Геометрия Руппайнера

Геометрия Руппайнера - это термодинамическая геометрия (тип информационной геометрии ), использующая язык римановой геометрии для изучения термодинамики. Джордж Руппайнер предложил это в 1979 году. Он утверждал, что термодинамические системы могут быть представлены римановой геометрией и что статистические свойства могут быть получены из модели.

Эта геометрическая модель основана на включении теории флуктуации в аксиомах из равновесной термодинамики, а именно, существуют равновесные состояния, которые могут быть представлены точками на двумерной поверхности (многообразия) и расстояния между этими состояниями равновесия связано с колебания между ними. Это понятие связано с вероятностями, т.е. чем менее вероятны колебания между состояниями, тем дальше они друг от друга. Это можно распознать, если учесть метрический тензор g ij в формуле расстояния (линейный элемент) между двумя состояниями равновесия

${\ displaystyle ds ^ {2} = g_ {ij} ^ {R} dx ^ {i} dx ^ {j}, \,}$

где матрица коэффициентов g ij представляет собой симметричный метрический тензор, который называется метрикой Руппайнера и определяется как отрицательный гессиан функции энтропии

${\ displaystyle g_ {ij} ^ {R} = - \ partial _ {i} \ partial _ {j} S (U, N ^ {a})}$

где U - внутренняя энергия (масса) системы, а N ^a относится к обширным параметрам системы. Математически геометрия Руппайнера является одним из конкретных типов информационной геометрии, аналогичной метрике Фишера-Рао, используемой в математической статистике.

Метрику Руппайнера можно понимать как термодинамический предел (предел больших систем) более общей информационной метрики Фишера. Для небольших систем (систем, в которых флуктуации велики), метрика Руппайнера может не существовать, поскольку не гарантируется, что вторые производные энтропии будут неотрицательными.

Метрика Руппайнера конформно связана с метрикой Вайнхольда через

${\ displaystyle ds_ {R} ^ {2} = {\ frac {1} {T}} ds_ {W} ^ {2} \,}$

где T - температура рассматриваемой системы. Доказательство конформного соотношения может быть легко выполнено, если записать первый закон термодинамики (dU = TdS +...) в дифференциальной форме с несколькими манипуляциями. Геометрия Вайнхольда также считается термодинамической геометрией. Он определяется как гессиан внутренней энергии по отношению к энтропии и другим обширным параметрам.

${\ displaystyle g_ {ij} ^ {W} = \ partial _ {i} \ partial _ {j} U (S, N ^ {a})}$

Давно замечено, что метрика Руппайнера плоская для систем с невзаимодействующей базовой статистической механикой, таких как идеальный газ. Особенности кривизны сигнализируют о критическом поведении. Кроме того, он применялся к ряду статистических систем, включая газ Ван-де-Ваальса. Недавно с использованием этого подхода был изучен энионный газ.

В последние пять лет или около того эта геометрия применялась к термодинамике черных дыр с некоторыми физически значимыми результатами. Наиболее физически значимым случаем является черная дыра Керра в более высоких измерениях, где сингулярность кривизны сигнализирует о термодинамической нестабильности, как было обнаружено ранее с помощью обычных методов.

Энтропия черной дыры дается известной формулой Бекенштейна – Хокинга

${\ displaystyle S = {\ frac {k_ {B} c ^ {3} A} {4G \ hbar}}}$

где находится постоянная Больцмана, скорость света, постоянная Ньютона и является площадь горизонта событий черной дыры. Вычисление геометрии Руппайнера энтропии черной дыры, в принципе, несложно, но важно, чтобы энтропия была записана в терминах обширных параметров, ${\ displaystyle k_ {B}}$ ${\ displaystyle c}$ ${\ displaystyle G}$ ${\ displaystyle A}$

${\ Displaystyle S = S (М, N ^ {а})}$

где - ADM-масса черной дыры, - сохраняющиеся заряды и пробегает от 1 до n. Подпись метрики отражает знак теплоемкости отверстия. Для черной дыры Рейсснера-Нордстрёма метрика Руппайнера имеет лоренцеву сигнатуру, которая соответствует отрицательной теплоемкости, которой она обладает, в то время как для черной дыры БТЗ у нас есть евклидова сигнатура. Этот расчет нельзя сделать для черной дыры Шварцшильда, потому что ее энтропия равна ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle N ^ {a}}$${\ displaystyle a}$

${\ Displaystyle S = S (M)}$

что делает метрику вырожденной.

• Руппайнер, Джордж (1995). «Риманова геометрия в теории термодинамических флуктуаций». Обзоры современной физики. 67 (3): 605–659. Bibcode : 1995RvMP... 67..605R. DOI : 10.1103 / RevModPhys.67.605. .
• Аман, Джон Э.; Бенгтссон, Ингемар; Пидокрайт, Нарит; Уорд, Джон (2008). «Термодинамические геометрии черных дыр». Одиннадцатая встреча Марселя Гроссмана. С. 1511–1513. DOI : 10.1142 / 9789812834300_0182.