Schwankungserscheinungen

Schwankungs|erscheinungen,

 

Fluktuation|serscheinungen, mit dem Auftreten von Schwankungen (Fluktuationen) verbundene physikalische Prozesse und Erscheinungen, die auf dem statistischen Charakter thermodynamischer und quantenmechanischer Systeme beruhen. - In der klassischen statistischen Mechanik werden Schwankungserscheinungen als Folge der ungeordneten, zufälligen Wärmebewegung und Wechselwirkung mikroskopischer Teilchen (z. B. Moleküle, Atome, Elektronen) in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern gedeutet. Beispiele sind die brownsche Bewegung, Dichteschwankungen in Gasen und Flüssigkeiten (z. B. die kritische Opaleszenz) und das thermische Rauschen. Ebenfalls auf die statistische Bewegung der mikroskopischen Konstituenten eines Systems gehen die (meist sehr kleinen) Fluktuationen der makroskopischen Größen wie Energie, Druck u. Ä. um ihren thermodynamischen Gleichgewichtsmittelwert zurück; sie werden im Rahmen der Schwankungstheorie von der Nichtgleichgewichtsstatistik und Thermodynamik irreversibler Prozesse erfasst. Fluktuationen der Einzelmessungen von quantenmechanischen Observablen um ihren Erwartungswert (so genannte Quantenfluktuationen, z. B. Vakuum; Vakuumschwankungen) folgen aus den besonderen statistischen Eigenschaften des quantenmechanischen Messprozesses und hängen mit der prinzipiellen Unbestimmtheit quantenmechanischer Messungen zusammen (Unschärferelation). In der Quantenfeldtheorie ergeben sich darüber hinaus Fluktuationen der Teilchenzahl eines Systems durch Erzeugung und Vernichtung virtueller Teilchen (virtueller Zustand). Eine einheitliche statistische und quantenmechanische Beschreibung von Schwankungserscheinungen erfolgt in der Quantenstatistik des Nichtgleichgewichts.

 

Ein Maß für Schwankungserscheinungen ist die mittlere quadratische Schwankung einer Größe X:

 

Sie charakterisiert die Streuung um den entsprechenden Mittel- oder Erwartungswert em>XE (X) oder M (X) geschrieben). Die zur Beschreibung von Schwankungserscheinungen wichtige zeitliche Korrelation einer Größe mit sich selbst ist durch die Autokorrelationsfunktion gegeben (Korrelationsfunktion). Nach dem Fluktuations-Dissipations-Theorem bestimmen die dadurch ausgedrückten Fluktuationseigenschaften eines ungestörten Systems um seinen Gleichgewichtszustand gleichzeitig die Reaktion des Systems auf eine äußere Störung, d. h. dessen dissipatives Verhalten (Dissipation), z. B. Absorption, Reibung, elektrische Widerstand.