¿Por qué la naturaleza siempre prefiere baja energía y máxima entropía?

La naturaleza no tiene preferencias y, por lo tanto, la entropía tiende a aumentar.

¿Suena paradójico?

El punto es que cada estado microscópico (que describe la posición exacta y la velocidad de cada átomo en el sistema) es igualmente probable. Sin embargo, lo que normalmente observamos no es un microestado, sino una descripción detallada que corresponde a increíblemente muchos microestados. Ciertos macroestados corresponden a muchos menos microestados que otros macroestados. Como la naturaleza no tiene preferencia por ninguno de estos microestados, es mucho más probable que ocurran los últimos macroestados. La evolución hacia macroestados cada vez más probables (hasta alcanzar el macroestado más probable, el estado de equilibrio) se denomina segunda ley de la termodinámica.

La disminución de la energía potencial es la consecuencia de la primera (conservación de energía) y la segunda (evolución a macroestados más probables) de la ley de la termodinámica. Dado que los macroestados con mucha energía almacenada en forma de calor (movimiento térmico aleatorio) contienen muchos más microestados y, por lo tanto, son mucho más probables, la energía tiende a transferirse de energía potencial a energía térmica. Esto se observa como una disminución en la energía potencial.

En primer lugar, me gustaría señalar que la energía total en realidad se conserva y no puede aumentar o disminuir. De lo que estamos hablando aquí es de la energía potencial del sistema.

En segundo lugar, creo que esta es una pregunta realmente fundamental y, aunque muy interesante, tales preguntas tienden a terminar en la filosofía. En tercer lugar, haré todo lo posible para dar algunas respuestas.

Por lo general, el principio de energía potencial mínima se considera (al menos así lo veo yo) como un principio básico del mundo. Puedes comparar el principio de la energía potencial mínima o las fuerzas electrostáticas con una fuerza que tal vez conozcas un poco mejor: - ¿Por qué la gravedad hace que las masas se atraigan? - Porque así es, es ley fundamental de la naturaleza. No sé si crees* en la gravedad, pero yo sí. Y también creo en la minimización de la energía.

Sin embargo, si desea una explicación, también puede ser explicado por otras leyes. En este caso, es el principio de máxima entropía que mencionaste (también conocido como segunda ley de la termodinámica). Esta ley dice que el sistema intentará maximizar su entropía. La consecuencia es que toda la energía intentará convertirse en energía térmica (calor) aumentando así la entropía.

Ahora te encuentras con la siguiente pregunta: ¿por qué la entropía máxima? Bueno, una vez más, esto suele verse como un principio básico de los mecanismos de la naturaleza, pero en realidad puede derivarse de la física estadística . Sin embargo, al hacer esto, es posible que una vez más te encuentres con algunos principios de la física y las matemáticas hasta el infinito, por lo que al final tendrás que creer en algunos principios o al menos pensar en "si esto es correcto, entonces esto es lo que sigue". :" camino.

-*- al usar el concepto de creencia hablo de creer en una fórmula o una ley sin prueba formal, pero se prueba mediante experimentos que la fórmula funciona. Incluso si un principio no es el principio sobre el que la naturaleza basa los procesos, seguramente da los mismos resultados.

Bueno, mencionaría que la entropía es significativamente más contraria a la intuición de lo que algunos pueden pensar. En particular, dado que todos los microestados tienen la misma probabilidad, o en otras palabras, son equivalentes, si tuviera que cortarse un dedo, el estado en el que el trozo vuelve a su lugar por sí mismo es una suposición perfectamente válida. No hay nada a este respecto que vincule este estado a un nivel de energía específico. Ahora, para responder a la pregunta, ¿por qué nunca se ha visto esto? (Y no por qué es esto imposible...). Dado que nuestro cuerpo consta de miles de millones de átomos, necesitaría que retrocedieran todos a la vez de donde vinieron. A diferencia de simplemente saltar en movimientos no correlacionados, o en resumen... Decaer. Entonces, ese es el núcleo del principio de entropía. Los estados macro son el resultado de miles de millones de microestados diferentes, y solo vemos un valor promedio...microestados compatibles . Por lo tanto, es muy poco probable que el trozo vuelva a su lugar por sí solo.

Algunos dirían que es solo una forma artificial de decirlo.

¿Cuáles serían las probabilidades, al ensamblar átomos mudos, de una forma de vida inteligente? O, en otras palabras, ¿qué tan grande debe ser el experimento de muestreo para presenciar algo más que una roca muerta? :)

Considere un sistema de partículas de gas dentro de una botella de perfume. Ahora digamos que rocías el gas y el sistema de partículas ahora se esparce por todas partes de manera aleatoria. Bueno, ahora veamos estas partículas como ondas (ondas de materia), al igual que las nubes de electrones. Lo admito, no tengo un conocimiento profundo de la mecánica cuántica, pero por lo que he aprendido de mi química intermedia es que cuanto más se esparcen las nubes de electrones, menor es su energía. Entonces, cuando las partículas se esparcen uniformemente por todas partes con la máxima entropía, la nube de electrones se esparce por todas partes, como tal, alcanzan un estado de energía estable y más bajo. Ahora pasemos a su siguiente pregunta sobre la energía más baja. No es que la naturaleza o los sistemas de la naturaleza prefieran estados de energía más bajos, sino que no pueden avanzar más cuando tienen la energía más baja posible. Por ejemplo, considere una pelota lanzada desde el suelo cuando cae al suelo, le falta más energía o cualquier fuerza externa para volver al aire. Ahora todavía sigue siendo un misterio para mí cómo pueden alcanzar este estado estable en una cantidad finita de tiempo y pueden existir sistemas que tienen un estado estable pero lo superan. Entonces, todo esto fue mi audaz intento de explicar esta tendencia de la naturaleza con intuiciones de la mecánica cuántica.