"Je moet harder werken om de klus sneller te klaren, " legt Gianmaria Falasco uit, een onderzoeker aan de Universiteit van Luxemburg terwijl hij de resultaten van zijn laatste werk met Massimiliano Esposito samenvat. Dit zal geen verrassing zijn voor iedereen die enige ervaring heeft met racen om afspraken en deadlines te halen, maar door specifieke parameters te definiëren voor de relatie tussen werk dat wordt uitgegeven in termen van dissipatie en de snelheid waarmee een systeem van toestand verandert, Falasco en Esposito bieden een waardevol hulpmiddel voor degenen die manieren ontwikkelen om niet-evenwichtssystemen te manipuleren, of dat nu het gedrag is van levende cellen of een elektronisch circuit. Aanvullend, de "dissipatie-tijd onzekerheidsrelatie" die ze ontwikkelden om dit gedrag te definiëren is verleidelijk suggestief voor andere onzekerheidsrelaties in de kwantumfysica.

Het leven is een niet-evenwichtsproces, het onophoudelijk handhaven van een organisme tegen ontbinding en desintegratie in zijn omgeving. Breng een muis of een ander wezen naar evenwicht, en alles wat je hebt is een stapel slijm. Veel van de cellulaire processen die het leven in stand houden, kunnen worden beschreven als chemische reacties die in wezen probabilistisch zijn en vatbaar voor thermische fluctuaties; niettemin, ze maken moleculaire motoren mogelijk die worden gevoed door adenosinetrifosfaat (ATP), verschillende celsignaleringsroutes en veel van de andere biologische processen die ons bezig houden. Naarmate de apparaatgroottes steeds kleiner worden, thermische fluctuaties worden steeds prominenter in de dynamiek van hun mechanische componenten, ook, om nog maar te zwijgen van de elektronische circuits die ze aandrijven. Om deze en een schat aan andere niet-evenwichtssystemen te begrijpen, er zit veel waarde in een zuivere wiskundige definitie die de pay-off vastlegt tussen dissipatie en de snelheid waarmee deze processen verlopen.

Deze laatste resultaten van de onderzoekers van de Universiteit van Luxemburg volgen op ontwikkelingen in de afgelopen 20 jaar in wat Esposito beschrijft als een "echte boom" op het gebied van statistische fysica, en niet-evenwicht statistische fysica, vooral. In de jaren 90 en 2000, er ontstond een reeks stellingen die parameters plaatsten rond de probabilistische aard van de tweede wet van de thermodynamica, die stelt dat de entropie van een geïsoleerd systeem zou moeten "neigen" om toe te nemen totdat het evenwicht bereikt. Deze fluctuatiestellingen vonden dat de exponentiële van entropieproductie gelijk is aan de verhouding van de waarschijnlijkheid van fluctuaties in de richting van toenemende entropie versus de waarschijnlijkheid dat fluctuaties in dit opzicht tegen de stroom in gaan. "In zekere zin we ontdekken nog steeds alle gevolgen van deze fluctuatierelaties en van dit veld dat stochastische thermodynamica wordt genoemd, ', zegt Esposito.

Een verschuiving in perspectief

Een baanbrekende ontwikkeling in deze vlaag van activiteit was de "thermodynamische onzekerheidsrelatie, " gedefinieerd in 2015 door onderzoekers van de Universität Stuttgart in Duitsland. Ze toonden aan dat de precisie van de eindtoestand van een systeem toenam met de hoeveelheid energie die nodig is om het te verschuiven. (Deze stellingen verwijzen over het algemeen naar kleine systemen waar thermische dynamica aanzienlijke fluctuaties veroorzaakt). In de tussentijd, in de kwantumfysica, een andere baanbrekende ontwikkeling had een snelheidslimiet gesteld aan hoe snel je de soorten manipulaties van kwantumtoestanden kunt bereiken die worden gebruikt voor kwantumberekening. "Ons werk is ontstaan ​​in de poging om deze twee onderzoekslijnen samen te voegen, ' zegt Falasco.

Toen zij zich op dit werk toelegden, Falasco en Esposito merkten op dat de meeste studies bekeken hoe een systeem zijn toestand kan veranderen, maar echte fysieke systemen die interessante taken uitvoeren, zullen eerder de toestand van hun omgeving veranderen door energie of materie van de ene plaats (of vorm) naar de andere te verplaatsen (of te veranderen). Neem een ​​radiateur, in wezen een pijp met warm water die de ketel verbindt met een koude kamer - de radiator verandert niet van staat, maar het verwarmt de kamer wel. "We zijn tot ons resultaat gekomen en hebben dit idee omgezet in wiskunde, ' zegt Falasco.

Nadat Falasco en Esposito hun systemen op deze manier hadden gedefinieerd en de waarschijnlijkheidsverhouding hadden toegepast die is gedefinieerd in de fluctuatiestellingen, ze waren in staat om een ​​ontwapenend eenvoudige relatie te definiëren die de uitbetaling beschrijft tussen de tijd die nodig is om een ​​andere toestand te bereiken en de gedissipeerde energie (of geproduceerde entropie):Het product van de gemiddelde tijd en de gedissipeerde energie kan nooit minder zijn dan de waarde van een van de universele constanten van de natuur, de Boltzmann-constante.

Zie deze relatie uitgeschreven, en het vertoont een fascinerende gelijkenis met de onzekerheidsrelaties van Heisenberg voor de precisie waarmee de energie en tijd of het momentum en de positie van een kwantumsysteem kunnen worden voorspeld uit beginvoorwaarden - het product van deze grootheden kan nooit minder zijn dan de helft van de constante van Planck. "Dus de analogie is heel treffend en intrigerend, ", zegt Esposito. Het zal de focus zijn van toekomstig werk op dit gebied om een ​​beter begrip te krijgen van de betekenis van eventuele overeenkomsten.

© 2020 Wetenschap X Netwerk