Termodynamikens andra lag säger att den totala entropin i ett isolerat system alltid tenderar att öka med tiden tills den når ett maximum. Med andra ord, oorganiseringen ökar utan ingripande utifrån. Elektrisk utrustning värms oundvikligen upp eftersom en del av energin försvinner i form av värme istället för att användas för mekaniskt arbete, och föremål försämras med tiden men regenererar inte spontant.

Dock, denna intuitiva natur av entropi gäller inte nödvändigtvis den mikroskopiska världen. Fysiker har därför tolkat den andra lagen genom att ge den en statistisk twist:Entropi ökar verkligen, men det finns en icke-noll sannolikhet att det ibland kan minska.

Till exempel, istället för att värme flödar från en varm kropp till en kall, som vanligt, det kan flöda från en kall kropp till en varm i vissa situationer. Fluktuationssatser (FT) kvantifierade denna sannolikhet med precision, och frågan har praktiskt intresse när det gäller driften av maskiner i nanoskala. FTs föreslogs för första gången i en artikel publicerad 1993 i Fysiska granskningsbrev . Artikeln skrevs av australiensiska forskare Denis Evans och Gary Morriss och den nederländska forskaren Ezechiel Cohen. De testade en av dessa satser med hjälp av datorsimuleringar.

En artikel som nyligen publicerades i samma tidskrift visar att en konsekvens av FT är termodynamiska osäkerhetsrelationer, som involverar fluktuationer i värdena för termodynamiska storheter som värme, arbete och makt. Rubriken på den nya artikeln är "Termodynamiska osäkerhetsrelationer från utbytesfluktuationssatser."

Den första författaren var André Timpanaro, en professor vid Federal University of the ABC (UFABC), delstaten São Paulo, Brasilien. Huvudutredare för studien var Gabriel Landi, en professor vid University of São Paulos Physics Institute (IF-USP). Giacomo Guarnieri och John Goold, knuten till Trinity College Dublins fysikavdelning (Irland), deltog också.

Osäkerhetsrelationer

"Det fysiska ursprunget till termodynamiska osäkerhetsrelationer var oklara fram till nu. Vår studie visar att de kan härledas från FTs, sa Landi.

"När vi började studera termodynamik, vi var tvungna att hantera sådana mängder som värme, arbete och makt, som vi alltid tilldelade fasta värden till. Vi trodde aldrig att de kunde fluktuera, men det gör de. I den mikroskopiska världen, dessa fluktuationer är relevanta. De kan påverka driften av en maskin i nanoskala, till exempel. Termodynamiska osäkerhetsrelationer skapar ett golv för dessa fluktuationer, länka dem till andra mängder, till exempel systemstorlek. "

Termodynamiska osäkerhetsförhållanden upptäcktes 2015 av en grupp forskare under ledning av Udo Seifert vid Stuttgarts universitet i Tyskland. André Cardoso Barato, en tidigare student vid IF-USP och för närvarande professor vid University of Houston (USA), deltog i upptäckten.

Den matematiska strukturen för dessa relationer liknar den i Heisenbergs osäkerhetsprincip, men de har ingenting med kvantfysik att göra; de är rent termodynamiska. "Karten av termodynamiska osäkerhetsrelationer har aldrig varit särskilt tydlig, ", sa Landi. "Vårt huvudsakliga bidrag var att visa att de härrör från FTs. Vi tror att FTs beskriver termodynamikens andra lag mer allmänt och att termodynamiska osäkerhetsrelationer är en följd av FT. "

Enligt Landi, denna generalisering av den andra termodynamiska lagen hanterar termodynamiska mängder som enheter som kan fluktuera, även om det inte är godtyckligt, eftersom de måste lyda vissa symmetrier. "Det finns flera fluktuationssatser, " sa han. "Vi hittade en speciell klass av FTs och fokuserade på dem som fall av matematisk symmetri. På detta sätt, vi förvandlade vårt problem till ett matematiskt problem. Vårt huvudsakliga resultat var ett teorem om sannolikhetsteori."