Как известно, понятие состояния физической системы впервые сформировалось в механической картине мира. В широком смысле состояние системы — это совокупность информации, которая позволяет предсказать эволюцию системы во времени.
В механике для описания состояния системы используются значения физических величин — координаты и скорости тел, входящих в систему. Зная начальное состояние системы, по законам механики можно определить значения физических величин, которые определяют ее состояние для любого момента времени. Уравнения Максвелла в электродинамике обладают тем же свойством: аналогично координатам и скоростям частиц в механике, состояние системы в электродинамике с помощью уравнений Максвелла определяется значениями электрического и магнитного полей в каждой точке пространства. Поэтому детерминизм свойственен как механической, так и электромагнитной картине мира. Однако молекулярно-кинетическая теория газов продемонстрировала несостоятельность механического детерминизма. Максвелл стал одним из создателей этой теории.
Возникает молекулярно-кинетическое развитие исследований при рассмотрении физических явлений, происходящих с телами, их свойств и различных изменений состояния вещества. Это направление рассматривает законы протекания различных процессов в макротелах на основе представлений о их молекулярной структуре и законов взаимодействия между отдельными молекулами. Отсюда становится понятным развитие отдельной ветви физики - молекулярная физика.
Молекулярная физика — наука (раздел физики), которая изучает макротела, их физические свойства на основе рассмотрения их молекулярного строения, движения и сил взаимодействия микрочастиц.
В основе молекулярной физики лежат три основных положениях:
Главной задачей молекулярной физики является создание физической картины молекулярных явлений, которая объясняет наблюдаемое поведение веществ и предсказывает новые явления.
Кинетическая теория газов – первый сформировавшийся раздел молекулярной физики. В процессе её развития выделились из неё другие самостоятельные разделы:
Так же сформировались физика металлов, физика плазмы, физика полимеров, физико-химическая механика, кристаллофизика, теория массопереноса и теплопереноса на основе общих теоретических представлений молекулярной физики.
В этих разделах рассматриваются: строение вещества в разных агрегатных состояниях и как влияют внешние факторы (температура, давление, магнитные и электрические поля) на его изменение, релаксационные процессы, поведение вещества в экстремальных условиях, фазовые переходы (кристаллизация, конденсация, плавление, испарение и др.), явления переноса (теплопроводность, диффузия, вязкость), поверхностные явления на границе раздела фаз, критическое состояние вещества.
Объединяющим фактором этих разделов молекулярной физики служит теоретический подход, который основан на применении термодинамического (феноменологического) и молекулярного (статистического) методов исследования.
Термодинамический метод основывается на фундаментальных понятиях термодинамики, которые носят общий характер и не используют представления о молекулярном строении вещества.
Именно молекулярно-кинетический подход рассматривает частную молекулярную модель вещества.
Как бы ни различались внешне данные методы, их суть связана между собой, так как все полученные из рассмотрения конкретных молекулярных моделей выводы обязаны согласовываться с общими выводами термодинамики.
Молекулярная физика в современном виде начала свое развитие с XVII в., несмотря на то, что понятие и термин «атом» появился еще в древний античный период (Демокрит, ок. 460-370 гг. до н.э., Эпикур, 341-270 гг. до н.э., Левкипп, V в. до н.э.).
Атомистические представления использовал М.В. Ломоносов (1711-1765).
Возникновение кинетической теории газов началось с имени Д. Бернулли (1700-1782).
Р.Ю. Клаузиус (1822-1888), Л. Больцман 1844-1906), А.К. Крёниг (1822-1879), Д.К. Максвелл (1831-1879), Дж.У. Гиббс (1839-1903) являются авторами кинетической теории газов, которая служит первой формой современной физической атомистики. Развитие классической статистической физики так же принадлежит этим именам. К развитию квантовой статистической физики и квантовой кинетики привела квантовая механика.
Броуновское движение частиц изучали Т. Сведберг (1874-1971), Ж.Б. Перрен (1870-1942), М. Смолуховский (1872-1917) и А. Эйнштейн (1879-1955). И в начале XX века в их работах были получены непосредственные доказательства реальности существования молекул.
Количественное изучение жидкости началось с работ П-И.В. Дебая (1884-1966), Я.Д. Ван-дер-Ваальса (1837-1923), Л. Эйлера (1707-1783), Д. Бернулли (1700-1782).
М. Борн (1882-1970), Д.Г. Кирквуд (1907-1959), Н.Н. Боголюбов (1909-1992), Я.И.Френкель (1894-1952), Г.С. Грин (1920-1999) развивали статистическую теорию жидкостей.
Исследовать специфические жидкости: квантовые жидкости и жидкие металлы позволило развитие квантовой механики. С 1957 г. начали интенсивно развиваться численные методы в теории жидкости и в настоящее время занимают главное место в изучении жидкости.
В возникновении молекулярной физики твердого тела важнейщую роль имели работы Е.С. Федорова (1853-1919), М. Лауэ (1879-1960), О. Бравэ (1811-1863), А. Шёнфлиса (1853-1928), В. Фридриха (1883-1968), П. Книппинга (1883-1935), Ю.В. Вульфа (1863-1925), У.Г. и У.Л. Брэггов (1862-1942, 1890-1971) и др.
С 1926 г. начала свое развитие квантовая теория твердых тел.
В настоящее время нанофизика – наука об промежуточных объектах между молекулами и конденсированными системами – переживает период своего рождения. Её развитие послужили работы Р. Фейнмана (1918-1988).
Работы о квантовых представлениях М. Борна, Ф. Лондона (1900-1954), В. Гайтлера (1904-1981) стали основой для построения современной теории межатомных взаимодействий. Учение о межатомных взаимодействиях изначально начало развиваться после изучения капиллярных явлений в классических работах П.С. Лапласа (1749-1827), А.К. Клеро (1713-1765), С.Д. Пуассона (1781-1840), Т. Юнга (1773-1829), Дж.У. Гиббса, К.Ф. Гаусса (1777-1855), И.С. Громеки (1851-1889), Б.В. Дерягина (1902-1994) и П.А. Ребиндера (1898-1972). С разработки метода молекулярных пучков началось непосредственное экспериментальное изучение сил межатомного взаимодействия Л. Дюнуайе (1880-1963) и О. Штерном (1888-1969).
Изучение релаксационных процессов в газах берет свое начало от работ Г.О. Кнезера (1898-1973), А. Эйнштейна, М.А. Леонтовича (1903-1981), Л.И. Мандельштама (1879-1944), П.Н. Лебедева (1866-1912), Л.Д. Ландау, Э. Теллера (1908-2003) и др.