Thermodynamic entropy as a Noether invariant...2015年7月7日 2 3輪車上@バンガロール...

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Thermodynamic entropy as a Noether invariant Shin-ichi Sasa (Kyoto University) in collaboration with Yuki Yokokura See http://arxiv.org/abs/1509.08943 PRL 2016; Editors’ suggestion @ 益川塾、京都産業大学 2016/08/02 1

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Thermodynamic entropy

as a Noether invariant

Shin-ichi Sasa (Kyoto University)

in collaboration with Yuki Yokokura

See http://arxiv.org/abs/1509.08943

PRL 2016; Editors’ suggestion

@ 益川塾、京都産業大学

2016/08/02 1

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2015年7月7日

2

3輪車上@バンガロール

横倉「熱力学エントロピーを対称性から導出する、 という研究はないでしょうか?」

佐々「聞いたことない。いかにも僕が考えそうな 問題なのに、考えたこともなかった。 でも、待てよ、あり得るわ。うん、あるわ。」

背景:ブラックホールエントロピーをネーター電荷として 導出するのは重力業界では有名な話 R. M. Wald, Black hole entropy is the Noether charge, Phys. Rev. D (1993) (一般相対論100周年 Phys Rev 記念碑論文のひとつに選出)

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基本事項

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(ネーターの定理) 対称性があれば、解に沿って保存量がある。

(断熱定理)

相空間の点に対してそれを含むエネルギー面で囲まれた 相空間体積は、準静的操作に対するほとんど全ての解に おいて不変である。

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Quick question

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What is the symmetry ?

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5

This is the goal of my talk

You will find a surprising result!

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Plan of this talk

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1. Introduction

2. Adiabatic theorem

3. Noether’s theorem

6. Concluding remarks

4. Derivation of the symmetry

5. Macroscopic systems

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Part II

Adiabatic theorem

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Basic concept : entropy

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quasi-static adiabatic process:

Thermodynamics:

Adiabatic wall

piston

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Mechanical description

9

Classical mechanics: Adiabatic wall

piston

time-dependent control parameter e.g.

phase space coordinate

Hamiltonian

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Statistical mechanics

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Any physical quantity

Entropy

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Thermodynamic concepts

11

Inverse temperature

Fundamental relation in thermodynamics:

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Time-dependent entropy

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protocol : fix

solution to the Hamiltonian equation

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Adiabatic theorem

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Quasi-static operation

Ergodic (with respect to the MC measure)

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Remarks on history

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Kasuga, On the adiabatic theorem for the Hamiltonian System of differential equations in the classical mechanics I-III Proceedings of the Japan Academy 37, 366-382(1961)

Lochak and Meunier, Multiphase averaging for classical systems (Springer, 1988)

Ott, Goodness of ergodic adiabatic invariants, Phys. Rev. Lett. 42, 1628-1631 (1979). Jarzynski, Multipule-time-scale approach to ergodic adiabatic systems: Another look, Phys. Rev. Lett. 71 839-842 (1993).

Physical arguments (proofs) : 1905-1915 e.g. Hertz

Anosov, Averaging in systems of ordinary differential equations with rapidly oscillating solutions, Izv. Akad. Nauk SSSR ser. mat. 24 721-742 (1960)

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Part III

Noether’s theorem

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Setting up I

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Adiabatic wall

piston

coordinates of particles

control parameter e.g.

protocol : fix

any trajectory

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Setting up II

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Action:

Lagrangian:

Energy:

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Transformation I

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an infinitely small parameter

non-uniform translation of time

The protocol ( as a function of time) is fixed

Positions are independent of time labeling

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Transformation II

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Result

20

Suppose that there exist and

that satisfy

is an invariant quantity

Noether, 1918; Bessel-Hagen 1921

Trautman, CMP, 1967

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Remark on the symmetry

21 Each solution trajectory is transformed to another solution trajectory

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Part IV Derivation of the symmetry

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Condition for the Symmetry

23 Do and exist for any with a fixed quasi-static ?

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Starter

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The Noether invariant is the energy.

there are no and for a general quasi-static protocol .

When , and lead to

However,

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Because

25

piston

piston

trajectories may be too wild to describe quasi-static processes

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We restrict trajectories to

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piston

piston

those consistent with quasi-static processes in thermodynamics

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Thermodynamically

consistent trajectories

27

Two conditions:

(1)

(2)

Mechanical work = Thermodynamic work

which defines a path

(quasi-static operation)

in the limit

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Condition for the Symmetry II

28

for thermodynamically consistent trajectories

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Integrability condition

29

Total derivative !

(small trick )

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Solution

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an arbitrary function

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Summary of Results so far

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Noether invariant:

Symmetry:

Transformation:

for thermodynamically consistent trajectories

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Part V Macroscopic systems

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Extensive Noether invariant

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is an extensive variable

A A Scaled copy

is intensive!

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Determination of

34

A B

is intensive!

is independent of

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Universality

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the universal constant of the action-dimension

If there exist no such quantity (like in 19 th century), we may conclude that there is no transformation …..

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Universality II

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the universal constant of the action-dimension

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Main result

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The macroscopic system we study is symmetric for the transformation when the domain of the action is restricted to “thermodynamically consistent trajectories”

The Noether invariant is then

The extensive Noether invariant provides the unique characterization of thermodynamic entropy

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Part VI

Concluding remarks 38

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Next problems

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What is ?

Relation with ?

“emergent symmetry”

e.g. Symmetry in the action for the perfect fluid

Hael et al, JHEP 2015 Boer et al, JHEP 2015

Connection with black hole entropy (as the Noether charge) ?

Unification with the second law of thermodynamics ?

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Entropy

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Entropy

Thermodynamics

Statistical mechanics

Information

Complexity

Entanglement

Black hole