统计物理 · 卷首 前言与大纲 · 前言

前言与使用说明

Preface and How to Use These Notes
已完成讲义更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0

第一部分 预备知识 | 第二部分 统计热力学 | 第三部分 量子统计 | 第四部分 相互作用系统与相变 | 第五部分 涨落与非平衡统计物理 | 第六部分 选讲专题与总结

版本:v1.0(Markdown 版;后续将转换为 LaTeX 版与 HTML 版)。v1.0 的更新:写完数学附录(附录 A 微积分 A1–A15、附录 B 线性代数 B1–B4、附录 C 概率与统计 C1–C9),并在正文每个【数学提示】处注明对应的附录小节;至此全书完成。v0.7:第四部分(第17–21章)、第五部分(第22–26章)与第六部分其余各章(第29–33章)。v0.6:第三部分(第14–16章)与历史专题(二)。v0.5:第12、13章,调整大纲。v0.4:第10、11章。v0.3:预备章 P1–P5。v0.2:第一部分结语、第9章与历史专题(一)。

目标与读者

本讲义的目标是:从微观力学(量子力学或经典力学)出发,一步一步地推导出宏观热力学的全部结构,并学会用"配分函数"计算具体物理系统的热力学性质。

假定的读者背景:具有一定的(但不一定牢固的)微积分、线性代数、概率统计知识;学过经典热力学,但已大部分遗忘。因此第1章先对第二部分要用到的热力学内容做简明回顾;第三部分以后需要的其他物理基础(经典力学、量子力学、电磁学等)安排在第一部分的预备章 P1–P5 中。

写作约定

  1. 推导完整:正文中用到的结论都在正文中给出推导。热力学定律本身是经验公设,不加证明(第3、4章会给出它们的微观来源)。少数来自力学、量子力学的"输入"(例如谐振子的能级)会明确标出;预备章中作为出发点的基本定律以"【物理输入】"标出;少数只用于对照、推导超出本讲义范围的结果(如二维伊辛模型的昂萨格解、ε\varepsilon 展开的系数、三维临界指数的数值)以"【结果引用】"标出。
  2. 数学提示:凡用到微积分、线性代数、概率统计的知识,都以"【数学提示 编号|主题】"的引用块标出,例如【数学提示 A2|全微分与恰当微分】。编号对应书末的数学附录(附录 A 微积分、附录 B 线性代数、附录 C 概率与统计,目录见下表),每个提示块的末尾注明了附录中的相应小节;正文行文中简短的"(提示 A3)"也指同一编号的附录。量子力学的输入以"【量子力学提示 D编号】"标出;D 编号对应的内容见第一部分的预备章 P2(§P2.2–§P2.6)。
  3. 公式编号:形如 (3.12),表示第3章第12个编号公式;"§3.2"表示第3章第2节。
  4. 自测题:各章末附少量自测题,用于主动回忆;方括号内为答案或提示。
  5. 物理预备章:后续各部分需要的其他物理基础放在第一部分的预备章 P1–P5 中;它们用带字母 P 的编号,以免改动已写好的章节号、公式编号与交叉引用(转换为 LaTeX 版时可统一重新编号)。

附录目录(与正文中的提示编号对应;D 编号的内容见预备章 P2)

编号内容
A1多元函数、偏导数与链式法则
A2全微分、恰当微分与混合偏导数相等
A3泰勒展开(一元与多元)
A4偏导数恒等式:倒数关系、循环关系、换固定变量
A5勒让德变换
A6重积分与变量替换(极坐标、球坐标、雅可比行列式)
A7含参变量积分:积分号下求导
A8条件极值与拉格朗日乘子法
A9齐次函数与欧拉定理
A10级数:几何级数、指数与对数展开、用积分近似求和
A11矢量分析:梯度、散度、旋度与连续性方程
A12变分法初步
A13复数、复指数与常系数线性常微分方程
A14傅里叶级数、傅里叶变换与 δ 函数
A15偏微分方程初步(扩散方程、波动方程)
B1向量、内积与二次型
B2实对称矩阵的正交对角化
B3行列式与线性变换的体积因子
B4复向量空间、厄米算符与狄拉克记号
C1随机变量与概率分布(离散与连续)
C2期望、方差与矩;詹森不等式
C3联合分布、边缘分布与独立性
C4排列组合与二项分布
C5高斯(正态)分布
C6大数定律与中心极限定理
C7随机变量的变换(概率密度的变换)
C8泊松分布
C9随机过程:平稳过程、马尔可夫过程、关联函数与功率谱
D1定态薛定谔方程与盒中粒子(见 §P2.2)
D2谐振子的能级(见 §P2.3)
D3刚性转子与角动量(见 §P2.4)
D4自旋与磁矩(见 §P2.5)
D5全同粒子与交换对称性(见 §P2.6)

常用记号与常数

记号含义
kBk_{\mathrm B}玻尔兹曼常数,1.380649×10−23 J/K1.380649\times10^{-23}\ \mathrm{J/K}
β\beta1/(kBT)1/(k_{\mathrm B}T)
h, ℏh,\ \hbar普朗克常数 6.62607015×10−34 J s6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s};ℏ=h/2π\hbar = h/2\pi
NA, RN_{\mathrm A},\ R阿伏伽德罗常数 6.02214076×1023 mol−16.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}};气体常数 R=NAkB=8.3145 J/(mol K)R = N_{\mathrm A}k_{\mathrm B} = 8.3145\ \mathrm{J/(mol\,K)}
H\mathcal H哈密顿量(区别于焓 HH)
Ei, εlE_i,\ \varepsilon_l整个系统第 ii 个微观态的能量;单个粒子第 ll 个能级的能量
UU内能(系统能量的平均值)
PiP_i系统处于微观态 ii 的概率
Ω(E,V,N)\Omega(E,V,N)能量在 [E,E+δE][E,E+\delta E] 内的微观态数
Φ(E)\Phi(E)能量不超过 EE 的微观态总数
Z, q, ΞZ,\ q,\ \Xi正则配分函数;单粒子(分子)配分函数;巨配分函数
F, G, JF,\ G,\ J亥姆霍兹自由能;吉布斯自由能;巨势 J=F−μNJ = F-\mu N
λ\lambda热波长 h/2πmkBTh/\sqrt{2\pi mk_{\mathrm B}T}
⟨A⟩\langle A\rangleAA 的系综平均
δQ, δW\delta Q,\ \delta W过程中系统吸收的热、外界对系统做的功(不恰当微分,见 §1.3)
ln⁡\ln自然对数