"Devi lavorare di più per portare a termine il lavoro più velocemente, " spiega Gianmaria Falasco, ricercatore dell'Università del Lussemburgo mentre riassume i risultati del suo ultimo lavoro con Massimiliano Esposito. Questo non sarà una sorpresa per chiunque abbia esperienza di correre cercando di rispettare appuntamenti e scadenze, ma definendo parametri specifici per la relazione tra il lavoro speso in termini di dissipazione e la velocità con cui un sistema cambia stato, Falasco ed Esposito forniscono uno strumento prezioso per coloro che sviluppano modi di manipolare sistemi di non equilibrio, sia che il comportamento delle cellule viventi o un circuito elettronico. Inoltre, la "relazione di dissipazione-tempo di incertezza" che hanno sviluppato per definire questo comportamento è suggestivamente suggestiva di altre relazioni di incertezza nella fisica quantistica.

La vita è un processo di non equilibrio, mantenendo incessantemente un organismo contro la decomposizione e la disintegrazione nel suo ambiente. Porta un topo o qualsiasi altra creatura all'equilibrio, e tutto ciò che hai è un mucchio di appiccicoso. Molti dei processi cellulari che sostengono la vita possono essere descritti come reazioni chimiche essenzialmente probabilistiche e soggette a fluttuazioni termiche; ciò nonostante, abilitano motori molecolari alimentati da adenosina trifosfato (ATP), varie vie di segnalazione cellulare e molti degli altri processi biologici che ci tengono in vita. Poiché le dimensioni dei dispositivi continuano a ridursi, le fluttuazioni termiche diventano sempre più importanti nella dinamica dei loro componenti meccanici, anche, per non parlare dei circuiti elettronici che li guidano. Per comprendere questi e molti altri sistemi di non equilibrio, c'è un grande valore in una chiara definizione matematica che fissi il pay-off tra la dissipazione e le velocità con cui questi processi procedono.

Questi ultimi risultati dei ricercatori dell'Università del Lussemburgo fanno seguito agli sviluppi degli ultimi 20 anni in quello che Esposito descrive come un "vero boom" nel campo della fisica statistica, e fisica statistica del non equilibrio, in particolare. Negli anni '90 e 2000, è emersa una serie di teoremi che hanno posto parametri intorno alla natura probabilistica della seconda legge della termodinamica, che afferma che l'entropia di un sistema isolato dovrebbe "tendersi" ad aumentare fino a raggiungere l'equilibrio. Questi teoremi di fluttuazione hanno scoperto che l'esponenziale della produzione di entropia è uguale al rapporto tra la probabilità che le fluttuazioni si muovano nella direzione dell'aumento dell'entropia rispetto alla probabilità che le fluttuazioni vadano controcorrente in questo senso. "In un senso, stiamo ancora scoprendo tutte le conseguenze di queste relazioni di fluttuazione e di questo campo che si chiama termodinamica stocastica, "dice Esposito.

Un cambio di prospettiva

Uno sviluppo seminale in questa raffica di attività è stata la "relazione di incertezza termodinamica, " definito nel 2015 da ricercatori dell'Universität Stuttgart in Germania. Hanno dimostrato che la precisione dello stato finale di un sistema aumenta con la quantità di energia necessaria per spostarlo. (Questi teoremi si riferiscono generalmente a piccoli sistemi in cui la dinamica termica provoca fluttuazioni significative). Nel frattempo, nella fisica quantistica, un altro sviluppo fondamentale aveva posto un limite di velocità alla velocità con cui si potevano ottenere i tipi di manipolazione degli stati quantistici utilizzati per il calcolo quantistico. "Il nostro lavoro è nato dallo sforzo di unire queste due linee di ricerca, "dice Falasco.

Mentre si applicavano a questo lavoro, Falasco ed Esposito hanno notato che la maggior parte degli studi ha considerato come un sistema può cambiare il suo stato, ma i sistemi fisici reali che svolgono compiti di interesse hanno maggiori probabilità di cambiare lo stato dell'ambiente circostante invece spostando (o cambiando) energia o materia da un luogo (o forma) a un altro. Prendi un radiatore, essenzialmente un tubo di acqua calda che collega la caldaia ad una cella frigorifera:il radiatore non cambia il suo stato, ma riscalda la stanza. "Siamo arrivati ​​al nostro risultato trasformando questa idea in matematica, "dice Falasco.

Una volta che Falasco ed Esposito ebbero così definito i loro sistemi e applicato il rapporto di probabilità definito nei teoremi di fluttuazione, sono stati in grado di definire una relazione di una semplicità disarmante che descrive il pay-off tra il tempo impiegato per raggiungere uno stato diverso e l'energia dissipata (o l'entropia prodotta):Il prodotto del tempo medio e l'energia dissipata non può mai essere inferiore al valore di una delle costanti universali della natura, la costante di Boltzmann.

Vedi questa relazione scritta, e ha un'affascinante somiglianza con le relazioni di incertezza di Heisenberg per la precisione con cui l'energia e il tempo o il momento e la posizione di un sistema quantistico possono essere previsti dalle condizioni iniziali:il prodotto di queste quantità non può mai essere inferiore alla metà della costante di Planck. "Quindi l'analogia è molto sorprendente e intrigante, ", afferma Esposito. Acquisire una migliore comprensione del significato, se del caso, della somiglianza sarà il fulcro del lavoro futuro in questo campo.

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