Что стало с дебатами Больцмана-Цермело о втором законе термодинамики?

В конце 19 века велась оживленная дискуссия о природе второго закона термодинамики и его связи с гамильтоновой динамикой. Больцман развил положение о том, что второй закон носит статистический характер, «упорядоченные» состояния менее вероятны, а уменьшение энтропии «крайне маловероятно». В качестве подтверждения он предложил Н-теорему, утверждающую, что энтропия возрастает в почти идеальном газе частиц.

Но сначала возражал Лошмидт.что в «доказательстве» Больцмана H-теоремы был пробел в пренебрежении корреляциями из-за столкновений, и в 1896 году Цермело оспорил все вышеперечисленное. Он указал, что статистические уравнения гамильтоновой динамики (уравнения Лиувилля) столь же обратимы во времени, как и уравнения для отдельных частиц, а значит, и уравнения для вероятностей. Следовательно, энтропия не «вероятно» будет уменьшаться или увеличиваться, она должна оставаться постоянной (вплоть до отклонений из-за конечного, если большого числа частиц, так называемых тепловых флуктуаций). В качестве иллюстрации Цермело привел теорему о возвращении Пуанкаре, которая утверждает, что каждое состояние системы почти бесконечно много раз повторяется в ее эволюции. Он пришел к выводу, что второй закон математически несовместим с гамильтоновой динамикой, и никакая теория вероятностей не может это исправить.

Интересно, что современники думали, что Больцман выиграл спор, но Больцман чувствовал себя загнанным в угол и «потерял веру в себя» (согласно «Бесконечному поиску» Поппера). Его ответом была флуктуационная гипотеза о том, что наша окрестность — это гигантская случайность во Вселенной, в которой выполняется второй закон. Цермело, в свою очередь, предположил, что второй закон может быть правилом выбора начальных состояний, а не «законом природы», но заметил, что такое исправление противоречит «духу механики» и «никого долго не удовлетворит». Тем не менее, согласно Википедии«большие усилия в этой области направлены на то, чтобы понять, почему начальные условия в начале Вселенной были условиями низкой энтропии, поскольку это рассматривается как источник второго закона». Как выбор начальных состояний решает проблему постоянной энтропии, я не уверен. Вскоре после 1896 г. внимание физиков переключилось на теорию относительности и квантовую механику, и второй закон выпал из поля зрения.

Были ли эти дебаты подхвачены другими позже? Если да, то кто отстаивал какую позицию и как? Кто был ближе к истине с современной точки зрения, Цермело или Больцман?

РЕДАКТИРОВАТЬ: Вот современное изложение идей Эренфеста и Марка Каца, упомянутых в ответе Александра. Оказывается, что отсутствующим компонентом была крупнозернистость (макроскопическое усреднение), введенная Гиббсом в 1902 г. непосредственно после дебатов. Обратимые во времени микроскопические системы имеют эволюцию, в которой крупнозернистая энтропия, по-видимому, растет в течение астрономически длительных периодов времени в духе Больцмана. Конечно, у них также есть эволюции, где происходит обратное. Мы наблюдаем только первое, но не второе, поэтому есть выбор начальных состояний, предложенный Цермело.

Кажется, что они оба были правы наполовину, но им не хватало идеи крупнозернистости, примиряющей их позиции. Природа отбора, по-видимому, до сих пор неясна и прослеживается до низкой энтропии «в начале Вселенной», что требует «больших усилий в этой области», подробности см. здесь .

Ответы (2)

Больцман был ближе к истине. По современному состоянию этого вопроса рекомендую классиков:

Эренфест, Пол; Эренфест, Татьяна Концептуальные основы статистического подхода в механике. Перевод с немецкого Майкла Дж. Моравчика. С предисловием М. Каца и Г. Е. Уленбека. Перепечатка английского издания 1959 года. Dover Publications, Inc., Нью-Йорк, 1990.

И отличные статьи Марка Каца на эту тему, один из сборников — «Вероятность и смежные темы в физических науках». Со специальными лекциями Г. Э. Уленбека, А. Р. Хиббса и Б. ван дер Пола. Лекции по прикладной математике. Материалы летнего семинара, Боулдер, Колорадо, 1957, Vol. I Interscience Publishers, Лондон-Нью-Йорк, 1959.

Вот популярная (и свободно доступная) статья об этом обсуждении: http://ergodic.ugr.es/statphys_grado/bibliografia/zermelo_boltzmann.pdf

Предмет кажется слишком техническим для объяснения здесь, поэтому я рекомендую только литературу. Кажется, все согласны с тем, что вероятность МОЖЕТ объяснить второй закон термодинамики.

Однако многое еще предстоит сделать в этой области. В современной математике это называется «эргодической теорией», и доказательство того, что конкретные физические системы действительно эргодичны, является сложной математической задачей.

Объяснение, что возникают только начальные состояния, вызывающие рост энтропии, потому что они «более вероятны», кажется мне странным. Они лишь «более вероятны» в макроскопическом смысле, введенном наблюдателем. Кажется, что космологи прослеживают отбор вплоть до Большого взрыва, и он каким-то образом просачивается во все, что мы наблюдаем сегодня.
@Conifold: Это сайт истории, а не сайта физики :-) Так что мы не обсуждаем здесь, почему энтропия увеличивается. Но я настоятельно рекомендую книги Каца. Это то, что я привык понимать в этом вопросе.
Удивлен, что вы не упомянули о флуктуационных теоремах, из которых теперь можно вывести 2-й закон. Являются ли они спорными?

Выбрав «почти идеальный газ» в качестве модели, Больцман фактически убил термодинамику — нарушения второго закона могут иметь место только в структурированных системах. Термодинамика давно умерла - в настоящее время в престижных журналах публикуются вечные двигатели второго рода, но никакой реакции со стороны научного сообщества:

http://www.researchgate.net/publication/258157913_Electricity_Generated_from_Ambient_Heat_across_a_Silicon_Surface/file/3deec5272604889353.pdfЭлектричество, генерируемое за счет окружающего тепла на поверхности кремния, Guoan Tai, Zihan Xu и Jinsong Liu, Appl. физ. лат. 103, 163902 (2013): «Мы сообщаем о выработке электричества в результате безграничного теплового движения ионов по двумерной (2D) поверхности кремния (Si) при комнатной температуре. (...) ...безграничное тепло окружающей среды, которое повсеместно присутствует в виде кинетической энергии от молекулярных, корпускулярных и ионных источников, пока не сообщалось о выработке электричества (...) Это исследование дает представление о разработке технологий самозарядки для сбора энергии из окружающего тепла. , а выходная мощность сравнима с несколькими методами сбора энергии окружающей среды, такими как наногенератор ZnO, генерация электричества, вызванная потоком жидкости и газа, с использованием тонких пленок углеродных нанотрубок и графена,

http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10701-014-9781-5 Экспериментальная проверка термодинамического парадокса, Д.П. Шихан и др., Основы физики, март 2014 г., том 44, выпуск 3, стр. 235-247. : «... между гранями лопасти возникают постоянные перепады давления и температуры, любой из которых может быть использован для выполнения работы, что явно противоречит второму закону термодинамики. Здесь мы сообщаем о первой экспериментальной реализации этого парадокса, включающей диссоциация газообразного водорода низкого давления на высокотемпературных тугоплавких металлах (вольфрам и рений) в условиях полости черного тела.Результаты, подтвержденные другими лабораторными исследованиями и подтвержденные теорией, подтверждают парадоксальную разницу температур и указывают на физику за пределами традиционного понимания. второго закона».

Воу, воу, воу. Термодинамика не умерла, и вечный двигатель определенно невозможен. Были ли какие-либо из этих результатов проверены другими независимыми группами?
Их НЕ ЗАМЕТИЛИ, не говоря уже о том, чтобы "проверить их другими, независимыми группами".
Другие группы, такие как . . . ?