¿Cuál es la diferencia entre las fluctuaciones cuánticas y las fluctuaciones térmicas?

Comience con un campo escalar simple Lagrangiano L ( ϕ ) a temperatura cero T = 0 , que tiene una simetría oculta y la rompe espontáneamente. Por el procedimiento estándar un campo ϕ se redefine

ϕ ϕ + ϕ ,

dónde ϕ es una fluctuación cuántica alrededor de un valor constante ϕ . el valor constante ϕ se llama condensado (o valor esperado de vacío) del campo ϕ . (Por ejemplo, en el caso de piones y mesones sigma ( L es un modelo sigma lineal Lagrangiano) fluctuaciones ϕ son piones físicos y mesones sigma, con el condensado de piones igual a cero y el condensado de mesones sigma igual a σ = F π .)

La ruptura espontánea de la simetría se ve igual para T 0 Teoría de campos escalares. De nuevo, redefinimos el campo ϕ ϕ + ϕ y obtener partículas físicas ϕ como fluctuaciones alrededor del condensado, que ahora es una variable dependiente de la temperatura; y puede servir como parámetro de orden de la teoría. (Por ejemplo, en el caso de los mesones y piones sigma, el condensado σ desaparecerá en el punto de temperatura quiral, mostrando la existencia de la transición de fase quiral).

Así que mi pregunta es, ¿son las fluctuaciones cuánticas ϕ (es decir, las partículas físicas) lo mismo en T = 0 y T 0 teoría de campos? ¿O están de alguna manera 'mezclados', por lo que son fluctuaciones térmicas y cuánticas? Además, el diagrama aquí http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/06/QuantumPhaseTransition.png básicamente dice que el comportamiento cuántico y clásico (crítico) es lo mismo, lo que se suma a mi confusión.

Por supuesto, si no entendí por completo el punto, espero que alguien pueda explicar de una mejor manera cuál es el concepto de ruptura de simetría y aparición de un condensado (y partículas físicas).

Como nadie responde, me pregunto si es correcto interpretar las fluctuaciones cuánticas en torno a los valores esperados como partículas.
Las fluctuaciones cuánticas no son realmente fluctuaciones. Si les doy un oscilador armónico en estado fundamental, en realidad nada fluctúa. Simplemente está sentado allí en el estado fundamental. Nos referimos al ancho distinto de cero de la función de onda del estado fundamental como "fluctuación" solo porque si mide uno de esos osciladores armónicos una y otra vez a una velocidad lo suficientemente baja como para que se relaje de nuevo a | 0 después de cada medición, los resultados fluctúan debido a la aleatoriedad involucrada en la medición cuántica. Por supuesto, por lo general, el medio ambiente hace la medición por usted, por lo que hay fluctuaciones .

Respuestas (1)

Una respuesta simple (y bastante precisa) es que las fluctuaciones cuánticas son las fluctuaciones que existen a temperatura cero. Lo que significa es que, incluso a temperatura cero, puede haber fluctuaciones en las medidas de los observables, lo que no ocurre en los sistemas clásicos a temperatura cero, debido a la no conmutatividad de las partes dinámica y potencial del hamiltoniano. (Aunque los sistemas clásicos frustrados y los sistemas cuánticos con hamiltonianos descritos solo por operadores de conmutación complican ligeramente esta imagen).

Por supuesto, a temperatura finita, habrá ambos tipos de fluctuaciones, y cómo separarlas (es decir, saber qué parte de las fluctuaciones son cuánticas o térmicas) sigue siendo un tema activo de investigación.

En un QFT térmico, uno está tratando con campos ϕ ( τ , X ) con τ el tiempo imaginario que sirve para codificar la cuanticidad del sistema (al construir la integral de trayectoria). En particular, uno ve fácilmente que si ϕ ( τ , X ) es independiente del tiempo (pero aún depende de X ), la teoría del campo parece una teoría estadística clásica del campo, y es por eso que la gente a veces dice que este campo independiente del tiempo (o el campo de frecuencia cero de Matsubara) es el campo clásico. Esto, sin embargo, no nos dice qué fluctuación es térmica o cuántica. No creo que sea fácil de decir (ver arriba).

Con respecto al diagrama de fase: a temperatura cero, la transición obviamente está impulsada por fluctuaciones cuánticas. Una forma de ver esto es que las frecuencias son continuas (en lugar de discretas a temperatura finita), por lo que siempre hay un gran número (de hecho, infinito) de modos cuánticos que participan en la física de baja energía, incluso cuando la escala de baja energía (digamos la brecha) se desvanece a medida que uno se acerca más y más a la transición.

Para una transición de fase de temperatura finita, siempre hay un valor de la brecha, más pequeño que la temperatura y, por lo tanto, los modos cuánticos (con frecuencias de Matsubara distintas de cero) están separados por la temperatura y no pueden participar en la física crítica de la transición. Se pueden integrar y uno se queda con una teoría de campo clásica (térmica) con parámetros renormalizados.

¿Significa esto que a temperatura cero, dado que habría fluctuaciones cuánticas, también habría pequeñas fluctuaciones en la temperatura como fluctuaciones térmicas? @Adán
@vengaq No estoy seguro de lo que quiere decir ... en el (gran) conjunto canónico, no hay fluctuaciones de temperatura (se impone por definición).
Me refería a las fluctuaciones térmicas @Adam
@vengaq Podrías reformular la pregunta, no entiendo lo que estás preguntando.
Me refiero a si podría haber fluctuaciones térmicas como consecuencia de las fluctuaciones cuánticas ( en.wikipedia.org/wiki/Thermal_fluctuations ) incluso a temperatura cero. Usted dijo en su respuesta que en cero K podría haber fluctuaciones en las medidas de los observables. ¿Podría haber fluctuaciones térmicas entonces? @Adán
@vengaq Por definición, no hay fluctuaciones térmicas a temperatura cero... Las fluctuaciones cuánticas no son el mismo tipo de fluctuaciones (ya que el sistema está en un estado dado). Pero esto es demasiado largo para un comentario. Considere hacer una nueva pregunta un poco más fundamentada y estaré feliz de responder.