Флуктуации

Флуктуациями называют небольшие нерегулярные, хаотические изменения какой-либо физической величины. Так изменяется, например, длина колонны марширующих солдат, и если мы говорим, что колонна растянулась на сто метров, то мы хорошо понимаем, что это ее средняя длина и что в разные моменты времени она может быть на несколько метров длиннее или короче.

В физике под флуктуациями обычно понимают хаотические изменения какой-либо величины, связанные с тепловыми движениями или же с квантовыми эффектами (см. Квантовая механика). Известно, что температура одноатомного газа определяется кинетической энергией атомов. Но из-за столкновений атомов энергия каждого из них не остается постоянной, а все время изменяется. Если взять большой объем газа, то энергия, усредненная по всем атомам, будет практически постоянна. Если же газа в сосуде мало, то флуктуации энергии будут больше. Величина флуктуации обратно пропорциональна корню квадратному из числа частиц N. Это значит, что температура T₀ газа, находящегося в тепловом равновесии, на самом деле не строго равна T₀, а изменяется все время в пределах от T₀ − ∆T до T₀ + ∆T, где величина ∆T ≅ (1/√N)T. Так как число атомов обычно велико, то ∆T очень мало (напомним, что 4 г гелия содержат N_A ≅ 6•10²³ частиц).

Флуктуируют и другие физические величины. Давление газа на стенку сосуда складывается из ударов отдельных частиц. Его можно считать постоянным только за такие промежутки времени, когда число ударов о стенку очень велико. И в этом случае флуктуация давления пропорциональна 1/√N : ∆p ~ (1/√N)p.

Если в газе или в жидкости находится маленькая пылинка, то из-за хаотических ударов молекул с разных сторон ее координаты будут хаотически изменяться. Пылинка будет двигаться по хаотической траектории. Это явление, называемое броуновским движением, было объяснено А. Эйнштейном и послужило в свое время доказательством реальности существования молекул.

Флуктуации температуры и давления газа измерить трудно. Сравнительно проще измерить флуктуации электрических величин. Так, в проводнике, не подсоединенном ни к какому источнику тока, возникает флуктуационный ток, величина и направление которого хаотически изменяются. Такой флуктуационный ток или связанную с ним флуктуационную электродвижущую силу можно вычислить и измерить. Её величина оказывается пропорциональной √T. Так как в формулы входит абсолютная температура, то измерение флуктуации проводят для точного определения температуры.

В потоке света, в лазерном пучке причиной флуктуации служит также квантовая природа света: свет поступает на прибор не непрерывным потоком, а квантами, временные интервалы между которыми хаотически изменяются.

Измерение квантовых флуктуаций, зависящих от температуры, используют в метрологии.