Home » Știință » Consolidarea celei de-a doua legi a termodinamicii

Consolidarea celei de-a doua legi a termodinamicii

Consolidarea celei de-a doua legi a termodinamicii
Credit foto: Santa Fe Institute
Publicat: 14.11.2021

Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, entropia totală a unui proces închis poate crește sau rămâne neschimbată, dar nu poate scădea niciodată.

A doua lege garantează, de exemplu, că un ou se poate clătina de pe masă și poate lăsa mizerie pe podea, dar că o astfel de mizerie nu va forma niciodată un ou și va sări înapoi pe masă, scrie Phys.org.

Sau aerul va scăpa dintr-un balon, dar balonul nu se va umfla niciodată de la sine. Cel puțin din secolul al XIX-lea, fizicienii au investigat rolul entropiei în teoria informației, studiind tranzacțiile energetice de adăugare sau ștergere a biților din computere, de exemplu.

Termodinamica calculului este un obiectiv de cercetare al fizicianului SFI David Wolpert, care, în ultimii ani, colaborează cu Artemy Kolchinsky, fizician și fost bursier postdoctoral SFI, pentru a înțelege mai bine legătura dintre termodinamică și procesarea informațiilor în calcul.

Studiul are utilitate în nenumărate domenii

Cea mai recentă explorare a subiectului celei de-a doua legi a termodinamicii, publicată în Physical Review E, urmărește aplicarea acestor idei într-o gamă largă de domenii clasice și cuantice, inclusiv termodinamica cuantică.

„Sistemele de calcul sunt concepute special pentru a pierde informații despre trecutul lor, pe măsură ce evoluează”, spune Wolpert.

Dacă o persoană introduce „2+2” într-un calculator și apoi apasă „enter”, computerul dă răspunsul 4. În același timp, mașina pierde informații despre intrare, deoarece nu numai 2+2, ci și 3+1 (și alte perechi de numere) pot produce aceeași ieșire. Numai din răspuns, aparatul nu poate raporta ce pereche de numere a acționat ca intrare.

În 1961, fizicianul IBM Rolf Landauer a descoperit că atunci când informația este ștearsă, ca în timpul unui astfel de calcul, entropia calculatorului scade (prin pierderea informațiilor), ceea ce înseamnă că entropia mediului trebuie să crească.

Dacă ștergi puțină informație, trebuie să generezi puțină căldură”, spune Kolchinsky.

Wolpert și Kolchinsky au vrut să știe: Care este acel cost energetic al ștergerii informațiilor pentru un anumit sistem? Landauer a derivat o ecuație pentru cantitatea minimă de energie care este produsă în timpul ștergerii, dar duoul SFI a descoperit că majoritatea sistemelor produc de fapt mai mult. „Există un cost care apare dincolo de limitele lui Landauer”, spune Kolchinsky.

Singura modalitate de a atinge pierderea minimă de energie a lui Landauer, spune el, este de a proiecta un computer cu o anumită sarcină în minte. Dacă computerul efectuează un alt calcul, atunci va genera entropie suplimentară.

Consolidarea fundamentului celei de-a doua legi a termodinamicii

Kolchinsky și Wolpert au demonstrat că două computere ar putea efectua același calcul, de exemplu, dar diferă în producția de entropie din cauza așteptărilor lor pentru intrări. Cercetătorii numesc acest lucru „nepotrivire de cost” sau costul greșirii.

„Este diferența dintre sarcina pentru care a fost construită mașina de calcul și sarcina pentru care o folosești”, spune Kolchinsky.

În lucrările anterioare, duoul a demonstrat că această nepotrivire de cost este un fenomen general care poate fi explorat într-o varietate de sisteme, nu numai în teoria informației, ci și în fizică sau biologie.

Ei au găsit o relație fundamentală între ireversibilitatea termodinamică – cazul în care entropia crește – și ireversibilitatea logică – cazul în calcul în care starea inițială este pierdută. Într-un fel, au consolidat fundamentul celei de-a doua legi a termodinamicii.

Computerele cuantice sunt vulnerabile la pierderi și erori

În cea mai recentă cercetare, Kolchinsky și Wolpert demonstrează că această relație fundamentală se extinde chiar mai mult decât credeau anterior, inclusiv la termodinamica computerelor cuantice. Informațiile din computerele cuantice sunt vulnerabile la pierderi sau erori din cauza fluctuațiilor statistice sau a zgomotului cuantic, motiv pentru care fizicienii caută noi metode de corectare a erorilor.

O mai bună înțelegere a nepotrivirii de cost, spune Kolchinsky, ar putea duce la o mai bună înțelegere a modului de a prezice și corecta aceste erori.

„Există această relație profundă între fizică și teoria informației”, spune Kolchinksy.

Vă recomandăm să citiți și:

PREMIUL NOBEL pentru FIZICĂ 2021, acordat lui Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann și Giorgio Parisi „pentru contribuții fără precedent la înțelegerea sistemelor fizice complexe”

Cercetătorii coreeni au creat o vopsea care funcționează la fel ca panourile fotovoltaice

Iluzia optică care te înnebunește! Ce culoare au, de fapt, cele două cranii

Creaţie uimitoare a fizicienilor: primul dispozitiv care generează masă negativă

Ștefan Trepăduș
Ștefan Trepăduș
Ștefan Trepăduș este blogger începând cu anul 2009, având experiență și în domeniile publicitate și jurnalism. Este pasionat de marketing și de tehnologie, dar cel mai mult îi place să știe lucruri, motiv pentru care a fost atras de Descopera.ro. citește mai mult
Urmărește DESCOPERĂ.ro pe
Google News și Google Showcase
Cele mai noi articole
Vidrele de mare folosesc unelte pentru a avea acces la pradă mai mare și pentru a-și proteja dinții
Vidrele de mare folosesc unelte pentru a avea acces la pradă mai mare și pentru a-și proteja dinții
Un cercel de aur a dezvăluit o poveste devastatoare de acum 2.200 de ani
Un cercel de aur a dezvăluit o poveste devastatoare de acum 2.200 de ani
Peter Buffett, compozitor, filantrop și fiul unuia dintre miliardarii de top ai lumii. „Viața este aleatorie, nici corectă, nici nedreaptă”
Peter Buffett, compozitor, filantrop și fiul unuia dintre miliardarii de top ai lumii. „Viața este aleatorie, nici corectă, ...
Speranța de viață globală ar putea crește cu pâna la 5 ani până în 2050
Speranța de viață globală ar putea crește cu pâna la 5 ani până în 2050
CRISPR ar putea trata orbirea moștenită, arată datele preliminare
CRISPR ar putea trata orbirea moștenită, arată datele preliminare
Ce este și cum apare „pielea de găină”?
Ce este și cum apare „pielea de găină”?
Astronomii au găsit o planetă de mărimea Pământului la doar 55 de ani-lumină depărtare
Astronomii au găsit o planetă de mărimea Pământului la doar 55 de ani-lumină depărtare
Temperaturile anunțate de ANM! Cum va fi vremea până în iunie?
Temperaturile anunțate de ANM! Cum va fi vremea până în iunie?
Nume mari de la Hollywood s-au aliat pentru întoarcerea lui Kevin Spacey pe marile ecrane
Nume mari de la Hollywood s-au aliat pentru întoarcerea lui Kevin Spacey pe marile ecrane
O companie din China a lansat o mașină mai ieftină decât modelul Y de la Tesla
O companie din China a lansat o mașină mai ieftină decât modelul Y de la Tesla
În urmă cu 114 ani, Pământul trecea la o distanţă foarte mică pe lângă cometa lui Halley
În urmă cu 114 ani, Pământul trecea la o distanţă foarte mică pe lângă cometa lui Halley
O nouă eră de parteneriat între China și Rusia. Anunțul făcut de Xi Jinping și Vladimir Putin
O nouă eră de parteneriat între China și Rusia. Anunțul făcut de Xi Jinping și Vladimir Putin
Primul caz de gripă aviară la om transmisă de la vaci
Primul caz de gripă aviară la om transmisă de la vaci
Misterul piramidelor din Egipt, aproape de a fi rezolvat. Cum cred cercetătorii că au fost construite?
Misterul piramidelor din Egipt, aproape de a fi rezolvat. Cum cred cercetătorii că au fost construite?
Bărbat dispărut în urmă cu 27 de ani, găsit în pivnița unui vecin
Bărbat dispărut în urmă cu 27 de ani, găsit în pivnița unui vecin
Cristian Șofron, unul dintre copiii-fenomen ai cinematografiei din România, invitat la Altceva cu Adrian Artene
Cristian Șofron, unul dintre copiii-fenomen ai cinematografiei din România, invitat la Altceva cu Adrian Artene
Ce putem afla din cristalele antice despre apa și continentele Pământului?
Ce putem afla din cristalele antice despre apa și continentele Pământului?
(P) Cele mai importante momente din istoria jocurilor de noroc
(P) Cele mai importante momente din istoria jocurilor de noroc