Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Физическая сила, возникающая из термодинамики, а не из фундаментальных взаимодействий.
Physical force that originates from thermodynamics instead of fundamental interactions
В физике энтропийная сила, действующая в системе, – это эмерджентное явление, являющееся следствием статистической тенденции всей системы к увеличению энтропии, а не конкретной силы на атомном уровне.
In physics, an entropic force acting in a system is an emergent phenomenon resulting from the entire system's statistical tendency to increase its entropy, rather than from a particular underlying force on the atomic scale.
Полимеры
Стандартным примером энтропийной силы является упругость свободно сочленённой молекулы полимера. Энтропийная сила, действующая на свободно сочленённую цепь, имеет чёткое механическое происхождение и может быть вычислена с использованием динамики Лагранжа с ограничениями. В отношении биологических полимеров наблюдается сложная взаимосвязь между энтропийной силой и функцией. Например, было показано, что неупорядоченные полипептидные сегменты в контексте свернутых областей той же полипептидной цепи генерируют энтропийную силу, имеющую функциональное значение.
A standard example of an entropic force is the elasticity of a freely jointed polymer molecule. The entropic force by a freely jointed chain has a clear mechanical origin and can be computed using constrained Lagrangian dynamics. With regards to biological polymers, there appears to be an intricate link between the entropic force and function. For example, disordered polypeptide segments in the context of the folded regions of the same polypeptide chain have been shown to generate an entropic force that has functional implications.
Коллоиды
Энтропические силы важны и широко распространены в физике коллоидов, где они ответственны за силу вытеснения и упорядочение твердых частиц, таких как кристаллизация твердых сфер, изотропный нематический переход в жидкокристаллических фазах твердых стержней и упорядочение твердых многогранников. В связи с этим, энтропические силы могут быть важным фактором самосборки.
Entropic forces are important and widespread in the physics of colloids, where they are responsible for the depletion force, and the ordering of hard particles, such as the crystallization of hard spheres, the isotropic nematic transition in liquid crystal phases of hard rods, and the ordering of hard polyhedra. Because of this, entropic forces can be an important driver of self assembly
Энтропические силы возникают в коллоидных системах из-за осмотического давления, обусловленного скученностью частиц. Это было впервые обнаружено и наиболее наглядно проявляется в коллоидно-полимерных смесях, описываемых моделью Асакура — Оосава. В этой модели полимеры аппроксимируются сферами конечного размера, которые могут проникать друг в друга, но не могут проникать в коллоидные частицы. Невозможность проникновения полимеров в коллоиды приводит к образованию вокруг коллоидов области с пониженной плотностью полимера. Если области пониженной плотности полимера вокруг двух коллоидов перекрываются при их сближении, полимеры в системе получают дополнительный свободный объем, равный объему пересечения этих областей. Этот дополнительный свободный объем увеличивает энтропию полимеров и способствует образованию локально плотно упакованных агрегатов. Аналогичный эффект наблюдается в достаточно плотных коллоидных системах без полимеров, где осмотическое давление также приводит к локальной плотной упаковке. Для анизотропных частиц эти эффекты называют направленными энтропическими силами.
Entropic forces arise in colloidal systems due to the osmotic pressure that comes from particle crowding. This was first discovered in, and is most intuitive for, colloid polymer mixtures described by the Asakura–Oosawa model. In this model, polymers are approximated as finite sized spheres that can penetrate one another, but cannot penetrate the colloidal particles. The inability of the polymers to penetrate the colloids leads to a region around the colloids in which the polymer density is reduced. If the regions of reduced polymer density around two colloids overlap with one another, by means of the colloids approaching one another, the polymers in the system gain an additional free volume that is equal to the volume of the intersection of the reduced density regions. The additional free volume causes an increase in the entropy of the polymers, and drives them to form locally dense packed aggregates. A similar effect occurs in sufficiently dense colloidal systems without polymers, where osmotic pressure also drives the local dense packing These effects are for anisotropic particles referred to as directional entropic forces.
Цитоскелет
Сокращающиеся силы в биологических клетках обычно обусловлены молекулярными моторами, связанными с цитоскелетом. Однако, все больше данных свидетельствует о том, что сокращающиеся силы могут иметь и энтропийную природу. Классическим примером является действие кросслинкера микротрубочек Ase1, который локализуется в зонах перекрытия микротрубочек веретена деления. Молекулы Ase1 ограничены зоной перекрытия, где они могут свободно диффундировать в одном измерении. По аналогии с идеальным газом в сосуде, молекулы Ase1 оказывают давление на концы перекрытия. Это давление вызывает расширение перекрытия, что приводит к скольжению и сближению микротрубочек. Аналогичный пример был обнаружен и в актиновом цитоскелете. Там актин-связывающий белок анилин обуславливает сократимость актина в цитокинетических кольцах.
Contractile forces in biological cells are typically driven by molecular motors associated with the cytoskeleton. However, a growing body of evidence shows that contractile forces may also be of entropic origin. The foundational example is the action of microtubule crosslinker Ase1, which localizes to microtubule overlaps in the mitotic spindle. Molecules of Ase1 are confined to the microtubule overlap, where they are free to diffuse one dimensionally. Analogically to an ideal gas in a container, molecules of Ase1 generate pressure on the overlap ends. This pressure drives the overlap expansion, which results in the contractile sliding of the microtubules. An analogous example was found in the actin cytoskeleton. Here, the actin bundling protein anillin drives actin contractility in cytokinetic rings.
Спорные примеры
Некоторые силы, которые обычно считаются обычными, были предложены как силы, на самом деле энтропической природы. Эти теории остаются спорными и являются предметом продолжающихся исследований. Мэтт Виссер, профессор математики в Университете Виктории в Веллингтоне (Новая Зеландия), в работе "Консервативные энтропические силы" критикует отдельные подходы, но в целом приходит к выводу:
Some forces that are generally regarded as conventional forces have been argued to be actually entropic in nature. These theories remain controversial and are the subject of ongoing work. Matt Visser, professor of mathematics at Victoria University of Wellington, NZ in "Conservative Entropic Forces" criticizes selected approaches but generally concludes:
Гравитация
В 2009 году Эрик Верлинде предположил, что гравитацию можно объяснить как энтропийную силу. Он утверждал (аналогично результату Джейкобсона), что гравитация является следствием "информации, связанной с положением материальных тел". Эта модель объединяет термодинамический подход к гравитации с голографическим принципом Жерара 'т Хоофта. Из этого следует, что гравитация – не фундаментальное взаимодействие, а эмерджентное явление. Тот же подход был применен для объяснения темной материи, темной энергии и аномалии Пионера.
In 2009, Erik Verlinde argued that gravity can be explained as an entropic force. It claimed (similar to Jacobson's result) that gravity is a consequence of the "information associated with the positions of material bodies". This model combines the thermodynamic approach to gravity with Gerard 't Hooft's holographic principle. It implies that gravity is not a fundamental interaction, but an emergent phenomenon. The same approach was argued to explain dark matter, dark energy and Pioneer effect.
Ссылки на адаптивное поведение
Было высказано предположение, что причинные энтропические силы приводят к спонтанному возникновению использования орудий труда и социального сотрудничества. Причинные энтропические силы, по определению, максимизируют производство энтропии между текущим и будущим временным горизонтом, а не просто алчно максимизируют мгновенное производство энтропии, как это делают обычные энтропические силы. Формальная одновременная связь между математической структурой открытых законов природы, интеллектом и энтропиеподобными мерами сложности была ранее отмечена Андреем Соклаковым в 2000 году в контексте принципа бритвы Оккама.
It was argued that causal entropic forces lead to spontaneous emergence of tool use and social cooperation. Causal entropic forces by definition maximize entropy production between the present and future time horizon, rather than just greedily maximizing instantaneous entropy production like typical entropic forces. A formal simultaneous connection between the mathematical structure of the discovered laws of nature, intelligence and the entropy like measures of complexity was previously noted in 2000 by Andrei Soklakov in the context of Occam's razor principle.