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Prueba de que la solución de la ecuación de von Neumann fluctuará para siempre si el hamiltoniano y la matriz de densidad inicial no conmutan

Dada la ecuación de von Neumann $$\frac{d}{dt} \rho(t) = -i [H, \rho(t)] = -i e^{-iHt}[H, \rho(0)]e^{iHt}.$$

Si sabemos que $[H, \rho(0)] \neq 0$ ¿Cómo demostramos que la solución fluctúa para siempre? (la estabilización significa que la fluctuación se aproxima a cero, pero la derivada puede seguir siendo grande, por lo que aquí, queremos demostrar que oscilará eternamente y nunca se amortiguará).

Matemáticamente, $H$ es una matriz hermitiana y $\rho(t)$ es una matriz cuadrada con traza uno, positiva y autoadjunta.

Necesitamos una prueba matemática que particularmente utilizando el hecho de que $[H, \rho(0)] \neq 0$ es decir $H\rho(0)\neq\rho(0)H$

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akrasia Puntos 980

No estoy seguro de entender del todo lo que quieres, pero aquí tienes al menos una respuesta parcial. Usted tiene $$ \det\left(\frac{d}{dt} \rho(t)\right) = (-i)^n \det(e^{-iHt}[H, \rho(0)]e^{iHt}) = (-i)^n \det([H, \rho(0)]), $$ para que el determinante de la derivada sea una constante no nula. Así, $\frac{d}{dt} \rho(t)$ está uniformemente acotado lejos de la matriz cero.

Un simple cálculo da como resultado $\frac{d^2}{dt^2}\rho(t)=(-i)^2e^{-iHt}[H,[H,\rho(0)]]e^{iHt}$ . Desde $\frac{d}{dt} \rho(t)$ está acotado lejos de cero y $\frac{d^2}{dt^2} \rho(t)$ está acotado, $\rho(t)$ no puede tener un límite. De hecho, puedes establecer un límite inferior a su "oscilación" (suponiendo que sea el tipo de oscilación que deseas).


La estimación de la oscilación: Supongamos que $f:\mathbb R\to\mathbb R^N$ es un $C^2$ para que $|f'|\geq a>0$ y $|f''|\leq A<\infty$ para algunas constantes $a$ y $A$ . (Esto se aplica en particular a su $\rho$ .) Por el teorema fundamental del cálculo $$ f(T+\tau)-f(T) = \tau f'(T)+\int_0^\tau\int_0^sf''(r)drds. $$ Así, para $\tau>0$ $$ |f(T+\tau)-f(T)| \geq \tau|f'(T)|-\int_0^\tau\int_0^s|f''(r)|drds \geq a\tau-\frac12A\tau^2. $$ Por lo tanto, $|f(T+\tau)-f(T)|$ tiene un límite por debajo uniformemente en $T$ si $\tau<2a/A$ . Podría tomar este comportamiento como una definición de oscilación sin fin.

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kixx Puntos 2452

En las bases propias de $H$ la matriz de densidad tiene elementos

$$\rho_{nm}(t)=\rho_{nm}(0)\exp[i(E_m-E_n)t]$$

donde $E_n$ son los valores propios de $H$ ya que usted asume que $\rho(0)$ no conmuta con $H$ hay elementos matriciales no nulos $\rho_{nm}(0)$ con $n\neq m$ . Así que estos elementos de la matriz oscilarán eternamente, sin ningún tipo de amortiguación.

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