盧森堡大學(xué)研究員Gianmaria Falasco解釋說(shuō)：“您必須加倍努力才能更快地完成工作。” 他總結(jié)了與Massimiliano Esposito的最新工作成果。對(duì)于任何一個(gè)在嘗試滿足約會(huì)和截止日期方面都具有競(jìng)速經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)，這都不足為奇，而是通過(guò)為耗散的工作量與系統(tǒng)更改狀態(tài)的速率之間的關(guān)系定義特定的參數(shù)，F(xiàn)alasco和Esposito提供對(duì)于那些開發(fā)操縱非平衡系統(tǒng)的方式的寶貴工具是活細(xì)胞或電子電路的行為。此外，他們?yōu)槎x這種行為而開發(fā)的“耗散時(shí)間不確定性關(guān)系”極力暗示了量子物理學(xué)中的其他不確定性關(guān)系。

生命是一個(gè)非平衡過(guò)程，不斷地使有機(jī)體免受分解和分解進(jìn)入其環(huán)境。以鼠標(biāo)或任何其他生物達(dá)到平衡，您所擁有的只是一堆黏性物質(zhì)。維持生命的許多細(xì)胞過(guò)程可以描述為本質(zhì)上是概率性的并且容易發(fā)生熱波動(dòng)的化學(xué)反應(yīng); 但是，它們使三磷酸腺苷(ATP)，各種細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑以及許多其他使我們processes不休的生物過(guò)程為燃料的分子馬達(dá)提供動(dòng)力。隨著器件尺寸的不斷縮小，熱波動(dòng)在其機(jī)械部件的動(dòng)力學(xué)方面也越來(lái)越突出，更不用說(shuō)驅(qū)動(dòng)它們的電子電路了。為了理解這些以及其他許多非平衡系統(tǒng)，在一個(gè)清晰的數(shù)學(xué)定義中有很大的價(jià)值，該定義可以確定耗散與這些過(guò)程進(jìn)行的速率之間的收益。

盧森堡大學(xué)研究人員的最新結(jié)果是對(duì)過(guò)去20年來(lái)Esposito所說(shuō)的統(tǒng)計(jì)物理學(xué)特別是非平衡統(tǒng)計(jì)物理學(xué)領(lǐng)域“真正的繁榮”的發(fā)展的延續(xù)。在1990年代和2000年代，出現(xiàn)了一系列定理，這些定律將參數(shù)置于熱力學(xué)第二定律的概率性質(zhì)附近，該定律指出，一個(gè)孤立的系統(tǒng)的熵應(yīng)該“趨于增加”，直到達(dá)到平衡為止。這些波動(dòng)定理發(fā)現(xiàn)在這方面，熵產(chǎn)生的指數(shù)等于波動(dòng)在增加熵方向上移動(dòng)的概率與波動(dòng)逆著谷物的概率之比。Esposito說(shuō)：“從某種意義上說(shuō)，我們?nèi)栽诎l(fā)現(xiàn)這些波動(dòng)關(guān)系和該領(lǐng)域(稱為隨機(jī)熱力學(xué))的所有后果。”

觀點(diǎn)轉(zhuǎn)變

這一系列活動(dòng)中的一個(gè)開創(chuàng)性發(fā)展是“ 熱力學(xué)不確定性關(guān)系 ”，由德國(guó)斯圖加特大學(xué)的研究人員于2015年定義。他們表明，系統(tǒng)最終狀態(tài)的精度隨移動(dòng)它所需的能量而增加。(這些定理通常是指熱動(dòng)力引起明顯波動(dòng)的小型系統(tǒng))。同時(shí)，在量子物理學(xué)中，另一項(xiàng)開創(chuàng)性的發(fā)展速度限制了您可以多快地完成用于量子計(jì)算的各種量子態(tài)操縱。Falasco說(shuō)：“我們的工作誕生于加入這兩個(gè)研究領(lǐng)域的努力。”

當(dāng)Falasco和Esposito致力于這項(xiàng)工作時(shí)，他們注意到大多數(shù)研究都考慮了系統(tǒng)如何改變其狀態(tài)，但是執(zhí)行感興趣任務(wù)的實(shí)際物理系統(tǒng)更有可能通過(guò)移動(dòng)(或改變)能量來(lái)改變周圍環(huán)境的狀態(tài)?；驈囊粋€(gè)地方(或形式)到另一個(gè)地方的問(wèn)題。以散熱器為例，本質(zhì)上是將鍋爐連接到較冷房間的熱水管道-散熱器不會(huì)改變其狀態(tài)，但會(huì)加熱房間。Falasco說(shuō)：“我們得到了將這個(gè)想法轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)的結(jié)果。”

一旦Falasco和Esposito以這種方式定義了他們的系統(tǒng)并應(yīng)用了波動(dòng)定理中定義的概率比，他們便能夠定義一種令人難以置信的簡(jiǎn)單關(guān)系，描述達(dá)到不同狀態(tài)所需的時(shí)間與耗散的能量之間的收益(或產(chǎn)生的熵)：平均時(shí)間與耗散能量的乘積永遠(yuǎn)不能小于自然萬(wàn)能常數(shù)之一即玻耳茲曼常數(shù)的值。

看到該關(guān)系式已寫成，并且與海森堡的不確定性關(guān)系極為相似，其精確度可根據(jù)初始條件預(yù)測(cè)量子系統(tǒng)的能量，時(shí)間或動(dòng)量和位置，這些乘積的乘積永遠(yuǎn)不能小于其一半。普朗克常數(shù)。Esposito說(shuō)：“因此，這種類比非常引人入勝。” 進(jìn)一步了解如果有任何相似之處具有什么意義，將是該領(lǐng)域未來(lái)工作的重點(diǎn)。