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当热力学遇到相对论 精选

已有 6451 次阅读 2018-5-4 21:02 |系统分类:教学心得| 统计力学, 热力学, 相对论

      在前面的博文中谈到过,热力学和相对论是全部自然科学中仅有的两门用来描述与具体的系统无关的普适规律的科学,爱因斯坦把它们称为原理理论。但是在热力学和相对论各自的体系中,一般都不会去关心另一者所关心的对象。例如,通常的热力学只描述固定于观测者面前的宏观系统的宏观行为,而狭义相对论通常只用来描述少量粒子相对于观测者所在的参考系作高速运动的情形。至于广义相对论,则更是很少被用于描述存在多数对象的系统,一般来说,它经常被使用的场合仅仅是单体或者两体系统。

      然而上述叙述并不是说相对论系统中不存在热力学问题,也不是说热力学系统不具有相对论效应。当相对论遇到热力学时,两者的碰撞可能产生非常灿烂的火花。在历史上,较早对热力学与相对论的结合进行描述的学者是托尔曼。他在1934年出版的著作 Relativity, thermodynamics and cosmology 至今都是这个领域的名著,有兴趣了解热力学与相对论结合会产生何种效果的读者一定要翻看一下这本著作。在托尔曼这本书中,对于狭义相对论变换下平衡态热力学参量的变换行为提出了很具体的变换规则;而涉及广义相对论的部分,则探讨了相对论引力作用下的热力学定律、热传导、相平衡等一系列问题,尤其是该书还花了大量篇幅讨论各种可能的宇宙模型。虽然现代宇宙学具有更详尽的观测数据、对宇宙演化的细节描述更完备,但是如果考虑到这是1934年就出版的学术著作,那么托尔曼在宇宙学方面工作还是相当令人吃惊的。还有一点:托尔曼的书基本上看不出来是一本年代非常久远的书,物理是物理用语还是数学公式的表述都与现今的用法基本一致。

      如果将微观考虑也纳入相对论热力学的范畴之内,托尔曼的书就不再够用了。事实上,有关相对论统计力学的理论建立得非常早。早在1911年(仅仅比玻尔兹曼建立非相对论经典统计分布晚了10年左右,比狭义相对论建立晚了仅仅6年),Jüttner就提出了适于描写相对论物质的统计分布。不过,如果考虑的是能够产生引力效应的宏观系统,那么通常所说的平衡态是很难予以定义的。这时处理相对论宏观系统的理论就需要所谓的相对论动理理论了。相对论动理理论的基本方程仍然是玻尔兹曼方程,只是其表述方法需要完全的相对论协变化。这方面的理论也已经发展了很多年了,不过在国内基本上见不到有关的书籍。国外这方面的图书出版的也不多,大体上也就有那么5、6本的样子而已。




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