§22.1 爱因斯坦涨落公式§22.2 热力学量的涨落§22.3 密度涨落与结构因子§22.4 时间关联函数§22.5 功率谱与维纳–辛钦定理§22.6 大偏差:远离平均值的涨落§22.7 本章小结自测题
第五部分 · 涨落与非平衡统计物理
前面各部分研究的都是平衡态的平均值。本部分研究:平衡态中自发的涨落(第22章);涨落随时间的演化,以及布朗粒子这样的小系统如何趋向平衡(第23章 );系统对外界扰动的响应如何由平衡涨落决定(第24章 ,涨落–耗散定理);稀薄气体与金属中的输运如何从微观推导,不可逆性从何而来(第25章 ,玻尔兹曼方程)。第26章 回顾这些理论解决了哪些问题。阅读前建议复习 §P1.4 (响应函数)、预备章 P5 (输运现象)与 §P3.6 (热噪声)。
本章目标
(1) 爱因斯坦涨落公式:宏观量取某个值的概率由熵决定;(2) 求出小子系统中温度、体积、粒子数等热力学量的涨落;(3) 用结构因子描述密度涨落,导出压缩率方程;(4) 引入时间关联函数与功率谱(维纳–辛钦定理),为第23 、24章 做准备;(5) 介绍大偏差:远离平均值的涨落。
§22.1 爱因斯坦涨落公式
考虑一个孤立系统和它的某个宏观量 x x x (例如某个子系统的能量,某个区域的磁化)。由等概率原理,x x x 取某个值的概率正比于与之相容的微观态数:
P ( x ) ∝ Ω ( x ) = e S ( x ) / k B (22.1) P(x)\propto\Omega(x) = e^{S(x)/k_{\mathrm B}} \tag{22.1} P ( x ) ∝ Ω ( x ) = e S ( x ) / k B ( 22.1 )
S ( x ) S(x) S ( x ) 是约束在给定 x x x 时的熵(与 (3.2) 、(4.15) 的思路相同)。这是把玻尔兹曼公式 S = k B ln Ω S = k_{\mathrm B}\ln\Omega S = k B ln Ω 反过来用(爱因斯坦,1910)。在平衡值 x 0 x_0 x 0 (S S S 的极大)附近展开,S ( x ) ≈ S ( x 0 ) − A 2 ( x − x 0 ) 2 S(x)\approx S(x_0) - \frac A2(x - x_0)^2 S ( x ) ≈ S ( x 0 ) − 2 A ( x − x 0 ) 2 ,A = − S ′ ′ ( x 0 ) > 0 A = -S''(x_0)>0 A = − S ′′ ( x 0 ) > 0 ,所以涨落是高斯分布:
⟨ δ x 2 ⟩ = k B A (22.2) \langle\delta x^2\rangle = \frac{k_{\mathrm B}}{A} \tag{22.2} ⟨ δ x 2 ⟩ = A k B ( 22.2 )
多个变量 。S = S 0 − 1 2 ∑ i j A i j δ x i δ x j S = S_0 - \frac12\sum_{ij}A_{ij}\delta x_i\delta x_j S = S 0 − 2 1 ∑ ij A ij δ x i δ x j (A A A 是对称正定矩阵),P ∝ exp ( − 1 2 k B δ x T A δ x ) P\propto\exp\left(-\frac{1}{2k_{\mathrm B}}\delta\mathbf x^{\mathsf T}A\,\delta\mathbf x\right) P ∝ exp ( − 2 k B 1 δ x T A δ x ) ,则
⟨ δ x i δ x j ⟩ = k B ( A − 1 ) i j (22.3) \langle\delta x_i\delta x_j\rangle = k_{\mathrm B}\left(A^{-1}\right)_{ij} \tag{22.3} ⟨ δ x i δ x j ⟩ = k B ( A − 1 ) ij ( 22.3 )
多元高斯分布
把 A A A 正交对角化,A = O Λ O T A = O\Lambda O^{\mathsf T} A = O Λ O T ,令 y = O T δ x \mathbf y = O^{\mathsf T}\delta\mathbf x y = O T δ x ,则指数变为 − ∑ a Λ a y a 2 / ( 2 k B ) -\sum_a\Lambda_ay_a^2/(2k_{\mathrm B}) − ∑ a Λ a y a 2 / ( 2 k B ) :各 y a y_a y a 是相互独立的高斯变量,⟨ y a y b ⟩ = k B δ a b / Λ a \langle y_ay_b\rangle = k_{\mathrm B}\delta_{ab}/\Lambda_a ⟨ y a y b ⟩ = k B δ ab / Λ a 。于是 ⟨ δ x δ x T ⟩ = O ⟨ y y T ⟩ O T = k B O Λ − 1 O T = k B A − 1 \langle\delta\mathbf x\,\delta\mathbf x^{\mathsf T}\rangle = O\langle\mathbf y\mathbf y^{\mathsf T}\rangle O^{\mathsf T} = k_{\mathrm B}O\Lambda^{-1}O^{\mathsf T} = k_{\mathrm B}A^{-1} ⟨ δ x δ x T ⟩ = O ⟨ y y T ⟩ O T = k B O Λ − 1 O T = k B A − 1 。(详见 §B2.5 与 §C5.4 。)
定义与 x i x_i x i 共轭的"热力学力" X i = ∂ S / ∂ x i = − ∑ j A i j δ x j X_i = \partial S/\partial x_i = -\sum_jA_{ij}\delta x_j X i = ∂ S / ∂ x i = − ∑ j A ij δ x j ,则 ⟨ δ x X T ⟩ = − ⟨ δ x δ x T ⟩ A = − k B A − 1 A \langle\delta\mathbf x\,\mathbf X^{\mathsf T}\rangle = -\langle\delta\mathbf x\,\delta\mathbf x^{\mathsf T}\rangle A = -k_{\mathrm B}A^{-1}A ⟨ δ x X T ⟩ = − ⟨ δ x δ x T ⟩ A = − k B A − 1 A ,即
⟨ δ x i X j ⟩ = − k B δ i j (22.4) \langle\delta x_iX_j\rangle = -k_{\mathrm B}\delta_{ij} \tag{22.4} ⟨ δ x i X j ⟩ = − k B δ ij ( 22.4 )
这个简单的关系将用于推导昂萨格倒易关系(§24.8 )。
§22.2 热力学量的涨落
考虑大系统中一个粒子数固定的小子系统,周围的介质处于温度 T 0 T_0 T 0 、压强 p 0 p_0 p 0 。子系统的能量与体积偏离平衡值 Δ U \Delta U Δ U 、Δ V \Delta V Δ V 时,介质的能量与体积改变 − Δ U -\Delta U − Δ U 、− Δ V -\Delta V − Δ V ;介质很大,它的变化是可逆的,熵变为 − ( Δ U + p 0 Δ V ) / T 0 -(\Delta U + p_0\Delta V)/T_0 − ( Δ U + p 0 Δ V ) / T 0 。总熵的变化为 Δ S 总 = Δ S − ( Δ U + p 0 Δ V ) / T 0 \Delta S_{\text{总}} = \Delta S - (\Delta U + p_0\Delta V)/T_0 Δ S 总 = Δ S − ( Δ U + p 0 Δ V ) / T 0 ,由 (22.1) :
P ∝ exp [ − Δ U − T 0 Δ S + p 0 Δ V k B T 0 ] (22.5) P\propto\exp\left[-\frac{\Delta U - T_0\Delta S + p_0\Delta V}{k_{\mathrm B}T_0}\right] \tag{22.5} P ∝ exp [ − k B T 0 Δ U − T 0 Δ S + p 0 Δ V ] ( 22.5 )
分子是可逆地造成这个涨落所需的最小功。把 Δ U \Delta U Δ U 对 Δ S \Delta S Δ S 、Δ V \Delta V Δ V 展开到二阶:一阶项 T 0 Δ S − p 0 Δ V T_0\Delta S - p_0\Delta V T 0 Δ S − p 0 Δ V 与分子中的其他项相消(平衡时子系统的 T = T 0 T = T_0 T = T 0 ,p = p 0 p = p_0 p = p 0 );二阶项为 1 2 [ U S S Δ S 2 + 2 U S V Δ S Δ V + U V V Δ V 2 ] \frac12\left[U_{SS}\Delta S^2 + 2U_{SV}\Delta S\Delta V + U_{VV}\Delta V^2\right] 2 1 [ U SS Δ S 2 + 2 U S V Δ S Δ V + U VV Δ V 2 ] 。由于 Δ T = U S S Δ S + U S V Δ V \Delta T = U_{SS}\Delta S + U_{SV}\Delta V Δ T = U SS Δ S + U S V Δ V ,− Δ p = U V S Δ S + U V V Δ V -\Delta p = U_{VS}\Delta S + U_{VV}\Delta V − Δ p = U V S Δ S + U VV Δ V ,它等于 1 2 ( Δ T Δ S − Δ p Δ V ) \frac12(\Delta T\Delta S - \Delta p\Delta V) 2 1 ( Δ T Δ S − Δ p Δ V ) 。所以
P ∝ exp [ − Δ T Δ S − Δ p Δ V 2 k B T ] (22.6) P\propto\exp\left[-\frac{\Delta T\Delta S - \Delta p\Delta V}{2k_{\mathrm B}T}\right] \tag{22.6} P ∝ exp [ − 2 k B T Δ T Δ S − Δ p Δ V ] ( 22.6 )
选 T T T 、V V V 为独立变量。由麦克斯韦关系 (1.17) ,Δ S = C V T Δ T + ( ∂ p ∂ T ) V Δ V \Delta S = \frac{C_V}{T}\Delta T + \left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_V\Delta V Δ S = T C V Δ T + ( ∂ T ∂ p ) V Δ V ,Δ p = ( ∂ p ∂ T ) V Δ T + ( ∂ p ∂ V ) T Δ V \Delta p = \left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_V\Delta T + \left(\frac{\partial p}{\partial V}\right)_T\Delta V Δ p = ( ∂ T ∂ p ) V Δ T + ( ∂ V ∂ p ) T Δ V ,交叉项恰好相消:
Δ T Δ S − Δ p Δ V = C V T Δ T 2 − ( ∂ p ∂ V ) T Δ V 2 (22.7) \Delta T\Delta S - \Delta p\Delta V = \frac{C_V}{T}\Delta T^2 - \left(\frac{\partial p}{\partial V}\right)_T\Delta V^2 \tag{22.7} Δ T Δ S − Δ p Δ V = T C V Δ T 2 − ( ∂ V ∂ p ) T Δ V 2 ( 22.7 )
两个变量独立地服从高斯分布:
⟨ Δ T 2 ⟩ = k B T 2 C V , ⟨ Δ V 2 ⟩ = − k B T ( ∂ V ∂ p ) T = k B T V κ T , ⟨ Δ T Δ V ⟩ = 0 (22.8) \langle\Delta T^2\rangle = \frac{k_{\mathrm B}T^2}{C_V},\qquad \langle\Delta V^2\rangle = -k_{\mathrm B}T\left(\frac{\partial V}{\partial p}\right)_T = k_{\mathrm B}TV\kappa_T,\qquad \langle\Delta T\Delta V\rangle = 0 \tag{22.8} ⟨ Δ T 2 ⟩ = C V k B T 2 , ⟨ Δ V 2 ⟩ = − k B T ( ∂ p ∂ V ) T = k B T V κ T , ⟨ Δ T Δ V ⟩ = 0 ( 22.8 )
(Δ T \Delta T Δ T 指由子系统自身的 U U U 、V V V 按 T = ∂ U / ∂ S T = \partial U/\partial S T = ∂ U / ∂ S 定义的温度。小系统的"温度涨落"在概念上有过不少讨论,这里只把它当作一个状态函数的涨落。)
推论 :
粒子数涨落 。N N N 固定时 δ n / n = − Δ V / V \delta n/n = -\Delta V/V δ n / n = − Δ V / V ,所以对固定体积中的粒子数,⟨ δ N 2 ⟩ / N 2 = ⟨ Δ V 2 ⟩ / V 2 = k B T κ T / V \langle\delta N^2\rangle/N^2 = \langle\Delta V^2\rangle/V^2 = k_{\mathrm B}T\kappa_T/V ⟨ δ N 2 ⟩ / N 2 = ⟨ Δ V 2 ⟩ / V 2 = k B T κ T / V ,与巨正则系综的 (8.8) 相同:不同的系综给出相同的涨落。
能量涨落 。Δ U = C V Δ T + [ T ( ∂ p ∂ T ) V − p ] Δ V \Delta U = C_V\Delta T + \left[T\left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_V - p\right]\Delta V Δ U = C V Δ T + [ T ( ∂ T ∂ p ) V − p ] Δ V (能态方程 (1.21) ),所以 ⟨ Δ U 2 ⟩ = k B T 2 C V + [ T ( ∂ p ∂ T ) V − p ] 2 k B T V κ T \langle\Delta U^2\rangle = k_{\mathrm B}T^2C_V + \left[T\left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_V - p\right]^2k_{\mathrm B}TV\kappa_T ⟨ Δ U 2 ⟩ = k B T 2 C V + [ T ( ∂ T ∂ p ) V − p ] 2 k B T V κ T ,比正则系综的 (4.13) 多出第二项,因为这里体积也可以涨落。
数量级 。0 °C、1 atm 的空气:1 μm³ 中约有 2.7 × 1 0 7 2.7\times10^7 2.7 × 1 0 7 个分子,相对涨落 1 / N ≈ 2 × 1 0 − 4 1/\sqrt N\approx2\times10^{-4} 1/ N ≈ 2 × 1 0 − 4 ;( 10 n m ) 3 (10\ \mathrm{nm})^3 ( 10 nm ) 3 中只有约 27 个分子,相对涨落约 20%。在纳米尺度上,涨落不再可以忽略。
§22.3 密度涨落与结构因子
定义 。粒子数密度 n ( r ) = ∑ i δ 3 ( r − r i ) n(\mathbf r) = \sum_i\delta^3(\mathbf r - \mathbf r_i) n ( r ) = ∑ i δ 3 ( r − r i ) 的傅里叶分量为 n k = ∑ i e − i k ⋅ r i n_{\mathbf k} = \sum_ie^{-i\mathbf k\cdot\mathbf r_i} n k = ∑ i e − i k ⋅ r i 。静态结构因子 定义为
S ( k ) = 1 N ⟨ n k n − k ⟩ ( k ≠ 0 ) (22.9) S(k) = \frac1N\left\langle n_{\mathbf k}n_{-\mathbf k}\right\rangle\qquad(\mathbf k\ne0) \tag{22.9} S ( k ) = N 1 ⟨ n k n − k ⟩ ( k = 0 ) ( 22.9 )
与对关联函数的关系 。⟨ n k n − k ⟩ = ∑ i , j ⟨ e − i k ⋅ ( r i − r j ) ⟩ = N + ∑ i ≠ j ⟨ ⋯ ⟩ = N + N n ∫ g ( r ) e − i k ⋅ r d 3 r \langle n_{\mathbf k}n_{-\mathbf k}\rangle = \sum_{i,j}\langle e^{-i\mathbf k\cdot(\mathbf r_i - \mathbf r_j)}\rangle = N + \sum_{i\ne j}\langle\cdots\rangle = N + Nn\int g(r)e^{-i\mathbf k\cdot\mathbf r}d^3r ⟨ n k n − k ⟩ = ∑ i , j ⟨ e − i k ⋅ ( r i − r j ) ⟩ = N + ∑ i = j ⟨ ⋯ ⟩ = N + N n ∫ g ( r ) e − i k ⋅ r d 3 r (由 §17.7 中 g g g 的定义)。再减去对 k ≠ 0 \mathbf k\ne0 k = 0 为零的 N n ∫ e − i k ⋅ r d 3 r = N n ( 2 π ) 3 δ 3 ( k ) Nn\int e^{-i\mathbf k\cdot\mathbf r}d^3r = Nn(2\pi)^3\delta^3(\mathbf k) N n ∫ e − i k ⋅ r d 3 r = N n ( 2 π ) 3 δ 3 ( k ) :
S ( k ) = 1 + n ∫ [ g ( r ) − 1 ] e − i k ⋅ r d 3 r (22.10) S(k) = 1 + n\int\left[g(r) - 1\right]e^{-i\mathbf k\cdot\mathbf r}d^3r \tag{22.10} S ( k ) = 1 + n ∫ [ g ( r ) − 1 ] e − i k ⋅ r d 3 r ( 22.10 )
散射测量 。波矢转移为 k \mathbf k k (k = 4 π λ 0 sin θ 2 k = \frac{4\pi}{\lambda_0}\sin\frac\theta2 k = λ 0 4 π sin 2 θ ,λ 0 \lambda_0 λ 0 为入射波长,θ \theta θ 为散射角)的 X 射线、中子或光,被 N N N 个粒子散射的振幅正比于 ∑ i e − i k ⋅ r i = n k \sum_ie^{-i\mathbf k\cdot\mathbf r_i} = n_{\mathbf k} ∑ i e − i k ⋅ r i = n k ,强度正比于 ⟨ ∣ n k ∣ 2 ⟩ = N S ( k ) \langle\lvert n_{\mathbf k}\rvert^2\rangle = NS(k) ⟨∣ n k ∣ 2 ⟩ = NS ( k ) 。所以衍射实验测量的就是 S ( k ) S(k) S ( k ) ,再作反傅里叶变换得到 g ( r ) g(r) g ( r ) 。简单液体的 S ( k ) S(k) S ( k ) 在 k ≈ 2 π / d k\approx2\pi/d k ≈ 2 π / d (d d d 为近邻距离)处有一个主峰;晶体的 S ( k ) S(k) S ( k ) 则在倒格矢 G \mathbf G G 处有尖锐的布拉格峰(第10章 )。
长波极限与压缩率 。体积 v v v 中的粒子数 N v = ∑ i 1 v ( r i ) N_v = \sum_i\mathbf 1_v(\mathbf r_i) N v = ∑ i 1 v ( r i ) (1 v \mathbf 1_v 1 v 在 v v v 内为 1,否则为 0)。N v 2 = ∑ i 1 v ( r i ) + ∑ i ≠ j 1 v ( r i ) 1 v ( r j ) N_v^2 = \sum_i\mathbf 1_v(\mathbf r_i) + \sum_{i\ne j}\mathbf 1_v(\mathbf r_i)\mathbf 1_v(\mathbf r_j) N v 2 = ∑ i 1 v ( r i ) + ∑ i = j 1 v ( r i ) 1 v ( r j ) ,所以 ⟨ N v 2 ⟩ = n v + n 2 ∫ v ∫ v g ( ∣ r − r ′ ∣ ) d 3 r d 3 r ′ \langle N_v^2\rangle = nv + n^2\int_v\!\int_vg(\lvert\mathbf r - \mathbf r'\rvert)d^3r\,d^3r' ⟨ N v 2 ⟩ = n v + n 2 ∫ v ∫ v g (∣ r − r ′ ∣) d 3 r d 3 r ′ ,而 ⟨ N v ⟩ 2 = n 2 ∫ v ∫ v d 3 r d 3 r ′ \langle N_v\rangle^2 = n^2\int_v\!\int_vd^3r\,d^3r' ⟨ N v ⟩ 2 = n 2 ∫ v ∫ v d 3 r d 3 r ′ 。当 v v v 远大于关联的范围时(边界效应可以忽略):
⟨ δ N v 2 ⟩ ⟨ N v ⟩ = 1 + n ∫ [ g ( r ) − 1 ] d 3 r = S ( 0 ) \frac{\langle\delta N_v^2\rangle}{\langle N_v\rangle} = 1 + n\int\left[g(r) - 1\right]d^3r = S(0) ⟨ N v ⟩ ⟨ δ N v 2 ⟩ = 1 + n ∫ [ g ( r ) − 1 ] d 3 r = S ( 0 )
与 (8.8) 联立,得到压缩率方程 (奥恩斯坦与泽尼克,1914):
S ( 0 ) = 1 + n ∫ [ g ( r ) − 1 ] d 3 r = n k B T κ T (22.11) S(0) = 1 + n\int\left[g(r) - 1\right]d^3r = nk_{\mathrm B}T\kappa_T \tag{22.11} S ( 0 ) = 1 + n ∫ [ g ( r ) − 1 ] d 3 r = n k B T κ T ( 22.11 )
检验 :理想气体 g = 1 g = 1 g = 1 ,S = 1 S = 1 S = 1 ,n k B T κ T = 1 nk_{\mathrm B}T\kappa_T = 1 n k B T κ T = 1 。稀薄气体 g ≈ e − β u g\approx e^{-\beta u} g ≈ e − β u ,S ( 0 ) = 1 + n ∫ f d 3 r = 1 − 2 n B 2 S(0) = 1 + n\int f\,d^3r = 1 - 2nB_2 S ( 0 ) = 1 + n ∫ f d 3 r = 1 − 2 n B 2 ;另一方面由 (17.3) ,κ T − 1 = n ∂ p / ∂ n ≈ n k B T ( 1 + 2 B 2 n ) \kappa_T^{-1} = n\,\partial p/\partial n\approx nk_{\mathrm B}T(1 + 2B_2n) κ T − 1 = n ∂ p / ∂ n ≈ n k B T ( 1 + 2 B 2 n ) ,所以 n k B T κ T ≈ 1 − 2 B 2 n nk_{\mathrm B}T\kappa_T\approx1 - 2B_2n n k B T κ T ≈ 1 − 2 B 2 n ,一致。液体很难压缩,S ( 0 ) S(0) S ( 0 ) 很小:室温下的水 S ( 0 ) ≈ 0.06 S(0)\approx0.06 S ( 0 ) ≈ 0.06 。在临界点 κ T → ∞ \kappa_T\to\infty κ T → ∞ ,(22.11) 要求 ∫ ( g − 1 ) d 3 r \int(g - 1)d^3r ∫ ( g − 1 ) d 3 r 发散,即关联变成长程的(§19.4 )。
由此我们有了从 g ( r ) g(r) g ( r ) 得到物态方程的三条途径:压强方程 (17.16) 、能量方程 (17.15) 与压缩率方程 (22.11) 。对严格的 g ( r ) g(r) g ( r ) 三者一致;对近似的 g ( r ) g(r) g ( r ) ,它们的差别常被用来检验近似的好坏。
§22.4 时间关联函数
涨落不仅有大小,还有快慢。对平衡态中涨落的量 A ( t ) A(t) A ( t ) ,定义时间关联函数
C A ( t ) = ⟨ δ A ( 0 ) δ A ( t ) ⟩ (22.12) C_A(t) = \left\langle\delta A(0)\,\delta A(t)\right\rangle \tag{22.12} C A ( t ) = ⟨ δ A ( 0 ) δ A ( t ) ⟩ ( 22.12 )
平均对平衡系综中的初始状态进行(按各态历经假设,也等于沿一条长轨道的时间平均)。
平稳随机过程
随时间涨落的量可以看作一个随机过程。若它的统计性质不随时间平移而改变(平衡态正是如此),称为平稳过程:⟨ δ A ( t 1 ) δ A ( t 2 ) ⟩ \langle\delta A(t_1)\delta A(t_2)\rangle ⟨ δ A ( t 1 ) δ A ( t 2 )⟩ 只依赖于 t 2 − t 1 t_2 - t_1 t 2 − t 1 。(详见附录 C9 。)
性质 :
C A ( 0 ) = ⟨ δ A 2 ⟩ C_A(0) = \langle\delta A^2\rangle C A ( 0 ) = ⟨ δ A 2 ⟩ ,由 §22.1 –§22.2 的静态理论给出。
∣ C A ( t ) ∣ ≤ C A ( 0 ) \lvert C_A(t)\rvert\le C_A(0) ∣ C A ( t )∣ ≤ C A ( 0 ) :由柯西–施瓦茨不等式 ⟨ X Y ⟩ 2 ≤ ⟨ X 2 ⟩ ⟨ Y 2 ⟩ \langle XY\rangle^2\le\langle X^2\rangle\langle Y^2\rangle ⟨ X Y ⟩ 2 ≤ ⟨ X 2 ⟩ ⟨ Y 2 ⟩ 。
C A ( − t ) = C A ( t ) C_A(-t) = C_A(t) C A ( − t ) = C A ( t ) :由平稳性,C A ( − t ) = ⟨ δ A ( 0 ) δ A ( − t ) ⟩ = ⟨ δ A ( t ) δ A ( 0 ) ⟩ C_A(-t) = \langle\delta A(0)\delta A(-t)\rangle = \langle\delta A(t)\delta A(0)\rangle C A ( − t ) = ⟨ δ A ( 0 ) δ A ( − t )⟩ = ⟨ δ A ( t ) δ A ( 0 )⟩ 。
t → ∞ t\to\infty t → ∞ 时 C A ( t ) → 0 C_A(t)\to0 C A ( t ) → 0 :系统逐渐"忘记"初始的涨落。
关联时间 τ c = ∫ 0 ∞ C A ( t ) d t / C A ( 0 ) \tau_{\mathrm c} = \int_0^\infty C_A(t)\,dt/C_A(0) τ c = ∫ 0 ∞ C A ( t ) d t / C A ( 0 ) 。最常见的例子是指数衰减 C A ( t ) = C A ( 0 ) e − ∣ t ∣ / τ C_A(t) = C_A(0)e^{-\lvert t\rvert/\tau} C A ( t ) = C A ( 0 ) e − ∣ t ∣ / τ 。
对两个不同的量,C A B ( t ) = ⟨ δ A ( 0 ) δ B ( t ) ⟩ C_{AB}(t) = \langle\delta A(0)\delta B(t)\rangle C A B ( t ) = ⟨ δ A ( 0 ) δ B ( t )⟩ 。若 A A A 、B B B 在速度反向时都不变号(如位置、能量、密度),由微观运动的时间反演对称性(§P1.2 ),把一条轨道的速度全部反向得到的轨道同样可能,所以 ⟨ δ A ( 0 ) δ B ( t ) ⟩ = ⟨ δ A ( t ) δ B ( 0 ) ⟩ \langle\delta A(0)\delta B(t)\rangle = \langle\delta A(t)\delta B(0)\rangle ⟨ δ A ( 0 ) δ B ( t )⟩ = ⟨ δ A ( t ) δ B ( 0 )⟩ ,即
C A B ( t ) = C B A ( t ) (22.13) C_{AB}(t) = C_{BA}(t) \tag{22.13} C A B ( t ) = C B A ( t ) ( 22.13 )
这是 §24.8 中昂萨格倒易关系的微观基础。
§22.5 功率谱与维纳–辛钦定理
实验上常常测量涨落的频谱。在时间 T \mathcal T T 内记录 δ A ( t ) \delta A(t) δ A ( t ) ,定义 A ~ T ( ω ) = ∫ 0 T δ A ( t ) e i ω t d t \tilde A_{\mathcal T}(\omega) = \int_0^{\mathcal T}\delta A(t)e^{i\omega t}dt A ~ T ( ω ) = ∫ 0 T δ A ( t ) e iω t d t 与功率谱密度
S A ( ω ) = lim T → ∞ 1 T ⟨ ∣ A ~ T ( ω ) ∣ 2 ⟩ (22.14) S_A(\omega) = \lim_{\mathcal T\to\infty}\frac1{\mathcal T}\left\langle\lvert\tilde A_{\mathcal T}(\omega)\rvert^2\right\rangle \tag{22.14} S A ( ω ) = T → ∞ lim T 1 ⟨ ∣ A ~ T ( ω ) ∣ 2 ⟩ ( 22.14 )
维纳–辛钦定理 :功率谱是关联函数的傅里叶变换,
S A ( ω ) = ∫ − ∞ ∞ C A ( t ) e i ω t d t (22.15) S_A(\omega) = \int_{-\infty}^\infty C_A(t)\,e^{i\omega t}\,dt \tag{22.15} S A ( ω ) = ∫ − ∞ ∞ C A ( t ) e iω t d t ( 22.15 )
证明 :⟨ ∣ A ~ T ∣ 2 ⟩ = ∫ 0 T ∫ 0 T ⟨ δ A ( t ) δ A ( t ′ ) ⟩ e i ω ( t − t ′ ) d t d t ′ = ∫ 0 T ∫ 0 T C A ( t − t ′ ) e i ω ( t − t ′ ) d t d t ′ \langle\lvert\tilde A_{\mathcal T}\rvert^2\rangle = \int_0^{\mathcal T}\!\int_0^{\mathcal T}\langle\delta A(t)\delta A(t')\rangle e^{i\omega(t - t')}dt\,dt' = \int_0^{\mathcal T}\!\int_0^{\mathcal T}C_A(t - t')e^{i\omega(t - t')}dt\,dt' ⟨∣ A ~ T ∣ 2 ⟩ = ∫ 0 T ∫ 0 T ⟨ δ A ( t ) δ A ( t ′ )⟩ e iω ( t − t ′ ) d t d t ′ = ∫ 0 T ∫ 0 T C A ( t − t ′ ) e iω ( t − t ′ ) d t d t ′ 。在正方形积分区域中,满足 t − t ′ = τ t - t' = \tau t − t ′ = τ 的线段长度为 T − ∣ τ ∣ \mathcal T - \lvert\tau\rvert T − ∣ τ ∣ ,所以积分等于 ∫ − T T ( T − ∣ τ ∣ ) C A ( τ ) e i ω τ d τ \int_{-\mathcal T}^{\mathcal T}(\mathcal T - \lvert\tau\rvert)C_A(\tau)e^{i\omega\tau}d\tau ∫ − T T ( T − ∣ τ ∣) C A ( τ ) e iω τ d τ 。除以 T \mathcal T T 并令 T → ∞ \mathcal T\to\infty T → ∞ :只要 C A C_A C A 衰减得足够快,含 ∣ τ ∣ / T \lvert\tau\rvert/\mathcal T ∣ τ ∣ / T 的项趋于零,即得 (22.15) 。
由傅里叶反变换(提示 A14 ),在 t = 0 t = 0 t = 0 处:⟨ δ A 2 ⟩ = C A ( 0 ) = ∫ − ∞ ∞ S A ( ω ) d ω 2 π \langle\delta A^2\rangle = C_A(0) = \int_{-\infty}^\infty S_A(\omega)\frac{d\omega}{2\pi} ⟨ δ A 2 ⟩ = C A ( 0 ) = ∫ − ∞ ∞ S A ( ω ) 2 π d ω ——涨落的总"功率"就是方差。
例子 :
指数关联 C A = C A ( 0 ) e − ∣ t ∣ / τ C_A = C_A(0)e^{-\lvert t\rvert/\tau} C A = C A ( 0 ) e − ∣ t ∣ / τ :∫ − ∞ ∞ e − ∣ t ∣ / τ e i ω t d t = 2 R e 1 1 / τ − i ω = 2 τ 1 + ω 2 τ 2 \int_{-\infty}^\infty e^{-\lvert t\rvert/\tau}e^{i\omega t}dt = 2\,\mathrm{Re}\frac{1}{1/\tau - i\omega} = \frac{2\tau}{1 + \omega^2\tau^2} ∫ − ∞ ∞ e − ∣ t ∣ / τ e iω t d t = 2 Re 1/ τ − iω 1 = 1 + ω 2 τ 2 2 τ ,所以
S A ( ω ) = C A ( 0 ) 2 τ 1 + ω 2 τ 2 (22.16) S_A(\omega) = C_A(0)\frac{2\tau}{1 + \omega^2\tau^2} \tag{22.16} S A ( ω ) = C A ( 0 ) 1 + ω 2 τ 2 2 τ ( 22.16 )
是洛伦兹线形,在 ω ≈ 1 / τ \omega\approx1/\tau ω ≈ 1/ τ 处开始下降:慢的涨落只有低频成分。
模拟的噪声 理论:e − t / τ e^{-t/\tau} e − t / τ 与 (22.16)C A ( t ) / C A ( 0 ) C_A(t)/C_A(0) C A ( t ) / C A ( 0 )
ω (对数坐标) \omega\ \text{(对数坐标)} ω (对数坐标)
τ c (由关联函数积分) \tau_{\mathrm c}\ \text{(由关联函数积分)} τ c (由关联函数积分) —
⟨ δ A 2 ⟩ \langle\delta A^2\rangle ⟨ δ A 2 ⟩ —
S A ( 0 ) = 2 τ C A ( 0 ) S_A(0) = 2\tau C_A(0) S A ( 0 ) = 2 τ C A ( 0 ) —
图 22.1 指数关联的噪声,方差取 1。关联时间越长,时间序列变化越慢,关联函数衰减越慢,功率谱越集中在低频:洛伦兹谱在 ω ≈ 1 / τ \omega\approx1/\tau ω ≈ 1/ τ 处开始下降,而曲线下的总面积(方差)不变。功率谱的点是把一条长序列分成 16 段分别作傅里叶变换再平均得到的。这张图需要打开浏览器的 JavaScript 才能显示。
白噪声 :C ( t ) = Γ δ ( t ) C(t) = \Gamma\delta(t) C ( t ) = Γ δ ( t ) ,S ( ω ) = Γ S(\omega) = \Gamma S ( ω ) = Γ ,各频率的功率相同。实际的涨落只要关联时间远短于我们关心的时间尺度,就可以近似为白噪声(第23章 )。
单边谱 。工程上常用只含正频率的单边谱 S ( 1 ) ( f ) = 2 S ( 2 π f ) S^{(1)}(f) = 2S(2\pi f) S ( 1 ) ( f ) = 2 S ( 2 π f ) (f ≥ 0 f\ge0 f ≥ 0 ),使 ⟨ δ A 2 ⟩ = ∫ 0 ∞ S ( 1 ) ( f ) d f \langle\delta A^2\rangle = \int_0^\infty S^{(1)}(f)\,df ⟨ δ A 2 ⟩ = ∫ 0 ∞ S ( 1 ) ( f ) df ;(P3.16) 中的 4 k B T R 4k_{\mathrm B}TR 4 k B TR 就是这种写法。
§22.6 大偏差:远离平均值的涨落
高斯近似描述的是 N \sqrt N N 量级的"典型"涨落。宏观量偏离平均值一个有限的比例(例如 N N N 枚硬币中正面的比例 x x x 远离 1/2),概率随 N N N 指数地减小:
P ( x ) ≈ e − N I ( x ) (22.17) P(x)\approx e^{-NI(x)} \tag{22.17} P ( x ) ≈ e − N I ( x ) ( 22.17 )
I ( x ) I(x) I ( x ) 称为速率函数 。对硬币,P = ( N x N ) / 2 N P = \binom{N}{xN}/2^N P = ( x N N ) / 2 N ,由 (3.11) :
I ( x ) = ln 2 + x ln x + ( 1 − x ) ln ( 1 − x ) (22.18) I(x) = \ln2 + x\ln x + (1 - x)\ln(1 - x) \tag{22.18} I ( x ) = ln 2 + x ln x + ( 1 − x ) ln ( 1 − x ) ( 22.18 )
性质:I ( 1 / 2 ) = 0 I(1/2) = 0 I ( 1/2 ) = 0 ,I ≥ 0 I\ge0 I ≥ 0 ;I ′ ′ ( 1 / 2 ) = 4 I''(1/2) = 4 I ′′ ( 1/2 ) = 4 ,所以在 1 / 2 1/2 1/2 附近 I ≈ 2 ( x − 1 2 ) 2 I\approx2(x - \frac12)^2 I ≈ 2 ( x − 2 1 ) 2 ,P ≈ e − 2 N ( x − 1 / 2 ) 2 P\approx e^{-2N(x - 1/2)^2} P ≈ e − 2 N ( x − 1/2 ) 2 ,回到高斯分布 (2.15) 。但在远处二者不同:全部是正面(x = 1 x = 1 x = 1 )的严格概率是 2 − N = e − 0.693 N 2^{-N} = e^{-0.693N} 2 − N = e − 0.693 N ,而高斯近似给出 e − N / 2 e^{-N/2} e − N /2 。高斯近似只在平均值附近可靠。
爱因斯坦公式 (22.1) 本身就是一个大偏差原理:I = − Δ S / ( N k B ) I = -\Delta S/(Nk_{\mathrm B}) I = − Δ S / ( N k B ) 。在这个意义上,熵就是宏观量的"速率函数";平衡统计力学可以完整地表述为大偏差理论(第33章 ),而系综的等价性(§4.4 )对应于速率函数的凸性——这与 §17.5 中对自由能取凸包是同一件事。
§22.7 本章小结
爱因斯坦公式 P ∝ e S / k B P\propto e^{S/k_{\mathrm B}} P ∝ e S / k B ;多变量高斯涨落的协方差为 k B A − 1 k_{\mathrm B}A^{-1} k B A − 1 ,并且 ⟨ δ x i X j ⟩ = − k B δ i j \langle\delta x_iX_j\rangle = -k_{\mathrm B}\delta_{ij} ⟨ δ x i X j ⟩ = − k B δ ij 。
小子系统中 ⟨ Δ T 2 ⟩ = k B T 2 / C V \langle\Delta T^2\rangle = k_{\mathrm B}T^2/C_V ⟨ Δ T 2 ⟩ = k B T 2 / C V 、⟨ Δ V 2 ⟩ = k B T V κ T \langle\Delta V^2\rangle = k_{\mathrm B}TV\kappa_T ⟨ Δ V 2 ⟩ = k B T V κ T ;纳米尺度上涨落很大。
散射实验测量结构因子 S ( k ) S(k) S ( k ) ;S ( 0 ) = n k B T κ T S(0) = nk_{\mathrm B}T\kappa_T S ( 0 ) = n k B T κ T 把长波密度涨落、对关联函数与压缩率联系起来。
时间关联函数描述涨落的快慢,它的傅里叶变换就是功率谱(维纳–辛钦定理)。
远离平均值的涨落由速率函数描述,概率随系统尺寸指数地减小。
自测题
以 S S S 、p p p 为独立变量重做 §22.2 ,证明 ⟨ Δ S 2 ⟩ = k B C p \langle\Delta S^2\rangle = k_{\mathrm B}C_p ⟨ Δ S 2 ⟩ = k B C p ,⟨ Δ p 2 ⟩ = k B T / ( V κ S ) \langle\Delta p^2\rangle = k_{\mathrm B}T/(V\kappa_S) ⟨ Δ p 2 ⟩ = k B T / ( V κ S ) ,其中 κ S = − 1 V ( ∂ V / ∂ p ) S \kappa_S = -\frac1V(\partial V/\partial p)_S κ S = − V 1 ( ∂ V / ∂ p ) S 。[提示:用麦克斯韦关系 ( ∂ T / ∂ p ) S = ( ∂ V / ∂ S ) p (\partial T/\partial p)_S = (\partial V/\partial S)_p ( ∂ T / ∂ p ) S = ( ∂ V / ∂ S ) p 消去交叉项]
25 °C 的水,κ T = 4.5 × 1 0 − 10 P a − 1 \kappa_T = 4.5\times10^{-10}\ \mathrm{Pa^{-1}} κ T = 4.5 × 1 0 − 10 P a − 1 ,求 S ( 0 ) S(0) S ( 0 ) 。[答:约 0.062]
求 C ( t ) = C 0 e − γ ∣ t ∣ cos ω 0 t C(t) = C_0e^{-\gamma\lvert t\rvert}\cos\omega_0t C ( t ) = C 0 e − γ ∣ t ∣ cos ω 0 t 的功率谱。[答:中心在 ± ω 0 \pm\omega_0 ± ω 0 、宽度为 γ \gamma γ 的两个洛伦兹峰之和]
1 cm³ 空气(约 2.7 × 1 0 19 2.7\times10^{19} 2.7 × 1 0 19 个分子)中,左半边的分子数比右半边多出 1 0 − 6 10^{-6} 1 0 − 6 的相对比例(即 x = 1 2 + 1 2 × 1 0 − 6 x = \frac12 + \frac12\times10^{-6} x = 2 1 + 2 1 × 1 0 − 6 ),这样的涨落概率有多大?[答:约 e − 1.3 × 1 0 7 e^{-1.3\times10^7} e − 1.3 × 1 0 7 ,实际上永远不会发生]
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