Equação de Klein-Gordon: mudanças entre as edições

De Física Computacional
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Para analisar a estabilidade, considera-se uma solução modal da forma:
Forma Contínua e Discretização: A equação de Klein-Gordon contínua é: <math> \frac{\partial^2 \psi}{\partial t^2} = c^2 \frac{\partial^2 \psi}{\partial x^2} - \frac{m^2 c^4}{\hbar^2} \psi. </math>
<math> \phi_j^n = e^{i(k j \Delta x - \omega n \Delta t)}, </math>


onde <math>k</math> é o número de onda e <math>\omega</math> é a frequência angular.
A forma discreta, usando diferenças finitas centralizadas no tempo e no espaço, é: <math> \psi_i^{n+1} = 2 \psi_i^n - \psi_i^{n-1} + \frac{c^2 \Delta t^2}{\Delta x^2} (\psi_{i+1}^n - 2 \psi_i^n + \psi_{i-1}^n) - \frac{m^2 c^4 \Delta t^2}{\hbar^2} \psi_i^n. </math> Aqui, definimos os coeficientes: <math> \alpha = \frac{c \Delta t}{\Delta x}, \quad \beta = \frac{m c^2 \Delta t}{\hbar}. </math>


Substituindo essa expressão na equação discreta e usando as propriedades das exponenciais complexas, temos:
Suposição de Solução Harmônica: Substituímos uma solução da forma: <math> \psi_i^n = G^n e^{i k x_i}, </math> onde:
<math> \frac{e^{-i\omega \Delta t} - 2 + e^{i\omega \Delta t}}{\Delta t^2} = \frac{c^2}{\Delta x^2} \left(e^{ik \Delta x} - 2 + e^{-ik \Delta x}\right) - \frac{m^2 c^4}{\hbar^2}. </math>


<math> \phi_{j+1}^n = e^{ik \Delta x} \phi_j^n, \quad \phi_{j-1}^n = e^{-ik \Delta x} \phi_j^n, </math> <math> \phi_j^{n+1} = e^{-i\omega \Delta t} \phi_j^n, \quad \phi_j^{n-1} = e^{i\omega \Delta t} \phi_j^n. </math>
  na equação: <math> G^{n+1} e^{i k x_i} = 2 G^n e^{i k x_i} - G^{n-1} e^{i k x_i} + \alpha^2 G^n \left(e^{i k x_{i+1}} - 2 e^{i k x_i} + e^{i k x_{i-1}}\right) - \beta^2 G^n e^{i k x_i}. </math>


Substituindo essas expressões na equação discreta:
Simplificação:
<math> e^{-i\omega \Delta t} \phi_j^n - 2\phi_j^n + e^{i\omega \Delta t} \phi_j^n = \frac{c^2 \Delta t^2}{\Delta x^2} \left(e^{ik \Delta x} \phi_j^n - 2\phi_j^n + e^{-ik \Delta x} \phi_j^n\right) - \frac{m^2 c^4 \Delta t^2}{\hbar^2} \phi_j^n. </math>


Dividindo todos os termos por <math>\phi_j^n</math> (assumindo <math>\phi_j^n \neq 0</math>) e rearranjando, obtém-se:
Como <math> e^{i k x_{i+1}} = e^{i k x_i} e^{i k \Delta x} </math> e <math> e^{i k x_{i-1}} = e^{i k x_i} e^{-i k \Delta x} </math>, o termo centralizado se torna: <math> e^{i k x_{i+1}} - 2 e^{i k x_i} + e^{i k x_{i-1}} = e^{i k x_i} \left(e^{i k \Delta x} - 2 + e^{-i k \Delta x}\right). </math>
<math> \frac{e^{-i\omega \Delta t} - 2 + e^{i\omega \Delta t}}{\Delta t^2} = \frac{c^2}{\Delta x^2} \left(e^{ik \Delta x} - 2 + e^{-ik \Delta x}\right) - \frac{m^2 c^4}{\hbar^2}. </math>
Usando <math> e^{i k \Delta x} + e^{-i k \Delta x} = 2 \cos(k \Delta x) </math>, temos: <math> e^{i k x_{i+1}} - 2 e^{i k x_i} + e^{i k x_{i-1}} = e^{i k x_i} \left(-2 + 2 \cos(k \Delta x)\right). </math>
Substituímos isso na equação e cancelamos o fator <math> e^{i k x_i} </math>, que nunca é zero: <math> G^{n+1} = 2 G^n - G^{n-1} - \alpha^2 (2 - 2 \cos(k \Delta x)) G^n - \beta^2 G^n. </math>


Utilizando identidades trigonométricas para simplificar, a equação se torna:
Simplificando mais, obtemos: <math> G^{n+1} = (2 - \alpha^2 (2 - 2 \cos(k \Delta x)) - \beta^2) G^n - G^{n-1}. </math>
<math> \frac{-4 \sin^2(\omega \Delta t / 2)}{\Delta t^2} = \frac{-4 c^2 \sin^2(k \Delta x / 2)}{\Delta x^2} - \frac{m^2 c^4}{\hbar^2}. </math>


Multiplicando por <math>-1</math>, obtemos:
Equação Característica: Assumimos uma solução da forma <math> G^n = G^n </math> e obtemos uma equação quadrática para <math> G </math>: <math> G^2 - G \left(2 - \alpha^2 (2 - 2 \cos(k \Delta x)) - \beta^2 \right) + 1 = 0. </math>
<math> \frac{4 \sin^2(\omega \Delta t / 2)}{\Delta t^2} = \frac{4 c^2 \sin^2(k \Delta x / 2)}{\Delta x^2} + \frac{m^2 c^4}{\hbar^2}. </math>
Critério de Estabilidade


A condição de estabilidade exige que <math>\sin^2(\omega \Delta t / 2)</math> seja real e menor ou igual a 1. Isso leva à restrição:
Condição de Estabilidade: Para estabilidade, as raízes de <math> G </math> devem satisfazer <math> |G| \leq 1 </math>. Isso leva ao critério: <math> \alpha \leq 1, \quad \text{ou seja,} \quad \frac{c \Delta t}{\Delta x} \leq 1. </math>
<math> \frac{4 c^2 \sin^2(k \Delta x / 2)}{\Delta x^2} + \frac{m^2 c^4}{\hbar^2} \leq \frac{4}{\Delta t^2}. </math>


Logo, o passo temporal <math> \Delta t </math> deve satisfazer:
Conclusão Matemática
A condição <math> \alpha \leq 1 </math> garante que os termos oscilatórios na solução não crescem exponencialmente. Essa análise também mostra que:


<math> \Delta t \leq 2 \sqrt{\frac{\Delta x^2}{4 c^2 \sin^2(k \Delta x / 2)} + \frac{\hbar^2}{m^2 c^4}}. </math>
Quanto menor o passo de tempo <math> \Delta t </math>, mais precisa e estável é a solução.
 
A relação entre os passos de tempo e espaço é crucial: aumentar muito <math> \Delta t </math> sem ajustar <math> \Delta x </math> pode levar à instabilidade.
No limite de <math>m \to 0</math> (ondas livres), a condição reduz-se ao critério CFL clássico: <math>\frac{c \Delta t}{\Delta x} \leq 1 </math>


== C.C e C.I ==
== C.C e C.I ==

Edição das 00h23min de 8 de janeiro de 2025

INTRODUÇÃO

A equação de Klein-Gordon é uma das equações fundamentais na teoria quântica relativística. Ela descreve partículas escalares (partículas sem spin, como os mésons, em seu modelo básico) e é uma extensão relativística da equação de Schrödinger, incorporando a relação de energia relativística de Einstein E=p2c2+m2c4. A equação é nomeada em homenagem a Oskar Klein e Walter Gordon, que a formularam independentemente. De maneira geral, a equação pode ser escrita como:


(◻+m2c2ℏ2)ψ(x,t)=0

onde (◻=∂2c2∂t2−∇2) é chamado operador de d'Alambert.

Abrindo a equação, é obtido:

∂2ψ∂t2=c2∇2ψ−m2c4ℏ2ψ

∂2ψ∂t2=c2∂2ψ∂x2−m2c4ℏ2ψ (em uma dimensão)

MÉTODO DAS DIFERENÇAS FINITAS

O método das diferenças finitas é uma técnica numérica amplamente utilizada para resolver EDPs. Ele envolve a discretização das variáveis contínuas (geralmente no tempo ou no espaço), transformando as equações diferenciais em sistemas algébricos que podem ser resolvidos numericamente. Os primeiros passos para utilizar o método é fazer a discretização no tempo e no espaço. Para uma equação no tempo você discretiza o tempo em intervalos Δt criando uma sequência de pontos tn=nΔt. Para uma equação no espaço você discretiza o espaço em intervalos Δx criando uma sequência de pontos xi=iΔx. Depois de discretizar o espaço e o tempo, as derivadas contínuas são aproximadas por diferenças finitas. Isso envolve substituir as derivadas por aproximações baseadas nos valores de uma função nos pontos discretos:

∂u∂t≈uin+1−uinΔt e ∂2u∂t2≈uin+1−2uin+uin−1(Δt)2 para o tempo.

∂u∂x≈ui+1n−uinΔxe∂2u∂x2≈ui+1n−2uin+ui−1n(Δx)2 para o espaço.

Na equação de Klein-Gordon, escrevemos desta o método das diferenças finitas:

∂2ψ(x,t)∂t2≈ψ(x,t+Δt)−2ψ(x,t)+ψ(x,t−Δt)(Δt)2

∂2ψ(x,t)∂x2≈ψ(x+Δx,t)−2ψ(x,t)+ψ(x−Δx,t)(Δx)2

ou seja:

ψ(x,t+Δt)−2ψ(x,t)+ψ(x,t−Δt)(Δt)2=c2ψ(x+Δx,t)−2ψ(x,t)+ψ(x,t−Δt)(Δx)2−m2c4ℏ2ψ

isso nos leva a equação final:

ψ(x,t+Δt)−2ψ(x,t)+ψ(x,t−Δt)=c2Δt2Δx2ψ(x+Δx,t)−2ψ(x,t)+ψ(x,t−Δ,t)−m2c4Δt2ℏ2ψ

chamarei α=cΔtΔx e β=mc2Δtℏ

portanto, ψ(x,t+Δt)−2ψ(x,t)+ψ(x,t−Δt)=α2ψ(x+Δx,t)−2ψ(x,t)+ψ(x,t−Δt)−β2ψ

ou, mais usualmente: ψin+1=2ψin−ψin−1+α2(ψi+1n−2ψin+ψi−1n)−β2ψ

ESTABILIDADE ta errado, estou testando outras coisas

Para analisar a estabilidade do método utilizaremos os Modos de Furrier.

ψin+1=2ψin−ψin−1+α2(ψi+1n−2ψin+ψi−1n)−β2ψin.


sendo ψin=AneikiΔx o Modo de Furrier.


Substituímos ψin,ψi+1n, e ψi−1nna equação:

ψi+1n=Aneik(i+1)Δx=AneikiΔxeikΔx

ψi−1n=Aneik(i−1)Δx=AneikiΔxe−ikΔx

Usamos a identidade eikΔx+e−ikΔx=2cos⁡(kΔx):

An+1=2An−An−1+α2[2cos⁡(kΔx)−2]An−β2An

Fatoramos:

An+1=(2−2α2−β2+2α2cos⁡(kΔx))An−An−1.

A relação de recorrência é:

An+1−λAn+An−1=0

onde

λ=2−2α2−β2+2α2cos⁡(kΔx).

Definimos μ=|An+1An| como sendo o fator de amplificação. Assim, a equação fica μAn=λAn−AnAn−1An

Dividindo tudo por An : μ=λ−1μ

Portanto, a equação característica associada é:

μ2−λμ+1=0

onde μ são as raízes que representam o fator de amplificação μ=|An+1An|.

Para que o método seja estável, as raízes μ devem satisfazer ‖μ|≤1. Isso é garantido se o discriminante da equação característica satisfizer:

λ2−4≤0.

Substituímos λ:

(2−2α2−β2+2α2cos⁡(kΔx))2−4≤0.

O caso crítico ocorre para o maior valor de cos(kΔx), que é cos(kΔx)=1, e o menor valor, cos(kΔx)=−1:

cos(kΔx)=1:

λ=2−2α2−β2+2α2.

Isso simplifica para:

λ=2−β2

Para estabilidade:

(2−β2)2−4≤0.

β≥0.

Para cos(kΔx)=−1:

λ=2−2α2−β2−2α2.

λ=2−4α2−β2.

Ou seja, para que seja estável:

(2−4α2−β2)2−4≤0.

Após expandir:

α≥β2.

A condição de estabilidade combinada é:

α≥β2 e β≥0 .

Essas desigualdades controlam os passos de tempo e espaço, garantindo a estabilidade do método.



CRITÉRIO DE ESTABILIDADE

Forma Contínua e Discretização: A equação de Klein-Gordon contínua é: ∂2ψ∂t2=c2∂2ψ∂x2−m2c4ℏ2ψ.

A forma discreta, usando diferenças finitas centralizadas no tempo e no espaço, é: ψin+1=2ψin−ψin−1+c2Δt2Δx2(ψi+1n−2ψin+ψi−1n)−m2c4Δt2ℏ2ψin. Aqui, definimos os coeficientes: α=cΔtΔx,β=mc2Δtℏ.

Suposição de Solução Harmônica: Substituímos uma solução da forma: ψin=Gneikxi, onde:

 na equação: Gn+1eikxi=2Gneikxi−Gn−1eikxi+α2Gn(eikxi+1−2eikxi+eikxi−1)−β2Gneikxi.

Simplificação:

Como eikxi+1=eikxieikΔx e eikxi−1=eikxie−ikΔx, o termo centralizado se torna: eikxi+1−2eikxi+eikxi−1=eikxi(eikΔx−2+e−ikΔx). Usando eikΔx+e−ikΔx=2cos⁡(kΔx), temos: eikxi+1−2eikxi+eikxi−1=eikxi(−2+2cos⁡(kΔx)). Substituímos isso na equação e cancelamos o fator eikxi, que nunca é zero: Gn+1=2Gn−Gn−1−α2(2−2cos⁡(kΔx))Gn−β2Gn.

Simplificando mais, obtemos: Gn+1=(2−α2(2−2cos⁡(kΔx))−β2)Gn−Gn−1.

Equação Característica: Assumimos uma solução da forma Gn=Gn e obtemos uma equação quadrática para G: G2−G(2−α2(2−2cos⁡(kΔx))−β2)+1=0.

Condição de Estabilidade: Para estabilidade, as raízes de G devem satisfazer |G|≤1. Isso leva ao critério: α≤1,ou seja,cΔtΔx≤1.

Conclusão Matemática A condição α≤1 garante que os termos oscilatórios na solução não crescem exponencialmente. Essa análise também mostra que:

Quanto menor o passo de tempo Δt, mais precisa e estável é a solução. A relação entre os passos de tempo e espaço é crucial: aumentar muito Δt sem ajustar Δx pode levar à instabilidade.

C.C e C.I

Condições iniciais e condições de contorno são fundamentais para a resolução da equação, já que elas ditam o comportamento da função oa longo do tempo e ao longo do espaço, para plotar a evolução temporal, utilizarei as seguintes condilções iniciais e de contorno:

ψ(x,0)=Ae−x−x02σ2 que define um pulso gaussiano como condição inicial.

e ∂ψ(x,0)∂t=0 que define que, no instante de tempo t=0, a função não possui velocidade inicial, o que implica que o pulso está parado inicialmente e sua evolução se deve pela propagação de flutuações espaciais.

Nesta condição, A é a altura do pulso, x0 é a posição central do pulso e σ é a largura do pulso.

Utilizarei também as condições de contorno em que ψ(0,t)=0 e ψ(L,t)=0 o que garante que a função 'morra' nas pontas.

Utilizando estas condições iniciais e condições de contorno, foi feito um gif que mostra a evolução temporal da equação de Klein-Gordon utilizando o método das diferenças finitas: