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定理解释了为什么热量和功率等量会在微观系统中波动

热力学第二定律指出,一个孤立系统的总熵总是趋于随时间增加直到达到最大值。换句话说,在没有外部干预的情况下,组织混乱加剧。电气设备不可避免地会发热,因为一部分能量以热量的形式散发,而不是用于机械工作,并且物体会随着时间的推移而变质,但不会自发地再生。

但是,这种直观的熵性质不一定适用于微观世界。因此,物理学家通过赋予第二统计定律一个统计上的扭曲来重新解释它:熵确实增加了,但是有时它会减小的可能性不为零。

例如,在某些情况下,代替热量从热的物体流到冷的物体,它可能从冷的物体流到热的物体。波动定理(FTs)精确地量化了这种可能性,这个问题对于纳米机器的操作具有实际意义。FT是在1993年《Physical Review Letters》上发表的文章中首次提出的。这篇文章是由澳大利亚科学家Denis Evans和Gary Morriss以及荷兰科学家Ezechiel Cohen撰写的。他们使用计算机仿真测试了这些定理之一。

最近在同一期刊上发表的一篇文章表明,FT的一个后果是热力学不确定性关系,该关系涉及热力学量值(例如热量,功和功率)的波动。新文章的标题是“来自交换波动定理的热力学不确定性关系”。

第一作者是巴西圣保罗州农行联邦大学(UFABC)教授安德烈·蒂姆帕纳罗。该研究的主要研究者是圣保罗大学物理研究所(IF-USP)的教授加布里埃尔·兰迪(Gabriel Landi)。都柏林三一学院物理系(爱尔兰)的Giacomo Guarnieri和John Goold也参加了会议。

不确定关系

兰迪说:“到目前为止,热力学不确定性关系的物理起源还不清楚。我们的研究表明,它们可以源自FT。”

“当我们开始研究热力学时,我们必须处理诸如热量,功和功率之类的问题,我们总是为其分配固定的值。我们从没有想过它们会波动,但是它们确实会波动。在微观世界中,这些波动是相关的。例如,它们可能会影响纳米级机器的运行。热力学不确定性关系为这些波动确定了下限,并将其与其他数量(例如系统大小)联系起来。”

热力学不确定性关系是由德国斯图加特大学的Udo Seifert领导的一组研究人员于2015年发现的。安德烈·卡多索·巴拉托(AndréCardoso Barato)曾是IF-USP的学生,目前是美国休斯敦大学的教授。

这些关系的数学结构类似于海森堡的不确定性原理,但与量子物理学无关。它们纯粹是热力学的。兰迪说:“热力学不确定性关系的性质从来都不十分清楚。” “我们的主要贡献是表明它们源自FTs。我们相信FTs更笼统地描述了热力学的第二定律,并且热力学不确定性关系是FTs的结果。”

根据兰迪(Landi)的说法,热力学第二定律的这种概括将热力学量视为可以波动(尽管不是任意地波动)的实体,因为它们必须服从某些对称性。他说:“有几个波动定理。” “我们发现了一类特殊的FT,并把它们作为数学对称的例子加以关注。通过这种方式,我们将问题转化为数学问题。我们的主要结果是概率论定理。”

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