүйе фазалық сызық деп аталады, ал жүйенің сапалық мінез-құлқы фазалық сызықтан бірден көрінеді. Ең қарапайым тривиальды емес мысалдар – экспоненциалды өсу/жойылу моделі (бір тұрақсыз/тұрақты тепе-теңдік) және логистикалық өсу моделі (екі тепе-теңдік, біреуі тұрақты, біреуі тұрақсыз). Екі өлшемді жүйенің фазалық кеңістігі фазалық жазықтық деп аталады, ол классикалық механикада бір өлшемде қозғалатын бір бөлшектің жағдайында кездеседі, онда екі айнымалы – орын және жылдамдық болады. Мұндай жағдайда фазалық портреттің сызбасы жүйенің динамикасы туралы сапалық ақпарат бере алады, мысалы, диаграммада көрсетілген Ван дер Поль осцилляторының лимит циклі. Мұнда көлденең ось орынды, ал тік ось жылдамдықты көрсетеді. Жүйе дами келе оның күйі фазалық диаграммадағы сызықтардың (траекториялардың) бірін қозғалысқа келтіреді.
Фазалық график
Уақыт функциясы ретіндегі координата мен импульс айнымалыларының графигі кейде фазалық график немесе фазалық диаграмма деп аталады. Дегенмен, "фазалық диаграмма" термині физикалық ғылымдарда көбінесе химиялық жүйенің термодинамикалық фазаларының тұрақтылығының әртүрлі аймақтарын – қысым, температура және құрамды – көрсететін диаграмма үшін қолданылады.
Фазалық интеграл
Классикалық статистикалық механикада (үздіксіз энергиялар) фазалық кеңістік ұғымы, бөліну функциясының (күйлер бойынша қосынды) классикалық аналогы болып табылатын фазалық интегралды ұсынады. Әрбір еркіндік дәрежесі үшін тиісті бүтін сан кванттық сандармен анықталатын дискретті энергиялық күйлерге Болцман коэффициентін қосудың орнына, үздіксіз фазалық кеңістікте интегралдау қолданылуы мүмкін. Мұндай интегралдау негізінен екі бөліктен тұрады: барлық еркіндік дәрежелерінің импульс компонентін интегралдау (импульс кеңістігі) және барлық еркіндік дәрежелерінің координата компонентін интегралдау (конфигурациялық кеңістік). Фазалық интеграл белгілі болғаннан кейін, оны фазалық кеңістіктің бірлік көлеміне шаққандағы кванттық энергия күйлерінің санын көрсететін нормалау тұрақтысын көбейту арқылы классикалық бөліну функциясымен байланыстыруға болады. Бұл нормалау тұрақтысы – жүйедегі еркіндік дәрежелерінің санына тең дәрежеге көтерілген Планк тұрақтысының кері шамасы.
Кванттық механика
Кванттық механикада фазалық кеңістіктің p және q координаттары әдетте Гильберт кеңістігіндегі Гермиттік операторларға айналады. Бірақ олар классикалық интерпретациясын сақтап қалуы мүмкін, егер олардың функциялары жаңа алгебралық тәсілдермен құрастырылса (Грёненвальдтың 1946 жылғы жұлдыздық көбейтуі арқылы). Бұл кванттық механиканың белгісіздік принципімен үйлесімді. Кез келген кванттық механикалық байқалатын шама фазалық кеңістіктегі бірегей функцияға немесе таралымға сәйкес келеді, және керісінше, Герман Вейльдің (1927) атап көрсетуінше және Джон фон Нейманның (1931) толықтыруынша; Эуген Вигнердің (1932) және Х.Дж. Грёненвальдтың (1946) ұлы синтезі арқылы. Дж.Е. Мояльдың (1949) жұмысымен кванттық механиканың фазалық кеңістіктегі формуляциясының негіздері толықтырылды, бұл кванттық механиканың толық және логикалық дербес қайта тұжырымдамасы. (Оның қазіргі заманғы абстракциялары деформациялық кванттау және геометриялық кванттауды қамтиды.) Фазалық кеңістіктегі кванттаудағы күтілетін мәндер Гильберт кеңістігіндегі тығыздық матрицасымен операторлық байқалатын шамаларды іздеу арқылы изоморфты түрде алынады: олар байқалатын шамалардың фазалық кеңістіктегі интегралдары арқылы алынады, мұнда Вигнердің квази-ықтималдық таралымы тиімді түрде өлшем ретінде қызмет етеді. Осылайша, кванттық механиканы фазалық кеңістікте (классикалық механикамен бірдей ауқымда) бейнелеу арқылы Вейль картасы кванттық механиканы классикалық механиканың деформациясы (жалпылауы) ретінде тануға мүмкіндік береді, деформация параметрі ħ/S, мұнда S – тиісті процестің әрекеті. (Физикадағы басқа танымал деформациялар классикалық Ньютон механикасының релятивистік механикаға деформациясын, деформация параметрі v/c; немесе Ньютондық гравитацияның жалпы салыстырмалылыққа деформациясын, деформация параметрі Шварцшильд радиусы/сипаттамалық өлшем ретінде қарастырылады.) Классикалық өрнектер, байқалатын шамалар және операциялар (мысалы, Пуассон жақшалары) ħ-ға тәуелді кванттық түзетулермен өзгереді, себебі классикалық механикада қолданылатын дәстүрлі коммутативті көбейту кванттық механиканы сипаттайтын және оның белгісіздік принципіне негіз болатын коммутативті емес жұлдыздық көбейтуге жалпыланады.
Термодинамика және статистикалық механика
Термодинамика және статистикалық механика контекстерінде "фазалық кеңістік" термині екі мағынаға ие: біріншісі, ол классикалық механикадағыдай мағынада қолданылады. Егер термодинамикалық жүйе N бөлшектен тұрса, онда 6N өлшемді фазалық кеңістіктегі нүкте сол жүйедегі әрбір бөлшектің динамикалық күйін сипаттайды, себебі әрбір бөлшек 3 позициялық айнымалымен және 3 импульстік айнымалымен байланысты. Осы мағынада, бөлшектер ерекшеленетін болғанша, фазалық кеңістіктегі нүкте жүйенің микрокүйі деп аталады. (Ерекшеленбейтін бөлшектер үшін микрокүй N! жиынтығынан тұрады, N бөлшектің барлық мүмкін алмасуларына сәйкес келетін нүктелер.) N әдетте Авогадро санының шамасында болады, сондықтан жүйені микроскопиялық деңгейде сипаттау көбінесе практикалық емес. Бұл фазалық кеңістікті басқа мағынада пайдалануға алып келеді. Фазалық кеңістік сондай-ақ жүйенің макроскопиялық күйлерімен, мысалы қысым, температура және т.б. параметрленген кеңістікке де сілтеме жасай алады. Мысалы, қысым-көлем диаграммасын немесе температура-энтропия диаграммасын осы фазалық кеңістіктің бір бөлігін сипаттау ретінде қарастыруға болады. Осы фазалық кеңістіктегі нүкте макрокүй деп аталады. Бір макрокүйде бірнеше микрокүй болуы мүмкін. Мысалы, тұрақты температурада жүйе микроскопиялық деңгейде көптеген динамикалық конфигурацияларға ие болуы мүмкін. Осы мағынада қолданылғанда, фаза – бұл фазалық кеңістіктің аймағы, онда жүйе, мысалы, сұйық фазада немесе қатты фазада және т.б. болады. Микрокүйлер макрокүйлерден әлдеқайда көп болғандықтан, бірінші мағынадағы фазалық кеңістік екінші мағынаға қарағанда әдетте әлдеқайда үлкен өлшемді жиын болып табылады. Әрине, жүйедегі әрбір бөлшекті молекулалық немесе атомдық деңгейге дейін тіркеу үшін, мысалы, температура мен қысымды анықтауға қарағанда, әлдеқайда көп параметрлер қажет.
Оптика
Фазалық кеңістік бейнелемейтін оптикада кеңінен қолданылады, бұл жарықтандыруға арналған оптика саласы. Ол сондай-ақ гамильтондық оптикада маңызды түсінік болып табылады.
Медицина
Медицина және биоинженерлік саласында фазалық кеңістік әдісі көп өлшемді физиологиялық жауаптарды визуализациялау үшін пайдаланылады.