Precizia unui ceas poate fi legată de entropia pe care o creează

Cele mai avansate ceasuri de astăzi țin timpul cu un ritm incredibil de precis. Dar un nou experiment sugerează că precizia ceasurilor are un preț: entropia.

Entropia, sau dezordinea, este creată de fiecare dată când ticăie un ceas. Acum, oamenii de știință au măsurat entropia generată de un ceas care poate fi rulat la diferite niveluri de precizie. Cu cât ticăiturile ceasului sunt mai precise, cu atât a emis mai multă entropie, spun fizicienii într-o lucrare acceptată de Analiza fizică X.

„Dacă vrei un ceas mai bun, trebuie să plătești pentru el”, spune fizicianul Natalia Ares de la Universitatea din Oxford.

Timpul și entropia sunt concepte strâns legate între ele. Entropia este cunoscută sub denumirea de „săgeata timpului”, deoarece entropia tinde să crească pe măsură ce trece timpul – universul pare să se miște constant de la entropia inferioară la entropia superioară (SN: 7/10/15). Acest marș către creșterea entropiei explică de ce unele procese pot continua în timp, dar nu invers: este ușor să amesteci smântâna cu cafea, dar extrem de dificil să o separăm din nou. Mașinile cresc, de asemenea, dezordinea pe măsură ce funcționează, de exemplu, degajând căldură care mărește entropia mediului înconjurător. Asta înseamnă că chiar și un ceas standard, alimentat cu baterie, produce entropie pe măsură ce ticăie.

Fizicienii calculaseră anterior că, pentru ceasurile cuantice minuscule, există o relație directă între precizia maximă posibilă a căpușelor lor și cantitatea de entropie emisă. Dar ceasurile mai mari sunt prea complexe pentru astfel de calcule. Deci nu era clar dacă o astfel de regulă era valabilă și pentru alte tipuri de ceasuri.

Pentru a testa cât de multă entropie a fost eliberată în ticăitul unui ceas simplificat, Ares și colegii au realizat un ceas dintr-o membrană subțire, grosime de zeci de nanometri și lungă de 1,5 milimetri, suspendată pe doi stâlpi. Un semnal electric trimis în ceas a împins membrana, făcând-o să se flexeze în sus și în jos. Această mișcare de îndoire s-a repetat la intervale regulate, ca ticăiturile constante ale unui ceas, iar o antenă a înregistrat acea mișcare. Cu cât semnalul electric era mai puternic, cu atât ceasul bătea mai precis. Și pe măsură ce precizia ceasului a crescut, entropia – un rezultat al căldurii produse în circuitul antenei – a crescut în pas.

Acest rezultat sugerează că relația teoretică pentru ceasurile cuantice se aplică și altor tipuri de ceasuri. „Este plăcut să am asta”, spune fizicianul Juan Parrondo de la Universitatea Complutense din Madrid, care nu a fost implicat în studiu. „Ceea ce nu sunt atât de sigur este cât de universal este acest tip de relație pe care o găsesc.” Cercetătorii au studiat doar o singură varietate de ceas. Nu este încă clar dacă relația dintre precizie și entropie se aplică ceasurilor în general, spune Parrondo.

Dar unii oameni de știință bănuiesc că relația poate fi universală, dezvăluind un aspect fundamental al modului în care funcționează ceasurile. Noul studiu „ne-ar împinge și mai mult în această direcție”, spune fizicianul cuantic Ralph Silva de la ETH Zurich, care nu a fost implicat în cercetare. „Este un punct de date în favoarea faptului că este probabil cazul pentru toate ceasurile. Dar asta nu a fost dovedit.”

Pentru ca un ceas să funcționeze fiabil, trebuie să treacă printr-un proces care are o direcție preferată în timp. Dacă ceasul nu ar crea entropie, ar fi la fel de probabil să alerge înainte ca înapoi. Și cu cât ceasul creează mai multă entropie, cu atât este mai puțin probabil ca mecanismul de ceas să sufere din cauza fluctuațiilor – pași temporari înapoi care i-ar degrada acuratețea.

Deci, dacă acuratețea tuturor ceasurilor are un cost al entropiei crescute, acel compromis poate reflecta o legătură strânsă între trecerea timpului și măsurarea acestuia.