Mengapa kita belajar fisika statistik? Karena...? Jika kita perhatikan di alam semesta ini, materi atau benda makroskopik terdiri dari
benda-benda mikroskopik seperti molekul, atom dan yang lebih kecil
lagi, elektron. Sebagai contoh, satu mol air (atau sekitar 18 gram),
terkandung sekitar 10
23
molekul. Jumlah molekul ini sangatlah besar!
Tidaklah mungkin mempelajari 18 gram air ini dengan mempelajari
dinamika dan interaksi semua molekul dengan persamaan fisika, baik
itu dengan persamaan Newton maupun persamaan Schr ¨ odinger. Meskipun kita mempunyai superkomputer, ini tidak akan mampu memproses informasi yang begitu banyaknya. Di samping itu pula kita tidak
mengetahui kondisi awal molekul yaitu nilai awal posisi dan kecepatan. Jadi kita tidak bisa menyelesaikan persamaan dinamika molekulmolekul air. Selain itu, mengetahui seluruh dinamika molekul tersebut tidaklah begitu menarik untuk dipelajari. Kita lebih tertarik
mengkaji nilai rata-rata dari sifat sistem atau secara statistik. Pada
tingkat mikroskopik, setiap atom atau molekul terlihat bergerak dan
berinteraksi dengan atom atau molekul lainnya secara acak atau random, tetapi pada tingkat makroskopik, jika kita melihat dengan cara
rata-rata sistem mempunyai sifat-sifat yang tidak acak.
Dengan melihat nama ”Fisika Statistik”, kita dapat menyimpulkan
bahwa ada dua komponen yang penting yaitu ”fisika” yang berkaitan
dengan dinamika atom atau molekul, pada khususnya dengan energi
dan ”statistik” yang berhubungan dengan konsep peluang atau probabilitas. Kita tidak mungkin bisa mengetahui dinamika atau energi satu molekul tertentu, yang kita bisa lakukan adalah mengetahui peluang atau probabilitas suatu molekul memiliki energi tertentu. Konsep
penentuan probabilitas dari energi molekul-molekul yang mendasari fisika statistik. Setelah mengetahui probabilitasnya, nilai rata-rata
sistem merupakan nilai variabel-variabel termodinamika. Aliran konsep penting dalam fisika statistik ditunjukkan pada Gambar 1.1
Sebelum kita memulai, kita perlu mengingat kembali apa yang sudah kita pelajari tentang termodinamika. Sistem-sistem yang dipelajari dalam termodinamika adalah sistem yang berukuran besar atau
makroskopik, dengan jumlah partikel lebih dari 10
20
atom or molekul.
Kita telah mengetahui bahwa sifat-sifat makro suatu sistem, seperti
temperatur, dan tekanan, mempunyai hubungan satu dengan lainnya.
Sebagai contoh untuk gas ideal, hubungan antara tekanan dan temperatur adalah P = nRT/V untuk volume kontainer V , jumlah mol gas
n dan konstanta gas ideal R. Termodinamika menghubungkan sifatsifat makro suatu sistem dengan mempelajari sistem melalui experiment. Termodinamika tidak dapat menjelaskan mengapa hubungan
atau persamaan penomenologi sifat-sifat sistem seperti demikian. Termodinamika tidak memberikan interpretasi dengan mengetahui dinamika molekul. Jadi termodinamika tidak dapat menjelaskan mengapa
hubungan sifat-sifat termodinamika seperti demikian dan apa yang
menyebabkan demikian.
Penjelasan tentang ”mengapa” ada hubungan antara sifat-sifat termodinamika suatu sistem akan dijelaskan dan diinterpretasikan oleh
fisika statistik yang menyediakan teori atom atau molekul. Dengan
kata lain, persamaan-persamaan termodinamika bisa diturunkan dari fisika statistik dengan mempertimbangkan dinamika mikroskopik.
Pertanyaan yang akan dijawab dalam fisika statistik adalah apakah bisa dengan mempertimbangkan molekul/atom diperoleh hubungan atara sifat-sifat fisis atau termodinamika?. Apakah kita bisa menjelaskan fenomena yang dipelajari pada termodinamika? Dengan kata
lain apakah kita bisa menghubungkan fenomena mikroskopik (dinamikanya) dengan fenomena makroskopik?
Buku ini hanya membahas tentang sistem yang ekuilibrium. Fisika statistik untuk sistem yang non-ekuilibrium masih dalam tahap
perkembangan dan penulis belum menemukan formulasi yang meyakinkan.
Mempelajari fisika statistik memerlukan pengetahuan tentang banyak konsep dasar di bidang mekanika klasik dan kuantum, bidang
fisika komputasi dan termodinamika. Keterkaitan bidang ilmu fisika
statistik dengan bidang fisika lainnya ditunjukkan pada Gambar 1.2.
Pemahaman tentang bidang ilmu mekanika, baik itu untuk keadaan
makro (klasik) maupun untuk keadaan mikro (kuantum) sangat menunjang dalam memahami fisika statistik secara mendalam. Fisika
komputasi berguna untuk pemahaman konsep-konsep fisika statistik
melalui pengamatan atau experimen menggunakan simulasi-simulasi
komputer.
Untuk memperdalam pemahaman konsep fisika statistik, diberikan pula simulasi-simulasi yang mendukung penjelasan yang ada di buku ini. Disamping itu diberikan program dengan bahasa pemrograman
C++ dan Java sehingga dapat dimodifikasi untuk simulasi yang berbeda.
