Кіріспе

Физика мен химиядағы микроскопиялық кері айналу принципі екі еселі: Біріншіден, ол бөлшектер мен өрістердің микроскопиялық толық динамикасы уақыт бойынша кері айналатындығын көрсетеді, себебі микроскопиялық қозғалыс теңдеулері уақыт инверсиясына қатысты симметриялы (T симметриясы); Екіншіден, ол макроскопиялық немесе мезоскопиялық жүйелердің кинетикасын элементарлық процестер жиынтығы ретінде статистикалық тұрғыдан сипаттаумен байланысты: соқтығысулар, элементарлық өтулер немесе реакциялар. Осы процестер үшін микроскопиялық T симметриясының салдары: әрбір жеке процеске сәйкес кері процесс болады, ал тепе-теңдік күйінде әрбір процестің орташа жылдамдығы оның кері процесінің орташа жылдамдығымен тең.

Микроскопиялық қайта қалпына келтірудің тарихы

Микроскопиялық кері айналу идеясы физикалық кинетикамен бірге туды. 1872 жылы Людвиг Болцман газдар кинетикасын элементарлық соқтығысулардың статистикалық жиынтығы ретінде көрсетті. Механика теңдеулері уақыт бойынша кері айналатындықтан, кері соқтығысулар да сол заңдарға бағынады. Соқтығысудың осы кері айналуы – микрокері айналудың алғашқы мысалы. Болцман пікірінше, бұл микрокері айналу соқтығысулар үшін толыққанды тепе-теңдік принципін білдіреді: тепе-теңдік жиынтығында әрбір соқтығысу кері соқтығысумен тепе-теңдікке келеді. Химияда Ж.Х. ван’т Хофф (1884) тепе-теңдіктің динамикалық сипатқа ие екенін және ол тікелей және кері реакция жылдамдықтары арасындағы тепе-теңдіктің нәтижесі екенін айтты. Ол көптеген элементарлық реакцияларды қамтитын реакция механизмдерін зерттемеді және күрделі реакциялар үшін толыққанды тепе-теңдік принципін формулировать ете алмады. 1901 жылы Рудольф Вегшейдер күрделі химиялық реакциялар үшін толыққанды тепе-теңдік принципін енгізді. Ол күрделі реакция үшін толыққанды тепе-теңдік принципі әртүрлі реакциялар үшін реакция жылдамдығы константалары арасындағы маңызды және тривиальды емес қатынастарды білдіреді екенін тапты. Атап айтқанда, ол кері қайтарылмайтын реакция циклдерінің мүмкін еместігін және кері қайтарылатын циклдар үшін тікелей реакциялар константаларының көбейтіндісі («сағат тілі» бағытында) кері реакциялар константаларының көбейтіндісіне («сағат тіліне қарсы» бағытында) тең екенін көрсетті. Ларс Онсагер (1931) өзінің танымал еңбегінде осы қатынастарды тікелей сілтеме жасамай, бірақ мынадай ескертумен қолданды: «Бұл жерде, алайда, химиктер өте қызықты қосымша шектеуді қолдануға үйренген, атап айтқанда: тепе-теңдікке жеткен кезде әрбір жеке реакция өзін-өзі теңестіруі керек. Олар ауысудың кері ауысу сияқты жиі болуын талап етеді». Альберт Эйнштейн (1916, 1917) әзірлеген эмиссия және сіңірудің кванттық теориясы кинетикалық теорияның жаңа саласын дамытуға микрокері айналу мен толыққанды тепе-теңдікті қолданудың мысалы болып табылады. Кейде толыққанды тепе-теңдік принципі химиялық реакциялар үшін ғана тар мағынада формулируется, бірақ физика тарихында ол кеңірек қолданысқа ие: ол соқтығысулар үшін ойлап табылды, кванттарды эмиссиялау және сіңіру үшін, тасымалдау процестері үшін және көптеген басқа құбылыстар үшін пайдаланылды. Қазіргі заманғы түрінде микрокері айналу принципі Льюис (1925) жариялады. Толық теориясы және көптеген қолдану мысалдары ұсынылған.

Динамиканың уақытпен кері айналуының макроскопиялық салдары

Физика мен химияда микроскопиялық динамиканың уақыт бойынша қайтымдылығының екі негізгі макроскопиялық салдары бар: егжей-тегжейлі тепе-теңдік принципі және Онсагердің өзара байланыс қатынастары. Л. Болцман макроскопиялық процестің элементарлық бөлінбес оқиғалардың (соқтығысулардың) жиынтығы ретінде статистикалық сипаттамасын ойлап тапты және оны Болцман теңдеуінде формалдады. Ол Ньютон динамикасының уақыт бойынша қайтымдылығы соқтығысулардың егжей-тегжейлі тепе-теңдігіне алып келетінін анықтады: тепе-теңдікте соқтығысулар өздеріне кері соқтығысуларымен тепе-теңдестіріледі. Бұл принцип Болцманға энтропия өндірісінің қарапайым және әдемі формуласын тудыруға және оның әйгілі H теоремасын дәлелдеуге мүмкіндік берді. Осылайша, микроскопиялық қайтымдылық макроскопиялық қайтымсыздық пен молекулалар жиынтығының термодинамикалық тепе-теңдігіне жуықтауын дәлелдеу үшін қолданылды. Микроскопиялық қайтымдылықтың тағы бір макроскопиялық салдары – кинетикалық коэффициенттердің симметриясы, яғни өзара байланыс қатынастары. Өзара байланыс қатынастарын 19 ғасырда Томсон мен Гельмгольц кейбір құбылыстар үшін ашты, бірақ жалпы теорияны 1931 жылы Ларс Онсагер ұсынды. Ол сондай-ақ өзара байланыс қатынастары мен егжей-тегжейлі тепе-теңдік арасындағы байланысты тапты. Масса әрекеті заңының теңдеулері үшін өзара байланыс қатынастары тепе-теңдікке жақын сызықтық жуықтауда егжей-тегжейлі тепе-теңдік шарттарының салдары ретінде пайда болады. Өзара байланыс қатынастарына сәйкес, термодинамикалық тепе-теңдікке жақын біртекті жабық жүйелердегі демпферленген тербелістер мүмкін емес, себебі симметриялық операторлардың спектрі нақты болады. Сондықтан, егер жүйе тепе-теңдікке жеткілікті жақын болса, онда оның тепе-теңдікке дейінгі релаксациясы монотонды болады.