準定常状態

分布関数による記述

1体分布関数

N個の粒子からなる系をそのまま調べようとすると、 N個の位置ベクトル(q1,...,qN)とN個の運動量ベクトル(p1,...,pN)をそのまま扱わないといけません。 これは大変です。

(q1,p1), (q2,p2), ..., (qN,pN) という N個の組が作る分布の時間発展を調べよう、 という方法があります。 この分布関数 f(q,p,t) を1体分布関数と言います。 q や p の次元は、q1 や p1 と同じです。

方程式

f(q,p,t) が従う方程式は、だいたい次のような形です。
ここまでは、厳密な変形で行けます。

ただし、Coll を得るには1体分布関数だけではダメで、

と結局はN体まで戻らないといけなくなります。 それでは何も嬉しくないので、上の鎖を何とか断ち切りたくなります。

Good news!

長距離相互作用系においては、 粒子数無限の極限で Coll=0としてよいということが、 数学的に証明されています。 ざっくり言うと、粒子数 N に対して、Coll=O(1/N) くらいで小さくなります。

Vlasov方程式

Coll=0 とした
Vlasov方程式と言います。

Vlasov方程式の定常解と安定性

定常解は無限にある

Vlasov方程式には、無限の定常解が存在します。 左辺の第2,3項の和がゼロということです。 例えば、f(q,p) が q に依存しないとき、往々にして定常解となります。

安定性が問題

定常状態に対しては、その安定性を議論することができます。 安定であれば、多少の摂動があったとしても、 その状態の付近からずっと動かないことを意味します。 それがたとえ、非熱平衡状態であったとしてもです。

だんだん、準定常状態に近づいてきました。

準定常状態

安定定常状態 : 粒子数無限の場合

Vlasov方程式は粒子数無限の極限で成り立つ式でした。 安定定常状態があれば、非熱平衡状態であったとしても動かない、 つまり熱平衡状態に緩和しません

安定定常状態 : 粒子数有限の場合

ところが、粒子数が有限Nであれば、Coll=0 とはできません。 Coll=O(1/N) 程度残ります。 この小さい衝突項が系を熱平衡状態にゆっくりと運びます

準定常状態の解釈

以上から、準定常状態とは、 と解釈できます。 本当に定常だと動きませんが、ゆっくりでも動くので「準」が付きます。

準定常状態は熱平衡状態も含むより広い概念

熱平衡状態も Vlasov 方程式の安定定常状態になっています。 つまり準定常状態は熱平衡状態も含むより広い概念です。

広い概念ということは、解析がより難しくなりますが、 より多様な現象が観測できることも意味します。 実際、

という新奇な現象が観測されています。
Last modified: Mon Jun 20 14:44:58 JST 2016