Las ecuaciones que describen los sistemas físicos a menudo suponen que las características mensurables del sistema (la temperatura o el potencial químico, por ejemplo) pueden conocerse con exactitud. Pero el mundo real es más complicado que eso y la incertidumbre es inevitable. Las temperaturas fluctúan, los instrumentos funcionan mal, el medio ambiente interfiere y los sistemas evolucionan con el tiempo.

Las reglas de la física estadística abordan la incertidumbre sobre el estado de un sistema que surge cuando ese sistema interactúa con su entorno. Pero hace mucho que se han perdido otro tipo, dicen el profesor del SFI David Wolpert y Jan Korbel, investigador postdoctoral en el Complexity Science Hub en Viena, Austria.

En un nuevo artículo publicado en Physical Review Research , la pareja de físicos sostiene que la incertidumbre en los propios parámetros termodinámicos (integrados en las ecuaciones que gobiernan el comportamiento energético del sistema) también puede influir en el resultado de un experimento.

"Hasta el momento no se sabe casi nada sobre las consecuencias termodinámicas de este tipo de incertidumbre, a pesar de que es inevitable", afirma Wolpert. En el nuevo artículo, él y Korbel consideran formas de modificar las ecuaciones de la termodinámica estocástica para adaptarlas.

Cuando Korbel y Wolpert se reunieron en un taller sobre información y termodinámica en 2019, comenzaron a hablar sobre este segundo tipo de incertidumbre en el contexto de los sistemas de desequilibrio.

"Nos preguntamos, ¿qué sucede si no se conocen exactamente los parámetros termodinámicos que gobiernan su sistema?" recuerda Korbel. "Y luego empezamos a jugar". Las ecuaciones que describen los sistemas termodinámicos a menudo incluyen términos definidos con precisión para aspectos como la temperatura y los potenciales químicos. "Pero como experimentador u observador no necesariamente conoces estos valores" con gran precisión, dice Korbel.

Aún más desconcertante, se dieron cuenta de que es imposible medir parámetros como la temperatura, la presión o el volumen con precisión, tanto por las limitaciones de la medición como por el hecho de que estas cantidades cambian rápidamente. Reconocieron que la incertidumbre sobre esos parámetros no sólo influye en la información sobre el estado original del sistema, sino también en cómo evoluciona.

Es casi paradójico, afirma Korbel. "En termodinámica, se supone incertidumbre acerca de su estado, por lo que se describe de forma probabilística. Y si se tiene termodinámica cuántica, se hace esto con incertidumbre cuántica", dice. "Pero, por otro lado, se supone que todos los parámetros se conocen con precisión exacta."

Korbel dice que el nuevo trabajo tiene implicaciones para una variedad de sistemas naturales y artificiales. Si una célula necesita detectar la temperatura para llevar a cabo alguna reacción química, por ejemplo, su precisión será limitada. La incertidumbre en la medición de la temperatura podría significar que la celda realiza más trabajo y utiliza más energía. "La célula tiene que pagar este coste extra por no conocer el sistema", afirma.

Las pinzas ópticas ofrecen otro ejemplo. Se trata de rayos láser de alta energía configurados para crear una especie de trampa para partículas cargadas. Los físicos utilizan el término "rigidez" para describir la tendencia de la partícula a resistirse a ser movida por la trampa. Para determinar la configuración óptima de los láseres, miden la rigidez con la mayor precisión posible. Por lo general, lo hacen tomando mediciones repetidas, asumiendo que la incertidumbre surge de la medición misma.

Pero Korbel y Wolpert ofrecen otra posibilidad:que la incertidumbre surja del hecho de que la rigidez misma puede estar cambiando a medida que evoluciona el sistema. Si ese es el caso, entonces mediciones idénticas repetidas no lo capturarán y encontrar la configuración óptima seguirá siendo difícil de alcanzar. "Si sigues haciendo el mismo protocolo, entonces la partícula no termina en el mismo punto, es posible que tengas que hacer un pequeño empujón", lo que significa un trabajo extra que no se describe en las ecuaciones convencionales.

Esta incertidumbre podría manifestarse en todas las escalas, afirma Korbel. Lo que a menudo se interpreta como incertidumbre en la medición puede ser una incertidumbre disfrazada en los parámetros. Quizás se hizo un experimento cerca de una ventana donde brillaba el sol y luego se repitió cuando estaba nublado. O tal vez el aire acondicionado se encendió entre varias pruebas. En muchas situaciones, afirma, "es relevante observar este otro tipo de incertidumbre".

Más información: Jan Korbel et al, Termodinámica de desequilibrio de procesos estocásticos inciertos, Investigación de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.013021

Información de la revista: Investigación de revisión física

Proporcionado por Instituto Santa Fe