23-10-2023
| Статистическая физика | ||||||||||||
| Термодинамика Молекулярно-кинетическая теория |
||||||||||||
|
||||||||||||
| См. также: Портал:Физика |
Статисти́ческая фи́зика — это раздел теоретической физики, посвященный изучению систем с произвольным (часто — бесконечным или несчетным) числом степеней свободы. Изучаемые системы могут быть как классическими, так и квантовыми.
Предсказания статистической физики и термодинамики носят вероятностный характер. В этом проявляется специфика статистических закономерностей, присущих именно макроскопическим телам. Вероятностный характер предсказаний позволяет сблизить классическое рассмотрение с квантовым, в котором вероятность лежит в природе вещей. В результате многие выводы и утверждения классической и квантовых статистик легко переводятся простыми правилами соответствия с классического языка на квантовый и наоборот. В этом смысле они оказываются едиными для обеих статистик.[1].То есть уже классическая статистическая физика по своему аппарату эквивалентна квантовой теории.
Обычно при исследовании таких систем нас не интересует почти случайное поведение каждой конкретной частицы. Исключение составляют, например, методы классической молекулярной динамики. Статистическая физика описывает, как из движений частиц системы складывается усреднённая эволюция системы в целом.
Статистическую физику подразделяют на равновесную и неравновесную. Равновесная статистическая физика и термодинамика изучают свойства систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Неравновесная статистическая механика и физическая кинетика изучают, как именно система приходит в состояние локального равновесия.
Методы статистической физики могут применяться не только к атомам и молекулам, но и ко многим иным системам. Соответствующий подраздел статистической физики можно назвать физикой сложных систем.
Содержание |
Статистическая физика даёт вывод термодинамики многих реальных систем: идеальных газов, реальных газов, квантовых газов, простых конденсированных сред (например, идеальных кристаллов, спиновых цепочек). В частности, она даёт явные соотношения для используемых в термодинамике энтропии, термодинамической работы, внутренней энергии и объясняет закон неубывания энтропии.
Математические методы, которые применяются в статистической физике, очень разнообразны. Это методы квантовой механики и квантовой теории поля, теория нелинейных уравнений, теория стохастических дифференциальных уравнений, а также различные методы математической физики. Важную роль в статистической физике играют численные методы, требующие очень мощных вычислительных машин. К ним относятся метод Монте-Карло и метод молекулярной динамики, которые позволяют моделировать реальные процессы и явления и получать информацию, недоступную другим методам.
Значительный вклад в разное время в развитие статистической физики внесли Джеймс Кларк Максвелл, Альберт Эйнштейн, Энрико Ферми, Ричард Фейнман, Л. Д. Ландау, В. А. Фок, Вернер Гейзенберг, Н. Н. Боголюбов и другие. Статистической физикой занялись в известном ядерном центре в Лос-Аламосе, в Принстоне с помощью Пентагона был организован очень большой отдел для исследования турбулентности, известный европейский центр — Голландский институт атомной и молекулярной физики в последнее время почти целиком занят статистической физикой. Работы в этой области ведутся также в Сакли (Париж), Институте Макса Планка и других научных центрах.
Такие напряженные исследования не могли не дать соответствующих результатов. Статистическая физика позволила объяснить и количественно описать сверхпроводимость, сверхтекучесть, турбулентность, коллективные явления в твердых телах и плазме, структурные особенности жидкостей. Она лежит в основе современной астрофизики. Именно статистическая физика позволила создать такую интенсивно развиваемую науку как физика жидких кристаллов и построить теорию фазовых переходов и критических явлений. Многие экспериментальные методы исследования вещества целиком базируются на статистическом описании системы. К ним относятся, прежде всего, рассеяние холодных нейтронов, рентгеновских лучей, видимого света, корреляционная спектроскопия и т. д.
Многие выдающиеся физики были удостоены Нобелевской премии за работы в области статистической физики. В частности, в 2000-е годы было вручено 2 премии за исследования в области статистической физики:в 2001 году «За достижения в изучении процессов конденсации Бозе-Эйнштейна в среде разреженных газов и за начальные фундаментальные исследования характеристик конденсатов» были отмечены Эрик Корнелл, Вольфганг Кеттерле, Карл Виман, а также в 2003 году «За создание теории сверхпроводимости второго рода и теории сверхтекучести жидкого гелия-3» были отмечены Энтони Леггет и российские физики Алексей Алексеевич Абрикосов и Виталий Лазаревич Гинзбург.
Статистическая физика.