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

JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь

Согласно новому исследованию, проведенному Бин...

Journal of Experimental Child Psychology: Не спеши языком, торопись делом
Journal of Experimental Child Psychology: Не спеши языком, торопись делом

Когда некто презентует себя способным или...

Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения

Искры разлетаются, когда самка нематоды встреч...

Science Advances: Мозг формирует эмоции независимо от органов чувств
Science Advances: Мозг формирует эмоции независимо от органов чувств

Насколько сильно наши эмоции зависят от н...

К 215-летию Дарвина ученые опубликовали онлайн полный каталог его работ
К 215-летию Дарвина ученые опубликовали онлайн полный каталог его работ

Чарльз Дарвин, возможно, самый влиятельный уче...

Physical Review Research: Физики нашли  неопределенность в реальных экспериментах
Physical Review Research: Физики нашли неопределенность в реальных экспериментах

Уравнения, описывающие физические системы, час...

Health & Place: Пожилым людям полезно для здоровья жить на лоне природы
Health & Place: Пожилым людям полезно для здоровья жить на лоне природы

Даже небольшие различия в наличии городск...

Frontiers in Psychology: Чукча не читатель? В наших силах это изменить
Frontiers in Psychology: Чукча не читатель? В наших силах это изменить

Наши навыки чтения и понимание текста зав

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад
ACS Nano: Зубы нутрий и бобров помогут ученым вывести формулу совершенной эмали
ACS Nano: Зубы нутрий и бобров помогут ученым вывести формулу совершенной эмали
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса