Die Bedeutung von Informationsflüssen für aktive Materie

• Antragstellerin: Dr. Sarah Loos
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 498288081

Aktive Systeme, wie Bakterien, Roboter, Vögel oder Fußgänger, zeigen vom einzelnen Individuum bis zum Kollektiv eine faszinierende Dynamik, wie z. B. selbstorganisierte Schwarmbildung. Aufgrund der steten Energieumwandlung aus einer ‘Treibstoffquelle’ (z. B. ATP) in gerichtete Bewegung, sind solche Systeme immer fern vom thermodynamischen Gleichgewicht, was ihre theoretische Beschreibung sehr erschwert. Ein aktueller Forschungstrend ist die Untersuchung aktiver Systeme mittels der stochastischen Thermodynamik, insbesondere die Quantifizierung der Zeit-Symmetriebrechung einzelner Trajektorien durch die fluktuierende Entropieproduktion. Zentrale Forschungsfragen sind die Verknüpfung der Entropieproduktion mit der zugrundeliegenden Wärmeabfuhr und den 'thermodynamischen Kosten’ der ‘Aktivität’, sowie die Verknüpfung dieses Irreversibilitätsmaßes auf verschiedenen Abstraktionsebenen (“Coarse-grainings”). So wird gegenwärtig eine thermodynamische Beschreibung auf Ebene hydrodynamischer Feldgleichungen entwickelt. Neben der steten Energieumwandlung gibt es allerdings noch weitere wichtige Unterschiede zwischen aktiven und passiven Systemen, z. B. ihre Fähigkeit zur Wahrnehmung, Kommunikation, Erinnerung und Reaktion. Trotz der offensichtlichen Bedeutung dieser Fähigkeiten für individuelle und kollektive Dynamik, steht die Untersuchung von 'Informationsaustausch’ in aktiver Materie noch an ihren Anfängen. Mit diesem Antrag wollen wir das allgemeine Verständnis der Rolle von Informationsflüssen für aktive Systeme verbessern. Ein weiteres zentrales Ziel ist die Verknüpfung von Informationsflüssen mit thermodynamischen Gesetzen. Unsere Idee ist es hierzu die Theorie der “Informationsthermodynamik”, welche zuvor für Systeme, die unter dem Einfluss von “Feedback” (Rückkopplungskontrolle) stehen, entwickelt wurde, auf aktive Materie zu verallgemeinern. Diese Theorie hat gezeigt, dass die Gesamtentropieproduktion und die Wärmeabgabe von Systemen unter Feedback nur unter Berücksichtigung informationstheoretischer Größen miteinander verknüpft werden können, und zwar in Form verallgemeinerter zweiter Hauptsätze. Hier wollen wir analog dazu verallgemeinerte zweite Hautsätze für aktive Materie ableiten, welche den kontinuierlichen Informationsfluss zwischen Umgebung und aktivem Teilchen bzw. zwischen einzelnen Teilchen in einem Kollektiv enthalten. Dazu untersuchen wir ein Modell eines einzelnen aktiven Schwimmers, ein teilchenbasiertes Modell vieler wechselwirkender Schwimmer und ein hydrodynamisches Feldmodell eines kollektiven aktiven Systems. Anhand dieser Modelle wollen wir untersuchen, welche Art von Informationsflüssen auftreten, welche Richtung sie haben, und wir wollen demonstrierten, dass diese Grössen ein wichtiges Puzzleteil einer konsistenten thermodynamischen Beschreibung darstellen. Im Besonderen wollen wir den Zusammenhang zwischen “Schwarmbildung”, “Pattern formation”, lokaler Entopieproduktion und den auftretenden Informationsflüssen analysieren.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Michael E. Cates