¿Podemos revertir un huevo roto al original? Dado que se nos permite aumentar la entropía en alguna otra parte del sistema

Teóricamente, es posible, al menos si por 'estado original' quiere decir 'macroscópicamente idéntico': si desea que el estado microscópico sea idéntico, se encuentra con el problema de que es imposible medir con precisión el estado microscópico, especialmente después. fue alterado, por lo que se desconoce el 'estado original'.

Sin embargo, en la práctica, no tenemos las capacidades tecnológicas para fusionar todas las piezas de la cáscara del huevo o para fijar las membranas orgánicas y separar los contenidos mezclados del huevo.

Consideremos primero qué sucede exactamente cuando se rompe un huevo. Los enlaces químicos se rompen en la cáscara del huevo (principalmente carbonato de calcio) y la energía se convierte en calor y sonido. El interior del huevo, una vez expuesto, tiene lugar la evaporación y algunas reacciones químicas pueden degradar la yema.

Si solo nos preocupa que el exterior del huevo vuelva a su forma inicial, necesitaríamos que toda la energía perdida en forma de calor y sonido regrese a la cáscara exactamente al revés de cómo se liberó . Efectivamente, queremos que el escenario de lo que sucedería si reprodujéramos el video del huevo rompiéndose al revés para que realmente suceda.

Ahora bien, si queremos que el interior del huevo también vuelva a la forma inicial, entonces necesitaremos que se gane el agua perdida y que se inviertan las reacciones químicas. Esto también tiene que suceder exactamente en el orden inverso.

Esos son si quieres ir al estado exacto como antes. Sin embargo, si está satisfecho con la recuperación de un óvulo, probablemente pueda realizar una "cirugía" en el óvulo roto para devolverlo a un estado de huevo funcional.

Me resulta más fácil pensar en esto en términos de una gota de tinta en agua. Inicialmente, la gota se concentra alrededor de una región. En el caso de la imagen, es más como una capa de tinta. Pronto, las moléculas de tinta chocarán con las moléculas de agua y entre sí y sus velocidades serán completamente aleatorias.

Ahora bien, si queremos volver al estado inicial donde se separan la tinta y el agua, entonces las colisiones tienen que ser exactamente en el orden y la dirección inversos a cómo llegó al estado actual. Digamos con probabilidad$p$(considere independiente del tiempo por simplicidad) una molécula invierte su dirección en el intervalo de tiempo$dt$tal que llega al estado en que se encontraba$-dt$. Ahora, para que esta partícula retroceda a un estado en el momento$-T$, la probabilidad sería$p^{T/dt}$. Eso fue para una partícula. Ahora si tienes$N$partículas en su sistema, eso significa que la probabilidad de revertir el estado estaría dada por$p^{N(T/dt)}$. Incluso si tomamos$p=0.999$, que en sí mismo es una locura, la probabilidad total seguiría siendo ridículamente cercana a$0$debido a la cantidad de partículas que se$N\sim 10^{23}$. ¡Conéctelo a una calculadora y compruébelo usted mismo!

Esta es la visión microscópica de la entropía. El estado desordenado/mixto/homogéneo en el que las cosas se dispersan es mucho más probable (léase siempre) que el estado inicial en el que teníamos líquidos separados. Sin embargo, tenga en cuenta que esta afirmación es cierta para cualquier estado microscópico. Incluso si comenzamos nuestro estado microscópico con las moléculas de tinta y agua mezcladas, la probabilidad de volver a este estado mixto particular es cero. La diferencia es que si observamos la vista macroscópica, una mezcla seguirá pareciendo una mezcla. Entonces, macroscópicamente, una vez que aparece la mezcla, seguirá pareciendo una mezcla, incluso si se están produciendo muchas colisiones en el mundo microscópico.

Como señaló @gardenhead, esta no es la única forma en que podemos volver al estado macroscópico inicial de tinta y agua separadas. Sin embargo, el número del conjunto de movimientos que conducen a un estado bien separado es aún mucho menor en comparación con el movimiento arbitrario. Básicamente lo que estamos diciendo es que$p$es todavía (mucho) menos que$1$.

Supongo que un huevo de gallina. Una gallina puede crear un huevo nuevo que sea macroscópicamente idéntico al anterior. Las partículas elementales son indistinguibles, por lo que incluso el hecho de que estés sosteniendo los restos del huevo viejo no importa.

Las gallinas logran crear huevos porque absorben alimentos de baja entropía y excretan heces de alta entropía (de esta manera también logran mantener sus cuerpos en un estado de baja entropía que llamamos "estar vivo"). Esta es la otra parte del sistema sobre la que está preguntando.

Entonces sí, podemos revertir un huevo roto al original. Es mucho más fácil si somos gallinas.

Otros han escrito excelentes respuestas, pero solo quería hacer una analogía usando un rompecabezas. Imagínese si tuviera un rompecabezas de 10.000 piezas, hecho a partir de la imagen de un huevo.

Si ese rompecabezas se revolvió, entonces es extremadamente improbable que cualquier cantidad de revoltijo continuo lo devuelva a su estado completo.

Sin embargo, al agregar energía externa (en la forma de una persona que ha comido), puede sentarse y hacer el rompecabezas y devolverlo a su estado original.

La diferencia entre el rompecabezas del huevo y el huevo en sí no es solo que el huevo tiene muchas más "piezas" (pensando en todas las moléculas de proteína de la clara y la yema, y ​​fragmentos de la cáscara), sino que existe la tecnología para unir piezas de rompecabezas juntas, y la tecnología no existe, en este momento para volver a ensamblar fragmentos de caparazones rotos en un caparazón completo.

Sin embargo, esto es puramente un problema práctico, un problema de ingeniería, se podría decir. En teoría, según la física , volver a montar el huevo es igual de posible que volver a montar el rompecabezas del huevo. En ambos casos, invertimos la entropía inyectando energía en el proceso, y en ambos casos es muy poco probable que suceda por casualidad.

Las otras respuestas a su pregunta deberían proporcionarle suficiente información, resumida de la siguiente manera: la energía en el sistema se divide y disipa de tal manera después de la ruptura del huevo que la probabilidad de fluctuaciones energéticas que invierten perfectamente cada paso mecanicista es prácticamente cero, aunque la dinámica clásica son reversibles en el tiempo.

Para responder a su última pregunta con respecto al mecanismo de tal "desintegración de huevos", sería exactamente lo mismo que invertir$t$en toda ecuación que describa la dinámica clásica del sistema, ya que la dinámica clásica es simétrica en el tiempo. Sin embargo, tenga en cuenta que el proceso es estadísticamente insignificante y posiblemente incluso matemáticamente imposible; hay pruebas de que ciertos$N$-Los problemas corporales son irreversibles, y que se produce una pérdida de información a medida que pasa el tiempo, aunque confieso que no soy un experto en este campo y por tanto no puedo defender con certeza esa afirmación.

Le animo encarecidamente a reflexionar sobre la interpretación correcta de la entropía, como una medida del [número de] microestados de un macroestado . La razón por la que la entropía de un huevo roto es más alta que la de un huevo intacto es porque solo hay una configuración posible que satisface nuestra definición de huevo intacto (es decir, que la cáscara está en una sola pieza), y un número innumerablemente grande de configuraciones posibles. configuraciones que satisfacen nuestra definición de un huevo roto. Tenga en cuenta que ni siquiera necesitamos definir las energías relativas de ninguno de los estados para hacer una declaración sobre las diferencias cualitativas en la entropía.

La razón por la que el sistema permanece en un macroestado de mayor entropía es porque es mucho más probable. Es mucho más probable que las fluctuaciones de energía sean de pequeña magnitud y mantengan el sistema en el mismo macroestado, aunque el microestado cambia continuamente (por ejemplo, el sistema evoluciona a través de diferentes microestados a medida que pasa el tiempo para alcanzar el equilibrio final, con la yema a la deriva). al azar por el suelo, pero el huevo permanece en el macroestado "roto").

Como ejercicio trivial, rompa el huevo, recoja el contenido, use pegamento para unir los fragmentos de cáscara de huevo e inserte el contenido. Salvo que se produzcan cambios químicos en el contenido debido a la exposición a la atmósfera, habrá roto el huevo y habrá aumentado considerablemente su propia entropía.

Ahora puede argumentar que las juntas de pegamento no son las mismas que la cáscara de huevo original, por lo que puede usar procesos químicos para reconstituir los enlaces químicos. (En principio: creo que necesitaríamos algunas mejoras en nanotecnología para hacerlo). Esto implica aumentar aún más su propia entropía. Del mismo modo, cualquier cambio químico en los contenidos puede, en principio, ser invertido, dado un avance manual adecuado.

Para hacer que un huevo roto en realidad (no en un video) regrese al estado no roto, debe invertir todos los momentos de todas las partículas que forman parte del huevo roto, y debe incluir todas las partículas circundantes que también se ven afectados por la rotura. Incluyendo los movimientos de todas las partículas que te constituyen si estás mirando el huevo cuando se rompe. Mientras el huevo se rompe también se emiten fotones. Estos se irradian a la velocidad de la luz, por lo que no podemos captarlos (o los absorbidos por la materia en los alrededores del huevo roto, por ejemplo, la superficie en la que se rompe). Tampoco se pueden utilizar fotones que son producidos por alguna fuente ya que esto altera el entorno del huevo roto.

Algún tipo de cirugía futura es pura ficción. El huevo roto es parte de un proceso continuo en el espacio-tiempo, incluida la ruptura misma, y ​​no se puede aislar el huevo roto de ese proceso (gobernado por la segunda ley de la mecánica estadística cuántica a nivel micro y las leyes de la química clásica o clásica). mecánica a nivel macro). Necesitas revertir este proceso continuo, lo cual es imposible.

No veo ningún medio para lograr esto, sin cambiar el huevo roto en sí, por lo que será imposible (y ni siquiera hemos tenido en cuenta la mecánica cuántica).

Lo que preguntas es algo así como preguntar si podemos hacer un huevo sin la ayuda de un pollo (incluso si dejas que un pollo se coma el huevo roto, el huevo recién creado no es el mismo huevo que era el huevo roto antes de romperse). Obviamente, esto es imposible, como es imposible crear un bebé vivo sin una mujer (que tiene un útero) y un hombre.

O tome la pregunta "más simple" si puede revertir un relámpago. En ese caso, debe revertir el aumento de entropía (para todo el universo) en una disminución de entropía. Este es el punto principal aquí. Los procesos irreversibles son... bueno... irreversibles.

Si permitimos que un entorno externo interactúe con nuestro sistema de "huevos", devolver nuestro huevo a su estado original es lo mismo que crear un huevo idéntico al original. El quid de la cuestión es aclarar qué entendemos por "idénticas".

En el contexto de la termodinámica, no es posible que nos refiramos a microscópicamente idénticos: si vamos a hablar sobre la entropía termodinámica, debemos hacer algo de "grano grueso", lo que significa que identificamos un solo estado macroscópico con muchos ($N$, digamos) estados microscópicos suficientemente similares. Entonces, la entropía se puede definir contando cuántos microestados dan el mismo macroestado,$S=\log N$. Un estado tiene una entropía alta si hay muchos arreglos microscópicos que se ven iguales macroscópicamente.

Una respuesta a la pregunta es comenzar una granja de huevos y pasar su tiempo revisando todos los huevos para ver si son iguales al original. Eventualmente, si no se le acaban los recursos y la paciencia, encontrará un huevo lo suficientemente parecido al original como para que no pueda notar la diferencia. En ese momento, en efecto, ha restaurado el huevo a su estado original.