电子关联与多体物理
多体问题
两个人约见面很容易;三个朋友就已经为去哪儿吃饭吵起来了;派对上一百位客人会自动分成一团团变来变去的小圈子,谁也料不准。彼此都在影响对方的人越多,就越难说清整群人到底会怎么动。这就是多体问题在日常生活里的样子。
在物理里它的意思是:先写下一大堆粒子——比方说一块金属里的电子——彼此推拉所遵循的规则,再设法算出它们整体上是怎么一起运动的。每个粒子都感受到其余每一个,所以你没法一个一个地解;那些方程把它们全都纠缠在了一起。哪怕只有几十个量子粒子,精确答案的规模就已经撑爆任何计算机,因为难度会随着粒子数目的增加而爆炸式增长。
它之所以重要,是因为材料里几乎所有有意思的东西——磁性、超导,乃至某些东西竟然是固体这一事实本身——都来自粒子的协同行动,而非各自为政。诚实地讲:它没有普适的精确解,所以这个领域靠的是巧妙的近似、简化的模型和强大的计算机,而每一种都只在一定范围内可信。
试着去追踪太阳、地球和月亮这仅仅三者之间、跨越数百万年的引力,就连这个三体情形也没有一个利落的公式——天文学家只能用计算机一步步往前推。而一小块金属里约有10^23个电子,每一个都在拉扯其余所有电子。多体问题就是同样的那种不可能,只是被放大到了无法想象的地步。
连引力下的三体都没有利落公式;而金属里有10^23个相互作用的电子。
麻烦不在于粒子「多」,而在于它们相互作用。一盒互不理睬的气体原子很好办——算一个,再乘上数目就行。问题之所以变成「多体」,恰恰是因为每个粒子的命运都系于其余所有粒子。
另见