Elementary Principles in Statistical Mechanics , опубликованный в марте 1902 года, является работой Джозайи Уилларда Гиббса , которая считается основой современной статистической механики . Его полное название было Elementary Principles in Statistical Mechanics, разработанной с особым упором на рациональные основы термодинамики . [1]
В этой книге Гиббс тщательно показал, как законы термодинамики вытекают именно из общей классической механической системы, если допустить определенную естественную неопределенность относительно состояния этой системы.
Темы термодинамических связей со статистической механикой исследовались в предыдущие десятилетия Клаузиусом , Максвеллом и Больцманом , которые вместе написали тысячи страниц на эту тему. [2] Одной из целей Гиббса при написании книги было извлечь эти результаты в связную и простую картину. Гиббс написал в 1892 году своему коллеге лорду Рэлею
Сейчас я пытаюсь подготовить к публикации кое-что по термодинамике с априорной точки зрения или, скорее, по «статистической механике» [...] Я не знаю, что у меня будет что-то особенно новое по существу, но буду доволен, если смогу выбрать такую точку зрения (насколько мне кажется возможным), чтобы получить более простой взгляд на предмет». [2]
Он работал над этой темой уже некоторое время, по крайней мере, еще в 1884 году, когда он опубликовал статью (ныне утерянную, за исключением ее аннотации) на тему статистической механики. [3]
Книга Гиббса упростила статистическую механику до трактата в 207 страниц. В то же время Гиббс полностью обобщил и расширил статистическую механику до формы, в которой она известна сегодня. Гиббс показал, как статистическая механика может быть использована даже для расширения термодинамики за пределы классической термодинамики, на системы с любым числом степеней свободы (включая микроскопические системы) и неэкстенсивные системы .
На момент написания книги преобладающее понимание природы было чисто классическим: квантовая механика еще не была задумана, и даже основные факты, которые сегодня считаются само собой разумеющимися (например, существование атомов), все еще оспаривались среди ученых. Гиббс был осторожен в том, чтобы предполагать как можно меньше о природе изучаемых физических систем, и в результате принципы статистической механики, изложенные Гиббсом, сохранили свою точность (с некоторыми изменениями в деталях, но не в теме), несмотря на крупные потрясения современной физики в начале 20-го века. [4]
В. Кумаран написал следующий комментарий относительно «Элементарных принципов статистической механики» :
... В этой работе он ввел ныне стандартное понятие «ансамбля», представляющего собой совокупность большого числа неразличимых копий рассматриваемой системы, которые взаимодействуют друг с другом, но которые изолированы от остальной части вселенной. Копии могут находиться в различных микроскопических состояниях, определяемых, например, положениями и импульсами составляющих молекул, но макроскопическое состояние, определяемое давлением, температурой и/или другими термодинамическими переменными, идентично.
Гиббс утверждал, что свойства системы, усредненные по времени, идентичны среднему по всем членам ансамбля, если верна «эргодическая гипотеза». Эргодическая гипотеза, утверждающая, что все микросостояния системы выбираются с равной вероятностью, применима к большинству систем, за исключением таких систем, как закаленные стекла, которые находятся в метастабильных состояниях. Таким образом, метод усреднения ансамбля предоставляет нам простой способ расчета термодинамических свойств системы без необходимости наблюдать ее в течение длительных периодов времени.
Гиббс также использовал этот инструмент для получения соотношений между системами, ограниченными разными способами, например, для связи свойств системы при постоянном объеме и энергии со свойствами при постоянной температуре и давлении. Даже сегодня концепция ансамбля широко используется для выборки в компьютерном моделировании термодинамических свойств материалов и впоследствии нашла применение в других областях, таких как квантовая теория. [5]
