The many-body problem is a general name for a vast category of physical problems pertaining to the properties of microscopic systems made of many interacting particles. Microscopic here implies that quantum mechanics has to be used to provide an accurate description of the system. Many can be anywhere from three to infinity (in the case of a practically infinite, homogeneous or periodic system, such as a crystal), although three- and four-body systems can be treated by specific means (respectively the Faddeev and Faddeev–Yakubovsky equations) and are thus sometimes separately classified as few-body systems.
In general terms, while the underlying physical laws that govern the motion of each individual particle may (or may not) be simple, the study of the collection of particles can be extremely complex. In such a quantum system, the repeated interactions between particles create quantum correlations, or entanglement. As a consequence, the wave function of the system is a complicated object holding a large amount of information, which usually makes exact or analytical calculations impractical or even impossible.
This becomes especially clear by a comparison to classical mechanics. Imagine a single particle that can be described with numbers (take for example a free particle described by its position and velocity vector, resulting in ). In classical mechanics, such particles can simply be described by numbers. The dimension of the classical many-body system scales linearly with the number of particles .
In quantum mechanics, however, the many-body-system is in general in a superposition of combinations of single particle states - all the different combinations have to be accounted for. The dimension of the quantum many body system therefore scales exponentially with , much faster than in classical mechanics.
Because the required numerical expense grows so quickly, simulating the dynamics of more than three quantum-mechanical particles is already infeasible for many physical systems.
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vignette|Noyau atomique de l'hélium.Le noyau atomique est la région située au centre d'un atome, constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (de l'ordre du femtomètre, soit ) est environ plus petite que celle de l'atome () et concentre quasiment toute sa masse. Les forces nucléaires qui s'exercent entre les nucléons sont à peu près un million de fois plus grandes que les forces entre les atomes ou les molécules. Les noyaux instables, dits radioactifs, sont ceux d'où s'échappent des neutrons.
La connaissance de la structure des noyaux atomiques, ou structure nucléaire est une question ouverte après un siècle de recherches en physique nucléaire. La force nucléaire entre les nucléons (protons et neutrons) qui composent le noyau, est une force résiduelle de l'interaction nucléaire forte qui lie les quarks dans le nucléon. L'interaction entre deux nucléons dans le noyau n'a pas d'expression analytique simple (comme par exemple, la loi de Coulomb pour l'électrostatique), notamment si l'on doit tenir compte de l'effet des nucléons environnants.
La théorie des perturbations est un domaine des mathématiques, qui consiste à étudier les contextes où il est possible de trouver une solution approchée à une équation en partant de la solution d'un problème plus simple. Plus précisément, on cherche une solution approchée à une équation (E) (dépendante d'un paramètre λ), sachant que la solution de l'équation (E) (correspondant à la valeur λ=0) est connue exactement. L'équation mathématique (E) peut être par exemple une équation algébrique ou une équation différentielle.
To introduce several advanced topics in quantum physics, including
semiclassical approximation, path integral, scattering theory, and
relativistic quantum mechanics
The course is aimed at giving a general understanding and building a feeling of what electronic states inside a crystal are.
Starting from a microscopic description, the course introduces to the physics of quantum fluids focusing on basic concepts like Bose-Einstein condensation, superfluidity, and Fermi liquid theory.
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Quantum many-body control is a central milestone en route to harnessing quantum technologies. However, the exponential growth of the Hilbert space dimension with the number of qubits makes it challenging to classically simulate quantum many-body systems an ...
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