[論文レビュー] The Thermodynamic Arrow: Puzzles and Pseudo-puzzles

Huw Price|ArXiv.org|Feb 6, 2004

Computational Physics and Python Applications参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、熱力学的時間の矢の未解決のパズルを、関連する問題と区別することで明確にし、初期宇宙の低エントロピー状態を説明するという真のパズルがそこに存在することを主張する。『一つの非対称性』の見解を擁護し、熱力学の時間非対称性が根本的なT破れによるものではなく、宇宙論的境界条件に依存することを示し、このパズルが統計力学のみの問題ではなく、宇宙論の問題であることを強調する。

ABSTRACT

For more than a century, physics has known of a puzzling conflict between the T-asymmetry of thermodynamic phenomena and the T-symmetry of the underlying microphysics on which these phenomena depend. This paper provides a guide to the current status of this puzzle, distinguishing the central issue from various issues with which it may be confused. It is shown that there are two competing conceptions of what is needed to resolve the puzzle of the thermodynamic asymmetry, which differ with respect to the number of distinct T-asymmetries they take to be manifest in the physical world. On the preferable one-asymmetry conception, the remaining puzzle concerns the ordered distribution of matter in the early universe. The puzzle of the thermodynamic arrow thus becomes a puzzle for cosmology.

研究の動機と目的

• 熱力学的時間の矢のパズルの真の性質を明らかにし、関連するが異なる問題と区別すること。
• 中心的なパズルが、基本的な物理学におけるT対称性の破れに関するものではなく、宇宙の初期の低エントロピー状態に関するものであることを主張すること。
• 時間対称な力学の法則から出発する第二法則が、追加の境界条件なしには導けないことを示すこと。
• このパズルが統計力学によって解決されるとか、弱い相互作用によるT破れによって解決されるとする考えを挑戦すること。
• 問題を宇宙論的問題として再定式化し、初期宇宙における低エントロピー境界条件の必要性を強調すること。

提案手法

• 時間非対称な熱力学的現象と、時間対称な力学の根本法則との間の緊張を分析すること。
• 真のパズルと、弱い相互作用におけるT対称性の破れや統計的フラクチュエーションといった偽のパズルとを区別すること。
• PCT対称性の議論を用いて、K中間子におけるT破れが熱力学的時間の矢を説明できないことを示すこと。
• ボルツマンのH定理における「分子的乱雑性」仮定の役割を検討し、その時間非対称性の含意を明らかにすること。
• H定理の時間非対称性が、力学的ダイナミクスそのものではなく、初期条件に起因することを主張すること。
• 問題を宇宙論的境界条件の問題として再定式化し、過去に向かってエントロピーが減少することこそが真のパズルであることを強調すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱力学的時間の矢のパズルの真の性質とは何か。それは関連するパズルとどのように異なるか。
• RQ2 なぜ熱力学の時間非対称性は、弱い相互作用におけるT破れによって説明されないのか。
• RQ3 時間対称なダイナミクスから第二法則が、追加の仮定なしに導けるのか。
• RQ4 時間対称な法則が成り立つにもかかわらず、なぜエントロピーは未来に向かって増加し、過去に向かって減少するように見えるのか。
• RQ5 なぜ初期宇宙における低エントロピー状態が、熱力学的時間の矢のパズルを解く鍵となるのか。

主な発見

• 熱力学的時間の矢は、中性K中間子におけるT対称性の破れのような、基本的物理学におけるT破れによって説明されない。
• H定理が「分子的乱雑性」仮定に依存していることから、統計力学だけではパズルは解決しない。この仮定自体が時間非対称性を含んでいる。
• 時間対称なダイナミクスから第二法則を導くには、過去における低エントロピー状態のような追加の境界条件が必要である。
• 観察されるエントロピー増加の時間非対称性は、ダイナミクスの結果ではなく、初期条件に起因する。したがって、このパズルは本質的に宇宙論的性質を有する。
• エントロピーが未来に向かって増加し、過去に向かって減少する現象を説明するには、低エントロピー初期条件の仮定が不可欠である。
• パズルが未解決のままであるのは、統計力学の欠陥のためではなく、初期の低エントロピー宇宙の起源がまだ説明されていないからである。