Fysikere fastlægger udbyttet mellem hastighed og entropi

"Du skal arbejde hårdere for at få arbejdet gjort hurtigere, " forklarer Gianmaria Falasco, en forsker ved universitetet i Luxembourg, da han opsummerer resultaterne af sit seneste arbejde med Massimiliano Esposito. Dette vil ikke komme som nogen overraskelse for nogen, der har erfaring med at køre rundt og prøve at overholde aftaler og deadlines, men ved at definere specifikke parametre for forholdet mellem forbrugt arbejde i form af dissipation og den hastighed, hvormed et system ændrer tilstand, Falasco og Esposito giver et værdifuldt værktøj til dem, der udvikler måder at manipulere ikke-ligevægtssystemer på, være at opførsel af levende celler eller et elektronisk kredsløb. Derudover den "dissipation-time usikkerhedsrelation", de udviklede for at definere denne adfærd, antyder på en fristende måde andre usikkerhedsrelationer i kvantefysikken.

Livet er en ikke-ligevægtsproces, uophørligt at opretholde en organisme mod nedbrydning og opløsning i dens miljø. Tag en mus eller ethvert andet væsen til ligevægt, og alt hvad du har, er en bunke fedt. Mange af de cellulære processer, der opretholder liv, kan beskrives som kemiske reaktioner, der i det væsentlige er sandsynlige og tilbøjelige til termiske fluktuationer; Ikke desto mindre, de muliggør molekylære motorer drevet af adenosintrifosfat (ATP), forskellige cellesignalveje og mange af de andre biologiske processer, der får os til at tikke over. Efterhånden som enhedsstørrelserne fortsætter med at skrumpe, termiske udsving bliver mere og mere fremtrædende i dynamikken af ​​deres mekaniske komponenter, såvel, for ikke at nævne de elektroniske kredsløb, der driver dem. For at forstå disse og et væld af andre ikke-ligevægtssystemer, der er stor værdi i en ren matematisk definition, der fastlægger udbyttet mellem dissipation og de hastigheder, hvormed disse processer forløber.

Disse seneste resultater fra forskere fra University of Luxembourg følger udviklingen over de seneste 20 år i, hvad Esposito beskriver som et "rigtigt boom" inden for statistisk fysik, og statistisk fysik uden ligevægt, i særdeleshed. I løbet af 1990'erne og 2000'erne, en række sætninger opstod, der placerede parametre omkring den sandsynlige natur af termodynamikkens anden lov, som siger, at entropien i et isoleret system skal "have tendens" til at stige, indtil det når ligevægt. Disse fluktuationssætninger fandt, at eksponentialet for entropiproduktion er lig med forholdet mellem sandsynligheden for, at fluktuationer bevæger sig i retning af stigende entropi versus sandsynligheden for, at udsving går imod kornet i denne henseende. "I en vis forstand, vi opdager stadig alle konsekvenserne af disse fluktuationsrelationer og af dette felt, der kaldes stokastisk termodynamik, " siger Esposito.

Et perspektivskifte

En afgørende udvikling i denne byge af aktivitet var det "termodynamiske usikkerhedsforhold, " defineret i 2015 af forskere ved Universität Stuttgart i Tyskland. De viste, at præcisionen af ​​et systems endelige tilstand steg med den mængde energi, der er nødvendig for at skifte det. (Disse sætninger refererer generelt til små systemer, hvor termisk dynamik forårsager betydelige udsving). I mellemtiden i kvantefysik, en anden banebrydende udvikling havde sat en hastighedsgrænse på, hvor hurtigt man kunne opnå den slags manipulationer af kvantetilstande, der bruges til kvanteberegning. "Vores arbejde blev født i bestræbelserne på at forbinde disse to forskningslinjer, " siger Falasco.

Da de anvendte sig selv til dette arbejde, Falasco og Esposito bemærkede, at de fleste undersøgelser overvejede, hvordan et system kan ændre sin tilstand, men rigtige fysiske systemer, der udfører opgaver af interesse, er mere tilbøjelige til at ændre tilstanden af ​​deres omgivelser i stedet for ved at flytte (eller ændre) energi eller stof fra et sted (eller form) til et andet. Tag en radiator, i det væsentlige et rør med varmt vand, der forbinder kedlen med et koldt rum - radiatoren ændrer ikke sin tilstand, men det opvarmer rummet. "Vi nåede frem til vores resultat ved at omdanne denne idé til matematik, " siger Falasco.

Når først Falasco og Esposito havde defineret deres systemer på denne måde og anvendt sandsynlighedsforholdet defineret i fluktuationssætningerne, de var i stand til at definere et afvæbnende simpelt forhold, der beskriver udbyttet mellem den tid, det tager at nå en anden tilstand, og den energi, der spredes (eller produceret entropi):Produktet af den gennemsnitlige tid og den afsatte energi kan aldrig være mindre end værdien af en af ​​naturens universelle konstanter, Boltzmann konstanten.

Se denne relation skrevet ud, og det har en fascinerende lighed med Heisenbergs usikkerhedsrelationer for den præcision, hvormed et kvantesystems energi og tid eller momentum og position kan forudsiges ud fra begyndelsesbetingelser - produktet af disse størrelser kan aldrig være mindre end halvdelen af ​​Plancks konstant. "Så analogien er meget slående og spændende, " siger Esposito. At få en bedre forståelse af, hvilken betydning, hvis nogen ligheden har, vil være i fokus for det fremtidige arbejde på dette område.

© 2020 Science X Network