Physique Statistique
Imaginons, par exemple, un récipient contenant un gaz composé de 10^23 particules. On suppose que les masses, les charges électriques, les interactions et toutes les informations sur ses constituants sont connues. Plusieurs questions peuvent être posées sur l’état, le comportement et l’évolution de ce récipient. Par exemple : est-ce qu’il est humide, chaud ... etc ? peut-il exploser ?... etc. Alors, pour décrire le comportement de ce système, à l’échelle macroscopique, à partir de toutes les informations sur ses composants microscopiques, il faut écrire les équations de Schrödinger pour les 1023 particules, les résoudre et trouver la fonction d’onde du gaz ! Ce qui est, techniquement, impossible. Donc, on fait comment pour étudier les systèmes physiques au niveaux microscopiques ?
La réponse à cette question est : employer les techniques de la physique statistique. Le but de la physique statistique est d’éviter ce travail énorme (qu’est techniquement impossible dans la plupart des cas), et de trouver une manière qui nous permet d’appliquer les lois et les théories fondamentales de la physique (classique, quantique ou relativiste !) au niveau microscopique, et déduire les propriétés macroscopiques qui doivent être en accord avec l’expérience et l’observation.
La physique statistique ou la mécanique statistique est une approche probabiliste qui nous permet d’étudier les propriétés macroscopiques ou thermodynamiques (comme la température, la pression, ... etc) d’un système physique, en équilibre ! Ce système est composé d’un très grand nombre de particules, donc, il possède un très grand nombre de degrés de libertés. Phénoménologiquement, ses propriétés macroscopiques sont décrites par les lois de la thermodynamique. On peut aussi définir la physique statistique comme la branche de la physique qui utilise les méthodes de probabilité et statistiques, et les lois de la physique qui s’applique au niveau microscopique (comme la mécanique classique, la mécanique quantique, ... etc) pour étudier des systèmes constitués de très grand nombre de particules.
La physique statistique constitue avec la mécanique quantique et la relativité l’un des piliers de la physique moderne. Elle se base sur les lois de la relativité et la mécanique quantique pour expliquer le comportement collectif des assemblages des particules dans la limite où le nombre des particules est très grand. Elle utilise les lois de la probabilité et les statistique pour expliquer le comportement de ce grand nombre de constituants. Ces derniers (particules) peuvent être des atomes, molécules, ions, ... etc. On peut résumer les objectifs principaux de la mécanique statistique dans les trois points suivants :
- La physique statistique donne une compréhension rationnelle de la thermodynamique à partir des caractéristiques des constituants microscopique d’un système et leurs interactions.
- La physique statistique permet de calculer la dépendance des quantités thermodynamiques (chaleur spécifique, ... etc) en terme de la température et les propriétés de transport (chaleur, électricité, ... etc).
- La physique statistique donne une explication complète aux phénomènes de transition de phase.
