Почему природа всегда предпочитает низкую энергию и максимальную энтропию?

У природы нет предпочтений, и поэтому энтропия имеет тенденцию к увеличению.

Звучит парадоксально?

Дело в том, что каждое микроскопическое состояние (описывающее точное положение и скорость каждого атома в системе) одинаково вероятно. Однако то, что мы обычно наблюдаем, — это не микросостояние, а детализированное описание, соответствующее невероятному количеству микросостояний. Определенные макросостояния соответствуют гораздо меньшему количеству микросостояний, чем другие макросостояния. Поскольку природа не отдает предпочтение ни одному из этих микросостояний, вероятность возникновения последних макросостояний гораздо выше. Эволюция ко все более вероятным макросостояниям (пока не будет достигнуто наиболее вероятное макросостояние, состояние равновесия) называется вторым законом термодинамики.

Уменьшение потенциальной энергии является следствием первого (сохранение энергии) и второго (эволюция в более вероятные макросостояния) закона термодинамики. Поскольку макросостояния с большим количеством энергии, хранящейся в тепле (случайное тепловое движение), содержат намного больше микросостояний и, следовательно, гораздо более вероятны, энергия имеет тенденцию переходить от потенциальной энергии к тепловой энергии. Это наблюдается как уменьшение потенциальной энергии.

Во-первых, я хотел бы отметить, что полная энергия фактически сохраняется и не может стать больше или меньше. Здесь мы говорим о потенциальной энергии системы.

Во-вторых, я думаю, что это действительно фундаментальный вопрос, и, хотя такие вопросы очень интересны, они обычно заканчиваются философией. В-третьих, я постараюсь дать некоторые ответы.

Обычно принцип минимума потенциальной энергии рассматривается (по крайней мере, так я вижу) как основной принцип мира. Вы можете сравнить принцип минимальной потенциальной энергии или электростатические силы с силой, которую вы, возможно, знаете немного лучше: - Почему гравитация заставляет массы притягиваться? - Потому что так оно и есть, это основной закон природы. Я не знаю, верите ли вы* в гравитацию, но я верю. И я также верю в минимизацию энергии.

Однако, если вы хотите объяснения, это можно объяснить и другими законами. В данном случае это принцип максимальной энтропии, о котором вы упомянули (также известный как второй закон термодинамики). Этот закон говорит о том, что система будет пытаться максимизировать свою энтропию. Следствием этого является то, что вся энергия будет пытаться преобразоваться в тепловую энергию (тепло), тем самым увеличивая энтропию.

Теперь вы сталкиваетесь со следующим вопросом - почему максимальная энтропия? Что ж, опять же, это обычно рассматривается как основной принцип механизмов природы, но на самом деле его можно вывести из статистической физики . Однако, делая это, вы можете снова столкнуться с некоторыми принципами физики и математики до бесконечности, так что, в конце концов, вам придется верить в некоторые принципы или, по крайней мере, думать в «если это правильно, то это то, что следует». :" путь.

-*- Используя понятие веры, я говорю о вере в формулу или закон без формального доказательства, но экспериментально доказано, что формула работает. Даже если принцип не является принципом, на котором природа строит процессы, он, безусловно, дает те же результаты.

Что ж, я хотел бы упомянуть, что энтропия значительно более нелогична, чем некоторые могут подумать. В частности, поскольку все микросостояния имеют равную вероятность или, другими словами, эквивалентны, если вы отрежете себе палец, то состояние, в котором кусок вернется на место сам по себе, если это совершенно правильное предположение. В этом отношении нет ничего, что привязывало бы это состояние к определенному энергетическому уровню. Теперь, чтобы ответить на вопрос, почему этого никогда не видели? (А не почему это невозможно...). Поскольку наше тело состоит из миллиардов атомов, вам нужно, чтобы они все сразу прыгнули туда, откуда пришли. В отличие от того, чтобы просто прыгать в некоррелированных движениях, или, короче говоря... Decay. Итак, это ядро ​​принципа энтропии. Макросостояния являются результатом миллиардов различных микросостояний, и мы видим только среднее значение....совместимые микросостояния. Следовательно, кусок вряд ли вернется на свое место сам по себе.

Кто-то скажет, что это просто искусственная формулировка.

Каковы были бы шансы на появление разумной формы жизни при сборке немых атомов? Или, другими словами, насколько большим должен быть эксперимент по отбору проб, чтобы увидеть что-то еще, кроме мертвой породы? :)

рассмотрим систему газовых частиц внутри парфюмерного флакона. Теперь предположим, что вы распыляете газ, и теперь система частиц распространяется вокруг случайным образом. Что ж, теперь давайте рассмотрим эти частицы как волны (волны материи), как электронные облака. Я признаю, что у меня нет глубокого понимания квантовой механики, но из того, что я усвоил из своей промежуточной химии, так это то, что чем больше распространяются электронные облака, тем меньше их энергия. Таким образом, когда частицы распространяются равномерно повсюду с максимальной энтропией, электронное облако распространяется повсюду, поэтому они достигают стабильного состояния с более низкой энергией. Теперь давайте перейдем к вашему следующему вопросу о более низкой энергии. Дело не в том, что природа или системы природы предпочитают более низкие энергетические состояния, а в том, что они не могут двигаться дальше, когда у них самая низкая возможная энергия. Как рассмотрим мяч, подброшенный с земли, когда он падает на землю, ему не хватает энергии или какой-либо внешней силы, чтобы вернуться в воздух. Теперь для меня все еще остается загадкой, как они могут достичь этого устойчивого состояния за конечное время и могут ли существовать системы, которые имеют устойчивое состояние, но превосходят его. Итак, это была вся моя дерзкая попытка объяснить эту тенденцию природы интуициями квантовой механики.