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

Antiquity: Лидар помог найти тысячи построек майя
Antiquity: Лидар помог найти тысячи построек майя

Археологи изучили данные лидара в неизуче...

The BMJ: Алкоголь и стресс на работе вызывают всплеск суицидов в Новый год
The BMJ: Алкоголь и стресс на работе вызывают всплеск суицидов в Новый год

Оказывается, риск совершения самоубийства выше...

JPSP: Ученые рассказали, как побороть боязнь упустить что-то важное
JPSP: Ученые рассказали, как побороть боязнь упустить что-то важное

Люди беспокоятся из-за пропуска групповых меро...

Международная олимпиада по экологии стартовала в Сириусе
Международная олимпиада по экологии стартовала в Сириусе

В Сириусе началась первая в мире очная Ме...

В КамГУ изучили жизненный путь женщин после развода
В КамГУ изучили жизненный путь женщин после развода

Чем разумнее женщина смотрит на свою жизн...

Психолог объяснил, как либералы и консерваторы могли бы договориться
Психолог объяснил, как либералы и консерваторы могли бы договориться

По мере приближения ноябрьских президентских в...

BMJ Quality & Safety: Слушайте советы доктора, а не чат-бота
BMJ Quality & Safety: Слушайте советы доктора, а не чат-бота

Не стоит доверять информации о лекарствах...

FNBEH: Выяснилось, почему все-таки от улыбки станет день светлей
FNBEH: Выяснилось, почему все-таки от улыбки станет день светлей

Улыбка во время разговора создаёт тёплую ...

Nature Human Behaviour: Фактчекингу следует учить с детства
Nature Human Behaviour: Фактчекингу следует учить с детства

В эпоху, когда в интернете много дезинфор...

DPR&G: В бесплатных приложениях полно скрытых расходов
DPR&G: В бесплатных приложениях полно скрытых расходов

Прокрастинация, недосыпание и снижение ко...

OB&HDP: Самая вовлеченная аудитория — несогласные
OB&HDP: Самая вовлеченная аудитория — несогласные

Люди с большей вероятностью обратят отрег...

Acta Paediatrica: Привычка играть на улице убережет от ожирения
Acta Paediatrica: Привычка играть на улице убережет от ожирения

Дошколята, которые часто играют на свежем...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Российские ученые предложили использовать вирус растений для лечения саркомы
Российские ученые предложили использовать вирус растений для лечения саркомы
Menopause: Ученые заподозрили роль эстрогена в развитии астмы
Menopause: Ученые заподозрили роль эстрогена в развитии астмы
AEM: Гибридный полупроводник позволит лучше понять спинтронику
AEM: Гибридный полупроводник позволит лучше понять спинтронику
FCoSc: Гигантские крысы поборются с незаконной торговлей дикими животными
FCoSc: Гигантские крысы поборются с незаконной торговлей дикими животными
В России разработали искусственные кости и новые методы лечения позвоночника
В России разработали искусственные кости и новые методы лечения позвоночника
TE&E: Животные потребляют алкоголь чаще, чем мы думаем
TE&E: Животные потребляют алкоголь чаще, чем мы думаем
Волнообразные упражнения со штангой: польза или вред
Волнообразные упражнения со штангой: польза или вред
JA&FC: Сорго обогащает рацион питания биоактивными соединениями
JA&FC: Сорго обогащает рацион питания биоактивными соединениями
Nature Communications: Жизнь все-таки можно повернуть назад
Nature Communications: Жизнь все-таки можно повернуть назад
МАИ: Дроны-дефектоскописты уступают человеку в точности, зато берут скоростью
МАИ: Дроны-дефектоскописты уступают человеку в точности, зато берут скоростью
EBioMedicine: Создан инструмент для выявления сепсиса у новорожденных
EBioMedicine: Создан инструмент для выявления сепсиса у новорожденных
Численное моделирование повысит эффективность 3D-печати из стали 316LSi
Численное моделирование повысит эффективность 3D-печати из стали 316LSi
Создан особо пластичный алюминиевый сплав для высокотехнологичных отраслей
Создан особо пластичный алюминиевый сплав для высокотехнологичных отраслей
Влияние цвета в архитектуре на самоконтроль человека: мнение эксперта МХПИ
Влияние цвета в архитектуре на самоконтроль человека: мнение эксперта МХПИ
Томские ученые представили цифровое решение для оптимизации НПЗ
Томские ученые представили цифровое решение для оптимизации НПЗ

Новости компаний, релизы

Международные эксперты оценили разработанную для нижегородского завода технологию
Регистрация сми на IV конгресс молодых ученых продлевается до 6 ноября
Фестиваль научных театров «Наука всем!» прошёл в Санкт-Петербурге
На старт! Внимание! MITEX!
Пироговская олимпиада для школьников по химии и биологии