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Annales De L Institut Henri Poincare-physique Theorique

Classical particle limit of non-relativistic quantum mechanics

Roberto Zucchini

Published Jan 1, 1984• 0 citations
OpenAlex

Abstract

We study the Classical Particle Limit of Non-Relativistic Quantum Mechanics. We show that the unitary group describing the evolution of the quantum fluctuation around any classical phase orbit has a classical limit as ħ→0 in the strong operator topology for a very large class of time independent scalar and vector potentials, which in practice covers all physically interesting cases. We also show that the mean values of the quantum mechanical position and velocity operators on suitable states, obtained by time evolution of the product of a Weyl operator centred around the large coordinates and momenta ħ −1/2 ξ and ħ −1/2 π and a fixed ħ-independent wave function, converge to the solution of the classical equations with initial data ξ, π as ħ→0 for a broad class of repulsive interactions On demontre que le groupe unitaire qui decrit l'evolution des fluctuations quantiques autour d'une orbite classique quelconque a une limite classique quand ħ→0 dans la topologie forte des operateurs, pour une vaste classe de potentiels qui couvre en pratique tous les cas physiquement interessants. On demontre que les valeurs moyennes des operateurs quantiques position et vitesse, dans des etats convenables obtenus par l'evolution temporelle du produit d'un operateur de Weyl centre autour de grandes coordonnees et de grandes impulsions ħ −1/2 ξ, ħ -1/2 π et d'une fonction d'onde independante de ħ, tendent vers la solution des equations classiques avec donnees initiales ξ, π quand ħ→0 pour une grande classe d'interactions repulsives

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Classical limit of a quantum particle in an external Yang-Mills field

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It is studied the classical limit of a quantum particle in an external non-abelian gauge field. It is shown that the unitary group describing the quantum fluctuations around any classic phase orbit has a classical limit when h tends to zero under very general conditions on the potentials. It is also proved the self-adjointness of the Hamilton's operator of the quantum theory for a large class of potentials. Some applications of the theory are finally exposed On etudie la limite classique d'une particule quantique dans un champ exterieur non abelien. On demontre que l'existence de la limite classique du groupe unitaire qui decrit les fluctuations quantiques autour d'une orbite classique quelconque est assuree par des conditions peu restrictives sur les potentiels. On demontre que l'operateur hamiltonien de la theorie quantique est auto-adjoint pour une large classe de potentiels

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On the classical limit of quantum mechanics I

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arXiv:1511.02447•Nov 8, 2015•1 citation

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Ce mémoire étudie un système quantique isolé constitué de deux corps lourds et d’un corps léger, interagissant par des potentiels inversement proportionnels à leurs distances. L’ion moléculaire H₂⁺ en fournit un exemple concret. L’analyse repose sur la grande différence de masse entre le corps léger et les deux corps lourds.La première partie considère les deux corps lourds comme des centres fixes. En mécanique classique, la séparation de l’équation de Hamilton-Jacobi en coordonnées elliptiques fait apparaître une intégrale première supplémentaire, distincte de l’énergie et de la composante du moment cinétique suivant l’axe des centres. En mécanique quantique, un opérateur hermitien correspondant est construit et sa commutation avec l’hamiltonien est établie. La séparation de l’équation de Schrödinger conduit à deux problèmes différentiels aux valeurs propres, liés par l’énergie et une constante de séparation. Le mémoire examine également la limite du champ central et l’impossibilité de la simplification proposée par un changement de coordonnées.La seconde partie prend en compte le mouvement des corps lourds. L’introduction de coordonnées relatives et de masses réduites permet de construire des approximations successives à partir de la solution à centres fixes, pour des états non dégénérés du corps léger. Une équation effective décrit le mouvement des corps lourds, tandis que des corrections à l’énergie et à la fonction d’onde expriment le couplage entre les trois corps. Lorsque les masses lourdes tendent vers l’infini, le mélange entre les états du corps léger disparaît : ses nombres quantiques prennent alors le caractère d’invariants adiabatiques.Enfin, un modèle quadratique local autour d’une séparation de référence est étudié pour préciser, dans un cas particulier, la localisation envisagée dans cette méthode d’approximation.

•May 31, 1968•0 citations

Quantum time scales and the classical limit: Analytic results for some simple systems

Adélcio C. Oliveira, Maria Carolina Nemes, K. M. Fonseca-Romero

We set up a semiclassical approximation which helps us clarify by means of several simple examples the rich variety of time scale in the quantum domain. The underlying structure of quantum and classical mechanics is so completly different that it is naive to expect to reach a classical regime by counting powers of the quantum scale variant Planck's over 2pi. We show although it is possible to define a time scale for nonclassical phenomena, but it is impossible to characterize quantum dynamics through a unique time scale, such as Ehrenfest's time. We use simple systems to critically discuss and illustrate these features of the quantum-classical limit.

Physical review. E, Statistical physics, plasmas, fluids, and related interdisciplinary topics•Sep 23, 2003•29 citations

Bosons de Tonks et Girardeau dans un anneau à une dimension

Christoph Schenke

Cette thèse comprend une analyse d'un système de N bosons de masse m, à une dimension (1D). Vue des efforts expérimentaux récents et de la perspective d'étudier plusieurs effets quantiques intéressants, nous choisissons une géométrie circulaire avec une circonférence L. Un potentiel extérieur dépendant du temps nous permet d'introduire un mécanisme qui change l'état du moment angulaire des bosons. Ce potentiel est de la forme d'une fonction delta de Dirac qui se déplace le long de l'anneau à une vitesse v et la force de ce potentiel vaut U_0. Il peut être vu comme une barrière qui met les bosons en rotation. Les interactions entre les bosons sont des interactions de contact, décrites dans le modèle de Lieb et Liniger. Puisque le potentiel extérieur ne garde pas la symétrie de translation de L'Hamiltonien du système l'équation de Schrödinger n'est pas résoluble de manière exacte en utilisant un Ansatz de Bethe. Cependant, dans les limites des bosons libres et des bosons impénétrables de Tonks et Girardeau des méthodes alternatives existent pour trouver une solution exacte. Le but de cette thèse est de résoudre l'équation de Schrödinger dans ces cas limites. La solution nous permet d'accéder aux observables intéressantes concernant les propriétés superfluides des bosons libres et du gaz de Tonks. Nous effectuons une analyse du courant des particules, de ses fluctuations et de la force de traînée. Nous trouvons un comportement superfluide en-dessous d'une vitesse critique v_c=ħπ/(mL) de la barrière. Une oscillation du courant et la force de traînée est observée pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, avec n un entier naturel. De plus, nous étudions la nature de l'état quantique du gaz de Tonks. Dans les analyses de la distribution des impulsions, de la fonction de Wigner et des images ``temps de vol'' pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, on trouve que l'état du système est une superposition macroscopique de deux sphères de Fermi, l'une centrée autour de l'impulsion égale à zéro et l'autre autour de l'impulsion égale à 2q, avec q=mv/ħ. Cet état est un état fortement corrélé, non-classique car la fonction de Wigner atteint des valeurs négatives.

•Oct 29, 2012•0 citations

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Cette thèse comprend une analyse d'un système de N bosons de masse m, à une dimension (1D). Vue des efforts expérimentaux récents et de la perspective d'étudier plusieurs effets quantiques intéressants, nous choisissons une géométrie circulaire avec une circonférence L. Un potentiel extérieur dépendant du temps nous permet d'introduire un mécanisme qui change l'état du moment angulaire des bosons. Ce potentiel est de la forme d'une fonction delta de Dirac qui se déplace le long de l'anneau à une vitesse v et la force de ce potentiel vaut U_0. Il peut être vu comme une barrière qui met les bosons en rotation. Les interactions entre les bosons sont des interactions de contact, décrites dans le modèle de Lieb et Liniger. Puisque le potentiel extérieur ne garde pas la symétrie de translation de L'Hamiltonien du système l'équation de Schrödinger n'est pas résoluble de manière exacte en utilisant un Ansatz de Bethe. Cependant, dans les limites des bosons libres et des bosons impénétrables de Tonks et Girardeau des méthodes alternatives existent pour trouver une solution exacte. Le but de cette thèse est de résoudre l'équation de Schrödinger dans ces cas limites. La solution nous permet d'accéder aux observables intéressantes concernant les propriétés superfluides des bosons libres et du gaz de Tonks. Nous effectuons une analyse du courant des particules, de ses fluctuations et de la force de traînée. Nous trouvons un comportement superfluide en-dessous d'une vitesse critique v_c=ħπ/(mL) de la barrière. Une oscillation du courant et la force de traînée est observée pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, avec n un entier naturel. De plus, nous étudions la nature de l'état quantique du gaz de Tonks. Dans les analyses de la distribution des impulsions, de la fonction de Wigner et des images ``temps de vol'' pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, on trouve que l'état du système est une superposition macroscopique de deux sphères de Fermi, l'une centrée autour de l'impulsion égale à zéro et l'autre autour de l'impulsion égale à 2q, avec q=mv/ħ. Cet état est un état fortement corrélé, non-classique car la fonction de Wigner atteint des valeurs négatives.

•Jan 1, 2012•0 citations
We study the Classical Particle Limit of Non-Relativistic Quantum Mechanics. We show that the unitary group describing the evolution of the quantum fluctuation around any classical phase orbit has a classical limit as ħ→0 in the strong operator topology for a very large class of time independent scalar and vector potentials, which in practice covers all physically interesting cases. We also show that the mean values of the quantum mechanical position and velocity operators on suitable states, obtained by time evolution of the product of a Weyl operator centred around the large coordinates and momenta ħ −1/2 ξ and ħ −1/2 π and a fixed ħ-independent wave function, converge to the solution of the classical equations with initial data ξ, π as ħ→0 for a broad class of repulsive interactions On demontre que le groupe unitaire qui decrit l'evolution des fluctuations quantiques autour d'une orbite classique quelconque a une limite classique quand ħ→0 dans la topologie forte des operateurs, pour une vaste classe de potentiels qui couvre en pratique tous les cas physiquement interessants. On demontre que les valeurs moyennes des operateurs quantiques position et vitesse, dans des etats convenables obtenus par l'evolution temporelle du produit d'un operateur de Weyl centre autour de grandes coordonnees et de grandes impulsions ħ −1/2 ξ, ħ -1/2 π et d'une fonction d'onde independante de ħ, tendent vers la solution des equations classiques avec donnees initiales ξ, π quand ħ→0 pour une grande classe d'interactions repulsives
It is studied the classical limit of a quantum particle in an external non-abelian gauge field. It is shown that the unitary group describing the quantum fluctuations around any classic phase orbit has a classical limit when h tends to zero under very general conditions on the potentials. It is also proved the self-adjointness of the Hamilton's operator of the quantum theory for a large class of potentials. Some applications of the theory are finally exposed On etudie la limite classique d'une particule quantique dans un champ exterieur non abelien. On demontre que l'existence de la limite classique du groupe unitaire qui decrit les fluctuations quantiques autour d'une orbite classique quelconque est assuree par des conditions peu restrictives sur les potentiels. On demontre que l'operateur hamiltonien de la theorie quantique est auto-adjoint pour une large classe de potentiels
This paper is devoted to the study of the classical limit of quantum mechanics. In more detail we will elaborate on a method introduced by Hepp in 1974 for studying the asymptotic behavior of quantum expectations in the limit as Plank's constant (ℏ)\hbar)ℏ) tends to zero. Our goal is to allow for unbounded observables which are (non-commutative) polynomial functions of the position and momentum operators. This is in contrast to Hepp's original paper where the observables were, roughly speaking, required to be bounded functions of the position and momentum operators. As expected the leading order contributions of the quantum expectations come from evaluating the observables along the classical trajectories while the next order contributions are computed by evolving the ℏ=1\hbar=1ℏ=1 observables by a linear canonical transformations which is determined by the second order pieces of the quantum mechanical Hamiltonian.
Ce mémoire étudie un système quantique isolé constitué de deux corps lourds et d’un corps léger, interagissant par des potentiels inversement proportionnels à leurs distances. L’ion moléculaire H₂⁺ en fournit un exemple concret. L’analyse repose sur la grande différence de masse entre le corps léger et les deux corps lourds.La première partie considère les deux corps lourds comme des centres fixes. En mécanique classique, la séparation de l’équation de Hamilton-Jacobi en coordonnées elliptiques fait apparaître une intégrale première supplémentaire, distincte de l’énergie et de la composante du moment cinétique suivant l’axe des centres. En mécanique quantique, un opérateur hermitien correspondant est construit et sa commutation avec l’hamiltonien est établie. La séparation de l’équation de Schrödinger conduit à deux problèmes différentiels aux valeurs propres, liés par l’énergie et une constante de séparation. Le mémoire examine également la limite du champ central et l’impossibilité de la simplification proposée par un changement de coordonnées.La seconde partie prend en compte le mouvement des corps lourds. L’introduction de coordonnées relatives et de masses réduites permet de construire des approximations successives à partir de la solution à centres fixes, pour des états non dégénérés du corps léger. Une équation effective décrit le mouvement des corps lourds, tandis que des corrections à l’énergie et à la fonction d’onde expriment le couplage entre les trois corps. Lorsque les masses lourdes tendent vers l’infini, le mélange entre les états du corps léger disparaît : ses nombres quantiques prennent alors le caractère d’invariants adiabatiques.Enfin, un modèle quadratique local autour d’une séparation de référence est étudié pour préciser, dans un cas particulier, la localisation envisagée dans cette méthode d’approximation.
We set up a semiclassical approximation which helps us clarify by means of several simple examples the rich variety of time scale in the quantum domain. The underlying structure of quantum and classical mechanics is so completly different that it is naive to expect to reach a classical regime by counting powers of the quantum scale variant Planck's over 2pi. We show although it is possible to define a time scale for nonclassical phenomena, but it is impossible to characterize quantum dynamics through a unique time scale, such as Ehrenfest's time. We use simple systems to critically discuss and illustrate these features of the quantum-classical limit.
Cette thèse comprend une analyse d'un système de N bosons de masse m, à une dimension (1D). Vue des efforts expérimentaux récents et de la perspective d'étudier plusieurs effets quantiques intéressants, nous choisissons une géométrie circulaire avec une circonférence L. Un potentiel extérieur dépendant du temps nous permet d'introduire un mécanisme qui change l'état du moment angulaire des bosons. Ce potentiel est de la forme d'une fonction delta de Dirac qui se déplace le long de l'anneau à une vitesse v et la force de ce potentiel vaut U_0. Il peut être vu comme une barrière qui met les bosons en rotation. Les interactions entre les bosons sont des interactions de contact, décrites dans le modèle de Lieb et Liniger. Puisque le potentiel extérieur ne garde pas la symétrie de translation de L'Hamiltonien du système l'équation de Schrödinger n'est pas résoluble de manière exacte en utilisant un Ansatz de Bethe. Cependant, dans les limites des bosons libres et des bosons impénétrables de Tonks et Girardeau des méthodes alternatives existent pour trouver une solution exacte. Le but de cette thèse est de résoudre l'équation de Schrödinger dans ces cas limites. La solution nous permet d'accéder aux observables intéressantes concernant les propriétés superfluides des bosons libres et du gaz de Tonks. Nous effectuons une analyse du courant des particules, de ses fluctuations et de la force de traînée. Nous trouvons un comportement superfluide en-dessous d'une vitesse critique v_c=ħπ/(mL) de la barrière. Une oscillation du courant et la force de traînée est observée pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, avec n un entier naturel. De plus, nous étudions la nature de l'état quantique du gaz de Tonks. Dans les analyses de la distribution des impulsions, de la fonction de Wigner et des images ``temps de vol'' pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, on trouve que l'état du système est une superposition macroscopique de deux sphères de Fermi, l'une centrée autour de l'impulsion égale à zéro et l'autre autour de l'impulsion égale à 2q, avec q=mv/ħ. Cet état est un état fortement corrélé, non-classique car la fonction de Wigner atteint des valeurs négatives.
Cette thèse comprend une analyse d'un système de N bosons de masse m, à une dimension (1D). Vue des efforts expérimentaux récents et de la perspective d'étudier plusieurs effets quantiques intéressants, nous choisissons une géométrie circulaire avec une circonférence L. Un potentiel extérieur dépendant du temps nous permet d'introduire un mécanisme qui change l'état du moment angulaire des bosons. Ce potentiel est de la forme d'une fonction delta de Dirac qui se déplace le long de l'anneau à une vitesse v et la force de ce potentiel vaut U_0. Il peut être vu comme une barrière qui met les bosons en rotation. Les interactions entre les bosons sont des interactions de contact, décrites dans le modèle de Lieb et Liniger. Puisque le potentiel extérieur ne garde pas la symétrie de translation de L'Hamiltonien du système l'équation de Schrödinger n'est pas résoluble de manière exacte en utilisant un Ansatz de Bethe. Cependant, dans les limites des bosons libres et des bosons impénétrables de Tonks et Girardeau des méthodes alternatives existent pour trouver une solution exacte. Le but de cette thèse est de résoudre l'équation de Schrödinger dans ces cas limites. La solution nous permet d'accéder aux observables intéressantes concernant les propriétés superfluides des bosons libres et du gaz de Tonks. Nous effectuons une analyse du courant des particules, de ses fluctuations et de la force de traînée. Nous trouvons un comportement superfluide en-dessous d'une vitesse critique v_c=ħπ/(mL) de la barrière. Une oscillation du courant et la force de traînée est observée pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, avec n un entier naturel. De plus, nous étudions la nature de l'état quantique du gaz de Tonks. Dans les analyses de la distribution des impulsions, de la fonction de Wigner et des images ``temps de vol'' pour une vitesse de la barrière v=n*v_c, on trouve que l'état du système est une superposition macroscopique de deux sphères de Fermi, l'une centrée autour de l'impulsion égale à zéro et l'autre autour de l'impulsion égale à 2q, avec q=mv/ħ. Cet état est un état fortement corrélé, non-classique car la fonction de Wigner atteint des valeurs négatives.