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Pfadintegrale sind eine auf Gregor Wentzel Paul Dirac und insbesondere Richard Feynman zuruckgehende Formulierung der Quantenmechanik bei der bei einer Bewegung eines Teilchens von Punkt A displaystyle A zu Punkt B displaystyle B alle moglichen Pfade von A displaystyle A nach B displaystyle B berucksichtigt werden und nicht wie in der klassischen Mechanik nur der Pfad mit kleinster Wirkung Verallgemeinerte Pfadintegrale integrieren uber Funktionen als Variablen und werden deshalb auch als Funktionalintegrale bezeichnet Als solche sind sie seit langem ein grundlegendes Werkzeug in der Quantenfeldtheorie Storungsrechnung Renormierungsgruppe usw werden dort i d R mit Hilfe von Pfadintegralen formuliert 1 Daruber hinaus treten Pfadintegrale auch in der klassischen statistischen Mechanik bei der Berechnung von Zustandssummen sowie in der kritischen Statik und Dynamik auf Die formale Gemeinsamkeit zwischen Quantenfeldtheorie und klassischer statistischer Mechanik umfasst auch Storungsrechnung Renormierungsgruppen Instantonen und andere Techniken Inhaltsverzeichnis 1 Historisches Anwendungen Varianten 2 Quantenmechanik von Punktteilchen 2 1 Herleitung 3 Quantenfeldtheorie 4 Resumee 5 Bucher 6 Weblinks 7 Einzelnachweise und FussnotenHistorisches Anwendungen Varianten BearbeitenDas Pfadintegral wurde in den fruhen 1920ern von Norbert Wiener in der Stochastik eingefuhrt 2 1924 verwendete Gregor Wentzel 3 4 Pfadintegral in Quantenmechanik die Arbeiten waren aber danach weitgehend vergessen worden und blieben isoliert 5 6 Einflussreicher war die Arbeit von Paul Dirac von 1933 7 und Diracs Darstellung in seinen The Principles of Quantum Mechanics Feynman 8 entwickelte daraus die nach ihm benannte Pfadintegral Formulierung der Quantenmechanik in den 1940er Jahren Im Fall von Punktteilchen wird hier uber alle moglichen Wege q t displaystyle q t nbsp eines Teilchens zwischen zwei Punkten integriert Bei der Verallgemeinerung in der Quantenfeldtheorie wird stattdessen uber die Feldkonfigurationen F x t displaystyle textstyle Phi x t nbsp integriert In seiner allgemeinsten Version kann das Pfadintegral als rechnerischer Ausdruck fur die Ubergangsamplitude in Diracs abstrakter Hilbertraumformulierung der Quantenfeldtheorie verstanden werden Diese entspricht nach Julian Schwingers Quantenwirkungsprinzip der Forderung nach einer stationaren operatorwertigen Quantenwirkung Die Ubergangsamplitude zwischen zwei Konfigurationen ist gegeben durch das Pfadintegral uber exp i S ℏ displaystyle textstyle exp mathrm i S hbar nbsp mit entsprechenden Randbedingungen Diese einfache Aussage kann zum grundlegenden Prinzip der Quantenmechanik erklart werden die Schrodingergleichung ist eine Konsequenz davon In der Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie ist der Exponent im Integranden der Pfadintegrale imaginar Im Gegensatz dazu sind die Exponenten der Pfadintegrale der klassischen Physik reell In der Mathematik sind Pfadintegrale bzw Funktionalintegrale Teil der Funktionalanalysis Das Konvergenzverhalten und die Wohldefiniertheit des Pfadintegrals sind mathematisch nicht vollstandig erforscht die imaginarzeitige Formulierung mit dem Wiener Mass kann in vielen Fallen exakt begrundet werden und mit der sog Wick Rotation besteht ein exakter Zusammenhang zwischen reell wertiger und imaginarer Formulierung Statistische Physik bzw Quantenfeldtheorie Quantenmechanik von Punktteilchen BearbeitenDie Quantenmechanik eines Teilchens wird beschrieben durch die Schrodingergleichung t ps q t i ℏ H p q t ps q t displaystyle frac partial partial t psi left q t right frac mathrm i hbar H left hat p q t right psi left q t right nbsp wobei H p q t displaystyle H p q t nbsp die Hamiltonfunktion q displaystyle q nbsp eine Position im Raum und p i ℏ q displaystyle hat p mathrm i hbar nabla q nbsp der Impulsoperator ist Das Feynman sche Pfadintegral ps q t N D q exp i ℏ t t d t L q q t ps q t displaystyle psi left q prime t prime right mathfrak mathcal N int mathcal D q exp left frac mathrm i hbar int t t prime mathrm d t prime prime L left q dot q t prime prime right right psi left q t right nbsp erstreckt sich uber die Pfade q t displaystyle q t nbsp des Teilchens und liefert zur Losung ps q t displaystyle psi q t nbsp der Schrodingergleichung zum Zeitpunkt t displaystyle t nbsp die Losung zum Zeitpunkt t displaystyle t prime nbsp Der konstante Normierungsfaktor N displaystyle mathfrak mathcal N nbsp ist i A uninteressant L q q t p q H p q t displaystyle textstyle L left q dot q t right p dot q H left p q t right nbsp ist die zur Hamiltonfunktion gehorende Lagrangefunktion In etwas kompakterer Schreibweise besagt das Pfadintegral dass die Wahrscheinlichkeit das Teilchen zum Zeitpunkt t displaystyle t prime nbsp am Punkt B displaystyle B nbsp zu finden wenn es sich zum Zeitpunkt t displaystyle t nbsp bei A displaystyle A nbsp befunden hat proportional ist zu Z B A 2 displaystyle textstyle left Z B A right 2 nbsp mit Z B A N D q exp i ℏ S displaystyle Z left B A right mathfrak mathcal N int mathcal D q exp left frac mathrm i hbar S right nbsp Das Integral beinhaltet hier nur die Pfade von A t displaystyle A t nbsp zu B t displaystyle B t prime nbsp und es gilt 9 Z B A N d q c Z B C Z C A displaystyle Z left B A right mathfrak mathcal N int mathrm d q c Z left B C right Z left C A right nbsp Herleitung Bearbeiten Der Ubergang von der Schrodingergleichung zum Pfadintegral erfordert keine Quantenmechanik Vielmehr sind auch andere Differentialgleichungen ahnlicher Struktur z B Fokker Planck Gleichungen aquivalent zu einem Pfadintegral 10 Der Eindeutigkeit wegen wird festgelegt dass in allen Termen des Hamilton Operators H p q t displaystyle H left p q t right nbsp die Nabla Operatoren von p i ℏ q displaystyle p mathrm i hbar nabla q nbsp links stehen Eine Integration der Schrodingergleichung fur eine Raumdimension uber ein Zeitintervall ϵ displaystyle epsilon nbsp liefert ps q t ϵ 1 i ϵ ℏ H i ℏ q q t ps q t O ϵ 2 d q 1 i ϵ ℏ H i ℏ q q t d q q ps q t O ϵ 2 displaystyle begin aligned psi left q t epsilon right amp left 1 frac mathrm i epsilon hbar H left mathrm i hbar nabla q q t right right psi left q t right mathcal O left epsilon 2 right amp int infty infty mathrm d q left left 1 frac mathrm i epsilon hbar H left mathrm i hbar nabla q q t right right delta left q prime q right right psi left q t right mathcal O left epsilon 2 right end aligned nbsp Das andere Vorzeichen des Nabla Operators in der zweiten Zeile erklart sich daraus dass die Ableitungen in allen Termen der Hamilton Funktion hier rechts stehen und auf die d displaystyle delta nbsp Funktion wirken Eine partielle Integration fuhrt zuruck zur ersten Zeile Einsetzen des Fourier Integrals d q q d p 2 p ℏ e i ℏ p q q displaystyle delta left q q right int infty infty frac mathrm d p 2 pi hbar e frac mathrm i hbar p left q q right nbsp ergibt ps q t ϵ d q d p 2 p ℏ 1 i ϵ ℏ H p q t e i ℏ p q q ps q t O ϵ 2 d q d p 2 p ℏ exp i ϵ ℏ p q q ϵ H p q t ps q t O ϵ 2 displaystyle begin aligned psi left q t epsilon right amp int infty infty mathrm d q int infty infty frac mathrm d p 2 pi hbar left left 1 frac mathrm i epsilon hbar H left p q t right right e frac mathrm i hbar p left q q right right psi left q t right mathcal O left epsilon 2 right amp int infty infty mathrm d q int infty infty frac mathrm d p 2 pi hbar exp left frac mathrm i epsilon hbar left p frac q q epsilon H left p q t right right right psi left q t right mathcal O left epsilon 2 right end aligned nbsp Diese Gleichung liefert ps q t ϵ displaystyle textstyle psi q prime t epsilon nbsp als Funktional von ps q t displaystyle psi q t nbsp Eine N t t ϵ displaystyle N t prime t epsilon nbsp malige Iteration liefert ps q t displaystyle textstyle psi q prime t prime nbsp in Gestalt eines Pfadintegrals uber q displaystyle q nbsp und p displaystyle p nbsp ps q t lim N n 1 N d q n d p n 2 p ℏ exp i ℏ n 1 N ϵ p n q n H p n q n t n ps q 1 t 1 displaystyle psi left q prime t prime right lim N rightarrow infty left prod n 1 N int frac mathrm d q n mathrm d p n 2 pi hbar right exp left frac mathrm i hbar sum n 1 N epsilon left p n dot q n H left p n q n t n right right right psi left q 1 t 1 right nbsp Diese Hamiltonsche Form des Pfadintegrals wird gewohnlich durch Ausfuhren der p displaystyle p nbsp Integrale vereinfacht 9 Dies ist in geschlossener Form moglich da p displaystyle p nbsp im Exponenten nur quadratisch vorkommt wegen moglicher Komplikationen in Spezialfallen siehe Ref 9 Das Ergebnis ist das oben aufgefuhrte Feynmansche Pfadintegral Quantenfeldtheorie BearbeitenDas Pfadintegral Funktionalintegral erstreckt sich hier uber einen haufig unendlich dimensionalen Funktionenraum und nicht wie ein gewohnliches Integral uber einen endlichdimensionalen Raum Die Koordinate x displaystyle x nbsp fungiert im Pfadintegral nur als kontinuierlicher Index Eine prazise Definition beinhaltet die Approximation der Funktion F x displaystyle Phi x nbsp durch die Funktionswerte F x n displaystyle Phi x n nbsp auf einem Raumgitter mit Gitterkonstante a displaystyle a nbsp sowie den Limes a 0 displaystyle a to 0 nbsp Z D ϕ exp i ℏ S ϕ lim N n 1 N d ϕ x n exp i ℏ S ϕ displaystyle Z int infty infty mathcal D phi exp left frac mathrm i hbar S left phi right right lim N rightarrow infty prod n 1 N int infty infty mathrm d phi left x n right exp left frac mathrm i hbar S left phi right right nbsp Der Integrand eines Pfadintegrals ist eine Exponentialfunktion der Exponent enthalt im Quantenmechanik Fall das Wirkungsintegral S displaystyle S nbsp ein Funktional der Funktion F x displaystyle Phi x nbsp Im Fall der statistischen Mechanik schreibt man Pfadintegrale gewohnlich in der Form Z D ϕ exp H ϕ displaystyle Z int infty infty mathcal D phi exp left mathcal H left phi right right nbsp wobei H displaystyle mathcal H nbsp als Hamiltonian bezeichnet wird Quantenfeldtheorien sowie Feldtheorien der kritischen Dynamik oder Statik erfordern oft eine endliche Gitterkonstante Regularisierung Cutoff 1 Der Limes a 0 N displaystyle a to 0 N to infty nbsp ist in diesem Fall erst nach Berechnung der physikalischen Grossen ausfuhrbar 11 Fur Fermionen werden Grassmann Variablen antikommutierende Variablen zur Bildung von Pfadintegralen herangezogen Resumee BearbeitenIn der klassischen Physik kann man die Bewegung von Teilchen und zum Beispiel Lichtstrahlen zwischen zwei Punkten A B displaystyle A B nbsp in Raum und Zeit mit dem Prinzip der kleinsten Wirkung Hamiltonsches Prinzip im Rahmen der Variationsrechnung berechnen Die Wirkung ist das zeitliche Integral der Differenz zwischen kinetischer und potentieller Energie Lagrangefunktion von Startzeitpunkt an dem sich das Teilchen in A displaystyle A nbsp befindet bis zum Endzeitpunkt an dem sich das Teilchen in B displaystyle B nbsp befindet Nach dem Hamiltonschen Prinzip ist die Wirkung fur den gewahlten Weg ein Extremum ihre Variation verschwindet Fur ein freies Teilchen ohne Potential ergibt sich eine Bewegung auf einer Geraden von einem Punkt A displaystyle A nbsp zu einem Punkt B displaystyle B nbsp Ein Beispiel in dem der Weg keine Gerade mehr ist ist der eines Lichtstrahls der Medien unterschiedlicher optischer Dichte passiert was sich mit Hilfe eines Potentials in der Lagrangefunktion beschreiben lasst hier ist der gunstigste Weg optischer Weg keine Gerade mehr es kommt zur Brechung des Lichtstrahls In der Quantenmechanik integriert man mit einem Pfadintegral uber alle moglichen Pfade auf denen das Teilchen von A displaystyle A nbsp nach B displaystyle B nbsp gelangen konnte und gewichtet die Pfade dabei mit einem Phasenfaktor proportional zur Exponentialfunktion des imaginar gemachten und durch die reduzierte Plancksche Konstante geteilte Wirkungsfunktionals Man nennt das auch Summe aller Pfade weil hierbei uber alle Pfade integriert wird wenn auch mit unterschiedlichem Gewicht Die Amplitude ist bei jedem Pfad gleich aber die Phase die von der jeweiligen Wirkung bestimmt wird ist unterschiedlich Der klassische Pfad zeichnet sich dadurch aus dass bei ihm die Variation der Wirkung nach dem Hamiltonschen Prinzip verschwindet Pfade in der Umgebung tragen also in etwa mit gleicher Phase bei was zu konstruktiver Interferenz fuhrt Bei weiter entfernt liegenden Pfaden oszilliert der Integrand bei Wirkungen die gross gegen das Plancksche Wirkungsquantum sind klassischer Grenzfall dagegen so schnell dass sich die Beitrage dieser Wege gegenseitig aufheben Sind die Wirkungen dagegen wie bei typischen quantenmechanischen Systemen in der Grossenordnung des Planckschen Wirkungsquantums tragen auch Pfade neben dem klassischen Pfad zum Pfadintegral bei Insofern stellt sich das Hamiltonsche Prinzip fur Teilchenbahnen nur als Spezialfall des allgemeineren Hamiltonschen Prinzip fur Felder heraus Formal wird dabei in der Feynman schen Formulierung die Integration uber alle moglichen generalisierten Orte durch eine Integration uber alle moglichen Feldkonfiguration substituiert womit die eigentliche Rolle des Pfadintegrals zum Losen von Wellen bzw Feldgleichungen deutlicher wird so wie es im letzten Abschnitt fur die Schrodingergleichung angedeutet wurde Dieser Sachverhalt kann dabei auch in Analogie zum Ubergang von der oben erwahnten Strahlenoptik zur Wellenoptik verstanden werden Andererseits motiviert das modifizierte Hamiltonsche Prinzip mit der Ersetzung von Phasenraumkoordinaten durch Felder die kanonische Quantisierung der Euler Lagrange Feldgleichungen wodurch eine vollstandig operatorwertige Behandlung der Quantenmechanik moglich wird und damit ein alternativer Zugang zur Quantenfeldtheorie geschaffen ist der hier nicht besprochen wurde Bucher BearbeitenHagen Kleinert Pfadintegrale in Quantenmechanik Statistik und Polymerphysik Spektrum Akademischer Verlag 1993 vergriffen online lesbar hier Neueste englische Auflage Path Integrals in Quantum Mechanics Statistics Polymer Physics and Financial Markets 4th edition World Scientific Singapore 2006 auch online verfugbar Gert Roepstorff Pfadintegrale in der Quantenphysik Vieweg 1991 1997 englische Ubersetzung Path integral approach to quantum physics an introduction Springer 1996 Richard P Feynman Albert R Hibbs Quantum Mechanics and Path Integrals Emended Edition 2005 Dover Publications 2010 Herausgeber Daniel F Styer der zahlreiche Fehler der Ausgabe von 1965 korrigierte Website zur Neuauflage mit Erganzungen Jean Zinn Justin Path Integrals in Quantum Mechanics Oxford University Press 2005 Harald J W Muller Kirsten Introduction to Quantum Mechanics Schrodinger Equation and Path Integral 2nd edition World Scientific Singapore 2012 Weblinks BearbeitenJean Zinn Justin Path Integral ScholarpediaEinzelnachweise und Fussnoten Bearbeiten a b Jean Zinn Justin Quantum field theory and critical phenomena Clarendon Press Oxford 1996 ISBN 0 19 851882 X Norbert Wiener The Average of an Analytic Functional PNAS 7 9 253 260 1 September 1921 Wentzel Zur Quantenoptik Z Physik Band 22 1924 S 193 199 Wentzel Zur Quantentheorie des Rontgenbremsspektrums Z f Physik Band 27 1924 S 257 284 Salvatore Antoci Dierck E Liebscher Wentzel s path integrals Int J Theor Phys Bd 37 S 531 535 1998 PDF 135 kB Danach stiess Thomas S Kuhn Mitte der 1960er Jahre auf den Beitrag von Wentzel uber einen Brief von Dirac von 1925 der damals einer der Wenigen war neben Max von Laue die Wentzels Arbeit beachteten S Antoci D E Liebscher The third way to quantum mechanics is the forgotten first Ann Fondation Louis de Broglie Bd 21 S 349 367 1996 Dirac The Lagrangian in Quantum Mechanics Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion Babd 3 1933 S 64 Feynman Space time approach to non relativistic quantum mechanics Rev Mod Phys Band 20 1948 S 367 387 a b c K Huang Quarks Leptons amp Gauge Fields World Scientific 1982 Die Herleitung eines Pfadintegrals zu einer Fokker Planck Gleichung kann nach demselben Schema erfolgen Ein Beispiel gibt das Produkt aus zwei Faktoren von denen der erste eine unter Umstanden gegen Unendlich divergierende Konstante ist wahrend der zweite Faktor eine nach x displaystyle x nbsp differenzierbare Funktion darstellt Dann ist der Logarithmus des Produktes auf jeden Fall nach x displaystyle x nbsp differenzierbar wobei die unendliche Konstante entfallt Die Hinzufugung eines dritten Faktors ergibt bei Logarithmierung die Addition eines zusatzlichen Summanden usw Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Pfadintegral amp oldid 239088339