理论家解决了原子系统长期存在的根本问题

试图理解原子系统就像放牧g - - 单个原子永远不会静止，并且不断地移动和相互作用。当谈到试图模拟这些系统的属性和行为时，科学家们使用两个根本不同的现实图片，其中一个被称为“统计”而另一个被称为“动态”。

这两种方法有时不一致，但美国能源部阿贡国家实验室的科学家宣布了一种调和这两张照片的方法。

在统计学方法中，科学家称之为统计力学，给定系统实现了所有可能的状态，这意味着原子探索给定的能量或温度值的每个可能的位置和速度。在统计力学中，科学家并不关心国家发生的顺序，也不关心它们发生的时间。时间不是玩家。

相比之下，动态方法详细说明了这些状态随着时间的推移如何以及在多大程度上被探索。在动力学中，系统可能不会经历原则上可用的所有状态，因为能量可能不足以超越能量障碍或由于时间窗口太短。“当一个系统无法在动力学中看到超出能量障碍的状态时，它就像一个徒步旅行者无法看到山脉背后的下一个山谷，”阿贡的理论家朱利叶斯杰利内克说。

当选择一种方法而不是另一种方法时，科学家们不得不采取概念性的方法，因为这两种方法并不总是一致的。在某些条件下 - 例如，在足够高的能量和长时间尺度 - 物理世界的统计和动态肖像实际上同步。然而，在许多其他情况下，统计力学和动力学产生显着不同的图像。

“当两种方法不同意时，正确的选择是动态，因为系统实际经历的状态可能取决于能量，初始状态以及观察或测量的时间窗口，”Jellinek说。然而，由于其工具和概念的强大功能来分析和表征系统的属性和行为，因此没有统计图像是“一种损失”。

所有统计力学基础的基本特征是“状态密度”，即系统在给定能量下可以采用的状态总数。对状态密度的了解使研究人员能够建立额外的物理特性，如熵，自由能等，这些特性构成了统计力学分析和表征工具的强大动力。然而，所有这些的准确性取决于状态密度的准确性。

问题在于，当涉及到系统的振动时，科学家们只能对两种理想情况下的状态密度进行精确求解，这两种情况都是所谓的谐波或莫尔斯振荡器。虽然实际系统不是两者之一，但无处不在的实践是使用谐波近似，这取决于假设实际系统与谐波系统的行为不同。

这种假设在低能量下并不差，但随着能量的增加而变得不充分。Jellinek说，在过去八十年中，我们投入了相当大的努力，试图为那些行为不协调的系统提供解决方案，直到现在，结果已经出现了大量的近似解决方案，这些解决方案仅限于弱的偏离。谐度或受其他限制。具有任何非谐性系统的状态振动密度的一般且精确的解决方案仍然是未解决的问题。

在最近的一项重大发展中，Jellinek与Darya Aleinikava合作，后来成为Argonne博士后，现在是本笃会大学的助理教授，提供了缺失的解决方案。他们制定的方法为任何能源系统提供了一个通用而精确的解决方案。

“这个长期存在的根本问题终于得到了解决，”杰利内克说。“该解决方案将使物理学，化学，材料科学，纳米科学和生物学等许多领域受益。”

所提供的解决方案解决了另一个问题 - 它调和了世界的统计和动态图片，即使是他们以前可能不同意的那些条件。由于该解决方案基于在相关能量和时间尺度上遵循系统的实际动态，因此所得到的状态密度是完全动态通知的并且可能对时间敏感。因此，这些国家密度为制定新的统计机械框架奠定了基础，这些框架结合了时间并反映了系统的实际动态行为。

“这导致我们对统计力学与动力学之间关系的看法发生了深刻的变化，”Jellinek说。“它使统计力学与动力学相协调，而不管系统的动态行为有多特殊或特殊。”