La seconda legge della termodinamica ci dice che tutti i sistemi evolvono verso uno stato di massima entropia, in cui tutta l'energia viene dissipata sotto forma di calore, e non rimane energia disponibile per fare lavoro. Dalla metà del XX secolo, la ricerca ha indicato un'estensione della seconda legge per i sistemi di non equilibrio:il principio di produzione di massima entropia (MEPP) afferma che un sistema lontano dall'equilibrio evolve in modo tale da massimizzare la produzione di entropia, dati i vincoli attuali.

Ora, fisici Alexey Bezryadin, Alfred Hubler, e Andrey Belkin dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, hanno dimostrato l'emergere di strutture auto-organizzate che guidano l'evoluzione di un sistema di non equilibrio verso uno stato di massima produzione di entropia. Gli autori suggeriscono che MEPP è alla base dell'evoluzione dell'auto-organizzazione del sistema artificiale, allo stesso modo in cui è alla base dell'evoluzione dei sistemi ordinati (vita biologica) sulla Terra. I risultati del team sono pubblicati nella rivista online di Nature Publishing Group Rapporti scientifici .

Il MEPP può avere profonde implicazioni per la nostra comprensione dell'evoluzione della vita biologica sulla Terra e delle regole sottostanti che governano il comportamento e l'evoluzione di tutti i sistemi di non equilibrio. La vita è emersa sulla Terra dalla distribuzione di energia fortemente disequilibrata creata dai fotoni caldi del Sole che colpiscono un pianeta più freddo. Le piante si sono evolute per catturare fotoni ad alta energia e produrre calore, generando entropia. Quindi gli animali si sono evoluti per mangiare le piante aumentando la dissipazione dell'energia termica e massimizzando la produzione di entropia.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno sospeso un gran numero di nanotubi di carbonio in un fluido non polare non conduttore e hanno portato il sistema fuori equilibrio applicando un forte campo elettrico. Una volta caricata elettricamente, il sistema si è evoluto verso la massima entropia attraverso due distinti stati intermedi, con l'emergere spontaneo di catene di nanotubi conduttori autoassemblati.

Nel primo stato, il regime "a valanga", le catene conduttive si sono allineate secondo la polarità della tensione applicata, permettendo al sistema di trasportare corrente e quindi di dissipare calore e produrre entropia. Le catene sembravano germogliare appendici mentre i nanotubi si allineavano in modo da congiungere catene parallele adiacenti, aumentare efficacemente la produzione di entropia. Ma spesso, questa autorganizzazione è stata distrutta dalle valanghe innescate dal riscaldamento e dalla carica che emana dai flussi di corrente elettrica emergenti.

"Le valanghe erano evidenti nei cambiamenti della corrente elettrica nel tempo, " disse Bezryadin.

A seguito di valanghe, le catene con le loro appendici "agitavano, " simile a un essere vivente, simile a un insetto.

"Verso le fasi finali di questo regime, le appendici non sono state distrutte durante le valanghe, ma piuttosto ritratta fino alla fine della valanga, poi riformato la loro connessione. Quindi era ovvio che le valanghe corrispondono al 'ciclo di alimentazione' del 'inserto di nanotubi', " commenta Bezryadin.

Nella seconda fase relativamente stabile dell'evoluzione, il tasso di produzione di entropia ha raggiunto il massimo o quasi. Questo stato è quasi stabile in quanto non ci sono state valanghe distruttive.

Lo studio indica un possibile schema di classificazione per gli stadi evolutivi e un criterio per il punto in cui l'evoluzione del sistema è irreversibile, in cui la produzione di entropia nel sottosistema auto-organizzato raggiunge il suo massimo valore possibile. È necessaria un'ulteriore sperimentazione su scala più ampia per affermare questi principi sottostanti, ma se sono vere, si dimostreranno un grande vantaggio nella previsione delle tendenze comportamentali ed evolutive nei sistemi di non equilibrio.

Gli autori tracciano un'analogia tra l'evoluzione delle forme di vita intelligenti sulla Terra e l'emergere degli insetti dimenanti nel loro esperimento. I ricercatori osservano che sono necessari ulteriori studi quantitativi per completare questo confronto. In particolare, avrebbero bisogno di dimostrare che i loro "bug dimenanti" possono moltiplicarsi, che richiederebbe la riproduzione dell'esperimento su una scala significativamente più grande.

Tale studio, in caso di successo, avrebbe implicazioni per l'eventuale sviluppo di tecnologie dotate di intelligenza artificiale auto-organizzata, un'idea esplorata altrove dal coautore Alfred Hubler, finanziato dalla Defense Advanced Research Projects Agency.

"La tendenza generale dell'evoluzione dei sistemi biologici sembra essere questa:le forme di vita più avanzate tendono a dissipare più energia ampliando il loro accesso a varie forme di energia immagazzinata, " Bezryadin propone. "Così un principio di base comune può essere suggerito tra le nostre nuvole auto-organizzate di nanotubi, che generano sempre più calore riducendo la loro resistenza elettrica e permettendo così il passaggio di più corrente, e i sistemi biologici che cercano nuovi mezzi per trovare cibo, o attraverso l'adattamento biologico o inventando più tecnologie.

"Le estese fonti di cibo consentono alle forme biologiche di crescere ulteriormente, moltiplicare, consumare più cibo e quindi produrre più calore e generare entropia. Sembra ragionevole dire che gli organismi della vita reale sono ancora lontani dal massimo assoluto del tasso di produzione di entropia. In entrambi i casi, ci sono "valanghe" o "eventi di estinzione", che ha frenato questa evoluzione. Solo se tutta l'energia gratuita data dal Sole viene consumata, costruendo ad esempio una sfera di Dyson, e convertito in calore, allora ci si può aspettare una fase decisamente stabile dell'evoluzione."

"Intelligenza, per quanto ne sappiamo, è inseparabile dalla vita, " aggiunge. "Così, per raggiungere la vita artificiale o l'intelligenza artificiale, la nostra raccomandazione sarebbe quella di studiare sistemi che sono lontani dall'equilibrio, con molti gradi di libertà, molti elementi costitutivi, in modo che possano auto-organizzarsi e partecipare a qualche evoluzione. Il criterio di produzione dell'entropia sembra essere il principio guida dell'efficienza evolutiva."