Şansın hüküm sürdüğü ve işlerin tuhaflaştığı stokastik termodinamik dünyasına hoş geldiniz.
King’s College London’dan (KCL) bir bilim insanı ekibi dünyanın en küçük motorunu üretti. Şunlardan oluşur: tek parçacık mikroskobik olarak insan hücresinden daha küçüktür ve boşlukta havada asılı kalır.
Araştırma ekibi, bu parçacığı “gürültülü” elektrik alanlarıyla sallayarak onu etkileyici sıcaklıklara ısıtmayı başardı. 10 milyon santigrat derece — Güneş’in yüzeyinden milyonlarca derece daha sıcak ve yıldızımızın ateşli dış atmosferi olan güneş koronasının sıcaklığından üç kat daha fazla.
Rekorlar kırmasına rağmen ulaşılan sıcaklık çalışmakyakın zamanda dergide yayınlanmak üzere kabul edildi Fiziksel İnceleme Mektuplarısadece en dikkat çekici detay, diyor ZME Bilimi. Gerçek keşif şurada tuhaf fizik bu ölçekte ne olur?
Sıcak ve Rastgele
Klasik fizikte motor, bir enerji biçimini diğerine dönüştüren herhangi bir mekanizmadır. Örneğin, ısı eklenir ve iş yapılır. Basit, zarif ve her zaman termodinamiğin kuralları dahilinde. Ama daha küçük ölçeklerde işler tuhaflaşıyor.
Bu motoru oluşturmak için araştırmacılar, adı verilen bir cihaz kullandılar. dört kutuplu iyon tuzağıveya daha basit bir ifadeyle bir Paul Tuzağı.
Bu makine kullanır salınan elektrik alanları yüklü tek bir mikro parçacığı yakalayıp onu neredeyse boşlukta havaya uçmak. Bu konfigürasyon parçacığı çevredeki ortamdan izole eder.
Daha sonra ekip bir uygulama yaptı. rastgele ve “gürültülü” voltaj tuzak elektrotlarına. Bu “gürültü” Parçacığı şiddetle sallıyorhareket etmesini ve büyük miktarda ısı üretmesini sağlar.
Ancak, buhar makinesinden farklı olarakdavranışı öngörülebilir değildi. Her motor çevriminde parçacık bazen şöyle davrandı: “stokastik”, yani rastgele. Bir ısı kaynağına maruz kaldığında parçacık ısınmak yerine soğuyabiliyordu; bu da beklenenin tam tersiydi.
Okulda klasik fizikle ilgili öğrendiğimiz her şeye göre bu davranış termodinamik yasalarını ihlal ediyor. Ancak çok küçük ölçeklerde termodinamik yasaları alışık olduğumuz şekilde çalışmıyor.
Yeni ortaya çıkan bu alanda, stokastik termodinamiktermodinamiğin kanunları ortalama olarak saygı duyulurancak bazen tuhaf ve mantık dışı davranışlar ortaya çıkar.
Bu alanda, Bir atom ortalama olarak istatistiksel yasalara uyar – ancak bireysel döngülerinin her birinde, ortalama yoktur: her şey “dalgalanmadır”.
“Motorlar ve içlerinde meydana gelen enerji aktarımı türleri, daha geniş evrenin bir mikrokozmosudur” diyor Molly’nin MesajıKing’s College London’da araştırmacı ve çalışmanın ilk yazarı.
“Buhar motorlarının incelenmesi termodinamiğin ortaya çıkmasını sağladı ve bu da fiziğin bazı temel yasalarını ortaya çıkardı. Yeni rejimlerde motorlar üzerinde devam eden çalışmalar, evrene ve onun gelişimini yönlendiren süreçlere ilişkin anlayışımızı genişletme olanağı sunuyor”, diye ekliyor.
“Termodinamiği bu sezgisel olmayan seviyede anlayarak, gelecekte daha iyi motorlar ve doğa algımıza meydan okuyan deneyler gerçekleştiriyoruz”, diye bitiriyor Mesaj.
İlginç bir şekilde, bu araştırma kavramıyla ilgilidir. protein zarflaması.
Proteinleri anlamak için bir motor
Bu küçültülmüş ölçek gerçeklikten kopuk görünebilir. Ancak hayatın kendisi Bazen bu ölçekte çalışır. Bakteriler, virüsler ve hücrelerimizdeki moleküler makinelerin hepsi tek parçacıklı motorlardır. Tahmin edilebilir ortalamalarla çalışmıyorlar; termal gürültünün ortasında yaşamak.
Bu olur pratik açıdan daha da heyecan vericiBu garip parçacık motoru bir “analog bilgisayarprotein katlanmasını modellemek için.
Proteinler yaşamın motorlarıdır. Bunlar, nihai konfigürasyonlarına ve işlevlerine ulaşmak için kesin ve karmaşık üç boyutlu şekillere “katlanması” gereken uzun amino asit zincirleridir.
Proteinler “yanlış katlandığında”, bir araya toplanabilirgibi yıkıcı hastalıklara yol açmaktadır. Alzheimer, Parkinson ve kistik fibrozis. Buradaki zorluk, bir proteinin nasıl katlandığını tahmin etmenin bilimdeki en zor problemlerden biri olmasıdır.
İşletim sistemi dijital süper bilgisayarlar büyük zorluklarla karşı karşıya Astronomik hesaplama gücü gerektiren milyarlarca atomik hareketi nanosaniye ölçeklerinde hesaplamak zorunda oldukları için protein katlanmasını simüle etmede.
KCL motoru bu sorunu bir “analog bilgisayar” gibi çalışarak çözer: sorunu dijital olarak hesaplamak yerine, fiziksel olarak simüle edin.
Bu süreçte bir yüzen parçacık proteini temsil ederAyarlanmış elektrik alanları ve “gürültülü” voltajlar, gerçek bir proteinin hücre içinde deneyimlediği rastgele termal kuvvetleri taklit ederek araştırmacıların katlanma sürecini doğrudan gözlemlemesine olanak tanır.
“Yöntemimizin geleneksel dijital modellere göre avantajı, basitlik. Proteinler milisaniyeler içinde katlanır, ancak onları oluşturan atomlar nanosaniyeler içinde hareket eder” diyor Molly Mesaj.
“Bu farklı zaman ölçekleri, bir bilgisayarın bunları modellemesini çok zorlaştırıyor. Mikropartikülün nasıl hareket ettiğini basitçe gözlemleyerek ve bundan bir dizi denklem türeterek, bu sorunu önlüyoruz tamamen” diye bitiriyor.
Sanayi Devrimi’ne ve modern fiziğe güç veren buhar makineleri gibi, Bu mikroskobik motor bizi bir sonraki sınıra taşıyabilir — nerede Kaos bir sistem hatası değil, sistemin kendisidir.