统计物理 · 第五部分 涨落与非平衡统计物理 · 第 24 章

线性响应与涨落–耗散定理

Linear Response and the Fluctuation–Dissipation Theorem
已完成讲义更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0
本章目标

(1) 线性响应函数、因果性与克拉默斯–克勒尼希关系;(2) 推导经典涨落–耗散定理:外加扰动的弛豫遵循平衡关联函数,响应函数的虚部(耗散)由功率谱(涨落)决定;并给出量子形式;(3) 应用:约翰逊–奈奎斯特噪声的严格推导、德拜介电弛豫、核磁共振弛豫;(4) 格林–久保公式:电导率;(5) 推导昂萨格倒易关系,并用于热电效应。

§24.1线性响应函数与因果性

系统原来在哈密顿量 H0\mathcal H_0 下处于平衡,受到一个随时间变化的外加"力" f(t)f(t),它与系统的某个量 AA 耦合:

H=H0−f(t)A(24.1)\mathcal H = \mathcal H_0 - f(t)A \tag{24.1}

例如电场与偶极矩、磁场与磁矩、外力与位置。测量另一个量 BB(可以就是 AA)。在 ff 很小时,响应是线性的;H0\mathcal H_0 不随时间变化,所以响应只依赖于时间差;响应不能早于原因(因果性)。于是

⟨δB(t)⟩=∫−∞∞χBA(t−t′)f(t′) dt′,χBA(τ)=0  (τ<0)(24.2)\langle\delta B(t)\rangle = \int_{-\infty}^\infty\chi_{BA}(t - t')f(t')\,dt',\qquad \chi_{BA}(\tau) = 0\ \ (\tau<0) \tag{24.2}

对 f(t)=Re[f0e−iωt]f(t) = \mathrm{Re}[f_0e^{-i\omega t}],响应为 Re[χ(ω)f0e−iωt]\mathrm{Re}[\chi(\omega)f_0e^{-i\omega t}],其中

χ(ω)=∫0∞χ(t)eiωtdt=χ′(ω)+iχ′′(ω)(24.3)\chi(\omega) = \int_0^\infty\chi(t)e^{i\omega t}dt = \chi'(\omega) + i\chi''(\omega) \tag{24.3}

这与受迫振子的 (P1.12) 是同一个概念。χ(t)\chi(t) 是实数,所以 χ(−ω)=χ(ω)∗\chi(-\omega) = \chi(\omega)^\ast:χ′\chi' 是偶函数,χ′′\chi'' 是奇函数。能量耗散:外力对系统做功的功率为 f d⟨A⟩/dtf\,d\langle A\rangle/dt,对一个周期取平均,与 (P1.14) 的推导完全相同,得 Pˉ=ω2χAA′′(ω)f02\bar P = \frac\omega2\chi''_{AA}(\omega)f_0^2。稳定的平衡系统只能吸收能量,所以 ω>0\omega>0 时 χAA′′(ω)>0\chi''_{AA}(\omega)>0。

克拉默斯–克勒尼希关系。因果性使 χ′\chi' 与 χ′′\chi'' 互相决定:

χ′(ω)=1π P ⁣ ⁣∫−∞∞χ′′(ω′)ω′−ωdω′,χ′′(ω)=−1π P ⁣ ⁣∫−∞∞χ′(ω′)ω′−ωdω′(24.4)\chi'(\omega) = \frac1\pi\,\mathrm P\!\!\int_{-\infty}^\infty\frac{\chi''(\omega')}{\omega' - \omega}d\omega',\qquad \chi''(\omega) = -\frac1\pi\,\mathrm P\!\!\int_{-\infty}^\infty\frac{\chi'(\omega')}{\omega' - \omega}d\omega' \tag{24.4}

(P\mathrm P 表示柯西主值:挖去 ω′=ω\omega' = \omega 附近对称的小区间后再取极限。)推导:因果性可以写成 χ(t)=θ(t)χ(t)\chi(t) = \theta(t)\chi(t),θ\theta 为阶跃函数。乘积的傅里叶变换是卷积(提示 A14):χ(ω)=12π∫θ^(ω−ω′)χ(ω′)dω′\chi(\omega) = \frac1{2\pi}\int\hat\theta(\omega - \omega')\chi(\omega')d\omega'。阶跃函数的变换为 θ^(ν)=lim⁡ϵ→0+∫0∞eiνt−ϵtdt=lim⁡1ϵ−iν=lim⁡ϵ+iνϵ2+ν2\hat\theta(\nu) = \lim_{\epsilon\to0^+}\int_0^\infty e^{i\nu t - \epsilon t}dt = \lim\frac{1}{\epsilon - i\nu} = \lim\frac{\epsilon + i\nu}{\epsilon^2 + \nu^2}。其中 ϵϵ2+ν2\frac{\epsilon}{\epsilon^2 + \nu^2} 是面积为 π\pi、宽度趋于零的洛伦兹峰,趋于 πδ(ν)\pi\delta(\nu);νϵ2+ν2\frac{\nu}{\epsilon^2 + \nu^2} 在 ν\nu 不太小时趋于 1/ν1/\nu,而在 ν=0\nu = 0 附近是奇函数,积分时给出主值。所以 θ^(ν)=πδ(ν)+i P1ν\hat\theta(\nu) = \pi\delta(\nu) + i\,\mathrm P\frac1\nu,代入卷积:χ(ω)=12χ(ω)+i2πP ⁣∫χ(ω′)ω−ω′dω′\chi(\omega) = \frac12\chi(\omega) + \frac{i}{2\pi}\mathrm P\!\int\frac{\chi(\omega')}{\omega - \omega'}d\omega',即 χ(ω)=iπP ⁣∫χ(ω′)ω−ω′dω′\chi(\omega) = \frac i\pi\mathrm P\!\int\frac{\chi(\omega')}{\omega - \omega'}d\omega'。分别取实部与虚部即得 (24.4)。(这里假定 ω→∞\omega\to\infty 时 χ→0\chi\to0,即没有瞬时响应;否则先减去 χ(∞)\chi(\infty)。)

意义:吸收谱 χ′′\chi'' 完全决定色散 χ′\chi',反之亦然。例如在 ω=0\omega = 0 处,χ′(0)=2π∫0∞χ′′(ω′)ω′dω′\chi'(0) = \frac2\pi\int_0^\infty\frac{\chi''(\omega')}{\omega'}d\omega':静态的极化率等于吸收谱的一个加权积分。光学中,物质的折射率可以由它的吸收光谱算出;吸收线附近折射率随频率的反常变化(反常色散)也由此而来。

§24.2经典涨落–耗散定理

弛豫实验。设 t<0t<0 时外力保持为常数 f0f_0,系统已在 H0−f0A\mathcal H_0 - f_0A 下达到平衡;t=0t = 0 时撤去外力。由 (24.2),t>0t>0 时

⟨δB(t)⟩=f0∫−∞0χ(t−t′)dt′=f0∫t∞χ(s)ds≡f0ΦBA(t)\langle\delta B(t)\rangle = f_0\int_{-\infty}^0\chi(t - t')dt' = f_0\int_t^\infty\chi(s)ds\equiv f_0\Phi_{BA}(t)

Φ\Phi 称为弛豫函数,χ(t)=−dΦ/dt\chi(t) = -d\Phi/dt。

统计力学的计算。t=0t = 0 时,相空间分布为 ρ∝e−β(H0−f0A)\rho\propto e^{-\beta(\mathcal H_0 - f_0A)},对 f0f_0 展开到一阶并归一化:ρ(Γ)≈ρ0(Γ)[1+βf0 δA(Γ)]\rho(\Gamma)\approx\rho_0(\Gamma)\left[1 + \beta f_0\,\delta A(\Gamma)\right],δA=A−⟨A⟩0\delta A = A - \langle A\rangle_0。t>0t>0 时系统在 H0\mathcal H_0 下演化:每个相点沿 H0\mathcal H_0 的轨道运动,⟨B(t)⟩=∫ρ(Γ0)B(Γt(Γ0))dΓ0\langle B(t)\rangle = \int\rho(\Gamma_0)B(\Gamma_t(\Gamma_0))d\Gamma_0。由于 ρ0\rho_0 在 H0\mathcal H_0 的演化下不变,

⟨B(t)⟩=⟨B⟩0+βf0⟨δA(0) δB(t)⟩0\langle B(t)\rangle = \langle B\rangle_0 + \beta f_0\left\langle\delta A(0)\,\delta B(t)\right\rangle_0

与上式比较:

ΦBA(t)=β⟨δA(0) δB(t)⟩0=βCAB(t)(24.5)\Phi_{BA}(t) = \beta\left\langle\delta A(0)\,\delta B(t)\right\rangle_0 = \beta C_{AB}(t) \tag{24.5}

撤去外力后系统的弛豫,与平衡态中自发涨落的衰减遵循同一个函数。这就是昂萨格的"回归假设"——在这里它被证明了。对时间求导:

χBA(t)=−βdCAB(t)dt(t>0)(24.6)\chi_{BA}(t) = -\beta\frac{dC_{AB}(t)}{dt}\qquad(t>0) \tag{24.6}

频域形式。取 B=AB = A,分部积分:χ(ω)=∫0∞(−βC˙)eiωtdt=β[C(0)+iω∫0∞C(t)eiωtdt]\chi(\omega) = \int_0^\infty(-\beta\dot C)e^{i\omega t}dt = \beta\left[C(0) + i\omega\int_0^\infty C(t)e^{i\omega t}dt\right]。取虚部,并用 C(t)C(t) 为偶函数:χ′′(ω)=βω∫0∞C(t)cos⁡ωt dt=βω2∫−∞∞C(t)eiωtdt\chi''(\omega) = \beta\omega\int_0^\infty C(t)\cos\omega t\,dt = \frac{\beta\omega}{2}\int_{-\infty}^\infty C(t)e^{i\omega t}dt。由维纳–辛钦定理 (22.15):

SA(ω)=2kBTωχAA′′(ω)(24.7)S_A(\omega) = \frac{2k_{\mathrm B}T}{\omega}\chi''_{AA}(\omega) \tag{24.7}

这就是涨落–耗散定理(经典形式):左边是平衡态中自发涨落的功率谱,右边是系统吸收能量的能力。取 ω→0\omega\to0 的实部,又得到静态关系 χ′(0)=β⟨δA2⟩\chi'(0) = \beta\langle\delta A^2\rangle,即 (P3.3)、(18.2)。

§24.3量子形式

当 ℏω\hbar\omega 与 kBTk_{\mathrm B}T 可比时,必须用量子力学。设 H0\mathcal H_0 的本征态为 ∣n⟩\lvert n\rangle,平衡时的占据概率为 pn∝e−βEnp_n\propto e^{-\beta E_n}(§P2.8)。定义量子的功率谱 SA(ω)=∫⟨A(t)A(0)⟩eiωtdtS_A(\omega) = \int\langle A(t)A(0)\rangle e^{i\omega t}dt,其中 A(t)=eiH0t/ℏAe−iH0t/ℏA(t) = e^{i\mathcal H_0t/\hbar}Ae^{-i\mathcal H_0t/\hbar}。插入完备基(提示 B4),⟨A(t)A(0)⟩=∑n,mpn∣Amn∣2ei(En−Em)t/ℏ\langle A(t)A(0)\rangle = \sum_{n,m}p_n\lvert A_{mn}\rvert^2e^{i(E_n - E_m)t/\hbar},所以

SA(ω)=2πℏ∑n,mpn∣Amn∣2δ(Em−En−ℏω)S_A(\omega) = 2\pi\hbar\sum_{n,m}p_n\lvert A_{mn}\rvert^2\delta(E_m - E_n - \hbar\omega)

ω>0\omega>0 的部分对应系统吸收能量 ℏω\hbar\omega 的跃迁,ω<0\omega<0 的部分对应放出能量。把求和中的 nn、mm 互换并用 pm=pne−βℏωp_m = p_ne^{-\beta\hbar\omega}(Em=En+ℏωE_m = E_n + \hbar\omega),得到细致平衡关系 SA(−ω)=e−βℏωSA(ω)S_A(-\omega) = e^{-\beta\hbar\omega}S_A(\omega)。

外力 −f0Acos⁡ωt=−f02A(e−iωt+eiωt)-f_0A\cos\omega t = -\frac{f_0}{2}A(e^{-i\omega t} + e^{i\omega t}) 引起的跃迁速率由费米黄金规则 (P2.17) 给出。吸收的功率等于向上跃迁吸收的能量减去向下跃迁放出的能量:

Pˉ=2πℏ(f02)2ℏω∑n,mpn∣Amn∣2[δ(Em−En−ℏω)−δ(Em−En+ℏω)]=f02ω4ℏ[SA(ω)−SA(−ω)]\bar P = \frac{2\pi}{\hbar}\left(\frac{f_0}{2}\right)^2\hbar\omega\sum_{n,m}p_n\lvert A_{mn}\rvert^2\left[\delta(E_m - E_n - \hbar\omega) - \delta(E_m - E_n + \hbar\omega)\right] = \frac{f_0^2\omega}{4\hbar}\left[S_A(\omega) - S_A(-\omega)\right]

令它等于 ω2χ′′f02\frac\omega2\chi''f_0^2,并用细致平衡关系:

SA(ω)=2ℏ1−e−βℏω χAA′′(ω)(24.8)S_A(\omega) = \frac{2\hbar}{1 - e^{-\beta\hbar\omega}}\,\chi''_{AA}(\omega) \tag{24.8}

(卡伦与韦尔顿,1951;久保,1957。)ℏω≪kBT\hbar\omega\ll k_{\mathrm B}T 时 1−e−βℏω≈βℏω1 - e^{-\beta\hbar\omega}\approx\beta\hbar\omega,回到 (24.7)。T→0T\to0 时,ω>0\omega>0 处 SA=2ℏχ′′S_A = 2\hbar\chi'',ω<0\omega<0 处 SA=0S_A = 0:处于基态的系统只能吸收、不能放出能量,但仍然有零点涨落。爱因斯坦的吸收与受激辐射系数的关系(§15.4)就是 (24.8) 的一个特例。

§24.4应用一:电阻的热噪声

把一个阻抗为 Z(ω)Z(\omega) 的元件接到电压源上:电压 VV 与通过元件的电荷 QQ 耦合,H′=−VQ\mathcal H' = -VQ(电源做功 V dQV\,dQ)。由 I=dQ/dtI = dQ/dt,I(ω)=−iωQ(ω)I(\omega) = -i\omega Q(\omega),而 I=V/ZI = V/Z,所以响应函数为

χQQ(ω)=QV=iωZ(ω)\chi_{QQ}(\omega) = \frac{Q}{V} = \frac{i}{\omega Z(\omega)}

对电阻 Z=RZ = R:χ′′=1ωR\chi'' = \frac{1}{\omega R}。由 (24.7),电荷涨落的功率谱为 SQ=2kBTω⋅1ωRS_Q = \frac{2k_{\mathrm B}T}{\omega}\cdot\frac{1}{\omega R};电流 I=Q˙I = \dot Q 的功率谱为 SI=ω2SQ=2kBT/RS_I = \omega^2S_Q = 2k_{\mathrm B}T/R,与频率无关(白噪声)。换成单边频谱(§22.5)SI(1)(f)=2SI=4kBT/RS_I^{(1)}(f) = 2S_I = 4k_{\mathrm B}T/R;等效的串联电压噪声为 R2SI(1)R^2S_I^{(1)}:

SV(1)(f)=4kBTR(24.9)S_V^{(1)}(f) = 4k_{\mathrm B}TR \tag{24.9}

这就是 (P3.16),现在由涨落–耗散定理严格地得到了。对一般的阻抗,同样的推导给出 SV(1)=4kBT Re Z(ω)S_V^{(1)} = 4k_{\mathrm B}T\,\mathrm{Re}\,Z(\omega)(奈奎斯特,1928):只有耗散(电阻)部分产生噪声,纯电感、纯电容不产生噪声。高频或低温下(ℏω≳kBT\hbar\omega\gtrsim k_{\mathrm B}T)要用 (24.8):把 ±ω\pm\omega 两部分合并为单边谱,kBTk_{\mathrm B}T 换成 ℏω2coth⁡ℏω2kBT\frac{\hbar\omega}{2}\coth\frac{\hbar\omega}{2k_{\mathrm B}T},噪声不会消失,最终由零点涨落决定——这对超导量子电路与微弱信号的放大是根本的限制。

约翰逊噪声只依赖于 TT、RR 与基本常数,所以测量它就是一种绝对温度计;为了 2019 年用固定的玻尔兹曼常数重新定义开尔文,2017 年前后进行的 kBk_{\mathrm B} 精密测定中也用到了这种方法。

§24.5应用二:德拜弛豫与介电谱

极性分子组成的液体中,总偶极矩的某个分量 A=PxA = P_x 随分子的转动而涨落。设它的关联函数按指数衰减:

C(t)=⟨δPx2⟩e−∣t∣/τ(24.10)C(t) = \langle\delta P_x^2\rangle e^{-\lvert t\rvert/\tau} \tag{24.10}

由 (24.6),χ(t)=β⟨δPx2⟩τe−t/τ\chi(t) = \frac{\beta\langle\delta P_x^2\rangle}{\tau}e^{-t/\tau}(t>0t>0),而 ∫0∞e−t/ττeiωtdt=11−iωτ\int_0^\infty\frac{e^{-t/\tau}}{\tau}e^{i\omega t}dt = \frac{1}{1 - i\omega\tau},所以

χ(ω)=χ01−iωτ,χ′=χ01+ω2τ2,χ′′=χ0 ωτ1+ω2τ2(24.11)\chi(\omega) = \frac{\chi_0}{1 - i\omega\tau},\qquad \chi' = \frac{\chi_0}{1 + \omega^2\tau^2},\qquad \chi'' = \frac{\chi_0\,\omega\tau}{1 + \omega^2\tau^2} \tag{24.11}

其中静态极化率 χ0=β⟨δPx2⟩\chi_0 = \beta\langle\delta P_x^2\rangle,就是德拜公式 (P3.4) 中的取向部分。介电损耗 χ′′\chi'' 在 ωτ=1\omega\tau = 1 处取极大值 χ0/2\chi_0/2;以 χ′\chi' 为横轴、χ′′\chi'' 为纵轴作图,得到半圆 (χ′−χ0/2)2+χ′′2=(χ0/2)2(\chi' - \chi_0/2)^2 + \chi''^2 = (\chi_0/2)^2(科尔–科尔图)。由介电谱的峰位就能读出分子转动的关联时间。

χ′/χ0\chi'/\chi_0χ′′/χ0\chi''/\chi_0(介电损耗)
ωτ (对数坐标)\omega\tau\ \text{(对数坐标)}
χ′′/χ0\chi''/\chi_0
χ′/χ0\chi'/\chi_0
χ′/χ0\chi'/\chi_0
—
χ′′/χ0\chi''/\chi_0
—
χ′′/χ′=ωτ\chi''/\chi' = \omega\tau
—
图 24.1德拜弛豫 (24.11)。左:χ′\chi' 在 ωτ∼1\omega\tau\sim1 附近从静态值降到零,损耗 χ′′\chi'' 在 ωτ=1\omega\tau = 1 处取极大值 χ0/2\chi_0/2,峰宽超过一个数量级。右:以 χ′\chi' 为横轴、χ′′\chi'' 为纵轴是一个半圆(科尔–科尔图)。

数量级。德拜把分子看成在黏性液体中转动扩散的小球(半径 aa),转动摩擦系数为 8πηa38\pi\eta a^3,偶极取向的弛豫时间为 τ=4πηa3/(kBT)\tau = 4\pi\eta a^3/(k_{\mathrm B}T)(结果引用:与平动扩散类似,偶极方向的分布按 e−2Drte^{-2D_{\mathrm r}t} 弛豫,Dr=kBT/(8πηa3)D_{\mathrm r} = k_{\mathrm B}T/(8\pi\eta a^3))。室温下水的 τ≈8\tau\approx8 ps,损耗峰在约 19 GHz。微波炉的 2.45 GHz 远低于这个峰(ωτ≈0.13\omega\tau\approx0.13),损耗适中,使微波能够深入食物内部而不是只在表面被吸收。

高分子与玻璃形成液体的介电谱通常比 (24.11) 宽得多、也不对称:链段运动的弛豫时间有很宽的分布,关联函数常用"拉伸指数"e−(t/τ)βKe^{-(t/\tau)^{\beta_{\mathrm K}}}(0<βK<10<\beta_{\mathrm K}<1)描述。介电谱是研究玻璃化转变(第33章)的主要实验手段之一。

§24.6应用三:核磁共振弛豫

涨落的场引起跃迁。设一个两能级系统(能级间隔 ℏω0\hbar\omega_0,例如磁场中的核自旋,§P2.5)受到一个随时间随机涨落的微扰 H′(t)=F(t)A^\mathcal H'(t) = F(t)\hat A,F(t)F(t) 是由分子运动引起的平稳随机函数(例如分子转动造成的局部磁场的变化)。由一阶含时微扰 (§P2.7),cm(t)=1iℏ∫0tAmnF(t′)eiωmnt′dt′c_m(t) = \frac{1}{i\hbar}\int_0^tA_{mn}F(t')e^{i\omega_{mn}t'}dt',对 FF 的涨落求平均,与 §22.5 的推导完全相同:⟨∣cm∣2⟩≈tℏ2∣Amn∣2SF(ωmn)\langle\lvert c_m\rvert^2\rangle\approx\frac{t}{\hbar^2}\lvert A_{mn}\rvert^2S_F(\omega_{mn})。所以跃迁速率为

Wn→m=∣Amn∣2ℏ2SF(ωmn)(24.12)W_{n\to m} = \frac{\lvert A_{mn}\rvert^2}{\hbar^2}S_F(\omega_{mn}) \tag{24.12}

自旋"采样"了环境涨落在其跃迁频率处的功率谱。这里的 SFS_F 是按 (22.14) 定义的经典功率谱,对 ω\omega 对称,所以向上、向下跃迁的速率相同。严格说,环境是量子的:自旋向上跃迁时环境放出能量 ℏω0\hbar\omega_0,向下跃迁时环境吸收能量;按 §24.3 的约定,两者分别由 SF(−ω0)S_F(-\omega_0) 与 SF(ω0)S_F(\omega_0) 决定,比值为 e−βℏω0e^{-\beta\hbar\omega_0}(细致平衡)。正是这一点微小的不对称使核自旋最终达到晶格的温度(极化度 (6.8))。由两态系统的弛豫 (23.21),纵向弛豫速率 1/T11/T_1 是向上与向下速率之和,主要由 SF(ω0)S_F(\omega_0) 决定。

BPP 理论。分子做各向同性的转动,局部场的关联函数近似为 e−∣t∣/τce^{-\lvert t\rvert/\tau_{\mathrm c}}(τc\tau_{\mathrm c} 为转动关联时间),由 (22.16),功率谱正比于 J(ω)=τc1+ω2τc2J(\omega) = \frac{\tau_{\mathrm c}}{1 + \omega^2\tau_{\mathrm c}^2}(谱密度)。对同种自旋之间的偶极相互作用,跃迁同时发生在 ω0\omega_0 与 2ω02\omega_0 处(单个自旋翻转与两个自旋同时翻转),得到布隆伯根、珀塞尔与庞德(1948)的公式:

1T1=K[τc1+ω02τc2+4τc1+4ω02τc2](24.13)\frac{1}{T_1} = K\left[\frac{\tau_{\mathrm c}}{1 + \omega_0^2\tau_{\mathrm c}^2} + \frac{4\tau_{\mathrm c}}{1 + 4\omega_0^2\tau_{\mathrm c}^2}\right] \tag{24.13}
物理输入

对于相距 rr 的一对同种自旋 1/2,K=310(μ04π)2γ4ℏ2r6K = \frac{3}{10}\left(\frac{\mu_0}{4\pi}\right)^2\frac{\gamma^4\hbar^2}{r^6}。

  • 快运动(ω0τc≪1\omega_0\tau_{\mathrm c}\ll1,例如液体中的小分子):1/T1≈5Kτc1/T_1\approx5K\tau_{\mathrm c},运动越慢,弛豫越快。
  • 慢运动(ω0τc≫1\omega_0\tau_{\mathrm c}\gg1,例如黏稠液体、玻璃化温度附近的高分子、固体):1/T1≈2Kω02τc1/T_1\approx\frac{2K}{\omega_0^2\tau_{\mathrm c}},运动越慢,弛豫越慢。
  • 两者之间 1/T11/T_1 有极大值。对方括号中的函数 x/(1+x2)+4x/(1+4x2)x/(1 + x^2) + 4x/(1 + 4x^2)(x=ω0τcx = \omega_0\tau_{\mathrm c})求极大,数值解为 x≈0.616x\approx0.616,极大值约为 1.4251.425,即 T1T_1 的极小值为 (1/T1)max⁡≈1.425K/ω0(1/T_1)_{\max}\approx1.425K/\omega_0。

若 τc\tau_{\mathrm c} 服从阿伦尼乌斯定律 τc=τ0eEa/kBT\tau_{\mathrm c} = \tau_0e^{E_{\mathrm a}/k_{\mathrm B}T},则 ln⁡T1\ln T_1 对 1/T1/T 作图呈 V 形,极小值出现在 ω0τc≈0.62\omega_0\tau_{\mathrm c}\approx0.62 的温度,两侧的斜率给出活化能。这是用核磁共振研究分子运动(包括高分子的链段运动与侧基转动)的基本方法。在这里,涨落–耗散的两面都出现了:谱线本身是"耗散"一侧(吸收),弛豫时间测量的则是"涨落"一侧(谱密度)。

§24.7格林–久保公式:电导率

用涨落–耗散定理计算输运系数。一块导体处在沿 xx 方向的均匀电场 EE 中,H′=−EPx\mathcal H' = -EP_x,Px=∑iqixiP_x = \sum_iq_ix_i 是总偶极矩;总电流 Jx=dPx/dt=∑iqivixJ_x = dP_x/dt = \sum_iq_iv_{ix}。由 (24.6)(A=PxA = P_x,B=JxB = J_x),χJP(t)=−βddt⟨Px(0)Jx(t)⟩\chi_{JP}(t) = -\beta\frac{d}{dt}\langle P_x(0)J_x(t)\rangle。由平稳性,⟨Px(0)Jx(t)⟩=⟨Px(−t)Jx(0)⟩\langle P_x(0)J_x(t)\rangle = \langle P_x(-t)J_x(0)\rangle,对 tt 求导得 −⟨P˙x(−t)Jx(0)⟩=−⟨Jx(−t)Jx(0)⟩=−⟨Jx(0)Jx(t)⟩-\langle\dot P_x(-t)J_x(0)\rangle = -\langle J_x(-t)J_x(0)\rangle = -\langle J_x(0)J_x(t)\rangle,所以 χJP(t)=β⟨Jx(0)Jx(t)⟩\chi_{JP}(t) = \beta\langle J_x(0)J_x(t)\rangle。在恒定电场中,电流密度为 j=Jx/V=σEj = J_x/V = \sigma E:

σ=1VkBT∫0∞⟨Jx(0)Jx(t)⟩dt(24.14)\sigma = \frac{1}{Vk_{\mathrm B}T}\int_0^\infty\left\langle J_x(0)J_x(t)\right\rangle dt \tag{24.14}

这是格林–久保公式(格林,1952–1954;久保,1957):电导率等于平衡态中电流涨落的关联函数的积分。

检验。NN 个相互独立的电子,每个的速度关联为 (23.7),kBTme−t/τ\frac{k_{\mathrm B}T}{m}e^{-t/\tau};不同电子之间无关联,所以 ⟨Jx(0)Jx(t)⟩=Ne2kBTme−t/τ\langle J_x(0)J_x(t)\rangle = Ne^2\frac{k_{\mathrm B}T}{m}e^{-t/\tau},代入得 σ=ne2τm\sigma = \frac{ne^2\tau}{m},正是德鲁德公式 (11.1)。若离子之间的关联可以忽略,同样的推导给出 σ=nq2D/(kBT)\sigma = nq^2D/(k_{\mathrm B}T)(能斯特–爱因斯坦关系,与 (23.9) 一致)。

同样可以写出黏度 η=VkBT∫0∞⟨σxy(0)σxy(t)⟩dt\eta = \frac{V}{k_{\mathrm B}T}\int_0^\infty\langle\sigma_{xy}(0)\sigma_{xy}(t)\rangle dt(σxy\sigma_{xy} 为整个系统的平均应力张量的非对角分量,量纲为压强)、热导率等的格林–久保公式。它们的意义在于:输运系数完全由平衡态的性质决定,可以在分子动力学模拟(第32章)中计算。

§24.8昂萨格倒易关系

线性唯象律。设偏离平衡的一组宏观量 aia_i(在速度反向时不变号),熵为 S=S0−12∑gijaiajS = S_0 - \frac12\sum g_{ij}a_ia_j,共轭的热力学力为 Xi=∂S/∂aiX_i = \partial S/\partial a_i(§22.1)。在接近平衡时,"流" a˙i\dot a_i 是"力"的线性函数:

a˙i=∑jLijXj(24.15)\dot a_i = \sum_jL_{ij}X_j \tag{24.15}

(例如热流由 Δ(1/T)\Delta(1/T) 驱动,§P5.4。)熵产生为 S˙=∑iXia˙i=∑ijXiLijXj≥0\dot S = \sum_iX_i\dot a_i = \sum_{ij}X_iL_{ij}X_j\ge0。

推导。由回归性质 (24.5),自发涨落的平均衰减也遵循 (24.15):

ddt⟨ai(t)ak(0)⟩=∑jLij⟨Xj(t)ak(0)⟩\frac{d}{dt}\left\langle a_i(t)a_k(0)\right\rangle = \sum_jL_{ij}\left\langle X_j(t)a_k(0)\right\rangle

令 t→0+t\to0^+,由 (22.4),右边为 ∑jLij(−kBδjk)=−kBLik\sum_jL_{ij}(-k_{\mathrm B}\delta_{jk}) = -k_{\mathrm B}L_{ik},所以 ⟨a˙i(0+)ak(0)⟩=−kBLik\langle\dot a_i(0^+)a_k(0)\rangle = -k_{\mathrm B}L_{ik}。另一方面,由时间反演对称性 (22.13),⟨ai(t)ak(0)⟩=⟨ai(0)ak(t)⟩\langle a_i(t)a_k(0)\rangle = \langle a_i(0)a_k(t)\rangle,对 tt 求导后令 t→0+t\to0^+:⟨a˙iak⟩=⟨aia˙k⟩\langle\dot a_ia_k\rangle = \langle a_i\dot a_k\rangle,即 −kBLik=−kBLki-k_{\mathrm B}L_{ik} = -k_{\mathrm B}L_{ki}。于是

Lik=Lki(24.16)L_{ik} = L_{ki} \tag{24.16}

这就是昂萨格倒易关系(1931;1968 年诺贝尔化学奖)。在磁场中,时间反演要同时把磁场反向,关系变为 Lik(B)=Lki(−B)L_{ik}(\mathbf B) = L_{ki}(-\mathbf B);若两个量在时间反演下的奇偶性不同,则多一个负号(卡西米尔)。

例:热电效应。导体中同时存在电流密度 j\mathbf j 与热流 jq\mathbf j_q。熵产生为 σs=j⋅ET+jq⋅∇1T\sigma_s = \mathbf j\cdot\frac{\mathbf E}{T} + \mathbf j_q\cdot\nabla\frac1T(第一项是焦耳热除以温度,第二项是热传导,§P5.4),所以共轭的力分别是 E/T\mathbf E/T 与 ∇(1/T)\nabla(1/T):

j=L11ET+L12∇1T,jq=L21ET+L22∇1T\mathbf j = L_{11}\frac{\mathbf E}{T} + L_{12}\nabla\frac1T,\qquad \mathbf j_q = L_{21}\frac{\mathbf E}{T} + L_{22}\nabla\frac1T
  • 塞贝克效应:开路时 j=0\mathbf j = 0,温度梯度产生电场 E=−L12TL11∇1T=L12L11T∇T≡SSeebeck∇T\mathbf E = -\frac{L_{12}T}{L_{11}}\nabla\frac1T = \frac{L_{12}}{L_{11}T}\nabla T\equiv S_{\mathrm{Seebeck}}\nabla T,所以 SSeebeck=L12/(L11T)S_{\mathrm{Seebeck}} = L_{12}/(L_{11}T)。
  • 佩尔捷效应:等温时 ∇T=0\nabla T = 0,电流携带热流 jq=L21L11j≡Πj\mathbf j_q = \frac{L_{21}}{L_{11}}\mathbf j\equiv\Pi\mathbf j,所以 Π=L21/L11\Pi = L_{21}/L_{11}。

由 L12=L21L_{12} = L_{21}:

Π=TSSeebeck(24.17)\Pi = TS_{\mathrm{Seebeck}} \tag{24.17}

这是开尔文在 1854 年用一个不太严格的热力学论证得到的关系,昂萨格理论给出了它的基础(符号约定因书而异)。热电偶测温与佩尔捷制冷都基于这两个效应。其他例子:温差引起的扩散(索雷效应)与浓度差引起的热流(迪富尔效应)系数相等;各向异性晶体的热导率张量是对称的。

§24.9本章小结

  1. 线性响应函数满足因果性,其实部与虚部由克拉默斯–克勒尼希关系相互决定;虚部 χ′′\chi'' 描述能量耗散。
  2. 撤去扰动后的弛豫遵循平衡关联函数:Φ=βC\Phi = \beta C,χ(t)=−βC˙(t)\chi(t) = -\beta\dot C(t);频域中 S(ω)=(2kBT/ω)χ′′(ω)S(\omega) = (2k_{\mathrm B}T/\omega)\chi''(\omega),量子形式为 S=2ℏχ′′/(1−e−βℏω)S = 2\hbar\chi''/(1 - e^{-\beta\hbar\omega})。
  3. 应用:约翰逊–奈奎斯特噪声 4kBT Re Z4k_{\mathrm B}T\,\mathrm{Re}\,Z;德拜弛豫 χ0/(1−iωτ)\chi_0/(1 - i\omega\tau);核磁共振的 1/T11/T_1 正比于局部场涨落在 ω0\omega_0 处的谱密度。
  4. 格林–久保公式:输运系数是平衡关联函数的时间积分,例如 σ=1VkBT∫⟨J(0)J(t)⟩dt\sigma = \frac{1}{Vk_{\mathrm B}T}\int\langle J(0)J(t)\rangle dt。
  5. 回归性质与时间反演对称性给出昂萨格倒易关系 Lik=LkiL_{ik} = L_{ki},例如 Π=TSSeebeck\Pi = TS_{\mathrm{Seebeck}}。

自测题

  1. 对阻尼振子 (P1.12),由 (24.7) 求位置涨落的功率谱,并验证 ∫Sxdω2π=kBTmω02\int S_x\frac{d\omega}{2\pi} = \frac{k_{\mathrm B}T}{m\omega_0^2}(均分定理)。[提示:∫−∞∞dω(ω02−ω2)2+γ2ω2=πγω02\int_{-\infty}^\infty\frac{d\omega}{(\omega_0^2 - \omega^2)^2 + \gamma^2\omega^2} = \frac{\pi}{\gamma\omega_0^2}]
  2. 验证德拜形式 (24.11) 满足克拉默斯–克勒尼希关系在 ω=0\omega = 0 处的形式 χ′(0)=2π∫0∞χ′′(ω)ωdω\chi'(0) = \frac2\pi\int_0^\infty\frac{\chi''(\omega)}{\omega}d\omega。
  3. 数值求出使 (24.13) 中方括号取极大的 ω0τc\omega_0\tau_{\mathrm c}。[答:约 0.616]
  4. 由 (24.14) 推导能斯特–爱因斯坦关系 σ=nq2D/(kBT)\sigma = nq^2D/(k_{\mathrm B}T)(设不同离子的速度无关联)。