Все ли закрытые системы, если рассматривать только кинематические/механические принципы, проявляют симметрию обращения времени?

Для меня имеет большой смысл представить себе пушечное ядро, летящее в космосе, не столько как испытывающее макроскопическую неконсервативную силу сопротивления, сколько как толкающее группу молекул воздуха и отдающее им свой импульс и энергию, тем самым теряя скорость. Я также могу представить, что если сделать снимок пушечного ядра в полете, воспроизвести систему с точностью до каждой молекулы (при условии, что это возможно), а затем поменять местами все скорости и угловые скорости и нажать кнопку «воспроизведение». , пушечное ядро ​​в конечном итоге полетит туда, откуда оно было выпущено. Это правильно?

Таким образом, сопротивление — это просто эмерджентное явление, являющееся результатом упрощения всей системы, не так ли? И действительно является результатом кинематических принципов и классической механики.

Размышляя об этом, я заметил, что если мы думаем о сопротивлении с точки зрения механики, сохраняется сохранение механической энергии — и в результате возникает симметрия обращения времени (правильно?). Таким образом, сохранение механической энергии «связано» с симметрией обращения времени — будет ли это связано с тем, как механическая энергия является сохраняемой величиной, связанной с симметрией переноса времени?

Как насчет растворения кусочка сахара в чае? Если бы я бросил кубик сахара в чай, а затем наблюдал, как он растворяется, заморозил эту систему и воссоздал ее, поменяв местами все скорости всех молекул, кубик сахара снова соберется и затем выскочит из чашки?

Это называется «парадоксом Лоршмидта» и до тошноты обсуждается в физической литературе конца 19 века. Это очень интересно, но очень старо.

Ответы (1)

Отличный вопрос!

Во-первых, не все системы обладают симметрией обращения времени, наиболее распространенными примерами являются системы с внешним магнитным полем. Но это не настоящий ответ. Вопрос в том, если мы предположим, что микроскопические законы (в ваших примерах взаимодействие пушечного ядра с воздухом и взаимодействие сахара с водой) подчиняются симметрии обращения времени, то почему макроскопическая Вселенная явно не подчиняется этой симметрии?

Ответ приходит, когда мы имеем дело с большим количеством частиц. Если бы ваш пушечный шар столкнулся с одной молекулой воздуха (или с дюжиной), система была бы идеально симметричной по отношению к обращению времени. Однако при работе с макроскопическим числом ( 10 24 ) частиц, нельзя решить уравнения движения для всех частиц и следует использовать термодинамические соображения. А именно - энтропия должна возрастать по мере эволюции системы. Следовательно, макроскопические законы не симметричны относительно обращения времени, в отличие от микроскопических законов.

Это, как вы правильно сказали, результат нашего упрощения системы и нашей неспособности отслеживать движение отдельных молекул. Например, поскольку система пушечного ядра неизменна во времени, энергия сохраняется. Однако мы описываем передачу энергии от пушечного ядра воздуху (за счет сопротивления) как «тепло», а не как кинетическую энергию отдельных молекул. На самом деле мы говорим, что энергия, которая когда-то хранилась в степенях свободы, представляющих интерес (координаты шара), была передана степеням свободы, которые мы не можем отследить (координаты молекул воздуха). Тем не менее, он гарантированно сохраняется из-за микроскопической трансляционной симметрии времени.

Это подробно обсуждается здесь и здесь , а также во многих учебниках по термодинамике/статистике.

Я не говорю, что кто-то будет пытаться решить уравнения движения — я предлагаю реконструировать точные физические условия и заставить физику разыгрываться сами по себе.
Строго говоря, в классической механике ответ состоит в том, что динамика полностью обратима. Однако в реальном мире вы ограничены, даже теоретически, принципом неопределенности, не говоря уже о возмутительной невозможности реконструкции системы с обратными скоростями. Кроме того, динамика многих тел в общем случае хаотична, и бесконечно малые отклонения от начальных условий приведут к существенно иной эволюции.
@YohBS: хотя вы правы в том, что системы с внешним магнитным полем нарушают симметрию обращения времени, если вы обращаете время источника магнитного поля, вы получаете правильное обратное поведение. Только классическое поле Каона (если бы вы могли создать макроскопическое) нарушало бы T внутренне измеримо напрямую. Внутренние магнитные поля не нарушают Т-симметрию. Хорошо бы где-нибудь об этом четко сказать. Удивительно здесь то, что внешние статические поля, отличные от магнитных полей, не нарушают симметрию обращения времени, потому что они не вызваны движением.
@ Рон Маймон. Вы, конечно, правы в этом, но это второстепенный момент в моем ответе. Я отредактировал это сейчас.