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在物理学中,李维尔定理(Liouville's theorem)以法国数学家约瑟夫·李维尔(Joseph Liouville)命名,是经典统计力学和哈密顿力学中的一个关键定理。该定理断言,系统的相空间分布函数在系统的轨迹上是恒定的——即在相空间中,围绕给定系统点的系统点的密度随着时间变化保持不变。这种时间不变的密度在统计力学中称为经典的先验概率。[1]
李维尔定理适用于守恒系统,即在没有摩擦效应或摩擦效应可以忽略的系统。对于这种系统的普遍数学表述是保持度量不变的动力系统。当系统具有可以解释为位置和动量的自由度时,李维尔定理适用;并非所有保持度量不变的动力系统都有这些自由度,但哈密顿系统有。在共轭位置和动量坐标的数学框架中,李维尔定理在辛几何的数学设置下得到了描述。李维尔定理忽略了化学反应的可能性,在化学反应中,粒子的总数可能随时间变化,或能量可能转移到内部自由度。李维尔定理有扩展形式,可以涵盖这些广义的情形,包括随机系统。[2]
1. 李维尔方程
图 1:经典系统集群在相空间中的演化(上图)。每个系统由一个质量粒子组成,处于一维势阱中(红色曲线,下图)。虽然单个系统成员的运动由哈密顿方程给出,李维尔方程则描述了整个分布的流动。该运动类似于染料在不可压缩流体中的流动。
李维尔方程描述了相空间分布函数的时间演化。尽管该方程通常被称为 “李维尔方程”,但约西亚·威拉德·吉布斯(Josiah Willard Gibbs)是第一个认识到这个方程作为统计力学基本方程重要性的人。[3][4] 它之所以被称为李维尔方程,是因为其对非正则系统的推导使用了李维尔在 1838 年首次推导出的一个恒等式。[5][6] 考虑一个哈密顿动力学系统,具有正则坐标 和共轭动量 ,其中 。那么,相空间分布函数 决定了系统出现在微小相空间体积 中的概率 。
李维尔方程描述了 在时间 中的演化:
时间导数用点表示,并根据系统的哈密顿方程进行求值。这个方程表明相空间中的密度守恒(这是吉布斯对该定理的称呼)。李维尔定理表明:
分布函数沿着相空间中的任何轨迹保持不变。
李维尔定理的证明使用了 n 维散度定理。该证明基于这样一个事实:分布函数 的演化服从一个二维 n 维的连续性方程:
也就是说,三元组 是一个守恒流。注意到,这个式子和李维尔方程的区别在于以下项:
其中, 是哈密顿量,并且偏导数 和 是使用哈密顿运动方程计算的。
也就是说,将相空间中的运动看作系统点的 “流体流动”,密度的对流导数 为零是由连续性方程得出的,因为相空间中的 “速度场” 的散度为零(这由哈密顿关系得出)。[7]
2. 其他表述
泊松括号
上面的定理通常可以用泊松括号重新表述为:
或者,用线性李维尔算符(或李维尔算子)表示为:
因此,
遍历理论
在遍历理论和动力学系统中,基于前述的物理考虑,有一个相应的结果也被称为李维尔定理。在哈密顿力学中,相空间是一个光滑的流形,天然地配备有一个光滑的度量(在局部范围内,这个度量是 6n 维的 Lebesgue 度量)。该定理指出,这个光滑度量在哈密顿流动下是不变的。更一般地,可以描述一个流下光滑度量不变的充要条件。哈密顿力学的情况则成为一个推论。
辛几何
我们也可以用辛几何的语言表述李维尔定理。对于一个给定的系统,我们可以将特定哈密顿量 的相空间 视为一个配备了辛 2 型的流形 ,其中辛 2 型为:
我们的流形的体积形式是辛 2 型的顶外幂,这也只是上述相空间度量的另一种表示。
在这个相空间辛流形上,我们可以定义由一个函数 生成的哈密顿向量场 :
具体来说,当生成函数就是哈密顿量 本身时,即 ,我们得到[8]:
在这种形式下,李维尔定理表明,体积形式在由 生成的流中,李导数为零。也就是说,对于一个 2n 维的辛流形 ,
事实上,辛结构 本身是保持不变的,而不仅仅是它的顶外幂。也就是说,李维尔定理还表明[9]:
量子李维尔方程
量子力学中李维尔方程的类似物描述了混合态的时间演化。规范量子化法得到该定理的量子力学版本,即冯·诺依曼方程。这个过程通常用于构造经典系统的量子模拟,涉及用哈密顿力学描述一个经典系统。然后,将经典变量重新解释为量子算符,而泊松括号被换成对易子。在这种情况下,得到的方程为[10][11]:
其中, 是密度矩阵。
当应用于一个可观测量的期望值时,相应的方程由厄尔恩费斯特定理给出,形式为:
其中, 是一个可观测量。注意符号的差异,这源于假设算符是静止的,而态是时间依赖的。
在量子力学的相空间表述中,将 Moyal 括号代替泊松括号应用于冯·诺依曼方程的相空间类比,导致概率流体的可压缩性,从而违反了李维尔定理的不可压缩性。因此,这也导致了在定义有意义的量子轨迹时的困难。[12]
3. 例子
简谐振子(SHO)相空间体积
图 2:简单谐振子(SHO)相空间的时间演化。在这里,我们取 ,并考虑区域 。
考虑一个三维空间中的 颗粒系统,并仅关注 颗粒的演化。在相空间中,这些 颗粒占据一个由下式给出的无穷小体积:
我们希望 在时间上保持不变,以便 沿系统的轨迹保持恒定。如果我们允许粒子经历一个无穷小的时间步长 ,我们可以看到每个粒子的相空间位置变化如下:
其中, 和 分别表示 和 ,我们只保留了关于 的线性项。扩展到我们的无穷小超立方体 ,边长的变化为:
为了求得新的无穷小相空间体积 ,我们需要这些量的乘积。到 的一阶,我们得到以下结果:
到目前为止,我们还没有对系统做任何特定假设。现在我们假设 个 3 维各向同性简谐振子的情况。即,系统中的每个粒子可以视为一个简单的简谐振子。该系统的哈密顿量为:
利用上述哈密顿量和哈密顿方程,我们发现括号中的项恰好为零,从而得出:
由此,我们可以得到相空间的无穷小体积:
因此,我们最终发现无穷小相空间体积保持不变,从而得到:
证明了李约维尔定理在该系统中的成立。[13]
剩下的问题是相空间体积如何随时间演化。上面我们已经展示了总体积是守恒的,但没有说明它的具体形态。对于单个粒子,我们可以看到其在相空间中的轨迹是一个常量 的椭圆。通过显式解哈密顿方程,我们可以得到:
其中 和 分别表示第 个粒子的初始位置和动量。对于多粒子系统,每个粒子都有一个相空间轨迹,描绘出与粒子能量对应的椭圆。椭圆的旋转频率由哈密顿量中的 给出,与能量的差异无关。因此,相空间的某个区域将围绕点 旋转,旋转频率依赖于 。
阻尼谐振子
图 3:阻尼谐振子的相空间体积演化。使用与简单谐振子相同的参数值,其中 ()。
为了看到李奥维尔定理不适用的例子,我们可以修改简单谐振子的运动方程,以考虑摩擦或阻尼效应。再次考虑一个系统,其中每个粒子都在三维各向同性的谐振势中,其哈密顿量如前述示例所示。这次,我们加入一个条件,每个粒子都受到摩擦力 的作用,其中 是一个正的常数,决定了摩擦的大小。由于这是一个非保守力,我们需要扩展哈密顿方程为:
与简单谐振子的运动方程不同,这些修改后的方程不再是哈密顿方程的形式,因此我们不期望李奥维尔定理成立。相反,如本节动画所示,典型的相空间体积将在这些运动方程下收缩。
为了明确看到李奥维尔定理的违反,我们可以按照与无阻尼谐振子类似的程序进行,并再次得到:
计算我们的新微小相空间体积,并仅保留 的一阶项,我们得到如下结果:
我们发现微小的相空间体积不再是常数,因此相空间密度不再守恒。可以从方程中看到,随着时间的推移,我们预计相空间体积会随着摩擦力的作用而减少至零。
至于相空间体积如何随时间演化,我们仍然会像无阻尼情况下那样看到恒定的旋转。然而,阻尼会引入每个椭圆半径的持续减小。我们可以使用哈密顿方程显式地求解轨迹,注意使用上述修改后的方程。为了方便起见,设定 ,我们得到:
其中 和 分别表示第 个粒子的初始位置和动量。随着系统的演化,总的相空间体积将螺旋式地收缩到原点。这可以从上图中看到。
4. 备注
李欧维尔方程适用于平衡系统和非平衡系统。它是非平衡统计力学的一个基本方程。
李欧维尔方程是波动定理的证明中的关键部分,从中可以推导出热力学第二定律。它还是推导格林–库博关系的关键组成部分,格林–库博关系用于线性输运系数,如剪切粘度、热导率或电导率。
几乎任何一本关于哈密顿力学、先进统计力学或辛几何的教科书都会推导李欧维尔定理。[9][15][16][17][18]
在等离子体物理中,弗拉索夫方程可以解释为李欧维尔定理,这将解决弗拉索夫方程的任务简化为单粒子运动的问题。[19] 通过使用李欧维尔定理,例如在能量或磁矩守恒的条件下,可以利用已知的粒子分布函数确定未知的场,反之亦然。这种方法称为李欧维尔映射。[19]
5. 参见
- 波尔兹曼输运方程
- 可逆参考系统传播算法(r-RESPA)
6. 参考文献
- Harald J. W. Müller-Kirsten, *Basics of Statistical Physics*, 2nd ed., World Scientific (Singapore, 2013)
- Kubo, Ryogo (1963-02-01). "Stochastic Liouville Equations". *Journal of Mathematical Physics*, 4 (2): 174–183. Bibcode:1963JMP.....4..174K. doi:10.1063/1.1703941. ISSN 0022-2488.
- J. W. Gibbs, "On the Fundamental Formula of Statistical Mechanics, with Applications to Astronomy and Thermodynamics." *Proceedings of the American Association for the Advancement of Science*, 33, 57–58 (1884). Reproduced in *The Scientific Papers of J. Willard Gibbs*, Vol II (1906), p. 16.
- Gibbs, Josiah Willard (1902). *Elementary Principles in Statistical Mechanics*. New York: Charles Scribner's Sons.
- Liouville, Joseph (1838). "Sur la Theorie de la Variation des constantes arbitraires" (PDF). *Journal de mathématiques pures et appliquées*, 3: 342–349.
- Ehrendorfer, Martin. "The Liouville Equation: Background - Historical Background". *The Liouville Equation in Atmospheric Predictability* (PDF). pp. 48–49.
- Harald J.W. Müller-Kirsten, *Introduction to Quantum Mechanics: Schrödinger Equation and Path Integral*, 2nd ed., World Scientific (Singapore, 2012).
- Nakahara, Mikio (2003). *Geometry, Topology, and Physics* (2 ed.). Taylor & Francis Group. pp. 201–204. ISBN 978-0-7503-0606-5.
- Nash, Oliver (8 January 2015). "Liouville's theorem for pedants" (PDF). Proves Liouville's theorem using the language of modern differential geometry.
- The Theory of Open Quantum Systems, by Breuer and Petruccione, p. 110.
- Schwabl, *Statistical Mechanics*, p. 16.
- Oliva, Maxime; Kakofengitis, Dimitris; Steuernagel, Ole (2018). "Anharmonic quantum mechanical systems do not feature phase space trajectories". *Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications*, 502: 201–210. arXiv:1611.03303. Bibcode:2018PhyA..502..201O. doi:10.1016/j.physa.2017.10.047. S2CID 53691877.
- Kardar, Mehran (2007). *Statistical Physics of Particles*. University of Cambridge Press. pp. 59–60. ISBN 978-0-521-87342-0.
- Eastman, Peter (2014–2015). "Evolution of Phase Space Probabilities".
- For a particularly clear derivation see Tolman, R. C. (1979). *The Principles of Statistical Mechanics*. Dover. pp. 48–51. ISBN 9780486638966.
- "Phase Space and Liouville's Theorem". Retrieved January 6, 2014. Nearly identical to proof in this Wikipedia article. Assumes (without proof) the n-dimensional continuity equation.
- "Preservation of phase space volume and Liouville's theorem". Retrieved January 6, 2014. A rigorous proof based on how the Jacobian volume element transforms under Hamiltonian mechanics.
- "Physics 127a: Class Notes" (PDF). Retrieved January 6, 2014. Uses the n-dimensional divergence theorem (without proof).
- Schwartz, S. J., Daly, P. W., and Fazakerley, A. N., 1998, *Multi-Spacecraft Analysis of Plasma Kinetics*, in *Analysis Methods for Multi-Spacecraft Data*, edited by G. Paschmann and P. W. Daly, no. SR-001 in ISSI Scientific Reports, chap. 7, pp. 159–163, ESA Publ. Div., Noordwijk, Netherlands.
7. 进一步阅读
- Murugeshan, R. *Modern Physics*. S. Chand.
- Misner, Charles W.; Thorne, Kip S.; Wheeler, John Archibald (1973). "Kinetic Theory in Curved Spacetime". *Gravitation*. Freeman. pp. 583–590. ISBN 9781400889099.
8. 外部链接
- "Phase space distribution functions and Liouville's theorem".
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