Введение

Принцип микроскопической обратимости в физике и химии двоякий:
Во-первых, он утверждает, что микроскопическая детальная динамика частиц и полей обратима во времени, поскольку микроскопические уравнения движения симметричны относительно обращения времени (T-симметрия);
Во-вторых, он относится к статистическому описанию кинетики макроскопических или мезоскопических систем как совокупности элементарных процессов: столкновений, элементарных переходов или реакций. Для этих процессов следствием микроскопической T-симметрии является то, что каждому отдельному процессу соответствует обратный процесс, и в состоянии равновесия средняя скорость каждого процесса равна средней скорости его обратного процесса.

История микроскопической обратимости

Идея микроскопической обратимости возникла вместе с физической кинетикой. В 1872 году Людвиг Больцман представил кинетику газов как статистический ансамбль элементарных столкновений. Уравнения механики обратимы во времени, следовательно, обратные столкновения подчиняются тем же законам. Эта обратимость столкновений является первым примером микрообратимости. Согласно Больцману, эта микрообратимость подразумевает принцип детального баланса для столкновений: в равновесном ансамбле каждое столкновение уравновешивается его обратным столкновением. В химии, Й. Х. ван’т Гофф (1884) выдвинул идею о том, что равновесие имеет динамическую природу и является результатом баланса между скоростями прямой и обратной реакций. Он не изучал механизмы реакций, состоящие из множества элементарных реакций, и не мог сформулировать принцип детального баланса для сложных реакций. В 1901 году Рудольф Вегшейдер ввел принцип детального баланса для сложных химических реакций. Он обнаружил, что для сложной реакции принцип детального баланса подразумевает важные и нетривиальные соотношения между константами скорости реакций для различных реакций. В частности, он показал, что необратимые циклы реакций невозможны, а для обратимых циклов произведение констант прямых реакций (в направлении "по часовой стрелке") равно произведению констант обратных реакций (в направлении "против часовой стрелки"). Ларс Онсагер (1931) использовал эти соотношения в своей известной работе, без прямой цитаты, но со следующим замечанием: «Здесь, однако, химики привыкли налагать очень интересное дополнительное ограничение, а именно: когда достигается равновесие, каждая отдельная реакция должна быть сбалансирована. Они требуют, чтобы переход происходил так же часто, как и обратный переход и т.д.». Квантовая теория излучения и поглощения, разработанная Альбертом Эйнштейном (1916, 1917), представляет собой пример применения микрообратимости и детального баланса к развитию новой ветви кинетической теории. Иногда принцип детального баланса формулируется в узком смысле, только для химических реакций, но в истории физики он имеет более широкое применение: он был изобретен для столкновений, использовался для излучения и поглощения квантов, для транспортных процессов и для многих других явлений. В современной форме принцип микрообратимости был опубликован Льюисом (1925) и в этой работе представлены полная теория и множество примеров применения.

Макроскопические последствия реверсивности динамики во времени

В физике и химии существуют два основных макроскопических следствия временной обратимости микроскопической динамики: принцип детального равновесия и взаимные соотношения Онсагера. Статистическое описание макроскопического процесса как ансамбля элементарных неделимых событий (столкновений) было изобретено Л. Больцманом и формализовано в уравнении Больцмана. Он обнаружил, что временная обратимость ньютоновской динамики приводит к детальному равновесию для столкновений: в состоянии равновесия столкновения уравновешиваются обратными столкновениями. Этот принцип позволил Больцману вывести простую и изящную формулу для производства энтропии и доказать свою знаменитую H-теорему. Таким образом, микроскопическая обратимость была использована для доказательства макроскопической необратимости и сходимости ансамблей молекул к их термодинамическому равновесию. Другим макроскопическим следствием микроскопической обратимости является симметрия кинетических коэффициентов, так называемые взаимные соотношения. Взаимные соотношения были обнаружены в XIX веке Томсоном и Гельмгольцем для некоторых явлений, но общая теория была предложена Ларсом Онсагером в 1931 году. Он также установил связь между взаимными соотношениями и детальным равновесием. Для уравнений закона действующих масс взаимные соотношения возникают в линейном приближении вблизи равновесия как следствие условий детального равновесия. Согласно взаимным соотношениям, затухающие колебания в однородных замкнутых системах вблизи термодинамического равновесия невозможны, поскольку спектр симметричных операторов является вещественным. Следовательно, релаксация к равновесию в такой системе является монотонной, если она достаточно близка к равновесию.