Статистическая природа 2-го закона термодинамики

Итак, энтропия увеличивается... Предполагается, что это абсолютное утверждение об энтропии. Но затем кто-то представляет ящик с газом из 10 частиц и обнаруживает, что время от времени все частицы находятся слева. Вывод, 2-й закон выполняется только в статистическом смысле. Но затем Сцилард придумывает мысленный эксперимент только с одной частицей и поршнем, который может сжиматься влево или вправо. Кажущаяся потеря энтропии при нахождении частицы в левой половине компенсируется тем самым битом информации, который указывает, где находится частица.

Так что, возможно, второй закон действительно выполняется в абсолютном смысле, за исключением того, что...

Есть ли консенсус относительно абсолютной или статистической природы 2-го закона или он подлежит интерпретации? Можно ли решить вопрос в классической постановке или нужно идти квантовым путем?

Приложение: (согласно запросу Бена Кроуэлла) Вот бумага

Силард, Л., 1929, «Об уменьшении энтропии в термодинамической системе благодаря вмешательству разумных существ» , Zeitschrift fur Physik 53: 840–856. Английский перевод в Собрании сочинений Лео Сциларда: научные статьи, Б. Т. Фельд и Г. Вайс Сцилард (ред.), Кембридж, Массачусетс: MIT Press, 1972, стр. 103–129.

Не могли бы вы предоставить дополнительную информацию о том, что такое мысленный эксперимент Сциларда? Из того, что вы написали, не очень понятно.
Вы имеете в виду теорему о флуктуациях ? Это относится не только к квантовым системам.
ОП имеет в виду демона Максвелла.

Ответы (2)

Чтобы дать полный ответ на этот вопрос, требуется довольно много информации, поэтому я сначала приведу несколько ссылок, а затем подытожу, как они все подходят.

использованная литература

Соответствующие вопросы по физике SE

  1. Считает ли научное сообщество парадокс Лошмидта разрешенным? Если да, то какое разрешение?

  2. Теоретическое доказательство, запрещающее обращение Лошмидта?

  3. Возможен ли вечный двигатель второго рода в нанотехнологиях?

Обзорные документы

Есть две обзорные статьи, описывающие концепции, о которых я собираюсь рассказать:

  1. Севик, Э.М.; Прабхакар, Р.; Уильямс, Стивен Р.; Бернхардт, Дебра Джой, «Теоремы о флуктуациях», Annual Rev. of Phys. Chem., 59, pp. 603-633 (это платный доступ).

  2. ET Джейнс, "Гиббс против энтропий Больцмана", Am. Дж. Физ. 33, № 5, стр. 391-398, 1965 г., а также многие другие его работы в этой области.

  3. Чарльз Беннетт, «Термодинамика вычислений: обзор», Int. Ж. Теоретическая физика, 21 , 12, 1982 г.

И замечательный эксперимент, который фактически СОЗДАЕТ И ИСПЫТАЕТ демона Максвелла.

  1. Шоичи Тоябэ; Такахиро Сагава; Масахито Уэда; Эйро Мунеюки; Масаки Сано (29 сентября 2010 г.). «Информационная тепловая машина: преобразование информации в энергию с помощью управления с обратной связью». Физика природы 6 (12): 988–992. архив: 1009.5287. Бибкод: 2011NatPh...6..988T. дои: 10.1038/nphys1821 .

    «Мы продемонстрировали, что свободная энергия получается путем управления с обратной связью с использованием информации о системе; информация преобразуется в свободную энергию, что является первой реализацией демона Максвелла типа Силарда».


Теперь ваш вопрос

Теперь к вашему вопросу. Вы совершенно правы в своем заключении о статистической природе второго закона:

... Но затем кто-то представляет ящик с газом из 10 частиц и обнаруживает, что время от времени все частицы находятся слева. Вывод, 2-й закон выполняется только в статистическом смысле...

и действительно, различные теоремы о флуктуациях (см. страницу Википедии «Теорема о флуктуациях», а также обзорную статью «Теоремы о флуктуациях», которую я цитировал выше) количественно определяют вероятность наблюдения отклонений заданной «серьезности» от второго закона. По той причине, по которой вы ясно понимаете, чем меньше система, тем менее осмысленным становится ее описание в терминах «макроскопических» свойств, таких как температура, давление и т. д. (на самом деле эти величины можно рассматривать как параметр статистической совокупности ). , которые имеют все меньшее и меньшее значение для все меньших и меньших размеров выборки из этой совокупности).

Поэтому я думаю, что наиболее осмысленной версией второго закона для решения этого вопроса является классическое макроскопическое утверждение Карно о том, что «невозможно построить вечный двигатель второго рода». Особым свойством такого вечного двигателя является его периодичность во взаимодействии с окружающей средой: он совершает периодический цикл и, возвращаясь в исходную точку, и он, и окружающий мир находятся в одном и том же состоянии. Таким образом, невозможность вечного двигателя второго рода говорит о «невыигрыше в долгосрочной перспективе»: вы можете совершать небольшие преобразования тепла в однородной термодинамической температурной системе в полезную работу в краткосрочной перспективе за счет флуктуаций, но в в долгосрочной перспективе вы не можете. В конце концов, это экспериментфакт, и считается, что это связано с граничными условиями Вселенной.

Механизм Szilard и демоны Maxwell: информация физична

Давайте сначала посмотрим на машину Сциларда и демона Максвелла: последний был задуман Максвеллом, чтобы проиллюстрировать, что второй закон был «просто статистическим» и, кажется, нарушает второй закон, как и машина Сциларда. Действительно, они выигрывают в краткосрочной перспективе, но не в долгосрочной. Полное решение проблемы подробно обсуждается в статье Беннета, которую я цитировал выше, и причина, по которой они этого не делают, заключается в принципе Ландауэра : идея о том, что слияние двух вычислительных путей или стирание одного бита информации всегда стоит полезной работы, сумма, указанная к Б Т журнал 2 , куда к Б постоянная Больцмана и Т температура системы, выполняющей расчет.

Беннет изобрел полностью обратимые механические вентили («компьютеры с бильярдными шарами»), состояние которых можно опрашивать без затрат энергии, а затем использовал такие механические вентили для мысленно-экспериментального изучения машины Сциларда и для демонстрации того, что предел Ландауэра возникает не из-за затрат на поиск из состояния системы (как изначально предполагал Сциллард), а из-за необходимости постоянно «забывать» прежние состояния движка.

Более тщательное исследование этой идеи, как это также сделано в статье Беннета: действительно можно построить демона Максвелла с помощью простых конечных автоматов в лаборатории, как описано в статье Nature, которую я цитировал. Поскольку демон преобразует тепло в работу, он должен записывать последовательность битов, описывающую, с какой стороны двери демона (или поршня двигателя, для эквивалентного обсуждения двигателя Сциларда) находились молекулы. Для машины с конечной памятью нужно в конечном итоге стереть память, чтобы машина могла продолжать работать.

Однако «информация» в конечном счете не абстрактна — ее нужно «написать какими-то чернилами», можно сказать, — и эти чернила — это состояния физических систем. Фундаментальные законы физики обратимы, так что в принципе можно вычислить любое предыдущее состояние системы на основе полного знания любого будущего состояния — информация не теряется . Таким образом, если память конечного автомата стирается, информация, закодированная в этой памяти, должна проявиться, каким-то образом записанная, как изменения в состояниях физической системы, составляющей и окружающей физическую память.

Итак, теперь эти физические состояния ведут себя точно так же, как память компьютера: в конце концов эти физические состояния не могут больше кодировать информацию, и повышенная термодинамическая энтропия этой физической системы должна быть выброшена из системы с затратами работы, требуемыми вторым законом, прежде чем Демон может продолжать работать. Необходимость в этой работе порождена необходимостью стирания информации и является окончательным обоснованием принципа Ландауэра.

Szilard Engine и Daemon «выигрывают» в краткосрочной перспективе, потому что они не являются по-настоящему циклическими: они меняют состояния памяти: второй закон преобладает, когда эта память также возвращается в исходное состояние.

Еще одна иллюстрация нециклического нарушения второго закона

Другой иллюстрацией важности истинных циклов при рассмотрении второго закона является «уловка», с помощью которой можно извлечь ВСЮ энтальпию химической реакции как полезную работу, ЕСЛИ у вас есть последовательность более холодных резервуаров, которые можно использовать следующим образом: (1) Понизьте температуру реагентов до абсолютного нуля, отводя тепло от реагентов в резервуары, (2) Дайте реакции протекать при абсолютном нуле, таким образом извлекая всю энтальфию реагентов в виде работы, а затем (3) Используйте последовательность резервуаров с повышением температуры, чтобы вернуть продукты реакции к начальной температуре. Дело в том, что часть энтальпий образования теперь останется в холодных резервуарах, и поэтому система не прошла полный цикл. Нельзя делать это бесконечно: холодные резервуары в конечном итоге нагреются, если делать это неоднократно. Вы можете «выиграть» с небольшими количествами реагентов, но вы не можете делать это бесконечно, потому что вы ухудшаете систему: работа, необходимая для восстановления холодных резервуаров до их исходного состояния, тогда равна разнице между энтальпией реакции и свободной энергией. энергия.

«Доказательства» второго закона

Э. Т. Джейнс попытался строго связать теорию информации с термодинамикой и критически исследовал больцмановскую концепцию энтропии. В частности, «stosszahlansatz» Больцмана (предположение о молекулярном хаосе) часто можно применить только один раз, поскольку более поздние изменения в системе оставляют состояния молекул газа коррелированными, таким образом порождая разницу между Гиббсом (информационным) и Больцманом (« экспериментальные», т. е. определенные только при наличии больших систем) энтропии, причем первая неизменна в таких вещах, как необратимые изменения объема, а вторая всегда увеличивается. Итак, исходя из предположения о молекулярном хаосе, можно однажды доказатьчто больцмановская энтропия должна возрастать при необратимом изменении. Но необратимое изменение и корреляция между составными частями системы, которые оно порождает, означают, что нельзя снова применить предположение о молекулярном хаосе и повторить доказательство, пока не будет найдено объяснение того, как система возвращается в состояние, когда состояния всех ее составляющих части не коррелированы. См. документы Джейнса в моих ссылках: Джейнс в конце концов утверждает, что нужно обращаться к эксперименту, чтобы подтвердить крупномасштабный второй закон термодинамики.

Таким образом, в конечном итоге может показаться, что утверждение о том, что больцмановская энтропия системы всегда возрастает в долгосрочной перспективе, может быть подтверждено только экспериментально. Почему энтропия системы всегда увеличивается, когда физические законы так же справедливы при движении времени в обратном направлении, называется «парадоксом Лошмидта». Было проделано много работы, чтобы понять это, и все согласны с тем, что ответ связан с «граничными условиями» Вселенной — грубо говоря, Вселенная находилась (наблюдаемый факт) в состоянии исключительно низкой энтропии при большом взрыва, и поэтому наиболее вероятная история — это история, в которой энтропия возрастает с течением времени. Но как и почему возникло это низкоэнтропийное состояние, насколько я понимаю, является одной из глубоких загадок современной физики. Хороший мирянин' Краткое изложение того, почему у нас есть второй закон термодинамики, почему энтропия является до некоторой степени субъективным понятием, и обсуждение этой глубокой тайны можно найти в главе 27 книги Роджера Пенроуза «Дорога к реальности». Я настоятельно рекомендую вам посмотреть на эту ссылку.

Большое спасибо за обстоятельный и познавательный ответ.
@yrodro Рад, что тебе понравилось. Это очень интересный и тонкий материал. Я также чрезвычайно ценю маленькую доброту признания - это очень много значит.
Ух ты. Какой ответ. :) Что касается вашего последнего раздела ... H-теорему можно доказать, предполагая только подробный баланс и марковианство (оба из которых справедливы для всех законов физики). Также 2-й закон следует из теоремы о флуктуациях для энтропии, которая в свою очередь может быть выведена микроскопически без каких-либо дополнительных предположений. Почему вы считаете, что это не доказательство 2-го закона?
@Bubble Можете ли вы указать мне на конкретный случай доказательства теоремы H? Моим опытом в этой области является, в основном, отчет Э. Т. Джейнса, на который я наткнулся всего несколько лет назад, когда исследовал модель Джейнса-Камминга квантованного поля и двухуровневого взаимодействия атомов в квантовой оптике (вообще не связанной со вторым законом). Кроме того, я просматриваю документы, цитируемые в вашем ответе: прошло некоторое время с тех пор, как я видел аргументы теоремы H, поэтому мне нужно обновить, прежде чем отвечать. IIRC некоторые из тех, что я видел, действительно нуждаются в повторяющихся предположениях о «хаосе» (статистическая независимость избирателей) ...
.... и слегка упущенные корреляции. Что касается моего "чувства" по поводу всего этого - чем больше я думаю о вероятности и статистических рассуждениях, тем больше я чувствую, что вероятность, вероятно :), имеет большой путь для решения некоторых фундаментальных вопросов (вам нужно только заглянуть в Стэнфордский словарь Философия, основанная на принципах вероятности, полностью поджарит ваш мозг), поэтому я думаю, что экспериментальные данные, как правило, очень важны.
Упс... Доказательство, которое я помню, взято из моих лекций для студентов. Это похоже на то, что описано в википедии, en.wikipedia.org/wiki/Boltzmann%27s_H-theorem . Поискав в Интернете, я нашел эту статью фон Неймана, arxiv.org/abs/1003.2133 . Просматривая ее, я думаю, что она выполняет свою работу. без всяких предположений.
Дорогая Селена, я просто хотел поблагодарить вас за этот фантастически подробный обзор парадокса Лошмидта и его загадочной связи со статистической энтропией Больцмана, а также за связь между информацией и тепловыми двигателями.

Я предполагаю, что вы имеете в виду демона Максвелла, хотя я не понимаю, как это связано с вашими вопросами, а именно:

Есть ли консенсус относительно абсолютной или статистической природы 2-го закона или он подлежит интерпретации? Можно ли решить вопрос в классической постановке или нужно идти квантовым путем?

2-й закон статистический. Никто после работы Больцмана не считал ее абсолютной (т. е. не статистической).

H-теорема Больцмана доказывает 2-й закон как для классических, так и для квантово-микроскопических законов. Хотя, видимо, кому-то это доказательство (почему-то) не нравится. Есть и другие способы доказать это. Например, можно сначала вывести теорему о флуктуациях , которая напрямую подразумевает второй закон, из микроскопической физики. Это можно сделать как для классических, так и для квантовых микроскопических законов. Вывод в квантовом случае см. в этой обзорной статье «Неравновесные флуктуации, теоремы о флуктуациях и статистика подсчета в квантовых системах» Эспозито, Харболы и Мукамеля, Rev. Mod. физ. 81, 1665–1702 (2009), архив: 0811.3717

Вот несколько слайдов от Эванса, Уильямса и Сирлза для классического случая.

РЕДАКТИРОВАТЬ: исправлены фактические неточности

Фактические неточности: (1) Все считали второй закон абсолютным, вплоть до Больцмана. (2) Демон Максвелла разрешается по принципу Ландауэра. Ему не нужно увеличивать энтропию до тех пор, пока не закончится память и он не начнет стирать биты, после чего он должен увеличить энтропию своего окружения, а не самого себя. (3) H-теорема Больцмана предназначена только для идеальных газов и не имеет большого отношения к общему случаю.
+1 Вы определенно ответили на вопрос ОП, но я пока не уверен в доказательствах! Я обязательно посмотрю ваши документы. Работа Сирлза мне довольно знакома, но я бы не сказал, что у меня очень глубокое понимание флуктуаций.
@Натаниэль, спасибо! Я исправил (1) и (2), но не вижу, как H-теорема применима только к идеальным газам. Не могли бы вы объяснить?
@Bubble это потому что ЧАС в Н-теореме Больцмана не учитываются межчастичные силы. Более подробную информацию можно найти в этой классической статье , которая также содержит прекрасное объяснение того, как второй закон возникает из микроскопической обратимости, несмотря на то, что материал о флуктуационной теореме появился на несколько десятилетий раньше.