Кіріспе

Физиканың кванттық теория тұрғысынан хаотикалық динамикалық жүйелерді түсіндіруге бағытталған саласы – Кванттық хаос. Кванттық хаос – физиканың, хаотикалық классикалық динамикалық жүйелерді кванттық теория тұрғысынан қалай сипаттауға болатынын зерттейтін саласы. Кванттық хаос ең басты сұраққа жауап іздейді: «Кванттық механика мен классикалық хаос арасында қандай байланыс бар?» Сәйкестік принципі бойынша, классикалық механика – кванттық механиканың классикалық лимиті болып табылады, атап айтқанда, Планк тұрақтысы мен жүйенің әрекетінің қатынасы нөлге жақындағанда. Егер бұл рас болса, онда классикалық хаостың негізінде кванттық механизмдер болуы керек (бірақ бұл классикалық хаосты зерттеудің тиімді жолы болмауы мүмкін). Егер кванттық механика бастапқы шарттарға экспоненциалды сезімталдық танытпаса, онда классикалық хаоста бастапқы шарттарға экспоненциалды сезімталдық қалай туындайды? Ол кванттық механиканың сәйкестік принципінің лимиті болуы керек. Кванттық хаос мәселесін шешу үшін бірнеше тәсіл қолданылды:
Дүрлігу теориясында дүрлігу шағын деп есептелмейтін және кванттық сандардың үлкен мәндерін қамтитын кванттық есептерді шешу әдістерін әзірлеу. Өздік мәндердің (энергия деңгейлерінің) статистикалық сипаттамаларын сол жүйенің (Гамильтонианның) классикалық мінез-құлқымен байланыстыру. Жеке меншікті күйлердің ықтималдық таралуын зерттеу (қараңыз: «жарақаттар» және Кванттық эргодикалық). Динамикалық жүйенің классикалық траекторияларын кванттық ерекшеліктерімен байланыстыратын, периодтық орбита теориясы сияқты жартылай классикалық әдістер. Сәйкестік принципін тікелей қолдану.

Тарих

ХХ ғасырдың бірінші жартысында механикадағы хаостық әрекет-қимыл (көк механикасындағы үш дене проблемасындай) мойындалды, бірақ толыққанды түсінілмеді. Сол кезеңде қазіргі заманғы кванттық механиканың негізі қаланды, бірақ классикалық лимиті хаос көрсететін жүйелердегі кванттық-классикалық сәйкестік мәселесіне көңіл бөлмеді.

Қадамдар

Сәйкес принципке қатысты сұрақтар физиканың көптеген салаларында туындайды, ядролықтан атомдық, молекулалық және қатты дене физикасына дейін, тіпті акустикаға, микротолқындарға және оптикаға дейін. Дегенмен, хаос теориясындағы классикалық кванттық сәйкестік әрқашан мүмкін емес. Сондықтан, классикалық көбелек эффектісінің кейбір түрлері кванттық механикада баламасы жоқ. Классикалық хаотикалық кванттық жүйелермен байланысты маңызды байқаулардың ішінде спектрлік деңгейлердің тегіс өзгеруі, уақыт бойынша динамикалық локализация (мысалы, атомдардың иондану жиілігі) және классикалық динамикада тұрақсыз траекторияларды ғана көрсететін кеңістіктің аймақтарындағы тұрақты толқындардың күшеюі (шашыраудағыдай) бар. Кванттық хаостың жартылай классикалық тәсілінде құбылыстар спектроскопияда спектрлік сызықтардың статистикалық таралуын талдау және спектрлік периодтарды классикалық орбиталармен байланыстыру арқылы анықталады. Басқа құбылыстар кванттық жүйенің уақыт бойынша өзгеруі немесе оның әртүрлі сыртқы күштерге реакциясында көрінеді. Акустика немесе микротолқындар сияқты кейбір жағдайларда толқын үлгілері тікелей байқалады және амплитуданың ретсіз таралуын көрсетеді. Кванттық хаос көбінесе жүйе қасиеттерін есептеу үшін сандық әдістерді немесе жуықтау схемаларын (мысалы, Дайсон қатарын) пайдалануды қажет ететін жүйелермен айналысады. Жүйенің құрауыштарының күрделі өзара әсерлесуі немесе уақыт бойынша өзгеретін сыртқы күштерге тәуелді болуы қарапайым және нақты шешімдерге кедергі келтіреді.

Гутцвиллер формуласына қалай жету керектігінің эскизін жасаңыз

Уақытқа тәуелді Грин функциясының (Ван Влек таратушысының) жартылай классикалық жуықтауын қолданыңыз. Каустикалар үшін сипаттаманың шашырап кететінін ескеріп, Масловтың түсінігін пайдаланыңыз (импульстік кеңістікке шамамен Фурье түрлендіруі (h кішкентай параметрмен стационарлық фазалық жуықтау арқылы) осындай нүктелерден қашуға және кейіннен координаталық кеңістікке кері түрлендіру осындай шашырауды жоюға көмектеседі, бірақ фазалық фактор береді). Энергияға тәуелді Грин функциясын алу үшін Грин функциясын энергия кеңістігіне түрлендіріңіз (қайтадан стационарлық фазалық жуықтауды қолдана отырып, шамамен Фурье түрлендіруін пайдаланыңыз). Жаңа шашыраулар пайда болуы мүмкін, оларды 3-қадамдағыдай әдіспен түзету қажет. Оны пайдаланыңыз (координаталар бойынша іздеу) және күйлердің тығыздығына жуықтама алу үшін оны тағы да стационарлық фазалық жуықтаумен есептеңіз. Ескерту: іздеу жасау жабық орбиталар ғана үлес қосатынын көрсетеді, ал стационарлық фазалық жуықтау сізге оны қолданған сайын шектеуші шарттар қояды. 4-ші қадамда ол бастапқы және соңғы импульстары бірдей орбиталарға, яғни периодтық орбиталарға дейін шектеледі. Көптеген кітаптарда көрсетілгендей, қозғалыс бағытына параллель координаталар жүйесін таңдау ыңғайлы.

Бір өлшемді жүйелер мен әлеует

Бір өлшемді жүйе үшін, шекаралық шарттары ескерілгенде, Гутцвильлер формуласынан есептелген күйлердің тығыздығы классикалық жүйенің потенциалының кері шамасына байланысты. Мұндағы ρ(E) – күйлердің тығыздығы, ал V(x) – бөлшектің классикалық потенциалы. Потенциалдың кері шамасының жартылай туындысы Ву-Спринг потенциалы сияқты күйлердің тығыздығымен байланысты.

Соңғы нұсқаулар

Бір ашық сұрақ – стандартты жартылай классикалық лимиттерге қолданылмаған, шекті өлшемді жергілікті Гильберт кеңістіктеріне ие жүйелердегі кванттық хаосты түсіну болып қалады. Жақындағы зерттеулер мұндай кванттық көп денелік жүйелерді талдау арқылы зерттеуге мүмкіндік берді. Кванттық хаостағы дәстүрлі тақырыптар спектрлік статистиканы (әмбебап және әмбебап емес ерекшеліктерді) және әртүрлі хаотикалық Гамильтондықтардың өзіндік функцияларын зерттеуді қамтиды. Мысалы, шабыттардың бар екендігі туралы хабарланғанға дейін, классикалық хаотикалық жүйенің өзіндік күйлері кездейсоқ ауытқулар мен энергияны сақтауға байланысты (кванттық эргодиктік) қол жетімді фазалық кеңістікті біркелкі толтыруы күтілген. Дегенмен, классикалық хаотикалық жүйенің кванттық өзіндік күйі шабытталған болуы мүмкін: өзіндік күйдің ықтималдық тығыздығы классикалық, статистикалық күтілетін тығыздықтан жоғары, мерзімді орбитаның айналасында күшейтіледі (шабыттар). Әсіресе, шабыттар – бұл әдеттегі классикалық лимиттен тыс классикалық-кванттық сәйкестіктің көзге көрінетін мысалы және хаостың кванттық басуының пайдалы мысалы. Мысалы, бұл дүрліккен кванттық шабыттануда айқын көрінеді: нақтырақ айтқанда, жергілікті потенциалдық бұдырлармен (қоспалармен) дүрліккен кванттық нүктелердегі кейбір өзіндік күйлер, бұрынғы классикалық әріптестің мерзімді орбиталары бойымен күшті шабыттанады. Гамильтондықтардың параметрлік тәуелділігіне қатысты қосымша зерттеулер жүргізілуде, мысалы, аулақтанған қиылыстар статистикасында және (параметрлік) жергілікті тығыздықтарда (LDOS) көрінетін араласу. Толқындық пакеттер динамикасы туралы кең әдебиет бар, оның ішінде ауытқулар, қайталанулар, кванттық қайтымсыздық мәселелері және т.б. зерттеледі. Квантталған карталардың динамикасын зерттеуге ерекше мән беріледі: стандартты карта және тепкіш ротатор прототиптік проблемалар саналады. Жұмыстар уақытқа тәуелді Гамильтондықтары бар басқарылатын хаотикалық жүйелерді зерттеуге де бағытталған, әсіресе адиабатикалық және сызықтық жауап режимдерінде. Сондай-ақ, жартылай классикалық режимдерден алыс, күшті өзара әрекеттесетін көп денелік кванттық жүйелер үшін кванттық хаос идеяларын қалыптастыруға, сондай-ақ кванттық хаотикалық шашырауды зерттеуге елеулі күш жұмсалуда.

Берри-Табор болжамы

1977 жылы Берри мен Табор әлі де ашық "жалпы" математикалық болжам жасады, ол шамамен былай тұжырымдалады: Риманның тығыз бетіндегі геодезиялық ағынның кванттық динамикасының "жалпы" жағдайында, негізгі классикалық динамика толығымен интегралданатын болса, кванттық энергияның өзіндік мәндері тәуелсіз кездейсоқ шамалардың тізбегі сияқты болады.