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Atascado con la derivación de la función de correlación de la Mecánica Estadística de Huang

Contexto

Sección $16.2$ de Mecánica Estadística de Kerson Huang ( $2$ nd edition) trata de una derivación de la función de correlación de dos puntos $\Gamma({\bf r})$ definido en términos de una densidad de parámetros de orden $m({\bf r})$ como $$\Gamma({\bf r})\equiv \big\langle m({\bf r})m(0)\big\rangle-\big\langle m({\bf r})\big\rangle\big\langle m(0)\big\rangle\tag{1}$$ donde $\langle..\rangle$ denota la media del conjunto. Para ser explícitos, por ejemplo, $$\langle m({\bf r})\rangle\equiv \sum\limits_{m({\bf r})}m({\bf r})e^{-\beta\mathcal{H}}$$ donde $\mathcal{H}$ es el Hamiltoniano del sistema. ¡Todo esto está bien, pero estoy atascado con algo que suele ser un paso bastante trivial!


Utiliza la convención de la transformada de Fourier y la transformada inversa $$m({\bf r})=\int \frac{d^3k}{(2\pi)^3} e^{+i{\bf k}\cdot{\bf r}}\tilde{m}({\bf k}),~~ \tilde{m}({\bf k})=\int d^3x e^{-i{\bf k}\cdot{\bf r}}m({\bf r}).\tag{2}$$ Con esto, hace la problemática afirmación de que (ver justo arriba la Ec. $16.11$ ), $$\boxed{\big\langle\tilde{m}({\bf k})\tilde{m}({\bf p})\big\rangle=(2\pi)^3\delta^{(3)}({\bf k}+{\bf p})|\tilde{m}({\bf k})|^2.}\tag{3}$$ Para derivar la Ec.(3), se suele proceder $$\big\langle \tilde{m}({\bf k})\tilde{m}({\bf p})\big\rangle=\big\langle\int d^3x \int d^3x^\prime e^{-i{\bf k}\cdot{\bf r}}e^{-i{\bf p}\cdot{\bf r}^\prime} m({\bf r})m({\bf r}^\prime)\big\rangle\tag{4}$$ si los dos momentos fueran iguales. Pero aquí no veo ninguna forma estándar de reducirlo a la expresión $(3)$ . Así que la pregunta es, ¿cómo consigue Ec. $(3)$ ?

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Kevin Zhou Puntos 1670

Tenemos \begin{align} \langle \tilde{m}({\bf k})\tilde{m}({\bf p})\rangle &= \bigg\langle\int d\mathbf{r} \int d\mathbf{r}' e^{-i{\bf k}\cdot{\bf r}}e^{-i{\bf p}\cdot{\bf r}^\prime} m({\bf r})m(\mathbf{r}')\bigg\rangle \\ &= \int d\mathbf{r} \int d\mathbf{r}'' e^{-i{\bf k}\cdot{\bf r}}e^{-i{\bf p}\cdot (\mathbf{r} + \mathbf{r}'')} \langle m({\bf r})m(\mathbf{r} + \mathbf{r}'') \rangle\\ &= \int d\mathbf{r} \int d\mathbf{r}'' e^{-i (\mathbf{k} + \mathbf{p}) \cdot{\bf r}}e^{-i{\bf p}\cdot \mathbf{r}''} \langle m({\bf 0})m(\mathbf{r}'')\rangle \\ &= (2 \pi)^3 \delta(\mathbf{k} + \mathbf{p}) \int d\mathbf{r}'' e^{-i{\bf p}\cdot \mathbf{r}''} \langle m({\bf 0})m(\mathbf{r}'')\rangle\\ \end{align} donde he desplazado la variable de integración a $\mathbf{r}'' = \mathbf{r}' - \mathbf{r}$ y usó la linealidad de la expectativa, luego usó la simetría traslacional, luego hizo la $\mathbf{r}$ integral.

Presumiblemente, esto significa que Huang define $$|\tilde{m}(\mathbf{k})|^2 = \int d\mathbf{r} \, e^{-i{\bf k}\cdot \mathbf{r}} \langle m({\bf 0})m(\mathbf{r})\rangle.$$ Esta notación es muy engañosa, porque el lado derecho no es realmente igual a la norma al cuadrado de $\tilde{m}(\mathbf{k})$ como se desprende del análisis dimensional. (Está estrechamente relacionado, como se puede ver adaptando el argumento anterior, pero difiere en un factor de $(2\pi)^3 \delta(\mathbf{0})$ .) Si Huang hubiera sido cuidadoso, habría utilizado una notación diferente, como por ejemplo $$S(\mathbf{k}) = \int d\mathbf{r} \, e^{-i{\bf k}\cdot \mathbf{r}} \langle m({\bf 0})m(\mathbf{r})\rangle$$ que es la notación estándar para una densidad espectral de potencia, en cuyo caso el resultado final sería $$\langle \tilde{m}({\bf k})\tilde{m}({\bf p})\rangle = (2 \pi)^3 \delta(\mathbf{k} + \mathbf{p}) S(\mathbf{k}).$$ Pero, ¿por qué Huang utiliza una notación tan mala? Mi impresión es que, en general, es una chapuza, lo que explica las pésimas críticas del libro en todo Internet. Los libros cuidadosos, como el de Kardar, nunca cometerían tales errores.

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