Теорема Пуанкаре о возвращении - Poincaré recurrence theorem

«Время повторения» перенаправляется сюда. О концепции из эргодической теории см. Эргодическая теория § Время пребывания.

В физика, то Теорема Пуанкаре о возвращении утверждает, что определенные системы через достаточно долгое, но конечное время вернутся в состояние, произвольно близкое (для систем с непрерывным состоянием) или точно такое же, как (для систем с дискретным состоянием), их начальному состоянию.

В Время повторения Пуанкаре время, прошедшее до повторения; это время может сильно варьироваться в зависимости от точного исходного состояния и требуемой степени близости. Результат применим к изолированным механическим системам с некоторыми ограничениями, например, все частицы должны быть связаны с конечным объемом. Теорема обычно обсуждается в контексте эргодическая теория, динамические системы и статистическая механика. Системы, к которым применима теорема Пуанкаре о возвращении, называются консервативные системы.

Теорема названа в честь Анри Пуанкаре, который обсуждал это в 1890 г.^[1][2] и доказано Константин Каратеодори с помощью теория меры в 1919 г.^[3][4]

Точная рецептура

Любой динамическая система определено обыкновенное дифференциальное уравнение определяет карта потока ж ^т отображение фазовое пространство на себя. Система называется сохраняющий объем если объем множества в фазовом пространстве инвариантен относительно потока. Например, все Гамильтоновы системы сохраняют объем благодаря Теорема Лиувилля. Теорема такова: если поток сохраняет объем и имеет только ограниченные орбиты, то для каждого открытого множества существуют орбиты, пересекающие множество бесконечно часто.^[5]

Обсуждение доказательств

Доказательство, говоря качественно, опирается на две посылки:^[6]

1. Для общего потенциально доступного объема фазового пространства можно установить конечную верхнюю границу. Для механической системы эту границу можно получить, потребовав, чтобы система содержалась в ограниченном физический область пространства (так что она не может, например, выбрасывать частицы, которые никогда не возвращаются) - в сочетании с сохранением энергии это блокирует систему в конечной области в фазовом пространстве.
2. Фазовый объем конечного элемента в динамике сохраняется. (для механической системы это обеспечивается Теорема Лиувилля )

Представьте себе любой конечный начальный объем фазовое пространство и следовать его пути в динамике системы. Объем "перемещает" точки фазового пространства по мере своего развития, и "фронт" этого перемещения имеет постоянный размер. Со временем исследуемый фазовый объем (известный как «фазовая трубка») растет линейно, по крайней мере, сначала. Но поскольку доступный фазовый объем конечен, объем фазовой трубки в конечном итоге должен насыщаться, потому что он не может расти больше доступного объема. Это означает, что фазовая трубка должна пересекаться. Однако для того, чтобы пересечь себя, он должен сначала пройти через начальный объем. Следовательно, как минимум конечная часть начального объема является повторяющейся.

Теперь рассмотрим размер невозвратной части объема начальной фазы - той части, которая никогда не возвращается к начальному объему. Используя принцип, рассмотренный в последнем абзаце, мы знаем, что если невозвратная часть конечна, то конечная часть невозвратной части должна возвращаться. Но это было бы противоречием, поскольку любая часть невозвратной части, которая возвращается, также возвращается к исходному начальному объему. Таким образом, невозвратная часть начального объема не может быть конечной и должна быть бесконечно меньше, чем сам начальный объем. Q.E.D.

Теорема не комментирует некоторые аспекты повторяемости, которые это доказательство не может гарантировать:

• Могут быть некоторые особые фазы, которые никогда не возвращаются к начальному объему фазы или которые возвращаются к начальному объему только конечное число раз, а затем никогда не возвращаются снова. Однако они крайне «редки», составляя бесконечно малую часть любого начального объема.
• Не все части фазового объема должны возвращаться одновременно. Некоторые «пропустят» начальный объем на первом проходе, но вернутся позже.
• Ничто не мешает фазовой трубке полностью вернуться в свой начальный объем до того, как будет исчерпан весь возможный фазовый объем. Тривиальный пример этого - гармонический осциллятор. Системы, охватывающие весь доступный фазовый объем, называются эргодический (это, конечно, зависит от определения «доступный объем»).
• Что может Можно сказать, что для «почти любой» начальной фазы система в конечном итоге вернется произвольно близко к этой начальной фазе. Время повторения зависит от требуемой степени близости (размера фазового объема). Чтобы добиться большей точности повторения, нам нужно брать меньший начальный объем, что означает более длительное время повторения.
• Для данной фазы в томе повторение не обязательно является периодическим повторением. Второе время повторения не обязательно должно быть вдвое больше, чем первое время повторения.

Официальное заявление

Позволять

${\displaystyle (X,\Sigma ,\mu )}$

быть конечным измерить пространство и разреши

${\displaystyle f\colon X\to X}$

быть сохраняющее меру преобразование. Ниже приведены два альтернативных утверждения теоремы.

Теорема 1.

Для любого ${\displaystyle E\in \Sigma }$, множество этих точек ${\displaystyle x}$ из ${\displaystyle E}$ для которого существует ${\displaystyle N\in \mathbb {N} }$ такой, что ${\displaystyle f^{n}(x)\notin E}$ для всех ${\displaystyle n>N}$ имеет нулевую меру.

Другими словами, почти каждая точка ${\displaystyle E}$ возвращается к ${\displaystyle E}$. Фактически, почти каждая точка возвращается бесконечно часто; т.е.

${\displaystyle \mu \left(\{x\in E:{\text{ there exists }}N{\text{ such that }}f^{n}(x)\notin E{\text{ for all }}n>N\}\right)=0.}$

Для доказательства см. Процитированную ссылку.^[7]

Теорема 2.

Ниже приводится топологическая версия этой теоремы:

Если ${\displaystyle X}$ это счетный Пространство Хаусдорфа и ${\displaystyle \Sigma }$ содержит Борелевская сигма-алгебра, то множество повторяющихся точек ${\displaystyle f}$ имеет полную меру. То есть почти каждая точка повторяется.

Для доказательства см. Процитированную ссылку.^[8]

В более общем смысле теорема применяется к консервативные системы и не только к динамическим системам, сохраняющим меру. Грубо говоря, можно сказать, что консервативные системы - это как раз те, к которым применима теорема о возвращении.

Квантовая механическая версия

Для не зависящих от времени квантово-механических систем с дискретными собственными состояниями энергии справедлива аналогичная теорема. Для каждого ${\displaystyle \varepsilon >0}$ и ${\displaystyle T_{0}>0}$ есть время Т больше, чем ${\displaystyle T_{0}}$, так что ${\displaystyle ||\psi (T)\rangle -|\psi (0)\rangle |<\varepsilon }$, куда ${\displaystyle |\psi (t)\rangle }$ обозначает вектор состояния системы в момент временит.^[9][10][11]

Существенные элементы доказательства следующие. Система развивается во времени в соответствии с:

${\displaystyle |\psi (t)\rangle =\sum _{n=0}^{\infty }c_{n}\exp(-iE_{n}t)|\phi _{n}\rangle }$

где ${\displaystyle E_{n}}$ - собственные значения энергии (мы используем натуральные единицы, поэтому ${\displaystyle \hbar =1}$ ), а ${\displaystyle |\phi _{n}\rangle }$ являются собственными состояниями энергии. Квадрат нормы разности вектора состояния во времени ${\displaystyle T}$ и нулевое время можно записать как:

${\displaystyle ||\psi (T)\rangle -|\psi (0)\rangle |^{2}=2\sum _{n=0}^{\infty }|c_{n}|^{2}[1-\cos(E_{n}T)]}$

Мы можем усечь суммирование на некоторых п = N независим от Т, потому что

${\displaystyle \sum _{n=N+1}^{\infty }|c_{n}|^{2}[1-\cos(E_{n}T)]\leq 2\sum _{n=N+1}^{\infty }|c_{n}|^{2}}$

который можно сделать сколь угодно малым, увеличив N, как сумма ${\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }|c_{n}|^{2}}$, являясь квадратом нормы исходного состояния, сходится к 1.

Конечная сумма

${\displaystyle \sum _{n=0}^{N}|c_{n}|^{2}[1-\cos(E_{n}T)]}$

можно сделать сколь угодно малым для конкретного выбора времени Т, согласно следующей конструкции. Выберите произвольный ${\displaystyle \delta >0}$, а затем выберите Т такие, что есть целые числа ${\displaystyle k_{n}}$ это удовлетворяет

${\displaystyle |E_{n}T-2\pi k_{n}|<\delta }$,

для всех номеров ${\displaystyle 0\leq n\leq N}$. Для этого конкретного выбора Т,

${\displaystyle 1-\cos(E_{n}T)<{\frac {\delta ^{2}}{2}}.}$

Таким образом, у нас есть:

${\displaystyle 2\sum _{n=0}^{N}|c_{n}|^{2}[1-\cos(E_{n}T)]<\delta ^{2}\sum _{n=0}^{N}|c_{n}|^{2}<\delta ^{2}}$.

Вектор состояния ${\displaystyle |\psi (T)\rangle }$ таким образом возвращается произвольно близко к начальному состоянию ${\displaystyle |\psi (0)\rangle }$.

Смотрите также

• Эргодическая гипотеза
• Сюжет повторения
• Энтропия плотности периода повторяемости
• Странствующий набор
• Мозг Больцмана

Рекомендации

1. Пуанкаре, Х. (1890). "Sur le problème des trois corps et les équations de la Dynamique". Acta Math. 13: 1–270.
2. Пуанкаре, Uvres VII, 262–490 (теорема 1, раздел 8)
3. Каратеодори, К. (1919). "Убер ден Видеркерзац фон Пуанкаре". Берл. Sitzungsber: 580–584.
4. Каратеодори, Ges. математика. Schr. IV, 296–301
5. Баррейра, Луис (2006). Замбрини, Жан-Клод (ред.). Повторение Пуанкаре: старое и новое. XIV Международный конгресс по математической физике. Всемирный научный. С. 415–422. Дои:10.1142/9789812704016_0039. ISBN  978-981-256-201-2.
6. Гиббс, Джозия Уиллард (1902). Элементарные принципы статистической механики. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера. Глава X.
7. "доказательство теоремы Пуанкаре о возвращении 1". PlanetMath.
8. "доказательство теоремы Пуанкаре о возвращении 2". PlanetMath.
9. Bocchieri, P .; Loinger, A. (1957). «Квантовая теорема о возвращаемости». Phys. Ред. 107 (2): 337–338. Bibcode:1957ПхРв..107..337Б. Дои:10.1103 / PhysRev.107.337.
10. Персиваль, И. (1961). «Почти периодичность и квантовая H-теорема». J. Math. Phys. 2 (2): 235–239. Bibcode:1961JMP ..... 2..235P. Дои:10.1063/1.1703705.
11. Шульман, Л. С. (1978). «Замечание о квантовой теореме о возвращении». Phys. Ред. А. 18 (5): 2379–2380. Bibcode:1978ПхРвА..18.2379С. Дои:10.1103 / PhysRevA.18.2379.

дальнейшее чтение

• Пейдж, Дон Н. (25 ноября 1994 г.). «Потеря информации в черных дырах и / или сознательных существах?». arXiv:hep-th / 9411193.

внешняя ссылка

• Падилья, Тони. «Самое долгое время». Numberphile. Брэди Харан. Архивировано из оригинал в 2013-11-27. Получено 2013-04-08.
• «Карта кошки Арнольда: интерактивная графическая иллюстрация теоремы Пуанкаре о возвращении».

Эта статья включает материал из теоремы Пуанкаре о возвращении PlanetMath, который находится под лицензией Лицензия Creative Commons Attribution / Share-Alike.