Considerăm evoluția dft = {H,ft}dt pe U, asociată cu o stare pură ρq0,p0. Se verifică cu ușurință că
⟨ ft|ρq0,p0 ⟩ = f (qt, pt)
unde (qt, pt) rezolvă ecuațiile lui Hamilton cu q0 și p0 punctul dat care definește starea pură. Fie Φt : M → M maparea spațiului de fază care trimite (q0, p0) către punctul de pe traiectoria corespunzătoare la momentul t. Această aplicație este un difeomorfism pentru fiecare t. Atunci, pentru o stare mixtă cu densitate ρ, avem ft(q, p) = f (Φt(q, p)) și
∫Mf(Φt(q, p))ρ(q, p)dqdp =∫Mf(q, p)ρ(Φ−1t(q, p))|Jac(Φ−1t)(q, p)|dqdp,
unde
Jac(Φ−1t)(q, p) = det [∂Φ−1t/∂q / ∂Φ−1t/∂p]
este determinantul Jacobian care dă schimbarea infinitezimală a volumului în jurul unui punct din spațiul de fază sub Φt. Este o teoremă, datorată lui Liouville, că acest determinant este identic unu. Adică, fluxul Φt conservă volumul. Astfel avem
∫Mf(Φt(q, p))ρ(q, p)dqdp =∫Mf (q, p)ρ(Φ−1t(q, p)) dqdp.
Funcția ρt = ρ ◦ Φ−1t satisface
dρt/dt = −{H, ρt}, (2.1)
care este aceeași cu (1.4) dar cu semnul minus. Ec. (2.1) se numește ecuația lui Liouville. Aceasta descrie evoluția unei stări mixte în spațiul de fază.
Demonstrația teoremei lui Liouville este foarte simplă. Fie Jact = Jac(Φt(p, q)). Deoarece Φ0(q, p) = (q, p), avem Jac0 = 1 și este suficient să demonstrăm că dJact/dt = 0. Deoarece t → Φt este un grup cu un singur parametru, adică, Φt+h = Φh ◦ Φt, avem
Jact+h = (Jach ◦ Φt)Jact
conform derivării funcțiilor compuse. Astfel
dJact/dt = (dJacs/ds|s=0 ◦ Φt) Jact.
Așadar, este suficient să demonstrăm că dJact/dt = 0 la t = 0. Acum, pentru t → 0, avem
Φt(q, p) = (q, p) + t(∂H/∂p’ − ∂H/∂q) + O(t2) .
Astfel
Jact = det(I + t[∂2H/∂q∂p −∂2H∂q2 / ∂2H/∂p2 −∂2H/∂p∂q] +O(t2)).
Astfel
dJact/dt|t=0 = tr[∂2H/∂q∂p −∂2H∂q2 / ∂2H/∂p2 −∂2H/∂p∂q] = Σi=1m ∂2H/∂qi∂pi – ∂2H/∂pi∂qi = 0,
prin egalitatea parțialelor mixte de ordinul doi.
Deci avem două imagini ale evoluției în fizica clasică:
(1) Putem considera starea sistemului ρ ca fiind fixă și putem evolua observabilele conform df/dt = {H, f};
(2) Putem considera observabilele ca fiind fixe și putem evolua stările conform dρt/dt = −{H, ρt}.
Avem echivalența dintre cele două imagini, deoarece împerecherea duală satisface
⟨ft|ρ⟩ = ⟨f|ρt⟩.
Această structură va fi păstrată în mecanica cuantică, ducând la imaginile Heisenberg și Schrodinger, respectiv.
Sursa: Jeffrey Schenker, Quantum Information Theory – Lecture Notes for Math 992 Spring 2022. Licența CC BY-NC 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu
Descoperă mai multe la MultiMedia
Abonează-te ca să primești ultimele articole prin email.



Lasă un răspuns