Осциллятор. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Осциллятор (от лат. oscillo - качаюсь) - система (или материальная точка), совершающая колебательное периодич. движение около положения устойчивого равновесия. Термин "О." применим к любой системе, если описывающие её величины периодически изменяются со временем. Простейшие примеры осциллятора в классической механике - грузик на пружинке, маятник.
Важнейший тип О. - линейный гармонический осциллятор, колебания к-рого являются осн. моделью движения частиц в атомах, атомных ядрах, молекулах, твёрдых телах. Потенц. энергия линейного гармония. О. U = kx²/2, где x(t) - отклонение от положения равновесия, k - пост. коэф. (в случае груза на пружинке k - жёсткость пружины). Она представляет собой первый член разложения в ряд по х потенц. энергии U(x)при малых х.
Ур-ние движения линейного гармонич. О. имеет вид

где

- частота О., т - масса (

где Т - период колебаний; точки означают дифференцирование по времени). Общее решение ур-ния (1):

(А - амплитуда колебаний О.,

- нач. фаза). Движение О., описываемое зависимостью (2), происходит под влиянием возвращающей силы F, направленной к положению равновесия и пропорц. величине отклонения от положения равновесия: F = - дU/дx = - kx. При движении О. в пренебрежении силами трения его полная энергия

сохраняется. Кинетич. энергия

и потенц. энергия kx²/2 в процессе движения изменяются от нуля до

Энергия колебаний О. может быть выражена через амплитуду и частоту:

Импульс О.

меняется по тому же закону (2), что и х, но со сдвигом по фазе на

(соответственно кинетич. и потенц. энергии О. изменяются в противофазе). Если изобразить движение О. на фазовой плоскости, по оси абсцисс к-рой отложена координата, а по оси ординат - импульс, то его периодпч. движение происходит по эллипсу

с полуосями соответственно А и

Понятие "О." распространяется и на немеханич. системы: колебания тока и напряжения в колебат. контуре, колебания векторов напряжённостей электрич. и магн. нолей в эл--магн. волне и т. д.
Квантовый О. описывается гамильтонианом

где

- операторы импульса и координаты; в конфигурац. представлении

Уровни энергии квантового О. эквидистантны:

и изображаются обычно на кривой потенц. энергии О. (рис.), а волновые функции

стационарных состояний О. выражаются через полиномы Эрмита Н_п(см. Ортогональные полиномы):

Здесь l - амплитуда нулевых колебаний, В осн. состоянии О. с волновой функцией

его энергия (энергия нулевых колебаний) имеет наинизшее возможное значение

В стационарных состояниях О. ср. значения координаты и импульса равны нулю. Согласно Эренфеста теореме, ср. значения координаты и импульса гармонич. О. изменяются в соответствии с классич. траекториями. Наглядно это движение проявляется в нормированных когерентных состояниях О.

удовлетворяющих нестационарному ур-нию Шрёдингера и являющихся собств. состояниями для неэрмитового интеграла движения (оператора уничтожения)

С комплексным собств. значением

В когерентном состоянии

ср. значения координаты

и импульса

, как и в классич. механике, описывают в фазовом пространстве эллипс. Оператор уничтожения

и оператор рождения

действуют на n-е состояние след. образом:

т. е. соответственно уничтожают и рождают квант энергии О. Через операторы рождения и уничтожения гамильтониан гармонич. О. выражается так:

Важность модели О. заключается в том, что все совр. модели квантовой теории поля базируются на многомерном (бесконечномерном) обобщении этого выражения:

где индекс i трактуется как характеристика моды поля (эл--магн., акустического и т. д., т. е. фотона, фонона и т. п.), а операторы

- как операторы рождения и уничтожения кванта бозонного поля. К этой же модели сводятся движение заряда в магн. поле, изменение тока и напряжения в колебат. контуре, колебания ядер в многоатомных молекулах и атомов и молекул в твёрдых телах, колебат. движение нуклонов в ядрах и т. д.

При учёте затухания ур-ние движения (1) О. принимает вид

где

- коэф. затухания, а движение О. представляет собой затухающие колебания около положения равновесия:

В квантовой картине затухание колебаний О. описывается неск. моделями, одна из к-рых базируется на гамильтониане

причём во всех моделях ср. значения координаты О. описываются ф-лой (18), а для др. величин в рамках разных моделей имеются различия. Если на О. действует внеш. периодическая (с частотой

) сила

то возникают вынужденные колебания О. на частоте вынуждающей силы, описываемые ф-лой

Резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при сближении собств. частоты О. и частоты вынуждающей силы наз. резонансом гармония. О. Коэф. затухания определяет сдвиг фазы

колебаний О. по отношению к вынуждающей силе, равный 0 при отсутствии затухания и

/2 в резонансе. Для квантового аналога О. с затуханием также существует резонанс. Под влиянием внеш. силы f(t)квантовый О. может переходить с одного уровня энергии (п)на другие (т). Вероятность этого перехода W_nm(t)для О. без затухания даётся ф-лой

- полиномы Лагерра (см. Ортогональные полиномы ).Правила отбора для О. определяются ненулевыми матричными элементами оператора координаты (дипольное приближение). Согласно ф-лам (13), (14), эти элементы отличны от нуля только для переходов между соседними уровнями, поэтому излучение О. происходит на одной частоте (совпадающей с классической,

).
Если потенц. энергия О. содержит члены типа

х⁶и т. д., то осциллятором наз. ангармоническим (нелинейным) и характер его движения радикально отличается от даваемого ф-лой (2). Если частота гармонич. О. меняется со временем, то О. наз. параметрическим, для к-рого также характер колебаний отличен от (2), причём существуют новые явления, напр. параметрич. резонанс осциллятора.

Литература по осцилляторам

Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 10¹¹ раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.