Mikroskopische Begründung makroskopischer Thermalisierung und Irreversibilität
Final Report Abstract
In einem isolierten Vielteilchensystem ist das Verhalten jedes einzelnen Freiheitsgrades im generischen Fall chaotisch, d.h. praktisch unvorhersehbar. Insbesondere strebt die mikroskopische Dynamik für große Zeiten nicht gegen einen wie auch immer gearteten stationären Zustand. Im Gegensatz dazu zeigt das Vielteilchensystem als Ganzes eine zuverlässig vorhersagbare und oft erstaunlich einfache Relaxationsdynamik gegen einen anscheinend praktisch perfekt stationären Gleichgewichtszustand. In diesem Projekt ging es darum, einige Teilaspekte dieser seit uber 100 Jahren intensiv untersuchten, aber noch immer nicht befriedigend gelösten Antinomie der theoretischen Physik besser zu verstehen. Ein erstes Resultat besteht in der Identifizierung von geeigneten, möglichst schwachen bzw. “realistischen” Annahmen über den anfänglichen Nichtgleichgewichtszustand, die an sich reversible mikroskopische Dynamik (d.h. die Hamilton-Funktion für klassische bzw. den Hamilton-Operator für quantenmechanische Systeme) und die experimentell messbaren Beobachtungsgrößen, unter denen wir zeigen können, dass für die überwältigende Mehrzahl aller genügend späten Zeitpunkte keine experimentell auflösbaren Unterschiede zu einem stationären Verhalten mehr messbar sind. In einem nächsten Schritt ist es gelungen, nicht nur dieses Langzeitverhalten selbst, sondern auch den gesamten zeitlichen Relaxationsprozess für eine große Klasse realistischer Modellsysteme mittels analytischer Methoden in sehr guter Approximation quantitativ zu beschreiben, und damit auch experimentell gemessene Daten zu erklären.
Publications
- Quantum versus classical foundation of statistical mechanics under experimentally realistic conditions, Phys. Rev. E 88, 052114 (2013)
P. Reimann and M. Evstigneev
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevE.88.052114) - Thermally activated contact strengthening explains nonmonotonic temperature and velocity dependence of atomic friction, Phys. Rev. X 3, 041020 (2013)
M. Evstigneev and P. Reimann
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevX.3.041020) - Stochastic modeling and rate theory of atomic friction, p. 115-137 in “Fundamentals of Friction and Wear on the Nanoscale”, edited by E. Gnecco and E. Meyer, Springer (Berlin) 2014
M. Evstigneev, J. J. Mazo, and P. Reimann
- Eigenstate thermalization: Deutsch’s approach and beyond, New J. Phys. 17, 055025 (2015)
P. Reimann
(See online at https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/5/055025) - Force dependence of energy barriers in atomic friction and single-molecule force spectroscopy: critique of a critical scaling relation, J. Phys.: Condens. Matter 27 , 125004 (2015)
M. Evstigneev and P. Reimann
(See online at https://doi.org/10.1088/0953-8984/27/12/125004) - Generalization of von Neumann’s approach to thermalization, Phys. Rev. Lett. 115, 010403 (2015)
P. Reimann
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.010403) - Equilibration of isolated many-body quantum systems with respect to general distinguishability measures, Phys Rev. E 93, 062107 (2016)
B. N. Balz and P. Reimann
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevE.93.062107) - Typical fast thermalization processes in closed many-body systems, Nat. Commun. 7, 10821 (2016)
P. Reimann
(See online at https://doi.org/10.1038/ncomms10821)
