Equação de Klein-Gordon: mudanças entre as edições

De Física Computacional
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ou, mais usualmente: <math>\psi_i^{n+1}  =  2\psi_i^n  - \psi_i^{n-1}  + \alpha^2 ( \psi_{i+1}^n - 2\psi_i^n + \psi_{i-1}^n) - \beta^2 \psi  </math>
ou, mais usualmente: <math>\psi_i^{n+1}  =  2\psi_i^n  - \psi_i^{n-1}  + \alpha^2 ( \psi_{i+1}^n - 2\psi_i^n + \psi_{i-1}^n) - \beta^2 \psi  </math>
== ESTABILIDADE ta errado, estou testando outras coisas ==
Para analisar a estabilidade do método utilizaremos os Modos de Furrier.
<math> \psi_i^{n+1} = 2\psi_i^n - \psi_i^{n-1} + \alpha^2 \left( \psi_{i+1}^n - 2\psi_i^n + \psi_{i-1}^n \right) - \beta^2 \psi_i^n </math>.
sendo <math>\psi_i^n = A^n e^{i k i \Delta x} </math> o Modo de Furrier.
Substituímos <math>\psi_i^n, \psi_{i+1}^n</math>, e <math>\psi_{i-1}^n </math>na equação:
<math>\psi_{i+1}^n = A^n e^{i k (i+1) \Delta x} = A^n e^{i k i \Delta x} e^{i k \Delta x}</math>
<math>\psi_{i-1}^n = A^n e^{i k (i-1) \Delta x} = A^n e^{i k i \Delta x} e^{-i k \Delta x}</math>
Usamos a identidade <math> e^{i k \Delta x} + e^{-i k \Delta x} = 2 \cos(k \Delta x) </math>:
<math> A^{n+1} = 2A^n - A^{n-1} + \alpha^2 \left[ 2 \cos(k \Delta x) - 2 \right] A^n - \beta^2 A^n </math>
Fatoramos:
<math> A^{n+1} = \left( 2 - 2\alpha^2 - \beta^2 + 2\alpha^2 \cos(k \Delta x) \right) A^n - A^{n-1}. </math>
A relação de recorrência é:
<math> A^{n+1} - \lambda A^n + A^{n-1} = 0 </math>
onde
<math> \lambda = 2 - 2\alpha^2 - \beta^2 + 2\alpha^2 \cos(k \Delta x) </math>.
Definimos <math> \mu= |\frac{A^{n+1}}{A^n} | </math> como sendo o fator de amplificação. Assim, a equação fica <math> \mu A^n=\lambda A^n - A^n \frac{A^{n-1}}{A^n} </math>
Dividindo tudo por <math> A^n </math> : <math> \mu = \lambda - \frac{1}{\mu} </math>
Portanto, a equação característica associada é:
<math> \mu^2 - \lambda \mu + 1 = 0 </math>
onde <math> \mu </math> são as raízes que representam o fator de amplificação <math> \mu= |\frac{A^{n+1}}{A^n} | </math>.
Para que o método seja estável, as raízes <math>\mu</math> devem satisfazer <math>\|\mu| \leq 1</math>. Isso é garantido se o discriminante da equação característica satisfizer:
<math> \lambda^2 - 4 \leq 0 </math>.
Substituímos <math>\lambda </math>:
<math> \left( 2 - 2\alpha^2 - \beta^2 + 2\alpha^2 \cos(k \Delta x) \right)^2 - 4 \leq 0 </math>.
O caso crítico ocorre para o maior valor de <math>cos(k \Delta x)</math>, que é <math>cos(k \Delta x) = 1</math>, e o menor valor, <math>cos(k \Delta x) = -1</math>:
<math>cos(k \Delta x) = 1 </math>:
   
<math>\lambda = 2 - 2\alpha^2 - \beta^2 + 2\alpha^2</math>.
 
Isso simplifica para:
 
<math>  \lambda = 2 - \beta^2 </math>
 
Para estabilidade:
 
<math>  (2 - \beta^2)^2 - 4 \leq 0 </math>.
   
<math>  \beta \geq 0 </math>.
   
Para <math> cos(k \Delta x) = -1</math>:
   
<math>\lambda = 2 - 2\alpha^2 - \beta^2 - 2\alpha^2</math>.
   
<math> \lambda = 2 - 4\alpha^2 - \beta^2 </math>.
 
Ou seja, para que seja estável:
 
<math> (2 - 4\alpha^2 - \beta^2)^2 - 4 \leq 0 </math>.
 
Após expandir:
   
<math> \alpha \geq \frac{\beta}{2} </math>.
   
A condição de estabilidade combinada é:
<math> \alpha \geq \frac{\beta}{2} </math>
e  <math> \beta \geq 0  </math> .
Essas desigualdades controlam os passos de tempo e espaço, garantindo a estabilidade do método.





Edição das 00h29min 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


CRITÉRIO DE ESTABILIDADE

A Forma Contínua e Eiscretização da 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: