"Tienes que trabajar más duro para hacer el trabajo más rápido, "explica Gianmaria Falasco, investigador de la Universidad de Luxemburgo, ya que resume los resultados de su último trabajo con Massimiliano Esposito. Esto no sorprenderá a nadie con experiencia en correr tratando de cumplir con las citas y los plazos. pero al definir parámetros específicos para la relación entre el trabajo gastado en términos de disipación y la velocidad a la que un sistema cambia de estado, Falasco y Esposito proporcionan una herramienta valiosa para quienes desarrollan formas de manipular sistemas que no están en equilibrio, ya sea el comportamiento de las células vivas o un circuito electrónico. Adicionalmente, la "relación de incertidumbre de tiempo de disipación" que desarrollaron para definir este comportamiento sugiere tentadoramente otras relaciones de incertidumbre en la física cuántica.

La vida es un proceso de desequilibrio, Manteniendo incesantemente un organismo contra la descomposición y desintegración en su entorno. Lleva un ratón o cualquier otra criatura al equilibrio, y todo lo que tienes es un montón de baba. Muchos de los procesos celulares que sustentan la vida pueden describirse como reacciones químicas que son esencialmente probabilísticas y propensas a fluctuaciones térmicas; sin embargo, permiten motores moleculares alimentados por trifosfato de adenosina (ATP), Varias vías de señalización celular y muchos de los otros procesos biológicos que nos mantienen activos. A medida que los tamaños de los dispositivos continúan reduciéndose, las fluctuaciones térmicas se vuelven cada vez más prominentes en la dinámica de sus componentes mecánicos, así como, sin mencionar los circuitos electrónicos que los impulsan. Para comprender estos y una gran cantidad de otros sistemas que no están en equilibrio, Hay un gran valor en una definición matemática clara que establezca la compensación entre la disipación y la velocidad a la que proceden estos procesos.

Estos últimos resultados de los investigadores de la Universidad de Luxemburgo son el resultado de los desarrollos de los últimos 20 años en lo que Esposito describe como un "auge real" en el campo de la física estadística. y física estadística del desequilibrio, en particular. Durante las décadas de 1990 y 2000, Surgió una serie de teoremas que colocaban parámetros en torno a la naturaleza probabilística de la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía de un sistema aislado debería "tender" a aumentar hasta alcanzar el equilibrio. Estos teoremas de fluctuación encontraron que el exponencial de la producción de entropía es igual a la relación entre la probabilidad de fluctuaciones que se mueven en la dirección de aumento de la entropía versus la probabilidad de fluctuaciones que van en contra de la corriente a este respecto. "En un sentido, todavía estamos descubriendo todas las consecuencias de estas relaciones de fluctuación y de este campo que se llama termodinámica estocástica, "dice Esposito.

Un cambio de perspectiva

Un desarrollo fundamental en esta ráfaga de actividad fue la "relación de incertidumbre termodinámica, "definido en 2015 por investigadores de la Universität Stuttgart en Alemania. Demostraron que la precisión del estado final de un sistema aumentaba con la cantidad de energía necesaria para cambiarlo. (Estos teoremas generalmente se refieren a sistemas pequeños donde la dinámica térmica causa fluctuaciones significativas). Mientras tanto, en física cuántica, Otro avance fundamental había puesto un límite de velocidad a la rapidez con la que se podían lograr los tipos de manipulaciones de estados cuánticos que se utilizan para la computación cuántica. "Nuestro trabajo nace del esfuerzo de unir estas dos líneas de investigación, "dice Falasco.

Mientras se aplicaban a este trabajo, Falasco y Esposito notaron que la mayoría de los estudios consideraban cómo un sistema puede cambiar su estado, pero es más probable que los sistemas físicos reales que realizan tareas de interés cambien el estado de su entorno moviendo (o cambiando) energía o materia de un lugar (o forma) a otro. Toma un radiador esencialmente una tubería de agua caliente que conecta la caldera a una habitación fría; el radiador no cambia de estado, pero calienta la habitación. "Llegamos a nuestro resultado convirtiendo esta idea en matemáticas, "dice Falasco.

Una vez que Falasco y Esposito definieron sus sistemas de esta manera y aplicaron la razón de probabilidad definida en los teoremas de fluctuación, Pudieron definir una relación increíblemente simple que describe la recompensa entre el tiempo necesario para alcanzar un estado diferente y la energía disipada (o entropía producida):el producto del tiempo promedio y la energía disipada nunca puede ser menor que el valor de una de las constantes universales de la naturaleza, la constante de Boltzmann.

Vea esta relación escrita, y tiene un parecido fascinante con las relaciones de incertidumbre de Heisenberg en cuanto a la precisión con la que la energía y el tiempo o el momento y la posición de un sistema cuántico pueden predecirse a partir de las condiciones iniciales; el producto de estas cantidades nunca puede ser inferior a la mitad de la constante de Planck. "Así que la analogía es muy sorprendente e intrigante, "dice Esposito. Obtener una mejor comprensión de la importancia, si la hay, de la similitud será el enfoque del trabajo futuro en este campo.

© 2020 Science X Network