De tweede wet van de thermodynamica stelt dat de totale entropie van een geïsoleerd systeem altijd de neiging heeft om in de loop van de tijd toe te nemen totdat deze een maximum bereikt. Met andere woorden, desorganisatie neemt toe zonder tussenkomst van buitenaf. Elektrische apparatuur warmt onvermijdelijk op als een deel van de energie wordt afgevoerd in de vorm van warmte in plaats van te worden gebruikt voor mechanisch werk, en objecten verslechteren in de loop van de tijd, maar regenereren niet spontaan.

Echter, deze intuïtieve aard van entropie is niet noodzakelijk van toepassing op de microscopische wereld. Natuurkundigen hebben daarom de tweede wet geherinterpreteerd door er een statistische draai aan te geven:entropie neemt inderdaad toe, maar er is een niet-nulwaarschijnlijkheid dat deze soms kan afnemen.

Bijvoorbeeld, in plaats van warmte die van een heet lichaam naar een koud lichaam stroomt, zoals gewoonlijk, het kan in bepaalde situaties van een koud lichaam naar een heet lichaam stromen. Fluctuatiestellingen (FT's) kwantificeerden deze kans met precisie, en de kwestie heeft praktisch belang met betrekking tot de werking van machines op nanoschaal. FT's werden voor het eerst voorgesteld in een artikel dat in 1993 werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Het artikel is geschreven door de Australische wetenschappers Denis Evans en Gary Morriss en de Nederlandse wetenschapper Ezechiel Cohen. Ze testten een van deze stellingen met behulp van computersimulaties.

Een recent gepubliceerd artikel in hetzelfde tijdschrift laat zien dat een gevolg van FT's thermodynamische onzekerheidsrelaties zijn, die fluctuaties in de waarden van thermodynamische grootheden zoals warmte, werk en macht. De titel van het nieuwe artikel is "Thermodynamische onzekerheidsrelaties van wisselkoersschommelingen".

De eerste auteur was André Timpanaro, een professor aan de Federale Universiteit van ABC (UFABC), staat São Paulo, Brazilië. De hoofdonderzoeker van het onderzoek was Gabriel Landi, een professor aan het Physics Institute van de Universiteit van São Paulo (IF-USP). Giacomo Guarnieri en John Goold, verbonden aan Trinity College Dublin's Physics Department (Ierland), ook deelgenomen.

Onzekerheidsrelaties

"De fysieke oorsprong van thermodynamische onzekerheidsrelaties was tot nu toe onduidelijk. Onze studie laat zien dat ze kunnen worden afgeleid van FT's, ' zei Landi.

"Toen we thermodynamica begonnen te bestuderen, hadden we te maken met hoeveelheden als warmte, werk en macht, waaraan we altijd vaste waarden toekenden. We hadden nooit gedacht dat ze konden fluctueren, maar dat doen ze. In de microscopische wereld, deze schommelingen zijn relevant. Ze kunnen de werking van een machine op nanoschaal beïnvloeden, bijvoorbeeld. Thermodynamische onzekerheidsrelaties vormen een bodem voor deze fluctuaties, koppelen aan andere hoeveelheden, zoals systeemgrootte."

Thermodynamische onzekerheidsrelaties werden in 2015 ontdekt door een groep onderzoekers onder leiding van Udo Seifert van de universiteit van Stuttgart in Duitsland. André Cardoso Barato, een voormalig student aan IF-USP en momenteel een professor aan de Universiteit van Houston (VS), deelgenomen aan de ontdekking.

De wiskundige structuur van deze relaties lijkt op die van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, maar ze hebben niets te maken met kwantumfysica; ze zijn puur thermodynamisch. "De aard van thermodynamische onzekerheidsrelaties is nooit erg duidelijk geweest, " zei Landi. "Onze belangrijkste bijdrage was om te laten zien dat ze afkomstig zijn van FT's. Wij geloven dat FT's de tweede wet van de thermodynamica meer in het algemeen beschrijven en dat thermodynamische onzekerheidsrelaties een gevolg zijn van FT's."

Volgens Landi, deze generalisatie van de tweede wet van de thermodynamica behandelt thermodynamische grootheden als entiteiten die kunnen fluctueren, hoewel niet willekeurig, omdat ze bepaalde symmetrieën moeten gehoorzamen. "Er zijn verschillende fluctuatiestellingen, " zei hij. "We vonden een speciale klasse van FT's en concentreerden ons op hen als gevallen van wiskundige symmetrie. Op deze manier, we hebben ons probleem omgevormd tot een wiskundig probleem. Ons belangrijkste resultaat was een stelling van de waarschijnlijkheidstheorie."