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布朗运动在不稳定立方势中幸存以及麦克斯韦妖的作用。

Brownian motion surviving in the unstable cubic potential and the role of Maxwell's demon.

机构信息

Department of Optics, Palacký University, 17. listopadu 1192/12, CZ-771 46 Olomouc, Czech Republic.

Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Department of Macromolecular Physics, V Holešovičkách 2, CZ-180 00 Praha 8, Czech Republic.

出版信息

Phys Rev E. 2018 Mar;97(3-1):032127. doi: 10.1103/PhysRevE.97.032127.

DOI:10.1103/PhysRevE.97.032127
PMID:29776045
Abstract

The trajectories of an overdamped particle in a highly unstable potential diverge so rapidly, that the variance of position grows much faster than its mean. A description of the dynamics by moments is therefore not informative. Instead, we propose and analyze local directly measurable characteristics, which overcome this limitation. We discuss the most probable particle position (position of the maximum of the probability density) and the local uncertainty in an unstable cubic potential, V(x)∼x^{3}, both in the transient regime and in the long-time limit. The maximum shifts against the acting force as a function of time and temperature. Simultaneously, the local uncertainty does not increase faster than the observable shift. In the long-time limit, the probability density naturally attains a quasistationary form. We interpret this process as a stabilization via the measurement-feedback mechanism, the Maxwell demon, which works as an entropy pump. The rules for measurement and feedback naturally arise from the basic properties of the unstable dynamics. All reported effects are inherent in any unstable system. Their detailed understanding will stimulate the development of stochastic engines and amplifiers and, later, their quantum counterparts.

摘要

在高度不稳定的势场中,过阻尼粒子的轨迹会迅速发散,以至于位置的方差比平均值增长得更快。因此,用矩来描述动力学是没有信息量的。相反,我们提出并分析了局部可直接测量的特征,这些特征克服了这一限制。我们讨论了最可能的粒子位置(概率密度最大值的位置)和不稳定立方势场中的局部不确定性,V(x)∼x^{3},同时讨论了瞬态和长时间极限的情况。最大位置随着时间和温度的变化而发生偏移。同时,局部不确定性的增加不会超过可观测的偏移。在长时间极限下,概率密度自然会达到准稳态形式。我们将这个过程解释为通过测量-反馈机制的稳定化,即麦克斯韦妖,它起到熵泵的作用。测量和反馈的规则自然源于不稳定动力学的基本性质。所有报告的效应都是任何不稳定系统所固有的。对它们的详细理解将刺激随机引擎和放大器的发展,以及随后的量子对应物。

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