Более точные часы добавят больше беспорядка во Вселенную
Чем точнее часы, тем больше энтропии они создают.
Энтропия - или беспорядок - создается каждый раз, когда тикают часы. Теперь ученые, работающие с крошечными часами, доказали простую взаимосвязь: чем точнее часы работают, тем больше энтропии они генерируют.
"Если вы хотите, чтобы ваши часы были более точными, вы должны заплатить за это", - сказала соавтор исследования Наталья Арес, физик из Оксфордского университета. "Каждый раз, когда мы измеряем время, мы увеличиваем энтропию Вселенной".
По мере продвижения во времени второй закон термодинамики гласит, что энтропия системы должна увеличиваться. Энтропия, известная как "стрела времени", является одной из немногих величин в физике, которая заставляет время двигаться в определенном направлении - от прошлого, где энтропия была низкой, в будущее, где она будет высокой.
Эта тенденция к беспорядку во Вселенной объясняет многие вещи, например, почему легче смешивать ингредиенты вместе, чем разделять их, или почему провода наушников так спутываются в карманах брюк. Именно из-за этого растущего беспорядка энтропия так тесно связана с нашим чувством времени. Знаменитая сцена из романа Курта Воннегута "Бойня № 5" демонстрирует, как по-разному энтропия заставляет одно направление времени смотреть в другое, играя вторую мировую войну в обратном порядке: пули высасываются из раненых; костры уменьшаются, собираются в бомбы, складываются аккуратными рядами и разделяются на сложные минералы; и перевернутая стрела времени устраняет беспорядок и опустошение войны.
Эта тесная связь между временем и энтропией очаровывала ученых на протяжении десятилетий. Машины, такие как часы, также производят энтропию в виде тепла, рассеиваемого в окружающую среду. Физикам удалось доказать, что крошечные квантовые часы - тип атомных часов, в которых используются атомы с лазерным охлаждением, прыгающие с очень регулярными интервалами, - создают тем больше беспорядка, чем точнее они измеряют время. Но до сих пор было очень трудно доказать, что более крупные и более сложные с механической точки зрения часы создают больше энтропии, чем точнее они становятся, даже если идея хорошо звучит в теории.
"Часы в некотором роде похожи на маленькие паровые машины - вам нужно добавить в них работу, чтобы измерить время", - сказал Арес, где "работа - это передача энергии, необходимая для того, чтобы заставить работать механические устройства, такие как часы.
Чтобы добиться этого постоянного тика, вы должны запустить машину. Это означает, что вам нужно инвестировать в производство энтропии". Чтобы проверить эту идею, исследователи построили упрощенные часы, состоящие из мембраны толщиной 50 нанометров и длиной 1,5 миллиметра, натянутой между двумя крошечными столбиками, которые они вибрировали импульсами электричества. Подсчитав каждое изгибание вверх и вниз как отметку, команда показала, что более мощные электрические сигналы заставляют часы тикать более регулярно и точно, но за счет добавления большего количества тепла - и, следовательно, большей энтропии в систему.
Наблюдение за этой взаимосвязью между энтропией и точностью в устройстве, намного превышающем квантовые часы, вселило в исследователей уверенность в том, что их результаты могут быть универсальными. Возможно, если бы часы не производили никакой энтропии, они с такой же вероятностью бежали бы назад, как и вперед, и чем больше энтропии они генерируют, тем больше они защищены от заиканий и обратных колебаний.
"Мы еще не знаем наверняка, но то, что мы обнаружили - как для наших часов, так и для квантовых часов, - это то, что существует пропорциональная связь между точностью и энтропией", - сказала Арес. "Это может не всегда быть линейной зависимостью для других часов, но похоже, что точность ограничена законами термодинамики".
Помимо того, что они будут полезны для разработки часов и других устройств в будущем, исследователи рассматривают свои открытия как основу для дальнейшего изучения того, как крупномасштабные законы термодинамики применимы к крошечным наноразмерным устройствам.
"Теперь у нас так много контроля над этими крошечными устройствами и мы можем измерять их с такой точностью, что мы заново открываем термодинамику в совершенно новом масштабе". - сказал Арес. "Это похоже на промышленную революцию в наномасштабе".