Khái niệm vật lý thống kê

Vật lý thống kê là một ngành trong vật lý học, áp dụng các phương pháp thống kê để giải quyết các bài toán liên quan đến các hệ chứa một số rất lớn những phần tử,
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Khái niệm vật lý thống kê Vật lý thống kêVật lý thống kê là một ngành trong vật lý học, áp dụng các phương phápthống kê để giải quyết các bài toán liên quan đến các hệ chứa một số rất lớnnhững phần tử, có số bậc tự do cao đến mức không thể giải chính xác bằngcách theo dõi từng phần tử, mà phải giả thiết các phần tử có tính hỗn loạn vàtuân theo các quy luật thống kê.Ví dụ của các hệ có thể là các vật chất trong tự nhiên, chứa điện tử, quang tử,nguyên tử, phân tử, tồn tại dưới những trạng thái vật chất khác nhau (chấtkhí, chất lỏng, chất rắn, plasma...). Các phương pháp của vật lý thống kêhoàn toàn có thể mở rộng cho các hệ như hệ nơ-ron thần kinh, quần thể sinhvật, quần thể người trong xã hội, hay các hệ hỗn loạn trong kinh tế học.Một số bài toán của vật lý thống kê có lời giải đại số, nhờ các phép xấp xỉhay phân tích chuỗi. Tuy nhiên đa số phải sử dụng các phương pháp số đểgiải, đặc biệt là phương pháp Monte-Carlo.Những khái niệm cơ bản  Trạng thái vĩ mô: là trạng thái của một hệ vật lý mà ta có thể mô tả bởi các đại lượng vĩ mô, cảm nhận trực tiếp bởi con người. Ví dụ như nếu ta xét một khối khí thì các đại lượng vĩ mô này có thể là thể tích, nhiệt độ,... của khối khí.  Trạng thái vi mô lượng tử của một hệ vật lý: Theo quan điểm của cơ học lượng tử, trạng thái vật lý của một hạt tại một thời điểm t được biểu diễn bởi một vectơ trong không gian trạng thái, đó là vectơ trạng thái ket. Sự tiến hóa theo thời gian của một trạng thái vi mô được mô tả bởi phương trình Schrödinger.  Trạng thái vi mô cổ điển: Ở một mức độ gần đúng nào đó, trạng thái vi mô của một hệ vĩ mô có thể được mô tả bởi cơ học cổ điển.  Hàm phân bố thống kê là hàm được tính theo mật độ xác suất mà hạt có mặt tại một vị trí nào đó.  Nguyên lý ergodic: Khi hệ ở trạng thái cân bằng, giá trị trung bình trên tập hợp của một đại lượng vật lý của một hệ tại một thời điểm nào đó trùng với giá trị trung bình của một đại lượng này tính theo thời gian của một hệ duy nhất.Các nhà vật lý thống kê  Ludwig Boltzmann (1844-1906), nhà vật lý và nhà triết học Áo, là một trong những tư tưởng gia độc đáo nhất của hậu bán thế kỷ thứ XIX và được xem như là cha đẻ của vật lý thống kê. Phương pháp giải thích entropi của ông - đưa khái niệm xác suất vào nhiệt động lực học, đã gợi ý cho Planck và Einstein về lý thuyết thống kê của bức xạ, về giả thuyết lượng tử và photon. Định lý H của ông đã giúp cho ta hiểu được thế giới vĩ mô trên cơ sở của động lực học phân tử.  Max Planck (1858-1947)  Albert Einstein (1879-1955) Nhiệt động lực họcThuật ngữ nhiệt động học (hoặc nhiệt động lực học) có hai nghĩa: 1. Khoa học về nhiệt và các động cơ nhiệt (nhiệt động học cổ điển) 2. Khoa học về các hệ thống ở trạng thái cân bằng (nhiệt động học cân bằng)Ban đầu, nhiệt động học chỉ mang nghĩa thứ nhất. Về sau, các công trình tiênphong của Ludwig Boltzmann đã đem lại nghĩa thứ hai. [cần dẫn nguồn]Các nguyên lý nhiệt động học có thể áp dụng cho nhiều hệ vật lý, chỉ cần biếtsự trao đổi năng lượng với môi trường mà không phụ thuộc vào chi tiết tươngtác trong các hệ ấy. Albert Einstein đã dựa vào nhiệt động học để tiên đoánvề phát xạ tự nhiên. Gần đây còn có một nghiên cứu về nhiệt động học hốđen. [cần dẫn nguồn] Nhiệt động học là lý thuyết vật lý duy nhất tổng quát, trong khả năng ứng dụng và trong các cơ sở lý thuyết của nó, mà tôi tin rằng sẽ không bao giờ bị lật đổ. — Albert EinsteinNhiệt động học thường được coi là một bộ phận của vật lý thống kê, thuộc vềmột trong số những lý thuyết lớn làm nền tảng cho những kiến thức đươngđại về vật chất.Lịch sửNhững nghiên cứu đầu tiên mà chúng ta có thể xếp vào ngành nhiệt động họcchính là những công việc đánh dấu và so sánh nhiệt độ, hay sự phát minh củacác nhiệt biểu, lần đầu tiên được thực hiện bởi nhà khoa học người ĐứcGabriel Fahrenheit (1686-1736) - người đã đề xuất ra thang đo nhiệt độ đầutiên mang tên ông. Trong thang nhiệt này, 32 độ F và 212 độ F là nhiệt độtương ứng với thời điểm nóng chảy của nước đá và sôi của nước. Năm 1742,nhà bác học Thụy Sĩ Anders Celsius (1701-1744) cũng xây dựng nên mộtthang đo nhiệt độ đánh số từ 0 đến 100 mang tên ông dựa vào sự giãn nở củathủy ngân.Những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến quá trình truyền nhiệt giữa các vậtthể. Nếu như nhà bác học Daniel Bernoulli (1700-1782) đã nghiên cứu độnghọc của các chất khí và đưa ra liên hệ giữa khái niệm nhiệt độ với chuyểnđộng vi mô của các hạt. Ngược lại, nhà bác học Antoine Lavoisier (1743-1794) lại có những nghiên cứu và kết luận rằng quá trình truyền nhiệt đượcliên hệ mật thiết với khái niệm dòng nhiệt như một dạng chất lưu.Tuy nhiên, sự ra đời thật sự của bộ môn nhiệt động học là phải chờ đến mãithế kỉ thứ 19 với tên của nhà vật lý người Pháp Nicolas Léonard Sadi Carnot(1796-1832) cùng với cuốn sách của ông mang tên Ý nghĩa của nhiệt độngnăng và các động cơ ứng dụng loại năng lượng này. Ông đã nghiên cứunhững cỗ máy được gọi là động cơ nhiệt: một hệ nhận nhiệt từ một nguồnnóng để thực hiện công dưới dạng cơ học đồng thời truyền một phần nhiệtcho một nguồn lạnh. Chính từ đây đã dẫn ra định luật bảo toàn năng lượng(tiền đề cho nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học), và đặc biệt, khái niệm vềquá trình thuật nghịch mà sau này sẽ liên hệ chặt chẽ với nguyên lý thứ hai.Ông cũng bảo vệ cho ý kiến của Lavoisier rằng nhiệt được truyền đi dựa vàosự tồn tại của một dòng nhiệt như một dòng chất lưu.Những khái niệm về công và nhiệt được nghiên cứu kĩ lưỡng bởi nhà vật lýngười Anh James Prescott Joule (1818-1889) trên phương diện thực nghiệmvà bởi nhà vật lý người Đức Robert von Mayer (1814-1878) trên phương diệnlý thuyết xây dựng từ cơ sở chất khí. Cả hai đều đi tới một kết quả tươngđương về công và nhiệt trong những nă ...