IntegracaoFuncional
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MotivacaoFormulacao
Algumas referencias
Integral de Caminho em Mecanica Quantica
Dyana C. Duarte, Ricardo L. S. Farias
11 de novembro de 2014
UFSM Dyana C. Duarte 1/42
MotivacaoFormulacao
Algumas referencias
Roteiro
1 Motivacao
2 Formulacao de integral de caminhoPropagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
3 Algumas referencias
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Algumas referencias
Motivacao
Ù A integracao de caminho (ou integracao funcional) nos fornece umaimportante ferramenta para o estudo de sistemas quanticos dos quaisqueremos saber, por exemplo, a evolucao temporal, dada pelo operadorHamiltoniano
Ù Esse metodo foi desenvolvido e utilizado primeiramente por RichardPhilips Feynman, em estudos sobre a eletrodinamica quantica. Feyn-man juntamente com Julian Schwinger e Sin-Itiro Tomonaga recebeuo premio Nobel de Fısica em 1965.
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Motivacao
Ù Podemos entender diversos problemas classicos e quanticos atravesdas integrais de caminho, mas essa formulacao e especificamente utilem teoria de campos,tanto relativıstica quanto nao-relativıstica. Essasintegrais fornecem um caminho para a quantizacao e para resolver asexpressoes das funcoes de Green, que sao relacionadas com amplitudesdos processos fısicos, como a dispersao e o decaimento de partıculas.
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
As quantidades p e q em mecanica quantica sao substituıdas por o-peradores que obedecem as relacoes de comutacao de Heisenberg. Aformulacao de integral de caminho e baseada diretamente na nocao depropagador K(qf , tf ; qi, ti). Dada uma funcao ψ(qi, ti) em um tempo tio propagador da a funcao de onda correspondente a outro tempo tf :
ψ(qf , tf ) =∫
K(qf , tf ; qi, ti)ψ(qi, ti)dqi (1)
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
Da mesma forma que na mecanica quantica o modulo ao quadrado dafuncao de onda da a probabilidade de se encontrar uma partıcula emdeterminada regiao do espaco, o modulo ao quadrado do propagadornos da a probabilidade de que ocorra uma transicao de qi num tempo tipara qf num tempo tf :
P(qf , tf ; qi, ti) = |K(qf , tf ; qi, ti)|2 (2)
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
Dividindo o intervalo entre (qi, ti) e (qf , tf ) em dois, sendo (q, t) otermo intermediario, como na figura, temos:
K(qf , tf ; qi, ti) =∫
K(qf , tf ; qt)K(qt; qi, ti)dq (3)
Figure : Propagacao de uma partıcula de (qi, ti) para (qf , tf ), via uma posicaointermediaria (q, t)
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
Denotamos K(2A;1) a amplitude de probabilidade que o eletron passeda fonte 1 pelo buraco 2A, para os detectores 3, e assim por diante. Daequacao (3) temos, entao,
K(3; 1) = K(3; 2A)K(2A; 1) + K(3; 2B)K(2B; 1) (4)
Figure : Experimento de fenda dupla
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
A probabilidade sera, entao:
P(3; 1) = |K(3; 1)|2 (5)
Nao podemos dizer que o eletron passara por A ou por B; ele passa, decerta forma, por ambos os caminhos (se nao for detectado em uma dasfendas). Essa nocao de todos os caminhos possıveis e importante noformalismo de integral de caminho.
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
Vamos mostrar que o propagador K esta realmente atuando em 〈qf , tf |qi, ti〉.Para isso, notemos que a funcao de onda ψ(q, t) na notacao de Schrodingere
ψ(q, t) = 〈q|ψt〉S (6)
ou, na notacao de Heisenberg |ψ〉H por:
|ψt〉S = e−iHt/~|ψ〉H (7)
Podemos definir o vetor
|qt〉 = eiHt/~|q〉 (8)
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
ou seja, ψ(q, t) = 〈qt|ψ〉H , e usando a relacao de completeza nos estadosencontramos:
〈qf , tf |ψ〉 =∫〈qf , tf |qi, ti〉〈qi, ti|ψ〉dqi (9)
Da eq, (8)
ψ(qf , tf ) =∫〈qf , tf |qi, ti〉ψ(qi, ti)dqi (10)
em comparacao com (1) teremos:
〈qf , tf |qi, ti〉 = K(qf , tf ; qi, ti) (11)
que e o resultado esperado.
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
Dividimos o intervalo de tempo entre ti e tf dividido em (n + 1) partesiguais (τ), como na figura a seguir. A equacao (3) da, agora,
〈qf , tf |qi, ti〉 =∫
...
∫dq1dq2...dqn〈qf , tf |qn, tn〉 ×
〈qn, tn|qn−1, tn−1〉...〈q1, t1|qi, ti〉 (12)
Figure : Propagacao de (qi, tt) a (qf , tf ) sobre diferentes caminhos
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
A integral (12) e tomada sobre todas as possıveis trajetorias, e cadaum dos segmentos (qjtj; qj−1tj−1) pode ser dividido em intervalos aindamenores.Podemos calcular o propagador por um pequeno segmento da integralde caminho. De (8) temos:
〈qj+1, tj+1|qjtj〉 = 〈qj+1|e−iHτ/~|qj〉
= δ(qj+1 − qj) −iτ~〈qj+1|H|qj〉
=1
2π~
∫dp exp
[ i~
p(qj+1 − qj)]−
iτ~
⟨qj+1|H|qj
⟩(13)
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
O Hamiltoniano, e constituıdo por uma parte cinetica e uma potencial.Neste caso e descrito por:
H =p2
2m+ V(q) (14)
H pode ser uma funcao qualquer de p mais uma funcao qualquer deq. Apos algumas manipulacoes na equacao (14) obtemos para o termocinetico:⟨
qj+1
∣∣∣∣∣∣ p2
2m
∣∣∣∣∣∣ qj
⟩=
∫dp′dp〈qj+1|p′〉
⟨p′
∣∣∣∣∣∣ p2
2m
∣∣∣∣∣∣ p⟩〈p|qj〉
=
∫dp′
hexp
[ i~
p(qj+1 − qj)] p2
2m(15)
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
De forma analoga, para o termo de potencial:
〈qj+1|V(q)|qj〉 = V(qj+1 + qj
2
)〈qj+1|qj〉
= V(qj+1 + qj
2
)δ(qj+1 − qj)
=
∫dph
exp[ i~
p(qj+1 − qj)]
V(qj) (16)
em que qj =12 (qj + qj−1).
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
Escrevemos, de (13) (15) e (16):
〈qj+1tj+1|qjtj〉 =1h
∫dpj exp
{ i~
[pj(qj+1 − qj) − τH(pj, q)]}
(17)
em que pj e o momento entre tj e tj+1 ou, de forma equivalente, qj eqj+1. Essa equacao nos da o propagador de um caminho possıvel.
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
O propagador completo e dado substituindo em (12), no limite contınuo(em que pj e o momento ao longo do caminho entre qj e qj+1),
〈qf tf |qiti〉 = limn→∞
∫ n∏j=1
dqj
n∏j=0
dpj
h×
exp
i~
n∑j=0
[pj(qj+1 − qj) − τH(pj, qj)]
(18)
com q0 = qi, qn+1 = qf . De forma simbolica:
〈qf tf |qiti〉 =∫DpDq
hexp
i~
[∫ tf
tidt[pq − H(p, q)]
](19)
com q(ti) = qi, q(tf ) = qf .
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Formulacao de integral de caminho
Ù No limite contınuo, q e uma funcao de t, e a integral e uma integralfuncional, ou seja, uma integral sobre todas as funcoes. Isso e infinito-dimensional. A expressao (19) e a expressao da integral de caminhopara a amplitude de transicao de (qi, ti) a (qf , tf ).Ù Cada funcao q(t) e p(t) define um caminho no espaco de fase. Naformulacao de integral de caminho devemos explicitar a expressao paraa amplitude de transicao, que e melhor adaptada para os problemas dedispersao.Ù As quantidades p e q ocorrentes na integral sao quantidades classicas,nao operadores, (c-numbers, nao q-numbers).
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
Integrando a equacao (18) em p:
〈qf tf |qiti〉 = limn→∞
∫ n∏1
dqj
n∏0
dpj
h×
exp
i~
n∑0
pj(qj+1 − qj) −p2
j
2mτ − V(qj)τ
(20)
Completando os quadrados na equacao (20) encontramos:
〈qf tf |qiti〉 = limn→∞
( mihτ
)(n+1)/2 ∫ n∏1
dqj ×
exp
iτ~
n∑0
[m2
(qj+1 − qj
τ
)2− V
] (21)
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Formulacao de integral de caminho
Ù No limite contınuo, teremos:
〈qf tf |qiti〉 = N∫Dq exp
[i~
∫ tf
tiL(q, q)dt
](22)
em que L = T − V , a lagrangeana classica. No limite, com n → ∞N torna-se infinito, mas isso nao importa desde que as amplitudes detransicao sejam sempre quantidades normalizadas. Finalmente, pode-mos escrever o propagador como:
〈qf tf |qiti〉 = N∫Dq exp
[ i~
S[q(t)]]
(23)
sendo S =∫
Ldt a acao classica.
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
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Ù Como um exemplo das integrais de caminho, vamos considerar umoscilador harmonico unidimensional. A Lagrangeana e dada por
L =m2
[q2 − ω2q2
](24)
O propagador sera
K(q′, t; q, 0) =∫Dq exp
[ i~
S[q(t′)]]
(25)
com
S[q(t′)] =∫ t
0dt′L(q, q) (26)
em que q e q sao funcoes de t′ ao longo de cada trajetoria.
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Ù Podemos reescrever a trajetoria generica total q(t′) como uma tra-jetoria classica mais uma variacao:
q(t′) = qcl(t′) + x(t′) (27)
A trajetoria classica e sempre a mesma. Aqui, as condicoes de con-torno iniciais nao sao as mesmas usuais em mecanica classica, deposicao e velocidade no instante inicial. Temos posicao no tempoinicial e posicao no tempo final, e queremos saber qual e a trajetoriaclassica.Ù Como os pontos final e inicial sao fixos, outra condicao de contornosera x(0) = x(t) = 0.
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Oscilador Harmonico
Ù A acao de qcl mais uma flutuacao x sera dada por:
S[qcl + x] =∫ t
0dt′L
=
∫ t
0dt′
[m2
[(qcl + x)2 − ω2(qcl + x)2]
=
∫ t
0dt′
m2
(q2cl − ω
2q2cl)︸ ︷︷ ︸
S[qcl(t′)]
+
∫ t
0dt′
m2
(x2 − ω2x2)︸ ︷︷ ︸S[x(t′)]
+
+
∫ t
0dt′
m2
(2qclx − 2ω2qclx)
(28)
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Ù Essa integral tem tres partes. Primeiro, temos S em x = 0, o quenos da a acao ao longo da trajetoria classica. Como esta trajetoria estadefinida pelas equacoes de movimento classicas, S[qcl(t′)] e fixo, e naose altera ao mudarmos a trajetoria. Nesse caso o que varia e x, que estacontido na segunda parte da integral. Depois temos os termos cruzadosde qcl e x:
S[qcl + x] = S[qcl(t′)] + S[x(t′)] + m∫ t
0dt′[qclx︸ ︷︷ ︸∗
−ω2qclx] (29)
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Ù A integral assinalada em (29) pode ser resolvida por partes. Tere-mos: [
mqclx]t
0−m
∫ t
0dt′[qclx + ω2qclx] (30)
O termo (mqclx) integrado de 0 a t e zero, devido as condicoes iniciais.O termo entre colchetes e a equacao classica do movimento, e tambeme igual a zero. Entao, a acao de uma trajetoria escrita como a trajetoriaclassica mais uma flutuacao sera a acao calculada sobre a trajetoriaclassica mais a acao calculada nas flutuacoes:
S[qcl + x] = S[qcl(t′)] + S[x(t′)] (31)
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Ù A acao classica tem as condicoes de contorno, dependendo, por-tanto, de q e q′. Ja a integral sobre as flutuacoes vai de zero a zero emq, por isso depende somente de x. Podemos entao reescrever a integralfuncional:∫Dq exp
[ i~
S[q(t′)]]=
∫Dq exp
[ i~{S[qcl(t′)] + S[x(t′)]}
]= exp
[ i~
S[qcl(t′)]] ∫Dx exp
[ i~
S[x(t′)]]
(32)
O ultimo termo de (32) so depende dos instantes inicial e final, portantoe uma funcao de t que chamaremos F(t).
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Ù Primeiramente vamos encontrar a acao classica, e para isso, temosa equacao do oscilador harmonico:
q2cl + ω
2q2cl = 0
{qcl(0) = qqcl(t) = q′
(33)
com as condicoes de contorno qcl(0) = q e qcl(t) = q′.
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Oscilador Harmonico
Ù Primeiro escrevemos a solucao geral da equacao (33):
qcl(t′) = A sin(ωt′) + B cos(ωt′) (34)
das condicoes de contorno temos, para qcl(0):
qcl(0) = q→ B = q
e para qcl(t):
q′ = A sin(ωt) + q cos(ωt)
A =q cos(ωt) − q′
sin(ωt)
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Oscilador Harmonico
Ù ou seja,
qcl(t′) =q′ − q cos(ωt)
sin(ωt)sin(ωt′) + q cos(ωt′) (35)
Podemos entao, calcular a acao classica:
S[qcl(t′)] =∫ t
0dt′
m2
(q2cl − ω
2q2cl) (36)
Desenvolvendo essa equacao encontramos que:
S[qcl(t′)] =m2
qclqcl
∣∣∣∣∣t0
(37)
(Durante o desenvolvimento de (36) encontramos um termo que e iguala trajetoria classica, e portanto vale zero )
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Oscilador Harmonico
Ù substituindo (35) em (37) para calcular a acao encontramos:
S[qcl(t′)] =mω
2 sin(ωt)[(q′2 + q2) cos(ωt) − 2qq′] (38)
O propagador para o oscilador harmonico sera entao, uma funcaodo tempo, que e uma integral funcional de zero a zero vezes uma ex-ponencial:
K = F(t) exp{ i~
S[qcl(t′)]}
= F(t) exp[ imω2~ sinωt
[(q′2 + q2) cos(ωt) − 2qq′]]
(39)
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Oscilador Harmonico
Ù A fim de calcular o fator F(t) em (39), as variaveis de integracaopodem ser alteradas para um conjunto mais util. Como x(t) = 0 em 0 eem t essa funcao pode ser escrita como uma serie de Fourier de senosda forma:
x(t) =N−1∑n=1
an sinnπt′
t(40)
em que t (tempo total) e an sao constantes arbitrarias. Essa mudancade variaveis deve ser acompanhada por um fator correspondente aoJacobiano da transformacao. Para a mudanca (40), o Jacobiano e dadopor:
J ≡ J(a1, a2, ..., aN−1) = det[sin
nπt
(tj − ta)]
(41)
em que n e j sao os ındices da matriz dada pelo Jacobiano.
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Oscilador Harmonico
Ù Uma computacao direta de J seria complicada, pois trata-se de cal-cular o determinante de uma matriz infinita. Podemos, ao inves decalcula-lo, inferir o seu valor a partir de resultados conhecidos. Se ob-servarmos a equacao do oscilador harmonico (33), vemos que, a menosdo termo de potencial ω2qcl temos a mesma equacao da partıcula livre.Entao o valor de J deve ser o valor da constante para a partıcula livre:
J =( m2πi~t
)1/2(42)
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Oscilador Harmonico
Ù Se dividirmos a trajetoria em N intervalos iguais, haverao N−1 pon-tos intermediarios, ou seja, teremos N − 1 coeficientes de Fourier in-dependentes na equacao (40). Para calcular a acao sobre as flutuacoesusamos as relacoes de ortogonalidade das funcoes seno e cosseno deFourier e os resultados abaixo:
∫ t
0dt′[x(t′)]2 =
∑n,m
∫ t
0dt′anam
(nπt
) (mπt
)cos
(nπt′
t
)cos
(nπt′
t
)
=t2
N−1∑n=1
(nπt
)2a2
n (43)
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Ù E tambem∫ t
0dt′[x(t′)]2 =
∑n,m
∫ t
0dt′anam sin
(nπt′
t
)sin
(mπt′
t
)
=t2
N−1∑n=1
a2n (44)
Com os resultados (43) e (44), a acao sobre as flutuacoes sera:
S[x(t′)] =∫ t
0dt′
m2
(x2 − ω2x2) =mt4
N−1∑n=1
[(nπt
)2− ω2
]a2
n
(45)
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Oscilador Harmonico
Ù E o nosso propagador sera:
K(q′, t; q, 0) = A′e[ i~S[qcl(t′)]]
∫da1...daN−1 ×
exp
imt4~
N−1∑n=1
[(nπt
)2− ω2
]a2
n
(46)
= A′e[ i~S[qcl(t′)]]
∫da1...daN−1 ×
exp
− mt4i~
N−1∑n=1
[(nπt
)2− ω2
]a2
n
(47)
Em que, da passagem (46) para (47) foi feita uma rotacao de Wick,(t → −it), e A′ e uma constante.
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Ù Temos agora que resolver a integral em (47), que e um produto degaussianas que conhecemos o resultado. Temos, para uma das inte-grais: ∫ +∞
−∞
dan exp{−
imt4~
[(nπt
)2− ω2
]an
}=
(4πi~mt
) 12 (nπ
t
)−1[1 −
(ωtnπ
)2]− 1
2
(48)
Substituindo em (47) encontramos:
K(q′, t; q, 0) = A′′e[ i~S[qcl(t′)]]
[1 −
(ωtnπ
)2]− 1
2
(49)
Em que a constante A′′ e a combinacao das constantes que correspondeao Jacobiano.
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Oscilador Harmonico
Ù No limite, quando n→ ∞, podemos usar a representacao da funcaoseno por um produto infinito:
∞∏n=1
(1 +
ω2T2
n2π2
)− 12
=
(ωt
sinhωt
) 12
(50)
Analiticamente, (47) retorna ao tempo real se fizermos a rotacao deWick inversa, ou seja, t → it. Usando a identidade [sinh iωt = i sinωt]e combinando (49) e (50) teremos, finalmente, o resultado de F(t):
F(t) =( m2πi~t
) 12( iωti sinωt
) 12=
( mω2πi~ sinωt
) 12
(51)
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Ù Combinando os resultados (39) e (51) temos o propagador para ooscilador harmonico:
K(q′, t; q, 0) =( mω2πi~ sinωt
) 12
exp[imω[(q′2 + q2) cos(ωt) − 2qq′]
2~ sinωt
](52)
E interessante notar que este resultado geral mostra que o caminhodominante sera a trajetoria classica. O efeito de todos os outros camin-hos, independente de sua forma, simplesmente geram o prefator F(t).Isto sera verdade desde que o prefator nao tenha nenhuma dependenciacom o Jacobiano J(t), e que todas as dependencias de J estejam conti-das na acao ao longo da trajetoria classica.
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Propagador via integral de caminhoExemplo: Oscilador Harmonico
Oscilador Harmonico
Ù Se fizermos t → −i~β, q′ = q e integrarmos esse resultado em q,encontramos a funcao de particao do oscilador harmonico:
Z =
(mω
2π~ sinh (β~ω)
) 12∫ +∞
−∞
exp[−q2
(mω
cosh (β~ω) − 1~ sinh (β~ω)
)]dq
=1√
2[cosh (β~ω) − 1
] (53)
ou ainda, fazendo algumas manipulacoes no resultado acima temos:
Z =
[2(eβ~ω + e−β~ω
2− 1
)]− 12
=e
12β~ω[(
eβ~ω − 1)2] 1
2
=e
12β~ω
1 − e−β~ω(54)
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Oscilador Harmonico
Ù A partir desse resultado, e possıvel, por exemplo, calcular a energialivre de Helmholtz f , que e a forma de fazermos a conexao entre amecanica estatıstica e a termodinamica no ensemble canonico, e nessecaso e dada por
f = −1β
limN→∞
1N
ln Z
=12~ω + kBT ln
[1 − exp
(−~ω
kBT
)](55)
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Ù Com isso podemos calcular as quantidades termodinamicas de umsistema como o solido de Einstein, que e um sistema no qual N os-ciladores harmonicos unidimensionais quanticos, localizados e nao-interagentes oscilam com a mesma frequencia fundamental ω. A en-tropia s e dada por
s = −∂f∂T
= −kB ln[1 − exp
(−~ω
kBT
)]+ kB
(~ω
kBT
)exp(−~/kBT)
[1 − exp(−~ω/kBT)](56)
e o calor especıfico c
c = T∂s∂T
(57)
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MotivacaoFormulacao
Algumas referencias
Algumas referencias
Ù MacKenzie, R. Path Integral Methods and Aplications. Universitede Montreal, Montreal, 2000.
Ù Piza, A. F. R. de Toledo 1a, 2ae 3a aulas do curso de “IntegracaoFuncional na Mecanica Quantica” da escola de fısica teorica na USP.http://video.if.usp.br/aulas <acesso em 10/10/2014> Universidade deSao Paulo - USP, 2008.Ù Ryder, H. L. Quantum Field Theory - 2nd edition. Cambridge, 1996.
Ù Swanson, M. S. Path Integral and Quantum Processes. San DiegoCA, 1992.Ù Feynmann, R.P.; Hibbs, A. R. Quntum Mechanics and Path Inte-grals. New York, 1965
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