Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
The fluctuation theorem (FT), which originated from statistical mechanics, deals with the relative probability that the entropy of a system which is currently away from thermodynamic equilibrium (i. e., maximum entropy) will increase or decrease over a given amount of time. While the second law of thermodynamics predicts that the entropy of an isolated system should tend to increase until it reaches equilibrium, it became apparent after the discovery of statistical mechanics that the second law is only a statistical one, suggesting that there should always be some nonzero probability that the entropy of an isolated system might spontaneously decrease; the fluctuation theorem precisely quantifies this probability.
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.
The FT was first proposed and tested using computer simulations, by Denis Evans, E. G. D. Cohen and Gary Morriss in 1993. The first derivation was given by Evans and Debra Searles in 1994. Since then, much mathematical and computational work has been done to show that the FT applies to a variety of statistical ensembles. The first laboratory experiment that verified the validity of the FT was carried out in 2002. In this experiment, a plastic bead was pulled through a solution by a laser. Fluctuations in the velocity were recorded that were opposite to what the second law of thermodynamics would dictate for macroscopic systems. In 2020, observations at high spatial and spectral resolution of the solar photosphere have shown that solar turbulent convection satisfies the symmetries predicted by the fluctuation relation at a local level.
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.
There are many important implications from the fluctuation theorem. One is that small machines (such as nanomachines or even mitochondria in a cell) will spend part of their time actually running in "reverse". What we mean by "reverse" is that it is possible to observe that these small molecular machines are able to generate work by taking heat from the environment. This is possible because there exists a symmetry relation in the work fluctuations associated with the forward and reverse changes a system undergoes as it is driven away from thermal equilibrium by the action of an external perturbation, which is a result predicted by the Crooks fluctuation theorem. The environment itself continuously drives these molecular machines away from equilibrium and the fluctuations it generates over the system are very relevant because the probability of observing an apparent violation of the second law of thermodynamics becomes significant at this scale. This is counterintuitive because, from a macroscopic point of view, it would describe complex processes running in reverse. For example, a jet engine running in reverse, taking in ambient heat and exhaust fumes to generate kerosene and oxygen. Nevertheless the size of such a system makes this observation almost impossible to occur. Such a process is possible to be observed microscopically because, as it has been stated above, the probability of observing a "reverse" trajectory depends on system size and is significant for molecular machines if an appropriate measurement instrument is available. This is the case with the development of new biophysical instruments such as the optical tweezers or the atomic force microscope. Crooks fluctuation theorem has been verified through RNA folding experiments.
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.
The second law of thermodynamics, which predicts that the entropy of an isolated system out of equilibrium should tend to increase rather than decrease or stay constant, stands in apparent contradiction with the time reversible equations of motion for classical and quantum systems. The time reversal symmetry of the equations of motion show that if one films a given time dependent physical process, then playing the movie of that process backwards does not violate the laws of mechanics. It is often argued that for every forward trajectory in which entropy increases, there exists a time reversed anti trajectory where entropy decreases, thus if one picks an initial state randomly from the system's phase space and evolves it forward according to the laws governing the system, decreasing entropy should be just as likely as increasing entropy. It might seem that this is incompatible with the second law of thermodynamics which predicts that entropy tends to increase. The problem of deriving irreversible thermodynamics from time symmetric fundamental laws is referred to as Loschmidt's paradox. The mathematical derivation of the fluctuation theorem and in particular the second law inequality shows that, for a nonequilibrium process, the ensemble averaged value for the dissipation function will be greater than zero. This result requires causality, i. e. that cause (the initial conditions) precede effect (the value taken on by the dissipation function). This is clearly demonstrated in section 6 of that paper, where it is shown how one could use the same laws of mechanics to extrapolate backwards from a later state to an earlier state, and in this case the fluctuation theorem would lead us to predict the ensemble average dissipation function to be negative, an anti second law. This second prediction, which is inconsistent with the real world, is obtained using an anti causal assumption. That is to say that effect (the value taken on by the dissipation function) precedes the cause (here the later state has been incorrectly used for the initial conditions). The fluctuation theorem shows how the second law is a consequence of the assumption of causality. When we solve a problem we set the initial conditions and then let the laws of mechanics evolve the system forward in time, we don't solve problems by setting the final conditions and letting the laws of mechanics run backwards in time.