統計力学？？

質問

「統計力学と、量子力学や生命科学には深い関わりがある」と聞いたのですが、いまひとつよく分かりません。
量子力学との関係は何となく分かるのですが…。

これらの関係について、ヒントや何らかの回答をいただけないでしょうか？お願いします。

回答No.2

togredayon · ベストアンサー

こんにちわ、基礎物理学専攻して現在修士学生しております。
学部１～２年生か、高校生の方かな？
学部の頃の授業をうにょうにょと思い出しながら書きます。

上の方が書かれているように、統計力学は一般的に「多数の粒子から成る系」、いわゆる「マクロ系」の現象について扱う学問です。

高校生で習う古典力学はせいぜい数個程度の物質が動く問題を主に扱います。（速度Vaの物質Aと速度Vbの物質Bが・・・・という感じに）

それに対して統計力学は気体分子6×10^23個などがいっぺんにうごめく現象を扱います。例えば、「水分子は“平均するとＶhの運動量”をもっていて、“平均してEhの強さ”で結合していてるから、水が固体から気体になるのはこういった条件が必要だ」みたいな感じで現象を記述できます。
ですので、気体や液体状態で起こる現象、固体の細部現象など複数の分子や原子等の動きを追う場合は統計力学の考えにのっとった理解が非常に有効です。

で本題ですが、
量子力学と深くかかわりがあるといわれるのは、「統計力学が極低温下などの量子的効果が強くなるマクロ系でも扱える」からでしょう。
順を追って説明します。
高校で習う古典力学を基にした熱力学や“圧力＝体積×温度”などの法則もそれなりに気体現象を説明できています（数式が実際の現象に当てはまってるという意味です）。
しかし、ヘリウムなどが液化するような-273℃の極低温下では量子的効果が強くなり熱力学等が役に立ちません。

この場合、量子的効果が強くなるとは、常温ではその効果を無視できた「エネルギーが断続的であること」などが無視できなくなるということです。

統計力学ではそういった効果を取り入れたマクロ系の記述が可能であり、複数の物質がうごめき尚且つ量子的効果が強くなる状態でも絶大なる効果を発揮します。

生命科学については詳しくは分からないのですが、恐らくマクロな系の見方が重要視される学問なのでしょう。そうならば、統計力学的な考え方は必須になります。

※変なところがあったら私より詳しい方、訂正お願いします・・・・・・。

お礼

はい、学部２年生です。
極端に言うと…「ミクロの量子力学をマクロに応用するための学問」と理解していいのでしょうか？

「古典力学では極低温化などの量子的効果が強くなる状況でマクロ系の挙動を正確に記述できない」というのは、いわゆる理想気体と実在気体の違いでしょうか？（何か不十分な気もしますが…）

疑問のかたちになってしまいましたが、これで回答を締め切らせていただきます。
親切でわかりやすい文章（私が誤解してとらえていたらごめんなさい）ありがとうございました！

回答No.1

shun0914

統計力学->多数の粒子などを扱う
その粒子が量子力学に従うなら量子力学と関係あり（量子統計力学）
生物は多数の粒子から成るので統計力学と関係あり

生命科学との関係は、生命現象はエントロピー減少の方向で起こることを考えれば統計力学と関係があることがわかるでしょう。散逸構造やプリゴジンで検索すればいかがでしょうか？

お礼

量子力学に従う無数の粒子から構成されるものは基本的に統計力学と関係があるということですね？

まだ自分は初歩の物理化学しか学んでいないので、全ての孤立系のエントロピーは増加するというイメージしかなく後半はちょっと難しいですが、統計力学というものについては何となく分かってきたような気がします！
ありがとうございました！