Кіріспе

Статистикалық механикадан туындаған флуктуация теоремасы (ФТ) – қазіргі уақытта термодинамикалық тепе-теңдіктен (яғни ең жоғары энтропиядан) алшаққан жүйенің энтропиясының белгілі бір уақыт аралығында артуы немесе кемуінің салыстырмалы ықтималдығымен айналысады. Термодинамиканың екінші заңы оқшауланған жүйенің энтропиясы тепе-теңдікке жеткенше артуға бейім екенін болжайды. Алайда, статистикалық механиканың ашылуынан кейін екінші заңның тек статистикалық заң екендігі анықталды, яғни оқшауланған жүйенің энтропиясы спонтанды түрде кемуіне әрқашан нөлден өзгеше ықтималдық болуы керек. Флуктуация теоремасы осы ықтималдықты нақты анықтайды.

Тарих

FT алғаш рет 1993 жылы Денис Эванс, Э. Г. Д. Коэн және Гэри Моррис компьютерлік модельдеулерді пайдаланып ұсынды және тексерді. Бірінші туындысын Эванс пен Дебра Сирлз 1994 жылы берді. Содан бері, FT-нің әртүрлі статистикалық жиындықтарға қолданылатынын көрсету үшін көптеген математикалық және есептеу жұмыстары атқарылды. FT-ның дұрыстығын растауға арналған алғашқы зертханалық эксперимент 2002 жылы жүзеге асырылды. Бұл экспериментте пластик шар лазер сәулесімен ерітіндіде тартылды. Жылдамдық бойынша ауытқулар тіркелді, олар макроскопиялық жүйелер үшін термодинамиканың екінші заңының талаптарына қайшы келді. 2020 жылы Күн фотосферасының жоғары кеңістіктік және спектрлік ажыратымдылығымен жүргізілген бақылаулар, Күннің турбулентті конвекциясы флуктуациялық қатынаспен болжанған симметрияларды жергілікті деңгейде қанағаттандыратынын көрсетті.

Салдары

Флуктуация теоремасының көптеген маңызды салдары бар. Олардың бірі – кішкентай машиналар (наномашиналар немесе тіпті жасушадағы митохондриялар) уақытының бір бөлігін тіпті "кері" бағытта жұмыс істеуге жұмсайды. "Кері" дегеніміз – бұл кішкентай молекулалық машиналар қоршаған ортадан жылу алып, жұмыс жасай алатынын байқау мүмкіндігі. Бұл мүмкін, себебі жүйе сыртқы күштердің әсерінен жылулық тепе-теңдіктен ауытқанда, алға және кері өзгерістерге байланысты жұмыс флуктуацияларында симметриялық қатынас бар. Бұл Крукстың флуктуация теоремасымен болжанған нәтиже. Қоршаған ортаның өзі осы молекулалық машиналарды тепе-теңдіктен үнемі ауыстырып отырады, ал жүйеде тудыратын флуктуациялар өте маңызды, өйткені термодинамиканың екінші заңының айқын бұзылуын байқау ықтималдығы осы өлшемде маңызды болады. Бұл интуицияға қайшы, себебі макроскопиялық тұрғыдан қарағанда, бұл күрделі процестердің кері бағытта жүруін сипаттайды. Мысалы, реактивтік қозғалтқыш кері іске қосылып, қоршаған ортадан жылу мен газдарды сіңіріп, керосин мен оттегін өндіруі мүмкін. Алайда, мұндай жүйенің мөлшері осыны байқауды дерлік мүмкін емес етеді. Мұндай процесті микроскопиялық деңгейде байқауға болады, өйткені жоғарыда айтылғандай, "кері" траекторияны байқау ықтималдығы жүйенің мөлшеріне байланысты және тиісті өлшеу құралы болған жағдайда молекулалық машиналар үшін маңызды. Осыған байланысты оптикалық пинцеттер немесе атомдық күш микроскопы сияқты жаңа биофизикалық құралдар дамып келеді. Крукстың флуктуация теоремасы РНК-ның бүктелу эксперименттері арқылы расталған.

Лошмидт парадоксымен байланысы

Термодинамиканың екінші заңы, оқшауланған, тепе-теңдіксіз жүйенің энтропиясы азаюдың орнына немесе тұрақты болудың орнына көбейетінін болжайды, бұл классикалық және кванттық жүйелер үшін қозғалыс теңдеулерінің уақыт бойынша қайтымды болуымен көзге түсетін қайшылыққа ұшырайды. Қозғалыс теңдеулерінің уақыт бойынша симметриясы, егер уақытқа тәуелді физикалық процесті түсірсек, оның фильмін кері ойнату механика заңдарын бұзбайтынын көрсетеді. Көптеген жағдайларда, энтропияның артуына қатысты кез келген алға бағытталған траектория үшін, энтропияның азаюына қатысты уақытқа кері антитраектория бар делінеді, сондықтан егер жүйенің фазалық кеңістігінен кездейсоқ бастапқы күй таңдалып, жүйеге қатысты заңдарға сәйкес алға қарай дамытылса, энтропияның азаюы энтропияның артуымен бірдей ықтималды болуы керек. Бұл, энтропияның артуға бейімділігін болжайтын термодинамиканың екінші заңымен қарама-қайшы сияқты көрінеді. Уақыт симметриялы негізгі заңдардан кері қайтарылмайтын термодинамиканы тудыру мәселесі Лошмидт парадоксы деп аталады. Флуктуация теоремасының математикалық тұжырымы және әсіресе екінші заң теңсіздігі, тепе-теңдіксіз процесс үшін диссипация функциясының жиындық орташа мәні нөлден артық болатынын көрсетеді. Бұл нәтиже себеп-салдарлық байланысты талап етеді, яғни себеп (бастапқы шарттар) салдардан (диссипация функциясының мәні) бұрын болуы керек. Бұл мәселедегі 6-бөлімде нақты көрсетілген, онда механика заңдарын пайдаланып кейінгі күйден ертерек күйге экстраполяция жасауға болатыны көрсетілген, және осы жағдайда флуктуация теоремасы бізге ансамбльдің орташа диссипация функциясының теріс болатынын болжауға бағыттайды, бұл екінші заңға қарсы келеді. Бұл екінші болжау, шындықпен сәйкес келмейтін, себеп-салдарлық байланысқа қарсы келетін болжамды пайдалану арқылы алынады. Яғни, салдар (диссипация функциясының мәні) себепке (осы жерде бастапқы шарттар үшін кейінгі жағдай дұрыс емес пайдаланылған) бұрын келеді. Флуктуация теоремасы екінші заңның себеп-салдарлық байланыстың салдары екенін көрсетеді. Біз мәселені шешкенде бастапқы шарттарды белгілеп, механика заңдарына жүйені уақыт бойынша алға жылжытуға мүмкіндік береміз, біз соңғы шарттарды белгілеп, механика заңдарын уақыт бойынша кері жылжытуға мүмкіндік бермейміз.