Микросостояние
англ. Microstate
Полная раскладка системы — координаты и импульсы всех частиц разом: на одно макросостояние приходятся миллиарды микросостояний, и их число задаёт энтропию.
Стадион можно описать двояко: раскладка «кто на каком месте сидит» — микроскопическая бухгалтерия, а «сектор заполнен на семьдесят процентов» — макроскопическое резюме. В статистической физике точная рассадка — координаты и импульсы всех молекул разом — называется микросостоянием. Одна молекула сдвинулась на волосок — система уже в новом микросостоянии, хотя макрокартина не дрогнула. На одно макросостояние приходятся миллиарды микросостояний, и их число напрямую управляет энтропией через формулу Больцмана.
Фазовое пространство делает идею точной: микросостояние — точка в пространстве координат и импульсов, эволюция — траектория в нём. Для счёта годится и дискретная модель: у десяти монет макросостояние «пять орлов» реализуют микросостояния. Геометрия состояний — в термине фазовая плоскость, откуда берётся счёт способов — в размещениях и сочетаниях, связь с энтропией — в уроке второе начало и энтропия, молекулярная картина газа — в основах МКТ.
Частые вопросы
Чем микросостояние отличается от макросостояния?
Макросостояние — это несколько измеримых чисел: давление, температура, объём, число частиц в каждой половине сосуда. Микросостояние — полный список координат и скоростей всех молекул, конкретная рассадка. Огромное число разных микросостояний даёт одно и то же макросостояние, поэтому наблюдаемое поведение определяется не уникальной раскладкой, а тем, сколько раскладок реализует каждый макроскопический вариант. На этом счёте держится вся статистическая физика.
Почему микросостояний так много и как их считают?
Даже кубический сантиметр газа содержит порядка молекул, и каждая требует шести чисел — координат и компонент импульса; перечислять их поимённо бессмысленно. Вместо перечисления измеряют объём доступной области фазового пространства или, в дискретных моделях, считают перестановки и сочетания по факториальным формулам. Точность не страдает: макроскопические величины диктуются подавляющим большинством микросостояний, а редкие исключения на практике не встречаются.