"Você tem que trabalhar mais para fazer o trabalho mais rápido, "explica Gianmaria Falasco, pesquisador da Universidade de Luxemburgo no momento em que resume os resultados de seu último trabalho com Massimiliano Esposito. Isso não será surpresa para ninguém com experiência em correr tentando cumprir compromissos e prazos, mas definindo parâmetros específicos para a relação entre o trabalho despendido em termos de dissipação e a taxa na qual um sistema muda de estado, Falasco e Esposito fornecem uma ferramenta valiosa para aqueles que estão desenvolvendo maneiras de manipular sistemas em desequilíbrio, seja esse o comportamento de células vivas ou de um circuito eletrônico. Adicionalmente, a "relação de incerteza dissipação-tempo" que eles desenvolveram para definir esse comportamento é sugestivamente sugestiva de outras relações de incerteza na física quântica.

A vida é um processo de desequilíbrio, manter incessantemente um organismo contra a decomposição e desintegração em seu ambiente. Leve um rato ou qualquer outra criatura ao equilíbrio, e tudo o que você tem é uma pilha de gosma. Muitos dos processos celulares que sustentam a vida podem ser descritos como reações químicas que são essencialmente probabilísticas e sujeitas a flutuações térmicas; Apesar disso, eles habilitam motores moleculares alimentados por trifosfato de adenosina (ATP), várias vias de sinalização celular e muitos dos outros processos biológicos que nos mantêm funcionando. À medida que os tamanhos dos dispositivos continuam diminuindo, flutuações térmicas tornam-se cada vez mais proeminentes na dinâmica de seus componentes mecânicos, também, sem falar nos circuitos eletrônicos que os movem. Para compreender estes e muitos outros sistemas de não equilíbrio, existe um grande valor em uma definição matemática limpa que estabeleça a compensação entre a dissipação e as taxas nas quais esses processos ocorrem.

Estes últimos resultados dos pesquisadores da Universidade de Luxemburgo seguem os desenvolvimentos nos últimos 20 anos no que Esposito descreve como um "boom real" no campo da física estatística. e física estatística de não-equilíbrio, em particular. Durante as décadas de 1990 e 2000, surgiu uma série de teoremas que colocaram parâmetros em torno da natureza probabilística da segunda lei da termodinâmica, que afirma que a entropia de um sistema isolado deve "tender" a aumentar até atingir o equilíbrio. Esses teoremas de flutuação descobriram que o exponencial da produção de entropia é igual à razão da probabilidade de flutuações movendo-se na direção de entropia crescente versus a probabilidade de flutuações indo contra o grão neste aspecto. "Num sentido, ainda estamos descobrindo todas as consequências dessas relações de flutuação e desse campo que se chama termodinâmica estocástica, "diz Esposito.

Uma mudança de perspectiva

Um desenvolvimento seminal nesta enxurrada de atividades foi a "relação de incerteza termodinâmica, "definido em 2015 por pesquisadores da Universität Stuttgart, na Alemanha. Eles mostraram que a precisão do estado final de um sistema aumentou com a quantidade de energia necessária para deslocá-lo. (Esses teoremas geralmente se referem a pequenos sistemas onde a dinâmica térmica causa flutuações significativas). Enquanto isso, na física quântica, outro desenvolvimento seminal colocou um limite de velocidade na rapidez com que você poderia alcançar os tipos de manipulações de estados quânticos que são usados ​​para computação quântica. “Nosso trabalho nasceu do esforço de unir essas duas linhas de pesquisa, "diz Falasco.

À medida que se aplicavam a este trabalho, Falasco e Esposito notaram que a maioria dos estudos considera como um sistema pode mudar seu estado, mas os sistemas físicos reais que executam tarefas de interesse têm mais probabilidade de mudar o estado de seus arredores, em vez de mover (ou mudar) energia ou matéria de um lugar (ou forma) para outro. Pegue um radiador, essencialmente um cano de água quente conectando a caldeira a uma sala fria - o radiador não muda de estado, mas aquece a sala. "Chegamos ao nosso resultado transformando essa ideia em matemática, "diz Falasco.

Uma vez que Falasco e Esposito definiram seus sistemas desta forma e aplicaram a razão de probabilidade definida nos teoremas de flutuação, eles foram capazes de definir uma relação simples e desarmante descrevendo o retorno entre o tempo gasto para atingir um estado diferente e a energia dissipada (ou entropia produzida):O produto do tempo médio e a energia dissipada nunca pode ser menor que o valor de uma das constantes universais da natureza, a constante de Boltzmann.

Veja esta relação escrita, e tem uma semelhança fascinante com as relações de incerteza de Heisenberg para a precisão pela qual a energia e o tempo ou o momento e a posição de um sistema quântico podem ser previstos a partir das condições iniciais - o produto dessas quantidades nunca pode ser inferior à metade da constante de Planck. "Portanto, a analogia é muito surpreendente e intrigante, "diz Esposito. Obter uma melhor compreensão de qual é o significado da semelhança, se houver, será o foco de futuros trabalhos neste campo.

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