物理学者、光ピンセットのような現実世界の実験で見落とされていた不確実性を特定

2024 年 1 月 15 日

(Nanowerkニュース) 物理システムを記述する方程式は、多くの場合、システムの測定可能な特徴 (温度や化学ポテンシャルなど) が正確に分かることを前提としています。しかし、現実の世界はそれよりも複雑で、不確実性は避けられません。温度は変動し、機器は誤動作し、環境は干渉し、システムは時間の経過とともに進化します。統計物理学の規則は、システムが環境と相互作用するときに生じるシステムの状態に関する不確実性に対処します。しかし、彼らは長い間別の種類を見逃していた、とSFI教授のデビッド・ウォルパート氏と、オーストリア・ウィーンの複雑性科学ハブの博士研究員ヤン・コーベル氏は言う。に掲載された新しい論文では、 物理的レビュー研究 (「不確実な確率過程の非平衡熱力学」）、二人の物理学者は、系のエネルギー的挙動を支配する方程式に組み込まれた熱力学パラメーター自体の不確実性も実験の結果に影響を与える可能性があると主張しています。ここでナノ粒子を捕捉している光ピンセットは、物理学者が長年見逃してきたある種の不確実性の影響を受けるシステムの 4.0 つです。 (画像: Steven Hoekstra / Wikipedia CC BY-SA 2019) 「現時点では、この種の不確実性が避けられないにもかかわらず、その熱力学的影響についてはほとんど何もわかっていません」とウォルパート氏は言う。新しい論文では、彼とコーベルは、それに適応するために確率熱力学の方程式を修正する方法を検討しています。コーベルとウォルパートが XNUMX 年の情報と熱力学に関するワークショップで会ったとき、彼らは非平衡系の文脈におけるこの XNUMX 番目の種類の不確実性について話し始めました。「私たちは、システムを支配する熱力学的パラメーターが正確に分からない場合はどうなるのかと疑問に思いました。」とコーベルは思い出す。「そして、私たちは遊び始めました。」熱力学系を記述する方程式には、温度や化学ポテンシャルなどについて正確に定義された用語が含まれることがよくあります。「しかし、実験者や観察者は、必ずしもこれらの値を非常に正確に知っているわけではありません」とコーベル氏は言います。さらに厄介なことに、温度、圧力、体積などのパラメータを正確に測定することは、測定の限界とこれらの量が急速に変化するという事実の両方の理由で不可能であることに彼らは気づきました。彼らは、これらのパラメータに関する不確実性が、システムの元の状態に関する情報だけでなく、システムがどのように進化するかについての情報にも影響を与えることを認識しました。それはほとんど逆説的だとコーベル氏は言う。「熱力学では、状態についての不確実性を想定しているため、それを確率論的な方法で記述します。そして、量子熱力学がある場合、量子不確実性を考慮してこれを行うことになります」と彼は言います。「しかしその一方で、あなたはすべてのパラメータが正確な精度でわかっていると仮定しています。」コーベル氏は、今回の研究はさまざまな自然システムや人工システムに影響を与えると述べた。たとえば、何らかの化学反応を実行するためにセルが温度を感知する必要がある場合、その精度には限界があります。温度測定の不確実性は、セルがより多くの仕事をし、より多くのエネルギーを使用することを意味する可能性があります。「細胞はシステムを知らなかったため、この追加コストを支払わなければなりません」と彼は言います。光ピンセット別の例を示します。これらは、荷電粒子に対する一種のトラップを作成するように構成された高エネルギーレーザービームです。物理学者は、トラップによる移動に抵抗する粒子の傾向を説明するために「剛性」という用語を使用します。レーザーの最適な構成を決定するために、可能な限り正確に剛性を測定します。彼らは通常、不確実性が測定自体から生じるものと想定して、繰り返し測定を行うことによってこれを行います。しかし、コーベルとウォルパートは別の可能性を提案しています。それは、システムが進化するにつれて剛性自体が変化する可能性があるという事実から不確実性が生じるというものです。その場合、同じ測定を繰り返してもそれを捉えることができず、最適な構成を見つけることは依然として困難になります。「同じプロトコルを実行し続けると、粒子は同じ点に到達しないため、少しプッシュする必要があるかもしれません。」これは、従来の方程式では説明できない追加の作業を意味します。この不確実性はあらゆる規模で展開される可能性がある、とコーベル氏は言う。測定の不確実性として解釈されることが多いのは、パラメータの不確実性が隠れている可能性があります。おそらく、実験は太陽が照らす窓の近くで行われ、曇りのときに繰り返されたのでしょう。あるいは、複数の試行の間にエアコンが作動したのかもしれません。多くの状況において、「この別の種類の不確実性を検討することが重要です」と彼は言います。