Liouville-Gleichung

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Die Liouville-Gleichung, nach Joseph Liouville, ist eine Beschreibung der zeitlichen Entwicklung eines physikalischen Systems in der statistischen Mechanik, im Hamilton-Formalismus der klassischen Mechanik und in der Quantenmechanik, dort auch Von-Neumann-Gleichung genannt. Die Liouville-Gleichung besagt anschaulich, dass das Volumen einer beliebigen Teilmenge des Phasenraums unter einer zeitlichen Entwicklung erhalten bleibt, das heißt, dass der Fluss durch den Phasenraum volumen- und sogar orientierungserhaltend ist.

Klassische Gleichung[Bearbeiten]

In der statistischen Physik kann ein Ensemble von Realisierungen eines physikalischen Systems durch eine Wahrscheinlichkeitsdichte \rho im Phasenraum charakterisiert werden ("Phasenraumdichte"). Für die zeitliche Entwicklung eines solchen Ensembles gilt


\frac{d \rho }{dt}=\frac{\partial \rho }{\partial t}+\sum_{i=1}^{N}\left[ 
\frac{\partial \rho }{\partial q_{i}}\dot{q}_{i}+\frac{\partial \rho }{\partial p_{i}}\dot{p}_{i}\right] =0,

wobei die q_i und p_i die kanonischen Orts- und Impulskoordinaten des i-ten Teilchens im Phasenraum bezeichnen. Unabhängig vom gewählten Ensemble verschwindet die totale zeitliche Ableitung, was bedeutet, dass sich entlang einer Phasenraumtrajektorie die Phasenraumdichte nicht verändert. Ersetzt man \dot q_i und \dot p_i gemäß der hamiltonschen Bewegungsgleichungen, so lässt sich dieser Sachverhalt mit Hilfe der Poisson-Klammer kürzer ausdrücken:

\frac{\partial}{\partial t}\rho(\tau,t)=-\{\,\rho(\tau,t) ,H\,\}=\{\,H,\rho(\tau,t)\,\},

wobei H die Hamilton-Funktion und \tau die Gesamtheit der Phasenraumkoordinaten bezeichnet.

Aus der Liouville-Gleichung folgt unmittelbar der Satz von Liouville (auch „Liouville-Theorem“ genannt).

Die Liouvillegleichung kann auch bei Einführung des Liouvilleoperators

L=\sum_{i=1}^{n}\left[\frac{\partial H}{\partial p_{i}}\frac{\partial}{\partial q^{i}}-\frac{\partial H}{\partial q^{i}}\frac{\partial }{\partial p_{i}}\right]=\{\cdot, H \}

wie folgt geschrieben werden:

\frac{\partial \rho }{\partial t} = -{L}\rho

Quantenmechanische Gleichung[Bearbeiten]

\frac{\partial}{\partial t}\rho=\frac{i}{\hbar}[\rho,H]

Hier bezeichnet H den Hamilton-Operator, \rho die Dichtematrix und die eckigen Klammern den Kommutator. Diese Form der Liouville-Gleichung wird auch Von-Neumann-Gleichung genannt.

Man kann formal wie im Fall der klassischen Mechanik einen Liouville-Operator L einführen, definiert durch seine Wirkung auf einen Operator A über L A = \frac{i}{\hbar}[A,H]. Dann schreibt sich die von Neumann Gleichung:

\frac{\partial}{\partial t}\rho= \frac{i}{\hbar}[\rho,H] = L \rho

Mit Hilfe des Wigner-Bildes kann im semiklassischen Grenzfall eine direkte Beziehung zwischen der klassischen Poisson-Klammer und dem Hamilton-Operator hergeleitet werden:

 \lim\limits_{\hbar \rightarrow 0}~ \frac{i}{\hbar} [\hat{A},\hat{B}] = \{{A}_w,{B}_w\}

Literatur[Bearbeiten]

Franz Schwabl, Statistische Mechanik, Springer 2004

Siehe auch[Bearbeiten]