Termodinamikte, zaman önemli midir yoksa önemli değil midir? Aslında bu bir paradokstur

Başlangıç

Termodinamiğin 2. yasası, zamanın önemli olduğunu belirtir, çünkü işler zamanla daha düzensiz hale gelir; fakat zaman simetrisi kavramı, zamanın bir önemi olmadığını belirtir, çünkü bazı fiziksel süreçlerin başına gelen her şey, ters fiziksel süreç tarafından tersine çevrilebilir.

Loschmidt’ten önce

1874’te Loschmidt gazetesinden iki yıl önce, William Thomson, ikinci yasayı sınırlama yasasına karşı savundu.

Paradoks

Loschmidt’in tersinir paradoksu, tersinmezlik paradoksu ya da Umkehreinwand olarak da bilinen paradoksu, zaman-simetrik dinamiklerden geri döndürülemez bir süreci ortaya çıkarmanın mümkün olmamasının itirazıdır. Bu, zaman içinde bilinen tüm düşük seviyeli temel fiziksel süreçlerin (neredeyse) ters simetrisinin yanı sıra, makro-termik sistemlerin davranışını tanımlayan ikinci termodinamik yasayı terk etme çabasıyla çelişir. Her ikisi de fizikte tanınmış, sağlam gözlemsel ve teorik destekle ilkelerdir, ancak maalesef çatışırlar; bu yüzden paradoks oluşur.

Menşei / Kaynak

Josef Loschmidt’in eleştirisi Boltzmann’ın H-teoremi tarafından kışkırtıldı; Bu teori, gaz moleküllerinin çarpışmasına izin verildiğinde, denge olmayan bir halde, ideal bir gazda entropinin artışını açıklamak için kullanılan kinetik teoridir.

1876’da Loschmidt, t0 zamanından t1 zamanına kadar bir sistemin bir hareketinin zamanla H’nin (entropi artışı) istikrarlı bir düşüşüne yol açtığı zaman, harekete geçirilen başka bir hareket halinin var olduğuna işaret etmiştir. t1’deki sistem, H’nin artması gereken tüm hızları tersine çevirerek bulunur. Bu, Boltzmann’ın temel varsayımlarının, moleküler kaosun ya da Stosszahlansatz’ın, tüm parçacık hızlarının tamamen ilgisiz olduğunu, Newton dinamiklerini takip etmediğini ortaya çıkarmıştır. Olası korelasyonların ilgisiz olduğunu ve dolayısıyla bunları göz ardı etmeye karar verdiklerini ileri sürebiliriz; ama eğer böyle yapılırsa, kavramsal sistemi değiştirilmiş, bu eylemle zaman-asimetri unsuru enjekte edilmiştir.

Tersine çevrilebilir eylemin yasaları, dünyamızı, nispeten düşük entropi durumunda (evrensel ısı ölümünün denge entropisine kıyasla) şu ana kadar deneyimlediğimizi açıklayamaz; ve ayrıca geçmişte daha da az entropi vardı.

Johann Josef Loschmidt, Kredi: Wikimedia Commons

Zaman oku

Zaman oku ya da zamanın oku, zamanın geçmiş ve gelecek arasındaki yönünü belirtmekte kullanılan bir kavramdır. Pek çok bilim alanında kullanımına rastlanır. Zamanın tek yönlü olduğunu keşfetsek de elektromanyetik ve mekanik yasalar geçmiş ve gelecek ayrımı yapmazlar.

Loschmidt’in paradoksu, zaman-simetrik temel yasalarının verilen zamanın termodinamik bir oku olabileceği sorusuna eşdeğerdir, çünkü zaman-simetri, bu temel yasalarla uyumlu diğer herhangi bir sürecinkine benzer bir ters versiyona işaret eder.

Dinamik sistemler

Dinamik sistemlerde yapılan güncel araştırmalar, tersinir sistemlerden geri dönüşümsüzlük elde etmek için olası bir mekanizma sağlar. Merkezi argüman, makroskobik sistemlerin dinamiklerini incelemek için doğru yolun, hareketin mikroskobik denklemlerine karşılık gelen transfer operatörünü incelemektir. Aktarım operatörünün üniter olmadığı (yani tersine çevrilemez) olduğu ancak büyüklüğü bir kattan daha az olan özdeğerleri olduğu; çürüyen fiziksel durumlara karşılık gelen bu özdeğerler. Bu yaklaşım çeşitli zorluklarla doludur; tam olarak çözülebilir modellerin sadece bir avucu için iyi çalışır.

Enerji tüketen sistemlerin çalışmasında kullanılan soyut matematiksel araçlar, genel olarak karıştırma, göçmen kümeleri ve ergodik teori tanımlarını içerir.

Büyük patlama

Loschmid’in paradoksunu ele almanın bir başka yolu da, ikinci yasayı, evrenin zaman koordinatının düşük bir entropi başlangıç ​​noktasına sahip olduğu bir dizi sınır koşulunun bir ifadesi olarak görmektir: Büyük Patlama. Bu perspektiften, zaman okları, Büyük Patlama’dan uzağa doğru tamamen belirlenir ve Büyük Patlama ile bir varsayımsal evrenin maksimum entropisinin zaman okları yoktur. Kozmik enflasyon teorisi, ilk evrenin neden bu kadar düşük entropiye sahip olduğunu açıklamaya çalışır.