Towards the unified non-classical physics: account for quantum fluctuations in equilibrium thermodynamics via the effective temperature

Abstract

The concept of effective temperature (ET) T*(T₀, T ) is used in order to approximately “quantize” the thermodynamic functions of the dynamical object which is in the thermal equilibrium with thermal bath being at constant temperature T (T₀ = E₀/kB, where E₀ is the ground-state energy, kB – Boltzmann constant, is the characteristic “quantum” temperature of the system itself). On these grounds the extensive comparative investigation is carried out for the “standard model” of statistical mechanics – the one-dimensional harmonic oscillator (HO). Three well-known approaches are considered and their thermodynamic consequences thoroughly studied. These are: the exact quantum, or non-classical Planck-Einstein approach, intermediate, or semiclassical Bloch-Wigner approach and, finally, the pure classical, or Maxwell-Boltzmann approach.

Концепція ефективної температури (ET) T*(T₀, T) використовується для того, щоб наближено “квантувати” термодинамічні функції динамічного об’єкту, який є в термічній рівновазі з термостатом при постійній температурі T (T₀ = E₀/kB, де E₀ – енергія основного стану, kB – постійна Больцмана, – є характеристичною “квантовою” температурою самої системи). Базуючись на цьому, здійснено екстенсивне порівняння дослідження “стандартної моделі” статистичної механіки – одновимірного гармонійного осцилятора (ГО). Розглянуто три добре відомі підходи та добре вивчено їх термодинамічні наслідки, а саме: точний квантовий або некласичний підхід ПланкаЕйнштейна, проміжний або напівкласичний підхід Блоха-Вігнера і, нарешті, чисто класичний або підхід Максвелла-Больцмана.