Thermodynamikvorlesung von Prof. Dr. E. Schöll, PhD
{{#set:Urheber=Prof. Dr. E. Schöll, PhD|Inhaltstyp=Script|Kapitel=2|Abschnitt=3}}
__SHOWFACTBOX__
Klassischer Zustandsraum
mit
→ quantenmechanischer Zustandsraum
(Hilbertraum)
![{\displaystyle \left|\Psi \right\rangle \in H}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/70a4f92c6eefa1da9d7cd291944c49b8196382d7)
Basis (vollständiges ONS):
mit
Orthonormierung und Vollständigkeit
Entwicklung
Ortsdarstellung der Wellenfunktion
Klassische Phasenraumfunktion M:
(Ms kommutieren):
→ quantenmechanische Observablen (Hermitesch):
kommutieren im Allgemeinen nicht!
Quantisierung = Aufstellung von Vertauschungsrelationen!
{{#set:Definition=Maximalmessung|Index=Maximalmessung}}
Klassische Messwerte:
Spektraldarstellung{{#set:Fachbegriff=Spektraldarstellung|Index=Spektraldarstellung}}:
![{\displaystyle {\hat {M}}\left|\alpha \right\rangle =\sum \limits _{}^{}{\left|\alpha {\acute {\ }}\right\rangle {{M}_{\alpha }}\left\langle \alpha {\acute {\ }}\right|}\left|\alpha \right\rangle }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1f472f88d1942658c816024484eb0ab51e9ddae7)
denn:
![{\displaystyle {\begin{aligned}&{\hat {M}}=\sum \limits _{\alpha }^{}{{\hat {M}}\left|\alpha \right\rangle \left\langle \alpha \right|}=\sum \limits _{\alpha }^{}{\left|\alpha \right\rangle {{M}_{\alpha }}\left\langle \alpha \right|}\\&\left|\alpha \right\rangle \left\langle \alpha \right|:={{\hat {P}}_{\alpha }}\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3a647410e756330f5d52959e3e60c7b49f938588)
Projektionsoperator auf den Zustand Alpha:
Observable: Ist das System im Zustand
Quantenmechanische Erwartungswerte einer Messung[edit | edit source]
heißt reiner Zustand{{#set:Fachbegriff=reiner Zustand|Index=reiner Zustand}} (Vektorzustand)
Wahrscheinlichkeit für das Resultat
im Zustand
(Maximalmessung):
![{\displaystyle {{\left|\left\langle \alpha |\Psi \right\rangle \right|}^{2}}=\left\langle \Psi |\alpha \right\rangle \left\langle \alpha |\Psi \right\rangle =\left\langle \Psi \right|{{\hat {P}}_{\alpha }}\left|\Psi \right\rangle ={{P}_{\alpha }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/85a0a500c118537bf0653e25108795acb2546f21)
Erwartungswert von
im Zustand
:
![{\displaystyle \left\langle {\hat {M}}\right\rangle =\left\langle \Psi \right|{\hat {M}}\left|\Psi \right\rangle =\sum \limits _{\alpha }^{}{}\left\langle \Psi \right|{\hat {M}}\left|\alpha \right\rangle \left\langle \alpha |\Psi \right\rangle =\sum \limits _{\alpha ,\alpha {\acute {\ }}}^{}{}\left\langle \Psi |\alpha {\acute {\ }}\right\rangle \left\langle \alpha |\Psi \right\rangle \left\langle \alpha {\acute {\ }}\right|{\hat {M}}\left|\alpha \right\rangle }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/da3f7e721d59455cf28f4f3a1d00a87b905e5e0c)
Falls
Eigenbasis zu
:
![{\displaystyle {\begin{aligned}&\left\langle {\hat {M}}\right\rangle =\left\langle \Psi \right|{\hat {M}}\left|\Psi \right\rangle =\sum \limits _{\alpha }^{}{}\left\langle \Psi |\alpha \right\rangle \left\langle \alpha |\Psi \right\rangle {{M}_{\alpha }}=\\&=\sum \limits _{\alpha }^{}{}{{P}_{\alpha }}{{M}_{\alpha }}\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d0aa879efede68f9aca23a8a607e2058c314e15a)
Schreibweise mit Projektor auf Zustand
:
![{\displaystyle {\begin{aligned}&\left\langle {\hat {M}}\right\rangle =\left\langle \Psi \right|{\hat {M}}\left|\Psi \right\rangle =\sum \limits _{\alpha }^{}{}\left\langle \alpha |\Psi \right\rangle \left\langle \Psi \right|{\hat {M}}\left|\alpha \right\rangle =\sum \limits _{\alpha }^{}{}\left\langle \alpha \right|{{\hat {P}}_{\Psi }}{\hat {M}}\left|\alpha \right\rangle :=tr\left({{\hat {P}}_{\Psi }}{\hat {M}}\right)=tr\left({\hat {M}}{{\hat {P}}_{\Psi }}\right)\\&tr{\hat {X}}:=\sum \limits _{\alpha }^{}{}\left\langle \alpha \right|{\hat {X}}\left|\alpha \right\rangle \\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/651e13fd5e158a7ea800eba251ea100ca3c9b130)
in einer völlig beliebigen Basis
Satz: Die Spur ist invariant bei Basiswechsel:
![{\displaystyle {\begin{aligned}&tr{\hat {X}}:=\sum \limits _{\alpha }^{}{}\left\langle \alpha \right|{\hat {X}}\left|\alpha \right\rangle =\sum \limits _{\alpha ,\beta ,\beta {\acute {\ }}}^{}{}\left\langle \alpha |\beta \right\rangle \left\langle \beta \right|{\hat {X}}\left|\beta {\acute {\ }}\right\rangle \left\langle \beta {\acute {\ }}|\alpha \right\rangle =\sum \limits _{\beta ,\beta }^{}{}\left\langle \beta \right|{\hat {X}}\left|\beta {\acute {\ }}\right\rangle \sum \limits _{\alpha }^{}{}\left\langle \beta {\acute {\ }}|\alpha \right\rangle \left\langle \alpha |\beta \right\rangle \\&\sum \limits _{\alpha }^{}{}\left\langle \beta {\acute {\ }}|\alpha \right\rangle \left\langle \alpha |\beta \right\rangle =\left\langle \beta {\acute {\ }}|\beta \right\rangle ={{\delta }_{\beta {\acute {\ }}\beta }}\\&tr{\hat {X}}=\sum \limits _{\beta }^{}{}\left\langle \beta \right|{\hat {X}}\left|\beta \right\rangle \\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d4344063a775f8c42e0b2ae10d1df71182761458)
Also gleich in Basis Alpha wie Beta!
Quantenmechanisches Gemisch[edit | edit source]
Gemengezustand: Vergl. Fick: Grundlagen der Quantentheorie, Kapitel 7
- QM- Wahrscheinlichkeitsaussagen (prinzipielle Unschärfe)
Wahrscheinlichkeitsamplitude
- Unvollständige Information über den Mikrozustand des Systems (z.B., nach einer vollständigen Messung im Zustand
![{\displaystyle \left|\Psi \right\rangle }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a188fb3ddec3021c85bcf14514c2991f621e2ae2)
- wird vom Messergebnis nicht Kenntnis genommen!
Basis der Mikrozustände :
![{\displaystyle \left|\alpha \right\rangle }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3645cb270ed29e3eb6ec7dcd35ce4685325fe520)
→ sample set der Zufallsereignisse
![{\displaystyle {{P}_{\alpha }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6255668ed99ea37ea287272c01d5f881dc2fde6c)
Wahrscheinlichkeitsverteilung
![{\displaystyle \left\langle {\hat {M}}\right\rangle =\sum \limits _{\alpha }^{}{}{{P}_{\alpha }}\left\langle \alpha \right|{\hat {M}}\left|\alpha \right\rangle }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/722f3c4777bfb64a59f4668b9bc70f894857398d)
Erwartungswert, qm- Erwartungswert im Zustand
![{\displaystyle \left\langle {\hat {M}}\right\rangle =\sum \limits _{\alpha ,\beta }^{}{}{{P}_{\alpha }}\left\langle \alpha \right|{\hat {M}}\left|\beta \right\rangle \left\langle \beta |\alpha \right\rangle =\sum \limits _{\beta }^{}{}\sum \limits _{\alpha }^{}{}\left\langle \beta |\alpha \right\rangle {{P}_{\alpha }}\left\langle \alpha \right|{\hat {M}}\left|\beta \right\rangle =\sum \limits _{\beta }^{}{}\left\langle \beta \right|{\hat {\rho }}{\hat {M}}\left|\beta \right\rangle }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/945bb47fd6677b80751f8ed86649677760ad5155)
Also:
![{\displaystyle \left\langle {\hat {M}}\right\rangle =tr\left({\hat {\rho }}{\hat {M}}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a14f48c2ab383df96805a6ac8e460d42c0bfc135)
mit dem statistischen Operator (Dichtematrix
)
![{\displaystyle {\hat {\rho }}=\sum \limits _{\alpha }^{}{}\left|\alpha \right\rangle {{P}_{\alpha }}\left\langle \alpha \right|=\sum \limits _{\alpha }^{}{}{{P}_{\alpha }}{{\hat {P}}_{\alpha }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e22be8160705efa3868db74fec500851c5c81f8a)
Überlagerung der Projektoren mit dem statistischen Gewicht!
Bemerkung:
Reine Zustände → kohärente Überlagerung von Wahrscheinlichkeitsamplituden:
![{\displaystyle {\begin{aligned}&\left|\Psi \right\rangle =\sum \limits _{\alpha }^{}{}\left|\alpha \right\rangle \left\langle \alpha |\Psi \right\rangle \\&\left\langle {\hat {M}}\right\rangle =\sum \limits _{\alpha ,\alpha {\acute {\ }}}^{}{}\left\langle \Psi |\alpha \right\rangle \left\langle \alpha \right|{\hat {M}}\left|\alpha {\acute {\ }}\right\rangle \left\langle \alpha {\acute {\ }}|\Psi \right\rangle \\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7447de8cb09f1aa396b9b2f58efd4e614b44cb8a)
mit den quantenmechanischen Phasen
![{\displaystyle \left\langle \Psi |\alpha \right\rangle ,\left\langle \alpha {\acute {\ }}|\Psi \right\rangle }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ef67b912229312531f51da04dd42b0a4cbcd65bf)
Gemisch: Inkohärente Überlagerung von reinen Zuständen:
![{\displaystyle {\hat {\rho }}=\sum \limits _{\alpha }^{}{}\left|\alpha \right\rangle {{P}_{\alpha }}\left\langle \alpha \right|=\sum \limits _{\alpha }^{}{}{{P}_{\alpha }}{{\hat {P}}_{\alpha }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e22be8160705efa3868db74fec500851c5c81f8a)
![{\displaystyle \left\langle {\hat {M}}\right\rangle =tr\left({\hat {M}}{\hat {\rho }}\right)=\sum \limits _{\alpha ,\beta }^{}{}\left\langle \beta \right|{\hat {M}}\left|\alpha \right\rangle {{P}_{\alpha }}\left\langle \alpha |\beta \right\rangle =\sum \limits _{\beta }^{}{}{{P}_{\beta }}\left\langle \beta \right|{\hat {M}}\left|\beta \right\rangle }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e6c390cbba0e216986147f8af87db344ece71f53)
- keine quantenmechanischen Interferenzterme!
- → Die statistischen Operatoren nur der reinen Zustände können als Summe über Projektoren geschrieben werden!
Normierung des statistischen Operators:
![{\displaystyle {\begin{aligned}&tr{\hat {\rho }}=\sum \limits _{\alpha ,\beta }^{}{}\left\langle \beta |\alpha \right\rangle {{P}_{\alpha }}\left\langle \alpha |\beta \right\rangle \\&\left\langle \alpha |\beta \right\rangle ={{\delta }_{\alpha \beta }}\\&tr{\hat {\rho }}=\sum \limits _{\alpha }^{}{}{{P}_{\alpha }}=1\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/db8e7a2a3fc9f503c5f7ee7945955ed7aaf9ae9d)
Darstellung reiner Zustände
![{\displaystyle \left|\Psi \right\rangle :{\hat {\rho }}=\left|\Psi \right\rangle \left\langle \Psi \right|}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d51ff35def0d9a244e02166b70f63b9c8dffc22f)
Also: für reine Zustände ist der statistische Operator ein Projektor auf diesen reinen Zustand!
![{\displaystyle {\begin{aligned}&{\hat {\rho }}=\left|\Psi \right\rangle \left\langle \Psi \right|={{\hat {P}}_{\Psi }}\\&\Rightarrow \left\langle {\hat {M}}\right\rangle =tr\left({\hat {\rho }}{\hat {M}}\right)\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a3b92c73f17d0274a6b3c1581d95e0a6bf8002d7)
einheitliche Darstellung!!
Nebenbemerkung
Mathematische Formulierung des Zustandsbegriffs (klassisch + quantenmechanisch)
Zustand = normiertes, positives lineares Funktional auf der Algebra
der Observablen:
![{\displaystyle {\begin{aligned}&{\hat {\rho }}:M\to R\\&{\hat {M}}\to tr\left({\hat {\rho }}{\hat {M}}\right)=\left\langle {\hat {M}}\right\rangle \\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0feee593bda5f4f8e945e36b2be1fc8eb1eea7c1)
reiner Zustand = Extremalpunkt der konvexen menge der Zustände!
Shannon- Information:
Nebenbemerkung:
![{\displaystyle \ln {\hat {\rho }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9c0ffc1d57be24f1c1ff012bf2a676f942c4e1d9)
ist (wie alle Operatorfunktionen) definiert durch die Spektraldarstellung:
![{\displaystyle \ln {\hat {\rho }}=\sum \limits _{\alpha }^{}{\ln {{P}_{\alpha }}\left|\alpha \right\rangle \left\langle \alpha \right|}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/955aaae27e3bbe017387e1bea644c256ac5d77cc)
Informationsgewinn:
![{\displaystyle K\left(\rho ,\rho {\acute {\ }}\right)=tr\left[{\hat {\rho }}\left(\ln {\hat {\rho }}-\ln {\hat {\rho }}{\acute {\ }}\right)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cc338fc1c14374b5ec8a54459a1f8f19e9c87661)
Eigenschaften wie im klassischen Fall:
![{\displaystyle K\left(\rho ,\rho {\acute {\ }}\right)=tr\left[{\hat {\rho }}\left(\ln {\hat {\rho }}-\ln {\hat {\rho }}{\acute {\ }}\right)\right]\geq 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/07c325240aeba7fef1f3045a118cd387ccf1c4dd)
Verallgemeinerter kanonischer statistischer Operator[edit | edit source]
Vorurteilsfreie Schätzung unter Nebenbedingungen
![{\displaystyle K\left(\rho ,\rho {\acute {\ }}\right)=tr\left[{\hat {\rho }}\left(\ln {\hat {\rho }}-\ln {\hat {\rho }}{\acute {\ }}\right)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cc338fc1c14374b5ec8a54459a1f8f19e9c87661)
Voraussetzung: Die reinen Zustände
haben die gleiche a-priori- Wahrscheinlichkeit
ist durch Maximalmessung gegeben!
![{\displaystyle {\begin{aligned}&{\hat {\rho }}=\exp \left(\Psi -{{\lambda }_{n}}{{\hat {M}}^{n}}\right)\\&\Psi =-\ln tr\left(\exp \left(-{{\lambda }_{n}}{{\hat {M}}^{n}}\right)\right)\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/257b7fc0438820b09844799d32f8a6c9bc8c61bb)
Nebenbemerkung:
Die
müssen nicht miteinander kommutieren, aber
damit sie Erhaltungsgrößen sind! (im thermodynamischen Gleichgewicht)
{{#set:Definition=Kanonischer Statistischer Operator|Index=Kanonischer Statistischer Operator}}
Übung:
Berechnung der Fermi / Boseverteilung
![{\displaystyle \left\langle {\hat {N}}\right\rangle =tr\left({\hat {\rho }}{\hat {N}}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8bd6a392e46af7f5d8557fbafafc1c21be026fb7)
Hilbertraum des großkanonischen statistischen Operators:
![{\displaystyle H=\sum \limits _{N=0}^{\infty }{}{{H}^{N}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/10228996e3f2c3daeb21d08fc3bdac83ef5f9f7a)
(Fock- Raum)