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(noticias nanowerk) Las ecuaciones que describen sistemas físicos a menudo suponen que las propiedades mensurables del sistema (por ejemplo, la temperatura o el potencial químico) se conocen con precisión. Pero el mundo real es aún más caótico y la incertidumbre es inevitable. Las temperaturas fluctúan, los instrumentos fallan, el medio ambiente se altera y los sistemas evolucionan con el tiempo.
Las reglas de la física estadística abordan la incertidumbre sobre el estado de un sistema que surge cuando ese sistema interactúa con su entorno. Pero hace mucho tiempo que faltan otras especies, dicen el profesor del SFI David Wolpert y Jan Korbel, investigador postdoctoral en el Complexity Science Hub en Viena, Austria. En un nuevo artículo publicado en Investigación de verificación física. (“Termodinámica de no equilibrio de procesos estocásticos inciertos”), los dos físicos sostienen que la incertidumbre de los propios parámetros termodinámicos –integrados en las ecuaciones que controlan el comportamiento energético del sistema– también puede influir en el resultado de un experimento.
![Aquí hay unas pinzas ópticas que capturan una nanopartícula.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64416_1.jpg)
«Actualmente no se sabe casi nada sobre las consecuencias termodinámicas de este tipo de incertidumbre, a pesar de que es inevitable», afirma Wolpert. En el nuevo trabajo, él y Korbel consideran formas de modificar las ecuaciones de la termodinámica estocástica para acomodarlas.
Cuando Korbel y Wolpert se reunieron en un taller sobre información y termodinámica en 2019, comenzaron a hablar sobre este segundo tipo de incertidumbre en el contexto de los sistemas en desequilibrio.
«Nos preguntamos: ¿qué sucede si no se conocen exactamente los parámetros termodinámicos que controlan el sistema?», recuerda Korbel. “Y luego empezamos a jugar”. Las ecuaciones que describen los sistemas termodinámicos a menudo contienen términos bien definidos para aspectos como la temperatura y los potenciales químicos. «Pero como experimentador u observador no necesariamente conoces estos valores», dice Korbel.
Aún más molesto fue darse cuenta de que es imposible medir con precisión parámetros como la temperatura, la presión o el volumen, tanto por las limitaciones de la medición como por el hecho de que estas cantidades cambian rápidamente. Se dieron cuenta de que la incertidumbre sobre estos parámetros afecta no sólo a la información sobre el estado inicial del sistema, sino también a su evolución.
Es casi paradójico, afirma Korbel. “En termodinámica, asumes que tu estado es incierto y, por lo tanto, lo describe de forma probabilística. Y si existe la termodinámica cuántica, entonces ocurre con la incertidumbre cuántica”, afirma. «Por otro lado, se supone que todos los parámetros se conocen con precisión».
Korbel dice que el nuevo trabajo tiene implicaciones para una variedad de sistemas naturales y artificiales. Por ejemplo, si una celda necesita medir la temperatura para llevar a cabo una reacción química, su precisión es limitada. La incertidumbre en la medición de la temperatura podría hacer que la celda realice más trabajo y utilice más energía. “La célula tiene que pagar estos costos adicionales por no conocer el sistema”, afirma.
Otro ejemplo son las pinzas ópticas. Se trata de rayos láser de alta energía que están configurados para formar una especie de trampa para partículas cargadas. Los físicos utilizan el término «rigidez» para describir la tendencia de la partícula a resistir el movimiento a través de la trampa. Para determinar la configuración óptima de los láseres, miden la rigidez con la mayor precisión posible. Por lo general, logran esto mediante mediciones repetidas, asumiendo que la incertidumbre resulta de la medición misma.
Pero Korbel y Wolpert ofrecen otra posibilidad: que la incertidumbre surja del hecho de que la rigidez misma podría cambiar a medida que evoluciona el sistema. Si este es el caso, las mediciones idénticas repetidas no pueden capturarlo y la configuración óptima sigue siendo difícil de encontrar. “Si continúas haciendo el mismo protocolo, la partícula no terminará en el mismo punto, pero es posible que tengas que hacer un pequeño empujón”, lo que significa un trabajo adicional que no se describe en las ecuaciones tradicionales.
Esta incertidumbre podría tener un impacto a todos los niveles, afirma Korbel. Lo que a menudo se interpreta como incertidumbre en la medición puede ser una incertidumbre encubierta en los parámetros. Quizás se realizó un experimento cerca de una ventana donde brillaba el sol y luego se repitió cuando estaba nublado. O tal vez el aire acondicionado se encendió entre varios intentos. En muchas situaciones, afirma, «es importante considerar este otro tipo de incertidumbre».
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