"Du måste arbeta hårdare för att få jobbet gjort snabbare, " förklarar Gianmaria Falasco, en forskare vid universitetet i Luxemburg när han sammanfattar resultaten av sitt senaste arbete med Massimiliano Esposito. Detta kommer inte som någon överraskning för någon som har någon erfarenhet av att tävla runt och försöka uppfylla avtalade tider och deadlines, men genom att definiera specifika parametrar för förhållandet mellan nedlagt arbete i termer av förlust och hastigheten med vilken ett system ändrar tillstånd, Falasco och Esposito tillhandahåller ett värdefullt verktyg för dem som utvecklar sätt att manipulera icke-jämviktssystem, vara att beteendet hos levande celler eller en elektronisk krets. Dessutom, "förlust-tidsosäkerhetsrelationen" de utvecklade för att definiera detta beteende är lockande antyder andra osäkerhetsrelationer inom kvantfysiken.

Livet är en icke-jämviktsprocess, oavbrutet upprätthålla en organism mot sönderfall och sönderfall i sin omgivning. Ta en mus eller någon annan varelse till jämvikt, och allt du har är en hög med goo. Många av de cellulära processer som upprätthåller liv kan beskrivas som kemiska reaktioner som i huvudsak är probabilistiska och benägna för termiska fluktuationer; ändå, de möjliggör molekylära motorer som drivs av adenosintrifosfat (ATP), olika cellsignaleringsvägar och många av de andra biologiska processerna som håller oss på att ticka över. När enhetsstorlekarna fortsätter att minska, termiska fluktuationer blir allt mer framträdande i dynamiken hos deras mekaniska komponenter, också, för att inte tala om de elektroniska kretsarna som driver dem. För att förstå dessa och en mängd andra icke-jämviktssystem, det finns ett stort värde i en ren matematisk definition som fastställer utdelningen mellan försvinnande och de hastigheter med vilka dessa processer fortskrider.

Dessa senaste resultat från forskare från universitetet i Luxemburg följer utvecklingen under de senaste 20 åren i vad Esposito beskriver som en "riktig boom" inom området statistisk fysik, och statistisk fysik utan jämvikt, särskilt. Under 1990- och 2000-talen, en serie teorier framkom som placerade parametrar kring den sannolikhetsmässiga karaktären hos den andra termodynamiska lagen, som säger att entropin i ett isolerat system bör "benägen" att öka tills det når jämvikt. Dessa fluktuationssatser fann att exponentialen för entropiproduktion är lika med förhållandet mellan sannolikheten för att fluktuationer rör sig i riktning mot ökande entropi kontra sannolikheten för fluktuationer som går emot kornen i detta avseende. "På sätt och vis, vi upptäcker fortfarande alla konsekvenser av dessa fluktuationsförhållanden och av detta fält som kallas stokastisk termodynamik, säger Esposito.

Ett perspektivskifte

En avgörande utveckling i denna uppsjö av aktivitet var "det termodynamiska osäkerhetsförhållandet, " definieras 2015 av forskare vid Universität Stuttgart i Tyskland. De visade att precisionen för ett systems sluttillstånd ökade med mängden energi som behövs för att växla det. (Dessa satser hänvisar i allmänhet till små system där termisk dynamik orsakar betydande fluktuationer). Under tiden, i kvantfysik, en annan avgörande utveckling hade satt en hastighetsgräns för hur snabbt man kunde uppnå de typer av manipulationer av kvanttillstånd som används för kvantberäkning. "Vårt arbete föddes i ansträngningen att förena dessa två forskningslinjer, säger Falasco.

När de ansökte om detta arbete, Falasco och Esposito märkte att de flesta studier övervägde hur ett system kan ändra sitt tillstånd, men verkliga fysiska system som utför uppgifter av intresse är mer benägna att ändra omgivningens tillstånd istället genom att flytta (eller ändra) energi eller materia från en plats (eller form) till en annan. Ta en radiator, i huvudsak ett rör med varmvatten som ansluter pannan till ett kallt rum - radiatorn ändrar inte sitt tillstånd, men det värmer upp rummet. "Vi kom fram till vårt resultat och förvandlade den här idén till matematik, säger Falasco.

När Falasco och Esposito väl hade definierat sina system på detta sätt och tillämpat sannolikhetskvoten definierad i fluktuationssatserna, de kunde definiera ett avväpnande enkelt förhållande som beskriver utdelningen mellan den tid det tar att nå ett annat tillstånd och den energi som försvinner (eller producerad entropi):Produkten av den genomsnittliga tiden och den förbrukade energin kan aldrig vara mindre än värdet av en av naturens universella konstanter, Boltzmann-konstanten.

Se denna relation skriven ut, och den har en fascinerande likhet med Heisenbergs osäkerhetsrelationer för den precision med vilken ett kvantsystems energi och tid eller momentum och position kan förutsägas utifrån initiala förhållanden - produkten av dessa storheter kan aldrig vara mindre än hälften av Plancks konstant. "Så analogin är väldigt slående och spännande, " säger Esposito. Att få en bättre förståelse för vilken betydelse om någon likheten har kommer att vara i fokus för framtida arbete inom detta område.

© 2020 Science X Network