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【為什麼我們要挑選這篇文章】熵是熱力學第二定律的重要概念,表達系統的亂度。根據熱力學第二定律,在一個封閉的系統中,熵值只會增加不會降低。從此定律衍伸,若整個宇宙是個封閉的系統,則宇宙的熵值會不斷增加,等到了極限之後,就是「熱寂」,是學界認知的世界毀滅。

近日牛津大學發現,時鐘的準確度愈高,產生的熵愈多,兩者之間是線性關係。從學術層面來講,這個發現對量子電腦有重要啟示;但從搞笑層面來講,如果下次不小心遲到,或許就可以用「我剛剛對延緩宇宙毀滅做出貢獻」來搪塞呢!(責任編輯:郭家宏)

本文經 AI 新媒體量子位(公眾號 ID:QbitAI)授權轉載,轉載請連繫出處
作者:量子位

準確測量時間是有代價的。

鐘錶作為一種機器,像其他所有機器一樣都要遵守熱力學定律。

牛津大學的最新研究顯示,時鐘越準確,產生的熵越高 ,而且它們之間是線性關係。

這個結論一發佈,網友紛紛 tag 做時鐘的科學家和鐘錶生產商,開玩笑說快來人阻止他們。

還有人從中得到啟示:「我感覺宇宙透過這個規律鼓勵我們活在當下,不要去管未來。」

有人說下次再遲到的時候,就可以這樣找理由:

我剛剛對延緩宇宙熱寂做出了一點貢獻。

這讓人想到科幻作家 Ted Chiang 的短篇小說《呼吸——宇宙的毀滅》。

小說中描繪了一種透過空氣流動驅動大腦的機械生命。高壓空氣是他們的生命之源,需要從地下採集,然後儲存在「肺」裡。

然而隨著文明的發展,不斷消耗並排放空氣,地上的氣壓也逐漸升高。

氣壓差的減少導致流過他們大腦的空氣速度變慢,在他們的感覺裡就是時間變慢了。

只要他們活著就要「呼出空氣」,最終使世界達到氣壓平衡,也就是他們的末日。

現實到不至於這麼誇張,參與研究的 Natalie Ares 表示,精確計時產生的額外熵很少,不會對宇宙產生太大影響。

畢竟他們用的時鐘只是一個奈米級裝置。

科學家做了準度可調整的時鐘,但精度愈高熵也愈高

實驗用的時鐘,是由一個懸浮在金屬電極上的 50 奈米厚的氮化矽膜,和一個用於測量薄膜振動的電路組成。

這相當於一個微型太陽能電池,通過給薄膜加熱造成的振動就可以產生電流。

同時,薄膜每次振動都會留下電信號,測量電信號之間的間隔就相當於計時,而間隔的穩定性就代表時鐘的準確性了。

實驗結果表明,提供的熱量越多,時鐘的運行就越精確,而且成正比。

而更多的熱量導致系統更大的熱耗散,從而增加了熵。

論文的附錄部分對熵的計算方法做了補充說明。

熵值增加,時鐘的精度也會受限

時間為什麼只能前進不能後退?我們為什麼只能記得過去而不是將來?

天文學家愛丁頓用熱力學中的熵增定律來解釋這一問題,並命名為「時間之矢」。

在熱力學中,孤立系統的熵不會減少,熵增的過程是不可逆的。時間也像箭矢一樣向著一個方向,不會回頭。

本次研究表明,時鐘系統運行不僅導致熵的增加,而熵的增加又限制了時鐘的精度。有助於幫助科學家進一步了解時間之矢。

熵限制了時鐘的最大可能精度,但這不意味著創造最多熵的時鐘就會擁有最高精度。

研究人員 Marcus Huber 解釋到:

這有點像汽車使用燃料,使用更多的燃料並不意味著能開的更遠,還要考慮發動機效率。

另外研究人員還不能確定的是,其他種類的時鐘,如現在最精準的原子鐘和光晶格鐘,是否也存在熵與精度的這種關係。

研究人員 Natalie Ares 認為:

了解這種關係可能有助於在未來時鐘設計,特別是那些用於量子電腦和其他設備中的。在這些設備裡,精度和溫度都是至關重要的。

除此之外,本次研究還在展示了奈米設備如何將隨機輸入的能量轉變成有用的功。

本研究來自牛津大學材料系 Natalia Ares 課題組,以及蘭徹斯特大學、維也納技術大學、量子光學與量子資訊研究所(IQOQI)。

第一作者是牛津大學博士生 Anna Pearson,研究方向是低溫腔體光力學在基礎物理學測試中的應用。

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參考資料

APS Physics》、《New Scientist》、普利高津《確定性的終結》

(本文經 AI 新媒體量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為〈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〉。首圖來源:flickr CC Licensed

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