1.1: ¿De qué se trata la mecánica estadística?
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La mecánica estadística trata la materia a granel. Si bien la mayoría de las ramas de la física... mecánica clásica, física atómica, mecánica cuántica, física nuclear.. tratar con una o dos o unas pocas docenas de partículas, la mecánica estadística trata, típicamente, sobre un mol de partículas a la vez. Un mole es\(6.02 \times 10^{23}\), considerablemente más grande que unas pocas docenas. Comparemos esto con un número que a menudo se considera grande, a saber, la deuda nacional de Estados Unidos. Esta deuda es (2014) de unos 18 billones de dólares, por lo que la deuda nacional es de alrededor de treinta billones de mol de dólares. 1 Aun así, un mol de moléculas de agua ocupa sólo 18 ml o aproximadamente media onza líquida.. es solo un sorbo.
El enorme número de partículas presentes en los sistemas estudiados por la mecánica estadística hace que las cuestiones tradicionales de la física sean imposibles de responder. Por ejemplo, la cuestión tradicional de la mecánica clásica es el problema del tiempo-desarrollo: Dadas las posiciones y velocidades de todas las partículas ahora, averigua cuáles serán en algún momento futuro. Este problema no se ha resuelto del todo para tres cuerpos gravitantes.. ¡claramente no llegaremos a ninguna parte haciendo la misma pregunta para\(6.02 × 10^{23}\) los cuerpos! Pero de hecho, una solución al problema de desarrollo del tiempo para un mol de moléculas de agua sería inútil aunque pudiera obtenerse. ¿A quién le importa dónde se encuentra cada molécula? Ningún experimento jamás podrá averiguarlo. Para avanzar, tenemos que hacer diferentes preguntas, preguntas como “¿Cómo cambia la presión con el volumen?” , “¿Cómo cambia la temperatura al agregar partículas?” , “¿Cuál es la distancia media entre los átomos?” , o “¿Cuál es la probabilidad de encontrar dos átomos separados por una distancia dada?”. Así, el reto de la mecánica estadística es doble: primero encontrar las preguntas, y sólo después encontrar las respuestas.
1 En contraste, la galaxia de la Vía Láctea contiene alrededor de 0.3 o 0.6 billones de un lunar de estrellas. El universo entero probablemente contiene menos de un lunar de estrellas.