Aktive Materiesysteme

Der Punkt, den Sie ansprechen, ist im Wesentlichen, warum das thermodynamische Gleichgewicht subtil ist. Das Hauptmerkmal der Thermodynamik im Gleichgewicht ist das detaillierte Gleichgewicht , das im Wesentlichen eine Folge der mikroskopischen Zeitumkehrbarkeit der Dynamik ist (sei es klassisch oder quantenmechanisch). Ein aktives Materiesystem ist jedes System, in dem das detaillierte Gleichgewicht lokal gestört ist und daher per Definition aus dem Gleichgewicht ist.

Um es noch weiter aufzuschlüsseln, schauen wir uns das kanonische Ensemble an, auf das Sie hinweisen. Im Gleichgewicht tauscht ein System im kanonischen Ensemble Energie mit einem Wärmebad mit konstanter Temperatur aus, was einen Standardaufbau für die statistische Mechanik nach Lehrbuch bietet. Es ist zwingend erforderlich, dass das System in der Lage ist, Energie an das Wärmebad zu gewinnen und an dieses abzugeben. Immerhin ist dies wiederum eine Folge des detaillierten Abgleichs und erlaubt eine Angleichung des Systems an die Temperatur des Bades. Anders ausgedrückt ist dies auch eine Version des Fluktuationsdissipationssatzes , der sich ergibt, da die Quelle von Fluktuationen in einem Gleichgewichtssystem dasselbe Wärmebad ist, in das das System seine Energie dissipiert.

Brechen Sie dies auch nur geringfügig, geraten Sie aus dem Gleichgewicht (beachten Sie, dass die Frage, ob die Folgendieses gestörten detaillierten Gleichgewichts auf makroskopischen Skalen überleben oder eine gleichgewichtsähnliche Beschreibung verwendet werden kann, um das System zu untersuchen, ist insgesamt völlig unterschiedlich und kann sehr systemabhängig sein). Angenommen, die einzelnen Einheiten gewinnen Energie aus einem Reservoir, geben ihre Energie jedoch an ein anderes Wärmebad ab. Da Energiequelle und -senke unterschiedlich sind (z. B. bei unterschiedlichen Temperaturen), halten wir einen anhaltenden Energiefluss durch das Gerät aufrecht, der das detaillierte Gleichgewicht bricht und Sie aus dem Gleichgewicht bringt. Dies ist schließlich das, was passieren würde, wenn Sie ein Gas in einer Box platzieren würden, beispielsweise in Kontakt mit zwei Thermalbädern an gegenüberliegenden Enden der Box. Bei unterschiedlichen Badtemperaturen fließt ein Wärmestrom vom heißen zum kalten Ende und wir erhalten einen eher kanonischen stationären Nichtgleichgewichtszustand. Wenn Sie das gleiche Setup in Gegenwart der Schwerkraft (nach unten wirkend) hätten,Rayleigh-Benard-Konvektion , ein klassisches Beispiel eines Nichtgleichgewichtsmusterbildungssystems (siehe zum Beispiel Cross, Hohenberg, Rev. Mod. Phys. 65, 851 (1993) ).

Der zusätzliche Aufwand bei einem aktiven System besteht darin, dass die einzelnen Einheiten Energie verbrauchen, um sich dauerhaft zu bewegen oder Kräfte auf das umgebende Medium auszuüben. Dazu entnimmt jede Einheit Arbeitaus dem Energiereservoir, anstatt dass der Energiefluss einfach Wärme ist (ich beschönige viele Details schamlos, da die Definitionen von sowohl Wärme als auch Arbeit schwierig sind, aber dies ist ein grobes Bild, das man sich vor Augen halten muss). Aktive Materiesysteme sind also eine spezielle Klasse von Nichtgleichgewichtssystemen, bei denen das Aufbrechen des detaillierten Gleichgewichts lokal erfolgt, indem sie Arbeit leisten, um eine lokale anhaltende Bewegung aufrechtzuerhalten. Die meisten früheren Studien von Nichtgleichgewichtssystemen konzentrierten sich auf Systeme, die an der Grenze durch ein externes Feld oder einen thermischen Gradienten angetrieben wurden (z. B. durch Kontakt mit zwei Wärmebädern), stattdessen ist der Antrieb in einem System aktiver Materie lokal. Dies stellt sich als großer Unterschied heraus, der zu spektakulären Phänomenen führt, die im Gleichgewicht unmöglich sind, wie z. Langreichweitige polare Ordnung in 2d unter Umgehung des Mermin-Wagner-Theorems (Phys. Rev. Lett. 75, 4326, 1995; Phys. Rev. Lett. 75, 1226, 1995), Superpoissonsche Zahlenstatistik in einer Massenphase mit endlich Kompressibilität (Science 317.5834 (2007): 105-108; EPL (Europhysics Letters) 62.2 (2003): 196) und die Druckfreiheit als Zustandsvariable (Nature Physics 11.8 (2015): 673-678). Es gibt viele weitere faszinierende Ergebnisse, wie aus dem rasch zunehmenden Interesse und der Arbeit auf diesem Gebiet in den letzten zwei Jahrzehnten hervorgeht. 196) und die Abwesenheit von Druck als Zustandsgröße (Nature Physics 11.8 (2015): 673-678). Es gibt viele weitere faszinierende Ergebnisse, wie aus dem rasch zunehmenden Interesse und der Arbeit auf diesem Gebiet in den letzten zwei Jahrzehnten hervorgeht. 196) und die Abwesenheit von Druck als Zustandsgröße (Nature Physics 11.8 (2015): 673-678). Es gibt viele weitere faszinierende Ergebnisse, wie aus dem rasch zunehmenden Interesse und der Arbeit auf diesem Gebiet in den letzten zwei Jahrzehnten hervorgeht.

Auf einer grundlegenden Ebene könnte man argumentieren, dass aktive Systeme genau wie jedes andere (nennen Sie Ihren Favoriten) Nicht-Gleichgewichtssystem sind. Die Hoffnung ist jedoch, dass wir, anstatt hinter eine allgemeine Beschreibung aller Nichtgleichgewichtssysteme zu gehen, was sicherlich aussichtslos ist, indem wir uns auf diese relativ spezielle Klasse beschränken, einen Einblick in einige der Organisationsprinzipien der Materie ohne Details gewinnen könnten Gleichgewicht. Das andere attraktive Merkmal ist die Relevanz für die Biologie, da sich auch lebende Materie oft bewegt, so dass dieser Rahmen hoffentlich auch für das Verständnis der Physik der biologischen Organisation hilfreich sein könnte.