作者:安娜·德明，物理
（同organic）有机 理解过程的速率和产生的熵之间的关系可以给维持生命的一些随机过程提供见解
信用:pxfuel “你必须更加努力才能更快地完成工作，”卢森堡大学的研究员吉安玛利亚·法拉斯科在总结他与马西米利亚诺·埃斯波西托的最新研究成果时解释道
对于任何一个有经验的人来说，这都不足为奇，因为他们试图在约定的时间和期限内完成工作。但是，通过定义消耗的功和系统改变状态的速率之间的关系的特定参数，法拉斯科和埃斯波西托为那些开发操纵非平衡系统的方法的人提供了一个有价值的工具，不管是活细胞的行为还是电子电路
此外，他们用来定义这种行为的“耗散-时间不确定性关系”暗示了量子物理中的其他不确定性关系
生命是一个非平衡的过程，不停地维持有机体不分解和分解到它的环境中
把一只老鼠或任何其他生物带到平衡状态，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基本上是概率性的化学反应，并且容易发生热波动；尽管如此，它们还是启动了由三磷酸腺苷(ATP)、各种细胞信号通路和许多其他维持我们正常运转的生物过程推动的分子马达
随着器件尺寸的不断缩小，热波动在其机械部件的动态特性中变得越来越突出，更不用说驱动它们的电子电路了
为了理解这些和大量其他非平衡系统，一个清晰的数学定义有很大的价值，它确定了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成果是对过去20年来统计物理学领域，特别是非平衡统计物理学发展的延续，埃斯波西托称之为“真正的繁荣”
在20世纪90年代和21世纪初，出现了一系列定理，这些定理将参数置于热力学第二定律的概率性质周围，该定律指出，一个孤立系统的熵应该“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向熵增加的方向移动的概率与涨落在这方面与粒子相反的概率之比
埃斯波西托说:“从某种意义上说，我们仍在发现这些波动关系以及这个被称为随机热力学的领域的所有结果。”
视角的转变 在这一系列活动中，一个开创性的发展是德国斯图加特大学的研究人员在2015年定义的“热力学不确定关系”
他们表明，系统最终状态的精度随着改变状态所需能量的增加而增加
(这些定理通常指热动力学引起显著波动的小系统)
与此同时，在量子物理学中，另一项开创性的发展对实现用于量子计算的各种量子态操作的速度进行了限制
法拉斯科说:“我们的工作诞生于这两条研究路线的结合。”
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，但是执行感兴趣任务的真实物理系统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)来改变其周围环境的状态
拿一个散热器来说，本质上是一根连接锅炉和冷藏室的热水管——散热器不会改变它的状态，但它确实可以加热房间
“我们把这个想法转化为数学，得出了我们的结果，”法拉斯科说
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，并应用了波动定理中定义的概率比，他们就能够定义一个非常简单的关系，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会小于自然界的一个普遍常数——玻尔兹曼常数的值
看到写出来的这个关系，它与海森堡的不确定性关系有着惊人的相似之处，通过不确定性关系，可以从初始条件预测量子系统的能量、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
“所以这个类比非常引人注目和有趣，”埃斯波西托说
更好地理解相似性的意义将是该领域未来工作的重点
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