Minimum Power to Maintain a Nonequilibrium Distribution of a Markov Chain
生物系统使用能量来长时间维持非平衡分布，例如化学浓度或蛋白质构象。用于“保持”一个随机系统在状态上的期望分布的功率的基本限制是什么？我们研究的设置一个不受控制的马尔可夫链$Q$改变成一个受控的链$P$具有所需的平稳分布。热力学的考虑导致适当定义的Kullback-Leibler（KL）发散率$D(P||Q)$作为控制成本，由托多罗夫引入的设置，对应于具有平均对数损失动作成本的马尔可夫决策过程。最优受控链$P^*$最小化受到固定分布约束的KL发散率$D(\cdot||Q)$，并且最小KL发散率降低了所使用的功率。虽然这个优化问题是熟悉的大偏差文献，我们提供了一个新的解释为最小的“持有成本”和计算的最小值$P^*$更明确地比以前可用。我们状态的离散和连续时间马尔可夫链的结果的一个版本，并找到一个可逆的不受控链$Q$的重要情况下，一个两状态链，和出生和死亡过程的好的表达式。
2019-07-02 cond-mat.stat-mech cs.IT math.IT
Dissipative Diamagnetism -- A Case Study for Equilibrium and Nonequilibrium Statistical Mechanics of Mesoscopic Systems
利用平衡态统计物理的路径积分方法计算了耗散对朗道抗磁性的影响。计算澄清了电子在其中运动的容器的边界的基本作用。此外，推导出的结果抗磁化也与从含时量子朗之万方程的渐近极限得到的表达式相匹配，提供了一定的顺序，保持在采取限制。这种识别然后统一了平衡和非平衡统计物理学的现象，如抗磁性，这是固有的量子和强烈依赖于边界效应。
2005-04-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
The Vacuum Fluctuation Theorem: Exact Schroedinger Equation via Nonequilibrium Thermodynamics
通过假设一个能量粒子实际上是一个耗散系统，通过恒定的能量（热流）通量维持在非平衡稳态，导出了保守和非保守系统的精确薛定谔方程。hbar.omega因此，只使用振荡器和非平衡恒温的普适性质，从而保证假设的亚量子物理的最大模型独立性。据说这是文献中从（现代）经典物理学推导出的薛定谔方程的最短推导，也是唯一精确的推导。此外，“真空涨落定理”提出，特别强调可能的应用，更好地理解量子力学的非局域效应。
2008-06-02 cond-mat.stat-mech physics.hist-ph quant-ph
Searching for the Tracy-Widom distribution in nonequilibrium processes
虽然最初是在高斯酉包络的背景下发现的，但特雷西-Widom分布也控制了生长过程的高度波动。这表明，可能有其他的非平衡过程中，Tracy-Widom分布起着重要的作用。在我们的贡献中，我们研究了一维系统的畴壁初始条件。对于参数的适当选择，该轮廓形成稀疏波，同时保持远离左侧和右侧的初始平衡态，其因此用作无限延伸的热储层。对于费米-帕斯塔-乌拉姆型非谐链，我们将证明，时间积分电流具有确定性的贡献，线性时间$t$，和波动的大小$t^{1/3}$与Tracy-Widom分布的随机振幅。
2016-05-18 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Universal Property of the Housekeeping Entropy Production
细致平衡被破坏的非平衡系统的熵产生是一个均值非负的随机变量。在总熵产生中，管家熵产生与维持非平衡稳态的热耗散有关。我们推导出一个Langevin型随机微分方程的管家熵产生。该方程允许我们定义内务熵时间$τ$。值得注意的是，事实证明，在固定值$τ$的管家熵产生的概率分布是由高斯分布给出的，而不管系统的细节。高斯分布对于任何系统都是普适的，无论是处于稳态还是瞬态，无论它们是由与时间无关的驱动力还是由与时间相关的驱动力驱动。我们证明了模型系统的普适分布数值。
2018-12-11 cond-mat.stat-mech
Dissipation, Generalized Free Energy, and a Self-consistent Nonequilibrium Thermodynamics of Chemically Driven Open Subsystems
一个系统的非平衡热力学位于一个持续的环境与流入和流出通常被视为一个子系统在一个更大的，封闭的“宇宙”。这仍然是一个问题，什么是最低限度的要求描述这样一个开放的驱动系统的周围，使其非平衡热力学可以建立在内部的随机动力学的基础上。我们提供了一个解决这个问题的方法，使用的见解分子马达在化学非平衡稳态（NESS）与持续的外部驱动器通过再生系统，或在准稳态（QSS）与过量的ATP，ADP，和Pi的研究。我们引入了外部再生系统维持NESS所需的{ \em最小功}的关键概念，$W_{min}$（{ \em e.g.}，保持分子马达的ATP、ADP和Pi的恒定浓度）。使用马尔可夫（主方程）描述的马达蛋白质，我们说明，NESS和QSS具有相同的动力学以及第二定律在相同的正熵产生率。NESS和其相应QSS的散热量之差正好是$W_{min}$。这为引入{ \em理想外部再生系统}提供了理由，并在NESS中的净自由能输入$F_{in}$和总耗散$F_{dis}$之间产生{ \em自由能平衡方程}：$F_{in}$由化学输入减去机械输出组成; $F_{dis}$由耗散热组成;变为热的有用能量的量是NESS熵产生。此外，我们表明，对于非平稳系统，$F_{dis}$和$F_{in}$对应的熵产生率和管家热的随机热力学，并确定一个相对熵$H$作为一个广义的自由能。
2013-06-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Resolving the binding-kinase discrepancy in bacterial chemotaxis: A nonequilibrium allosteric model and the role of energy dissipation
针对细菌趋化中配体结合与激酶响应不对称移动与平衡模型不符的问题，提出含ATP水解耗散循环的非平衡变构模型，成功解释现有数据并揭示能量耗散对维持激酶响应敏感范围的关键作用。
2023-02-23 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Onsager coefficients in a coupled-transport model displaying a condensation transition
本文研究一维随机模型的非平衡稳态，发现Onsager系数满足精确标度关系，并证明临界线附近存在因Joule效应进入凝聚区域的路径，且在发散温度极限下转换效率达Carnot值。
2023-06-28 cond-mat.stat-mech
Conservation Laws and Work Fluctuation Relations in Chemical Reaction Networks
我们制定了一个非平衡热力学描述的开放化学反应网络（CRN）的化学主方程。CRN的拓扑性质和它的守恒律被证明发挥了至关重要的作用。它们被用来分解成一个潜在的变化和两个工作的贡献，第一个是由于外部控制恒化器浓度的时间依赖性变化，第二个是由于整个系统的流量保持由非保守力的熵产生。这两个作品共同满足Jarzynski和Crooks波动定理。在没有功的情况下，当系统松弛到平衡时，系统的势能被动力学最小化，其平衡值符合最大熵原理。一个广义的朗道原理也成立：产生一个非平衡态所需的最小功是该态相对于在没有任何功的情况下达到的平衡值的相对熵。
2019-01-11 cond-mat.stat-mech q-bio.MN
Unconventional entropy production in the presence of momentum-dependent forces
我们研究了非平衡态系统中的熵产生（EP）的非常规性质，奇宇称变量在时间反转下改变符号。我们考虑与热库接触的粒子的布朗运动，其中粒子动量是奇宇称变量。在存在{ \it外部}动量相关力的情况下，发现传递到环境中的EP { \em不}等于通常的由于热传递引起的储层熵变。出现了一个额外的非常规的贡献EP，这是至关重要的维持非负的（平均）总EP执行的热力学第二定律。几个例子被认为是阐明EP的新颖性。我们还讨论了与动量相关的力的细致平衡条件。
2015-12-22 cond-mat.stat-mech
Free energy dissipation enhances spatial accuracy and robustness of Turing pattern in small reaction-diffusion systems
精确和鲁棒的空间顺序在生命系统中无处不在。1952年，阿兰·图灵提出了一种基于反应扩散系统中空间平移对称性自发破缺的斑图形成机制。关于图灵模式的动力学和结构有很多了解。然而，很少有人知道图灵模式的能量成本。本文用解析和数值方法研究了一类空间扩展的生化反应扩散系统的非平衡态热力学。我们发现图灵斑图的出现需要最小的能量耗散来驱动非平衡化学反应。在发病以上，只有一小部分的总能量消耗是用来克服扩散，以维持空间格局。我们发现，定位误差随着能量耗散的增加而减小，在生化振荡系统中，定时误差和能量消耗之间存在相同的权衡关系。在有限系统中，我们发现特定的图灵模式只存在于有限的分子总数范围内，而能量耗散扩大了这个范围，这增强了图灵模式对活细胞中分子数波动的鲁棒性。这些结果在大肠杆菌DNA分离的Muk系统的现实模型中得到验证。大肠杆菌，和可测试的预测的依赖性的准确性和鲁棒性的空间格局上的ATP/ADP比率。在一般情况下，这里开发的理论框架可以应用于研究空间扩展的生化系统的非平衡态热力学。
2022-06-03 cond-mat.stat-mech nlin.PS physics.bio-ph
Allocating dissipation across a molecular machine cycle to maximize flux
生物分子机器消耗自由能来打破对称性并进行定向进展。非平衡ATP浓度是典型的自由能来源，分子机器的一个循环消耗一定数量的ATP，提供固定的自由能预算。由于进化预计有利于快速周转的机器，有效地运作，我们研究如何分配这个自由能预算，以最大限度地提高通量。无约束优化消除了中间亚稳态，表明通量在具有较少状态的分子机器中增强。当保持一组数量的状态，我们表明-与以前的研究结果相反-通量最大化分配的耗散是不均匀的。这一结果是一致的共存的“不可逆的”和可逆的过渡在分子机器模型，成功地描述了实验数据，这表明，在进化的机器不同的过渡显着不同的耗散。
2017-10-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Dissipation at limited resolutions: Power law and detection of hidden dissipative scales
本研究针对非平衡系统耗散推断受实验分辨率限制的问题，采用无模型估计器发现跃迁序列贡献的耗散项呈幂律标度，等待时间贡献项的峰值及幂律交叉点可检测隐藏耗散尺度，为理解分辨率与熵产的关系提供新视角。
2024-09-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
