Physics Lecture Notes
  1. Minicourses
  2. Coupled Oscillators and Klein–Gordon (portuguese)
  3. Overview
  • Undergraduate
    • Introduction to Physics (portuguese)
      • Overview
      • Physics and Mathematics
      • Determinism and Statistics
      • Introduction to Statistical Mechanics
      • Introduction to Heisenberg Uncertainty Principle
      • Selected Exercises
    • Vector Calculus
      • Overview
      • Vector Spaces Products and Maps
    • Mathematical Physics
      • Overview
      • Dirac Delta
      • Green Functions
      • Propagators and Symplectic Structures
      • Propagators: Complete Solutions
      • Propagators in Field Theory
      • Scalar Fields
      • Scalar Fields: Propagators and Vacuum
    • Special Relativity
      • Overview
      • Galilean Relativity
      • Spacetime Algebra
  • Graduate
    • Electrodynamics
      • Overview
      • Conventions and Notation
      • Geometry Review for Electrodynamics
      • Calculus on Minkowski Spacetime
      • Maxwell Equations in Covariant Form
      • Accelerated Observers and Born Rigidity
      • Energy of the Electromagnetic Field
      • Radiation from a Moving Charge
      • Thomson Scattering
  • Minicourses
    • Coupled Oscillators and Klein–Gordon (portuguese)
      • Overview
      • Aula 1: Osciladores e Matrizes Circulantes
      • Slides: Aula 1
      • Aula 2: Limite Contínuo e Criação e Aniquilação
      • Slides: Aula 2

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  • Material
  • Notação
  1. Minicourses
  2. Coupled Oscillators and Klein–Gordon (portuguese)
  3. Overview

Osciladores Acoplados e a Equação de Klein–Gordon

Minicurso (2 aulas de 1h30)

Autor

Sandro Vitenti

O minicurso parte de um sistema discreto de osciladores harmônicos acoplados em uma dimensão e estuda a passagem da descrição discreta para a contínua. O percurso inclui matrizes circulantes e a transformada de Fourier discreta, o limite contínuo que leva à equação de Klein–Gordon e a construção, ainda na mecânica clássica, das variáveis de criação e aniquilação. Cada etapa é acompanhada de uma implementação em Python e da solução numérica das equações.

Público. Estudantes de graduação a partir da metade do curso e estudantes de pós-graduação. Pré-requisitos: mecânica clássica (equações de Hamilton), álgebra linear (autovalores e autovetores) e noções de Python.

Material

Aula Notas Slides
1. Do oscilador harmônico às matrizes circulantes Notas Slides
2. O limite contínuo e as variáveis de criação e aniquilação Notas Slides

Os slides e as notas têm as mesmas seções: durante a aula os slides são projetados e as notas trazem todas as contas e o código completo. Cada página de notas pode ser baixada como notebook Jupyter ou como script Python, ou aberta diretamente no Google Colab.

Notação

Cada símbolo tem um único significado em todas as páginas do minicurso.

Símbolo Significado Definido em
\(m\) massa de uma partícula Aula 1
\(\kappa\) constante da mola do oscilador isolado Aula 1
\(\omega\) frequência angular, \(\omega \equiv \sqrt{\kappa/m}\) Aula 1
\(x\), \(p\) posição e momento do oscilador isolado Aula 1
\(H\) Hamiltoniana Aula 1
\(\dot x\) derivada em relação ao tempo, \(\dot x \equiv \mathrm dx/\mathrm dt\) Aula 1
\(\vec\chi\) vetor do espaço de fase, \(\vec\chi \equiv (x, p)^{\mathsf T}\) no oscilador, \((\vec h, \vec p)\) na cadeia Aula 1
\(\vec\partial H\) gradiente de \(H\) no espaço de fase Aula 1
\(\mathsf H\) matriz da Hamiltoniana, \(H = \frac12 \vec\chi^{\mathsf T}\mathsf H \vec\chi\) Aula 1
\(\Omega\) matriz simplética Aula 1
\(A\) gerador da evolução, \(A \equiv \Omega\mathsf H\) Aula 1
\(\Omega(\vec\chi_1, \vec\chi_2)\) produto simplético, \(\Omega(\vec\chi_1, \vec\chi_2) \equiv \vec\chi_1^{\mathsf T}\Omega\, \vec\chi_2\), a área orientada Aula 1
\(\Delta t\), \(t_n\) passo de tempo e instantes \(t_n \equiv n\Delta t\) Aula 1
\(\xi\), \(\eta\) variáveis adimensionais, \(\xi \equiv \sqrt m\,\omega x\), \(\eta \equiv p/\sqrt m\) Aula 1
\(\varepsilon\) passo adimensional, \(\varepsilon \equiv \omega\Delta t\) Aula 1
\(z\) variável complexa, \(z \equiv \xi + i\eta\) Aula 1
\(M_{\rm ex}(\varepsilon)\) matriz do passo exato no plano \((\xi, \eta)\), rotação de ângulo \(\varepsilon\) Aula 1
\(M_{\rm E}\), \(M_{\rm SE}\), \(M_{\rm V}\), \(M_{\rm RK4}\) matrizes de um passo dos quatro métodos no plano \((\xi, \eta)\) Aula 1
\(M_{11}, \dots, M_{22}\); \(\lambda_1\), \(\lambda_2\) elementos e autovalores de uma matriz \(2\times 2\) Aula 1
\(S_\xi(\varepsilon)\), \(S_\eta(\varepsilon)\) cisalhamentos que atualizam \(\xi\) e \(\eta\) Aula 1
\(\mathrm{Sp}(2, \mathbb R)\) grupo simplético, matrizes com \(M^{\mathsf T}\Omega M = \Omega\) Aula 1
\(\tilde H_{\rm SE}\), \(\tilde H_{\rm V}\); \(Q_{\rm SE}\), \(Q_{\rm V}\) formas quadráticas conservadas pelo Euler simplético e pelo Verlet, e suas matrizes Aula 1
\(\theta_{\rm V}\) ângulo avançado por um passo de Verlet, \(\cos\theta_{\rm V} = 1 - \varepsilon^2/2\) Aula 1
\(F\) força Aula 1
\(k_1, \dots, k_4\) avaliações de \(A\vec\chi\) em um passo do RK4 Aula 1
\(R\) fator de amplificação do RK4 Aula 1
\(N\) número de partículas da cadeia Aula 1
\(\Delta x\) espaçamento horizontal entre partículas vizinhas Aula 1
\(h^j\), \(\vec h\) altura da partícula \(j\) e vetor das \(N\) alturas Aula 1
\(K\) constante das molas entre partículas vizinhas Aula 1
\(K_0\) constante das molas que prendem cada partícula à posição de equilíbrio Aula 1
\(F_j\), \(\vec F\) força vertical sobre a partícula \(j\) e vetor das \(N\) forças Aula 1
\(\ell_0\), \(\tau\) comprimento natural de uma mola e tensão, \(\tau \equiv K(\Delta x - \ell_0)\) (na Aula 2, a tensão da corda) Aula 1
\(T\) operador de translação, \((T\vec h)^j \equiv h^{j+1}\) Aula 1
\(D\) \(D \equiv 2I - T - T^{-1}\); \(-D\) é o Laplaciano discreto periódico Aula 1
\(V\) energia potencial da cadeia Aula 1
\(p_j\), \(\vec p\) momento da partícula \(j\), \(p_j \equiv m\dot h^j\), e vetor dos \(N\) momentos Aula 1
\(\vec 1\) vetor com todas as componentes iguais a \(1\) Aula 1
\(\beta\) deslocamento comum de todas as alturas, \(\vec h \to \vec h + \beta\,\vec 1\) Aula 1
\(P\) momento total da cadeia, \(P \equiv \sum_j p_j\) Aula 1
\(\bar h\), \(\bar p\) altura média (do centro de massa) e momento por partícula, \(\bar h \equiv \frac1N\sum_j h^j\), \(\bar p \equiv P/N\) Aula 1
\(\{f, g\}\) parêntese de Poisson Aula 1
\(b_r\) elementos da primeira linha de uma matriz circulante, \(C^j{}_k = b_{k-j}\) Aula 1
\(C\) matriz circulante, \(C = \sum_r b_r T^r\) Aula 1
\(\vec v_a\) vetores de Fourier, \(v_a^{\,j} \equiv e^{2\pi i aj/N}/\sqrt N\) Aula 1
\(\vec u^\dagger\vec w\) produto escalar complexo, \(\vec u^\dagger\vec w \equiv \sum_j (u^j)^* w^j\) Aula 1
\(\tilde h^a\), \(\tilde p^a\) componentes de \(\vec h\) e \(\vec p\) na base de Fourier (DFT), \(\tilde h^a \equiv \vec v_a^{\,\dagger}\vec h\) Aula 1
\(\lambda_a(C)\) autovalor de \(C\) associado a \(\vec v_a\) Aula 1
\(U\) matriz unitária com colunas \(\vec v_a\) Aula 1
\(\omega_a\) frequência do modo \(a\) (relação de dispersão); em \(a = 0\), \(\sqrt{K_0/m}\) Aula 1
\(\omega_{\max}\) maior das frequências \(\omega_a\) Aula 1
\(\vec\zeta_a\), \(q^a\) vetores de Hartley e coordenadas \(q^a \equiv \vec\zeta_a^{\,\mathsf T}\vec h\) Aula 1
\(x_j\), \(L\) posição da partícula \(j\), \(x_j \equiv j\Delta x\), e comprimento do anel, \(L \equiv N\Delta x\) Aula 2
\(\phi(t, x)\) campo, \(\phi(t, x_j) \equiv h^j(t)\) Aula 2
\(\rho\) densidade linear de massa, \(m = \rho\Delta x\) Aula 2
\(\mu\) parâmetro de massa, \(K_0 = \rho\mu^2\Delta x\); \(\mu^2 = K_0/m\) Aula 2
\(c\) velocidade, \(c \equiv \sqrt{\tau/\rho}\) Aula 2
\(\Pi(t, x)\) momento por unidade de comprimento, \(\Pi(t, x_j) \equiv p_j/\Delta x\) Aula 2
\(\delta(x - y)\) delta de Dirac Aula 2
\(k_a\) número de onda, \(k_a \equiv 2\pi a/L\) Aula 2
\(\omega_{\Delta x}(k)\), \(\omega(k)\) relação de dispersão da cadeia e do campo, \(\omega(k)^2 \equiv \mu^2 + c^2k^2\) Aula 2
\(u_a(x)\) funções de Fourier, \(u_a(x) \equiv e^{ik_ax}/\sqrt L\) Aula 2
\(\tilde\phi^a\), \(\tilde\Pi^a\) coeficientes de Fourier do campo, \(\tilde\phi^a \equiv \int_0^L u_a^*\phi\,\mathrm dx\) Aula 2
\(\psi^j\), \(c_a\), \(k_0\), \(\sigma_{\rm p}\), \(x_{\rm p}\), \(x_{\rm c}\) pacote de ondas complexo, seus coeficientes, número de onda central, largura, posição inicial e centro Aula 2
\(e_j\), \(e_{j+1/2}\), \(S_{j+1/2}\) energia da partícula \(j\), energia da mola entre \(j\) e \(j+1\), e fluxo de energia através dessa mola Aula 2
\(P_{\rm rede}\) momento da cadeia, associado à translação \(T\) Aula 2
\(\kappa(k)\), \(\kappa_a\) \(\kappa(k) \equiv \sin(k\Delta x)/\Delta x\), momento da cadeia por partícula do modo \(a\) (dividido por \(\hbar\)) Aula 2
\(\mathcal E\), \(\mathcal S\) densidade e fluxo de energia do campo Aula 2
\(\mathcal P\), \(\mathcal T\) densidade e fluxo de momento do campo Aula 2
\(\langle \vec h_1, \vec h_2\rangle\), \(\langle\phi_1, \phi_2\rangle\) produto simplético de soluções complexas da cadeia, e seu limite, o produto de Klein–Gordon Aula 2
\(\vec f_a\), \(f_a(t, x)\) modos de frequência positiva da cadeia, de componentes \(f_a^{\,j} \equiv v_a^{\,j}e^{-i\omega_a t}/\sqrt{2m\omega_a}\), e do campo Aula 2
\(\alpha_a\) variáveis de criação e aniquilação clássicas, \(\alpha_a \equiv \langle \vec f_a, \vec h\rangle\) Aula 2
\(\vec\psi_+\) parte de frequência positiva de uma solução real Aula 2
\(\mathcal H_n\), \(\mathcal F\) espaço de \(n\) partículas e espaço de Fock Aula 2
\(\psi^a\), \(\Psi^{a_1\cdots a_n}\), \(\Psi^{j_1j_2}\) componentes de estados de uma e de \(n\) partículas, e amplitude de duas partículas nas posições Aula 2
\(\vec\psi\), \(\vec\psi_1\), \(\vec\psi_2\) estados de uma partícula, elementos de \(\mathcal H_1\) Aula 2
\(\vec\psi_{\rm E}\), \(\vec\psi_{\rm D}\) pacotes vindos da esquerda e da direita Aula 2
\(\lvert 0\rangle\), \(n_a\) vácuo e números de ocupação Aula 2
\(a(\vec\psi_1)\), \(a^\dagger(\vec\psi_2)\), \(a_a\), \(a_a^\dagger\) operadores de aniquilação e de criação Aula 2
\(\hat n_a\), \(\hat H\), \(\hat P_{\rm rede}\), \(\hat P_{\rm campo}\) operadores de número, de energia, de momento da cadeia e de momento do campo Aula 2
\(\hbar\) constante de Planck reduzida Aula 2
\(\hat h^j\), \(\hat p_j\); \(\hat\phi\), \(\hat\Pi\) alturas e momentos da cadeia quântica; campo quântico e seu momento conjugado Aula 2
\(\hat H_{\rm cadeia}\), \(E_{\rm vácuo}\) Hamiltoniana da cadeia quântica e energia do vácuo, \(E_{\rm vácuo} \equiv \sum_a\hbar\omega_a/2\) Aula 2

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Reuso

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