Οι φυσικοί εντοπίζουν την παραμελημένη αβεβαιότητα σε πειράματα του πραγματικού κόσμου όπως τα οπτικά τσιμπιδάκια

(Ειδήσεις Nanowerk) Οι εξισώσεις που περιγράφουν τα φυσικά συστήματα συχνά υποθέτουν ότι τα μετρήσιμα χαρακτηριστικά του συστήματος — θερμοκρασία ή χημικό δυναμικό, για παράδειγμα — μπορούν να είναι γνωστά ακριβώς. Αλλά ο πραγματικός κόσμος είναι πιο βρώμικος από αυτό και η αβεβαιότητα είναι αναπόφευκτη. Οι θερμοκρασίες κυμαίνονται, τα όργανα δυσλειτουργούν, το περιβάλλον παρεμβαίνει και τα συστήματα εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου. Οι κανόνες της στατιστικής φυσικής αντιμετωπίζουν την αβεβαιότητα σχετικά με την κατάσταση ενός συστήματος που προκύπτει όταν αυτό το σύστημα αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του. Αλλά έχουν χάσει εδώ και καιρό ένα άλλο είδος, λένε ο καθηγητής SFI David Wolpert και ο Jan Korbel, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Complexity Science Hub στη Βιέννη της Αυστρίας. Σε μια νέα εργασία που δημοσιεύτηκε στο Έρευνα φυσικής αναθεώρησης («Θερμοδυναμική μη ισορροπίας αβέβαιων στοχαστικών διεργασιών»), το ζευγάρι των φυσικών υποστηρίζει ότι η αβεβαιότητα στις ίδιες τις θερμοδυναμικές παραμέτρους - ενσωματωμένη σε εξισώσεις που διέπουν την ενεργειακή συμπεριφορά του συστήματος - μπορεί επίσης να επηρεάσει το αποτέλεσμα ενός πειράματος. Τα οπτικά τσιμπιδάκια, που παρουσιάζονται εδώ να παγιδεύουν ένα νανοσωματίδιο, είναι μεταξύ των συστημάτων που επηρεάζονται από έναν τύπο αβεβαιότητας που οι φυσικοί έχουν χάσει εδώ και καιρό. (Εικόνα: Steven Hoekstra / Wikipedia CC BY-SA 4.0) «Προς το παρόν, σχεδόν τίποτα δεν είναι γνωστό για τις θερμοδυναμικές συνέπειες αυτού του τύπου αβεβαιότητας παρά το αναπόφευκτό της», λέει ο Wolpert. Στη νέα εργασία, αυτός και ο Korbel εξετάζουν τρόπους για να τροποποιήσουν τις εξισώσεις της στοχαστικής θερμοδυναμικής για να την προσαρμόσουν. Όταν ο Korbel και ο Wolpert συναντήθηκαν σε ένα εργαστήριο για πληροφορίες και θερμοδυναμική το 2019, άρχισαν να μιλούν για αυτό το δεύτερο είδος αβεβαιότητας στο πλαίσιο των συστημάτων μη ισορροπίας. «Αναρωτηθήκαμε, τι θα συμβεί αν δεν γνωρίζετε ακριβώς τις θερμοδυναμικές παραμέτρους που διέπουν το σύστημά σας;» θυμάται ο Κόρμπελ. «Και μετά αρχίσαμε να παίζουμε». Οι εξισώσεις που περιγράφουν θερμοδυναμικά συστήματα συχνά περιλαμβάνουν επακριβώς καθορισμένους όρους για πράγματα όπως η θερμοκρασία και τα χημικά δυναμικά. "Αλλά ως πειραματιστής ή παρατηρητής δεν γνωρίζετε απαραίτητα αυτές τις τιμές" με πολύ μεγάλη ακρίβεια, λέει ο Korbel. Ακόμη πιο ενοχλητικό, συνειδητοποίησαν ότι είναι αδύνατο να μετρηθούν με ακρίβεια οι παράμετροι όπως η θερμοκρασία, η πίεση ή ο όγκος, τόσο λόγω των περιορισμών της μέτρησης όσο και λόγω του γεγονότος ότι αυτές οι ποσότητες αλλάζουν γρήγορα. Αναγνώρισαν ότι η αβεβαιότητα σχετικά με αυτές τις παραμέτρους δεν επηρεάζει μόνο τις πληροφορίες σχετικά με την αρχική κατάσταση του συστήματος, αλλά και τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσεται. Είναι σχεδόν παράδοξο, λέει ο Korbel. «Στη θερμοδυναμική, υποθέτετε την αβεβαιότητα για την κατάστασή σας, επομένως την περιγράφετε με πιθανολογικό τρόπο. Και αν έχετε κβαντική θερμοδυναμική, το κάνετε με κβαντική αβεβαιότητα», λέει. «Αλλά από την άλλη πλευρά, υποθέτετε ότι όλες οι παράμετροι είναι γνωστές με ακριβή ακρίβεια». Ο Korbel λέει ότι το νέο έργο έχει επιπτώσεις σε μια σειρά από φυσικά και κατασκευασμένα συστήματα. Εάν ένα κύτταρο χρειάζεται να αισθανθεί τη θερμοκρασία για να πραγματοποιήσει κάποια χημική αντίδραση, για παράδειγμα, τότε θα είναι περιορισμένη στην ακρίβειά του. Η αβεβαιότητα στη μέτρηση της θερμοκρασίας θα μπορούσε να σημαίνει ότι το κύτταρο κάνει περισσότερη δουλειά - και χρησιμοποιεί περισσότερη ενέργεια. «Το κύτταρο πρέπει να πληρώσει αυτό το επιπλέον κόστος επειδή δεν γνωρίζει το σύστημα», λέει. Οπτικό τσιμπιδάκι προσφέρει ένα άλλο παράδειγμα. Αυτές είναι ακτίνες λέιζερ υψηλής ενέργειας που έχουν διαμορφωθεί για να δημιουργούν ένα είδος παγίδας για φορτισμένα σωματίδια. Οι φυσικοί χρησιμοποιούν τον όρο «ακαμψία» για να περιγράψουν την τάση του σωματιδίου να αντιστέκεται στο να κινηθεί από την παγίδα. Για να καθορίσουν τη βέλτιστη διαμόρφωση για τα λέιζερ, μετρούν την ακαμψία όσο το δυνατόν ακριβέστερα. Συνήθως το κάνουν αυτό κάνοντας επαναλαμβανόμενες μετρήσεις, υποθέτοντας ότι η αβεβαιότητα προκύπτει από την ίδια τη μέτρηση. Αλλά ο Korbel και ο Wolpert προσφέρουν μια άλλη πιθανότητα - ότι η αβεβαιότητα προκύπτει από το γεγονός ότι η ίδια η ακαμψία μπορεί να αλλάζει καθώς το σύστημα εξελίσσεται. Εάν συμβαίνει αυτό, τότε οι επαναλαμβανόμενες πανομοιότυπες μετρήσεις δεν θα το καταγράψουν και η εύρεση της βέλτιστης διαμόρφωσης θα παραμείνει αδιευκρίνιστη. «Αν συνεχίσετε να κάνετε το ίδιο πρωτόκολλο, τότε το σωματίδιο δεν καταλήγει στο ίδιο σημείο, ίσως χρειαστεί να κάνετε μια μικρή ώθηση», που σημαίνει επιπλέον εργασία που δεν περιγράφεται από τις συμβατικές εξισώσεις. Αυτή η αβεβαιότητα θα μπορούσε να εκδηλωθεί σε όλες τις κλίμακες, λέει ο Korbel. Αυτό που συχνά ερμηνεύεται ως αβεβαιότητα στη μέτρηση μπορεί να είναι αβεβαιότητα στις μεταμφιεσμένες παραμέτρους. Ίσως ένα πείραμα να έγινε κοντά σε ένα παράθυρο όπου έλαμπε ο ήλιος και μετά να επαναλαμβανόταν όταν είχε συννεφιά. Ή ίσως το κλιματιστικό ξεκίνησε ανάμεσα σε πολλαπλές δοκιμές. Σε πολλές περιπτώσεις, λέει, «είναι σημαντικό να δούμε αυτόν τον άλλο τύπο αβεβαιότητας».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64416.php