Físicos identificam incertezas negligenciadas em experimentos do mundo real, como pinças ópticas

Físicos identificam incertezas negligenciadas em experimentos do mundo real, como pinças ópticas

Carimbo de hora: 15 de janeiro de 2024, 12h25
Nó Fonte: 3062607
15 de janeiro de 2024

(Notícias do Nanowerk) As equações que descrevem sistemas físicos muitas vezes assumem que características mensuráveis ​​do sistema – temperatura ou potencial químico, por exemplo – podem ser conhecidas com exatidão. Mas o mundo real é mais confuso do que isso e a incerteza é inevitável. As temperaturas flutuam, os instrumentos funcionam mal, o ambiente interfere e os sistemas evoluem com o tempo. As regras da física estatística abordam a incerteza sobre o estado de um sistema que surge quando esse sistema interage com o seu ambiente. Mas há muito que sentem falta de outro tipo, dizem o professor David Wolpert do SFI e Jan Korbel, investigador de pós-doutoramento no Complexity Science Hub em Viena, Áustria. Em um novo artigo publicado em Pesquisa de revisão física (“Termodinâmica de não-equilíbrio de processos estocásticos incertos”), a dupla de físicos argumenta que a incerteza nos próprios parâmetros termodinâmicos – incorporados nas equações que governam o comportamento energético do sistema – também pode influenciar o resultado de um experimento. Pinças ópticas, mostradas aqui prendendo uma nanopartícula As pinças ópticas, mostradas aqui prendendo uma nanopartícula, estão entre os sistemas impactados por um tipo de incerteza que os físicos há muito não percebem. (Imagem: Steven Hoekstra/Wikipedia CC BY-SA 4.0) “Atualmente, quase nada se sabe sobre as consequências termodinâmicas deste tipo de incerteza, apesar da sua inevitabilidade”, diz Wolpert. No novo artigo, ele e Korbel consideram maneiras de modificar as equações da termodinâmica estocástica para acomodá-la. Quando Korbel e Wolpert se conheceram num workshop de 2019 sobre informação e termodinâmica, começaram a falar sobre este segundo tipo de incerteza no contexto de sistemas fora de equilíbrio. “Nós nos perguntamos: o que acontece se você não conhece exatamente os parâmetros termodinâmicos que regem o seu sistema?” lembra Korbel. “E então começamos a brincar.” As equações que descrevem sistemas termodinâmicos geralmente incluem termos definidos com precisão para coisas como temperatura e potenciais químicos. “Mas, como experimentador ou observador, você não conhece necessariamente esses valores” com grande precisão, diz Korbel. Ainda mais irritante, eles perceberam que é impossível medir parâmetros como temperatura, pressão ou volume com precisão, tanto por causa das limitações de medição quanto pelo fato de que essas quantidades mudam rapidamente. Eles reconheceram que a incerteza sobre esses parâmetros não influencia apenas as informações sobre o estado original do sistema, mas também como ele evolui. É quase paradoxal, diz Korbel. “Na termodinâmica, você assume incerteza sobre o seu estado e o descreve de forma probabilística. E se você tem termodinâmica quântica, você faz isso com incerteza quântica”, diz ele. “Mas, por outro lado, você está assumindo que todos os parâmetros são conhecidos com precisão exata.” Korbel diz que o novo trabalho tem implicações para uma série de sistemas naturais e de engenharia. Se uma célula precisar sentir a temperatura para realizar alguma reação química, por exemplo, sua precisão será limitada. A incerteza na medição da temperatura pode significar que a célula realiza mais trabalho – e utiliza mais energia. “A célula tem que pagar esse custo extra por não conhecer o sistema”, afirma. Pinças ópticas oferecer outro exemplo. São feixes de laser de alta energia configurados para criar uma espécie de armadilha para partículas carregadas. Os físicos usam o termo “rigidez” para descrever a tendência da partícula de resistir ao movimento da armadilha. Para determinar a configuração ideal dos lasers, eles medem a rigidez com a maior precisão possível. Eles normalmente fazem isso realizando medições repetidas, assumindo que a incerteza surge da própria medição. Mas Korbel e Wolpert oferecem outra possibilidade – a de que a incerteza surge do facto de a própria rigidez poder mudar à medida que o sistema evolui. Se for esse o caso, medições idênticas repetidas não irão capturá-lo e encontrar a configuração ideal permanecerá difícil. “Se você continuar fazendo o mesmo protocolo, a partícula não vai parar no mesmo ponto, talvez seja necessário dar um empurrãozinho”, o que significa trabalho extra que não é descrito pelas equações convencionais. Esta incerteza pode ocorrer em todas as escalas, diz Korbel. O que muitas vezes é interpretado como incerteza na medição pode ser uma incerteza disfarçada nos parâmetros. Talvez uma experiência tenha sido feita perto de uma janela onde o sol brilhava e depois repetida quando estava nublado. Ou talvez o ar condicionado tenha ligado entre várias tentativas. Em muitas situações, diz ele, “é relevante olhar para este outro tipo de incerteza”.

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