Termodynamikens andra lag berättar att alla system utvecklas mot ett tillstånd av maximal entropi, där all energi försvinner som värme, och ingen tillgänglig energi återstår att utföra arbete. Sedan mitten av 1900-talet har forskning har pekat på en förlängning av den andra lagen för system för icke -jämvikt:Maximal entropiproduktionsprincipen (MEPP) säger att ett system bort från jämvikt utvecklas på ett sådant sätt att entropiproduktion maximeras, med nuvarande begränsningar.

Nu, fysikerna Alexey Bezryadin, Alfred Hubler, och Andrey Belkin från University of Illinois i Urbana-Champaign, har demonstrerat framväxten av självorganiserade strukturer som driver utvecklingen av ett icke-jämviktssystem till ett tillstånd av maximal entropiproduktion. Författarna föreslår att MEPP ligger till grund för utvecklingen av det artificiella systemets självorganisation, på samma sätt som det ligger till grund för utvecklingen av ordnade system (biologiskt liv) på jorden. Teamets resultat publiceras i Nature Publishing Groups onlinetidsskrift Vetenskapliga rapporter .

MEPP ​​kan ha djupgående konsekvenser för vår förståelse av utvecklingen av det biologiska livet på jorden och av de underliggande reglerna som styr beteendet och utvecklingen av alla system för icke -jämvikt. Liv växte fram på jorden från den starkt obalanserade energifördelningen som skapades av solens heta fotoner som träffade en svalare planet. Växter utvecklades för att fånga högenergifoton och producera värme, genererar entropi. Därefter utvecklades djuren för att äta växter som ökar värmeenergis spridning och maximerar entropiproduktionen.

I deras experiment, forskarna hängde upp ett stort antal kolnanorör i en icke-ledande icke-polär vätska och drev systemet ur jämvikt genom att applicera ett starkt elektriskt fält. När den är elektriskt laddad, systemet utvecklades mot maximal entropi genom två distinkta mellanlägen, med den spontana uppkomsten av självmonterade ledande nanorörskedjor.

I det första tillståndet, "lavinregimen", de ledande kedjorna anpassade sig efter polariteten hos den applicerade spänningen, så att systemet kan bära ström och därmed avleda värme och producera entropi. Kedjorna tycktes sprida bilagor när nanorör anpassade sig så att de angränsar till angränsande parallella kedjor, effektivt öka entropiproduktionen. Men ofta, denna självorganisation förstördes genom laviner som utlöstes av uppvärmning och laddning som kommer från de växande elektriska strömmen.

"Lavinerna var tydliga i förändringarna av den elektriska strömmen över tid, sa Bezryadin.

Efter laviner, kedjorna med sina tillägg "viftade, "som liknar en levande varelse, liknar en insekt.

"Mot de sista stadierna av denna regim, bilagorna förstördes inte under lavinerna, utan drog sig tillbaka tills lavinen tog slut, reformerade sedan deras anslutning. Så det var uppenbart att lavinerna motsvarar 'matningscykeln' för 'nanorörinsatsen', "kommenterar Bezryadin.

I det andra relativt stabila utvecklingsstadiet, entropiproduktionstakten nådde maximalt eller nästan maximalt. Detta tillstånd är nästan stabilt eftersom det inte fanns några destruktiva laviner.

Studien pekar på ett möjligt klassificeringsschema för evolutionära stadier och ett kriterium för den punkt vid vilken systemets utveckling är irreversibel-där entropiproduktion i det självorganiserande delsystemet når sitt högsta möjliga värde. Ytterligare experiment i större skala är nödvändigt för att bekräfta dessa underliggande principer, men om de stämmer de kommer att visa sig vara en stor fördel i att förutsäga beteendemässiga och evolutionära trender i obekvämhetssystem.

Författarna drar en analogi mellan utvecklingen av intelligenta livsformer på jorden och framväxten av viftande buggar i deras experiment. Forskarna noterar att ytterligare kvantitativa studier behövs för att avrunda denna jämförelse. Särskilt, de skulle behöva visa att deras "viftande buggar" kan föröka sig, vilket skulle kräva att experimentet reproducerades i betydligt större skala.

En sådan studie, om det lyckas, skulle få konsekvenser för den eventuella utvecklingen av teknik som har egenorganiserad artificiell intelligens, en idé utforskad någon annanstans av medförfattaren Alfred Hubler, finansierad av Defense Advanced Research Projects Agency.

"Den allmänna trenden med utvecklingen av biologiska system tycks vara denna:mer avancerade livsformer tenderar att skingra mer energi genom att bredda deras tillgång till olika former av lagrad energi, "Bezryadin föreslår." Således kan en gemensam underliggande princip föreslås mellan våra självorganiserade moln av nanorör, som genererar mer och mer värme genom att minska sitt elektriska motstånd och därmed låta mer ström flöda, och de biologiska systemen som letar efter nya sätt att hitta mat, antingen genom biologisk anpassning eller genom att uppfinna mer teknik.

"Utökade matkällor gör att biologiska former kan växa ytterligare, multiplicera, konsumerar mer mat och producerar därmed mer värme och genererar entropi. Det verkar rimligt att säga att verkliga organismer fortfarande är långt från det absoluta maxvärdet för entropiproduktionstakten. I båda fallen, det finns "laviner" eller "utrotningshändelser", som satte tillbaka denna utveckling. Endast om all fri energi som ges av solen förbrukas, genom att bygga en Dyson -sfär till exempel, och omvandlas till värme kan en definitivt stabil fas av utvecklingen förväntas. "

"Intelligens, så vitt vi vet, är oskiljbar från livet, "tillägger han." Således för att uppnå artificiellt liv eller artificiell intelligens, vår rekommendation skulle vara att studera system som är långt ifrån jämvikt, med många frihetsgrader-många byggstenar-så att de kan organisera sig själv och delta i någon utveckling. Entropiproduktionskriteriet verkar vara vägledande princip för evolutionseffektiviteten. "