[논문 리뷰] A Fundamental, Relativistic and Irreversible Law of Motion: A Unification of Newton's Second Law of Motion and the Second Law of Thermodynamics

Randy Wayne|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 22.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 99인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 도플러 시프트된 광자로부터 온 온도에 의존하는 광기계적 마찰을 도입하여 뉴턴의 제2법칙과 열역학 제2법칙을 통합하는 기초적이고 상대론적이며 비가역적인 운동 법칙을 제안한다. 주요 결과는 엔트로피 증가($\Delta S > 0$)가 보편적인 전자기 상호작용에서 기인하며, 열역학 제2법칙이 통계적 평균이 아니라 기초적인 비통계적 원리가 되고, 비가역 시스템에서 파oincaré 재현이 제거된다는 것이다.

ABSTRACT

Temperature is an outsider in the laws of motion given by Newton and Einstein and this oversight is the source of the predictions of time-reversal-invariance made by these two great systems of motion. By taking into consideration Planck's law of blackbody radiation and the Doppler effect, in thinking about Maxwell's electromagnetic wave equation, I have shown that photons, in the environment through which any charged particle moves, act as a source of temperature-dependent friction on everything from elementary particles to galaxies. Because the optomechanical friction is universal and inevitable, no real systems are conservative, and temperature can no longer be an outsider in a fundamental and irreducible law of motion. I have defined the change of entropy (ΔS) in irreversible systems at constant temperature in terms of the optomechanical friction. The Second Law of Thermodynamics, which states that ΔS > 0 for spontaneous processes, is explained by electromagnetic interactions between charged particles and the Doppler-shifted photons through which they move as opposed to chance and statistics. ΔS, as defined here, is not subject to Poincaré's recurrence theorem. Consequently, the Second Law of Thermodynamics is shown to be a fundamental law rather than a statistical law. This result, which supports the idea that every instant of time is unique, is consistent with intuition and the routine experience of botanists.

연구 동기 및 목표

• 시간 역전 대칭성 문제를 해결하기 위해 온도를 기본 물리 변수로 통합함으로써 뉴턴역학과 상대론적 역학의 시간 역전 대칭성을 깨는 것.
• 온도가 고전적 및 상대론적 운동 법칙에서 배제되어 비물리적인 시간 대칭성이 발생하는 문제를 해결하는 것.
• 열역학 제2법칙이 통계적이지 않고, 도플러 시프트된 광자에 의한 보편적인 광기계적 마찰에서 기인한다는 것을 보여주는 것.
• 엔트로피 변화($\\Delta S$)를 확률이 아니라 전자기 상호작용에 뿌리를 두고 있는 측정 가능한 비가역적 양으로 설정하는 것.
• 실제 비가역 시스템에서는 Poincaré 재현이 적용되지 않음을 보여주어 시간의 각 순간이 유일함을 뒷받침하는 것.

제안 방법

• 흑체 복사의 플랑크 법칙과 상대론적 도플러 효과를 이동하는 전하 입자의 역학에 통합한다.
• 운동하는 전하 입자와 배경 광자 간의 상호작용을 온도에 의존하는 마찰력으로 모델링한다.
• 광기계적 마찰에서 엔트로피 변화($\Delta S$)를 유도하여 전자기장 내 에너지 소산과 직접 연결한다.
• 소입자에서 은하계에 이르기까지의 시스템에 이 프레임워크를 적용하여 보편적 적용 가능성을 보여준다.
• 맥스웰의 전자기파 방정식을 사용하여 이동 전하가 경험하는 복사장으로부터 마찰력을 유도한다.
• 적용된 상호작용의 결과로 $\Delta S > 0$ 가 통계적 변동이 아니라 직접적인 결과로 나타남을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 역전 대칭성을 깨뜨리기 위해 온도를 기본 운동 법칙에 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ2 거대계 시스템에서 엔트로피가 비가역적으로 증가하는 데 배경이 되는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 열역학 제2법칙을 통계역학이 아니라 상대론적 전자기역학에서 유도할 수 있는가?
• RQ4 도플러 시프트된 광자로부터 유래하는 광기계적 마찰은 모든 운동 시스템에서 보편적이고 필수적인 힘이 될 수 있는가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 실제 물리적 시스템에서 Poincaré 재현의 가능성을 제거하는가?

주요 결과

• 열역학 제2법칙이 통계적 확률이 아니라 전자기 상호작용에서 기인하는 기초적 비가역 법칙임을 입증하였다.
• 엔트로피 변화($\Delta S$)가 광기계적 마찰을 통해 정의되어 측정 가능한 비통계적 양이 되었다.
• 제안된 운동 법칙은 상대론적이며 비가역적이며, 입자에서 은하계에 이르기까지 모든 전하를 가진 시스템에 보편적으로 적용 가능하다.
• Poincaré 재현은 이 법칙에 의해 지배되는 시스템에는 적용되지 않으며, 시간의 각 순간이 유일함을 뒷받침한다.
• 온도는 더 이상 역학의 외부 요소가 아니며, 광자 매개 마찰을 통해 운동과 내재적으로 연결된다.
• 이 프레임워크는 열역학적 비가역성을 상대론적 전자기역학에 통합함으로써 뉴턴의 제2법칙과 열역학 제2법칙을 통합한다.