mangelegemeteori

Mangelegemeteori, mangepartikelfysik, teoretisk fysisk disciplin, som søger at beskrive og forklare materialers fysiske egenskaber ud fra kendskabet til love for de partikler, stoffet er opbygget af. Da et fast stof eller en væske består af ca. 10²³ atomer pr. cm³, kan det synes som en håbløs opgave, men den lettes og gøres mulig af især statistiske lovmæssigheder, bevarelseslove og partiklernes identitet.

Med det store antal partikler er det ikke muligt at følge de enkelte partiklers opførsel; man må i stedet anvende statistiske metoder. De statistiske lovmæssigheder forklarer, at et mangelegemesystem har tendens til at søge mod en ligevægtstilstand. Uanset hvor komplicerede de mange partiklers bevægelser er, vil visse egenskaber være underkastet bevarelseslove. Det gælder fx energi, impuls og elektrisk ladning. Vha. bevarelseslove er det muligt at bestemme ligevægtstilstanden og beskrive afvigelser herfra.

Det forhold, at partiklerne er identiske, kan også udnyttes. Elementarpartiklerne kan inddeles i to familier: fermioner og bosoner. Fermionerne, hvortil elektroner hører, opfylder Pauliprincippet. Det betyder, at to elektroner ikke kan være i samme kvantetilstand. Det letter beskrivelsen af mange elektroner, idet det ofte kun er elektroner med den højeste energi (Fermi-energien), der spiller en væsentlig rolle. Bosoner, som fx atomer og atomkerner med heltalligt spin, opfylder et "modsat Pauliprincip", idet de fortrinsvis opholder sig i samme (laveste) kvantetilstand. Kendskab til kvantetilstanden med lavest energi er derfor ofte tilstrækkelig til at beskrive bosoner. Det er fx situationen i superledere og superflydende væsker.

L. Boltzmann opstillede i slutningen af 1800-t. som den første en omfattende teori for systemer med mange partikler. Ud over at give en grundlæggende statistisk forklaring på termodynamikkens anden hovedsætning kunne Boltzmann og hans efterfølgere give en kvantitativ beskrivelse af gassernes opførsel (se Boltzmann-ligningen). En korrekt beskrivelse af faste stoffer og væsker blev først mulig med kvanteteorien. Et særligt højdepunkt blev nået, da J. Bardeen, L.N. Cooper og J.R. Schrieffer i slutningen af 1950'erne fandt den korrekte teori for superledningsfænomenet, der i over 40 år havde været en af fysikkens største gåder. De tre amerikanske fysikere delte nobelprisen i fysik i 1972 for dette arbejde.

Mangepartikelfysikkens teori og metoder er ikke begrænset til jordiske og makroskopiske systemer; fx er en tung atomkerne et mangepartikelsystem med et stort antal protoner og neutroner eller — på et mere fundamentalt niveau — en samling af kvarker og gluoner. I astrofysikken anvendes mangepartikelfysikken på beskrivelsen af stjernernes indre, hvor fænomenerne har visse ligheder med dem, der forekommer for elektroner i et metal.

Mangepartikelfysikken er langtfra et afsluttet og velforstået kapitel i fysikken. Der opdages til stadighed materialer, hvor de kendte beskrivelser og metoder ikke slår til. Det gælder fx systemer, der er langt fra ligevægt, som tilfældet er for de fleste biologiske systemer.