A segunda lei da termodinâmica nos diz que todos os sistemas evoluem em direção a um estado de entropia máxima, em que toda energia é dissipada como calor, e nenhuma energia disponível permanece para fazer o trabalho. Desde meados do século 20, pesquisas apontaram para uma extensão da segunda lei para sistemas de não-equilíbrio:o Princípio de Produção de Entropia Máxima (MEPP) afirma que um sistema fora do equilíbrio evolui de forma a maximizar a produção de entropia, dadas as restrições atuais.

Agora, físicos Alexey Bezryadin, Alfred Hubler, e Andrey Belkin da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, demonstraram o surgimento de estruturas auto-organizadas que conduzem a evolução de um sistema em desequilíbrio a um estado de produção máxima de entropia. Os autores sugerem que o MEPP está na base da evolução da auto-organização do sistema artificial, da mesma forma que está na base da evolução dos sistemas ordenados (vida biológica) na Terra. Os resultados da equipe são publicados no jornal online do Nature Publishing Group Relatórios Científicos .

O MEPP pode ter implicações profundas para a nossa compreensão da evolução da vida biológica na Terra e das regras subjacentes que governam o comportamento e a evolução de todos os sistemas de não-equilíbrio. A vida surgiu na Terra a partir da distribuição de energia fortemente sem equilíbrio criada pelos fótons quentes do Sol atingindo um planeta mais frio. As plantas evoluíram para capturar fótons de alta energia e produzir calor, gerando entropia. Em seguida, os animais evoluíram para comer plantas, aumentando a dissipação de energia térmica e maximizando a produção de entropia.

Em seu experimento, os pesquisadores suspenderam um grande número de nanotubos de carbono em um fluido não-condutor não polar e desequilibraram o sistema ao aplicar um forte campo elétrico. Uma vez eletricamente carregado, o sistema evoluiu em direção à entropia máxima por meio de dois estados intermediários distintos, com o surgimento espontâneo de cadeias de nanotubos condutores automontadas.

No primeiro estado, o regime de "avalanche", as cadeias condutoras se alinharam de acordo com a polaridade da tensão aplicada, permitindo que o sistema carregue corrente e, assim, dissipe calor e produza entropia. As cadeias pareciam brotar apêndices conforme os nanotubos se alinhavam de modo a se unir às cadeias paralelas adjacentes, efetivamente aumentando a produção de entropia. Mas frequentemente, essa auto-organização foi destruída por avalanches desencadeadas pelo aquecimento e carga que emana das correntes elétricas emergentes.

“As avalanches eram aparentes nas mudanças da corrente elétrica ao longo do tempo, "disse Bezryadin.

Após avalanches, as correntes com seus apêndices "balançaram, "parecendo uma coisa viva, semelhante a um inseto.

“Em direção aos estágios finais deste regime, os apêndices não foram destruídos durante as avalanches, mas sim retraído até que a avalanche terminasse, em seguida, reformou sua conexão. Portanto, era óbvio que as avalanches correspondem ao 'ciclo de alimentação' do 'detalhe do nanotubo', "comenta Bezryadin.

No segundo estágio de evolução relativamente estável, a taxa de produção de entropia atingiu o máximo ou quase máximo. Este estado é quase estável porque não houve avalanches destrutivas.

O estudo aponta para um possível esquema de classificação para estágios evolutivos e um critério para o ponto em que a evolução do sistema é irreversível - em que a produção de entropia no subsistema auto-organizado atinge seu valor máximo possível. Mais experimentação em uma escala maior é necessária para afirmar esses princípios subjacentes, mas se eles forem verdadeiros, eles serão uma grande vantagem na previsão de tendências comportamentais e evolutivas em sistemas de não-equilíbrio.

Os autores traçam uma analogia entre a evolução das formas de vida inteligentes na Terra e o surgimento dos insetos que se mexem em seu experimento. Os pesquisadores observam que mais estudos quantitativos são necessários para completar essa comparação. Em particular, eles precisariam demonstrar que seus "insetos mexendo-se" podem se multiplicar, o que exigiria que o experimento fosse reproduzido em uma escala significativamente maior.

Tal estudo, se bem sucedido, teria implicações para o eventual desenvolvimento de tecnologias que apresentam inteligência artificial auto-organizada, uma ideia explorada em outro lugar pelo co-autor Alfred Hubler, financiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa.

"A tendência geral da evolução dos sistemas biológicos parece ser esta:formas de vida mais avançadas tendem a dissipar mais energia, ampliando seu acesso a várias formas de energia armazenada, "Bezryadin propõe." Assim, um princípio comum subjacente pode ser sugerido entre nossas nuvens auto-organizadas de nanotubos, que geram mais e mais calor, reduzindo sua resistência elétrica e, assim, permitem que mais corrente flua, e os sistemas biológicos que procuram novos meios para encontrar alimentos, seja através da adaptação biológica ou inventando mais tecnologias.

"Fontes extensas de alimentos permitem que as formas biológicas cresçam ainda mais, multiplicar, consomem mais alimentos e, assim, produzem mais calor e geram entropia. Parece razoável dizer que os organismos da vida real ainda estão longe do máximo absoluto da taxa de produção de entropia. Em ambos os casos, existem 'avalanches' ou 'eventos de extinção', que atrasaram esta evolução. Somente se toda a energia gratuita fornecida pelo Sol for consumida, ao construir uma esfera de Dyson, por exemplo, e convertido em calor, então uma fase definitivamente estável da evolução pode ser esperada. "

"Inteligência, até onde sabemos, é inseparável da vida, "acrescenta." Assim, para alcançar vida artificial ou inteligência artificial, nossa recomendação seria estudar sistemas que estão longe do equilíbrio, com muitos graus de liberdade - muitos blocos de construção - para que possam se auto-organizar e participar de alguma evolução. O critério de produção de entropia parece ser o princípio orientador da eficiência de evolução. "