Des chercheurs présentent une théorie sur la dynamique des systèmes à plusieurs particules


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  • Les physiciens de l’Université de Bayreuth font partie des pionniers internationaux de la théorie de la fonctionnelle puissance. Cette nouvelle approche permet pour la première fois de décrire précisément la dynamique des systèmes à plusieurs particules au cours du temps. Les particules peuvent être des atomes, des molécules ou des particules plus grosses invisibles pour l’homme. La nouvelle théorie généralise la théorie classique de la fonctionnelle de la densité, qui ne s’applique qu’aux systèmes à plusieurs particules en équilibre thermique. Dans le Avis sur la physique moderneune équipe de recherche dirigée par le professeur Matthias Schmidt présente les caractéristiques de base de la théorie, qui a été considérablement développée et élaborée à Bayreuth.

    Un système à plusieurs particules est en équilibre thermique lorsque la température à l’intérieur est équilibrée et qu’aucun flux de chaleur n’a lieu. Cela ne signifie pas nécessairement que le système est dans un état de repos rigide. Certains systèmes à plusieurs particules peuvent également être comparés à une machine de tirage au sort, qui tourne à une vitesse constante. Les balles ont une grande liberté de mouvement et sautent d’avant en arrière de manière désordonnée. Dans un système fluide à plusieurs particules, les particules sont considérablement plus denses que dans le tambour, c’est pourquoi elles se heurtent constamment à de courtes distances et à de courts intervalles de temps. Les propriétés essentielles de tels systèmes peuvent être décrites complètement et précisément avec la théorie de la fonctionnelle de la densité – à condition qu’un équilibre thermique du système soit donné.

    Dans le cas de la machine à tirage de loterie, cet équilibre est perdu dès que la rotation uniforme ralentit progressivement et que la chambre se met en marche arrière. Ensuite, les boules avec les numéros gagnants roulent sur un rail à l’intérieur de la chambre et sont finalement éjectées. Afin d’enregistrer de tels processus avec précision et sans lacunes, la théorie de la fonctionnelle puissance est nécessaire : elle traduit la chance des gagnants dans le langage de la physique.

    « La théorie fonctionnelle de la densité classique est une théorie très approfondie et en même temps esthétiquement attrayante. Elle est capable de décrire et de relier les processus souvent très complexes qui se déroulent dans un système pendant l’équilibre thermique. Ces processus incluent, par exemple, des transitions de phase, des cristallisations ou des phénomènes tels que l’hydrophobicité, qui se produit lorsque des surfaces ou des particules évitent le contact avec l’eau. Souvent, ces processus sont d’une grande importance technologique ou biologique. L’élégance et la puissance de la théorie de la fonctionnelle de la densité nous ont incités à Bayreuth pour le passé dix ans pour rechercher des moyens de rendre les systèmes à plusieurs particules en déséquilibre thermique accessibles à une description physique tout aussi précise et élégante. Des partenaires de recherche de l’Université de Fribourg en Suisse ont contribué à cette recherche avec des études importantes. Par exemple, nos efforts conjoints ont a abouti à la théorie de la fonctionnelle de puissance, qui étend la théorie de la fonctionnelle de la densité aux processus dépendant du temps », rapport s Prof. Dr. Matthias Schmidt, titulaire d’une chaire de physique théorique à l’Université de Bayreuth.

    La présentation de la théorie fonctionnelle de puissance (PFT), qui a maintenant été publiée, intègre des recherches qui étaient principalement situées dans deux domaines d’intérêt à l’Université de Bayreuth : la dynamique non linéaire et la science des polymères et des colloïdes. Le Centre de recherche pour le calcul scientifique de l’Université de Bayreuth a fourni un soutien et un financement substantiels pour bon nombre de ces études. Ici, la théorie fonctionnelle de puissance proposée pour la première fois en 2013 a été testée, développée et appliquée à des problèmes physiques concrets. Les études portaient entre autres sur les particules actives pouvant s’autopropulser, sur les phénomènes de cisaillement et d’écoulement dans les colloïdes et les liquides, ou encore sur la structure microscopique des liquides. Un facteur décisif pour le succès du développement de la PFT était que les forces agissant dans les systèmes à plusieurs corps et leurs corrélations avec les phénomènes observables pouvaient être dérivées de manière convaincante de cette manière. Ici, les méthodes de simulation informatique et les applications de la mécanique statistique se sont souvent avérées indispensables.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université de Bayreuth. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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