物理学家发现现实世界实验中被忽视的不确定性，例如光镊

由柏拉图重新发布

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2024 年 1 月 15 日

(Nanowerk新闻）描述物理系统的方程通常假设系统的可测量特征（例如温度或化学势）可以被准确地知道。但现实世界比这更混乱，不确定性是不可避免的。温度波动、仪器故障、环境干扰以及系统随着时间的推移而演变。统计物理规则解决了系统与其环境交互时出现的系统状态的不确定性。但他们早已错过了另一种类型，SFI 教授 David Wolpert 和奥地利维也纳复杂性科学中心的博士后研究员 Jan Korbel 表示。在发表于的一篇新论文中 物理评论研究 (“不确定随机过程的非平衡热力学”），两位物理学家认为，热力学参数本身的不确定性（内置于控制系统能量行为的方程中）也可能影响实验的结果。此处显示的光镊捕获纳米粒子此处显示的捕获纳米粒子的光镊是受到物理学家长期以来忽视的一种不确定性影响的系统之一。（图片来源：Steven Hoekstra / 维基百科 CC BY-SA 4.0）沃尔珀特说：“尽管这种不确定性不可避免，但目前我们对它的热力学后果几乎一无所知。”在新论文中，他和科贝尔考虑了修改随机热力学方程以适应它的方法。当科贝尔和沃尔珀特在 2019 年信息和热力学研讨会上见面时，他们开始讨论非平衡系统背景下的第二种不确定性。 “我们想知道，如果您不确切知道控制系统的热力学参数，会发生什么？”科贝尔回忆道。 “然后我们就开始玩耍了。”描述热力学系统的方程通常包括精确定义的术语，例如温度和化学势。 “但作为实验者或观察者，你不一定知道这些值”非常精确，科贝尔说。更令人烦恼的是，他们意识到不可能精确测量温度、压力或体积等参数，这既是因为测量的局限性，也是因为这些量变化很快。他们认识到，这些参数的不确定性不仅会影响系统原始状态的信息，还会影响系统的演化方式。科贝尔说，这几乎是自相矛盾的。 “在热力学中，你假设你的状态是不确定的，所以你用概率的方式来描述它。如果你有量子热力学，你就会在量子不确定性的情况下做到这一点，”他说。 “但另一方面，你假设所有参数都是精确已知的。” 科贝尔说，这项新工作对一系列自然和工程系统都有影响。例如，如果细胞需要感知温度来进行某些化学反应，那么它的精度就会受到限制。温度测量的不确定性可能意味着电池会做更多的功，并消耗更多的能量。 “细胞必须因为不了解系统而付出额外的成本，”他说。光学镊子再举一个例子。这些是高能激光束，旨在为带电粒子创建一种陷阱。物理学家使用术语“刚度”来描述粒子抵抗陷阱移动的倾向。为了确定激光器的最佳配置，他们尽可能精确地测量刚度。他们通常通过重复测量来做到这一点，并假设不确定性来自测量本身。但科贝尔和沃尔珀特提出了另一种可能性——不确定性源于刚度本身可能随着系统的演变而变化的事实。如果是这种情况，那么重复相同的测量将无法捕获它，并且找到最佳配置仍然难以捉摸。 “如果你继续执行相同的协议，那么粒子最终不会到达同一点，你可能需要做一点推动，”这意味着传统方程没有描述的额外工作。科贝尔说，这种不确定性可能会影响到各个层面。通常被解释为测量不确定性的东西可能是变相参数的不确定性。也许实验是在阳光明媚的窗户附近进行的，然后在阴天时重复进行。或者空调可能在多次试验之间启动。他说，在许多情况下，“有必要考虑其他类型的不确定性。”