Введение

Функция распределения Вигнера в физике в отличие от функции распределения в обработке сигналов. Распределение квазивероятности Вигнера (также называемое функцией Вигнера или распределением Вигнера — Виля, в честь Юджина Вигнера и Жана Андре Виля) является распределением квазивероятности. Оно было введено Юджином Вигнером в 1932 году для изучения квантовых поправок к классической статистической механике. Целью было установить связь между волновой функцией, фигурирующей в уравнении Шрёдингера, и распределением вероятностей в фазовом пространстве. Это генерирующая функция для всех пространственных функций автокорреляции заданной квантово-механической волновой функции ψ(x). Таким образом, она отображает квантовую матрицу плотности в соответствии между вещественными функциями фазового пространства и эрмитовыми операторами, введенными Германом Вейлем в 1927 году, в контексте, связанном с теорией представлений в математике (см. квантование Вейля). По сути, это преобразование Вигнера — Вейля матрицы плотности, то есть реализация этого оператора в фазовом пространстве. Позже Жан Виль в 1948 году независимо вывел её как квадратичное (от сигнала) представление локальной энергии времени-частоты сигнала, по сути, спектрограмму. В 1949 году Хосе Энрике Мояль, также получивший её независимо, распознал её как квантовый функционал, генерирующий моменты, и, следовательно, как основу для элегантного кодирования всех квантовых средних значений и, следовательно, квантовой механики в фазовом пространстве (см. фазово-пространственная формулировка). Она находит применение в статистической механике, квантовой химии, квантовой оптике, классической оптике и анализе сигналов в различных областях, таких как электротехника, сейсмология, анализ времени-частоты для музыкальных сигналов, спектрограммы в биологии и обработке речи, а также в проектировании двигателей.

Связь с классической механикой

Классическая частица имеет определенное положение и импульс и, следовательно, представляется точкой в фазовом пространстве. Для набора (ансамбля) частиц вероятность обнаружения частицы в определенной точке фазового пространства задается распределением вероятностей, плотностью Лиувиля. Эта строгая интерпретация неприменима к квантовой частице из-за принципа неопределенности. Вместо этого квазивероятностное распределение Вигнера играет аналогичную роль, но не удовлетворяет всем свойствам обычного распределения вероятностей; и, наоборот, обладает свойствами ограниченности, недоступными для классических распределений. Например, распределение Вигнера может и обычно принимает отрицательные значения для состояний, не имеющих классического аналога, и является удобным индикатором квантово-механической интерференции. (См. ниже характеристику чистых состояний, функции Вигнера которых неотрицательны.) Сглаживание распределения Вигнера с помощью фильтра, размер которого больше ħ (например, свертка с гауссианой в фазовом пространстве или преобразованием Вейерштрасса для получения представления Хусими, описанного ниже), приводит к положительно полуопределенной функции, то есть его можно рассматривать как перешедшее к полуклассическому. Можно доказать (путем свертки с небольшим гауссианом), что области с такими отрицательными значениями "малы": они не могут простираться на компактные области, превышающие несколько ħ, и, следовательно, исчезают в классическом пределе. Принцип неопределенности защищает их, не позволяя точно определить местоположение в областях фазового пространства, меньших ħ, и тем самым делает такие "отрицательные вероятности" менее парадоксальными.

Использование функции Вигнера вне квантовой механики

При моделировании оптических систем, таких как телескопы или устройства волоконно-оптической связи, функция Вигнера используется для установления связи между простым трассированием лучей и полным волновым анализом системы. В приближении малых углов (параксиальном) p/ħ заменяется на . В этом контексте функция Вигнера является наиболее точным способом описания системы в терминах лучей, находящихся в положении x и имеющих угол θ, при этом учитывая эффекты интерференции. Если функция становится отрицательной в какой-либо точке, то простое трассирование лучей оказывается недостаточным для моделирования системы. Иными словами, отрицательные значения этой функции являются признаком предела Габора для классического светового сигнала, а не квантовых свойств света, связанных с ħ. В анализе сигналов, временной электрический сигнал, механические колебания или звуковая волна представляются функцией Вигнера. Здесь x заменяется временем, а p/ħ заменяется угловой частотой , где f – обычная частота. В ультрабыстрой оптике короткие лазерные импульсы характеризуются с помощью функции Вигнера, используя те же замены f и t, что и выше. Дефекты импульса, такие как чирп (изменение частоты во времени), могут быть визуализированы с помощью функции Вигнера. См. рисунок рядом. В квантовой оптике x и p/ħ заменяются квадратурами X и P – действительной и мнимой частями электрического поля (см. когерентное состояние).

Историческая записка

Как указано, формула функции Вигнера была получена независимо друг от друга несколько раз в различных контекстах. Фактически, по всей видимости, Вигнер не знал, что даже в рамках квантовой теории она была введена ранее Гейзенбергом и Дираком, хотя и исключительно формально: оба они не осознали её значимости, а также значения её отрицательных значений, поскольку рассматривали её лишь как приближение к полному квантовому описанию системы, например, атома. (К слову, Дирак впоследствии стал зятем Вигнера, женившись на его сестре Манци.) Аналогичным образом, в большей части своей легендарной 18-месячной переписки с Моялем в середине 1940-х годов Дирак не подозревал, что квантовая функция Мояля, генерирующая моменты, по сути, является функцией Вигнера, и именно Мояль в конечном итоге обратил его на это внимание.