نجح باحثون إسرائيليون في قياس الإنتروبيا (الاضطراب) في الأنظمة المعقدة

ومن المتوقع أن تساعد هذه الطريقة الباحثين في مجموعة واسعة من المجالات، بدءًا من تحديد الطفرات الجينية وانتهاءً بتصميم مواد جديدة، والتي تواجه أجهزة الكمبيوتر العملاقة صعوبة في التعامل معها.

طور باحثون من مختبر البروفيسور روي بيك باركاي في كلية الفيزياء بجامعة تل أبيب طريقة رائدة لحساب الإنتروبيا - مستوى اضطراب الأنظمة المعقدة، وهي المشكلة التي شغلت العلماء في جميع أنحاء العالم لسنوات، والتي حتى العالم واجهت معظم أجهزة الكمبيوتر العملاقة المتقدمة صعوبة في التعامل مع. تعتمد الطريقة الجديدة على برامج شائعة لضغط الملفات مثل ZIP، الموجودة في كل كمبيوتر وهاتف محمول اليوم. ووفقا للبروفيسور بيك باركاي "تكمن أهمية الطريقة في بساطتها وسهولة الوصول إليها، ولها العديد من الاستخدامات المحتملة في مجموعة واسعة من المجالات: بدءا من تحديد البروتينات التي تحمل الطفرات وانتهاء بتطوير مواد جديدة."

قاد البحث طالب الدكتوراه رام أفيناري من مختبر البروفيسور بيك باركاي.

تم نشر المقال مؤخرًا في مجلة Physical Review Letters.

يوضح البروفيسور بيك باركاي: "يتم تعريف الإنتروبيا على أنها مستوى اضطراب الأنظمة في الطبيعة". "على سبيل المثال، البلورة، حيث كل ذرة في مكانها، لديها إنتروبيا منخفضة؛ من ناحية أخرى، فإن الغاز، حيث تتجول ذراته بشكل عشوائي في الفضاء، لديه إنتروبيا عالية. يعد الإنتروبيا مقياسًا مهمًا للغاية في دراسة أنواع مختلفة من الأنظمة - بدءًا من جزيئات البروتينات المعقدة، وانتهاءً بالمواد الجديدة التي نطورها لتلبية مجموعة متنوعة من الاحتياجات. لكن طرق البحث المقبولة اليوم، والتي تعتمد على المحاكاة الحاسوبية للعمليات الفيزيائية، غير قادرة على توفير قياس موثوق للإنتروبيا بشكل فعال. وذلك لأنه كلما كان النظام أكثر تعقيدًا، مثل جزيء البروتين، فإنه يحتوي على عدد لا نهائي من الحالات المحتملة في الفضاء، وحتى الكمبيوتر العملاق المتقدم سيواجه صعوبة في حسابها جميعًا وتحديد مستوى النظام في النظام في المحاكاة. . وقد شغلت هذه المشكلة أفضل العلماء لسنوات عديدة، ولكن حتى الآن لم يتم التوصل إلى حل فعال ومرضي لها".

الآن وجد الباحثون في مختبر البروفيسور بيك باركاي حلاً رائدًا وفعالًا ويمكن الوصول إليه لهذه المشكلة الصعبة. ولاحظوا أن المعادلة المستخدمة لتحديد الإنتروبيا في الفيزياء هي نفس معادلة الإنتروبيا من نظرية المعلومات، والتي تلعب دورًا مركزيًا في برامج ضغط البيانات الشائعة الموجودة على كل كمبيوتر وهاتف ذكي، مثل ZIP. يقول البروفيسور بيك باركاي: "تشكل هذه الخوارزمية حاجزًا علويًا يحدد الحجم الذي يمكن تقليصه للملف ذي الصلة". "في الواقع، في العصر الرقمي، يتم تقليص جميع المستندات، بدءًا من الصور والعروض التقديمية وحتى مستندات WORD، بحيث تشغل مساحة أقل على الكمبيوتر أو لغرض الإرسال عبر الإنترنت. تقوم خوارزمية ضغط البيانات بفحص الملف، وعندما تكتشف الأنماط التي ظهرت بالفعل من قبل، فإنها لا تعيد كتابتها ولكنها تولد مرجعًا للإشارة السابقة. بهذه الطريقة يوفر المساحة ويكون الملف صغيرًا. كلما زاد عدد التكرارات في الملف، أصبح أكثر تنظيمًا، ومن ثم يكون الملف المضغوط أصغر، ويكون مؤشر إنتروبيا المعلومات أقل أيضًا."

وبعد ملاحظة العلاقة بين خوارزمية ضغط البيانات ومعادلة الإنتروبيا، قام الباحثون بتغذية نتائج المحاكاة الحاسوبية المادية للأنظمة المعقدة في برنامج ضغط معروف، وهو متاح اليوم مجانًا على كل كمبيوتر وهاتف ذكي. أنشأت البرامج ملفات مضغوطة من البيانات، ووجد الباحثون أن حجم الملف الناتج يمكن ترجمته إلى مقياس دقيق للإنتروبيا. هذه هي الطريقة التي ابتكروا بها لأول مرة أداة ملائمة وفعالة لقياس الإنتروبيا للأنظمة المعقدة للغاية - من الأنظمة المغناطيسية إلى جزيئات البروتين.

ويختتم البروفيسور بيك باركاي قائلاً: "تكمن أهمية طريقتنا في بساطتها وسهولة الوصول إليها". "هذه أخبار حقيقية للباحثين في العديد من المجالات - من البيولوجيا والكيمياء إلى الفيزياء وعلوم المواد وتكنولوجيا النانو. لأول مرة، يستطيع أي باحث تحديد كمية الإنتروبيا للأنظمة المعقدة بسهولة وكفاءة، على جهاز الكمبيوتر الشخصي الخاص به وحتى على هاتفه المحمول. لقد تم الآن العثور على حل موثوق ومريح، مع العديد من التطبيقات المحتملة، للمشكلة التي شغلت أفضل العقول. على سبيل المثال، باستخدام الطريقة الجديدة، من الممكن تحديد البروتينات ذات الشكل غير الطبيعي المطوي الذي يسبب المرض؛ للتحقيق في عمليات التجميع الذاتي المتعلقة بإنتاج مواد مبتكرة؛ وتمكين فهم أفضل للعمليات الفيزيائية المعقدة التي هي في طليعة التكنولوجيا المستقبلية."

للمادة العلمية