Кіріспе
Математикалық ұғым. Математикада Гиббс өлшемі, Джозиа Виллард Гиббстің есімімен аталып, ықтималдық теориясы мен статистикалық механиканың көптеген мәселелерінде кездесетін ықтималдық өлшемі. Бұл каноникалық ансамбльдің шексіз жүйелерге жалпыламасы. Каноникалық ансамбль X жүйесінің x күйінде болу ықтималдығын береді (яғни, кездейсоқ айнымалы X-тің x мәнін алу ықтималдығын). Мұнда E – күйлер кеңістігінен нақты сандарға дейінгі функция; физикалық қолданыстарда E(x) конфигурация x-тің энергиясы ретінде қарастырылады. β параметрі – еркін параметр; физикада ол температураның кері шамасы. Нормалдау тұрақтысы Z(β) – бөлу функциясы. Дегенмен, шексіз жүйелерде жалпы энергия шекті сан емес, сондықтан оны каноникалық ансамбльдің ықтималдық таралуын құру үшін дәстүрлі түрде қолдануға болмайды. Статистикалық физикадағы дәстүрлі тәсілдер шекті жүйенің көлемі шексізге жақындағандағы интенсивті қасиеттердің лимитін зерттеді (термодинамикалық лимит). Егер энергия функциясы тек шекті ішкі жүйенің айнымалыларын қамтитын мүшелердің қосындысы түрінде жазыла алса, Гиббс өлшемі ұғымы баламалы тәсіл ұсынады. Гиббс өлшемдерін Добрушин, Ланфорд және Руэлл сияқты ықтималдық теоретиктері ұсынды, бұл шекті жүйелердің лимитін алудың орнына шексіз жүйелерді тікелей зерттеуге мүмкіндік берді. Егер ол әрбір шекті ішкі жүйеде шартты ықтималдықтардың дәйектілік шартын қанағаттандырса, онда өлшем Гиббс өлшемі болып табылады: егер шекті ішкі жүйеден тыс барлық еркіндік дәрежелері тоңазытылса, онда осы шекті шарттарға бағынған ішкі жүйе үшін каноникалық ансамбль, тоңазытылған еркіндік дәрежелеріне байланысты Гиббс өлшеміндегі ықтималдықтармен сәйкес келеді. Хаммерсли-Клиффорд теоремасы, Марков қасиетін қанағаттандыратын кез келген ықтималдық өлшемі (жергілікті анықталған) энергия функциясының тиісті таңдауы үшін Гиббс өлшемі екенін көрсетеді. Сондықтан Гиббс өлшемі физикадан тыс кең таралған мәселелерге де қолданылады, мысалы, Хопфилд желілері, Марков желілері, Марков логикалық желілері, сондай-ақ ойын теориясы мен экономикадағы шектеулі рационалды потенциалдық ойындар. Жергілікті (шектелген ауқымды) өзара әрекеттесуі бар жүйедегі Гиббс өлшемі, берілген күтілетін энергия тығыздығы үшін энтропия тығыздығын максималдайды; немесе, эквивалентті түрде, ол бос энергия тығыздығын азайтады. Шексіз жүйенің Гиббс өлшемі, шекті жүйенің каноникалық ансамблінен айырмашылығы, міндетті түрде бірегей емес. Бірнеше Гиббс өлшемінің болуы симметрияның бұзылуы және фазалық коэксистенция сияқты статистикалық құбылыстармен байланысты.
In mathematics, the Gibbs measure, named after Josiah Willard Gibbs, is a probability measure frequently seen in many problems of probability theory and statistical mechanics. It is a generalization of the canonical ensemble to infinite systems. The canonical ensemble gives the probability of the system X being in state x (equivalently, of the random variable X having value x) as
Here, E is a function from the space of states to the real numbers; in physics applications, E(x) is interpreted as the energy of the configuration x. The parameter β is a free parameter; in physics, it is the inverse temperature. The normalizing constant Z(β) is the partition function. However, in infinite systems, the total energy is no longer a finite number and cannot be used in the traditional construction of the probability distribution of a canonical ensemble. Traditional approaches in statistical physics studied the limit of intensive properties as the size of a finite system approaches infinity (the thermodynamic limit). When the energy function can be written as a sum of terms that each involve only variables from a finite subsystem, the notion of a Gibbs measure provides an alternative approach. Gibbs measures were proposed by probability theorists such as Dobrushin, Lanford, and Ruelle and provided a framework to directly study infinite systems, instead of taking the limit of finite systems. A measure is a Gibbs measure if the conditional probabilities it induces on each finite subsystem satisfy a consistency condition: if all degrees of freedom outside the finite subsystem are frozen, the canonical ensemble for the subsystem subject to these boundary conditions matches the probabilities in the Gibbs measure conditional on the frozen degrees of freedom. The Hammersley–Clifford theorem implies that any probability measure that satisfies a Markov property is a Gibbs measure for an appropriate choice of (locally defined) energy function. Therefore, the Gibbs measure applies to widespread problems outside of physics, such as Hopfield networks, Markov networks, Markov logic networks, and boundedly rational potential games in game theory and economics. A Gibbs measure in a system with local (finite range) interactions maximizes the entropy density for a given expected energy density; or, equivalently, it minimizes the free energy density. The Gibbs measure of an infinite system is not necessarily unique, in contrast to the canonical ensemble of a finite system, which is unique. The existence of more than one Gibbs measure is associated with statistical phenomena such as symmetry breaking and phase coexistence.
Статистикалық физика
Гиббс өлшемдерінің жиынтығы жүйеде әрқашан дөңгелек, сондықтан бір ғана Гиббс өлшемі болады (мұндай жағдайда жүйе "эргодикалық" деп аталады) немесе олардың саны шексіз көп (және жүйе "нонергодикалық" деп аталады). Нонергодикалық жағдайда Гиббс өлшемдері "таза күйлер" деп аталатын, көптеген арнайы Гиббс өлшемдерінің дөңгелек комбинациялары түрінде беріледі (кванттық механикадағы байланысты, бірақ әртүрлі "таза күйлер" ұғымымен шатастырмау керек). Физикалық қолданыстарда Гамильтониан (энергия функциясы) әдетте белгілі бір жергіліктілік қасиетіне ие, ал таза күйлер "алысқа орналасқан жүйелердің" тәуелсіздігін көрсететін кластерлік ыдырау қасиетіне ие. Іс жүзінде, физикалық тұрғыдан реалистік жүйелер осы таза күйлердің бірінде кездеседі. Егер Гамильтониан симметрияға ие болса, онда бірегей (яғни эргодикалық) Гиббс өлшемі осы симметрияға қатысты инвариант болады. Бірақ егер бірнеше (яғни нонергодикалық) Гиббс өлшемі болса, таза күйлер әдетте Гамильтониан симметриясына қатысты инвариант емес. Мысалы, шексіз ферромагниттік Исинг моделінде, критикалық температурадан төмен екі таза күй бар: "көбінесе жоғары" және "көбінесе төмен" күйлері, олар модельдің симметриясы бойынша бір-біріне ауысады.