In generale, in Fisica, un sistema è l’insieme degli oggetti (dove per oggetto intendiamo sia enti materiali che campi di forze) di cui si analizzano le proprietà ed eventualmente l’evoluzione nel tempo. Un sistema può essere isolato, se le uniche interazioni sono quelle tra oggetti del sistema, chiuso, se la sua componente materiale non subisce variazioni nel tempo ma è possibile uno scambio di energia con altri sistemi, o aperto, se sia la sua composizione materiale che energetica possono variare in conseguenza di interazioni con altri sistemi. Queste definizioni sono valide in qualunque ambito della fisica e qualunque sia la teoria fisica utilizzata per l’analisi.
Differenze dipendenti dal tipo di branca della fisica o dal tipo di approccio sorgono quando dobbiamo specificare cosa è uno stato del sistema che stiamo analizzando. In generale lo stato di un sistema è la specificazione di tutte le grandezze fisiche caratteristiche del sistema. Ma quali siano le grandezze fisiche da considerare dipende fortemente da come stiamo descrivendo il sistema, cioè quale è il dettaglio di "scomposizione," e da qual è il formalismo utilizzato.
Per capire meglio questi concetti vediamo cosa è lo stato di un sistema nel caso specifico di una certa quantità di gas racchiusa in un recipiente di volume assegnato.
Se la mia descrizione è macroscopica (cioè guardo il sistema nel suo complesso) e all’equilibrio (cioè una descrizione puramente termodinamica) allora lo stato del sistema sarà completamente determinato dalla conoscenza delle variabili pressione, temperatura, densità e volume. Se sto descrivendo il gas fuori dall’equilibrio, ma ancora sono interessato solo alle caratteristiche macroscopiche, allora lo stato, in un certo istante, sarà dato dalla conoscenze delle variabili dette prima ma ciascuna specificata nei diversi punti dello spazio e inoltre dovrò anche conoscere i relativi tassi di variazione. Nell’uno e nell’altro caso stiamo parlando quindi di quello che in Meccanica Statitistica è chiamato macrostato, cioè la descrizione del sistema mediante variabili globali (anche se eventualmente diverse in punti diversi dello spazio).
Se la mia descrizione è microscopica allora significa che sto guardando il gas come un insieme di oggetti in interazione. Quali siano questi oggetti è una scelta arbitraria, almeno in linea di principio, ma generalmente è dettata da quali siano i fenomeni che devo analizzare. Potrei considerare il gas come un insieme di molecole che interagiscono oppure scendere al dettaglio dei singoli atomi o ancora scendere a livello subatomico e considerare separatamente gli elettroni e i nuclei o considerare i nuclei composti da protoni e neutroni o scendere ancora a livello dei quarks. Questo dipende, come detto, dai fenomeni che devi analizzare, se sto studiando i cambiamenti di stato di una certa sostanza mi basterà il livello delle molecole e delle loro interazioni, se voglio analizzare le reazioni che mantengono accesa una stella sicuramente dovrò scendere a livello subatomico o anche oltre.
Tanto per fissare le idee diciamo che stiamo descrivendo il nostro gas come collezione di molecole interagenti.
Nel caso di descrizione classica, cioè analizzando il moto delle molecole mediante la Meccanica di Newton (eventualmente anche nella sua versione corretta dalla Relatività Ristretta), lo stato del sistema si avrà specificando la posizione e la velocità di ogni singola molecola (microstato classico), nonché il momento angolare di ogni singola molecola rispetto al proprio centro di massa.
Se siamo in ambito quantistico le cose si complicano un po’ perché, come è noto a chiunque conosca un minimo dei principi quantistici, in tale ambito non tutte le grandezze possono essere conosciute contemporaneamente. Però in tal caso esiste sempre un insieme di grandezze, dette osservabili, che possono essere misurate contemporaneamente senza incorrere nei limiti del Principio di Indeterminazione, e la specificazione completa del valore di tutte le osservabili di un oggetto fissa in maniera univoca (a meno di una costante di fase inessenziale) la funzione d’onda dell’oggetto. In tal caso allora lo stato del sistema quantistico è dato dalla specificazione di tali osservabili per ciascuna molecola del gas o, in altri termini, dal fornire la funzione d’onda per ciascuna molecola del gas (mescolate tra loro con le opportune tecniche di simmetrizzazione o antisimmetrizzazione per tenere conto della natura bosonica o fermionica degli oggetti quantistici analizzati).
Infine c’è da specificare che da un sistema in ambito quantistico è sempre necessario escludere l’osservatore, dato che il formalismo della Meccanica Quantistica funziona a patto di considerare l’osservatore come un agente esterno che provoca il collasso della funzione d’onda. L’osservatore non può quindi essere descritto dalla funzione d’onda di cui, ad un certo punto, potrebbe provocare il collasso. In ambito classico questa specificazione non è necessaria perché l’effetto di una misura è in linea di principio nullo. Anche in quei casi in cui è necessario considerare l’interazione dello strumento con il sistema è possibile considerare lo strumento come elemento del sistema dato che l’eventuale interazione avviene mediante gli stessi meccanismi con cui interagiscono tra loro tutte le altre parti del sistema.