Теперь, что касается отдельной молекулы, атома, элементарной частицы. С точки зрения квантовой физики, это всё системы, которые находятся в дискретном спектре состояний. Мы отвлекаемся от движения частицы как целого - его можно убрать выбором системы отсчёта, так что рассматриваем её в собственной системе отсчёта. Тогда оказывается, что и молекула, и атом, и элементарная частица - это просто лесенка энергетических уровней. Элементарная частица - тоже! Для квантового формализма оказываются одинаковыми математические описания двух ситуаций:
- система с разными внутренними состояниями может находиться на разных энергетических уровнях, и переходит с одного уровня на другой с получением или отдачей энергии;
- несколько частиц разных сортов имеют разную массу (и энергию покоя), и могут превращаться одна в другую, при этом испуская или поглощая ещё что-то, что даёт необходимое получение или отдачу энергии.
Из-за этого, в физике элементарных частиц множество сортов частиц называется спектром, говорят о спектре масс (аналогично спектру энергий), и "частицами" часто называются целые объединения сортов частиц. Например, "нуклон"
- это общее название для протона
и нейтрона
и может рассматриваться как одна частица, находящаяся в двух "внутренних" состояниях: основном
и немного возбуждённом
Когда такая частица находится внутри атомного ядра, из-за этих внешних условий иногда её "энергетические уровни" сдвигаются и меняются местами, так что основное состояние становится
и именно в таком состоянии она и живёт, а в
превращается, только если её возбудить. Но рассказать я хотел не об этом, просто было нужно небольшое отступление про элементарные частицы.
Квантовую систему можно рассматривать как имеющую точно заданное состояние. Например, атом в основном состоянии, или в первом возбуждённом. В таком случае, о её температуре говорить нельзя.
Но бывает ситуация, когда состояние квантовой системы не задано точно. Это бывает, когда система находится в тепловом контакте со средой.
zask уже упоминал это, но он говорил только об ансамбле частиц. На самом деле, можно рассматривать и одну частицу. Например, атом, находящийся в тепловом контакте с внешним тепловым электромагнитным излучением, имеющим спектр Планка. Такой атом часть времени будет проводить в основном состоянии, но иногда будет поглощать фотон, достаточный, чтобы перейти в возбуждённое состояние. А потом его излучать. В результате, у него по всему набору состояний будет некоторая функция вероятностей, которую можно рассматривать как
статистическое описание, и (поскольку оно соответствует тепловому равновесию), вычислить его температуру. Для атома, находящегося в тепловом равновесии с тепловым излучением, это будет температура, равная температуре этого излучения.
Отсюда видно, что атом, находящийся в наинизшем, основном квантовом состоянии, можно считать системой, находящейся при абсолютном нуле!
Для квантовой системы, состоящей из "частей", подсистем, такое распределение вероятностей состояний приводит к распределению вероятностей состояний подсистем, как выше при определении температуры через энтропию. Так что, температура молекулы оказывается связана с движением отдельных атомов и электронов в ней. Ещё сильнее это относится к системам типа твёрдого тела, внутри которых устанавливается равновесное распределение энергии для подсистем типа "отдельный атом", "электрон" и т. п. Снижая их температуру до абсолютного нуля, мы добиваемся основного квантового состояния, мы добиваемся такого согласованного квантового состояния подсистем, что общая энергия оказывается минимальной. Поэтому при приближении к абсолютному нулю "(сильнее) проявляются квантовые свойства". С другой стороны, многие системы оказываются такими, что и при обычных температурах их внутреннее состояние сильно согласовано, так что с этой точки зрения и в обычной жизни они чувствуют себя как почти при абсолютном нуле. Это электроны в металле при комнатной температуре, это белые карлики при температурах сотни тысяч градусов (!), это нейтронные звёзды при температурах сотни миллионов градусов (!) - они при такой температуре обладают сверхтекучестью и сверхпроводимостью.
-- 28.08.2012 18:59:05 --А у информации, получается, тоже есть температура?
У информации есть энтропия, но нет энергии :-)
есть отношение количества информации, заданной указанием микросостояния, к количеству информации, заданной указанием макросостояния. Если у нас система дискретная - то нужно взять количество микросостояний в одном макросостоянии, и от него логарифм. Если у нас система непрерывная - то нужно взять фазовый объём макросостояния, и поделить на фазовый объём микросостояния, и взять логарифм.
хотя кроме идеального газа, можно рассмотреть кучу других систем, и получить другие законы.
Буду думать.