قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌کند که انتروپی کل یک سیستم منزوی، همیشه در طول زمان، تمایل به افزایش دارد تا وقتی به یک بیشینه برسد. به عبارت دیگر، بی‌نظمی، بدون مداخله‌ی بیرونی افزایش می‌یابد. انتروپی چگونه می‌تواند افت و خیز کمیت‌های ماکروسکوپی در دنیای میکروسکوپی را روشن کند؟ با دیپ لوک همراه باشید…
تجهیزات الکتریکی به طور اجتناب‌ناپذیری گرم می‌شوند، زیرا بخشی از انرژی، به جای استفاده برای کار مکانیکی، به شکل گرما پخش می‌شود. همچنین اشیا در طول زمان فاسد می‌شوند، اما به طور خودبخودی بازتولید نمی‌شوند. با این حال، این ماهیت شهودی انتروپی، لزوما به جهان میکروسکوپی اعمال نمی‌شود. بنابراین فیزیکدانان قانون دوم را با یک اعمال یک فرض آماری، بازتفسیر کرده‌اند: انتروپی قطعا افزایش می‌یابد، اما یک احتمال غیر تهی وجود دارد که می‌تواند گاهی اوقات کاهش یابد.
مثلا به جای آنکه گرما از یک جسم داغ به یک جسم سرد، جریان یابد، در موقعیت‌های معینی، از یک جسم سرد به یک جسم داغ جریان یابد. قضایای افت و خیز (FTs) این احتمال را با دقت سنجیدند. این مسئله، با توجه به کاربرد در ماشین‌های مقیاس نانو، جذابیت کاربردی دارد. قضایای افت و خیز برای اولین بار در مقاله‌ای در سال ۱۹۹۳ در مجله Physical Review Letters منتشر شدند. محققان در این مقاله، یکی از این قضایا را هم با استفاده از شبیه سازی کامپیوتری آزمودند.
اخیرا مقاله‌ای در همین مجله منتشر شد که نشان می‌دهد یکی از نتایج قضایای افت و خیز، روابط عدم قطعیت ترمودینامیک است که افت و خیز در مقادیر ترمودینامیکی مانند گرما، کار و توان را شامل می‌شود. محققان می‌گویند:
ریشه‌های فیزیکی روابط عدم قطعیت ترمودینامیک، تاکنون مبهم بودند. مطالعه‌ی ما نشان می‌دهد که آنها می‌توانند از قضایای افت و خیز بدست آیند. وقتی ما شروع به مطالعه ترمودینامیک کردیم، مجبور بودیم با کمیت‌هایی مانند گرما، کار و توان که همیشه مقادیر ثابتی را به آنها اختصاص می‌دادیم، سروکله بزنیم. ما هیچگاه تصور نمی‌کردیم که آنها افت و خیز کنند، اما آنها افت و خیز داشتند. مثلا آنها می‌توانند اَعمال یک ماشین مقیاس نانو را تحت تاثیر قرار دهند. روابط عدم قطعیت ترمودینامیک، بنیانی برای این افت و خیزها بنا می‌کنند که آنها را به سایر کمیت‌ها، مانند اندازه سیستم وصل می‌کند.
روابط عدم قطعیت ترمودینامیک در سال ۲۰۱۵ و توسط گروهی از محققان از دانشگاه اشتوتکارت آلمان کشف شد. ساختار ترمودینامیکی این روابط مشابه اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است، اما آنها ربطی به فیزیک کوانتومی ندارند، آنها کاملا ترمودینامیکی‌اند. محققان می‌گویند:
ماهیت روابط عدم قطعیت ترمودینامیک، هرگز خیلی روشن نشده است. کار اصلی ما این بود که نشان دهیم آنها از قضایای افت و خیز بدست می‌آیند. ما معتقدیم که قضایای افت و خیز، قانون دوم ترمودینامیک را بسیار عمومی‌تر بیان می‌کنند و روابط عدم قطعیت، نتیجه‌ای از قضایای افت و خیز هستند. این تعمیم قانون دوم ترمودینامیک، مقادیر ترمودینامیکی را با وجود اختیاری بودن، به عنوان موجوداتی که می‌توانند افت و خیز کنند، درنظر می‌گیرد، زیرا آنها باید از تقارن‌های معینی پیروی کنند. محققان می‌گویند:
چند قضیه افت و خیز وجود دارد. ما یک دسته خاص از قضایای افت و خیز را یافتیم و روی آنها به عنوان موارد تقارن ریاضی تمرکز کردیم. ما با این شیوه، مسئله‌ی خود را به یک مسئله‌ی ریاضی، تبدیل کردیم. نتیجه‌ی اصلی ما، یک قضیه از نظریه‌ی احتمالات بود.
