The fluctuation–dissipation theorem (FDT) or fluctuation–dissipation relation (FDR) is a powerful tool in statistical physics for predicting the behavior of systems that obey detailed balance. Given that a system obeys detailed balance, the theorem is a proof that thermodynamic fluctuations in a physical variable predict the response quantified by the admittance or impedance (to be intended in their general sense, not only in electromagnetic terms) of the same physical variable (like voltage, temperature difference, etc.), and vice versa. The fluctuation–dissipation theorem applies both to classical and quantum mechanical systems.
The fluctuation–dissipation theorem was proven by Herbert Callen and Theodore Welton in 1951
and expanded by Ryogo Kubo. There are antecedents to the general theorem, including Einstein's explanation of Brownian motion
during his annus mirabilis and Harry Nyquist's explanation in 1928 of Johnson noise in electrical resistors.
The fluctuation–dissipation theorem says that when there is a process that dissipates energy, turning it into heat (e.g., friction), there is a reverse process related to thermal fluctuations. This is best understood by considering some examples:
Drag and Brownian motion
If an object is moving through a fluid, it experiences drag (air resistance or fluid resistance). Drag dissipates kinetic energy, turning it into heat. The corresponding fluctuation is Brownian motion. An object in a fluid does not sit still, but rather moves around with a small and rapidly-changing velocity, as molecules in the fluid bump into it. Brownian motion converts heat energy into kinetic energy—the reverse of drag.
Resistance and Johnson noise
If electric current is running through a wire loop with a resistor in it, the current will rapidly go to zero because of the resistance. Resistance dissipates electrical energy, turning it into heat (Joule heating). The corresponding fluctuation is Johnson noise.
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La diffusion de la matière, ou diffusion chimique, désigne la tendance naturelle d'un système à rendre uniforme le potentiel chimique de chacune des espèces chimiques qu'il comporte. La diffusion chimique est un phénomène de transport irréversible qui tend à homogénéiser la composition du milieu. Dans le cas d'un mélange binaire et en l'absence des gradients de température et de pression, la diffusion se fait des régions de plus forte concentration vers les régions de concentration moindre.
Le bruit thermique, également nommé bruit de résistance, bruit Johnson ou bruit de Johnson-Nyquist, est le bruit généré par l'agitation thermique des porteurs de charges, c'est-à-dire des électrons dans une résistance électrique en équilibre thermique. Ce phénomène a lieu indépendamment de toute tension appliquée. Le bruit thermique aux bornes d'une résistance est exprimée par la relation de Nyquist : où est la variance de la tension aux bornes de la résistance, est la constante de Boltzmann, qui vaut kB = 1,3806 × 10-23 J.
En théorie de la réponse linéaire, il existe une relation entre la fonction de réponse et la fonction de corrélation . Celle-ci a été établie par Herbert Callen et Theodore Welton en 1951, et pour cette raison le théorème de fluctuation-dissipation est aussi appelé théorème de Callen-Welton. Selon ce théorème, Le nom de théorème de fluctuation-dissipation vient de ce que la partie imaginaire de la fonction de réponse mesure la dissipation, alors que la fonction de corrélation mesure l'intensité des fluctuations.
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