Фізики виявляють забуту невизначеність у реальних експериментах, таких як оптичний пінцет

(Новини Nanowerk) Рівняння, які описують фізичні системи, часто припускають, що вимірні характеристики системи — температура або хімічний потенціал, наприклад — можуть бути точно відомі. Але реальний світ набагато безладніший, і невизначеності не уникнути. Температури коливаються, прилади несправні, навколишнє середовище заважає, а системи з часом розвиваються. Правила статистичної фізики стосуються невизначеності щодо стану системи, яка виникає, коли ця система взаємодіє з навколишнім середовищем. Але їм давно не вистачало іншого типу, кажуть професор SFI Девід Волперт і Ян Корбель, докторант наукового центру Complexity у Відні, Австрія. У новій статті, опублікованій в Дослідження фізичного огляду (“Нерівноважна термодинаміка невизначених випадкових процесів”), пара фізиків стверджує, що невизначеність самих термодинамічних параметрів — вбудованих у рівняння, які керують енергетичною поведінкою системи — також може вплинути на результат експерименту. Оптичні пінцети, показані тут, які захоплюють наночастинки, належать до систем, на які впливає тип невизначеності, який фізики давно пропускали. (Зображення: Steven Hoekstra / Wikipedia CC BY-SA 4.0) «Наразі майже нічого не відомо про термодинамічні наслідки такого типу невизначеності, незважаючи на його неминучість», — каже Волперт. У новій статті він і Корбел розглядають способи модифікації рівнянь стохастичної термодинаміки для їх пристосування. Коли Корбел і Волперт зустрілися на семінарі з інформації та термодинаміки в 2019 році, вони почали говорити про цей другий вид невизначеності в контексті нерівноважних систем. «Нам було цікаво, що станеться, якщо ви точно не знаєте термодинамічних параметрів, які керують вашою системою?» згадує Корбель. «А потім ми почали бавитися». Рівняння, які описують термодинамічні системи, часто містять точно визначені терміни для таких речей, як температура та хімічний потенціал. «Але як експериментатор або спостерігач ви не обов’язково знаєте ці значення» з дуже високою точністю, каже Корбель. Що ще більш неприємно, вони зрозуміли, що неможливо точно виміряти такі параметри, як температура, тиск чи об’єм, як через обмеження вимірювання, так і через те, що ці величини швидко змінюються. Вони визнали, що невизначеність щодо цих параметрів впливає не лише на інформацію про початковий стан системи, але й на те, як вона розвивається. Це майже парадоксально, каже Корбель. «У термодинаміці ви припускаєте невизначеність свого стану, тому ви описуєте його ймовірнісним способом. І якщо у вас є квантова термодинаміка, ви робите це з квантовою невизначеністю», — говорить він. «Але з іншого боку, ви припускаєте, що всі параметри відомі з точною точністю». Корбел каже, що нова робота має наслідки для низки природних та інженерних систем. Якщо клітині потрібно відчути температуру, наприклад, щоб здійснити якусь хімічну реакцію, то її точність буде обмежена. Невизначеність у вимірюванні температури може означати, що клітина виконує більше роботи — і споживає більше енергії. «Стільникові доводиться сплачувати цю додаткову вартість за незнання системи», — каже він. Оптичний пінцет наведіть інший приклад. Це лазерні промені високої енергії, налаштовані на створення свого роду пастки для заряджених частинок. Фізики використовують термін «жорсткість», щоб описати тенденцію частинки чинити опір переміщенню пастки. Щоб визначити оптимальну конфігурацію для лазерів, вони вимірюють жорсткість якомога точніше. Зазвичай вони роблять це, проводячи повторні вимірювання, припускаючи, що невизначеність виникає внаслідок самого вимірювання. Але Корбел і Волперт пропонують іншу можливість — що невизначеність виникає через той факт, що сама жорсткість може змінюватися в міру розвитку системи. Якщо це так, то повторні ідентичні вимірювання не зафіксують його, і пошук оптимальної конфігурації залишиться невловимим. «Якщо ви продовжуєте виконувати той самий протокол, то частинка не потрапляє в ту саму точку, можливо, вам доведеться зробити невеликий поштовх», що означає додаткову роботу, яка не описується звичайними рівняннями. Ця невизначеність може проявлятися в усіх масштабах, каже Корбел. Те, що часто інтерпретується як невизначеність у вимірюванні, може бути невизначеністю прихованих параметрів. Можливо, експеримент проводили біля вікна, де світило сонце, а потім повторювали, коли було хмарно. Або, можливо, кондиціонер увімкнувся між кількома спробами. У багатьох ситуаціях, каже він, «доречно поглянути на цей інший тип невизначеності».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64416.php