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Ignacio CrespoFrancis VillatoroBorja TosarHéctor SocasGastón GiribetJosé Edelsteinasociación información sistemas complejosmemoria en sistemas biológicos villatoroquímica y biología investigación activasistemas marcovianos sin memoriaestado actual determina estado futurobaños de calor con memoriafrancis villatoro y sistemas markovianosFrancis Villatorosistemas Markovianosmemoria RAMShannonBennettdemonios de MaxwellRoth LandauerNature PhysicsSegunda Guerra Mundial
Baños de calor con memoria
Ep576: Entropía; Neandertales; Tesla; Exoplaneta; Agujeros Negros; Eirenesfera
22 de octubre de 20268 momentos
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Francis Villatoro explica cómo la mayoría del trabajo matemático reciente en el campo se ha centrado en sistemas Markovianos, caracterizados por la ausencia de memoria.
…termodinámicas, las de Barato y Cypher. Este campo es un campo enorme en el que está trabajando mucha gente y que está dando un lenguaje que ahora en esta década se está empezando a extender a otras ramas, a la química, a la biología y puede tener futuro. Entonces, uno de los temas que se ha trabajado muchísimo aquí ha sido el tema de la información y cómo asociamos la información. Bueno, la manera más sencilla de asociar información a este tipo de sistemas es tener en cuenta la memoria: si hay memoria o no hay memoria, es decir, un sistema, aquí casi todo lo que se ha hecho a nivel matemático en los últimos 25 años ha sido con sistemas marcovianos sistemas en los cuales el presente, el estado actual, determina el estado futuro yo puedo saber de manera unívoca que va a pasar en el futuro a partir del estado que yo tengo en el presente eso significa que no hay memoria, sistema marcoviano Es un sistema en el que no hay memoria, pero lo que ocurre es que muchos baños de calor, es decir, muchos sistemas macroscópicos tienen memoria Todos conocemos los materiales Que tienen memoria, memoria de forma, por ejemplo, o los materiales viscoelásticos. Un material viscoelástico es un material en el que yo presiono y deformo el material y el material recupera su forma, pero lo recupera lentamente. ¿Vale? Hay un tiempo de…
Significado #1 · Palabras #2
Francis Villatoro explica el origen de la termodinámica estocástica, una rama de la física estadística que aplica conceptos como temperatura y entropía al comportamiento de átomos individuales.
Habla: Francis VillatoroPalabras #5movimiento browniano partículas polenpartícula polen choques moléculas aguabaño térmico sistema macroscópico propiedadestermodinámica estadística sistemas microscópicostermodinámica estocástica física estadísticatemperatura entropía átomo individualtrayectoria átomo interacción baño térmicofrancis villatoro termodinámica estocástica…se te ponen una escala de tiempo muy muy corta y así ves trayectorias continuas y diferenciables entre puntos de colisiones en los que la trayectoria deja de ser continua y diferenciable. Entonces, ¿podemos extender las ideas básicas y los conceptos básicos? ¿De la termodinámica estadística a los sistemas que se mueven, microscópicos, que se mueven en una trayectoria de tipo browniana, de tipo proceso estocástico, de tipo caminolatorio? Esa pregunta se plantea ya a principios del siglo XX y se plantea desde el punto de vista de: ¿por qué esa partícula broniana se mueve de manera irregular? ¿Por qué esa pequeña polen, pequeña partícula de polen en el agua se mueve de manera irregular por culpa de los choques de las moléculas de agua contra esa partícula de polen? Porque ahí la partícula está en un baño térmico, hay un entorno, está rodeada de un sistema que sí es macroscópico y sí me permite definir estas propiedades, calor, trabajo, etc. Entonces el baño térmico es el responsable del movimiento irregular de esta partícula pero además me permite extender esos conceptos. Al comportamiento de la partícula y así nació una rama de la termodinámica, de la física estadística, de la termodinámica que se llama la termodinámica estocástica. La termodinámica estocástica pretende usar conceptos como temperatura, calor, entropía, energía libre, trabajo, pero aplicado a una trayectoria. Es decir, a un átomo le aplicamos el concepto de calor, pero en realidad lo que estamos es aplicando un concepto equivalente al calor a la trayectoria que sigue ese átomo cuando está interaccionando con un baño térmico. Entonces, esto a principios del siglo XX era como la Termodinámica a principios del siglo XIX. Todo esto eran palabras, maneras fenomenológicas de entender resultados observacionales, pero no había una base realmente matemática, rigurosa, que nos explicara cómo extender estos conceptos. Porque ya os digo, el…
Francis Villatoro explica cómo, a mediados del siglo XX, surgió la termodinámica de la información, buscando aplicar conceptos termodinámicos a sistemas microscópicos acoplados a un baño térmico.
Habla: Francis VillatoroSignificado #20termodinámica de la información siglo xxsistemas microscópicos baño térmicotransferencia información sistema microscópicopropiedades macro sistema micro villatoro…Newton del siglo XX, a mediados de los 40 y ya nos da una definición rigurosa asociada a las distribuciones de probabilidad y básicamente nos permite hablar de manera rigurosa de información y así es como a mediados de la Segunda Guerra Mundial, a mediados. Del siglo XX, surge la termodinámica de la información. Una termodinámica en la que yo pretendo aplicar las palabras que yo uso en termodinámica a sistemas microscópicos acoplados a un baño térmico bajo la idea de que hay una transferencia de información que el sistema microscópico puede de alguna manera tener acceso a información microscópica que estas propiedades no me dan y gracias a ello yo puedo definir propiedades macro a ese sistema micro y entonces aparecen cosas. Sería lo que está haciendo el diablillo esencialmente, al ver una molécula rápida la deja pasar Está utilizando la información que puede medir de esa molécula, una información que puede medir microscópicamente para tener una influencia macroscópica y generar algo en…
Francis Villatoro explica cómo borrar un bit de información en la memoria RAM implica la disipación de calor y cómo esta necesidad ha llevado a que los ordenadores modernos tengan disipadores más grandes.
Habla: Francis VillatoroSignificado #3 · Palabras #4landauer y el coste termodinámicoborrado de información implica disipación caloríficaordenador clásico manipula informaciónborrado bit memoria ramdisipación calor ordenador modernobits información disipan calor…ese campo de la termodinámica de la información que en cierto momento competía con la termodinámica estocástica que se había definido de manera cualitativa a principios del siglo XX Entonces ahí el gran trabajo que realmente motorizó todo esto fue el trabajo De Landauer, de Roth Landauer en 1961, que nos dijo algo extraordinariamente fascinante y es que borrar información tiene un coste termodinámico: hay que disipar una cantidad de calor mínima. Es decir, un ordenador, solo un ordenador clásico que maneje información y que pueda cambiar la información y por tanto Borrarla, yo tengo un bit en una memoria RAM puesto a uno y en cierto momento lo puedo poner a cero. Y yo sé: es borrado lo que había, porque ya nadie puede recordar lo que había, ha sido borrado. Eso implica que ese ordenador tiene que disipar calor y cuanto más información contenga, es decir, más bits de información contenga, más tiene que disipar. Por eso los ordenadores actuales tienen disipadores de calor mucho más gordos que los que tenían en el pasado. Claro, esto es una unidad mínima de calor que se Disipa por un bit, que es la constante K de Boltzmann multiplicada por temperatura multiplicada por el logaritmo de 2. Pero esto ya nos llevó a un momento en el que estaba empezándose a introducir de manera rigurosa en el sentido de Shannon el concepto de…
Francis Villatoro explica la dificultad de definir matemáticamente el calor disipado por un bit de información y cómo este concepto se desarrolló en áreas como la computación cuántica primitiva.
Habla: Francis VillatoroSignificado #4calor disipado por bit informacióncomputación cuántica primitiva sistemas reversiblestrabajos de bennett demonio maxwellinformación chano definición matemática…constante K de Boltzmann multiplicada por temperatura multiplicada por el logaritmo de 2. Pero esto ya nos llevó a un momento en el que estaba empezándose a introducir de manera rigurosa en el sentido de Shannon el concepto de información en la termodinámica. Y claro, ¿qué es el calor? ¿Qué es ese calor que disipa un bit? Un bit de información disipa calor, ¿qué es ese calor? ¿Cómo lo defino matemáticamente de manera rigurosa? Pues eso no es nada trivial, ¿vale? Y eso empezó a definirse; hubo muchísimos trabajos, sobre todo en la computación cuántica primitiva, en los sistemas reversibles de finales de los 70, la computación cuántica de principios de los 80, por ejemplo, los trabajos de Bennett, que logró, Bennett logró definir de manera matemática el concepto de demonio de Maxwell, utilizando información, la información de Chano y tenemos una definición ya matemática, rigurosa, bajo la hipótesis de que el que lo lee entiende qué es la información en el sentido de Shannon en un sistema microscópico acoplado a uno macroscópico; que ya te digo, eso a veces no es nada trivial. Esto por ejemplo se ha aplicado a biología; en biología tenemos aquí a Ignacio. Por ejemplo, el tema del ATP: el ATP le da energía a una proteína para que haga algo, para que funcione, una proteína móvil, por ejemplo, que va por un nanotubo de carbono y va…
Francis Villatoro aclara a los oyentes que el concepto de calor utilizado en sus explicaciones sobre sistemas microscópicos difiere del calor en sistemas macroscópicos.
Habla: Francis VillatoroPalabras #3calor en sistemas microscópicos villatorotrayectorias objetos microscópicos baño térmicoleyes termodinámica sistemas macroscópicos…la termodinámica estocástica de principios del siglo XIX; eso del movimiento browniano básicamente es lo mismo, y tenemos una formulación para el equivalente al calor o al trabajo en este contexto. Y lo que me gustaría dejar claro a los oyentes es algo que se Omite completamente en toda la divulgación y es que cuando yo hablo de calor en este tipo de sistemas, no es el calor en un sistema macroscópico; es un concepto que está definido de una manera diferente. La definición es completamente distinta y aplicable específicamente a trayectorias de objetos microscópicos acoplados a un baño térmico, donde sí en ese baño térmico tengo una buena definición de calor, pero lo que yo hago es definir un concepto de calor aplicable a estas trayectorias que cumple más o menos con las leyes de la termodinámica de los sistemas macroscópicos. Es decir, yo puedo construir todo un lenguaje matemático, físico, estadístico, del comportamiento de sistemas microscópicos que interaccionan entre sí, utilizando conceptos análogos a los conceptos que se utilizan en la termodinámica, pero que son diferentes.…
Francis Villatoro explica cómo la mayoría del trabajo matemático reciente en el campo se ha centrado en sistemas Markovianos, caracterizados por la ausencia de memoria.
Habla: Francis VillatoroSignificado #1 · Palabras #2asociación información sistemas complejosmemoria en sistemas biológicos villatoroquímica y biología investigación activasistemas marcovianos sin memoriaestado actual determina estado futurobaños de calor con memoriafrancis villatoro y sistemas markovianos…termodinámicas, las de Barato y Cypher. Este campo es un campo enorme en el que está trabajando mucha gente y que está dando un lenguaje que ahora en esta década se está empezando a extender a otras ramas, a la química, a la biología y puede tener futuro. Entonces, uno de los temas que se ha trabajado muchísimo aquí ha sido el tema de la información y cómo asociamos la información. Bueno, la manera más sencilla de asociar información a este tipo de sistemas es tener en cuenta la memoria: si hay memoria o no hay memoria, es decir, un sistema, aquí casi todo lo que se ha hecho a nivel matemático en los últimos 25 años ha sido con sistemas marcovianos sistemas en los cuales el presente, el estado actual, determina el estado futuro yo puedo saber de manera unívoca que va a pasar en el futuro a partir del estado que yo tengo en el presente eso significa que no hay memoria, sistema marcoviano Es un sistema en el que no hay memoria, pero lo que ocurre es que muchos baños de calor, es decir, muchos sistemas macroscópicos tienen memoria Todos conocemos los materiales Que tienen memoria, memoria de forma, por ejemplo, o los materiales viscoelásticos. Un material viscoelástico es un material en el que yo presiono y deformo el material y el material recupera su forma, pero lo recupera lentamente. ¿Vale? Hay un tiempo de…
Francis Villatoro explica cómo la interacción entre una micropartícula y un baño de calor se ve afectada por el efecto memoria del baño, lo que provoca un retraso en la reacción sobre el sistema microscópico.
Habla: Francis VillatoroSignificado #2 · Palabras #1efecto memoria baño de calorreacción sistema microscópico retrasadamaterial deformado tiempo originalsistemas no marcovianos termodinámica estocástica…materiales viscoelásticos. Un material viscoelástico es un material en el que yo presiono y deformo el material y el material recupera su forma, pero lo recupera lentamente. ¿Vale? Hay un tiempo de recuperación, de relajación del material. Todo eso afecta. Es decir, cuando yo tengo la micropartícula interaccionando con el baño de calor, si el baño de calor tiene efecto memoria, es decir, si las acciones sobre el baño de calor están retrasadas, tienen un efecto de retardo, y por lo tanto la reacción, la realimentación sobre el sistema microscópico se retrasa en el tiempo, no es inmediata. Yo deformo un material y echa un tiempo en volver a su forma original y volver a contactar conmigo y por lo tanto el efecto de mi deformación es un efecto que se retrasa en el tiempo. Tengo que trabajar con sistemas no marcovianos y los conceptos matemáticos que se han desarrollado en termodinámica estocástica, que incluyen todo este tipo de conceptos modificados de los que hemos hablado, han sido sobre todo bien definidos matemáticamente para sistemas marcovianos y ahora se está empezando a trabajar con sistemas no marcovianos y ahí es donde se enmarca este artículo que se acaba. De publicar en Nature Physics. Es un artículo que salió en Archive al principio de este año; creo que es un artículo de lo que es Muruga, Félix Guino y Clemens Beckinger de la Universidad de Constanza en Alemania, y de Sarah Laws del Instituto Masplan de…
Francis Villatoro explica cómo los experimentos realizados pueden ayudar a diseñar mecanismos útiles para tecnologías cuánticas y destaca que, aunque son clásicos, la termodinámica estocástica también se aplica a sistemas cuánticos abiertos.
Habla: Francis VillatoroPalabras #14termodinámica estocástica sistemas cuánticosefecto memoria naturaleza physicsaplicaciones potenciales biologíasistema microscópico trabajo estocástico…va a ayudar a redefinir mejor, a moldear toda la matemática de la termodinámica estocástica aplicada a sistemas no marcovianos. Estos experimentos, este y muchos experimentos que vendrán, acabarán dándonos información de cómo definir de nuevo esos conceptos. En el que el sistema no se comporta de manera marcoviana y eso nos va a ayudar a, entre comillas, quizás diseñar mecanismos que sean útiles en tecnologías cuánticas. Todo esto es clásico, todo esto es completamente clásico; aquí no hay nada cuántico. Pero bueno, ahí la termodinámica estocástica también se aplica a sistemas cuánticos abiertos: entonces abierto significa que hay un baño térmico que interacciona con el sistema cuántico y se cree que esto tendrá aplicaciones en biología, pero son aplicaciones potenciales; es decir, ahora mismo el gran interés de este artículo, el por qué este artículo se publica en Nature Physics es porque es un artículo que es el primero que muestra experimentalmente información obtenida de un efecto tipo memoria que genera trabajo, en el sentido estocástico, en un sistema microscópico. Bueno, se nos ha echado el tiempo encima, Francis; yo no sé si tú te tienes que ir ya para tu clase o te queda un ratito más, porque bueno, ahora llega el momento de la pausa. Vamos a tomar un cafecito a la vuelta; yo les invito. Es más, les conmino, amigas,…