Sind die thermodynamischen Gesetze zusätzliche fundamentale Wechselwirkungen jenseits der 4 fundamentalen Wechselwirkungen?

Die vier fundamentalen Kräfte oder fundamentalen Wechselwirkungen sind

  1. Schwere
  2. Elektromagnetismus
  3. Schwache Interaktion
  4. Starkes Zusammenspiel

Auf Wikipedia werden sie beschrieben als

die Interaktionen, die nicht auf grundlegendere Interaktionen reduzierbar zu sein scheinen

Dies scheint zu implizieren, dass jeder andere Mechanismus auf die grundlegenden Wechselwirkungen reduziert werden könnte; oder anders ausgedrückt, dass alles nur durch die vier fundamentalen Wechselwirkungen verursacht wird .

Ob das aber so ganz stimmt, bezweifle ich allerdings etwas. Schauen wir uns zum Beispiel die Tendenz von Systemen an, den niedrigstmöglichen Energiezustand anzunehmen. Die Ursache dieses Prozesses wird hier näher erläutert, liegt aber kurz gesagt darin begründet, dass jedes System jeden möglichen Quanten- oder Mikrozustand „durchläuft“. Da die Entropie höher ist, wenn die thermische Energie erhöht wird , gibt es mehr solche Mikrozustände mit höherer thermischer Energie (und weniger "andere" Energiearten), was dazu führt, dass das System in Wärme gespeicherte Energie abgibt und somit die innere Energie verringert.

Mir scheint, dass dieser Prozess nicht mit den fundamentalen Wechselwirkungen erklärt werden kann. Es scheint eher reine Mathematik zu sein, die die Entropie für verschiedene Zustände "einstellt".

Also: Lässt sich wirklich jeder Vorgang nur anhand der vier fundamentalen Wechselwirkungen erklären? Oder gibt es Ausnahmen, wie ich oben erklärt habe?

Entropie bezieht sich auf das Verhalten makroskopischer Systeme: die Masseneigenschaften von Medien. Aber das Material interagiert immer noch mikroskopisch über eine oder mehrere der grundlegenden Wechselwirkungen der Natur, normalerweise Elektromagnetismus. Thermodynamisch gesehen ist es ein mathematisches Ergebnis, dass sich Systeme in der Konfiguration mit der niedrigsten Energie niederlassen, aber es setzt voraus, dass die Elemente dieses Systems in irgendeiner Weise interagieren (andernfalls gäbe es keine relevante Physik), und daher ist die Annahme immer da Eine der grundlegenden Wechselwirkungen treibt implizit die Evolution des Systems voran.
Auftauchende Phänomene und Eigenschaften wie Entropie entstehen als Kombination der oben genannten grundlegenden Wechselwirkungen. Da der Energieaustausch zwischen Teilchen elektromagnetisch ist, ist die zugrunde liegende Kraft hier Elektromagnetismus.
Das OP hat "Interaktion" und "geltendes Recht" verwechselt. Ein geltendes Gesetz wie Newtons zweites Gesetz F = M A , die eine Beziehung zwischen Kraft und Beschleunigung (Antwort) definiert. Im 2. Hauptsatz kann die Kraft jede Art von fundamentalen Wechselwirkungen sein. Auch das Gesetz für das thermische Gleichgewicht: Ein System unter einer festen Temperatur nähert sich seiner kleinsten freien Helmholtz-Energie F = U − T S .. Dies ist ein geltendes Gesetz, das bestimmt, wie sich das System bewegt. Es wird nicht erwähnt, welche Art von Interaktion das System sein kann.
„Das Gesetz, dass die Entropie immer zunimmt, nimmt meiner Meinung nach die höchste Position unter den Naturgesetzen ein. Wenn Sie jemand darauf hinweist, dass Ihre Lieblingstheorie des Universums im Widerspruch zu den Maxwellschen Gleichungen steht – dann umso schlimmer für die Maxwellschen Gleichungen. Wenn es sich durch Beobachtung als widersprüchlich herausstellt - nun, diese Experimentatoren verpfuschen manchmal Dinge, aber wenn sich herausstellt, dass Ihre Theorie gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstößt, kann ich Ihnen keine Hoffnung machen, es gibt nichts, was sie in tiefster Demütigung zusammenbrechen lässt ." – Sir Arthur Eddington
Die ursprüngliche Aussage könnte besser formuliert werden als "Jeder Prozess (nach bestem gegenwärtigen Verständnis) wird durch eine der vier bekannten Kräfte vermittelt ." Andernfalls könnte man die Ausdrücke „erklärt durch“ oder „reduzierbar“ auf unbeabsichtigte Weise überladen.
Ich würde argumentieren, dass jeder einzelne Fall, in dem das System dazu neigt, sich auf einen niedrigeren Energiezustand einzustellen, mit anderen Begriffen erklärt werden kann.
Ich würde behaupten, dass jeder Fall, in dem sich das System auf die minimal mögliche potentielle Energie einzustellen scheint, ohne Bezugnahme auf makroskopische Eigenschaften wie Entropie und Temperatur erklärt werden kann. Ich glaube nicht, dass zum Beispiel ein Pendel, wenn es sich am tiefsten Punkt niederlässt, dies tut, weil es die Entropie erhöhen "will". Daher zweifle ich an der Antwort, auf die Sie verlinkt haben. physical.stackexchange.com/questions/64146/…
Warum die Ablehnung? Für Verbesserungsvorschläge bin ich offen.

Antworten (1)

Dies hängt ganz von Ihren genauen Vorstellungen davon ab, was ein "Prozess" ist, was es bedeutet, einen davon zu "erklären" und was als "Verwenden der vier grundlegenden Wechselwirkungen" gilt. Aus einem weggeworfenen Satz in einem Wikipedia-Artikel sollte man wohl keine weitreichenden erkenntnistheoretischen Aussagen ableiten. Die Physik ist hervorragend darin, Fragen zu beantworten, die quantitative Vorhersagen von messbaren Werten beinhalten. Es ist viel weniger hervorragend darin, die Art von Fragen zu beantworten, die wir Menschen als "grundlegend" betrachten, aber dies ist ein Versagen der Menschheit, nicht der Physik.

Betrachten wir einige Beispiele, um zu sehen, warum Reduktionismus heikel ist, aber mehr aus philosophischen und sprachlichen als aus physikalischen Gründen:

  1. Ein klassisches freies Teilchen. Wenn Sie ein klassisches makroskopisches Teilchen haben, das sich frei durch den leeren Raum bewegt, bewegt es sich für immer mit konstanter Geschwindigkeit fort. Ist das ein „Prozess“ ? Wenn ja, ist die Aussage "es geht ewig weiter, weil keine der vier grundlegenden Wechselwirkungen etwas anderes sagt" wirklich eine "Erklärung" ? Wenn ja, verwendet diese Erklärung „nur die vier Grundkräfte“ und würde dann nicht „weil X nichts anderes sagt“ zu einer universellen Erklärung für irgendetwas „nur X verwenden“?

  2. Ein Münzwurf einer klassischen gewichteten Münze. Eine gewichtete Münze wird von einer Maschine geworfen, die so programmiert wurde, dass sie mit zufälligen Variationen der anfänglichen Linear- und Rotationsgeschwindigkeiten geworfen wird. Ein Physiker verwendet ein klassisches Newtonsches Modell, um die möglichen Ergebnisse des Münzwurfs unter der Annahme zu berechnen, dass die Schwerkraft eine konstante Kraft nach unten ist. Sie wissen nichts über Quantenmechanik, allgemeine Relativitätstheorie oder irgendetwas anderes, sie sind nur gut in der Mathematik, die das Newtonsche Modell von ihnen verlangt (und/oder haben ausreichend Rechenleistung zur Verfügung). Am Ende präsentiert der Physiker eine perfekte Vorhersage der Münzwurfergebnisse für mehrere verschiedene Gewichtungen der Münze.

    Eine Münze zu werfen und festzustellen, ob Kopf oder Zahl landet, ist eindeutig ein "Prozess" . Beruht die Erklärung des Physikers auf „den vier fundamentalen Wechselwirkungen“ ? Trotz all ihrer Newtonschen Modellsorgen könnte die nach unten gerichtete Schwerkraft von magischen Feen verursacht werden, die mit ihren Flügeln am Himmel über der Münze schlagen. Sie brauchten weder das Standardmodell, um zu ihrer Vorhersage zu gelangen, noch wird das Lernen über die fundamentalen Kräfte ihr Modell für den Münzwurf verbessern. Hängt die Antwort davon ab, ob der Physiker an die Feen glaubt oder nicht ?

    Ist die obige Situation außerdem eine unphysikalische Situation, weil die Maschine "zufällige" Bewegungen ausführt, wir aber nicht angegeben haben, wie diese Zufälligkeit aus den grundlegenden Wechselwirkungen entsteht? Müssen wir die Maschine so konstruieren, dass ihre Zufälligkeit aus einer quantenmechanischen Wechselwirkung stammt, damit dies Physik ist?

  3. Pauli-Ausschluss. Zwei Fermionen können nicht denselben Zustand einnehmen. Dies führt zu verschiedenen Phänomenen von der Stabilität der Materie (keine stabil höher besetzten Orbitale ohne Ausschluss!) bis zum Entartungsdruck in dichten Sternen und Kondensaten. Dies wird eindeutig nicht durch eine grundlegende Wechselwirkung verursacht, es funktioniert nur mit einem Haufen Fermionen, ohne dass ein krafttragendes Boson in Sicht ist. Bedeutet das, dass der Pauli-Ausschluss eine „fünfte Interaktion“ ist? Diese umstrittene philosophische Diskussion wird in dieser Frage und den damit verbundenen Fragen behandelt .

Vielleicht ist die Frage, ob bestimmte Interaktionen "fundamental" sind, nicht so "fundamental", sondern eher undefiniert. Es gibt eine technische Bedeutung von „Grundkraft“ im Kontext der Quantenfeldtheorie und des Standardmodells, aber sobald Sie versuchen, diese technische Bedeutung auf eine Art umgangssprachliche Aussage über Physik und Realität auszudehnen, fällt sie schnell auseinander.

Sind die thermodynamischen Gesetze zusätzliche fundamentale Wechselwirkungen jenseits der 4 fundamentalen Wechselwirkungen?
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