Физики примирили статистическую и динамическую картины мира

В статистической механике система реализует все возможные состояния, то есть атомы принимают все возможные положения и скорости для данного объема энергии или температуры. В этом подходе ученым не важен порядок, в котором они переходят из одного состояния в другое, и время, которое на это уходит. Время не рассматривается.

Напротив, в динамическом подходе система может не иметь всех состояний, которые возможны в принципе, потому что энергии может быть не достаточно, чтобы перейти энергетический барьер или потому что временное окно слишком короткое. «Когда система не „видит“ других состояний за энергетическим барьером в динамике, это как будто путник не может разглядеть следующую долину за грядой гор», — говорит физик Юлиус Елинек.

Выбирая один из подходов, ученые вынуждены идти по одному из расходящихся путей, поскольку эти концепции не во всем соглашаются друг с другом. При определенных условиях, например, при достаточно высоких энергиях и на большом временном отрезке, статистическая и динамическая картины мира синхронизируются. Однако во многих других случаях они заметно отличаются.

Фундаментальная характеристика, лежащая в основании статистической механики, это «плотность состояний», то есть общее число состояний, которые может принимать система при данной энергии. Проблема заключается в том, что когда дело доходит до колебательного движения систем, ученые имеют точное решение для плотности состояний только для двух идеализированных случаев, так называемых гармонических осцилляторов. Поскольку реальные системы не являются ни одной из этих двух, распространенной практикой стало использование гармонического приближения, которое держится на предположении, что реальные системы ведут себя почти так же, как гармонические.

Это предположение неплохо работает для низких энергий, но становится неприменимым, когда энергия возрастает. Окончательное и точное решение для колебательной плотности состояний систем с любой степенью ангармонизма оставалась неразрешенной проблемой, пишет Phys.org.

Такое решение было найдено Елинеком в сотрудничестве с Дарьей Алейникавой. «Это решение принесет пользу многим отраслям физики, химии, материаловедения, нанонауки и биологии», — говорит Елинек. — Оно примиряет статистическую механику с динамикой вне зависимости от специфики или особенностей динамического поведения системы».