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.

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.