미시적 가역성

물리학과 화학에서 미세한 가역성의 원리는 두 가지다.

• 첫째, 미세한 운동 방정식이 시간의 역행과 관련하여 대칭적이기 때문에 입자와 장의 미세한 세부 역학관계가 시간역전성이 있다고 명시한다.
• 둘째, 그것은 충돌, 초기 전환 또는 반응 등 기본적인 과정의 앙상블으로서 거시적 또는 중시경 시스템의 운동학적 특성에 대한 통계적 설명과 관련이 있다. 이러한 프로세스의 경우 현미경 T 대칭의 결과는 다음과 같다.

  모든 개별 공정에 대응되는 역 공정이 있으며, 평형 상태에서 모든 공정의 평균 속도는 역 공정의 평균 속도와 동일하다.^[1]

미시적 가역성의 역사

미세한 가역성의 개념은 물리적인 운동과 함께 탄생했다. 1872년 루드비히 볼츠만은 가스의 운동학을 기초 충돌의 통계적 앙상블으로서 표현했다.^[2] 역학 방정식은 시간이 지나면 되돌릴 수 있기 때문에 역방향 충돌은 같은 법칙을 따른다. 이러한 충돌의 가역성은 마이크로역전의 첫 번째 예다. 볼츠만에 따르면, 이러한 미세역전성은 충돌에 대한 상세한 균형 원리를 내포하고 있다: 평형 앙상블에서 각각의 충돌은 그것의 역방향 충돌에 의해 평형된다.^[2] 볼츠만의 이러한 사상은 리차드 C에 의해 상세하게 분석되어 일반화되었다. 톨먼.^[3]

화학에서 J. H. 반트 호프(1884)는 ^[4]평형에는 역동적인 성질이 있으며 전후반 반응률의 균형에 따른 결과라는 생각을 떠올렸다. 그는 기초적인 반응이 많은 반응 메커니즘을 연구하지 않았고 복잡한 반응에 대한 상세한 균형 원리를 공식화할 수 없었다. 1901년 루돌프 웩쉐이더는 복잡한 화학반응에 대한 상세균형의 원리를 도입하였다.^[5] 그는 복잡한 반응의 경우 상세 균형의 원칙이 서로 다른 반응에 대한 반응 속도 상수 사이의 중요하고 비경쟁적인 관계를 내포한다는 것을 발견했다. 특히, 그는 되돌릴 수 없는 반응 주기는 불가능하며, 가역 주기의 경우 ("시계 방향"에서) 전방 반응 상수의 산물이 ("반시계 방향"에서) 역반응 상수의 산물과 같다는 것을 증명했다. 라르스 온사거(1931)는 이러한 관계를 직접 인용하지 않고 다음과 같은 말과 함께 잘 알려진 작품에 사용했다.^[6]

"그러나 여기서 화학자들은 매우 흥미로운 추가 제한을 가하는 데 익숙하다. 즉, 평형에 도달했을 때 각각의 개별 반응은 스스로 균형을 이루어야 한다는 것이다. 그들은 ${\displaystyle \mathrm{전환}}$ $A{\displaystyle }$${\displaystyle }$→ B ${\디스플레이$ 스타일 $A\to B}$이(가) 역전환 B${\displaystyle }$→ ${\displaystyle A}$ {\$디스플레이$ 스타일 $B\to$ A$}$ 등과$$ 마찬가지로 자주 이루어져야 한다고 요구한다$$."

알버트 아인슈타인에 의해 개발된 방출과 흡수 양자 이론(1916, 1917)^[7]은 운동 이론의 새로운 분기의 개발에 미시적 반복성과 상세한 균형을 적용하는 예를 제시한다.

때때로, 세부 균형 원리는 좁은 의미로, 화학적 반응에 대해서만^[8] 공식화되지만, 물리학의 역사에서 그것은 광범위한 용도를 가지고 있다: 그것은 충돌, 퀀타의 방출과 흡수, 운송^[9] 과정과 많은 다른 현상에 사용되기 위해 발명되었다.

현대적인 형태로, 미시적 반복성의 원리는 루이스(1925년)에 의해 출판되었다.^[1] 고전 교과서에는^[3][10] 완전한 이론과 많은 적용 사례가 제시되어 있다.

시간 역학성

거시적 자기장이 없고 기준의 관성 프레임에서 뉴턴과 슈뢰딩거 방정식은 T-invariant이다: X(t)가 해결책이라면 X(-t)도 해결책이다(여기 X는 뉴턴 방정식의 입자 좌표와 구성의 파형 함수를 포함한 모든 동적 변수의 벡터다).슈뢰딩거 방정식을 위한 배뇨 공간).

이 규칙 위반의 원인은 두 가지다.

• 첫째, 역학이 자기장이나 회전 프레임의 회전 각 속도와 같은 유사 도구에 의존하는 경우, T 대칭은 유지되지 않는다.
• 둘째, 약한 상호작용의 마이크 물리학에서 T-대칭은 위반될 수 있으며 결합된 CPT 대칭만이 유지된다.

역학의 시간 경과성에 따른 거시적 결과

물리학과 화학에서 미시적 역학의 시간역전성에 따른 두 가지 거시적 결과, 즉 상세 균형 원리와 Onsager 호혜적 관계가 있다.

초기의 불가분의 사건(협치)의 앙상블로서 거시적 과정에 대한 통계적 설명은 L. 볼츠만에 의해 발명되어 볼츠만 방정식으로 공식화되었다. 그는 뉴턴 역학의 시간역전성이 충돌에 대한 상세한 균형으로 이어진다는 것을 발견했다: 평형 충돌은 그들의 역 충돌에 의해 평형 충돌로 평형된다. 이 원리는 볼츠만이 엔트로피 생산을 위한 간단하고 멋진 공식을 추론하고 그의 유명한 H-테오렘을 증명할 수 있게 했다.^[2] 이와 같이 미시적 가역성을 이용하여 거시적으로 불가역성을 입증하고 분자의 앙상블을 열역학적 평형체로 수렴하였다.

미시적 가역성의 또 다른 거시적 결과는 운동계수의 대칭성, 이른바 호혜관계다. 호혜관계는 톰슨과 헬름홀츠에 의해 19세기에 일부 현상에 대해 발견되었지만 일반론은 1931년 라르스 온사거에 의해 제안되었다.^[6] 그는 또한 호혜적 관계와 세부적인 균형 사이의 연관성을 발견했다. 질량 작용 법칙 방정식의 경우, 역수 관계는 상세 균형 조건의 결과로 평형 근접한 선형 근사치에 나타난다. 호혜 관계에 따르면 대칭 연산자의 스펙트럼이 실제적이기 때문에 열역학적 평형성에 가까운 균일한 폐쇄 시스템의 감쇠 진동은 불가능하다. 그러므로 그러한 시스템에서 평형으로의 이완은 평형에 충분히 가까우면 단조롭다.

참조

참고 항목

• 상세잔액
• 온사저 호혜 관계