Законы сохранения и симметрия в микромире

  В микромире выполняются все классические законы сохранения: массы и энергии, импульса, момента импульса, заряда. Это свидетельствует о том, что свойства симметрии пространства и времени в области микромира не отличаются от их свойств в макромире. Однако развитие квантовой теории микромира и элементарных частиц связано с введением дополнительных специфических квантовых законов сохранения. К таким законам следует отнести рассмотренные выше законы сохранения следующих величин:

1) спина;

2) барионного заряда;

3) лептонного заряда;

4) изотопического спина;

5) странности;

6) очарования.

Эти законы должны быть дополнены законами сохранения четности (), комбиниро-ванной четности - и -четности.

Еще до создания квантовой механики в 1924 году Лапортом было сформулировано правило, согласно которому испускание или поглощение фотона атомом происходит при переходах между уровнями различной четности. Если приписать четным уровням (волновые функции которых четны) четность , нечетным – четность , а фотону четность , то правило Лапорта выражает закон сохранения четности в атомных переходах, заключающийся в том, что четность начального состояния совпадает с полной четностью конечного состояния. Под полной четностью конечного состояния подразумевается произведение четности энергетического уровня атома, находящегося в конечном состоянии, на четность испущенного фотона.

Понятие четности в квантовой механике относится к волновым функциям и состояни-ям, описываемым этими функциями. Действие оператора четности  на волновую функцию  состоит в замене .

Так как двукратное применение оператора четности  есть тождественное преобра-зование, то собственными значениями  будут числа  и . В первом случае волновые функции считаются четными, а во втором – нечетными. В случае двух одинаковых частиц операция инверсии тождественна с их перестановками. Понятие четности неразрывно связано с утверждением, что частица является объектом, симметричным относительно «правого» и «левого». Следовательно, при зеркальном отражении пространства, при котором только и происходит замена правого на левое и наоборот. Частица переходит сама в себя: она ничем не должна отличаться от своего зеркального изображения.

Закон сохранения четности утверждает, что природа в своей основе зеркально-симметрична: явления могут протекать и так, как они представляются отраженными в зеркале. В классической физике зеркальная симметрия (преобразование инверсии), в отличие от других преобразований пространства и времени, не приводит к какому-либо закону сохранения. Это связано с тем, что преобразование инверсии дискретно, тогда как в основе классической физики лежат непрерывные преобразования. Дискретность же является спецификой микропроцессов, и именно поэтому в микромире преобразование инверсии привело к специфическому закону сохранения четности. Заметим, что понятие внутренней четности не имеет смысла для частиц с массой покоя, равной нулю (фотон, нейтрино). Их четность можно определить лишь в отношении к внутренней четности другой частицы.

Все эксперименты в области ядерных и электромагнитных взаимодействий свидетельствовали о строгом выполнении закона сохранения четности. Поэтому открытие в 1950 году нарушения этого закона при слабых взаимодействиях вызвало сенсацию и привело к пересмотру теории элементарных частиц.

Наряду с пространственной четностью и законом ее сохранения, являющимся следствием инвариантности относительно пространственной инверсии (), существует понятие временной четности и закона ее сохранения, вытекающей из инвариантности относительно инверсии времени (), т.е. замены в физических уравнениях  на – .

Кроме рассмотренных двух четностей, современная физика ввела еще понятие о зарядовом сопряжении и зарядовой четности, связанной с инвариантностью относительно перемены знаков зарядов частиц на противоположные, т.е. заменой частиц на античастицы ( -инвариантность). - и -инвариантности, как и -инверсия, являются дискретными, поэтому они играют особую роль в физике микромира. В квантовой теории доказывается так называемая -теорема. Согласно этой теореме, уравнения квантовой теории поля инвариантны относительно -преобразования, т.е. не меняют своего вида, если одновременно провести три преобразования   и . На опыте ни одного случая нарушения -теоремы не обнаружено. Эта теорема приобрела особую важность в теории элементарных частиц в связи с обнаруженным в 1956 году нарушением закона сохранения четности в слабых взаимодействиях. Замечательным следствием зеркальной симметрии квантовых законов микромира явилось предсказание существования античастиц. В настоящее время можно считать твердо установленным фактом, что все элементарные частицы, как заряженные, так и нейтральные, имеют античастицы.

Нарушение закона сохранения четности. Принцип зеркальной симметрии с момента его открытия не вызывал сомнений в своей справедливости. В 1956 году Ли и Янг предсказали нарушение закона сохранения четности в слабых взаимодействиях, в частности -распаде. Основанием для такого вывода послужило удивительное свойство -мезонов, они могли распадаться различными способами. Например, -мезон, спустя примерно 10^-8 с, в числе прочих распадов мог распадаться по таким схемам:

и

.

Так как четность распавшейся частицы должна быть равна произведению четностей образовавшихся из нее частиц, то отсюда следовало, что по первой схеме распада  – нечетная частица, а по второй – четная. Вскоре предсказание Ли и Янга было подтверждено экспериментально Ву. Идея опыта заключалась в следующем. Если правое и левое в природе неразличимы, то при -распаде вылет электрона в направлении спина ядра и в направлении противоположном должен быть равновероятен. Оказалось, что -электроны испускаются преимущественно в направлении, противоположном направлению ядерных спинов, ориентированных магнитным полем. Таким образом, была экспериментально доказана неравноправность правого и левого при слабых взаимодействиях. Открытие Ли и Янга показало, что наряду с общими законами сохранения, связанными со свойствами пространства и времени, существуют законы сохранения, не связанные со свойствами пространства и времени, и которые имеют ограниченную сферу действия. За вклад в теорию слабого взаимодействия Янг, Ли и Ву удостоены Нобелевской премии по физике.

Калибровочная инвариантность (симметрия). К числу внутренних симметрий относятся калибровочные симметрии, в которых устанавливаются фундаментальные свойства различных взаимодействий. Калибровочная инвариантность связана с изменением отсчета уровня масштаба или значения некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной (инвариантной) при такого рода преобразованиях. Так, например, в теории поля калибровочные преобразования заключаются в переходе от одних значений параметров поля к другим, которые оставляют неизменными физические характеристики поля, измеряемые в эксперименте. Калибровочные симметрии имеют место и в классической физике. Так, в электродинамике сила тока определяется разностью потенциалов поля и она не изменится, если прибавить или отнять постоянную величину от значений потенциалов. Другим примером может служить интерференция световых волн в оптике. Интерференционная картина зависит от разности фаз волн, а не от их абсолютного значения. Нечто похожее имеет место и в гравитационных явлениях, в которых реальное физическое значение имеет разность гравитационных потенциалов между двумя пространственно-временными точками. Работа, совершаемая при перемещении тела в гравитационном поле, зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты.

В квантовой теории поля и хромодинамике калибровочная симметрия получает ряд широких обобщений. Первое из них связано с законами сохранения физических величин, условно называемых зарядами (электрический заряд, гиперзаряд, изотопический спин, «цвет»). Эти законы обусловлены определенным типом калибровочных преобразований, оставляющих уравнения движения инвариантными. Если калибровочные преобразования содержат некоторые произвольные параметры, не зависящие от пространственно- временной точки, то симметрия называется глобальной. Так, закону сохранения электрического заряда соответствует в квантовой электродинамике инвариантность лагранжиана относительно умножения волновых функций заряженных частиц  на фазовый множитель. Калибровочное преобразование сводится к замене , где  – заряд -й частицы (в единицах заряда электрона), а  – произвольный постоянный параметр.

Следующий шаг на пути обобщений калибровочной инвариантности связан с переходом от глобальной калибровочной инвариантности к локальной. Это означает, что числовой параметр преобразования  изменяется не одновременно во всем пространстве, а является функцией пространственно-временных координат (). Требование локальности калибровочных преобразований налагает серьезные ограничения на внутреннее содержание теорий. Инвариантность относительно локального преобразования требует введения в теорию специальных компенсирующих векторных (бозонных) полей. Из этого требования также следует, что масса покоя частиц (квантов полей), отвечающих калибровочным полям, должна быть равны нулю.

Проиллюстрируем вышеизложенное примером из квантовой электродинамики. С учетом локальности калибровочное преобразование для волновой функции свободного электрона примет вид

,

где  в показателе экспоненты – заряд электрона.

Подстановка преобразованной функции в уравнение движения свободного электрона, каковым является квантово-релятивистское уравнение Дирака, приводит к появлению в уравнении дополнительного слагаемого. Следовательно, уравнение движения не имеет калибровочной симметрии, чтобы ее обеспечить необходимо компенсировать эту добавку равным слагаемым противоположного знака. В это слагаемое входит векторный потенциал , характеризующий электромагнитное поле, описываемое уравнениями Максвелла. Таким образом, компенсирующим (калибровочным) полем для калибровочно преобразованной волновой функции электрона оказывается электромагнитное поле, а калибровочной частицей – безмассовый фотон со спином, равным единице. Эти два свойства – отсутствие массы и силы – присущи квантам калибровочных полей любой природы.

Квантовая хромодинамика имеет дело не с одним фермионом, как в предыдущем примере, а с тремя цветными фермионами – кварками, динамику которых она описывает. Однако все вышеприведенные рассуждения остаются в силе, но калибровочные преобразования, кроме изменения фазы, могут менять и «цвет» (он также не наблюдаем, как и
фаза).

Для компенсации изменений в уравнениях движения в этом случае необходимо ввести восемь цветных глюонных полей, квантами которых являются цветные безмассовые глюоны. Обмен глюонами приводит к взаимодействию кварков.

Идея калибровочной инвариантности оказалась наиболее плодотворной при объединении теории слабого и электромагнитного взаимодействий в электрослабое. В этой теории наряду с фотоном появляются новые векторные бозоны – частицы, переносящие слабое взаимодействие. Такие векторные бозоны должны быть массивными, так как слабое взаимодействие проявляется лишь на очень малых расстояниях  м. Однако кванты калибровочных полей должны быть безмассовыми, и появление у них массы нарушает калибровочную инвариантность уравнений движения. Выход из этого затруднительного положения был предложен П. Хиггсом и состоит в том, что в дополнение к векторным компенсирующим полям вводятся самодействующие скалярные поля Хиггса. Используя поля Хиггса, С. Вайнберг и А. Салам выдвинули идею так называемого спонтанного нарушения симметрии.

Согласно спонтанно нарушенной симметрии калибровочная инвариантность относится к уравнению движения микрочастиц, но не к его решениям. Эти решения описывают состояния, которые возникают при переходе системы из неустойчивого симметричного состояния в устойчивое, не обладающее указанной симметрией. Примером спонтанно нарушенной симметрии может служить механическая модель: шарик, на вершине поверхности, имеющей форму мексиканского сомбреро (рисунок 82).

 

Рисунок 82

 

Шарик на вершине поверхности не обладает минимальной энергией, и его состояние неустойчиво, он скатывается вниз, где его энергия меньше. Условие задачи и уравнения движения шарика на вершине абсолютно симметричны относительно его поворота вокруг оси сомбреро. Однако конечное состояние получится несимметричным. Исходная симметрия спонтанно нарушилась. Она проявляется лишь в том, что шарик может скатиться в любую сторону от оси, т.е. наинизшее состояние неоднозначно (вырождено). Наинизшему состоянию соответствует серия решений, а реально реализуется лишь одно. Таким образом, спонтанно нарушенная симметрия предполагает четкое разделение уравнений движения и их решений.

Частицы, участвующие в слабых взаимодействиях взаимодействуют с полем Хиггса, поглощая его кванты (бозоны Хиггса), в результате чего они приобретают массу покоя. Переносчиками слабого взаимодействия выступают положительно и отрицательно заряженные массивные векторные бозоны  и нейтральный -бозон. Все три векторные бозоны обнаружены экспериментально, но бозон Хиггса пока не обнаружен.

Введение в квантовую физику так называемых (некоммутирующих) неабелевых калибровочных преобразований поставило на повестку дня создание единой теории всех (электромагнитных, слабых и сильных) взаимодействий элементарных частиц. Совре-менная физика вскрыла искусственность деления природы на различные типы фундаментальных взаимодействий. Основанием для таких разграничений взаимодействий в природе считалось существование различающихся по величине фиксированных констант различных взаимодействий.

Однако развитие современной физики установило удивительный факт: оказалось,
что приведенные выше константы взаимодействий не являются строго фиксированными. Величины этих констант зависят от передаваемой массы () обменных частиц, поэто-
му их стали называть бегущими константами. Например, при массах обменных частиц ГэВ бегущие константы электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий сравниваются по величине. Процессы при таких энергиях характеризуются константой единого взаимодействия. Объединение всех четырех взаимодействий возможно при еще более огромных энергиях ГэВ, что лежит далеко за пределами экспериментальных возможностей современной физики.

Что касается объединения констант слабого и электромагнитного взаимодействий, то для их осуществления требуется значительно меньше энергии. Такие значения энергии получаются в современных ускорителях, и поэтому вопрос о создании единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий был успешно разрешен. За создание теории электрослабых взаимодействий С. Вайнберг, М. Глэшоу и А. Салам в 1979 году были удостоены Нобелевской премии.

В 1984 году лауреатами Нобелевской премии стали К. Руббна и С. Ван дер Меер за работы по экспериментальному обнаружению  и -бозонов, существование которых следует из теории Вайнберга–Глэшоу–Салама.

Что касается бозонов Хиггса, с которыми современная космология связывает возник-новение Вселенной, то их обнаружение связывается с большим адронным коллайдером на встречных пучках, запущенным в ЦЕРНе в 2008 г.оворят физики,лощение фотонов является

Полученные со второй половины ХХ в. результаты свидетельствуют, что современ-ная физика, развивающаяся в рамках квантово-релятивистской научно-исследовательской программы, способна не только объяснять возникающие экспериментальные факты, но и успешно предсказывать новые явления.

 

Выводы

 

1. К концу XIX в. в научном сообществе сложилось убеждение, что физика как наука находится на завершающем этапе своего развития. Считалось, что все фундаментальные законы природы уже открыты.

2. Действительно, к этому времени приобрели вполне законченную форму теоретические основы механики и феноменологической термодинамики. Интегрированные процессы в физике привели к созданию теории электромагнитного поля, с помощью которой магнитные, электрические и оптические явления нашли объяснение с единых позиций.

3. Классическая статистическая физика, в основу которой положены вероятностные закономерности, стала теоретическим фундаментом термодинамики. Были сформулированы законы сохранения.

4. К концу XIX в. был сделан ряд сенсационных открытий, объяснение которых оказалось невозможным в рамках представлений классической физики. Все это указывало, что ни о какой завершенности физики не может быть и речи. К таким открытиям относятся: обнаружение линейчатого спектра атомов, открытие фотоэффекта, рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона и другие.

5. Классическая физика оказалась не в состоянии объяснить спектральный состав теплового излучения. Такое положение оставалось неизменным до тех пор, пока немецкий физик М. Планк не выдвинул неприемлемую, с точки зрения классической физики, гипотезу, согласно которой нагретые тела излучают и поглощают энергию порциями – квантами, энергия которых пропорциональна частоте ().

6. Квантовая гипотеза Планка послужила основой современной квантовой физики. Эйнштейн распространил квантование энергии на все электромагнитное излучение и создал квантовую теорию света. С помощью фотонной теории света ему удалось объяснить явление фотоэффекта, за что был удостоен Нобелевской премии. Квантовые представления света получили многочисленные экспериментальные подтверждения.

7. В науке утвердилось представление, что свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом. Свет обладает двойственной природой, и в зависимости от условий эксперимента он проявляет либо свои волновые свойства, либо свои корпускулярные свойства.

8. Открытие Томсоном электрона, линейчатого спектра излучения атомов, открытие - и -распада, рентгеновских лучей говорит о том, что атом имеет сложное строение. Первая теория атома, в которой использованы квантовые идеи была построена Н. Бором в 1913 году.

9. Теория Бора объяснила линейчатый спектр атома водорода, размеры атома, установила дискретность энергетических состояний.

10. Однако теория Бора является непоследовательной, ее успех был достигнут за счет нарушения логической целостности теории: с одной стороны, использовалась ньютонова механика, с другой, привлекались чуждые ей искусственные правила квантования, противоречащие классической электродинамике. Теория Бора оказалась не в состоянии объяснить строение и свойства сложных атомов. Последовательная атомная теория построена на основе квантовомеханических концепций.

11. Квантовая физика – это теоретическая основа современного учения о структуре и свойствах материи (вещества и поля), которые рассматривает на более фундаментальном уровне, чем классическая физика. В основу квантовой физики положена идея корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц: электронов, протонов, атомов и молекул, имеющих массу покоя. Предсказания поведения микрочастиц имеют вероятностный характер, и следовательно, физика микрообъектов является статистической теорией.

12. В квантовой теории траекторий нет и можно лишь говорить о вероятности местонахождения частицы в той или иной точке пространства. С этим обстоятельством связан фундаментальный принцип квантовой механики – соотношение неопределенностей Гейзенберга. Согласно этому принципу не существует такого состояния, в котором координата (время) и импульс (энергия) частицы имеют одновременно точные значения. Мерой их неопределенностей является постоянная Планка. Если неопределенностями в данном состоянии можно пренебречь, то движение частицы будет описываться законами классической механики, как движение по определенным траекториям.

13. В квантовой механике каждой динамической переменной сопоставляется опера-тор. Теория операторов составляет математический аппарат квантовой физики, в котором в основном используются дифференциальные операторы. Основным уравнением нерелятивистской квантовой механики является уравнение Шредингера. Решая уравнение Шредингера для любой квантовомеханической задачи, можно определить волновую функцию состояния микрочастицы и соответствующую энергию. Квадрат модуля волновой функции определяет плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства.

 

Контрольные вопросы

 

1. Соответствуют ли действительности электронные орбиты в теории Бора?

2. Какой пространственный фактор лежит в основе квантовых состояний микро-частиц?

3. Какие физические величины характеризуют квантовые числа ?

4. В чем заключается принцип Паули?

5. Сформулируйте принцип суперпозиции в квантовой механике.

6. В чем суть принципа соответствия?

7. Какие фундаментальные свойства материи лежат в основе соотношений неопре-деленностей Гейзенберга?

8. В чем заключается физический смысл волновой функции?

9. Какие фундаментальные явления природы определяются туннельным эффектом?

10. Сформулируйте основные положения принципа дополнительности Бора.

7 КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ФИЗИКИ
МАКРОСКОПИЧЕСКИХ СИСТЕМ

 

Термодинамический метод

 

Все фундаментальные теории современной физики можно разделить на две большие группы – динамические и статистические теории. В динамических теориях процессы и явления подчиняются однозначным (динамическим) закономерностям. В основу статистических теорий положены вероятностные (статистические закономерности). Поведение макроскопических систем является предметом изучения термодинамики и статистической физики. Под макроскопической системой понимается любое тело или совокупность тел, состоящих из огромного числа частиц, атомов или молекул. Так, например, в  металла содержится  ионов и столько же электронов.

Термодинамика – наука феноменологическая. Это означает, что в ее основе лежит несколько фундаментальных принципов (начал), которые являются обобщением многочисленных экспериментальных фактов. Термодинамический метод основан на изучении
макроскопических свойств тел, не интересуясь их микроскопической структурой и характером движения частиц, составляющих тело. Поэтому он может применяться для исследования макроскопических систем любой природы, для которых справедливы законы, лежащие в ее основе. Это придает термодинамике универсальный характер.

Первоначально термодинамика создавалась как наука, изучающая превращение теплоты в работу, что было вызвано необходимостью дать теоретическое обоснование работы тепловых машин. Современная термодинамика имеет очень широкую область применения. В процессе развития термодинамики произошла ее дифференциация как по отде-льным наукам (химическая термодинамика, техническая и т.д.), так и по различным объектам исследования (термодинамика газов, конденсированных сред, сверхпроводимости, плазмы и др.).

Термодинамика, как и многие направления классической физики, относится к дина-мическим теориям. Она не вводит в рассмотрение гипотез, модельных представлений, а ограничивается установлением связи между различными, непосредственно измеряемыми макроскопическими величинами (объемом, давлением, температурой и т.д.). Следова-тельно, ее выводы в той же степени достоверны, как и законы, лежащие в ее основе. Знание параметров системы в начальный момент времени позволяет, в принципе, однозначно определить значение величины в любой последующий момент. Как итог развития термодинамики можно рассматривать создание в 50-х годах ХХ в. нелинейной неравновесной термодинамики. Она стала основой новой междисциплинарной синтетической науки –
синергетики. Синергетика изучает процессы самоорганизации и устойчивости структур различных сложных неравновесных систем: физических, химических, биологических и социальных.

Основным недостатком термодинамического метода является отсутствие наглядности и невозможность объяснения с его помощью первопричин рассматриваемых процессов.

Метод статистической физики основан на молекулярно-кинетических представлени-ях. Согласно этим представлениям, любое тело состоит из огромного числа атомов или молекул, которые находятся в непрерывном хаотическом движении. Каждая молекула при нормальных условиях испытывает в секунду около миллиарда столкновений с другими молекулами. В результате этих столкновений скорость молекул постоянно изменяется, а траектория молекулы представляет собой ломаную линию, подобной пути броуновской частицы. В зависимости от того, какой механикой описывается движение отдельных частиц макросистемы – классической или квантовой, статистическая физика подразделяется на классическую и квантовую. Поскольку поведение микрочастиц полностью описывается лишь в квантовой механике, то квантовая статистика является более строгой и общей. Из квантовой статистики можно получить все основные выводы классической статистической физики. Однако общий характер статистических закономерностей не зависит существенно от конкретного способа описания микрочастиц, поэтому ограничимся изложением принципа классической статистики с последующим обобщением ее выводов на квантовую.

В классической механике система из N частиц описывается таким же числом уравнений Лагранжа, решение которых дает исчерпывающие сведения о движении системы. Представляется заманчивым распространить механические методы для описания систем, состоящих из любого числа частиц (в нашем случае ). Однако для реальных систем это неосуществимо по нескольким причинам.

Во-первых, для описания системы из  взаимодействующих частиц необходимо составить такое же число уравнений, что практически неосуществимо.

Во-вторых, необходимо задать абсолютно точные значения начальных координат и скоростей, что абсолютно невозможно. Установлено, что частица после нескольких соударений с другими частицами и со стенкой сосуда «забывает» свои начальные параметры. А поскольку каждая частица испытывает около  соударений в секунду, то полностью теряется возможность определения значений параметров в данный момент времени. В квантовой статистической физике указанная проблема усложняется еще и соотношением неопределенностей Гейзенберга, согласно которому точное одновременное определение скоростей и координат невозможно в принципе.

В-третьих, если даже представить невероятное и удалось провести расчеты, то чтобы напечатать результаты не хватило бы бумаги всего мира. А кроме того, от этих результатов было бы мало пользы, так как в физических явлениях, определяемых таким количеством частиц, возникают новые качественные особенности, которые нельзя получить из рассмотрения движения отдельных частиц. Таким образом, механический путь описания макросистем является тупиковым.

Для описания свойств макросистем разработан метод, отличный от тех, которые используются в механике. Это так называемый статистический метод, математическим аппаратом которого является теория вероятностей. В макроскопических системах проявляются специфические статистические закономерности, обусловленные наличием большого числа частиц, их специфичность заключается в том, что они теряют всякое содержание при переходе к механическим системам с небольшим числом частиц. Статистические закономерности дают возможность находить средние значения макроскопических величин, определяемых на опыте, и оценивать вероятности различных термодинамических процессов. Оказалось, что в случае равновесия макроскопической системы законы для средних величин, получающиеся в статистической физике, совпадают с законами термодинамики. Таким образом, статистическая физика теоретически обосновала термодинамические закономерности. Только статистическая физика позволила дать истолкование таким термодинамическим параметрам, как температура, энтропия, свободная энергия и др. 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. Методы статистической физики используются в различных областях современного естествознания – от физики конденсированных состояний до теории элементарных частиц. Статистические закономерности широко представлены в химии и в биологии. Например, раздел биологии – генетика является принципиально статистической теорией, она дала строгое научное обоснование дарвиновской теории происхождения и эволюции видов, объяснила причины наследования измененных признаков. Но этим роль статистических закономерностей в биологии далеко не исчерпывается. Их фундаментальность проявляется при решении таких проблем, как возникновение жизни на Земле, изменение численности популяций, моделирование процессов, происходящих на нашей планете и др.

Основными понятиями термодинамики и статистической физики являются: термодинамическая система, термодинамическое состояние, термодинамический процесс.

Термодинамическая система – это макроскопическое тело или совокупность тел любой физико-химической природы, которые могут взаимодействовать между собой или с внешней средой путем обмена энергией и веществом. Термодинамическая система может находиться в различных агрегатных состояниях. Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Четвертым агрегатным состоянием вещества считается плазма. В отличие от других агрегатных состояний плазма представляет собой газ заряженных частиц (ионов, электронов), электромагнитное взаимодействие между которыми распространяется на большие расстояния. Агрегатные состояния и переходы между ними зависят от термодинамических параметров, которые характеризуют макроскопическую систему (давление, объем, температура и др.). Агрегатные состояния вещества определяются соотношением между потенциальной энергией взаимодействия молекул и их средней кинетической энергией. Для газа кинетическая энергия значительно превосходит потенциальную; для жидкости они сравнимы; для твердых тел потенциальная энергия намного больше кинетической.

Термодинамические параметры  – это физические величины, характеризующие состояние термодинамической системы: температура, давление, объем, намагниченность и др. Величины, определяемые положением не входящих в систему внешних тел, называются внешними параметрами. Например, напряженность внешнего поля, объем системы и т.д. Величины, определяемые коллективным движением и распределением в пространстве всей совокупности входящих в систему частиц, называются внутренними параметрами. Например, внутренними параметрами являются энергия, давление, плотность, температура, намагниченность и др. Их значения зависят от положения и движения частиц системы и входящих в них зарядов.

Внутренние параметры системы разделяются на интенсивные и экстенсивные. Параметры, не зависящие от массы и числа частиц в системе, называются интенсивными (давление и температура, и др.). Параметры, пропорциональные массе и числу частиц в системе, называются экстенсивными (энергия, энтропия, объем и др.). Экстенсивные параметры характеризуют систему как целое, в то время как интенсивные параметры принимают вполне определенные значения в каждой точке системы. Состояние системы называется стационарным, если параметры системы не изменяются со временем.

Термодинамическое равновесие. Макроскопическая система находится в термодинамическом равновесии, если ее состояние не меняется с течением времени и нет никаких стационарных потоков вследствие действия каких-либо внешних источников. Следует заметить, что не все макроскопические системы являются термодинамическими системами, а только те из них, которые находятся в состоянии термодинамического равновесия. При термодинамическом равновесии температура и давление во всех частях системы имеют одно и то же значение.

Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом. В термодинамике рассматривают равновесные термодинамические процессы, под которыми понимают процессы, проходящие через ряд равновесных состояний.