lec 07

前面只得到了 local equilibrium

Lec_06 中最后得到

1±ff=exp⁡(∑αλαQα)  ⟹  f=1exp⁡(∑αλαQα)∓1\frac{1\pm f}{f} = \exp\left(\sum_{\alpha}\lambda_{\alpha}Q_{\alpha}\right) \implies f = \frac{1}{\exp\left(\sum_{\alpha}\lambda_{\alpha}Q_{\alpha}\right)\mp 1}

这是 local equilibrium, λα=λα(x,t)\lambda_{\alpha}=\lambda_{\alpha}(x,t) .

∂μsμ=0\partial_\mu s^\mu =0

一个回答是 entropy 的定义和前面的 entropy 并不相同

S=∫s0S=\int s^0

这是 extensive 的 entropy, 在热力学的图景中, 这对应系统之间没有长程的作用

但最大化 s0s^0 只会导出 local equilibrium, 最大化 SS 才会导出 global equilibrium 另一个观点即为: 最大化这两个量的约束不同

Understand entropy from micro physics

Boltzmann’s entropy (classical)

一个图景是 BBGKY Hierarchy

考虑整个 ensemble

ξtot=(ξ1I,ξ2I,⋯ ,ξNI)\xi_{\text{tot}}=(\xi_1^I,\xi_2^I,\cdots,\xi_N^I)

引入

F(ξtot,t):prob. for this ensemble to be in state ξtotF(\xi_{\text{tot}},t):\text{prob. for this ensemble to be in state } \xi_{\text{tot}}

则有

∂tF+∑αdxαdt∣EoM∂xαF+∑αdpαdt∣EoM∂pαF=0\partial_tF +\sum_{\alpha}\frac{\mathrm{d}x_\alpha}{\mathrm{d} t}\Big|_{\text{EoM}}\partial_{x_\alpha}F +\sum_{\alpha}\frac{\mathrm{d}p_\alpha}{\mathrm{d}t}\Big|_{\text{EoM}}\partial_{p_{\alpha}}F =0

在 non - interaction 情形, 粒子的坐标, 动量的导数只依赖自己 (xα,pα)(x_{\alpha},p_{\alpha}) , 假设概率有形式

F=∏αF1(ξα,t)F=\prod_{\alpha}F_{1}(\xi_{\alpha},t)

代入上面得到 collision - less Boltzmann Equation 合于

f(ξ,t)=∑α∫ξαδd(ξ−ξα)F1(ξα,t)f(\xi,t)=\sum_{\alpha}\int_{\xi_{\alpha}}\delta^d(\xi-\xi_{\alpha})F_1(\xi_{\alpha},t)

当存在 interaction 时, 例如 Vαβ=V(xα−xβ)V_{\alpha\beta} = V(x_{\alpha}-x_{\beta}) , 则动量导数也会包含 ∂αVαβ\partial_{\alpha} V_{\alpha\beta} 这些形式

先考虑前 ss 个粒子, 则

Fs(ξ1,⋯ ,ξs,t)=(∏α=s+1N∫ξα)FF_s(\xi_1,\cdots,\xi_s,t)=\left(\prod_{\alpha=s+1}^N\int_{\xi_\alpha}\right)F

得到 FsF_s 满足的方程

∂Fs∂t+∑α=1sdxαdt∣EoM∂xαFs+∑α=1s(dpαdt∣EoM+∑β=1,β≠αs(−∂Vαβ∂xα))∂pαFs=∑α=1s∫ξs+1(N−s)∂Vα,s+1∂xα⋅∂pαFs+1\begin{aligned} \frac{\partial F_s}{\partial t} &+\sum_{\alpha=1}^s\frac{\mathrm{d}x_\alpha}{\mathrm{d}t}\Big|_{\text{EoM}}\partial_{x_\alpha}F_s\\ &+\sum_{\alpha=1}^s \left( \frac{\mathrm{d}p_{\alpha}}{\mathrm{d}t}\Big|_{\text{EoM}} +\sum_{\beta=1,\beta\neq \alpha}^s\left(-\frac{\partial V_{\alpha\beta}}{\partial x_{\alpha}}\right) \right)\partial_{p_{\alpha}}F_s\\ &=\sum_{\alpha=1}^s\int_{\xi_{s+1}} (N-s)\frac{\partial V_{\alpha,s+1}}{\partial x_\alpha}\cdot \partial_{p_{\alpha}}F_{s+1} \end{aligned}

最后把其他粒子的指标换成了同一个指标

即研究 FsF_s 的演化, 需要知道 Fs+1F_{s+1} , 对于 Boltzmann Equation, 需要 F1F_1

Truncation assumption 一种方式是取 F2(ξ1,ξ2,t)=F1(ξ1,t)F1(ξ2,t)F_2 (\xi_1,\xi_2,t)=F_1(\xi_1,t)F_1(\xi_2,t) 且不影响我们感兴趣的观测量

一个问题是: 这种假设在多长时间内成立

Important to know how this gives B.E. and how long this assumption remains self - consistent

Gerd 1940s Last year , proved how long this stays self - consistent (open system, closed system)

即对 entropy 的研究即为研究上面的 assumption 到底在多长时间内成立

Quantum case (some picture)

对于 quantum collision

W∼∣⟨p1p2∣T∣p3p4⟩∣2W\sim |\braket{p_1p_2 |T| p_3p_4}|^2

由于这是一个经典概率, 必须做假设:

Assumption Actually we don’t make such observation. But pretending we have done so does not affect observable of interest

例如: 考虑一个粒子在杂质中的散射 T1T_1 , 假设杂质原子旁边还有一个杂质原子 T2T_2

问题即为, 是否应该考虑干涉?

∣⟨p2∣T1∣p1⟩∣2+∣⟨p2∣T2∣p1⟩∣2or∣⟨p2∣(T1+T2)∣p1⟩∣2|\braket{p_2|T_1|p_1}|^2 +|\braket{p_2|T_2|p_1}|^2 \quad \text{or}\quad |\braket{p_2|(T_1+T_2)|p_1}|^2

如果粒子的波包足够小, 或者原子之间足够远时可以用前者, 即 Boltzmann Eq. 的保证, 即

de Broglie<separation of impurities\text{de Broglie} < \text{separation of impurities}

这是不平凡的

Understand entropy from statistics without physics

Jaynes’ MaxEnt Principle (Brandeis summer school)

一个例子: 扔骰子, 扔出数字的 average 是 3.5 但我们看到了 average 为 4 , nonuniform 的 distribution 的概率应该长成什么样子? 考虑两个情形

lec07 dice maxent contrast

两张图都满足 ⟨i⟩=4\langle i\rangle=4。左边只是人为塞进一个满足约束的形状;右边则是在 uniform prior 下由单个平均值约束给出的指数倾斜,因而更像 MaxEnt 会选出的分布。

看起来第二个分布更靠谱, 从一种意义上说 , 看起来最 make sense 的分布可能就是 Boltzmann 分布

现在尝试导出它: 考虑分布 pip_i , 先考虑 pi=1/6p_i =1/6 , 现在扔 NN 次骰子 (N≫1)(N\gg 1) 观察到第 ii 个点的次数是 nin_i , 现在只知道计算出的 ⟨i⟩=4\braket{i} = 4

P{pi}({ni})=∏ipiniN!∏ini!P_{\{p_i\}}(\{n_i\})=\prod_{i}p_i^{n_i} \frac{N!}{\prod_i n_i!}

即

ln⁡P≃∑iniln⁡pi+Nln⁡N−∑iniln⁡ni=−N∑iρiln⁡(ρi/pi)<0,ρi=ni/N\ln P\simeq \sum_{i} n_i \ln p_i +N\ln N-\sum_i n_i \ln n_i =-N\sum_i\rho_i \ln(\rho_i/p_i) <0, \qquad \rho_i =n_i/N

那么最大化 PP , 得到 P=1pi=ρiP=1 \quad p_i =\rho_i (law of large numbers)

但上面是自由约束, 现在需要加上 ⟨i⟩=4\braket{i} =4 的约束,即 ∑iρii=4\sum_{i}\rho_i i=4

这个过程由 Lagrange multiplier 完成, 得到

ρi=piexp⁡(b⋅i+c)\rho_i =p_i \exp(b\cdot i+c)

若 pip_i 是 uniform , 则直接得到 Boltzmann 分布

可以看到

ln⁡P=−N⋅(relative entropy/K-L divergence)\ln P=-N \cdot (\text{relative entropy/K-L divergence} )

即

p:original beliefρ:update beliefp:\text{original belief}\quad \rho :\text{update belief}

用更 Bayesian 的观点

P(ρ∣⟨i⟩,p)=P(⟨i⟩∣ρ,p)P(ρ∣p)P(⟨i⟩∣p)P(\rho|\braket{i},p)=\frac{P(\braket{i}|\rho,p)P(\rho|p)}{P(\braket{i}|p)}

若 ii 被替换为连续变量 xx , relative entropy 给出

relative entropy=∫dxρ(x)ln⁡(ρ(x)/p(x))\text{relative entropy} = \int \mathrm{d}x \rho(x)\ln(\rho(x)/p(x))

对比

entropy=−∫dxρ(x)ln⁡ρ(x)\text{entropy} =- \int \mathrm{d}x \rho(x)\ln \rho(x)

即对于 entropy , 在连续变量情形, 到底什么是 uniform 是 ambiguous 的

Dice tossing modelStatistical mechanics
N tossesThe whole system consists of N small subsystems
average outcome × NTotal energy (or other extensive quantities)
outcome of each tossEnergy of each small subsystem
independent tosses, uniform dist.Assumption of equal a priori probability
前者是纯人类脑子中的假设, 但是后者的等概率假设是需要一个物理上的真实的结果的

最后回到, 为什么local entropy 和 global entropy 的 maximize 的结果不同, 从 Bayesian 的结果看, 两者的 P(ρ∣p)P(\rho|p) 是相同的, 但是 P(⟨i⟩∣ρ,p)P(\braket{i}|\rho,p) 对于两者方式的约束量是不同的, 前者是 local energy , 后者是 global energy. 这也就导致了最后的结果不同