Равновесные и неравновесные флуктуации

Макросистема с постоянным числом частиц находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой (термостатом), если средний поток энергии между ними равен нулю. Равновесие подразумевает взаимодействие системы и термостата посредством некоторого физического механизма, который в среднем уравнивает противоположно направленные потоки энергии от макросистемы к термостату и обратный поток. Это взаимодействие происходит на микроскопическом уровне и носит случайный характер. Флуктуации возникают уже в силу того, что термостат состоит из огромного числа частиц.

Когда на систему действует внешняя сила, например, электрическое поле, создающее электрический ток в проводнике, равновесие нарушается, возникает поток энергии от системы к термостату и происходит диссипация энергии, сообщаемой системе за счет внешней силы. Если эта сила достаточно мала, отклонение системы от равновесного состояния также невелико, и в первом приближении можно считать, что потоки энергии между системой и термостатом остаются прежними. Таким образом, один и тот же механизм взаимодействия системы и термостата отвечает и за флуктуации и за рассеяние энергии. Отсюда возникает связь между величиной равновесных флуктуаций в системе и макроскопическими параметрами, отвечающими за диссипацию энергии при действии внешней силы. Флуктуационно-диссипационная теорема дает количественное выражение этой связи. В электрических системах диссипативным параметром является активное сопротивление. Для того чтобы учесть флуктуационное взаимодействие системы и термостата с сопротивлением связывают случайный (шумовой) источник.

Примером равновесного шума является 1/f шум в металлических пленках и полупроводниках, обусловленный равновесными термодинамическими флуктуациями средней по объему образца температуры T (см. раздел 3.8). Термические флуктуации приводят к флуктуациям сопротивления пленочного образца, которые существуют и без прохождения тока через образец. Ток только выявляет эти термические флуктуации сопротивления.