[论文解读] 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)|May 22, 2012

Quantum Mechanics and Applications参考文献 99被引用 4

一句话总结

本文提出了一条基本的、相对论性的、不可逆的运动定律，通过引入多普勒频移光子引起的温度依赖性光机械摩擦，统一了牛顿第二定律与热力学第二定律。关键结果是熵增（$ abla S > 0$）源于普遍的电磁相互作用，使热力学第二定律成为基本的、非统计性的原理，而非统计平均值，从而消除了不可逆系统中的庞加莱回归现象。

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.

研究动机与目标

• 通过将温度作为基本物理变量引入，解决牛顿力学与相对论力学中的时间反演对称性问题。
• 解决经典与相对论运动定律中排除温度的问题，该问题导致了非物理的时间对称性。
• 证明热力学第二定律并非统计性的，而是源于多普勒频移光子引起的普遍光机械摩擦。
• 确立熵变（$\Delta S$）为可测量的、不可逆的物理量，其根源在于电磁相互作用，而非概率。
• 表明庞加莱回归不适用于真实、不可逆的物理系统，从而支持时间中每一时刻的独特性。

提出的方法

• 将普朗克黑体辐射定律与相对论多普勒效应整合到带电粒子的动力学中。
• 将运动带电粒子与环境光子的相互作用建模为温度依赖的摩擦力。
• 从光机械摩擦推导熵变（$\Delta S$），并将其与电磁场中的能量耗散直接关联。
• 将该框架应用于从基本粒子到星系的系统，证明其普遍适用性。
• 利用麦克斯韦电磁波方程，从运动电荷所经历的辐射场推导摩擦力。
• 证明$ abla S > 0$是这些相互作用的直接结果，而非统计涨落。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将温度纳入基本运动定律以打破时间反演对称性？
• RQ2 宏观系统中熵不可逆增加的物理机制是什么？
• RQ3 热力学第二定律能否从相对论电动力学而非统计力学推导得出？
• RQ4 多普勒频移光子引起的光机械摩擦是否是所有运动系统中普遍且不可避免的力？
• RQ5 所提出的框架是否消除了真实物理系统中庞加莱回归的可能性？

主要发现

• 热力学第二定律被证明是源于电磁相互作用的基本、不可逆定律，而非统计概率。
• 熵变（$\Delta S$）通过光机械摩擦定义，使其成为可测量的、非统计的物理量。
• 所提出的运动定律具有相对论性、不可逆性，并普遍适用于所有带电系统，从粒子到星系。
• 庞加莱回归不适用于受此定律支配的系统，支持了时间中每一时刻的独特性。
• 温度不再是动力学中的局外人；它通过光子介导的摩擦与运动内在关联。
• 该框架通过在相对论电动力学中嵌入热力学不可逆性，统一了牛顿第二定律与热力学第二定律。