Physical Review Research: Физики нашли неопределенность в реальных экспериментах

Уравнения, описывающие физические системы, часто предполагают, что измеряемые характеристики системы — например, температура или химический потенциал — могут быть точно известны. Но реальный мир сложнее, и неопределенность неизбежна. Температура колеблется, приборы дают сбои, окружающая среда вмешивается, а системы эволюционируют с течением времени.

Правила статистической физики учитывают неопределенность состояния системы, возникающую при взаимодействии системы с окружающей средой. Но они долгое время не учитывали другой вид неопределенности, говорят профессор SFI Дэвид Вольперт и Ян Корбель, постдокторский исследователь из Центра науки о сложности (Complexity Science Hub) в Вене, Австрия.

В новой работе, опубликованной в Physical Review Research, пара физиков утверждает, что неопределенность в самих термодинамических параметрах — встроенных в уравнения, которые управляют энергетическим поведением системы — также может повлиять на исход эксперимента.

Нам почти ничего не известно о термодинамических последствиях этого типа неопределенности, несмотря на ее неизбежность, — говорит Вольперт.

В новой работе он и Корбель рассматривают способы модификации уравнений стохастической термодинамики для ее учета.

Когда Корбель и Вольперт встретились на семинаре по информации и термодинамике в 2019 году, они заговорили об этом втором виде неопределенности в контексте неравновесных систем.

Мы задались вопросом, что произойдет, если не знать термодинамические параметры, управляющие системой? — вспоминает Корбель.

И тогда мы начали играть.

Уравнения, описывающие термодинамические системы, часто включают в себя точно определенные термины для таких вещей, как температура и химические потенциалы.

Но как экспериментатор или наблюдатель вы не всегда знаете эти значения с очень высокой точностью, — говорит Корбель.

Еще большее беспокойство вызывает тот факт, что невозможно точно измерить такие параметры, как температура, давление или объем, как из-за ограничений на измерения, так и из-за того, что эти величины быстро меняются. Они поняли, что неопределенность в этих параметрах влияет не только на информацию о первоначальном состоянии системы, но и на то, как она развивается.

Это почти парадоксально.

В термодинамике вы предполагаете неопределенность в отношении вашего состояния, поэтому описываете его вероятностным способом. А если у вас есть квантовая термодинамика, вы делаете это с квантовой неопределенностью, — говорит Корбель.

Но с другой стороны, вы предполагаете, что все параметры известны с точной точностью.

По словам Корбеля, новая работа имеет значение для целого ряда природных и инженерных систем. Если, например, клетке необходимо определить температуру для осуществления какой-либо химической реакции, то точность измерения будет ограничена. Неопределенность в измерении температуры может означать, что клетка выполняет больше работы — и тратит больше энергии.

Клетке приходится платить за то, что она не знает систему, — говорит он.

Еще один пример — оптические пинцеты. Это высокоэнергетические лазерные лучи, настроенные на создание своеобразной ловушки для заряженных частиц. Физики используют термин «жесткость», чтобы описать склонность частицы сопротивляться перемещению в ловушке. Чтобы определить оптимальную конфигурацию лазеров, они измеряют жесткость как можно точнее. Обычно они делают это путем повторных измерений, предполагая, что неопределенность возникает из-за самого измерения.

Но Корбель и Вольперт предлагают другую возможность — что неопределенность возникает из-за того, что жесткость сама по себе может меняться по мере развития системы. Если это так, то повторные идентичные измерения не позволят зафиксировать это, и поиск оптимальной конфигурации останется труднодостижимым.

Если вы будете продолжать выполнять один и тот же протокол, то частица не окажется в той же точке, возможно, вам придется немного подтолкнуть ее, что означает дополнительную работу, не описываемую обычными уравнениями.

Эта неопределенность может проявляться на всех масштабах, — говорит Корбель.

То, что часто интерпретируется как неопределенность в измерениях, может быть замаскированной неопределенностью в параметрах. Возможно, эксперимент проводился у окна, где светило солнце, а затем был повторен, когда стало пасмурно. А может быть, между несколькими опытами включался кондиционер. Во многих ситуациях уместно взглянуть на этот другой тип неопределенности.

15.01.2024


Подписаться в Telegram



Общество

Древние символы на камнях — первые шаги к абстрактному мышлению
Древние символы на камнях — первые шаги к абстрактному мышлению

Новое исследование показало, что каменные...

В ТПУ исследуют исчезающие хантыйский и мансийский языки
В ТПУ исследуют исчезающие хантыйский и мансийский языки

Ученые из Томского политехнического униве...

МФТИ, МИФИ и Университет Иннополис — лидеры по качеству приема в вузы
МФТИ, МИФИ и Университет Иннополис — лидеры по качеству приема в вузы

Ректор НИЯУ МИФИ Владимир Шевченко рассказал, ...

Oxford Journal of Archaeology: Обнаружена древнейшая в мире трехмерная карта
Oxford Journal of Archaeology: Обнаружена древнейшая в мире трехмерная карта

Исследователи обнаружили, возможно, самую древ...

Ученые выяснили, почему мы скорбим из-за смерти публичных персон
Ученые выяснили, почему мы скорбим из-за смерти публичных персон

Многие люди удивляются силе своей реакции на&n...

Одинокие люди, или соло, меньше удовлетворены жизнью
Одинокие люди, или соло, меньше удовлетворены жизнью

Хотя брак или длительные отношения часто ...

BMJ: Сказки могут научить детей здоровому сну
BMJ: Сказки могут научить детей здоровому сну

Некоторые традиционные сказки и классичес...

В Туве нашли «призрачных всадников» Геродота
В Туве нашли «призрачных всадников» Геродота

В Тувинской Долине, которую называют Долиной ц...

IJEI: Студенты теряют время на обход антиплагиата вместо получения знаний
IJEI: Студенты теряют время на обход антиплагиата вместо получения знаний

Согласно новому исследованию, около половины с...

В Нидерландах археологи нашли костяной пол
В Нидерландах археологи нашли костяной пол

Археологи обнаружили пол из костей ж...

В Германии раскопали древний костяной стилус кельтов
В Германии раскопали древний костяной стилус кельтов

С августа по октябрь этого года Государст...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

От лаборатории к реальности: как кристаллы времени заряжают мир
От лаборатории к реальности: как кристаллы времени заряжают мир
Ферменты против похмелья: как новый сенсор изменит медицину и не только
Ферменты против похмелья: как новый сенсор изменит медицину и не только
От Nokia к микросхемам: как Тампере снова сделает Финляндию великой
От Nokia к микросхемам: как Тампере снова сделает Финляндию великой
Сок под микроскопом: ученые научились ловить опасный гербицид за 20 минут
Сок под микроскопом: ученые научились ловить опасный гербицид за 20 минут
Молодые ученые против COVID-19 и хронических ран: как открытия изменят медицину
Молодые ученые против COVID-19 и хронических ран: как открытия изменят медицину
Энергия будущего: низкотемпературная плазма и ее невероятные возможности
Энергия будущего: низкотемпературная плазма и ее невероятные возможности
Питомниковый кашель больше не проблема: появились быстрые тесты для собак
Питомниковый кашель больше не проблема: появились быстрые тесты для собак
10 секунд до чистоты: история устройства, которое изменило дезинфекцию
10 секунд до чистоты: история устройства, которое изменило дезинфекцию
Сорняк-разрушитель или лекарство будущего: ученые открыли секрет рейнутрии
Сорняк-разрушитель или лекарство будущего: ученые открыли секрет рейнутрии
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
Витамины для коров и быки весом в тонну: прорыв от СПбГУВМ
Витамины для коров и быки весом в тонну: прорыв от СПбГУВМ
Ибогаин 2.0: ученые создают новое поколение лекарств от депрессии и зависимости
Ибогаин 2.0: ученые создают новое поколение лекарств от депрессии и зависимости
Ученые выяснили, что больше влияет на цену на жилье — вид из окна или площадь
Ученые выяснили, что больше влияет на цену на жилье — вид из окна или площадь
Небо в опасности: космический мусор угрожает авиации
Небо в опасности: космический мусор угрожает авиации

Новости компаний, релизы

Школьников и студентов Хабаровского края приглашают написать всероссийский диктант «Наука во имя Победы»
Три представительницы Республики Татарстан стали победителями Всероссийского конкурса Знание.Лектор
Калужан приглашают к участию в XIII сезоне Международного инженерного чемпионата CASE-IN
В Калуге обсудили меры поддержки молодых учёных региона
Молодых и заслуженных ученых наградили в Хабаровске