قياس الانتروبيا في أنظمة المواد الفعالة

قياس الانتروبيا في أنظمة المواد الفعالة
قياس الانتروبيا في أنظمة المواد الفعالة

يمكن رؤية المناطق غير المتوازنة في نظام المادة الفعالة وقياسها باستخدام تقنية لحساب معدل إنتاج الانتروبيا المحلي للنظام. عندما يتم تشغيله ذهابًا وإيابًا ، فإن فيلم الجزيء الذي يتلوى في سائل في حالة توازن يبدو هو نفسه. المقياس المستخدم لقياس هذا التناظر ، والذي يسمى "معدل توليد الإنتروبيا" ، هو صفر في مثل هذا الفيلم. غير صفري في معظم الأفلام الأخرى ، مما يشير إلى أن الأنظمة المصورة غير متوازنة.

يمكن للباحثين حساب معدل الانتروبيا لأنظمة النماذج البسيطة. ومع ذلك ، لا يزال قياس هذه المعلمة في التجارب يمثل تحديا.

لقد طور سونغهام رو من معهد التخنيون الإسرائيلي للتكنولوجيا ، وبومينغ جو من جامعة نيويورك وباحثون آخرون تقنية لتحديد معدل إنتاج الكون المحلي. يستخدمون المحاكاة والملاحظات الميكروبيولوجية لتوضيح هذه التقنية. يمكن للباحثين استخدام التقنية التي تقارن مسارات الجسيمات إلى الأمام وعكس الزمن لتحديد كيفية تأثير معدلات إنتاج الانتروبيا المحلية على الديناميكيات العامة للأنظمة الحية المعقدة مثل البكتيريا والأنسجة.

تُعرف الأنظمة المكونة من عوامل مستهلكة للطاقة تظهر سلوكيات جماعية معقدة باسم أنظمة المادة الفعالة.

هناك مثالان تقليديان لهذه العوامل هما الأسماك والطيور ، والتي عند التفاعل بأعداد كبيرة يمكن أن تشكل قطعانًا دوامة وأسرابًا دوامة ، على التوالي. تُظهر أنظمة المادة الفعالة معدلات إنتاج إنتروبيا محلية غير صفرية لأن هذه الأنظمة معروفة بانتهاك التناظر العكسي للوقت على مستوى العامل الفردي بسبب استهلاكها المستمر للطاقة.

بالإضافة إلى ذلك ، من المعروف أن أنظمة المادة الفعالة تنتهك التناظر العكسي للوقت على مستوى العالم.

يبدو أن العناصر مرتبة بشكل جماعي في شكل سرب أو أنماط شبيهة بالمدرسة بمقاييس طول أكبر بكثير من العناصر نفسها.

ومع ذلك ، نحن غير مدركين للعلاقة بين فواصل التناظر العكسي العالمي والمحلي. علاوة على ذلك ، فإن مجرد معرفة أن النظام العالمي لديه إنتاج غير صفري إنتروبيا لا يوفر لنا الكثير من المعلومات حول سلوك النظام. على سبيل المثال ، يخبرنا عن المسافة الكلية للنظام من التوازن ، ولكن ليس الموضع الدقيق لحالة عدم التوازن. كما أننا لا نعرف كيف تتغير الخصائص الديناميكية الحرارية للنظام على المقاييس الوسيطة.

من خلال ربط الديناميكيات المحلية لنظام المادة الفعالة بتطوير النموذج العالمي ، يمكن للعلماء استخدام أحدهما للتنبؤ بالآخر.

اقترح العلماء حساب معدلات إنتاج الانتروبيا المحلية باستخدام الأساليب النظرية الميدانية للحصول على هذه المعلومات ، ولكن تم التحقق من صحة هذا الاقتراح فقط لعدد قليل من النماذج المحددة. من خلال جمع المسارات "الثابتة" من الفيلم الأمامي ومقارنة هذه الإطارات مع تلك الموجودة في الفيلم المعكوس بالزمن ، من الممكن قياس معدل إنشاء الانتروبيا بهذه الطريقة.

بفضل هذه المقارنة ، يجب أن نكون قادرين على قياس أجزاء النظام حيث يكون السلوك غير المتوازن أكثر وضوحًا. ومع ذلك ، من الصعب قياس الفرق بدقة بين المسار الثابت والمسار المعكوس بالزمن. تتم معالجة هذه المشكلة من خلال عمل Ro و Guo وزملائه.

بالنسبة للدراسة ، تنظر المجموعة في نظام مادة عام نشط يتكون من جسيمات ذاتية الدفع تتحرك بشكل تعسفي عبر الفضاء أثناء المشاركة في المشي العشوائي "الدائم" ، وهو نوع خاص من المشي العشوائي حيث تتحرك الجسيمات بشكل أساسي في خطوط مستقيمة تقريبًا. يتم تحديد النظام على شبكة ، ويتم تعيين عدد صحيح لكل نقطة شبكة يمكن أن يكون لها قيمة من عدد محدود من القيم اعتمادًا على ما إذا كان الجسيم موجودًا أم لا.

كل نقطة لها تسلسل زمني فريد بسبب القيمة المتغيرة المخصصة لها في الوقت المناسب. يستخدم الفريق كل من هذه التسلسلات للفيلم المعكوس بالوقت ، والذي يتم تشغيله بشكل عكسي بحيث تكون القيمة الأخيرة هي القيمة الأولى.

يتم استخدام طول التحلل المتقاطع ، وهو معلمة مستخدمة في نظرية المعلومات لقياس عدد الأنماط المشتركة في تسلسلين ، في النموذج لمقارنة التسلسلات في فيلمين. الأفلام الأمامية والخلفية أكثر تناسقًا بمرور الوقت وتنتج إنتروبيا أقل عندما يكون هناك المزيد من الأنماط المشتركة بينهما. نتيجة لذلك ، يرتبط طول التحلل المتبادل بمعدل إنشاء الكون المحلي.

استخدم Ro و Guo وزملاؤه محاكاة عددية للجسيمات البراونية النشطة ، تسمى فصل الطور بفعل الحركة ، كأساس لمنهجيتهم.

وهذا يؤدي إلى أنظمة ذات مناطق كثيفة ومخففة ودراسات باستخدام ميكروبات الإشريكية القولونية الموجهة إلى منطقة معينة ؛ لأن الجسيمات تتحرك بشكل أبطأ في التجمعات الأكثر كثافة.

بالنسبة لمحاكاة الجسيمات البراونية ، اكتشفوا أن معدل توليد الإنتروبيا كان أعلى عند الحدود بين المناطق الكثيفة والمخففة وأدنى في مراكزهم. في تجاربهم على الإشريكية القولونية ، اكتشفوا أن إنتاج الانتروبيا كان الأعلى حول القمع.

سيمكن بروتوكول الحساب الذي وضعه Ro و Guo وزملاؤه الباحثين من البدء في التعمق أكثر في الخصائص غير المتوازنة لكل من أنظمة المواد الفعالة الحقيقية والملفقة. من الناحية النظرية ، يمكن أن يؤدي هذا إلى البحث حول توزيع سمات عدم التوازن في النظم الحية وعلاقتها بالأنماط التي تنتجها هذه السمات. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي إلى تطوير "أطالس" غير مستقرة للخلايا وفهم أفضل للسلوك الجماعي للكائنات الحية التي ليس لها نظير في التوازن.

المصدر: physics.aps.org/articles/v15/179

Günceleme: 23/11/2022 12:41

إعلانات مماثلة

كن أول من يعلق

Yorumunuz