Mengapa kita belajar fisika statistik?

Karena, jika kita perhatikan di alam semesta ini, materi atau benda makroskopik terdiri dari benda-benda mikroskopik seperti molekul, atom dan yang lebih kecil lagi, elektron. Sebagai contoh, satu mol air (atau sekitar 18 gram), terkandung sekitar 10²³ molekul. Jumlah molekul ini sangatlah besar!  

Tidaklah mungkin mempelajari 18 gram air ini dengan mempelajari dinamika dan interaksi semua molekul dengan persamaan fisika, baik itu dengan persamaan Newton maupun persamaan Schrodinger. Meskipun kita mempunyai superkomputer, ini tidak akan mampu memproses informasi yang begitu banyaknya. Di samping itu pula kita tidak mengetahui kondisi awal molekul yaitu nilai awal posisi dan kecepatan. Jadi kita tidak bisa menyelesaikan persamaan dinamika molekul- molekul air. Selain itu, mengetahui seluruh dinamika molekul tersebut tidaklah begitu menarik untuk dipelajari. Kita lebih tertarik mengkaji nilai rata-rata dari sifat sistem atau secara statistik. Pada tingkat mikroskopik, setiap atom atau molekul terlihat bergerak dan berinteraksi dengan atom atau molekul lainnya secara acak atau random, tetapi pada tingkat makroskopik, jika kita melihat dengan cara rata-rata sistem mempunyai sifat-sifat yang tidak acak.

Dengan melihat nama "Fisika Statistik", kita dapat menyimpulkan bahwa ada dua komponen yang penting yaitu "fisika" yang berkaitan dengan dinamika atom atau molekul, pada khususnya dengan energi dan "statistik" yang berhubungan dengan konsep peluang atau probabilitas. Kita tidak mungkin bisa mengetahui dinamika atau energi satu molekul tertentu, yang kita bisa lakukan adalah mengetahui peluang atau probabilitas suatu molekul memiliki energi tertentu. Konsep penentuan probabilitas dari energi molekul-molekul yang mendasari fisika statistik. Setelah mengetahui probabilitasnya, nilai rata-rata sistem merupakan nilai variabel-variabel termodinamika. Aliran konsep penting dalam fisika statistik ditunjukkan pada Gambar berikut.

Konsep fisika statistik

Sebelum kita memulai, kita perlu mengingat kembali apa yang sudah kita pelajari tentang termodinamika. Sistem-sistem yang dipelajari dalam termodinamika adalah sistem yang berukuran besar atau makroskopik, dengan jumlah partikel lebih dari 10²⁰ atom atau molekul. Kita telah mengetahui bahwa sifat-sifat makro suatu sistem, seperti temperatur, dan tekanan, mempunyai hubungan satu dengan lainnya. Sebagai contoh untuk gas ideal, hubungan antara tekanan dan temperatur adalah P = nRT /V untuk volume kontainer V , jumlah mol gas n dan konstanta gas ideal R. Termodinamika menghubungkan sifat- sifat makro suatu sistem dengan mempelajari sistem melalui experiment. Termodinamika tidak dapat menjelaskan mengapa hubungan atau persamaan penomenologi sifat-sifat sistem seperti demikian. Termodinamika tidak memberikan interpretasi dengan mengetahui dinamika molekul. Jadi termodinamika tidak dapat menjelaskan mengapa hubungan sifat-sifat termodinamika seperti demikian dan apa yang menyebabkan demikian.

Penjelasan tentang "mengapa" ada hubungan antara sifat-sifat termodinamika suatu sistem akan dijelaskan dan diinterpretasikan oleh fisika statistik yang menyediakan teori atom atau molekul. Dengan kata lain, persamaan-persamaan termodinamika bisa diturunkan dari fisika statistik dengan mempertimbangkan dinamika mikroskopik.

Pertanyaan yang akan dijawab dalam fisika statistik adalah apakah bisa dengan mempertimbangkan molekul/atom diperoleh hubungan atara sifat-sifat fisis atau termodinamika?. Apakah kita bisa menjelaskan fenomena yang dipelajari pada termodinamika? Dengan kata lain apakah kita bisa menghubungkan fenomena mikroskopik (dinamikanya) dengan fenomena makroskopik?

Mempelajari fisika statistik memerlukan pengetahuan tentang banyak konsep dasar di bidang mekanika klasik dan kuantum, bidang fisika komputasi dan termodinamika. Keterkaitan bidang ilmu fisika statistik dengan bidang fisika lainnya ditunjukkan pada Gambar berikut.

Keterkaitan fisika statistik dengan bidang fisika lainnya.

Pemahaman tentang bidang ilmu mekanika, baik itu untuk keadaan makro (klasik) maupun untuk keadaan mikro (kuantum) sangat menunjang dalam memahami fisika statistik secara mendalam. Fisika komputasi berguna untuk pemahaman konsep-konsep fisika statistik melalui pengamatan atau experimen menggunakan simulasi-simulasi komputer.