Langevinova rovnice - Langevin equation
Ve fyzice, a Langevinova rovnice (pojmenoval podle Paul Langevin ) je stochastická diferenciální rovnice popisující časový vývoj podmnožiny stupňů volnosti. Tyto stupně volnosti jsou obvykle kolektivní (makroskopické) proměnné, které se mění jen pomalu ve srovnání s ostatními (mikroskopickými) proměnnými systému. Rychlé (mikroskopické) proměnné jsou zodpovědné za stochastickou povahu Langevinovy rovnice. Jedna aplikace je Brownův pohyb, výpočet statistik náhodného pohybu malé částice v kapalině v důsledku kolizí s okolními molekulami v tepelném pohybu.
Brownův pohyb jako prototyp
Původní Langevinova rovnice[1] popisuje Brownův pohyb, zdánlivě náhodný pohyb částice v kapalině v důsledku srážek s molekulami kapaliny,
Stupně volnosti zájmu jsou rychlost částice, označuje hmotnost částice. Síla působící na částici se zapisuje jako součet viskózní síly úměrné rychlosti částice (Stokesův zákon ) a a hluk termín (název daný ve fyzikálních kontextech pojmům ve stochastických diferenciálních rovnicích, které jsou stochastické procesy ) představující účinek srážek s molekulami tekutiny. Síla má Gaussovo rozdělení pravděpodobnosti s korelační funkcí
kde je Boltzmannova konstanta, je teplota a je i-tou složkou vektoru . The -funkce forma korelací v čase znamená, že síla v čase Předpokládá se, že kdykoli zcela nesouvisí se silou. Toto je přibližné; skutečná náhodná síla má nenulovou korelační dobu odpovídající kolizní době molekul. Langevinova rovnice se však používá k popisu pohybu „makroskopické“ částice v mnohem delším časovém měřítku a v tomto limitu -korelace a Langevinova rovnice se stává téměř přesnou.
Dalším typickým rysem Langevinovy rovnice je výskyt tlumicího koeficientu ve korelační funkci náhodné síly, skutečnost známá také jako Einsteinův vztah.
Matematické aspekty
Přísně - související kolísající síla není funkce v obvyklém matematickém smyslu a dokonce ani derivace není v tomto limitu definována. Tento problém zmizí, když je Langevinova rovnice napsána v integrální formě a Langevinova rovnice by měla být vždy interpretována jako zkratka pro její časový integrál. Obecný matematický termín pro rovnice tohoto typu je „stochastická diferenciální rovnice ".
Další matematická nejednoznačnost nastává pro (poněkud speciální) Langevinovy rovnice s multiplikativním šumem, tj. Termíny jako na r.h.s .. Takové rovnice lze interpretovat podle Stratonovichova nebo Ito schématu, a pokud odvození Langevinovy rovnice neříká, kterou z nich použít, je stejně sporné. Vidět To je kalkul.[2]
Obecná Langevinova rovnice
Existuje formální odvození obecné Langevinovy rovnice od klasické mechaniky.[3][4] Tato obecná rovnice hraje ústřední roli v teorii kritická dynamika,[5] a další oblasti nerovnovážné statistické mechaniky. Rovnice pro Brownův pohyb výše je zvláštní případ.
Podstatnou podmínkou derivace je kritérium rozdělování stupňů volnosti do kategorií pomalých a rychlých. Například místní termodynamické rovnováhy v kapalině je dosaženo během několika kolizních časů. Ale mnohem déle trvá, než se hustoty konzervovaných veličin, jako je hmotnost a energie, uvolní do rovnováhy. Hustoty konzervovaných veličin, a zejména jejich složek s dlouhou vlnovou délkou, jsou tedy pomalými proměnnými kandidáty. Technicky je toto rozdělení realizováno pomocí Operátor projekce Zwanzig,[6] základní nástroj při odvozování. Odvození není zcela přesné, protože se opírá o (věrohodné) předpoklady podobné předpokladům požadovaným jinde v základní statistické mechanice.
Nechat označit pomalé proměnné. Potom se přečte obecná Langevinova rovnice
Kolísající síla poslouchá a Gaussovo rozdělení pravděpodobnosti s korelační funkcí
To znamená Vztah Onsager vzájemnosti pro tlumicí koeficienty . Závislost z na je ve většině případů zanedbatelný označuje hamiltonián systému, kde je rovnovážné rozdělení pravděpodobnosti proměnných . Konečně, je projekce Poissonova závorka pomalých proměnných a do prostoru pomalých proměnných.
V případě Brownova pohybu by se jednalo , nebo a . Pohybová rovnice pro je přesný, neexistuje kolísající síla a žádný koeficient tlumení .
Příklady
Trajektorie volných Brownových částic
Zvažte volnou částici hmoty s pohybovou rovnicí popsanou
kde je rychlost částic, je pohyblivost částic a je rychle se měnící síla, jejíž časový průměr mizí v charakteristickém časovém měřítku srážek částic, tj. . Obecné řešení pohybové rovnice je
kde je relaxační doba Brownova pohybu. Jak se dalo očekávat z náhodné povahy Brownova pohybu, průměrné rychlosti driftu rychle se rozpadá na nulu v . Lze také ukázat, že funkce autokorelace rychlosti částic darováno[7]

kde jsme použili vlastnost, že proměnné a budou pro časové separace nekorelované . Kromě toho hodnota je nastaven na rovný tak, že se řídí teorém ekvipartice. Všimněte si, že pokud je systém zpočátku v tepelné rovnováze již s , pak pro všechny , což znamená, že systém zůstává po celou dobu v rovnováze.
Rychlost Brownova částice může být integrována, aby poskytla její trajektorii (za předpokladu, že je zpočátku v počátku)
Proto je výsledný průměrný posun asymptoty na jak se systém uvolňuje a náhoda převezme kontrolu. Kromě toho střední čtvercový posun lze určit podobně jako v předchozím výpočtu
Je to vidět , což naznačuje, že pohyb Brownových částic v časovém měřítku je mnohem kratší než doba relaxace systému je (přibližně) obrácení času neměnný. Na druhou stranu, , což naznačuje, že dlouhodobý náhodný pohyb Brownových částic je nevratný disipativní proces. Zde jsme využili Vztah Einstein – Smoluchowski , kde je difúzní koeficient kapaliny.

Harmonický oscilátor v kapalině
Částice v kapalině je také popsána Langevinovou rovnicí s potenciálem, tlumicí silou a teplotními výkyvy danými věta o rozptylu fluktuace. Pokud je potenciálem potenciál harmonického oscilátoru, pak jsou křivky konstantní energie elipsy, jak je znázorněno na obrázku 1 níže. V přítomnosti disipační síly však částice ztrácejí energii do životního prostředí. Na druhou stranu tepelná fluktuace náhodně přidává energii částice. Při absenci tepelných výkyvů ztrácí částice nepřetržitě kinetickou energii a fázový portrét časového vývoje rychlosti vs. polohy vypadá jako elipsa, která se spirálovitě pohybuje, dokud nedosáhne nulové rychlosti. Naopak, tepelné fluktuace poskytují kopnutí do částic, které neumožňují částice ztratit veškerou svoji energii. Po dlouhou dobu se tedy počáteční soubor stochastických oscilátorů rozšířil a nakonec dosáhl tepelná rovnováha, pro které je rozdělení rychlosti a polohy dáno Maxwell – Boltzmannova distribuce. Na níže uvedeném grafu (obrázek 2) je dlouhodobé rozdělení rychlosti (oranžové) a rozdělení polohy (modré) v harmonickém potenciálu ( ) je vyneseno s Boltzmannovými pravděpodobnostmi rychlosti (červená) a polohy (zelená). Vidíme, že chování v pozdní době zobrazuje tepelnou rovnováhu.

Tepelný šum v elektrickém rezistoru
Mezi paradigmatickou Brownovou částicí diskutovanou výše a Johnsonův hluk, elektrické napětí generované tepelnými fluktuacemi v každém rezistoru.[8] Diagram vpravo ukazuje elektrický obvod skládající se z a odpor R a a kapacita C. Pomalá proměnná je napětí U mezi konci odporu. Hamiltonián čte a stane se Langevinova rovnice
Tuto rovnici lze použít ke stanovení korelační funkce
který se stane bílým šumem (Johnsonův šum), když se kapacita C zanedbatelně zmenší.
Kritická dynamika
Dynamika parametr objednávky fázového přechodu druhého řádu zpomaluje poblíž kritický bod a lze je popsat Langevinovou rovnicí.[5] Nejjednodušší případ je třída univerzality „model A“ s nekonzervovaným parametrem skalárního řádu, realizovaný například v axiálních feromagnetech,
Jiné třídy univerzálnosti (nomenklatura je „model A“, ..., „model J“) obsahují parametr rozptylového pořadí, parametry pořadí s několika složkami, další kritické proměnné a / nebo příspěvky z Poissonových závorek.[5]
Obnova Boltzmannovy statistiky
Langevinovy rovnice musí reprodukovat Boltzmannova distribuce. 1-rozměrný přehnané Brownův pohyb je poučným příkladem. Překrytý případ je realizován, když je setrvačnost částice ve srovnání s tlumicí silou zanedbatelná. Trajektorie částice v potenciálu je popsána Langevinovou rovnicí
kde je hluk charakterizován a je tlumicí konstanta. Chtěli bychom vypočítat distribuci polohy částice v průběhu času. Přímým způsobem určení této distribuce je zavedení testovací funkce , a podívat se na průměr této funkce ve všech realizacích (průměr souboru)
Li zůstává konečné, pak je toto množství nulové. Navíc pomocí Stratonovichovy interpretace jsme schopni se zbavit eta ve druhém semestru, takže skončíme s
kde využíváme funkci hustoty pravděpodobnosti . To se provádí explicitním výpočtem průměru,
kde byl druhý člen integrován po částech (tedy záporné znaménko). Protože to platí pro libovolné funkce , musíme mít:
čímž se získá Boltzmannova distribuce
Ekvivalentní techniky
Řešení Langevinovy rovnice pro konkrétní realizaci fluktuující síly není samo o sobě zajímavé; zajímavé jsou korelační funkce pomalých proměnných po průměrování nad fluktuující silou. Tyto korelační funkce lze také určit jinými (ekvivalentními) technikami.
Fokker-Planckova rovnice
A Fokker-Planckova rovnice je deterministická rovnice pro časově závislou hustotu pravděpodobnosti stochastických proměnných . Fokker-Planckova rovnice odpovídající generické Langevinově rovnici výše může být odvozena standardními technikami (viz například ref.[9]),
Rovnovážné rozdělení je stacionární řešení.
Cesta integrální
A cesta integrální ekvivalent k Langevinově rovnici lze získat z odpovídajících Fokker-Planckova rovnice nebo transformací Gaussova rozdělení pravděpodobnosti kolísající síly k rozdělení pravděpodobnosti pomalých proměnných, schematicky Funkční determinant a související matematické jemnosti vypadnou, pokud je Langevinova rovnice diskretizována přirozeným (kauzálním) způsobem, kde záleží na ale ne na . Ukázalo se, že je vhodné zavést pomocné proměnné odezvy . Pak se načte integrál cesty ekvivalentní s obecnou Langevinovou rovnicí[10]
kde je normalizační faktor a
Formulace integrace cesty nepřidává nic nového, ale umožňuje použití nástrojů od kvantová teorie pole; například skupinové metody perturbace a renormalizace (pokud mají smysl).
Viz také
Reference
- ^ Langevin, P. (1908). „Sur la théorie du mouvement brownien [O teorii Brownova pohybu]“. C. R. Acad. Sci. Paříž. 146: 530–533.; hodnotili D. S. Lemons & A. Gythiel: Článek Paula Langevina z roku 1908 „O teorii Brownova pohybu“ [...], Am. J. Phys. 65, 1079 (1997), doi:10.1119/1.18725
- ^ Stochastické procesy ve fyzice a chemii. Elsevier. 2007. doi:10.1016 / b978-0-444-52965-7.x5000-4. ISBN 978-0-444-52965-7.
- ^ Kawasaki, K. (1973). "Jednoduché derivace zobecněných lineárních a nelineárních Langevinových rovnic". J. Phys. A: Math. Nucl. Gen. 6 (9): 1289–1295. Bibcode:1973JPhA .... 6,2889 tis. doi:10.1088/0305-4470/6/9/004.
- ^ Dengler, R. (2015). "Další odvození zobecněných Langevinových rovnic". arXiv:1506.02650v2 [fyzika.třída-ph ].
- ^ A b C Hohenberg, P. C .; Halperin, B. I. (1977). "Teorie dynamických kritických jevů". Recenze moderní fyziky. 49 (3): 435–479. Bibcode:1977RvMP ... 49..435H. doi:10.1103 / RevModPhys.49.435.
- ^ Zwanzig, R. (1961). "Paměťové efekty v nevratné termodynamice". Phys. Rev. 124 (4): 983–992. Bibcode:1961PhRv..124..983Z. doi:10.1103 / PhysRev.124.983.
- ^ Pathria RK (1972). Statistická mechanika. Oxford: Pergamon Press. 443, 474–477. ISBN 0-08-018994-6.
- ^ Johnson, J. (1928). „Tepelné míchání elektřiny ve vodičích“. Phys. Rev. 32 (1): 97. Bibcode:1928PhRv ... 32 ... 97J. doi:10.1103 / PhysRev.32,97.
- ^ Ichimaru, S. (1973), Základní principy fyziky plazmatu (1. vyd.), USA: Benjamin, str. 231, ISBN 0805387536
- ^ Janssen, H. K. (1976). "Lagrangean pro klasickou dynamiku pole a renormalizační skupinové výpočty dynamických kritických vlastností". Z. Phys. B. 23 (4): 377–380. Bibcode:1976ZPhyB..23..377J. doi:10.1007 / BF01316547. S2CID 121216943.
Další čtení
- W. T. Coffey (Trinity College, Dublin, Irsko) a Yu P. Kalmykov (Université de Perpignan, Francie, Langevinova rovnice: S aplikacemi na stochastické problémy ve fyzice, chemii a elektrotechnice (Třetí edice), World Scientific Series in Contemporary Chemical Physics - sv. 27.
- Reif, F. Základy statistické a tepelné fyziky, McGraw Hill New York, 1965. Viz část 15.5 Langevinova rovnice
- R. Friedrich, J. Peinke a Ch. Renner. Jak kvantifikovat deterministické a náhodné vlivy na statistiku devizového trhu, Phys. Rev. Lett. 84, 5224 - 5227 (2000)
- L.C.G. Rogers a D. Williams. Diffusions, Markov Processes, and Martingales, Cambridge Mathematical Library, Cambridge University Press, Cambridge, dotisk 2. (1994) vydání, 2000.