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Wärmelehre: Quantenregeln für die Unordnung

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gilt als unumstößliches physikalisches Gesetz. Allerdings fußt er auf Konzepten aus dem 19. Jahrhundert. Dass auf großen Skalen manche Prozesse unumkehrbar sind, führen moderne Ansätze auf quantenmechanische Information zurück.
Ausbreitung von Tinte in Wasser
In klarem Wasser breiten sich Farbstoffmoleküle so lange aus, bis sie gleichmäßig verteilt sind. Damit steigt die Entropie. Die Thermody­namik verbietet den umgekehrten Vorgang – nie wird man erleben, wie sich Lösungsmittel und Tinte von selbst entmischen.

In der Physik gibt es wohl kein Prinzip, das so unantastbar ist wie der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Laut ihm nimmt die Entropie, das ist eine Art Maß für die Unordnung eines Systems, immer zu oder bleibt zumindest gleich. »Wenn jemand Sie darauf hinweist, dass die von Ihnen bevorzugte Theorie des Universums den maxwellschen Gleichungen widerspricht – nun, können Sie sagen, um so schlimmer für die maxwellschen Gleichungen«, schrieb der britische Astrophysiker Arthur Eddington 1928 in seinem Buch »The Nature of the Physical World« (1931 unter dem deutschen Titel »Das Weltbild der Physik und ein Versuch seiner philosophischen Deutung« erschienen). »Wenn es sich herausstellt, dass sie mit der Beobachtung unvereinbar ist – gut, auch Experimentalphysiker pfuschen manchmal. Aber wenn Ihre Theorie gegen den zweiten Hauptsatz verstößt, dann ist alle Hoffnung vergebens. Dann bleibt ihr nichts mehr übrig, als in tiefster Demut in der Versenkung zu verschwinden.« Ein Verstoß gegen dieses Gesetz wurde noch nie beobachtet und ist nicht zu erwarten.

Dennoch, einige Fachleute beunruhigt etwas am zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Sie sind nicht davon überzeugt, dass wir ihn richtig verstehen oder dass er auf soliden Fundamenten ruht. Obwohl er als Gesetz gilt, basiert er üblicherweise bloß auf probabilistischen Argumenten: Das Ergebnis eines Prozesses ist stets das wahrscheinlichste. Angesichts der üblicherweise ungeheuer großen Zahl von beteiligten Teilchen bedeutet das letztlich, dass dieser eine Ausgang unvermeidlich ist.

Doch für viele ist eine bloße Beschreibung dessen, was vermutlich passieren wird, unbefriedigend. »Von physikalischen Gesetzen erwarten wir Exaktheit«, sagt die Physikerin Chiara Marletto von der University of Oxford. Lässt sich der zweite Hauptsatz zu mehr als nur einer Aussage über Wahrscheinlichkeiten kondensieren? …

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