นาฬิกาที่แม่นยำราคาเท่าไหร่?เอนโทรปีการศึกษาใหม่ได้เปิดเผย
เอนโทรปี - หรือความผิดปกติ - ถูกสร้างขึ้นทุกครั้งที่นาฬิกาเห็บ ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานด้วยนาฬิกาเล็ก ๆ ได้พิสูจน์แล้วว่ามีความสัมพันธ์ที่เรียบง่าย: ยิ่งมีการทำงานของนาฬิกาที่แม่นยำยิ่งขึ้น
“ หากคุณต้องการให้นาฬิกาของคุณมีความแม่นยำมากขึ้นคุณต้องจ่ายเงินให้” Natalia Ares ผู้เขียนร่วมการศึกษานักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยอ๊อกซฟอร์ดบอกกับวิทยาศาสตร์การใช้ชีวิต “ ทุกครั้งที่เราวัดเวลาเราจะเพิ่มเอนโทรปีของจักรวาล”
ที่เกี่ยวข้อง:ฟิสิกส์ลึกลับของ 7 สิ่งทุกวัน
ในขณะที่เราก้าวไปข้างหน้าในเวลากฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเอนโทรปีของระบบจะต้องเพิ่มขึ้น เป็นที่รู้จักกันในนาม "ลูกศรแห่งเวลา" เอนโทรปีเป็นหนึ่งในปริมาณไม่กี่แห่งในฟิสิกส์ที่กำหนดเวลาให้ไปในทิศทางที่เฉพาะเจาะจง - จากอดีตที่เอนโทรปีต่ำไปสู่อนาคตซึ่งจะสูง
แนวโน้มนี้สำหรับความผิดปกติที่จะเติบโตในจักรวาลอธิบายหลายสิ่งหลายอย่างเช่นทำไมการผสมส่วนผสมเข้าด้วยกันง่ายกว่ากันหรือทำไมสายหูฟังจึงพันกันอย่างประณีตเข้าด้วยกันในกระเป๋ากางเกง นอกจากนี้ยังผ่านความผิดปกติที่เพิ่มขึ้นนี้ที่เอนโทรปีได้แต่งงานอย่างใกล้ชิดกับเวลาของเรา ฉากที่มีชื่อเสียงในนวนิยายเรื่อง "Slaughterhouse-Five" ของ Kurt Vonnegut แสดงให้เห็นว่าเอนโทรปีที่แตกต่างกันทำให้ทิศทางของเวลามองไปอีกทิศทางหนึ่งโดยการเล่นสงครามโลกครั้งที่สองในสิ่งที่ตรงกันข้าม: กระสุนถูกดูดจากผู้ชายที่บาดเจ็บ; ไฟจะหดตัวรวมกันเป็นระเบิดซ้อนกันเป็นแถวที่เรียบร้อยและแยกออกเป็นแร่ธาตุคอมโพสิต และลูกศรย้อนกลับของเวลาที่จะปลดปล่อยความผิดปกติและการทำลายล้างของสงคราม
การเชื่อมต่อที่ใกล้ชิดระหว่างเวลาและเอนโทรปีนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์หลงใหลมานานหลายทศวรรษ เครื่องจักรเช่นนาฬิกายังผลิตเอนโทรปีในรูปแบบของความร้อนที่กระจายไปยังสภาพแวดล้อม นักฟิสิกส์สามารถพิสูจน์ได้ว่านาฬิกาควอนตัมเล็ก ๆ - ประเภทหนึ่งนาฬิกาอะตอมที่ใช้อะตอมที่ระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ที่กระโดดในช่วงเวลาปกติ-สร้างความผิดปกติมากขึ้นเท่าไหร่ก็ยิ่งมีเวลาวัดเวลา แต่จนถึงตอนนี้มันยากมากที่จะพิสูจน์ว่านาฬิกาที่มีขนาดใหญ่กว่าและมีกลไกที่ซับซ้อนกว่านั้นสร้างเอนโทรปีได้มากขึ้นเท่าไหร่พวกเขาก็ยิ่งได้รับความแม่นยำมากขึ้นแม้ว่าความคิดจะฟังดูดีในทางทฤษฎี
“ นาฬิกาอยู่ในทางเดียวเช่นเครื่องยนต์ไอน้ำเล็ก ๆ - คุณต้องใช้งานลงไปในการวัดเวลา” อาเรสกล่าวว่า“ งานคือการถ่ายโอนพลังงานที่จำเป็นในการสร้างอุปกรณ์เครื่องจักรกลเช่นนาฬิกาทำงาน” เพื่อให้ได้เห็บปกติเห็บ นั่นหมายความว่าคุณต้องลงทุนในการผลิตเอนโทรปี "
ในการทดสอบความคิดนี้นักวิจัยได้สร้างนาฬิกาที่เรียบง่ายซึ่งประกอบด้วยเมมเบรนยาว 50 นนาโนเมตรที่ยาว 1.5 มม. ซึ่งทอดยาวระหว่างเสาเล็ก ๆ สองตัวที่พวกเขาสั่นสะเทือนด้วยกระแสไฟฟ้าพัลส์ ด้วยการนับการงอทุกครั้งขึ้น ๆ ลง ๆ เป็นเห็บทีมแสดงให้เห็นว่าสัญญาณไฟฟ้าที่ทรงพลังยิ่งขึ้นทำให้นาฬิกาเห็บเป็นประจำและแม่นยำมากขึ้น แต่ด้วยค่าใช้จ่ายในการเพิ่มความร้อนมากขึ้น
การเห็นความสัมพันธ์ระหว่างเอนโทรปีและความแม่นยำเกิดขึ้นในอุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่กว่านาฬิกาควอนตัมทำให้นักวิจัยมั่นใจว่าการค้นพบของพวกเขาอาจเป็นสากล บางทีถ้านาฬิกาไม่ได้สร้างเอนโทรปีใด ๆ พวกเขาจะมีแนวโน้มที่จะวิ่งไปข้างหลังขณะที่พวกเขาทำไปข้างหน้า
“ เรายังไม่ทราบแน่ชัด แต่สิ่งที่เราพบ - สำหรับนาฬิกาของเราและนาฬิกาควอนตัม - คือมีความสัมพันธ์สัดส่วนระหว่างความแม่นยำและเอนโทรปี” อาเรสกล่าว "มันอาจจะไม่ได้เป็นความสัมพันธ์เชิงเส้นสำหรับนาฬิกาอื่น ๆ เสมอไป แต่ดูเหมือนว่าความแม่นยำนั้นล้อมรอบด้วยกฎของอุณหพลศาสตร์"
นอกเหนือจากการมีประโยชน์สำหรับการออกแบบนาฬิกาและอุปกรณ์อื่น ๆ ในอนาคตนักวิจัยมองว่าการค้นพบของพวกเขาเป็นการวางรากฐานสำหรับการสำรวจเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการขนาดใหญ่กฎหมายอุณหพลศาสตร์นำไปใช้กับอุปกรณ์ nanosized ขนาดเล็ก -
"ตอนนี้เราสามารถควบคุมอุปกรณ์เล็ก ๆ เหล่านี้ได้อย่างมากและสามารถวัดได้อย่างแม่นยำมากจนเราค้นพบอุณหพลศาสตร์อีกครั้งในระดับใหม่อย่างสมบูรณ์" อาเรสกล่าว "มันเหมือนกับการปฏิวัติอุตสาหกรรมที่ระดับนาโน"
นักวิจัยตีพิมพ์ผลการวิจัยของพวกเขา 6 พฤษภาคมในวารสารรีวิวทางกายภาพ x-
เผยแพร่ครั้งแรกใน Live Science
