物理動理學是門怎樣的學科?

時間 2021-05-12 06:14:37

1樓:

所謂動理學,研究的是系統粒子在相空間分布函式的演化。粒子在相空間的分布函式是對多粒子體系的最精確的描述。

在剛傳入國內的時候,kinetic theory是翻譯為「動力學」的,但這與力學中的dynamic theory無法區分,而兩者的處理物件和處理方法有明顯差別。於是後來便約定將kinetic theory翻譯為「動理學」。

動理學方法和流體力學方法都是研究多粒子體系(固液氣、等離子體等等)物理性質的理論工具,但動理學方法與流體力學方法的三維座標空間描述不同,它通常是在六維的「座標-速度」空間來描述,而且還可以擴充套件到6N維空間。

之所以需要用速度空間來描述,是因為有些多粒子體系的行為和它們粒子的速度狀態有密切關係,因此僅僅在座標空間作描述就不夠了。多粒子體系中最常見的動理學問題是粒子間的相互作用對其速度與空間狀態的影響。

當體系是由中性粒子組成時,粒子間只有接近到原子或分子的半徑範圍內時才會發生相互作用,我們通常用碰撞來描述它。因此碰撞及其引起的輸運過程是動理學方法最早也是最主要的研究物件。這就是我們熟知的分子動理學。

但如果體系是由帶電粒子組成(如等離子體體系),它們之間通過庫侖力相互作用,即使考慮了多體造成的遮蔽影響(即德拜遮蔽),庫侖力的力程仍然遠大於粒子間距。於是當帶電粒子相互接近時, 在發生碰撞前就受到了長時間、遠距離的相互作用,這就不能僅用分子動理學中的碰撞與輸運來描述了。描述這類體系的動理學理論也就比固液氣的要複雜得多。

通常把帶電粒子間的相互作用以德拜長度為界,在定性上分成兩部分:即粒子間距小於德拜長度的短程相互作用和大於德拜長度的長程相互作用。

對短程相互作用仍沿用中性粒子情況下的碰撞圍像,但其定量描述要作一定的修改;而大量粒子參與的長程相互作用,則用自洽場來描述。在許多等離子體中這兩類物理過程的特徵時間尺度和空間尺度可以相差多個數量級,因此可以分別加以研究。這樣就形成了等離子體動理學理論的兩大部分:

碰撞和輸運理論自洽場的弗拉索夫(Vlasov)理論

動理學所要處理的,往往是多元的、6N維空間的高度非線性微分方程組,要直接求得解析解基本上是不可能的。最常用的簡化手段是"無碰撞化"以及"線性化"。

"無碰撞"假設是弗拉索夫理論的核心。即假設帶電粒子間的相互作用可以用所有帶電粒子產生的場對特定帶電粒子的作用來描述, 而忽略了粒子之間的短程相互作用(如"碰撞」),相當於自洽場近似(也稱平均場近似)。對目前磁約束聚變所研究的高溫(>1 keV≈10^7 K)、短時間(<10 s)能量約束等離子體來說,這是乙個很好的近似。

而所謂線性化是指,當可以把狀態量按其時空的變化速率分成快慢兩個部分時,把總演化方程分為零階(即平衡或慢變部分)和一階(快變)的兩組線性方程。

看糊了就看思維導圖

說了這麼多基礎理論,現在舉乙個動理學實際運用的例子。

在磁化等離子體中,當帶電粒子的迴旋半徑小於德拜長度時,磁場將對碰撞動力學產生重要影響。很多實驗室與自然界的等離子體都處於極強的磁場中,如磁約束聚變等離子體中外加磁場最高可達 10 特斯拉、慣性約束聚變等離子體中自生磁場強度達 105 特斯拉、白矮星大氣層等離子體中磁場達 104特斯拉,因此,強磁場情況下等離子體碰撞及輸運過程的研究對核聚變及天體物理具有重要意義。 這也是我們組目前正在研究的課題。

對於題主問的後幾個問題,在等離子體物理學中,按照描述方法可以分為兩種體系:流體描述與動理學描述。二者相輔相成缺一不可。

你隨便拿本等離子體物理基礎教材都能找到這兩個部分,也是每個等離子體專業的學生必須掌握的基礎知識。如果只是問所需要的數學基礎的話,微積分,微分方程,微分幾何。

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