Системы активной материи

Вопрос, который вы поднимаете, в основном заключается в том, почему термодинамическое равновесие является тонким. Основной особенностью термодинамики в равновесии является детальный баланс , который по существу является следствием микроскопической обратимости динамики во времени (будь то классическая или квантовая). Система с активной материей — это любая система, в которой детальное равновесие нарушено локально и, следовательно, по определению находится вне равновесия.

Чтобы еще больше разбить его, давайте посмотрим на указанный вами канонический ансамбль. В равновесии система в каноническом ансамбле обменивается энергией с термостатом с постоянной температурой, обеспечивая стандартную установку для учебника статистической механики. Крайне важно, чтобы система могла получать и отдавать энергию тепловой ванне. В конце концов, это опять-таки является следствием детального баланса и позволяет привести систему в равновесие с температурой ванны. Это, сформулированное по-другому, также является версией теоремы о диссипации флуктуаций , которая возникает, поскольку источником флуктуаций в равновесной системе является та же самая тепловая ванна, в которой система рассеивает свою энергию.

Нарушьте это, хоть немного, и вы выйдете из равновесия (обратите внимание, что вопрос о том, будут ли последствияэтого нарушенного подробного баланса сохраняется в макроскопических масштабах, или описание, подобное равновесию, может быть использовано для изучения системы, полностью отличается от других и может сильно зависеть от системы). Предположим, что отдельные блоки получают энергию из резервуара, но рассеивают ее в другую тепловую баню. Поскольку источник и приемник энергии различны (скажем, при разных температурах), мы поддерживаем постоянный поток энергии через устройство, нарушая детальный баланс и выталкивая вас из равновесия. В конце концов, это то, что произошло бы, если бы вы поместили газ в ящик, скажем, в контакт с двумя термальными ваннами на противоположных концах ящика. Когда температуры ванны различаются, тепловой поток течет от горячего конца к холодному, и мы получаем довольно каноническое неравновесное стационарное состояние. Если бы у вас была такая же установка в присутствии гравитации (действующая вниз),Конвекция Рэлея-Бенара , классический пример неравновесной системы формирования структуры (см., например, Cross, Hohenberg, Rev. Mod. Phys. 65, 851 (1993) ).

Дополнительная суета в активной системе заключается в том, что отдельные единицы потребляют энергию для постоянного движения или приложения сил к окружающей среде. Для этого каждая единица извлекает работуиз резервуара энергии, вместо того, чтобы поток энергии был просто теплом (я бесстыдно опускаю многие детали, поскольку определения как теплоты, так и работы сложны, но это грубая картина, которую следует иметь в виду). Таким образом, системы с активной материей представляют собой особый класс неравновесных систем, в которых нарушение детального баланса является локальным за счет выполнения работы по поддержанию локального устойчивого движения. Большинство предыдущих исследований неравновесных систем были сосредоточены на системах, приводимых в действие на границе внешним полем или тепловым градиентом (скажем, при контакте с двумя тепловыми ваннами), вместо этого в системе с активным веществом привод является локальным. Оказывается, это имеет большое значение, приводя к захватывающим явлениям, невозможным при равновесии, таким как разделение фаз в отсутствие притяжения (Phys. Rev. Lett. 108, 235702, 2012; Phys. Rev. Lett. 100, 218103, 2008), дальний полярный порядок в 2d в обход теоремы Мермина-Вагнера (Phys. Rev. Lett. 75, 4326, 1995; Phys. Rev. Lett. 75, 1226, 1995), статистика суперпуассоновских чисел в объемной фазе с конечными сжимаемость (Science 317.5834 (2007): 105-108; EPL (Europhysics Letters) 62.2 (2003): 196) и отсутствие давления, являющегося переменной состояния (Nature Physics 11.8 (2015): 673-678). Есть еще много интересных результатов, о чем свидетельствует быстро растущий интерес и работа, проделанная в этой области за последние два десятилетия или около того. 196) и отсутствие давления как переменной состояния (Nature Physics 11.8 (2015): 673-678). Есть еще много интересных результатов, о чем свидетельствует быстро растущий интерес и работа, проделанная в этой области за последние два десятилетия или около того. 196) и отсутствие давления как переменной состояния (Nature Physics 11.8 (2015): 673-678). Есть еще много интересных результатов, о чем свидетельствует быстро растущий интерес и работа, проделанная в этой области за последние два десятилетия или около того.

На базовом уровне можно утверждать, что активные системы точно такие же, как и любые другие (назовите вашу любимую) неравновесную систему. Однако есть надежда, что вместо общего описания всех неравновесных систем, что совершенно безнадежно, ограничившись этим относительно особым классом, мы могли бы проникнуть в суть некоторых принципов организации материи без детального описания. баланс. Другой привлекательной особенностью является актуальность для биологии, поскольку живое вещество также часто движется, так что мы надеемся, что эта схема может оказаться полезной и для понимания физики биологической организации.