Dokładność zegara może być powiązana z tworzoną przez niego entropią

Dzisiejsze najbardziej zaawansowane zegary odmierzają czas w niewiarygodnie precyzyjnym rytmie. Ale nowy eksperyment sugeruje, że precyzja zegarów ma swoją cenę: entropię.

Entropia, czyli nieporządek, jest tworzona za każdym razem, gdy zegar tyka. Teraz naukowcy zmierzyli entropię generowaną przez zegar, który może działać z różnymi poziomami dokładności. Im dokładniejsze tykanie zegara, tym więcej entropii emitował – donoszą fizycy w pracy zaakceptowanej w Physical Review X.

„Jeśli chcesz mieć lepszy zegar, musisz za niego zapłacić” – mówi fizyk Natalia Ares z Uniwersytetu Oksfordzkiego.

Czas i entropia to ściśle powiązane pojęcia. Entropia jest znana jako „strzałka czasu”, ponieważ entropia ma tendencję do wzrostu wraz z upływem czasu – wszechświat wydaje się konsekwentnie przesuwać od niższej entropii do wyższej entropii. Ten marsz w kierunku zwiększania entropii wyjaśnia, dlaczego niektóre procesy mogą przebiegać w czasie do przodu, ale nie w odwrotnej kolejności: łatwo jest zmieszać śmietanę z kawą, ale niezwykle trudno jest ją ponownie rozdzielić. Maszyny zwiększają również nieporządek podczas pracy, na przykład wydzielając ciepło, które zwiększa entropię otoczenia. Oznacza to, że nawet standardowy, zasilany bateriami zegar wytwarza entropię w trakcie tykania.

Fizycy obliczyli wcześniej, że w przypadku małych zegarów kwantowych istnieje bezpośredni związek między maksymalną możliwą dokładnością ich tyknięć a wielkością emitowanej entropii. Ale większe zegary są zbyt skomplikowane do takich obliczeń. Nie było więc jasne, czy taka zasada obowiązuje również dla innych typów zegarów.

Aby sprawdzić, ile entropii zostało uwolnione podczas tykania uproszczonego zegara, Ares i współpracownicy wykonali zegar z cienkiej membrany o grubości kilkudziesięciu nanometrów i długości 1,5 milimetra, zawieszonym na dwóch słupkach. Sygnał elektryczny wysłany do zegara wstrząsnął membraną, powodując jej zginanie w górę i w dół. Ten ruch zginania powtarzał się w regularnych odstępach czasu, jak jednostajne tykanie zegara, a antena zarejestrowała ten ruch. Im mocniejszy był sygnał elektryczny, tym dokładniej tykał zegar. Wraz ze wzrostem dokładności zegara, entropia – wynikająca z ciepła wytwarzanego w obwodzie anteny – rosła wraz ze zmianą położenia.

Wynik ten sugeruje, że teoretyczna zależność dla zegarów kwantowych ma również zastosowanie do innych typów zegarów. „Miło to mieć” – mówi fizyk Juan Parrondo z Uniwersytetu Complutense w Madrycie, który nie brał udziału w badaniu. „Nie jestem do końca pewien, jak uniwersalny jest ten typ relacji, który oni znajdują”. Naukowcy zbadali tylko jedną odmianę zegarów. Nie jest jeszcze jasne, czy związek między dokładnością a entropią odnosi się do zegarów bardziej ogólnie, mówi Parrondo.

Ale niektórzy naukowcy podejrzewają, że związek może być uniwersalny, ujawniając fundamentalny aspekt funkcjonowania zegarów. Nowe badanie „popchnęłoby nas jeszcze bardziej w tym kierunku” – mówi fizyk kwantowy Ralph Silva z ETH Zurich, który nie brał udziału w badaniach. „Jest to argument przemawiający za tym, że prawdopodobnie dotyczy to wszystkich zegarów. Ale to nie zostało udowodnione.”

Aby zegar działał niezawodnie, musi przejść proces, który ma preferowany kierunek w czasie. Gdyby zegar nie tworzył entropii, to równie prawdopodobne byłoby, że będzie bił do przodu jak i do tyłu. Im większą entropię tworzy zegar, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo, że mechanizm zegarowy będzie cierpieć z powodu fluktuacji – tymczasowych kroków wstecz, które pogorszyłyby jego dokładność.

Jeśli więc dokładność wszystkich zegarów rzeczywiście wiąże się ze zwiększoną entropią, ten kompromis może odzwierciedlać ścisły związek między upływem czasu a jego pomiarem.

Źródło: Emily Conover

Zdjęcie: PIXABAY
Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x