Pesquisadores do Centro Internacional de Física Teórica (ICTP) na Itália e do grupo PICO da Universidade Aalto na Finlândia introduziram a ideia de um demônio da informação que segue uma estratégia de jogo habitual para interromper processos de desequilíbrio em tempos estocásticos. Os novos demônios que eles perceberam, que diferem do renomado demônio de Maxwell, foram apresentados em um artigo publicado em Cartas de revisão física .

"Nossa pesquisa foi movida pela curiosidade, "Gonzalo Manzano, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Nós nos perguntamos sobre as implicações dos processos cujas flutuações cumprem (ou quebram) algumas propriedades fortes dos processos estocásticos na ligação entre a termodinâmica e a informação."

O estudo recente de Gonzalo Manzano, Edgar Roldan e seus colegas se baseiam em trabalhos anteriores que investigam a ligação entre a informação e a termodinâmica no nível estocástico. Também se inspira em pesquisas recentes que exploraram as propriedades de uma família única de processos estocásticos conhecidos como martingales no contexto da termodinâmica.

Martingales são exemplos paradigmáticos de processos estocásticos que têm sido usados ​​em uma variedade de campos, incluindo finanças e matemática. Manzano, Roldan e seus colegas aplicaram o conhecimento dos martingales ao estudo da termodinâmica com o objetivo de desvendar novas leis termodinâmicas universais.

"Nosso artigo aborda as seguintes questões:O que acontece quando se joga com as informações adquiridas sobre a resposta de um pequeno sistema durante um processo termodinâmico de não-equilíbrio?" Edgar Roldan, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Isso pode ser formulado como uma condição de 'parada' na qual o jogador desiste (por exemplo, desiste de jogar roleta quando suas receitas excedem ou caem abaixo de um determinado valor). "

O objetivo principal do estudo realizado por Manzano, Roldan e seus colegas deveriam investigar até que ponto as leis da termodinâmica se aplicam ao usar protocolos inspirados em jogos de azar. Para alcançar isto, eles desenvolveram ainda mais a teoria martingale da termodinâmica, uma construção teórica que eles introduziram alguns anos atrás.

Em seu novo estudo, os pesquisadores introduziram a ideia de "demônios de jogo". Um demônio do jogo é essencialmente uma nova versão do chamado demônio de Maxwell, uma ideia e um experimento de pensamento introduzido pelo físico James Clerk Maxwell em 1867. Neste experimento de pensamento, Maxwell mostrou que, ao usar informações sobre a dinâmica microscópica de um sistema, pode ser possível subverter a segunda lei da termodinâmica, que afirma que o calor sempre passará do quente para o frio até que seja espalhado uniformemente por um sistema. O aparente paradoxo tem sido uma área ativa de pesquisa por muitas décadas e foi resolvido considerando a natureza física da informação produzida pelo demônio, que exigiria trabalho a ser apagado, de acordo com o princípio de Landauer (proposto pela primeira vez em 1961).

"Na versão original de Maxwell, um pequeno ser inteligente (ou seja, o demônio) é capaz de desafiar a segunda lei da termodinâmica, observando e manipulando um sistema termodinâmico no nível microscópico, "Disse Manzano." Mesmo que o paradoxo seja apenas aparente, O demônio de Maxwell ainda é de grande interesse hoje, porque permite extrair trabalho ao preço de produzir entropia na forma de informação. Na nova versão, nós levamos o demônio ao seu limite tirando alguns de seus poderes. "

Em seu jornal, Manzano, Roldan e seus colegas consideraram a possibilidade de que seu demônio do jogo teorizado ainda pode observar a dinâmica microscópica de um sistema, mas não pode manipulá-lo à vontade. Em vez de manipular o sistema, o demônio só pode decidir interromper o processo termodinâmico a qualquer momento que considerar correto.

"Alguém pode pensar que este demônio menos poderoso não pode desafiar a segunda lei, como na configuração original de Maxwell, já que se pode ingenuamente esperar que o demônio não seja capaz de fazer bom uso das informações sobre a dinâmica microscópica do sistema, "Disse Manzano." No entanto, vimos que este não é o caso, mas o demônio precisa (i) de uma boa estratégia para decidir significativamente quando parar, e (ii) a dinâmica do sistema em consideração precisa ser não estacionária (ou mais tecnicamente, precisa quebrar a simetria de reversão de tempo) e, portanto, algum investimento de trabalho é necessário. "

Manzano, Roldan e seus colegas exploraram a ideia de jogar demônios usando técnicas empregadas para estudar a termodinâmica quântica e estocástica. Mais especificamente, eles derivaram um teorema de flutuação universal que relaciona o comportamento de quantidades termodinâmicas relevantes quando estratégias de parada são aplicadas. Isso permitiu que explorassem os limites dessas estratégias de parada. Subseqüentemente, os pesquisadores verificaram suas previsões em uma série de experimentos.

"A configuração experimental de nossos colaboradores no laboratório de Pekola consistia em uma pequena ilha de cobre mantida a uma temperatura muito baixa (0,67 Kelvin), onde os elétrons de dois cabos de alumínio podem saltar, "Disse Manzano." Além disso, uma tensão dependente do tempo é aplicada à ilha metálica, realizando trabalho no sistema, e garantindo que o sistema não está estacionário. "

Em temperaturas particularmente baixas, elétrons únicos que entram em uma ilha metálica podem ser contados individualmente. Contando os elétrons um por um, os pesquisadores conseguiram reunir informações valiosas sobre um sistema. Usando essas informações, eles foram então capazes de calcular as quantidades termodinâmicas relevantes e testar estratégias de parada.

"Embora não paremos a dinâmica do sistema instantaneamente, os dados obtidos permitem analisar o efeito de diferentes estratégias de jogo corroborando nossas previsões teóricas, "Disse Manzano." Também descobrimos que nesta configuração, uma estratégia 'vencedora' consiste em interromper a dinâmica se muito trabalho está sendo investido. Aplicando, descobrimos que o trabalho pode ser extraído das informações, superando os limites da segunda lei tradicional. "

Os pesquisadores traçam uma analogia entre o demônio que eles introduziram e os jogos de cassino. De acordo com Roldan, "pode-se pensar em um jogador jogando roleta e esperando lucro com base em suas boas chances de ganhar. Se esse indivíduo jogasse todos os dias até o cassino fechar, ele deve esperar que perca dinheiro. Contudo, o jogador também pode conceber uma estratégia que lhe permita ter um lucro líquido, por exemplo, jogando apenas até que sua receita exceda um valor limite predefinido. "No entanto, essas estratégias só podem funcionar se as probabilidades dos números na roleta mudarem durante o dia.

"Considere um pequeno sistema imerso em um banho térmico que é conduzido por um tempo total fixo seguindo um protocolo de não-equilíbrio determinístico, "Roldan disse." Se o protocolo sempre puder ser concluído, o trabalho realizado no sistema em média ao longo de muitas realizações do processo é maior ou igual do que sua mudança de energia livre, como segue da segunda lei da termodinâmica. O que acontece, Contudo, quando o processo é interrompido em um momento aleatório seguindo um determinado critério (por exemplo, uma estratégia de jogo)? "

A ideia pode ser ligada ao conceito de demônios da informação. No contexto da termodinâmica, por exemplo, O demônio de Maxwell leva a aparentes violações da segunda lei ao abrir e fechar um portão que separa dois contêineres em momentos aleatórios.

"O demônio de Maxwell usa duas propriedades para violar aparentemente os limites da segunda lei, "Roldan explicou." Primeiro, ele atua em momentos estocásticos quando um evento específico ocorre, uma partícula quente / fria chega perto do portão. Segundo, aplica controle de feedback, abrir o portão muda a dinâmica do processo. "

Os demônios do jogo propostos por Manzano, Roldan e seus colegas são essencialmente dispositivos que permitem violações aparentes da segunda lei da termodinâmica usando apenas o primeiro componente da proposta demoníaca original de Maxwell. Este primeiro componente é a execução de uma tarefa em um momento estocástico. A resolução do paradoxo segue, no entanto, as mesmas linhas da versão original.

"A ideia-chave aqui é o uso de um conjunto muito particular de estratégias inspiradas no jogo que levam à interrupção da dinâmica seguindo um critério prescrito, "Roldan disse." Porque o sistema sobre o qual o demônio atua é pequeno e afetado por flutuações, no momento em que o demônio para, a dinâmica é diferente em cada ciclo. Isso é crucial para a extração de trabalho, como mostramos em nosso trabalho. "

Em seu jornal, Manzano, Roldan e seus colegas mostram que o demônio do jogo que perceberam pode ser usado para extrair trabalho de um sistema termodinâmico além de sua mudança de energia livre. Usando a teoria do martingale, eles calcularam a extração média de trabalho que esses demônios podem realizar e testaram suas previsões em um experimento.

Neste experimento, os pesquisadores analisaram dados de séries temporais coletados usando um transistor de elétron único. Eles então aplicaram estratégias de jogo baseadas em medições do trabalho feito no transistor. Em outras palavras, quando o trabalho excedeu um limite específico, o demônio parou a dinâmica do sistema; de outra forma, continuou sua evolução por um período maior (fixo) de tempo.

"Nosso trabalho implica que a conversão de informação em trabalho pode ser realizada em sistemas onde um controle preciso da dinâmica não está disponível, "Manzano disse." Isso amplia muito o escopo do cenário original de Maxwell e esclarece os ingredientes mínimos necessários para ligar informações e termodinâmica. "

A ideia de jogar com demônios e as relações universais de não-equilíbrio descritas no artigo podem ser aplicadas a uma série de áreas de estudo. No contexto específico em que o aplicaram, o demônio poderia parar a dinâmica de um sistema seguindo uma estratégia. Contudo, as relações que eles descreveram também podem ser aplicadas a sistemas nos quais a dinâmica pára naturalmente quando uma condição específica é atendida, tais como sistemas biológicos.

"O ponto-chave do nosso estudo é que, ao contrário das crenças até agora, não é necessário aplicar feedback para extrair trabalho além da mudança de energia livre, "Disse Roldan." Isso pode ser feito aplicando estratégias de jogo adequadas e mostramos quanto trabalho se pode extrair delas. Notavelmente, nossos resultados sugerem que a quantidade de trabalho que alguém pode extrair através do jogo é limitada por uma medida da assimetria do tempo do processo físico, tão altamente irreversível (longe do equilíbrio) dinâmica pode levar a grandes valores de extração de trabalho, muito parecido com oportunidades de arbitragem no mercado de ações. "

No futuro, a nova abordagem baseada no jogo proposta por Manzano, Roldan e seus colegas poderiam ser usados ​​para melhorar a eficiência de motores e motores térmicos microscópicos. Em seus próximos estudos, os pesquisadores planejam analisar os resultados coletados do ponto de vista da física quântica. Seu trabalho pode abrir caminho para o desenvolvimento de estratégias baseadas em jogos de azar para pesquisa e desenvolvimento de tecnologia que superem os métodos mais convencionais.

"Acreditamos que nosso estudo é um primeiro passo no desenvolvimento de novas possibilidades para protocolos de coleta de energia eficientes em nanoescala, que pode usar nosso conhecimento fundamental sobre como lucrar com as flutuações usando estratégias inteligentes de processamento de informações, "Roldan disse.

© 2021 Science X Network