Hiérarchie BBGKY

La hiérarchie BBGKY (pour les initiales de : Bogolioubov, Born, Green, Kirkwood et Yvon) est une méthode permettant d'exprimer l'équation descriptive de la fonction de distribution d'un système à N corps sous forme d'une série d'équations de rang plus faible et ainsi de permettre diverses approximations.

Auteurs

Plusieurs physiciens ont publié des travaux qui ont conduit à ce que l'on appelle aujourd'hui la hiérarchie BBGKY. Ce sont dans l'ordre alphabétique :

Yvon a développé en 1935 la notion de fonction de distribution à N particules. En 1946 divers physiciens ont publié des résultats utilisant la méthode décrite ici.

Formulation

L'évolution d'un système classique constitué de N particules est donné par l'évolution de la fonction de distribution :

${\displaystyle f_{N}=f_{N}(\mathbf {q} _{1}\dots \mathbf {q} _{N},\mathbf {p} _{1}\dots \mathbf {p} _{N},t)}$

où les q_i sont les coordonnées généralisées du système et les p_i les quantités de mouvement de chaque particule. Il y a donc 6N variables dans un espace tridimensionnel.

Cette évolution est donnée par l'équation de Liouville :

${\displaystyle {\frac {\partial f_{N}}{\partial t}}+\sum _{i=1}^{N}{\dot {\mathbf {q} }}_{i}{\frac {\partial f_{N}}{\partial \mathbf {q} _{i}}}-\sum _{i=1}^{N}\left({\frac {\partial \Phi _{i}^{ext}}{\partial \mathbf {q} _{i}}}+\sum _{j=1}^{N}{\frac {\partial \Phi _{ij}}{\partial \mathbf {q} _{i}}}\right){\frac {\partial f_{N}}{\partial \mathbf {p} _{i}}}=0}$

où

${\displaystyle \Phi _{ij}}$	est le potentiel d'interaction des particules i et j,
${\displaystyle \Phi _{i}^{ext}}$	un éventuel potentiel externe.

On définit à présent des fonctions de distribution pour des ensembles de 2, 3..., s particules :

${\displaystyle f_{s}=f_{s}(\mathbf {q} _{1}\dots \mathbf {q} _{s},\mathbf {p} _{1}\dots \mathbf {p} _{s},t)}$

En intégrant par parties l'équation de Liouville on obtient une hiérarchie d'équations pour chacun des ensembles :

${\displaystyle {\frac {\partial f_{s}}{\partial t}}+\sum _{i=1}^{s}{\dot {\mathbf {q} }}_{i}{\frac {\partial f_{s}}{\partial \mathbf {q} _{i}}}-\sum _{i=1}^{s}\left({\frac {\partial \Phi _{i}^{ext}}{\partial \mathbf {q} _{i}}}+\sum _{j=1}^{s}{\frac {\partial \Phi _{ij}}{\partial \mathbf {q} _{i}}}\right){\frac {\partial f_{s}}{\partial \mathbf {p} _{i}}}=(N-s)\sum _{i=1}^{s}{\frac {\partial }{\partial \mathbf {p} _{i}}}\int {\frac {\partial \Phi _{i\,s+1}}{\partial \mathbf {q} _{i}}}\,f_{s+1}\,d\mathbf {q} _{s+1}d\mathbf {p} _{s+1}}$

Chaque équation sur f_s fait apparaître au second membre toutes les fonctions de distribution d'ordre plus élevé. Telle quelle cette équation est équivalente à la précédente. Son intérêt est de permettre une troncation à l'ordre s en supposant que l'on sait exprimer f_s+1 en fonction des termes de rang inférieur. Un exemple est l'équation de Vlassov dans laquelle on s'arrête à l'ordre 1 et on effectue une approximation de champ moyen :

${\displaystyle f_{2}(\mathbf {q} _{1},\mathbf {q} _{2},\mathbf {p} _{1},\mathbf {p} _{2},t)\simeq f_{1}(\mathbf {q} _{1},\mathbf {p} _{1},t)f_{1}(\mathbf {q} _{2},\mathbf {p} _{2},t)}$.

Notes et références

Bibliographie

• (en) Carlo Cercignani, V. I. Gerasimenko et D. Ya. Petrina, Many-Particle Dynamics and Kinetic Equations, Springer, 1997 (ISBN 978-94-010-6342-5, DOI 10.1007/978-94-011-5558-8)
• (en) Carlo Cercignani, Reinhard Illner et Mario Pulvirenti, The Mathematical Theory of Dilute Gases, vol. 106, Springer Verlag, coll. « Applied Mathematical Sciences », 1994 (ISBN 0-387-94294-7, lire en ligne)
• (en) G. E. Uhlenbeck et G. E. Ford, « Bogoliubov. Studies in Statistical Mechanics I », Summer Seminar on Applied Mathematics, 2, University of Colorado, 1960,‎ 1962
• (en) Jan de Boer et G. E. Uhlenbeck, Studies in Statistical Mechanics, North Holland Publishing, 1962
• (en) Jan de Boer, Molecular distribution and equation of state of gases, vol. 12, coll. « Reports on Progress in Physics », 1949 (lire en ligne), chap. 1

Articles connexes

• Équation de Boltzmann
• Équation de Fokker-Planck

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