A fizikusok figyelmen kívül hagyott bizonytalanságot azonosítanak a valós kísérletekben, például az optikai csipeszeknél

(Nanowerk News) A fizikai rendszereket leíró egyenletek gyakran feltételezik, hogy a rendszer mérhető jellemzői – például a hőmérséklet vagy a kémiai potenciál – pontosan ismertek. De a való világ ennél zavarosabb, és a bizonytalanság elkerülhetetlen. A hőmérséklet ingadoz, a műszerek hibásan működnek, a környezet zavarja, és a rendszerek idővel fejlődnek. A statisztikai fizika szabályai a rendszer állapotával kapcsolatos bizonytalansággal foglalkoznak, amely akkor keletkezik, amikor a rendszer kölcsönhatásba lép a környezetével. De régóta hiányoltak egy másik fajtát, mondja David Wolpert SFI professzor és Jan Korbel, a bécsi Complexity Science Hub posztdoktori kutatója. Egy új cikkben, amely ben jelent meg Fizikai áttekintés kutatás („Bizonytalan sztochasztikus folyamatok nem egyensúlyi termodinamikája”), a fizikuspár azzal érvel, hogy magukban a termodinamikai paraméterekben – a rendszer energetikai viselkedését szabályozó egyenletekbe épített – bizonytalanság is befolyásolhatja egy kísérlet kimenetelét. Az itt látható, nanorészecskéket befogó optikai csipeszek azon rendszerek közé tartoznak, amelyeket olyan típusú bizonytalanság érint, amelyet a fizikusok régóta hiányolnak. (Kép: Steven Hoekstra / Wikipedia CC BY-SA 4.0) „Jelenleg szinte semmit sem tudunk az ilyen típusú bizonytalanság termodinamikai következményeiről, annak ellenére, hogy elkerülhetetlen” – mondja Wolpert. Az új cikkben ő és Korbel megvizsgálják a sztochasztikus termodinamika egyenletek módosításának módjait annak érdekében. Amikor Korbel és Wolpert találkozott egy 2019-es információs és termodinamikai workshopon, elkezdtek beszélni erről a második típusú bizonytalanságról a nem egyensúlyi rendszerek összefüggésében. „Azt gondoltuk, mi történik, ha nem ismeri pontosan a rendszerét szabályozó termodinamikai paramétereket? emlékszik vissza Korbel. – Aztán elkezdtünk játszani. A termodinamikai rendszereket leíró egyenletek gyakran pontosan meghatározott kifejezéseket tartalmaznak olyan dolgokra, mint a hőmérséklet és a kémiai potenciál. „De kísérletezőként vagy megfigyelőként nem feltétlenül ismeri ezeket az értékeket” – mondja Korbel. Még bosszantóbb, hogy rájöttek, hogy lehetetlen pontosan megmérni az olyan paramétereket, mint a hőmérséklet, a nyomás vagy a térfogat, mind a mérés korlátai, mind pedig azért, mert ezek a mennyiségek gyorsan változnak. Felismerték, hogy ezekkel a paraméterekkel kapcsolatos bizonytalanság nemcsak a rendszer eredeti állapotára vonatkozó információkat befolyásolja, hanem azt is, hogyan fejlődik. Szinte paradox, mondja Korbel. „A termodinamikában bizonytalanságot feltételez az állapotáról, ezért azt valószínűségi módon írja le. És ha van kvantumtermodinamika, akkor ezt kvantumbizonytalansággal teszi” – mondja. – De másrészt azt feltételezi, hogy minden paraméter pontos pontossággal ismert. Korbel szerint az új munka számos természetes és tervezett rendszerre vonatkozik. Ha egy sejtnek érzékelnie kell a hőmérsékletet például valamilyen kémiai reakció végrehajtásához, akkor a pontossága korlátozott lesz. A hőmérsékletmérés bizonytalansága azt jelentheti, hogy a cella több munkát végez – és több energiát használ fel. „A sejtnek fizetnie kell ezt a többletköltséget, amiért nem ismeri a rendszert” – mondja. Optikai csipesz mondjon egy másik példát. Ezek nagy energiájú lézersugarak, amelyek úgy vannak beállítva, hogy egyfajta csapdát hozzanak létre a töltött részecskék számára. A fizikusok a „merevség” kifejezést használják a részecske hajlamának leírására, hogy ellenálljon a csapda általi mozgásnak. A lézerek optimális konfigurációjának meghatározásához a lehető legpontosabban mérik a merevséget. Ezt jellemzően ismételt mérésekkel teszik, feltételezve, hogy a bizonytalanság magából a mérésből ered. De Korbel és Wolpert egy másik lehetőséget kínál – hogy a bizonytalanság abból fakad, hogy maga a merevség is változhat a rendszer fejlődésével. Ha ez a helyzet, akkor az ismételt azonos mérések nem rögzítik, és az optimális konfiguráció megtalálása továbbra is nehéz lesz. "Ha továbbra is ugyanazt a protokollt csinálod, akkor a részecske nem ugyanabba a pontba kerül, lehet, hogy egy kis lökést kell végezned", ami többletmunkát jelent, amit a hagyományos egyenletek nem írnak le. Ez a bizonytalanság minden skálán érvényesülhet, mondja Korbel. Amit gyakran mérési bizonytalanságként értelmeznek, az álcázott paraméterek bizonytalansága lehet. Talán egy kísérletet végeztek egy ablak mellett, ahol sütött a nap, majd megismételték, amikor felhős volt. Vagy talán a légkondicionáló több próbálkozás között is bekapcsolt. Sok helyzetben azt mondja: „releváns megvizsgálni ezt a más típusú bizonytalanságot”.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64416.php