물리학자들은 광학 핀셋과 같은 실제 실험에서 간과된 불확실성을 식별합니다

15년 2024월 XNUMX일

(나노 워크 뉴스) 물리적 시스템을 설명하는 방정식은 시스템의 측정 가능한 특징(예: 온도 또는 화학적 전위)을 정확하게 알 수 있다고 가정하는 경우가 많습니다. 그러나 현실 세계는 그보다 더 복잡하고 불확실성은 피할 수 없습니다. 온도는 변동하고, 기기는 오작동하고, 환경은 방해를 받고, 시스템은 시간이 지남에 따라 발전합니다. 통계 물리학의 규칙은 시스템이 환경과 상호 작용할 때 발생하는 시스템 상태에 대한 불확실성을 다룹니다. 그러나 그들은 오랫동안 다른 종류를 그리워했다고 SFI 교수 David Wolpert와 오스트리아 비엔나에 있는 Complexity Science Hub의 박사후 연구원 Jan Korbel이 말했습니다. 에 발표된 새로운 논문에서 물리적 검토 연구 (“불확실한 확률론적 과정의 비평형 열역학”), 두 물리학자들은 시스템의 에너지적 행동을 지배하는 방정식에 내장된 열역학적 매개변수 자체의 불확실성이 실험 결과에 영향을 미칠 수도 있다고 주장합니다. 여기에 나노입자를 가두는 광학 핀셋은 물리학자들이 오랫동안 놓쳐 왔던 불확실성 유형의 영향을 받는 시스템 중 하나입니다. (이미지 : Steven Hoekstra / Wikipedia CC BY-SA 4.0) Wolpert는 “현재로서는 이러한 유형의 불확실성이 불가피함에도 불구하고 열역학적 결과에 대해 알려진 바가 거의 없습니다.”라고 말합니다. 새로운 논문에서 그와 Korbel은 이를 수용하기 위해 확률론적 열역학 방정식을 수정하는 방법을 고려합니다. Korbel과 Wolpert는 2019년 정보 및 열역학 워크숍에서 만났을 때 비평형 시스템의 맥락에서 이러한 두 번째 종류의 불확실성에 대해 이야기하기 시작했습니다. "시스템을 지배하는 열역학적 매개변수를 정확히 알지 못하면 어떻게 되는지 궁금합니다." 코벨을 회상합니다. "그리고 나서 우리는 놀기 시작했습니다." 열역학 시스템을 설명하는 방정식에는 온도 및 화학 전위와 같은 항목에 대해 정확하게 정의된 용어가 포함되는 경우가 많습니다. "그러나 실험자나 관찰자로서 당신은 이러한 값을 매우 정확하게 알 필요는 없습니다"라고 Korbel은 말합니다. 더욱 짜증나는 점은 측정의 한계와 이러한 양이 빠르게 변한다는 사실 때문에 온도, 압력 또는 부피와 같은 매개변수를 정확하게 측정하는 것이 불가능하다는 사실을 깨달았습니다. 그들은 이러한 매개변수에 대한 불확실성이 시스템의 원래 상태에 대한 정보뿐만 아니라 시스템이 어떻게 진화하는지에 대한 정보에도 영향을 미친다는 것을 인식했습니다. 이는 거의 역설적이라고 Korbel은 말합니다. “열역학에서는 상태에 대한 불확실성을 가정하여 이를 확률적인 방식으로 설명합니다. 그리고 양자 열역학이 있다면 양자 불확실성을 가지고 이를 수행하는 것입니다.”라고 그는 말합니다. "그러나 반면에 당신은 모든 매개변수가 정확한 정밀도로 알려져 있다고 가정하고 있습니다." Korbel은 새로운 연구가 다양한 자연 및 공학 시스템에 영향을 미친다고 말했습니다. 예를 들어, 세포가 화학 반응을 수행하기 위해 온도를 감지해야 한다면 정밀도가 제한될 것입니다. 온도 측정의 불확실성은 셀이 더 많은 작업을 수행하고 더 많은 에너지를 사용한다는 것을 의미할 수 있습니다. “세포는 시스템을 모르기 때문에 이 추가 비용을 지불해야 합니다.”라고 그는 말합니다. 광학 핀셋 또 다른 예를 들어보세요. 이는 하전 입자를 위한 일종의 트랩을 생성하도록 구성된 고에너지 레이저 빔입니다. 물리학자들은 트랩에 의해 움직이는 것에 저항하는 입자의 경향을 설명하기 위해 "강성"이라는 용어를 사용합니다. 레이저의 최적 구성을 결정하기 위해 그들은 강성을 최대한 정확하게 측정합니다. 일반적으로 측정 자체에서 불확실성이 발생한다고 가정하고 반복 측정을 수행하여 이를 수행합니다. 그러나 Korbel과 Wolpert는 시스템이 발전함에 따라 강성 자체가 변할 수 있다는 사실에서 불확실성이 발생한다는 또 다른 가능성을 제시합니다. 그렇다면 동일한 측정을 반복해도 이를 포착할 수 없으며 최적의 구성을 찾는 것이 여전히 어렵습니다. "동일한 프로토콜을 계속 수행하면 입자가 동일한 지점에 도달하지 않으므로 약간 밀어야 할 수도 있습니다." 이는 기존 방정식으로 설명되지 않는 추가 작업을 의미합니다. 이러한 불확실성은 모든 규모에서 나타날 수 있다고 Korbel은 말합니다. 종종 측정의 불확실성으로 해석되는 것은 위장된 매개변수의 불확실성일 수 있습니다. 어쩌면 햇빛이 비치는 창가 근처에서 실험을 한 다음, 흐릴 때 반복했을 수도 있습니다. 아니면 여러 번의 시험 사이에 에어컨이 작동했을 수도 있습니다. 그는 많은 상황에서 "이러한 다른 유형의 불확실성을 살펴보는 것이 적절하다"고 말합니다.