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.
Quantum chaos is a branch of physics which studies how chaotic classical dynamical systems can be described in terms of quantum theory. The primary question that quantum chaos seeks to answer is: "What is the relationship between quantum mechanics and classical chaos?" The correspondence principle states that classical mechanics is the classical limit of quantum mechanics, specifically in the limit as the ratio of Planck's constant to the action of the system tends to zero. If this is true, then there must be quantum mechanisms underlying classical chaos (although this may not be a fruitful way of examining classical chaos). If quantum mechanics does not demonstrate an exponential sensitivity to initial conditions, how can exponential sensitivity to initial conditions arise in classical chaos, which must be the correspondence principle limit of quantum mechanics? In seeking to address the basic question of quantum chaos, several approaches have been employed:
Development of methods for solving quantum problems where the perturbation cannot be considered small in perturbation theory and where quantum numbers are large. Correlating statistical descriptions of eigenvalues (energy levels) with the classical behavior of the same Hamiltonian (system). Study of probability distribution of individual eigenstates (see scars and Quantum ergodicity). Semiclassical methods such as periodic orbit theory connecting the classical trajectories of the dynamical system with quantum features. Direct application of the correspondence principle.
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.
Use (tracing over positions) and calculate it again in stationary phase approximation to get an approximation for the density of states Note: Taking the trace tells you that only closed orbits contribute, the stationary phase approximation gives you restrictive conditions each time you make it. In step 4 it restricts you to orbits where initial and final momentum are the same i. e. periodic orbits. Often it is nice to choose a coordinate system parallel to the direction of movement, as it is done in many books.
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.