第六部分 · 选讲专题与总结
本部分包括三个历史专题(第27–29章)、三个应用专题(第30–32章)与全书总结(第33章)。各专题依赖前面不同的部分,见全书大纲中的说明。
按时间顺序讲述第二部分的公式是怎样被发现的,并与讲义的推导顺序对照。本章覆盖约 1738–1912 年的主体发展,以及后来与第二部分内容直接相关的几项工作。1900 年以后量子统计本身的建立(玻色、爱因斯坦、费米、狄拉克等)留给历史专题(二);与之重叠的 1900–1912 年只简述其中与第二部分有关的部分。
§27.1两种顺序:讲义的逻辑与历史的实际
讲义的顺序是"公理化"的:先陈述等概率原理(§3.1),由它推出 ,再推出正则分布与配分函数,最后才是麦克斯韦分布、均分定理等具体结果。历史的顺序几乎相反:
| 讲义中的顺序 | 历史上的顺序(大致) |
|---|---|
| 1. 等概率原理(§3.1) | 1. 气体压强的分子运动解释(1738;1850 年代) |
| 2. (§3.2) | 2. 麦克斯韦速度分布与能量均分(1860) |
| 3. 正则分布与配分函数(第4章) | 3. 玻尔兹曼因子(1868) |
| 4. 玻尔兹曼分布、麦克斯韦分布、均分定理(第5章) | 4. H 定理(1872);熵与配容数的对数(1877) |
| 5. 量子能级下的配分函数(第6、7章) | 5. 吉布斯的热力学势(1875–1878)与系综理论(1902) |
| 6. 巨正则系综(第8章) | 6. 普朗克常数与 的写法(1900);量子化比热(1907);绝对熵(1911–1912) |
| 7. 等概率原理被明确当作整个理论的出发点(20 世纪 30 年代的教科书);最大熵观点(1957) |
最"基本"的原理是最后才被提炼出来的。历史上,人们先在具体问题(气体、比热)中得到具体公式,再逐步认识到它们背后的共同结构。
§27.2前史:从热质说到分子运动论(1738–1857)
- 1738 年,丹尼尔·伯努利在《流体动力学》中把气体压强解释为大量微粒对器壁的撞击,得到压强正比于粒子数密度与速度平方的结论——这是 (5.13) 的雏形。但当时流行"热质说"(热是一种看不见的流体),他的想法沉寂了一个多世纪。
- 1820–1840 年代,赫拉帕斯(Herapath)、沃特斯顿(Waterston)等人重新提出分子运动论;沃特斯顿 1845 年的论文被英国皇家学会拒绝,直到 1892 年才由瑞利发表。
- 1840 年代,焦耳等人确立热功当量,热质说动摇,能量守恒(第一定律)得到确立;焦耳 1848 年还估算了气体分子的速率。
- 热力学的建立:卡诺(1824)研究热机效率;开尔文(1848)提出绝对温标;克劳修斯(1850)与开尔文(1851)表述第二定律;克劳修斯在 1865 年引入"熵"这个名称。熵作为宏观概念,比它的微观诠释早了十几年。
- 1856–1857 年,克勒尼希(Krönig)与克劳修斯建立了定量的分子运动论。克劳修斯得到 ,并指出分子除平动外还有转动、振动等内部运动,以此讨论气体比热比的数值;1858 年他又引入平均自由程的概念。
§27.3麦克斯韦:速度分布与能量均分(1860–1867)
1860 年的推导。麦克斯韦只用了两个假设:(1) 速度分布各向同性;(2) 三个速度分量的分布相互独立。设单个分量的分布为 ,则三维分布 只能依赖于 ,记作 。取对数:
两边对 求偏导(右边用链式法则,提示 A1):
左边只依赖于 ,右边却还通过 依赖于 、。保持 不变而改变 ,左边不变,所以右边必须是常数,记为 。于是 ,积分得 ;归一化要求 。这正是 (5.10) 的形式;参数 由压强公式 (5.13) 与理想气体定律确定为 ()。
这个推导极其简洁,但假设 (2) 缺乏力学依据:为什么各分量必须独立?1867 年,麦克斯韦改用碰撞来论证:平衡时任何一类碰撞与其逆碰撞发生的频率相等(后来称为"细致平衡"),这要求 对一切满足动量、能量守恒的碰撞成立,即 是碰撞中的守恒量,因而只能是常数、动量、能量的线性组合,由此得到同样的分布。这个论证的完整形式见第25章。
能量均分与比热难题。麦克斯韦在 1860 年还得到平动能与转动能之间的均分,并由此预言了气体的比热比——与实验值不符。到 1875 年,他把比热问题称为分子理论迄今遇到的最大困难(§9.3)。
麦克斯韦妖(1867–1871)。麦克斯韦设想一个能看见单个分子的"小精灵",它只让快分子从一侧、慢分子从另一侧穿过隔板,从而不做功就造成温差。他用这个思想实验说明:第二定律是一条统计定律,只对大量分子成立。
§27.4玻尔兹曼:玻尔兹曼因子、H 定理与熵的统计诠释(1868–1877)
1868 年:玻尔兹曼因子的诞生。玻尔兹曼把麦克斯韦分布推广到处在外场中、以及具有内部自由度的分子,得到分子处于能量为 的状态的概率正比于 (当时还没有 这个符号)。值得注意的是他的论证方式:考虑总能量固定的整个气体(即后来的微正则系综),求其中一个分子的能量分布。用本讲义的语言可以重述如下。
对单原子理想气体,分子 1 的动量为 的概率,正比于其余 个分子在剩余能量 下的态数(与 §4.1 同理)。由 (3.13), 个分子的态密度 ,所以
令 ,记 ,则 。利用极限 (提示 A10):
这正是麦克斯韦分布。高维能壳上的均匀分布,投影到一个粒子上就是玻尔兹曼因子——这与 §4.1"系统 + 大热源"的推导是同一件事,也用到了 §2.3.4 所讲的高维几何。
1872 年:H 定理。玻尔兹曼写出了单粒子分布函数随时间演化的方程(玻尔兹曼方程),并证明量 随时间只减不增,平衡时 就是麦克斯韦分布。 正比于熵:这是第一次试图从力学"证明"第二定律(详见第25章)。
1876–1877 年:可逆性反驳与组合论诠释。洛施密特(Loschmidt)指出:力学方程是时间反演对称的,把所有分子的速度反向,系统就会沿原路返回,熵将减少——所以 H 定理不可能是纯力学的结论。玻尔兹曼在 1877 年回答:熵增是概率性的。他把能量分成小份,计算把分子分配到各能量格子中的方式数("配容数" ),证明使 最大的分布就是麦克斯韦–玻尔兹曼分布,并指出熵正比于这个概率的对数。这正是本讲义 §5.2 的最概然分布推导((5.3)–(5.5));而"把能量分成小份再数方式数"的技巧,二十多年后被普朗克借用来处理黑体辐射。
的写法。玻尔兹曼本人从未写出带常数 的这个公式。是普朗克在 1900–1901 年把它写成 并引入常数 (后来以玻尔兹曼命名)。这个公式刻在维也纳中央公墓玻尔兹曼的墓碑上。
1896 年:回归反驳。策梅洛(Zermelo)根据庞加莱的回归定理(1890 年:有界力学系统几乎总会任意接近地回到初始状态)指出,熵不可能永远增加。玻尔兹曼的回答是:对宏观系统,回归时间远远超过宇宙的年龄。这些争论深刻地影响了人们对第二定律的理解(第25章再谈)。
§27.5吉布斯:热力学势与系综(1873–1902)
- 1873–1878 年,吉布斯建立了以热力学势为中心的热力学,引入化学势 ,提出相律,写成长文《论非均匀物质的平衡》(1875–1878)。本讲义 §1.6–1.9 的许多内容直接来自这里。吉布斯佯谬也在这篇文章中提出:同种与不同种气体混合的熵变截然不同(§3.7)。
- 1884 年,吉布斯首次使用"统计力学"(statistical mechanics)这一名称。
- 1902 年,《统计力学的基本原理》出版。吉布斯引入系综的概念,并命名了微正则、正则、巨正则三种系综(第3、4、8章)。他以正则系综为核心,把其中的"模数" 与温度对应(),系统地展示了系综平均与热力学关系之间的"类比",讨论了能量涨落,并区分"同类相"(generic phase)与"特定相"(specific phase)——后者正是除以 的依据。吉布斯在序言中表示,鉴于比热等现象与分子理论之间的矛盾,他不把理论建立在关于分子结构的具体假设上,只研究系综本身的一般性质。正因为如此,他的框架在量子力学出现后几乎可以原封不动地沿用。
- 1902–1904 年,爱因斯坦在不知道吉布斯工作的情况下独立发展了系综理论,并在 1904 年得到能量涨落公式 ((4.13))。他指出:常数 决定了涨落的大小,涨落一旦可以观测,原子的存在就可以被检验——这一思路在 1905 年的布朗运动论文中结出硕果(第23章)。
§27.6量子的介入(1900–1912):与第三部分重叠的部分
这一时期的工作同时属于统计热力学与量子统计的历史。这里只讲它们对第二部分公式的意义,完整的故事见第28章。
- 1900 年,普朗克为解释黑体辐射谱,把振子的能量当作 的整数倍,用玻尔兹曼 1877 年的计数法(与第3章自测题 1 中"星号与隔棒"的计数相同)数出配容数,得到 (6.14) 形式的平均能量(不含零点能)。同一工作引入了 与 ,并由 给出了当时最精确的阿伏伽德罗常数值之一。
- 1906 年,能斯特提出热定理(第三定律的雏形);1911 年,普朗克把它表述为 时 。
- 1907 年,爱因斯坦把量子化的振子用于固体,得到 (6.17),解释了金刚石的低比热(§6.5);1910 年前后能斯特实验室的低温比热测量证实了比热在低温下趋于零。
- 1911–1912 年,萨克尔与特多德独立得到理想气体熵的绝对值 (3.14)。关键在于:相空间必须分成每个粒子大小为 的格子,并且要除以 。"每个量子态占相空间体积 "(§2.5)的规则正是在这一时期提出的,十几年后才由量子力学严格说明。
- 1912 年,德拜以及玻恩与冯·卡门改进了固体比热理论(第15章)。
到 1912 年,第二部分的主要公式都已出现。此后与第二部分直接相关的发展包括:朗缪尔吸附理论(1916–1918;统计推导 1935)、肖特基反常(1922)、量子顺磁理论(布里渊,1927)、 低温比热的解释(丹尼森,1927,需要核自旋统计,属于第三部分)、冰的剩余熵(鲍林,1935)、负温度(珀塞尔与庞德,1951)。
§27.7严格化与新视角(1907–1957)
- 1907 年与 1911 年,埃伦费斯特夫妇提出"罐子模型"(理解趋向平衡与回归的经典简化模型),并在百科全书长文中系统地澄清了统计力学的基本概念与争议。
- 1927 年,冯·诺伊曼与朗道引入密度矩阵,吉布斯的系综有了量子力学的表述(第12章)。
- 1931–1932 年,伯克霍夫与冯·诺伊曼证明了数学上的遍历定理;但对真实的宏观系统,遍历性至今难以证明(§2.7)。
- 20 世纪 20–30 年代,福勒(1929)、福勒与古根海姆(1939,书名即《统计热力学》)等著作把统计力学系统地用于物理化学问题,第7章的内容大体在这一时期定型;"等概率原理"作为整个理论的出发公设,在托尔曼(1938)等人的著作中被明确陈述——它是被最后提炼出来的。
- 1948 年,香农建立信息论,其信息熵与吉布斯熵 (4.6) 形式相同;1957 年,杰恩斯提出最大熵观点(§4.6),把统计力学看作"在已知约束下作最无偏推断"的方法。
§27.8从历史中能学到什么
- 从具体到抽象:历史从气体压强、比热这些具体问题出发,逐步抽象出系综与等概率原理;讲义则从抽象原理出发推出具体结果。两条路径互为补充:讲义的路径逻辑清楚,历史的路径说明每个概念为什么被需要。
- 玻尔兹曼因子比""更早:正则分布(1868)早于熵的组合诠释(1877),更早于"等概率原理"的明确陈述。今天被当作出发点的东西,当年是从结果中反推出来的。
- "修正"先于"理解":(吉布斯)与相空间格子 (萨克尔–特多德)都是为了让理论与实验或自洽性一致而先被"加上"的,量子力学后来才解释了它们的来源。
- 困难推动进步:比热之谜和黑体辐射暴露了经典统计的极限,直接促成了量子理论;可逆性与回归的争论则使人们认识到第二定律的统计本质。
按历史顺序重读第二部分的路线:§5.4(麦克斯韦分布、压强)→ §5.5(均分定理与比热难题)→ §4.1 与 (27.1)–(27.2)(玻尔兹曼 1868)→ §5.2、§3.2(玻尔兹曼 1877)→ §3.7、§4.4、第8章(吉布斯 1875–1902;爱因斯坦 1904)→ §6.4–6.5、§3.6(1900–1912 的量子化与绝对熵)→ §8.5、§6.1–6.2、§3.3(1916–1935)→ §3.5、§4.6(1951–1957)。
主要人物与年代速查
| 年代 | 人物 | 贡献 | 讲义中的位置 |
|---|---|---|---|
| 1738 | 丹尼尔·伯努利 | 气体压强的分子撞击解释 | §5.4 |
| 1857 | 克劳修斯 | 定量分子运动论 | §5.4 |
| 1860 | 麦克斯韦 | 速度分布、能量均分 | §5.4、§5.5 |
| 1865 | 克劳修斯 | 命名"熵" | §1.4 |
| 1868 | 玻尔兹曼 | 玻尔兹曼因子(由微正则系综求单分子分布) | §4.1、(27.1)–(27.2) |
| 1872 | 玻尔兹曼 | 玻尔兹曼方程、H 定理 | 第25章 |
| 1875–1878 | 吉布斯 | 化学势、相律、吉布斯佯谬 | §1.6–1.9、§3.7 |
| 1877 | 玻尔兹曼 | 熵与配容数的对数;最概然分布 | §3.2、§5.2 |
| 1900 | 普朗克 | 与 ; 的写法 | §2.5、§3.2 |
| 1902 | 吉布斯 | 系综理论; | 第3、4、8章 |
| 1904 | 爱因斯坦 | 能量涨落公式 | §4.4 |
| 1906–1911 | 能斯特、普朗克 | 第三定律 | §1.10、§3.3 |
| 1907 | 爱因斯坦 | 固体比热的量子理论 | §6.5 |
| 1911–1912 | 萨克尔、特多德 | 理想气体的绝对熵 | §3.6 |
| 1916–1918 | 朗缪尔 | 吸附等温式 | §8.5 |
| 1922 | 肖特基 | 肖特基反常 | §6.1 |
| 1935 | 鲍林 | 冰的剩余熵 | §3.3 |
| 1951 | 珀塞尔、庞德 | 负温度 | §3.5 |
| 1957 | 杰恩斯 | 最大熵原理 | §4.6 |