[论文解读] Play. Pause. Rewind. Measuring local entropy production and extractable work in active matter

Sunghan Ro, Buming Guo+6 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2021

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 5

一句话总结

本文提出了一种局部熵产生（EP）度量方法及数值协议，用于量化活性物质系统中的非平衡动力学，将局部EP与可提取功联系起来。结果表明，EP能识别出非平衡区域——尤其是在界面处——并证实只有当局部EP为正时才能提取功，该结论在活性布朗粒子和E. coli在整流装置中的模拟与实验中均得到验证。

ABSTRACT

Time-reversal symmetry breaking and entropy production are universal features of nonequilibrium phenomena. Despite its importance in the physics of active and living systems, the entropy production of systems with many degrees of freedom has remained of little practical significance because the high-dimensionality of their state space makes it difficult to measure. Here we introduce a local measure of entropy production and a numerical protocol to estimate it. We establish a connection between the entropy production and extractability of work in a given region of the system and show how this quantity depends crucially on the degrees of freedom being tracked. We validate our approach in theory, simulation, and experiments by considering systems of active Brownian particles undergoing motility induced phase separation, as well as active Brownian particles and E. Coli in a rectifying device in which the time-reversal asymmetry of the particle dynamics couples to spatial asymmetry to reveal its effects on a macroscopic scale.

研究动机与目标

• 开发一种适用于高维、多体非平衡系统中、全局EP不足以描述的实用局部熵产生度量。
• 解决由粗粒度自由度引起的非马尔可夫动力学中熵产生估计的挑战。
• 在驱动系统中建立局部熵产生与功提取潜力之间的直接联系。
• 在理论模型、经历运动诱导相分离（MIPS）的活性布朗粒子模拟，以及E. coli在整流装置中的实验系统中验证该方法。
• 揭示时间反演对称性破缺（TRSB）的空间模式及其对所追踪自由度的依赖性。

提出的方法

• 提出一种适用于非马尔可夫动力学的信息论局部熵产生度量，使复杂系统中的熵产生估计成为可能。
• 开发一种数值协议，通过分析选定自由度（如粒子位置和取向）的时间序列轨迹来计算局部EP。
• 使用时间反演协议估计正向与反向轨迹的对数似然比，作为局部EP估计器的基础。
• 将该方法应用于活性布朗粒子（ABPs）和整流装置中E. coli的系统，追踪空间与取向自由度。
• 引入弱耦合的功提取机制，以检验局部EP与可提取功之间的联系，采用线性响应理论。
• 通过统计阈值（如10⁻³分位数）对局部EP值进行归一化，以实现不同区块大小与系统区域之间的比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在系统中，时间反演对称性破缺（TRSB）事件在何处最显著，且其如何依赖于所追踪自由度的选择？
• RQ2 在典型多体活性系统中常见的非马尔可夫、粗粒度动力学中，能否可靠地测量局部熵产生？
• RQ3 是否存在局部熵产生与非平衡系统中功提取性之间的直接定量联系？
• RQ4 局部EP的空间模式如何与宏观非平衡现象（如运动诱导相分离（MIPS）或整流装置中的定向输运）相关联？
• RQ5 该方法能否在实验系统中区分细微的非平衡特征与类似平衡的行为？

主要发现

• 在MIPS系统中，局部熵产生在密集相与稀疏相之间的界面处最高，证实TRSB在相边界处最为显著。
• 归一化后的局部EP速率在2×2区块中为2.3×10⁻³，3×3区块中为7.8×10⁻³，4×4区块中为2.7×10⁻²，表明追踪的自由度越多，灵敏度越高。
• 仅当所追踪的自由度表现出正的局部EP时，才能确认功的提取：与χₛ（取向特异性）耦合的机制随耦合强度γ线性提取功，而与χₙ耦合的机制则不能。
• 当局部EP为零时，平均可提取功也为零，证实了非零局部EP与功提取潜力之间的理论联系。
• 该方法成功识别出活性布朗粒子模拟与E. coli在整流装置中的实验系统中的非平衡动力学，揭示了空间异质性的TRSB。
• 该方法表明，MIPS系统中的体相区域表现出部分可逆性恢复，而界面区域仍保持强不可逆性，与理论预期一致。