Обращение времени

 Все действительно фундаментальные физические законы, с которыми мы до сих пор встречались, симметричны относительно обращения времени. Подобная симметрия (обратимость во времени) означает, что при обращении направления движения всех частиц (включая их вращательное движение) справедливы те же уравнения или законы.

 

Статистическая физика и термодинамика

 Изучением свойств систем, состоящих из огромного числа частиц, занимается специальный раздел физики – статистическая физика. Физические закономерности таких систем имеют вероятностный, статистический характер. Таким образом, она имеет дело со статистическими распределениями, определяющими, с какой вероятностью частицы системы имеют тот или иной набор значений параметров, определяющих их состояния. Методы статистической физики применяются во всех отраслях физики.

 Статистическая термодинамика – распространенное название раздела статистической физики, посвященного вычислениям макроскопических характеристик системы (термодинамических потенциалов, уравнения состояния и т.п.) через свойства составляющих систему частиц и их элементарные взаимодействия.

 В области физики, известной под названием статистической механики, делаются попытки связать макроскопические свойства ансамбля частиц с микроскопическими свойствами самих частиц. Статистическая механика рассматривает не действительные движения или взаимодействия отдельных частиц, а их наиболее вероятное поведение. Хотя статистическая механика не дает нам возможности выяснить историю жизни конкретной частицы, с ее помощью можно судить о вероятности того, что частица (какая именно, мы не можем знать заранее) будет иметь определенное положение, и импульс в определенный момент времени. Поскольку очень много явлений физического мира связано с ансамблями частиц, преимущества статистического подхода перед детерминистическим очевидны. Благодаря общности доказательств, статистическую физику одинаково удобно применять и к классическим задачам (задаче о поведении молекул газа) и к квантовомеханическим проблемам (таким, как проблема свободных электронов в металле или фотонов в замкнутой полости).

 

Совокупность большого числа одинаковых физических систем называется – статистическим ансамблем. Это понятие применяется в статистической физике при изучении статистических свойств систем.

 

Статистическим весом называют величину элемента фазового объема всей системы. Его можно определить и по-другому, как число различных состояний с данной энергией, т.е. статистический вес определяет кратность состояния системы.

 

В статистической физике устанавливается связь между энтропией и понятием статистического веса подсистемы. В статистическом равновесии подсистема при своем движении по фазовой траектории подавляющую часть времени проводит в той области фазового пространства, где ее энергия Е близка к своему среднему значению.

 Понятие энтропии особенно важно для изучения кинетических явлений, т.е. процессов приближения замкнутой системы к равновесию. По своему смыслу, состояние статистического равновесия для своего осуществления требует, строго говоря, бесконечного времени. Однако в действительности любая подсистема с большой точностью (порядка величины флуктуаций в состоянии равновесия) приходит и равновесие за вполне конечное время т.н. время релаксации. Определенная таким образом энтропия неравновесного состояния обладает свойством, которое делает ее основным инструментом кинетики. А именно, оказывается, что S (энтропия) в состоянии полного равновесия принимает максимально возможное значение.

 

Рудольф Клаузиус, который в 1865 году ввел понятие энтропии. Он трактовал ее рост как тенденцию к выравниванию перепадов температуры. Людвиг Больцман, связавший в 1877 году энтропию с вероятностью состояния системы, ассоциировал энтропию с равномерностью распределения, описывающего систему. А спустя 20 лет связывал энтропию (вероятность состояния) с неупорядоченностью. К этому времени трактовка энтропии как меры беспорядка стала общепринятым.