贾辛斯基恒等式

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贾辛斯基恒等式[1](英语:Jarzynski equality,缩写为“JE”),又翻译为贾辛斯基等式[2],一个在统计力学中叙述平衡态非平衡态之间自由能差异的等式。它是以物理学家克里斯托弗·贾辛斯基英语Christopher Jarzynski的名字命名的,他在1997年发现了此一恒等式。

热力学里,自由能在状态A和状态B之间的差异和作用于系统上的功W之间存在着一不等式

,

其等号只在准静态过程中才成立,即系统由AB的速度要无限地慢。

相对于上述的热力学描述,JE则是不管过程多快都永远成立。其式子表示如下:

这里,k玻尔兹曼常数T为平衡状态A时的系统温度,也是过程发生时外界的温度。分别是在条件AB下的平衡态自由能。上式右边的横线表示对所有由条件A至条件B的可能过程之平均。我们假定了初始状态为平衡态。但是由于这些过程不一定是可逆过程,最终状态不一定是平衡态。事实上,起的作用就是把所有到达终点B时的微观状态重新加权来还原一个平衡态的分布。在任何无限慢的过程中,作用于系统上的功W都会是一样的,所以平均变得无所谓,使Jarzynski恒等式会化为热力学上的等式。但一般而言,W还是因着不同的系统初始微观态而会有不同,尽管其平均仍然能和延森不等式的关系,即

与热力学第二定律相一致。

自从它被推导出来之后,Jarzynski恒等式已经在许多不同的领域内被证实,由生物分子的实验到数值模拟。其他许多的推导也出现了,更增添了对其普遍性的信赖。

参考文献

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引用

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  1. ^ 全海涛. 贾辛斯基恒等式. 中国大百科全书. 2022-12-23 [2024-03-14]. (原始内容存档于2024-03-14). 
  2. ^ 我院杜江峰、荣星课题组在单自旋量子体系中检验贾辛斯基等式. 中国科学技术大学物理学院. 2023-12-01 [2024-03-14]. (原始内容存档于2024-03-14) (中文(中国大陆)). 

书目

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  • C. Jarzynski, Nonequilibrium equality for free energy differences, Phys. Rev. Lett. 78, 2690 (1997)
  • C. Jarzynski, Equilibrium free-energy differences from nonequilibrium measurements: A master-equation approach, Phys. Rev. E 56, 5018 (1997)
  • G. E. Crooks, Nonequilibrium measurements of free energy differences for microscopically reversible Markovian systems, J. Stat. Phys. 90, 1481 (1998)
  • G. Hummer, A. Szabo, Free energy reconstruction from nonequilibrium single-molecule pulling experiments, Proc. Nat. Acad. Sci. 98, 3658 (2001)
  • J. Liphardt et al., Equilibrium information from nonequilibrium measurements in an experimental test of Jarzynski's equality, Science 296, 1832 (2002)
  • D. J. Evans, A non-equilibrium free energy theorem for deterministic systems, Mol. Phys. 101, 1551 (2003)
  • A. B. Adib, Entropy and density of states from isoenergetic nonequilibrium processes, Phys. Rev. E 71, 056128 (2005)
  • F. Douarche, S. Ciliberto, A. Petrosyan, I. Rabbiosi, An experimental test of the Jarzynski equality in a mechanical experiment, Europhys. Lett. 70 (5), 593(2005, see also cond-mat/0502395)非平衡程过的统计计算的早期结果,请见:
  • G. N. Bochkov and Yu. E. Kuzovlev, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 72, 238 (1977); op. cit. 76, 1071 (1979)
  • G. N. Bochkov and Yu. E. Kuzovlev, Physica 106A, 443 (1981); op. cit. 106A, 480 (1981)

另见

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