Статисти́ческая механика (статистическая физика) — раздел теоретической физики, в котором изучаются свойства и поведение систем (макроскопических физических тел), состоящих из очень большого числа частиц (атомов, молекул, заряженных частиц — ионов, электронов или квантов излучения — фотонов); термин «статистическая механика» введён Дж. У. Гиббсом; иногда под статистическая механикой в узком смысле понимают только разделы теоретической физики, основанные на методе Гиббса, использующем для описания физических систем представления о фазовом пространстве и статистических ансамблях.
В статистической механике применяются методы, базирующиеся на теории вероятностей или математической статистике. Разделяется на статистическую термодинамику, исследующую системы в состояниях статистического равновесия, и кинетику физическую, или неравновесную статистическую термодинамику, изучающую неравновесные процессы. Статистическая механика, основанная на законах квантовой механики, называется квантовой статистикой. Основная задача – вычисление наблюдаемых макроскопических величин, характеризующих систему, опирающееся на законы взаимодействия и движения составляющих ее частиц; в случае статистического равновесия – вычисление термодинамических потенциалов (свободной энергии, давления и др.) в зависимости от температуры и др. параметров; в неравновесном случае – получение уравнений, описывающих неравновесные процессы. Статистическая механика – основа теории газов, жидкостей и твердых тел, имеет широкую область применения: ионизованный газ (плазма), световое излучение и даже молекулы, состоящие из достаточно большого числа атомов (или ядра атомов тяжелых химических элементов, образованные из большого числа нуклонов).
Задачи и методы[]
Исследование свойств и поведения физических тел, состоящих из колоссального числа частиц, позволили выявить их важную принципиальную особенность. Она заключается в том, что их поведение определяется закономерностями особого типа, получившими название статистических закономерностей. Статистические методы дают возможность вычислять средние значения величин, характеризующих свойства макроскопических тел (такие, например, как плотность, давление, температура и т.п.). Проявление статистических закономерностей заключается в том, что поведение этих средних величин никак не зависит от конкретных начальных условий, характеризующих движение отдельных частиц, входящих в состав данного тела (т.е. от точных значений начальных координат и скоростей частиц). Другими словами, макроскопическое состояние системы как бы «забывает» о прошлом, тогда как при чисто механическом описании движения микроскопических частиц будущее системы однозначно определяется прошлым.
Основная задача статистической механики состоит в том чтобы, зная законы, управляющие движением отдельных микроскопических частиц, установить закономерности поведения макроскопических масс вещества, которые и называются статистическими. Это позволяет во многих случаях произвести теоретическое вычисление ряда параметров, описывающих поведение макроскопических тел, и уже затем сравнивать их с результатами эксперимента.
Простейшей статистической системой, частицы которой взаимодействуют друг с другом только в процессе столкновений, а остальное время проводят в свободном движении, является идеальный газ. Движение каждой газовой молекулы строго определено законами механики, поэтому в результате решения уравнений движения всех молекул, входящих в состав газа, можно было бы, казалось, найти траекторию каждой из них. Однако на практике подобного рода расчеты сталкиваются с непреодолимыми трудностями даже при использовании современных быстродействующих электронно-вычислительных машин, поскольку число частиц (а значит и число описывающих их движение уравнений с заданием начальных условий для каждой частицы) оказывается огромным. Главное же заключается в том, что в проведении таких расчетов нет необходимости. Из опыта известно, что свойства газа не зависят от начальных условий. Так, например, на величину давления и температуры газа в замкнутом сосуде никак не влияет характер заполнения сосуда, независимо от того, втекал ли газ через одно отверстие и постепенно, либо через два отверстия и быстро. По истечении некоторого промежутка времени газ в сосуде приходит в определенное состояние, которое больше не изменяется со временем. Такое состояние называется состоянием полного термодинамического равновесия.
Отличие от феноменологической физики[]
Есть ряд разделов физики, в которых также изучаются свойства и поведение макроскопических тел. К ним относятся, например, термодинамика, гидродинамика, электродинамика сплошных сред. При решении конкретных задач методами этих дисциплин в макроскопические уравнения, описывающие поведение среды, входят неизвестные параметры, которые могут определяться экспериментально, поэтому эти методы называются феноменологическими. В отличие от такого подхода, в статистической механике существенно используются данные о микроскопическом строении тел.
Исторический обзор[]
Исторически развитие и становление статистической механики началось с создания кинетической теории газов, изложенной трудах выдающихся ученых 19 в. Р.Клаузиуса, Дж. Максвелла и Л. Больцмана. Уже первые работы Клаузиуса, в которых было введено понятие о средней длине свободного пробега в газах, содержали идею о необходимости использования статистических средних величин. Принципиально статистический подход при описании свойств газов был использован Максвеллом, когда в работе 1859 года он установил закон распределения скоростей молекул в однородном и равновесном газе (известный как максвелловское распределение по скоростям) (Молекулярно-кинетическая теория; Функция распределения). Из анализа, проведенного Максвеллом, следовало, что «частицы распределяются по скоростям по такому же закону, по которому распределяются ошибки наблюдений в теории метода наименьших квадратов, т.е. в соответствии со статистикой Гаусса».
Больцман в своих работах обобщил распределение Максвелла на случай, когда на частицы газа действуют внешние силы (распределение Максвелла – Больцмана) и доказал теорему о равнораспределении средней энергии по степеням свободы молекул. Ему же принадлежит вывод знаменитого кинетического уравнения, описывающего эволюцию функции распределения молекул газа по скоростям в пространстве и времени, с помощью которого оказалось возможным рассмотрение явлений переноса (вязкости, теплопроводности, диффузии) в неоднородном газе. На основе этого уравнения Больцманом была доказана так называемая H-теорема, которая в современном понимании соответствует утверждению, что одна из важнейших термодинамических функций системы, энтропия, может в замкнутой системе лишь возрастать либо быть равной нулю (последнее соответствует состоянию термодинамического равновесия). Тем самым на примере идеального газа было дано статистическое обоснование второму началу термодинамики.
В конце 19 в. благодаря работам Дж.Гиббса статистическая механика была превращена в логически стройную систему. Гиббс дал общий метод, применимый ко всем задачам, которые могли быть поставлены перед этой наукой. В отличие от Максвелла и Больцмана, взявших за исходный пункт пространство скоростей частиц, Гиббс построил статистическую механику исходя из концепции ансамблей. В подходе Гиббса произвольная система, состоящая из огромного числа частиц и находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, разбивается на большое число подсистем, которые в среднем слабо взаимодействуют между собой (простейшим случаем оказывается идеальный газ, когда в качестве такой подсистемы выступает отдельная молекула). В результате сложного и беспорядочного взаимодействия выделенной подсистемы с ее окружением (термостатом) состояния подсистемы будут непрерывно меняться, и в течение достаточно большого промежутка времени она равновероятным образом побывает во всех возможных состояниях. Это утверждение является обобщением принципа так называемого молекулярного хаоса, который используется в кинетической теории газов. Там принимается, что при данной энергии молекул все ее пространственные положения и ее движение в любом направлении (т.е. все ее состояния) являются равноправными. В статистической механике подобное утверждение носит название эргодической гипотезы. Следующим важным шагом в теории Гиббса явилось то, что вместо статистического усреднения поведения подсистемы по большому промежутку времени (с учетом ее нахождения в разных состояниях) он ввел усреднение по ансамблю, при этом ансамбль Гиббса образован бесконечно большим числом тождественно устроенных подсистем, находящихся в разных микроскопических состояниях, отвечающих данному макроскопическому состоянию системы.
Это был совершенно новый подход. Опубликование в 1902 книги Гиббса «Основные принципы статистической механики» ознаменовало рождение нового раздела физики. Эта книга имела такое же значение для статистической механики (или статистической физики) как трактат Максвелла «Об электричестве и магнетизме – для электродинамики».
Следует отметить, что работы Максвелла, Больцмана и Гиббса были написаны до создания квантовой механики, поэтому для описания движения отдельных частиц ими использовались уравнения движения механики Ньютона. После создания квантовой механики возможности статистической теории значительно расширились, так как стали возможными статистические расчеты с учетом квантового характера движения как для самих атомов и молекул, так и движения, связанного с внутренними степенями свободы молекул, например с их вращениями и колебаниями. При этом, однако, принципиальные основы статистической теории остались неизменными.
Современная статистическая механика имеет многочисленные применения в различных областях физики. Первоначальное ее развитие было направлено, главным образом, на исследование равновесных состояний вещества. Это позволило дать полное статистическое обоснование всем известным законам термодинамики, предложить методы расчета теплоемкостей не только одноатомных, но и многоатомных газов, способы вычисления вириальных поправок к уравнениям состояния плотных (неидеальных) газов. Большие успехи достигнуты в статистической теории ионизованного газа (плазмы), жидкости и твердого тела, в изучении поведения веществ вблизи точек фазовых переходов, электрических и магнитных свойств вещества и т.д.
В последние годы все большее значение приобретает статистическая механика неравновесных процессов, сформировавшаяся в новый раздел физики, называемый физической кинетикой. В ней изучаются либо процессы релаксации (перехода) различных систем к состоянию равновесия, либо явления, возникающие в системах, неравновесное состояние которых поддерживается заданными внешними условиями (например, неоднородность температуры или концентрации веществ в смеси, внешнее электрическое поле и т.д.). В последнем случае в среде возникают потоки тепла или перенос массы, перенос заряда (электрический ток). Вычисление коэффициентов переноса или кинетических коэффициентов (теплопроводность, диффузия, электропроводность), определяющих эти потоки, также составляет одну их важных задач статистической механики неравновесных процессов.