Mokslo ir technologijų pasaulis

Tiksliausi laikrodžiai sukelia daugiausiai betvarkės. Kaip tai gali būti?

Tikslus laiko matavimas turi savo kainą. Maksimalus laikrodžio tikslumas yra tiesiogiai susijęs su betvarkės, kitaip – entropijos, kiekiu sukuriamu sulig kiekvienu sutiksėjimu.

Natalia Ares su kolegomis iš Oxfordo universiteto šį atradimą padarė, naudodami mažą, kontroliuojamo tikslumo laikrodį. Šiame laikrodyje elektros srove buvo virpinama 50 nanometrų storio silicio nitrido membrana. Tyrėjai vieną sutiksėjimą skaičiuodavo, membranai pakilus, nusileidus ir sugrįžus į pradinę padėtį. Tarpų tarp sutiksėjimų reguliarumas žymėjo laiko tikslumą.

Jie išsiaiškino, kad didinant laikrodžio tikslumą, sistema išskirdavo daugiau šilumos ir taip sujudindama gretimas daleles, padidindavo aplinkos entropiją. „Jei laikrodis yra tikslesnis, reikia už tai kažkaip sumokėti,“ sako Ares.

Šiuo atveju tenka mokėti, teikiant laikrodžiui daugiau tvarkingos energijos, kurią šis konvertuoja į entropiją. „Matuodami laiką, didiname visatos entropiją,” sako Ares. Kuo visatoje daugiau entropijos, tuo jos žūtis greitesnė. „Gal turėtume nustoti matuoti laiką.“ Tačiau papildomos entropijos mastas toks mažas, kad neverta jaudintis, sako ji.

Entropijos didėjimas skaičiuojant laiką gali būti susijęs su „laiko strėle“, sako tyrimo komandos narys Marcus Huber iš Austrijos mokslų akademijos Vienoje. Buvo iškelta mintis, kad laikas teka tik priekį, o ne atgal, nes bendras entropijos kiekis visatoje nuolat didėja, kuriantis netvarkai, kurios neįmanoma vėl sutvarkyti.

Tyrėjų atrastas ryšys yra laikrodžių tikslumo riba, tad, tai nereiškia, kad didžiausią įmanomą entropiją kuriantis laikrodis būtų tiksliausias – todėl didelis neefektyvus senelio laikrodis nėra tikslesnis už atominį laikrodį. „Tai truputį primena automobilio kuro naudojimą – vien todėl, kad automobilis sunaudoja daugiau degalų, nereiškia, kad juo važiuojama greičiau ar toliau,“ sako Huberas.

Kuomet tyrėjai palygino savo rezultatus su kvantiniais efektais paremtiems laikrodžiams sukurtais teoriniais modeliais, nustebo pamatę, kad abiejų tyrėjų grupių nustatytas ryšys tarp tikslumo ir entropijos buvo toks pats. „Manau, tai rodo termodinamikos dėsnių pritaikymo laikrodžiams universalumą,“ sako Ares.

Tačiau dar negalime būti tikri, ar šie rezultatai išties universalūs, nes yra daug laikrodžių tipų, su kuriais tikslumo ir entropijos ryšys dar nebuvo patikrintas. „Dar neaišku, kaip šis principas veikia su realiais prietaisais, kaip atominiai laikrodžiai, praplečiančiais kvantines tikslumo ribas,“ pažymi Mark Mitchison iš Trinity koledžo Dubline, Airijoje.

Šio sąryšio supratimas galėtų padėti kuriant laikrodžius ateityje, ypač – naudojamus kvantiniuose kompiuteriuose ir kituose prietaisuose, kur gyvybiškai svarbu tiek laiko tikslumas, tiek temperatūra, sako Ares.

Šis atradimas taip pat gali padėti platesniu mastu suprasti kvantinio ir klasikinio pasaulio panašumus ir skirtumus termodinamikos ir laiko tėkmės požiūriu.

Leah Crane
www.newscientist.com

Žurnalo nuoroda: Physical Review X, DOI: 10.1103/PhysRevX.11.021029