Sistemas de Materia Activa

El punto que plantea es esencialmente por qué el equilibrio termodinámico es sutil. La característica principal de la termodinámica en equilibrio es el equilibrio detallado , que es esencialmente una consecuencia de la reversibilidad temporal microscópica de la dinámica (ya sea clásica o cuántica). Un sistema de materia activa es cualquier sistema en el que el equilibrio detallado se rompe localmente y, por lo tanto, por definición, está fuera de equilibrio.

Para desglosarlo aún más, veamos el conjunto canónico que señalas. En equilibrio, un sistema en el conjunto canónico intercambia energía con un baño de calor a temperatura constante, proporcionando una configuración estándar para la mecánica estadística de los libros de texto. Es imperativo que el sistema pueda ganar y perder energía en el baño de calor. Esto, después de todo, es una vez más una consecuencia del equilibrio detallado y permite equilibrar el sistema a la temperatura del baño. Dicho de otra manera, también es una versión del teorema de disipación de fluctuaciones , que surge cuando la fuente de fluctuaciones en un sistema en equilibrio es el mismo baño de calor en el que el sistema disipa su energía.

Rompe esto, aunque sea de una manera pequeña, y estarás fuera de equilibrio (observa que la cuestión de si las consecuenciasde este equilibrio detallado roto sobreviven en escalas macroscópicas o se puede usar una descripción similar al equilibrio para estudiar el sistema, es completamente distinta y puede depender mucho del sistema). Suponga que las unidades individuales obtienen energía de un depósito, pero disipan su energía en un baño de calor diferente. La fuente de energía y el sumidero son distintos (digamos a diferentes temperaturas), mantenemos un flujo de energía persistente a través de la unidad, rompiendo el equilibrio detallado y sacándolo del equilibrio. Después de todo, esto es lo que sucedería si colocara un gas en una caja, digamos, en contacto con dos baños termales en los extremos opuestos de la caja. Cuando las temperaturas del baño difieren, una corriente de calor fluye desde el extremo caliente al frío y obtenemos un estado estacionario de no equilibrio bastante canónico. Si tuviera la misma configuración en presencia de la gravedad (actuando hacia abajo),convección de Rayleigh-Benard , un ejemplo clásico de un sistema de formación de patrón de no equilibrio (ver Cross, Hohenberg, Rev. Mod. Phys. 65, 851 (1993) , por ejemplo).

El alboroto adicional en un sistema activo es que las unidades individuales consumen energía para moverse persistentemente o ejercer fuerzas sobre el medio circundante. Para ello, cada unidad extrae trabajodel depósito de energía, en lugar de que el flujo de energía sea simplemente calor (estoy pasando por alto descaradamente muchos detalles ya que las definiciones de calor y trabajo son complicadas, pero esta es una imagen asquerosa para tener en cuenta). Por lo tanto, los sistemas de materia activa son una clase especial de sistemas que no están en equilibrio donde la ruptura del equilibrio detallado es local al realizar un trabajo para mantener un movimiento local persistente. La mayoría de los estudios previos de sistemas que no están en equilibrio se centraron en sistemas impulsados ​​en el límite por un campo externo o un gradiente térmico (al estar en contacto con dos baños de calor, por ejemplo), en cambio, en un sistema de materia activa, el impulso es local. Esto resulta ser una gran diferencia que conduce a fenómenos espectaculares imposibles en equilibrio, como la separación de fases en ausencia de atracción (Phys. Rev. Lett. 108, 235702, 2012; Phys. Rev. Lett. 100, 218103, 2008), orden polar de largo alcance en 2d evadiendo el teorema de Mermin-Wagner (Phys. Rev. Lett. 75, 4326, 1995; Phys. Rev. Lett. 75, 1226, 1995), estadísticas de números superpoissonianos en una fase masiva con finito compresibilidad (Science 317.5834 (2007): 105-108; EPL (Europhysics Letters) 62.2 (2003): 196) y la ausencia de presión siendo una variable de estado (Nature Physics 11.8 (2015): 673-678). Hay muchos más resultados fascinantes, como es obvio por el rápido aumento del interés y el trabajo realizado en este campo en las últimas dos décadas más o menos. 196) y siendo la ausencia de presión una variable de estado (Nature Physics 11.8 (2015): 673-678). Hay muchos más resultados fascinantes, como es obvio por el rápido aumento del interés y el trabajo realizado en este campo en las últimas dos décadas más o menos. 196) y siendo la ausencia de presión una variable de estado (Nature Physics 11.8 (2015): 673-678). Hay muchos más resultados fascinantes, como es obvio por el rápido aumento del interés y el trabajo realizado en este campo en las últimas dos décadas más o menos.

En un nivel básico, se podría argumentar que los sistemas activos son como cualquier otro (nombre de su favorito) sistema de no equilibrio. Sin embargo, la esperanza es que, en lugar de ir detrás de una descripción genérica de todos los sistemas que no están en equilibrio, lo que seguramente no tiene remedio, al restringirnos a esta clase relativamente especial, podríamos obtener una idea de algunos de los principios organizativos de la materia sin detalles. balance. La otra característica atractiva es la relevancia para la biología, ya que la materia viva a menudo también se mueve, por lo que es de esperar que este marco también pueda ser útil para comprender la física de la organización biológica.