Введение

Квантовый хаос – это раздел физики, изучающий, каким образом хаотические классические динамические системы могут быть описаны в терминах квантовой теории. Основной вопрос, на который стремится ответить квантовый хаос: «Какова связь между квантовой механикой и классическим хаосом?». Принцип соответствия утверждает, что классическая механика является классическим пределом квантовой механики, в частности, в пределе, когда отношение постоянной Планка к действию системы стремится к нулю. Если это верно, то должны существовать квантовые механизмы, лежащие в основе классического хаоса (хотя это может оказаться не самым продуктивным подходом к изучению классического хаоса). Если квантовая механика не проявляет экспоненциальной чувствительности к начальным условиям, то каким образом экспоненциальная чувствительность к начальным условиям возникает в классическом хаосе, который должен являться пределом квантовой механики согласно принципу соответствия? Для решения этого фундаментального вопроса квантового хаоса применяются различные подходы: разработка методов решения квантовых задач, в которых возмущение нельзя считать малым в рамках теории возмущений и где квантовые числа велики; установление соответствия между статистическими описаниями собственных значений (энергетических уровней) и классическим поведением той же гамильтонианы (системы); изучение распределения вероятностей отдельных собственных состояний (см. шрамы и квантовую эргодичность); полуклассические методы, такие как теория периодических орбит, связывающие классические траектории динамической системы с квантовыми характеристиками; непосредственное применение принципа соответствия.

История

В течение первой половины двадцатого века хаотическое поведение в механике было признано (например, в задаче трех тел в небесной механике), но недостаточно изучено. В этот период были заложены основы современной квантовой механики, фактически не затрагивая вопрос о соответствии квантовой и классической механик в системах, классический предел которых проявляет хаос.

Подходы

Вопросы, связанные с принципом соответствия, возникают во многих различных областях физики, от ядерной до атомной, молекулярной и физики твердого тела, а также в акустике, микроволновой технике и оптике. Однако классическое квантовое соответствие в теории хаоса не всегда осуществимо. Таким образом, некоторые варианты классического эффекта бабочки не имеют аналогов в квантовой механике. Важными наблюдениями, часто ассоциируемыми с классически хаотичными квантовыми системами, являются отталкивание уровней энергии, динамическая локализация во временной эволюции (например, скорости ионизации атомов) и усиление интенсивности стационарных волн в областях пространства, где классическая динамика демонстрирует лишь неустойчивые траектории (как при рассеянии). В полуклассическом подходе к квантовому хаосу явления идентифицируются в спектроскопии путем анализа статистического распределения спектральных линий и установления связи между спектральными периодичностями и классическими орбитами. Другие явления проявляются во временной эволюции квантовой системы или в ее отклике на различные типы внешних воздействий. В некоторых областях, таких как акустика или микроволновая техника, волновые картины непосредственно наблюдаемы и демонстрируют нерегулярное распределение амплитуды. Квантовый хаос обычно рассматривает системы, свойства которых необходимо вычислять с использованием численных методов или приближенных схем (например, рядов Дайсона). Получение простых и точных решений затруднено тем, что компоненты системы либо оказывают сложное влияние друг на друга, либо зависят от внешних сил, изменяющихся во времени.

Грубый эскиз, как получить формулу следа Гутцвиллера

Начните с полуклассического приближения для функции Грина, зависящей от времени (пропагатора Ван Влека). Осознайте, что для каустик такое описание расходится, и используйте идею Маслова (приблизительное преобразование Фурье в импульсное пространство – приближение стационарной фазы, где h – малый параметр – для избежания этих точек, а последующее преобразование обратно в координатное пространство может устранить эту расходимость, однако приводит к появлению фазового множителя). Преобразуйте функцию Грина в энергетическое пространство, чтобы получить функцию Грина, зависящую от энергии (снова используйте приближенное преобразование Фурье с применением приближения стационарной фазы). Могут возникнуть новые расходимости, которые необходимо устранить тем же методом, что и на шаге 3. Используйте (взятие следа по координатам) и вычислите его снова в приближении стационарной фазы, чтобы получить приближение для плотности состояний. Замечание: Взятие следа указывает на то, что вклад вносят только замкнутые орбиты, а приближение стационарной фазы накладывает ограничительные условия каждый раз при его применении. На шаге 4 это ограничивает вас орбитами, где начальный и конечный импульсы совпадают, то есть периодическими орбитами. Часто удобно выбирать систему координат, параллельную направлению движения, как это делается во многих учебниках.

Одномерные системы и их потенциал

Для случая одномерной системы с граничным условием плотность состояний, полученная по формуле Гутцвиллера, связана с обратной величиной потенциала классической системы соотношением: здесь ρ(E) – плотность состояний, а V(x) – классический потенциал частицы, причем полупроизводная обратной величины потенциала связана с плотностью состояний, как в случае потенциала Ву-Спрунга.

Последние указания

Остается открытым вопрос о понимании квантового хаоса в системах, имеющих конечномерные локальные пространства Гильберта, для которых неприменимы стандартные полуклассические пределы. Недавние работы позволили аналитически изучать такие квантовые системы многих тел. Традиционные темы в квантовом хаосе касаются спектральной статистики (универсальные и неуниверсальные характеристики) и изучения собственных функций различных хаотических гамильтонианов. Например, до сообщения о существовании шрамов, предполагалось, что собственные состояния классически хаотической системы равномерно заполняют доступное фазовое пространство, с учетом случайных флуктуаций и сохранения энергии (квантовая эргодичность). Однако, квантовое собственное состояние классически хаотической системы может иметь шрамы: плотность вероятности собственного состояния усиливается в окрестности периодической орбиты, превышая классическую, статистически ожидаемую плотность вдоль орбиты (шрамы). В частности, шрамы являются ярким визуальным примером классико-квантовой корреспонденции, отклоняющейся от обычного классического предела, и полезным примером квантового подавления хаоса. Это проявляется, например, в квантовых шрамах, индуцированных возмущениями: в частности, в квантовых точках, возмущенных локальными потенциальными неоднородностями (примесями), некоторые собственные состояния сильно зашрамованы вдоль периодических орбит невозмущенного классического аналога. Дальнейшие исследования посвящены параметрической зависимости гамильтониана, отраженной, например, в статистике избегаемых пересечений и связанному с этим смешиванию, проявляющемуся в (параметрической) локальной плотности состояний (LDOS). Существует обширная литература по динамике волновых пакетов, включая изучение флуктуаций, возвратов, вопросов квантовой необратимости и т.д. Особое место отведено изучению динамики квантованных отображений: стандартное отображение и вращающийся маятник с импульсным воздействием считаются прототипными задачами. Работы также сосредоточены на изучении вынужденных хаотических систем, где гамильтониан зависит от времени, в частности, в адиабатическом и линейно-ответном режимах. Значительные усилия направлены на формулирование идей квантового хаоса для систем многих тел с сильным взаимодействием, далеких от полуклассических режимов, а также на изучение квантового хаотического рассеяния.

Гипотеза Берри-Табора

В 1977 году Берри и Табор выдвинули математическую гипотезу, которая до сих пор остается открытой. Если говорить упрощенно, она заключается в следующем: в "общем" случае квантовой динамики геодезического потока на компактной поверхности Римана, собственные значения квантовой энергии ведут себя как последовательность независимых случайных величин, при условии полной интегрируемости лежащей в основе классической динамики.