La natura non è omogenea. La maggior parte dell'universo è complessa e composta da vari sottosistemi, sistemi autonomi all'interno di un insieme più ampio. Cellule microscopiche e loro dintorni, Per esempio, possono essere suddivisi in molti sottosistemi diversi:il ribosoma, la parete cellulare, e il mezzo intracellulare che circonda la cellula.

La Seconda Legge della Termodinamica ci dice che l'entropia media di un sistema chiuso a contatto con un bagno di calore, grosso modo, il suo "disordine" - aumenta sempre nel tempo. Le pozzanghere non si ricongelano mai nella forma compatta di un cubetto di ghiaccio e le uova non si rompono mai. Ma la Seconda Legge non dice nulla su cosa succede se il sistema chiuso è invece composto da sottosistemi interagenti.

Nuova ricerca del professor David Wolpert dell'SFI pubblicata nel Nuovo Giornale di Fisica considera come un insieme di sottosistemi interagenti influenza la seconda legge per quel sistema.

"Molti sistemi possono essere visti come se fossero sottosistemi. E allora? Perché analizzarli come tali, piuttosto che come un unico sistema monolitico complessivo, di cui abbiamo già i risultati, " chiede retoricamente Wolpert.

La ragione, lui dice, è che se si considera qualcosa come tanti sottosistemi interagenti, si arriva a una "versione più forte della seconda legge, " che ha un limite inferiore diverso da zero per la produzione di entropia che risulta dal modo in cui i sottosistemi sono collegati. In altre parole, i sistemi costituiti da sottosistemi interagenti hanno un piano superiore per la produzione di entropia rispetto a un singolo, sistema uniforme.

Tutta l'entropia prodotta è calore che deve essere dissipato, e così è l'energia che deve essere consumata. Quindi una migliore comprensione di come le reti di sottosistemi influenzano la produzione di entropia potrebbe essere molto importante per comprendere l'energia dei sistemi complessi, come cellule o organismi o anche macchinari

Il lavoro di Wolpert si basa su un altro dei suoi recenti articoli che ha anche studiato la termodinamica dei sottosistemi. In entrambi i casi, Wolpert utilizza strumenti grafici per descrivere i sottosistemi interagenti.

Per esempio, la figura seguente mostra le connessioni probabilistiche tra tre sottosistemi:il ribosoma, parete cellulare, e mezzo intracellulare.

Come una piccola fabbrica, il ribosoma produce proteine ​​che escono dalla cellula ed entrano nel mezzo intracellulare. I recettori sulla parete cellulare possono rilevare le proteine ​​nel mezzo intracellulare. Il ribosoma influenza direttamente il mezzo intracellulare ma influenza solo indirettamente i recettori della parete cellulare. Un po' più matematicamente:A influenza B e B influenza C, ma A non influenza direttamente C.

Perché una tale rete di sottosistemi avrebbe conseguenze sulla produzione di entropia?

"Tali restrizioni, in sé e per sé, si traducono in una versione rafforzata della seconda legge in cui si sa che l'entropia deve crescere più velocemente di quanto accadrebbe senza quelle restrizioni, "Dice Wolpert.

A deve usare B come intermediario, quindi è limitato dall'agire direttamente su C. Questa restrizione è ciò che porta a un livello più alto nella produzione di entropia.

Rimangono molte domande. Il risultato attuale non considera la forza delle connessioni tra A, B, e C—solo se esistono. Né ci dice cosa succede quando nuovi sottosistemi con determinate dipendenze vengono aggiunti alla rete. Per rispondere a questo e altro, Wolpert sta lavorando con collaboratori in tutto il mondo per studiare i sottosistemi e la produzione di entropia. "Questi risultati sono solo preliminari, " lui dice.