Флуктуации и их роль в описании природы

Флуктуации (от лат. Fluctuation – колебание) – случайные отклонения, наблюдаемых физических величин от их средних значений. Флуктуации происходят у любых величин, зависящих от случайных факторов и описываемых методами статистики. Количественная характеристика флуктуаций основана на методах математической статистики и теории вероятностей. Что же касается отмеченной корреляции между флуктуациями, то ее можно было бы назвать обобщенными соотношениями неопределенностей.

В этой связи следует подчеркнуть следующее. О флуктуациях обычно если и говорят, то только в рамках тепловой физики, где их, как правило, считают малыми. Далее традиционно предполагается, что между микро- и макроописаниями природы обычно лежит пропасть и даже возникают дискуссии относительно целостности тепловой физики и возможности ее включения целиком в неклассическую физику.

В статистической физике наблюдаемые значения физических величин очень близки к их средним статистическим значениям, т.е. флуктуации, вызванные случайным тепловым движением частиц очень малы. Однако они имеют принципиальное значение, ограничивая пределы применимости термодинамических понятий лишь большими (содержащими очень много частиц) системами, для которых флуктуации значительно меньше самих флуктуирующих величин.

Существование флуктуации уточняет смысл второго начала термодинамики: утверждение о невозможности вечного двигателя 2-го рода остаётся справедливым, но оказываются возможными флуктуации системы из равновесного состояния в неравновесные, обладающие меньшей энтропией. Однако на основе таких флуктуаций нельзя построить вечный двигатель 2-го рода. Для средних величин остаётся справедливым закон возрастания энтропии в изолированной системе.

Между тем и в квантовой и в тепловой физике:

а. имеет место неконтролируемое воздействие на объект со стороны окружения (либо макрообстановка, либо термостат);

б. все вычисления необходимо производить в рамках теории вероятности, и они отличаются только выбором различных статистических моделей;

в. важнейшую роль играют флуктуации и корреляции между ними, имеющие фундаментальную природу, так что их нельзя устранить усовершенствованием приборов.

Круг вопросов, где флуктуации существенны, весьма широк. К ним,, в частности,, относятся:

1. Измерение характеристик микрообъектов в квантовой физике в так называемых несобственных состояниях, когда эти флуктуации могут быть немалыми.

2. Ситуации, когда число частиц в объекте мало (мезоскопические явления, нанотехнологии).

3. Критические состояния и фазовые переходы, когда даже малые флуктуации приводят к заметным последствиям (например, опаллесценция вблизи критической точки в системе «жидкость-пар»).

4. Случаи, когда вследствие симметрии средние значения характеристик макро- и микрообъектов тождественно равны нулю.

5. Взаимосвязи флуктуации и диссипативных характеристик макрообъектов вблизи теплового равновесия.

6. Влияние нулевых флуктуации поля в вакууме.

7. Влияние тяготения и перехода к описанию в неинерциальной системе отсчета.