物理学家确定了速度和熵之间的收益

卢森堡大学研究员吉安玛利亚·法拉斯科(Gianmaria Falasco)在总结与马西米利亚诺·埃斯波西托(Massimiliano Esposito)的最新研究结果时解释道，你必须更加努力才能更快地完成工作。对于任何有四处奔波试图赶上约会和最后期限的人来说，这都不会令人惊讶，但通过定义耗散方面所花费的工作与系统改变状态的速率之间的关系的具体参数，Falasco和Esposito为那些开发操纵非平衡系统(无论是活细胞的行为还是电子电路)的方法的人提供了一个宝贵的工具。此外，他们用来定义这一行为的耗散-时间不确定关系诱人地暗示了量子物理中的其他不确定关系。生命是一个非平衡的过程，不断地维持一个有机体不被分解和分解到它的环境中。让一只老鼠或任何其他生物保持平衡，你所拥有的只是一堆粘性物质。许多维持生命的细胞过程可以被描述为本质上是概率的和容易发生的化学反应；然而，它们使分子发动机由三磷酸腺苷(ATP)、各种细胞信号通路和许多其他让我们保持运转的生物过程驱动。随着器件尺寸的不断缩小，热波动在其机械部件的动态中也变得越来越突出，更不用说驱动它们的电子电路了。为了理解这些以及其他大量的非平衡系统，一个清晰的数学定义是非常有价值的，它可以确定耗散和这些过程进行的速率之间的回报。

卢森堡大学研究人员的这些最新结果延续了过去20年来的发展，埃斯波西托将其描述为统计物理领域，特别是非平衡统计物理领域的真正繁荣。在20世纪90年代和21世纪头10年，出现了一系列定理，它们围绕热力学第二定律的概率性质设定参数，该定律指出，孤立系统的熵应该趋于增加，直到它达到平衡。这些涨落定理发现，熵产生的指数等于涨落沿熵增加方向移动的概率与涨落在这方面与谷物相反的概率之比。埃斯波西托说，从某种意义上说，我们仍在探索这些关系以及这个被称为随机热力学的领域的所有后果。

在这一系列活动中，一个开创性的发展是热力学不确定关系，该关系由德国斯图加特大学的研究人员于2015年定义。他们表明，系统最终状态的精确度随着改变它所需的能量的增加而增加。(这些定理通常指的是热力学引起显著波动的小系统)。与此同时，在中，另一项开创性的发展对实现用于量子计算的量子态操作的速度设置了速度限制。法拉斯科说，我们的工作诞生于将这两个研究领域结合起来的努力。

当他们致力于这项工作时，法拉斯科和埃斯波西托注意到，大多数研究都考虑了系统如何改变其状态，但真正的物理系统执行感兴趣的任务时，更有可能通过将能量或物质从一个地方(或形式)移动(或改变)到另一个地方(或形式)来改变环境的状态。拿散热器来说，本质上是一根连接锅炉和冷室的热水管道--散热器不会改变它的状态，但它确实会为房间供暖。法拉斯科说：我们得出的结果是把这个想法变成了数学。

一旦法拉斯科和埃斯波西托以这种方式定义了他们的系统，并应用了在中定义的概率比，他们就能够定义一种非常简单的关系，描述达到不同状态所需的时间和消耗的能量(或产生的熵)之间的回报：平均时间和消耗的能量的乘积永远不能小于自然界的一个普遍常数，即玻尔兹曼常数的值。

看看写出来的这个关系式，它与海森堡的不确定性关系式有着惊人的相似之处，因为它的精确度可以从初始条件预测量子系统的能量和时间或动量和位置-这些量的乘积永远不会小于普朗克常数的一半。埃斯波西托说，这个类比非常引人注目和耐人寻味。更好地理解这种相似性的意义(如果有的话)将是这一领域未来工作的重点。