ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ПРЕДМЕТ, МЕТОД И МЕТОДОЛОГИЯ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

§ 1. Предмет и метод статистической физики

Статистическая физика изучает системы, состоящие из очень большого числа частиц: молекул, атомов, ионов и др. Основная задача статистической физики — изучение связи макроскопических свойств изучаемых систем со свойствами и законами движения микрочастиц, составляющих данную систему.

При этом возможна как задача нахождения макроскопических свойств системы по известным свойствам составляющих ее частиц, так и обратная задача, т. е. нахождение свойств частиц, составляющих систему, по ее макроскопическим свойствам.

Постановка такой задачи вытекает из реальности микрочастиц (молекул, электронов, фотонов и др.), существование которых не подвергается сомнению в современной физике. Почти все физические тела состоят из огромного количества частиц. Так, например, в металла находится ионов и столько же свободных электронов. Это накладывает особые условия на метод исследования подобных объектов. Мы оказываемся не в состоянии проследить за движением отдельных частиц, составляющих такую систему. В этих случаях проявляются новые, так называемые статистические закономерности.

Молекулярная теория вещества может быть только статистической теорией. Статистические закономерности дают возможность определять средние значения величин и оценивать вероятности любых других возможных значений. Таким образом, методом статистической физики

является статистический метод, основанный на теории вероятностей.

Итак, статистическая физика — это физика систем многих частиц, использующая статистические методы; или современная статистическая физика — это статистическая теория систем многих частиц.

Статистическая физика в первую очередь связана с термодинамикой, которая опирается на факты, закономерности и задоны, полученные обобщением огромного человеческого опыта. Оказалось, что в случае равновесия макроскопической системы законы для средних величин, получающиеся в статистической физике, совпадают с законами термодинамики.

Таким образом, статистическая физика для случая равновесных систем теоретически обосновала термодинамические закономерности. Поэтому статистическая физика равновесных систем получила название статистической термодинамики.

Статистическая термодинамика, установив связь между молекулярными состояниями и микроскопическими свойствами систем, дала возможность вычисления термодинамических функций различных систем.

Возникновение квантовой механики способствовало дальнейшему развитию статистической термодинамики, так как позволило более точно определять состояние тел.

Однако значение статистической физики не исчерпывается обоснованием термодинамики. Особенностью статистической физики является рассмотрение процессов и явлений природы с точки зрения движения и взаимодействия большого числа частиц. Использование статистической физикой определенной модели вещества, с одной стороны, позволяет глубже познать законы и явления окружающего нас мира, но с другой стороны, ограничивает статистическую физику областью применимости данной модели.

Методы статистической физики используются в различных областях современно физики, начиная от физики конденсированных тел и кончая теорией элементарных частиц. Только статистическая физика позволила дать истолкование таких термодинамических параметров, как температура, энтропия, свободная энергия и др.

За последнее время расширяется исследование неравновесных процессов и состояний. Эти исследования привели к, созданию новой науки — термодинамики необратимых

процессов, которая может объяснить пока только самые простые закономерности.

Для изучения неравновесных процессов используется также статистическая теория» рассматривающая изменения микроструктуры вещества. Известно, что любые изменения, происходящие в системе и отражающиеся на ее макроскопических параметрах и свойствах, являются следствиями определенных изменений в движении или расположении микрочастац, образующих данную систему.

Статистическая физика неравновесных и необратимых процессов иногда называется статистической кинетикой.

В основу метода усреднения классической, статистической физики положены уравнения механики для систем многих частиц. Поэтому статистическую физику часто называют статистической механикой.

В зависимости от того, какая модель системы принимается для описания того или иного явления, статистическая физика разделяется на классическую и квантовую статистическую физику. Квантовая статистическая физика является более общей и строгой, так как из нее можно получить все основные положения классической статистической физики.