با علم آمار میتوان به آزمایشهای خیالی رسید.

ما در آزمایشات خیالی‌مان به خودمان می‌گفتیم: "هی پسر؛ ای کاش می‌توانستم با یک دماسنج [به‌سمت مولکول] بروم" و یا "ای کاش می‌توانستم هر مولکولی را ببینم و میزان ارتعاشش را از نظر بگذرانم. و عملاً این‌ها همان کارهایی‌ست که ما هم‌اکنون می‌کنیم. ما حقیقتاً افزایش دمای این چیزها (مولکول‌ها) را مشاهده می‌کنیم».

مکانیک آماری، یکی از مباحث مطرح در فیزیک است که به سیستم‌هایی با تعداد متغیرهای بسیار زیاد می‌پردازد. این متغیرها می‌توانند ذراتی چون اتمها، مولکولها، یا ذرات بنیادی باشند که تعداد آن‌ها می‌تواند هم‌مرتبه با عدد آووگادرو باشد.

در این مبحث، با استفاده از خاصیتهای میکروسکوپی این ذرات مانند ساختار اتمی و برهمکنش بین آنها، اطلاعاتی در مورد خواص ماکروسکوپی سیستم مانند فشار، انتروپی و انرژی آزار گیبس، از طریق محاسبات و روشهای آماری به دست می‌آید. مثلاً معادله‌های حالت در ترمودینامیک توسط مدلهای میکروسکوپی-آماری مشتق می‌شوند.