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Die statistische Mechanik war ursprünglich ein Anwendungsgebiet der Mechanik bzw. Quantenmechanik. Heutzutage wird der Begriff oft synonym zur statistischen Physik und zur statistischen Thermodynamik gebraucht und steht somit für die (theoretische und experimentelle) Analyse zahlreicher fundamentaler Eigenschaften von makroskopischen Körpern und anderen Systemen vieler Teilchen (Atome, Moleküle usw.).
U. a. liefert die statistische Mechanik eine mikroskopische Grundlegung der Thermodynamik. Sie ist daher von großer Bedeutung für die Chemie, insbesondere für die physikalische Chemie. Darüber hinaus beschreibt sie eine Vielzahl weiterer thermischer Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtseigenschaften, die mit Hilfe moderner Messmethoden (z. B. Streuexperimente) untersucht werden.
In der (ursprünglichen) statistischen Mechanik wird der Zustand eines physikalischen Systems nicht durch die Trajektorien, d. h. durch den zeitlichen Verlauf von Orten und Impulsen der einzelnen Teilchen bzw. deren quantenmechanischen Zuständen, charakterisiert, sondern durch die Wahrscheinlichkeit, derartige mikroskopische Zustände vorzufinden.
Die statistische Mechanik ist vor allem durch Arbeiten von James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann und Josiah Willard Gibbs entstanden, wobei letzterer den Begriff prägte.