Fysikere identificerer overset usikkerhed i eksperimenter i den virkelige verden

De ligninger, der beskriver fysiske systemer, antager ofte, at målbare egenskaber ved systemet - temperatur eller kemisk potentiale, for eksempel - kan kendes nøjagtigt. Men den virkelige verden er mere rodet end som så, og usikkerhed er uundgåelig. Temperaturer svinger, instrumenter fungerer ikke, miljøet forstyrrer, og systemerne udvikler sig over tid.

Reglerne for statistisk fysik adresserer den usikkerhed om et systems tilstand, der opstår, når systemet interagerer med dets omgivelser. Men de har længe savnet en anden slags, siger SFI-professor David Wolpert og Jan Korbel, en postdoc-forsker ved Complexity Science Hub i Wien, Østrig.

I et nyt papir offentliggjort i Physical Review Research , argumenterer parret af fysikere for, at usikkerhed i selve de termodynamiske parametre – indbygget i ligninger, der styrer systemets energetiske adfærd – også kan påvirke resultatet af et eksperiment.

"På nuværende tidspunkt ved man næsten intet om de termodynamiske konsekvenser af denne type usikkerhed på trods af dens uundgåelige," siger Wolpert. I det nye papir overvejer han og Korbel måder at ændre ligningerne for stokastisk termodynamik for at imødekomme det.

Da Korbel og Wolpert mødtes til en workshop i 2019 om information og termodynamik, begyndte de at tale om denne anden form for usikkerhed i sammenhæng med ikke-ligevægtssystemer.

"Vi spekulerede på, hvad der sker, hvis du ikke kender de termodynamiske parametre, der styrer dit system nøjagtigt?" husker Korbel. "Og så begyndte vi at lege." De ligninger, der beskriver termodynamiske systemer, inkluderer ofte præcist definerede udtryk for ting som temperatur og kemiske potentialer. "Men som eksperimentator eller observatør kender du ikke nødvendigvis disse værdier" med meget stor præcision, siger Korbel.

Endnu mere irriterende indså de, at det er umuligt at måle parametre som temperatur, tryk eller volumen præcist, både på grund af begrænsningerne ved måling og det faktum, at disse mængder ændrer sig hurtigt. De erkendte, at usikkerhed om disse parametre ikke kun påvirker information om systemets oprindelige tilstand, men også hvordan det udvikler sig.

Det er næsten paradoksalt, siger Korbel. "I termodynamik antager du usikkerhed om din tilstand, så du beskriver den på en sandsynlig måde. Og hvis du har kvantetermodynamik, gør du dette med kvanteusikkerhed," siger han. "Men på den anden side antager du, at alle parametre er kendt med nøjagtig præcision."

Korbel siger, at det nye arbejde har konsekvenser for en række naturlige og konstruerede systemer. Hvis en celle skal føle temperaturen for at udføre en kemisk reaktion, for eksempel, så vil den være begrænset i sin præcision. Usikkerheden i temperaturmålingen kan betyde, at cellen udfører mere arbejde — og bruger mere energi. "Cellen skal betale denne ekstra omkostning for ikke at kende systemet," siger han.

Optisk pincet tilbyder et andet eksempel. Disse er højenergi laserstråler konfigureret til at skabe en slags fælde for ladede partikler. Fysikere bruger udtrykket "stivhed" til at beskrive partiklens tendens til at modstå at blive flyttet af fælden. For at bestemme den optimale konfiguration for laserne måler de stivheden så præcist som muligt. Det gør de typisk ved at tage gentagne målinger, forudsat at usikkerheden opstår fra selve målingen.

Men Korbel og Wolpert tilbyder en anden mulighed - at usikkerheden opstår fra det faktum, at selve stivheden kan ændre sig, efterhånden som systemet udvikler sig. Hvis det er tilfældet, vil gentagne identiske målinger ikke fange det, og det vil forblive uhåndgribeligt at finde den optimale konfiguration. "Hvis du bliver ved med at lave den samme protokol, så ender partiklen ikke i det samme punkt, du skal muligvis lave et lille skub," hvilket betyder ekstra arbejde, som ikke er beskrevet af de konventionelle ligninger.

Denne usikkerhed kan udspille sig på alle skalaer, siger Korbel. Hvad der ofte tolkes som usikkerhed i måling kan være usikkerhed i parametrene i forklædning. Måske blev et eksperiment udført i nærheden af ​​et vindue, hvor solen skinnede, og så gentaget, når det var overskyet. Eller måske startede klimaanlægget mellem flere forsøg. I mange situationer, siger han, "er det relevant at se på denne anden form for usikkerhed."

Flere oplysninger: Jan Korbel et al, Nonequilibrium thermodynamics of uncertain stochastic processes, Physical Review Research (2024). DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.013021

Journaloplysninger: Physical Review Research

Leveret af Santa Fe Institute