Fysikere identificerer overset usikkerhed i eksperimenter fra den virkelige verden som en optisk pincet

Fysikere identificerer overset usikkerhed i eksperimenter fra den virkelige verden som en optisk pincet

Tidsstempel: 15. januar 2024 12:25
Kildeknude: 3062607
Jan 15, 2024

(Nanowerk nyheder) 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 blad udgivet i Physical Review Research ("Uligevægts termodynamik af usikre stokastiske processer"), argumenterer parret af fysikere, at usikkerhed i selve de termodynamiske parametre - indbygget i ligninger, der styrer systemets energetiske adfærd - også kan påvirke resultatet af et eksperiment. Optisk pincet, vist her, der fanger en nanopartikel Optisk pincet, vist her, der fanger en nanopartikel, er blandt de systemer, der er påvirket af en form for usikkerhed, som fysikere længe har savnet. (Billede: Steven Hoekstra / Wikipedia CC BY-SA 4.0) "På nuværende tidspunkt ved man næsten intet om de termodynamiske konsekvenser af denne type usikkerhed på trods af dens uundgåelighed," 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 har man kvantetermodynamik, gør man det 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 give et andet eksempel. Disse er højenergi-laserstråler, der er 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 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 derefter 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."

Tidsstempel:

Mere fra Nanoværk