Ich verstehe, dass die Erhöhung/Maximierung der Entropie (des Universums) von allen „natürlichen“ Phänomenen, die wir sehen, „begleitet“ wird. In vielen der Fragen, die ich und andere auf Stack Exchange gestellt haben, warum ein bestimmtes Phänomen passiert, heißt es in der Antwort oft (meistens): „Es passiert, um die Entropie zu erhöhen oder zu maximieren“ oder „Es passiert weil im Endzustand die Extropie maximiert wird". Ich habe einige Beispiele für solche Fragen und ihre Antworten am Ende dieses Beitrags gegeben.
Meine Frage ist: Kann die Maximierung der Entropie der Grund für das Auftreten von Phänomenen sein? Lassen Sie mich meine Frage näher erläutern.
Wenn ich an einem sonnigen Tag auf der Straße gehe, „begleitet“ mich mein Schatten. Es passiert ständig. Es ist statistisch immer wahr! Aber wir können niemals sagen, dass die Bewegung meines Schattens die „Ursache“ hinter meiner Bewegung ist. In ähnlicher Weise wird statistisch beobachtet, dass die Zunahme oder Maximierung der Entropie des Universums immer von allen Naturphänomenen „begleitet“ wird, aber kann das die Ursache für das Auftreten von Naturphänomenen sein?
"Wissen" (oder programmieren) die Atome und Moleküle eines Systems irgendwie kollektiv, dass sie gemeinsam die Entropie maximieren müssen? Ich bezweifle das!
Soweit ich weiß, interagieren die Atome und Moleküle eines Systems einfach mit bestimmten Kräften miteinander und zeigen ein kollektives Verhalten. Das einzige, was sie erleben, ist eine gewisse „Interaktionskraft“. Wenn wir dieses Verständnis für richtig halten, dann können nur die Wechselwirkungskräfte die "Ursache" hinter jeglichen Naturphänomenen sein.
Ein weiteres Argument ist, Entropiemaximierung ist ein Zustand, der in einem System in der Zukunft noch eintreten muss, und wenn wir ihn als Ursache annehmen, dann gibt es wieder zwei weitere Probleme:
Wie kann die Wirkung der Ursache vorausgehen?
Bei dieser Denkweise wird davon ausgegangen, dass Atome und Moleküle bereits eine bestimmte Zukunft kennen oder in irgendeiner Weise darauf programmiert sind. Wie ist das möglich?
Zusammenfassend denke ich, dass wir bei der Erklärung aller Naturphänomene nicht einfach damit aufhören können zu sagen, dass sich das System in diese Richtung bewegen wird, da die Entropie in eine bestimmte Richtung maximiert wird! Es muss eine noch tiefere oder grundlegendere "Ursache" als "Entropiemaximierung" geben, damit sich dieses System auf eine bestimmte Weise verhält.
Das Folgende sind einige Beiträge, die die „Entropiemaximierung“ als die „Ursache“ hinter bestimmten Phänomenen hervorheben.
Warum neigen Körper dazu, ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen?
Und es kann noch viele weitere Beispiele geben.
Sie haben Recht, dass die "Maximierung der Entropie" nicht die Ursache von irgendetwas ist; Entropie ist ein emergentes Phänomen, was bedeutet, dass sie das Ergebnis des Verhaltens eines zugrunde liegenden Systems ist, in diesem Fall eines Kollektivs. Die Kraft des Konzepts „Entropie“ liegt darin, dass es unabhängig vom zugrunde liegenden „Substrat“ ist – alle Kollektive folgen einem Weg zu höherer Entropie, unabhängig von ihren spezifischen Bestandteilen. Die Idee, Kollektive im Wesentlichen aus statistischer Sicht zu betrachten, ist so schlagkräftig, weil es nur eine minimale Menge an Annahmen über das Verhalten und die Interaktion der Bestandteile des Kollektivs gibt (wenn ich mich nicht irre, ist die zufällige Interaktion die einzige). Der Begriff „Entropie“ erweist sich daher als ein völlig universeller Begriff,wörtlichen Sinn des Wortes. (Insofern ähnelt es vielleicht einem anderen abstrakten Konzept, dem der Evolution im weiteren Sinne.)
Wenn es also nie die Ursache von irgendetwas ist, sondern im Gegenteil immer eine Folge , warum verwenden wir dann manchmal Entropie, um Verhalten zu erklären? Denn die Regeln, die wir gefunden haben, wie sich Kollektive verhalten, können verwendet werden, um ihr Verhalten vorherzusagen, ohne alle groben Details durchgehen zu müssen. Wenn wir die eventuelle Temperaturverteilung in einem System oder den Endzustand zweier Gase nach dem Entfernen einer Membran vorhersagen möchten, können wir einfach sagen "der Zustand wird X sein, weil dies die maximale Entropie ist", ohne die Flugbahn von zu simulieren Moleküle.
Diese mentale „Umkehrung“ ist die übliche Denkweise in der klassischen Physik. Wir können vorhersagen, dass ein Ball, der auf einer unebenen Oberfläche rollt, in einer lokalen Senke, einem Ort minimaler Höhe, zur Ruhe kommt. Ist das nicht offensichtlich? Es wird seine potenzielle Energie minimieren! Aber natürlich weiß der Ball nichts über potentielle Energie oder die Oberflächentopologie jenseits des Punktes, auf dem er sich gerade befindet. Beides sind abstrakte Konzepte, die wir verwenden, um unser mentales Modell der Welt zu vereinfachen. Wenn wir im Bereich der Newtonschen Physik bleiben dürfen, "kümmert" sich der Ball wirklich nur um den Gravitationsvektor und die Oberflächenneigung zu jedem Zeitpunkt und Raum und etwas Reibung, und seine Geschwindigkeit ändert sich entsprechend den resultierenden Kräften.
Obwohl der Ball wirklich sehr dumm ist, können wir sagen "er möchte am Punkt der niedrigsten potentiellen Energie sein", obwohl dies das Ergebnis der zugrunde liegenden Physik ist, nicht die Ursache.
In ähnlicher Weise sagen wir "das System bewegt sich in Richtung thermodynamisches Gleichgewicht", obwohl dies das Ergebnis der zugrunde liegenden Physik ist, nicht die Ursache. Es ist nur immer so und kann nicht anders sein, weil der Begriff eine grundlegende Einsicht in das Verhalten von Kollektiven ausdrückt. 1
Zu diesem Thema kann ich das folgende Buch von PW Atkins „Das zweite Gesetz“ (1984) empfehlen.
Dieses Buch ist so geschrieben, dass es einem großen Publikum zugänglich ist.
Lassen Sie mich zuerst eine bestimmte Demonstration beschreiben, die in diesem Buch enthalten ist.
Nehmen Sie ein Gitter aus Zellen, 5 mal 10 ist groß genug. Setzen Sie einen farbigen Marker auf die Zellen eines 5 x 5 Quadrats an einem Ende des Gitters und einen andersfarbigen Marker auf die 25 Zellen des anderen Endes des Gitters. Nennen wir die Farben „rot“ und „weiß“.
Dann starten Sie einen Prozess des zufälligen Austauschs zweier benachbarter Marker. Das tauscht zu Beginn meist gleichfarbige Marker aus. Mit der Zeit vermischen sich die Marker immer mehr.
Um diese Tendenz zum gemischten Zustand zu quantifizieren, wird die Anzahl der Zustände gezählt. Im Gesamtraum aller möglichen Zustände überwiegen die Zustände mit gemischten Markierungen die Zustände mit deutlich getrennten Markierungen - bei weitem.
Ich erinnere mich, Zeuge einer Demonstration gewesen zu sein, zu der das obige abstrakte Beispiel eine enge Analogie darstellt.
Die Demonstration umfasste zwei Becher, gestapelt, die Öffnungen einander zugewandt, zunächst trennte ein Blatt dünner Pappe die beiden.
In den unteren Becher wurde eine Menge Stickstoffdioxidgas gegeben. Die braune Farbe des Gases war deutlich sichtbar. Das obere Becherglas wurde mit normaler Luft gefüllt. Stickstoffdioxid ist dichter als Luft.
Als der Separator entfernt wurde, sahen wir die braune Farbe des Stickstoffdioxids nach oben steigen. In weniger als einer halben Minute hatte der kombinierte Raum eine gleichmäßige braune Farbe.
Und dann erklärte der Lehrer die Bedeutung: Beim Füllen des gesamten Raums hatten die schwereren Stickstoffdioxidmoleküle leichtere Moleküle verdrängt. Das heißt: Ein beträchtlicher Teil der Stickstoffdioxid-Bevölkerung hatte sich gegen die Schwerkraft bewegt. Diese Bewegung gegen die Schwerkraft ist wahrscheinlichkeitsgetrieben.
Die statistische Mechanik bietet die Möglichkeit, diesen Prozess quantitativ zu behandeln. Sie quantifizieren, indem Sie die Anzahl der Zustände zählen. Gemischte Staaten überwiegen getrennte Staaten – bei weitem.
Das Aufsteigen der Stickstoffdioxidmoleküle geht zu Lasten der Temperatur der kombinierten Gase. Das heißt, wenn Sie darauf achten, dass im Ausgangszustand die Temperatur in beiden Fächern gleich ist, dann können Sie die Endtemperatur damit vergleichen. Die Endtemperatur der kombinierten Gehäuse wird etwas niedriger sein als die Starttemperatur. Das heißt, ein Teil der kinetischen Energie wurde in potenzielle Gravitationsenergie umgewandelt.
Ich denke, das obige Beispiel gilt als ein Fall von Wahrscheinlichkeit, die als Kausalfaktor fungiert .
Ein weiteres Beispiel ist meiner Meinung nach der Aufbau von osmotischem Druck, über den ich in einer Antwort auf eine Frage mit dem Titel Details der an der Osmose beteiligten Kräfte auf mikroskopischer Ebene geschrieben habe
Spätere Bearbeitung:
Einige zusätzliche Bemerkungen darüber, wie das Gleichgewicht unter verschiedenen Umständen zustande kommt.
Bei der Gasdiffusion ist der Endzustand nicht ganz einheitlich. Aufgrund der Schwerkraft gibt es eine leichte Vorspannung. Der Zustand, in den sich das System entwickelt, ist einer mit einem leichten Gradienten, wobei die schwereren Moleküle unten leicht überrepräsentiert und oben unterrepräsentiert sind.
Die Erdanziehungskraft beträgt 1 G Beschleunigung, was nur eine sehr schwache Abweichung ergibt. Der Betrag der Vorspannung kann durch Erhöhen der G-Last erhöht werden. Der extremste Fall davon ist die Ultrazentrifugation. Die Uran-Hexafluorid-Moleküle sind gasförmig. Die Ultrazentrifuge baut eine sehr hohe G-Last auf. Der Massenunterschied zwischen den Uranisotopen ist sehr gering, aber bei der extremen G-Belastung der Ultrazentrifugation wird eine Verzerrung der Verteilung erzeugt. Am Innendurchmesser abgeschöpftes Uran-Hexafluorid ist etwas an dem schwereren Isotop abgereichert, am Außendurchmesser abgeschöpftes Uran-Hexafluorid ist etwas mit dem schwereren Isotop angereichert. Mehrere Ultrazentrifugen werden hintereinander betrieben, wobei das Uranhexafluorid von Stufe zu Stufe geleitet wird, bis der gewünschte Trennungsgrad erreicht ist.
Bei Suspension in Flüssigkeit:
Im Blut bleiben viele der großen Moleküle in Suspension. Die G-Last von 1 G reicht nicht aus, um diese Moleküle aus der Suspension zu bringen. Das heißt, unter einer G-Last von 1 G ist der Wahrscheinlichkeitseffekt dominant. Biologen verwenden also eine Zentrifuge. Bei ausreichend hoher G-Last setzen sich große Moleküle ab.
Bei sehr großen Objekten wie Sandkörnern: Eine G-Last von 1 G reicht aus, um sie aus der Schwebe zu bringen. Andererseits reicht für einen Feinstaub 1 G nicht aus. Beispiel: Das schwarze Pigment schwarzer Tinte ist ein feiner Staub. Das Pigment der schwarzen Tinte setzt sich nicht ab.
Benutzer137289