Information, order, complexity, and entropy in materials including biological systems: a thermodynamic theory based on state variables
Dit artikel stelt een verenigde thermodynamische theorie voor die ambiguïteiten met betrekking tot entropie, informatie en complexiteit in materiële en biologische systemen oplost door toestandsvariabelen te herdefiniëren als tijdgemiddelde atomaire posities, waardoor entropie wordt onderscheiden als onzekerheid in deze variabelen in plaats van informatie zelf, terwijl de derde wet behouden blijft.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Entropie is een woord dat vaak opduikt in discussies over de neiging van het universum naar chaos, maar in de wetenschappelijke studie van materialen is het een precieze meting van de toestand van een systeem. Al meer dan een eeuw gebruiken natuurkundigen de thermodynamica om te beschrijven hoe energie beweegt en hoe systemen in evenwicht komen. Een centrale pijler van dit vakgebied is het idee dat entropie een toestandsfunctie is, wat betekent dat de waarde ervan alleen afhangt van de huidige conditie van het materiaal, en niet van hoe het daar gekomen is. Dit concept werkt prachtig voor gassen, waarbij het gedrag van het geheel simpelweg wordt bepaald door temperatuur en volume. Echter, wanneer wetenschappers proberen dezezelfde regels toe te passen op vaste stoffen, vooral complexe zoals glas of het DNA binnen levende cellen, beginnen de definities te vervagen. Een groot punt van verwarring is geweest of de "wanorde" van de interne structuur van een materiaal telt als entropie, of dat die wanorde eigenlijk een vorm van informatie is. Deze ambiguïteit heeft geleid tot tegenstrijdigheden, zoals de suggestie dat sommige materialen zelfs bij het absolute nulpunt een verborgen hoeveelheid entropie zouden behouden, wat een fundamentele natuurwet zou schenden die bekend staat als de derde wet van de thermodynamica.
Een onderzoeker genaamd Koun Shirai heeft een nieuwe manier voorgesteld om deze tegenstrijdigheden op te lossen door terug te keren naar de strikte definities van de thermodynamica en deze toe te passen op de microscopische wereld van atomen. De kern van het werk houdt in dat de definitie van wat het betekent voor een vaste stof om in evenwicht te zijn, wordt geherdefinieerd. Traditioneel namen wetenschappers aan dat een vaste stof voor elke gegeven temperatuur en volume slechts in één perfecte, defectvrije toestand kon bestaan. Shirai betoogt dat dit beeld incompleet is. In plaats daarvan suggereert hij dat de ware toestand van een vaste stof wordt gedefinieerd door de specifieke, tijdsgemiddelde posities van elk afzonderlijk atoom erin. Omdat atomen in een vaste stof rond vaste punten trillen, fungeren deze gemiddelde posities als de unieke coördinaten van het materiaal. Dit perspectief onthult dat een vaste stof simultaan in veel verschillende evenwichtstoestanden kan bestaan, zelfs bij dezelfde temperatuur, afhankelijk van waar de atomen toevallig tot rust zijn gekomen.
Door vast te stellen dat deze atomaire posities de fundamentele variabelen zijn die de toestand van een materiaal definiëren, verheldert het artikel de relatie tussen entropie, orde en informatie. De auteur concludeert dat entropie geen maatstaf is voor de informatie die in een materiaal is opgeslagen, noch is het een maatstaf voor wanorde. In plaats daarvan meet entropie de onzekerheid of thermische fluctuaties die geassocieerd zijn met die specifieke atomaire posities. De informatie zelf — de unieke structuur die een stuk glas anders maakt dan een kristal, of een specifieke DNA-sequentie anders dan een andere — wordt gedragen door de posities van de atomen zelf. Dit onderscheid stelt wetenschappers in staat om het concept van "orde" te scheiden van eenvoudige geometrische patronen. Een materiaal kan zeer geordend zijn en enorme hoeveelheden informatie bevatten, zelfs als het geen herhalend, kristalachtig patroon mist, zolang de atomaire posities stabiel blijven over de tijd.
Dit kader lost ook het langlopende raadsel van "restentropie" op, het idee dat sommige materialen zelfs bij afkoeling tot het absolute nulpunt nog een beetje entropie lijken te behouden. Het artikel legt uit dat deze schijnbare overgebleven entropie eigenlijk een artefact is van hoe we het meten. Wanneer een materiaal zoals glas afkoelt, worden de atomen vastgezet in een specifieke rangschikking die ze niet gemakkelijk kunnen veranderen. In thermodynamische termen worden de variabelen die de vele mogelijke arrangementen bij hogere temperaturen beschreven "bevroren". Ze fluctueren niet langer, waardoor ze niet langer bijdragen aan de huidige entropie van het systeem. De waarde die we berekenen als restentropie is eigenlijk een geheugen van de vele toestanden waarin het materiaal zich vóór het bevriezen had kunnen bevinden, en niet een eigenschap van de toestand waarin het zich nu bevindt. Wanneer de entropie correct wordt berekend op basis van alleen de actieve, fluctuerende variabelen van de huidige toestand, daalt deze correct naar nul bij het absolute nulpunt, waardoor de derde wet van de thermodynamica behouden blijft.
De implicaties van dit werk strekken zich uit naar hoe we complexiteit en informatieverwerking begrijpen in zowel machines als levende wezens. Als informatie wordt gedefinieerd door het aantal stabiele atomaire rangschikkingen dat een materiaal kan bevatten, dan is zelfs een simpel kristal ongelooflijk complex omdat het miljarden atomen bevat, elk met een eigen positie. Dit verklaart hoe een siliconen chip enorme hoeveelheden gegevens kan opslaan; dat doet het door te schakelen tussen verschillende stabiele arrangementen van defecten binnen het kristal, en niet door een willekeurige bende te zijn. Op dezelfde manier kan de diversiteit van levensvormen voortvloeiend uit een enkele genetische code begrepen worden als het systeem dat beweegt tussen verschillende stabiele evenwichtstoestanden. Het artikel suggereert dat biologische evolutie en informatieverwerking geen schendingen zijn van de thermodynamische wetten, maar processen van het navigeren tussen deze stabiele toestanden, gedreven door energiestromen die het systeem in staat stellen de barrières te overwinnen die hen scheiden. Door deze concepten te funderen in het precieze gedrag van atomen, biedt de studie een verenigd beeld waarin de wetten van de fysica consistent van toepassing zijn, van het kleinste kristal tot de meest complexe levende organisme.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.