Fizycy identyfikują przeoczaną niepewność w rzeczywistych eksperymentach, takich jak pęseta optyczna

(Wiadomości Nanowerk) Równania opisujące układy fizyczne często zakładają, że mierzalne cechy układu – na przykład temperatura lub potencjał chemiczny – mogą być dokładnie znane. Ale prawdziwy świat jest bardziej chaotyczny i nie da się uniknąć niepewności. Temperatury się zmieniają, instrumenty działają nieprawidłowo, środowisko zakłóca, a systemy ewoluują z biegiem czasu. Zasady fizyki statystycznej dotyczą niepewności co do stanu układu, który pojawia się, gdy system ten wchodzi w interakcję z otoczeniem. Ale od dawna tęsknili za innym rodzajem, mówią profesor SFI David Wolpert i Jan Korbel, badacz ze stopniem doktora w Complexity Science Hub w Wiedniu w Austrii. W nowym artykule opublikowanym w Badania przeglądu fizycznego („Termodynamika nierównowagowa niepewnych procesów stochastycznych”) para fizyków argumentuje, że niepewność samych parametrów termodynamicznych – wbudowana w równania rządzące energetycznym zachowaniem układu – może również wpływać na wynik eksperymentu. Pęsety optyczne, pokazane tutaj, zatrzymujące nanocząsteczkę, należą do systemów dotkniętych niepewnością, której fizycy dawno przeoczyli. (Zdjęcie: Steven Hoekstra / Wikipedia CC BY-SA 4.0) „Obecnie prawie nic nie wiadomo na temat termodynamicznych konsekwencji tego typu niepewności, mimo że jest ona nieunikniona” – mówi Wolpert. W nowym artykule on i Korbel rozważają sposoby modyfikacji równań termodynamiki stochastycznej, aby je uwzględnić. Kiedy Korbel i Wolpert spotkali się w 2019 roku na warsztatach na temat informacji i termodynamiki, zaczęli rozmawiać o tym drugim rodzaju niepewności w kontekście układów nierównowagowych. „Zastanawialiśmy się, co się stanie, jeśli nie znasz dokładnie parametrów termodynamicznych rządzących Twoim systemem?” wspomina Korbel. „A potem zaczęliśmy się bawić.” Równania opisujące układy termodynamiczne często zawierają precyzyjnie zdefiniowane terminy, takie jak temperatura i potencjał chemiczny. „Ale jako eksperymentator lub obserwator niekoniecznie znasz te wartości” z bardzo dużą precyzją, mówi Korbel. Co jeszcze bardziej irytujące, zdali sobie sprawę, że niemożliwe jest dokładne zmierzenie parametrów takich jak temperatura, ciśnienie czy objętość, zarówno ze względu na ograniczenia pomiaru, jak i fakt, że wielkości te szybko się zmieniają. Uznali, że niepewność co do tych parametrów wpływa nie tylko na informacje o pierwotnym stanie systemu, ale także o jego ewolucji. To niemal paradoksalne – mówi Korbel. „W termodynamice zakładasz niepewność co do swojego stanu, więc opisujesz go w sposób probabilistyczny. A jeśli masz termodynamikę kwantową, robisz to z niepewnością kwantową” – mówi. „Ale z drugiej strony zakładasz, że wszystkie parametry są znane z dokładną precyzją”. Korbel twierdzi, że nowe prace mają wpływ na szereg systemów naturalnych i inżynieryjnych. Jeśli na przykład komórka musi mierzyć temperaturę, aby przeprowadzić jakąś reakcję chemiczną, jej precyzja będzie ograniczona. Niepewność pomiaru temperatury może oznaczać, że ogniwo wykonuje więcej pracy i zużywa więcej energii. „Komórka musi ponieść dodatkowe koszty za nieznajomość systemu” – mówi. Pęseta optyczna podaj inny przykład. Są to wysokoenergetyczne wiązki laserowe skonfigurowane tak, aby tworzyć swego rodzaju pułapkę na naładowane cząstki. Fizycy używają terminu „sztywność”, aby opisać tendencję cząstki do przeciwstawiania się przemieszczaniu przez pułapkę. Aby określić optymalną konfigurację laserów, mierzą sztywność tak precyzyjnie, jak to możliwe. Zwykle robią to poprzez powtarzanie pomiarów, zakładając, że niepewność wynika z samego pomiaru. Korbel i Wolpert oferują jednak inną możliwość – niepewność wynika z faktu, że sama sztywność może zmieniać się w miarę ewolucji systemu. W takim przypadku powtarzane identyczne pomiary nie pozwolą tego wykryć, a znalezienie optymalnej konfiguracji pozostanie nieuchwytne. „Jeśli będziesz kontynuować ten sam protokół, cząstka nie znajdzie się w tym samym punkcie, być może będziesz musiał trochę popchnąć”, co oznacza dodatkową pracę, której nie opisują konwencjonalne równania. Korbel twierdzi, że ta niepewność może wystąpić we wszystkich skalach. To, co często interpretuje się jako niepewność pomiaru, może być ukrytą niepewnością parametrów. Być może przeprowadzono eksperyment w pobliżu okna, gdzie świeciło słońce, a następnie powtórzono go, gdy było pochmurno. A może klimatyzator włączał się pomiędzy wieloma próbami. W wielu sytuacjach, jak mówi, „istotne jest przyjrzenie się temu innemu rodzajowi niepewności”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64416.php