下次迟到的借口有了！牛津大学发现时钟越准确，产生的熵越高

Posted 2021-07-15 QbitAl

梦晨 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

准确测量时间是有代价的。

钟表作为一种机器，像其他所有机器一样都要遵守热力学定律。

牛津大学的最新研究显示，时钟越准确，产生的熵越高 ，而且它们之间是线性关系。

这个结论一发布，网友纷纷@做时钟的科学家和钟表生产商，开玩笑说快来人阻止他们。

还有人从中得到启示：“我感觉宇宙通过这个规律鼓励我们活在当下，不要去管未来”。

有人说下次再迟到的时候，就可以这样找理由：

我刚刚对延缓宇宙热寂做出了一点贡献。

这让人想到科幻作家特德・姜的短篇小说《呼吸——宇宙的毁灭》。

小说中描绘了一种通过空气流动驱动大脑的机械生命。高压空气是他们的生命之源，需要从地下采集，然后储存在“肺”里。

然而随着文明的发展，不断消耗并排放空气，地上的气压也逐渐升高。

气压差的减少导致流过他们大脑的空气速度变慢，在他们的感觉里就是时间变慢了。

只要他们活着就要“呼出空气”，最终使世界达到气压平衡，也就是他们的末日。

现实到不至于这么夸张，参与研究的Natalie Ares表示精确计时产生的额外熵很少，不会对宇宙产生太大影响。

毕竟他们用的时钟只是一个纳米级装置。

可调精度时钟

实验用的时钟由一个悬浮在金属电极上的50纳米厚的氮化硅膜，和一个用于测量薄膜振动的电路组成。

这相当于一个微型太阳能电池，通过给薄膜加热造成的振动就可以产生电流。

同时，薄膜每次振动都会留下电信号，测量电信号之间的间隔就相当于计时，而间隔的稳定性就代表时钟的准确性了。

实验结果表明，提供的热量越多，时钟的运行就越精确，而且成正比。

而更多的热量导致系统更大的热耗散，从而增加了熵。

论文的附录部分对熵的计算方法做了补充说明。

熵与时间之矢

时间为什么只能前进不能后退？我们为什么只能记得过去而不是将来？

天文学家爱丁顿用热力学中的熵增定律来解释这一问题，并命名为“时间之矢”。

在热力学中，孤立系统的熵不会减少，熵增的过程是不可逆的。时间也像箭矢一样向着一个方向，不会回头。

本次研究表明，时钟系统运行不仅导致熵的增加，而熵的增加又限制了时钟的精度。有助于帮助科学家进一步了解时间之矢。

熵限制了时钟的最大可能精度，但这不意味着创造最多熵的时钟就会拥有最高精度。

研究人员Marcus Huber解释到：

这有点像汽车使用燃料，使用更多的燃料并不意味着能开的更远，还要考虑发动机效率。

另外研究人员还不能确定的是，其他种类的时钟，如现在最精准的原子钟和光晶格钟，是否也存在熵与精度的这种关系。

研究人员Natalie Ares认为：

了解这种关系可能有助于在未来时钟设计，特别是那些用于量子计算机和其他设备中的。在这些设备里，精度和温度都是至关重要的。

除此之外，本次研究还在展示了纳米设备如何将随机输入的能量转变成有用的功。

作者团队

本研究来自牛津大学材料系Natalia Ares课题组，以及兰开斯特大学、维也纳技术大学、量子光学与量子信息研究所（IQOQI）。

第一作者是牛津大学博士生Anna Pearson，研究方向是低温腔体光力学在基础物理学测试中的应用。

论文地址：
https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029

参考链接：
[1]https://physics.aps.org/articles/v14/s54
[2]https://www.newscientist.com/article/2277050-measuring-time-accurately-increases-the-entropy-in-the-universe/
[3]普利高津《确定性的终结》