وبلاگ

معادلاتی که سیستم‌های فیزیکی را توصیف می‌کنند اغلب فرض می‌کنند که ویژگی‌های قابل اندازه‌گیری سیستم – برای مثال دما یا پتانسیل شیمیایی – می‌تواند دقیقاً شناخته شود. اما دنیای واقعی آشفته تر از آن است و عدم اطمینان اجتناب ناپذیر است. دماها متفاوت است، ابزارها بد کار می کنند، محیط تداخل می کند و سیستم ها در طول زمان تکامل می یابند.

قوانین فیزیک آماری برای عدم قطعیت در مورد وضعیت یک سیستم که هنگام تعامل آن سیستم با محیط خود رخ می دهد. پروفسور دیوید ولپرت و یان کوربل، محقق فوق دکتری در مرکز علوم پیچیدگی در وین، اتریش، می‌گویند، اما آنها مدت‌هاست که گونه دیگری را از دست داده‌اند.

در روزنامه جدید منتشر شده که در مطالعات معاینه فیزیکیاین جفت فیزیکدان استدلال می‌کنند که عدم قطعیت در خود پارامترهای ترمودینامیکی – که در معادلاتی که رفتار پرانرژی یک سیستم را کنترل می‌کنند – نیز می‌تواند بر نتیجه آزمایش تأثیر بگذارد.

ولپرت می گوید: «در حال حاضر، علیرغم اجتناب ناپذیر بودن این نوع عدم قطعیت، تقریباً هیچ چیز در مورد پیامدهای ترمودینامیکی این نوع عدم قطعیت شناخته نشده است. در مقاله جدید، او و کوربل راه هایی را برای اصلاح معادلات ترمودینامیک تصادفی برای تطبیق با آن در نظر می گیرند.

وقتی کوربل و ولپرت در کارگاه اطلاعات و ترمودینامیک در سال 2019 ملاقات کردند، آنها شروع به صحبت در مورد این نوع دوم عدم قطعیت در زمینه سیستم‌های غیرتعادلی کردند.

کوربل به یاد می آورد: «ما تعجب کردیم، اگر دقیقاً پارامترهای ترمودینامیکی حاکم بر سیستم خود را ندانید، چه اتفاقی می افتد؟ و سپس ما شروع به بازی کردیم. معادلاتی که سیستم‌های ترمودینامیکی را توصیف می‌کنند، اغلب شامل عبارات کاملاً تعریف شده برای مواردی مانند هستند درجه حرارت و پتانسیل های شیمیایی کوربل می‌گوید: «اما به‌عنوان یک آزمایش‌گر یا مشاهده‌گر، لزوماً این مقادیر را نمی‌دانید»، کوربل می‌گوید.

آزاردهنده تر، آنها متوجه شدند که اندازه گیری دقیق پارامترهایی مانند دما، فشار یا حجم غیرممکن است، هم به دلیل محدودیت های اندازه گیری و هم به دلیل این واقعیت که این کمیت ها به سرعت تغییر می کنند. آنها متوجه شدند که عدم قطعیت در مورد این پارامترها نه تنها بر اطلاعات مربوط به وضعیت اولیه سیستم، بلکه بر نحوه تکامل آن نیز تأثیر می گذارد.

کوربل می گوید: تقریباً متناقض است. “در ترمودینامیک، شما عدم قطعیت در مورد وضعیت خود را می پذیرید، بنابراین آن را به روشی احتمالی توصیف می کنید. و اگر ترمودینامیک کوانتومی دارید، این کار را با عدم قطعیت کوانتومی انجام می دهید.” اما از سوی دیگر، شما فرض می کنید که تمام پارامترها با دقت دقیق شناخته شده اند.

کوربل می گوید که کار جدید پیامدهایی برای تعدادی از سیستم های طبیعی و مهندسی دارد. برای مثال، اگر یک سلول برای انجام یک واکنش شیمیایی نیاز به حس دما داشته باشد، دقت آن محدود خواهد شد. عدم قطعیت در اندازه گیری دما می تواند به این معنی باشد که سلول کار بیشتری انجام می دهد و انرژی بیشتری مصرف می کند. او می گوید: «سلول باید این هزینه اضافی را بپردازد، زیرا سیستم را نمی شناسد.

موچین های نوری مثال دیگری را ارائه می دهند. این پرتوهای لیزر پرانرژی هستند که برای ایجاد نوعی تله برای ذرات باردار پیکربندی شده‌اند. فیزیکدانان از اصطلاح “سفتی” برای توصیف تمایل یک ذره برای مقاومت در برابر حرکت خارج از تله استفاده می کنند. برای تعیین پیکربندی بهینه برای لیزرها، آنها سختی را تا حد امکان دقیق اندازه گیری می کنند. آنها معمولا این کار را با انجام اندازه گیری های مکرر انجام می دهند، با این فرض که عدم قطعیت از خود اندازه گیری ناشی می شود.

اما کوربل و ولپرت احتمال دیگری را پیشنهاد می‌کنند که عدم قطعیت از این واقعیت ناشی می‌شود که خود سختی می‌تواند با تکامل سیستم تغییر کند. اگر اینطور باشد، اندازه‌گیری‌های یکسان مکرر آن را نمی‌گیرد و یافتن پیکربندی بهینه گریزان باقی می‌ماند. “اگر به انجام همان پروتکل ادامه دهید، پس ذره در همان نقطه به پایان نمی رسد، ممکن است مجبور شوید کمی تلنگر انجام دهید”، به این معنی که کار اضافی که توسط معادلات معمولی توصیف نشده است.

کوربل می‌گوید این عدم قطعیت می‌تواند در همه مقیاس‌ها ظاهر شود. آنچه اغلب به عنوان عدم قطعیت در اندازه گیری تعبیر می شود ممکن است عدم قطعیت در پارامترهای نهفته باشد. شاید آزمایشی در نزدیکی یک پنجره آفتابی انجام شد و سپس زمانی که هوا ابری بود تکرار شد. یا شاید تهویه مطبوع بین چندین آزمایش شروع شد. او می‌گوید در بسیاری از موقعیت‌ها، «بجاست که به این نوع دیگر عدم قطعیت نگاه کنیم».