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时钟与熵：精确测量时间的代价

时钟精确的代价是什么？

最新研究显示：熵。

指针的每下跳动，都制造了熵——或无序。现在，科学家们用一个小小的时钟证明了这一点。时钟运行得越精确，它产生的熵就越多。

研究报告的共同作者、牛津大学的物理学家纳塔利娅·阿雷斯告诉《生活科学》："如果你想让时钟更精确，你就得为它付出代价。每次我们测量时间时，都在增加宇宙的熵。"

随着时间推移，热力学第二定律指出，一个系统的熵必增加。熵被称为 "时间之矢"，是物理学中为数不多的具有时间方向的量之一——从熵低的过去，到熵高的未来。

宇宙中这种无序增长的趋势解释了许多事情，例如为什么把成分混在一起比把它们分开更容易，或者为什么耳机线在裤子口袋里会错综复杂地纠缠在一起。也正是通过这种不断增长的无序性，熵与我们的时间感如此紧密地结合在一起。

库尔特·冯内古特(Kurt Vonnegut)的小说《五号屠场》(Slaughterhouse-Five)中有个著名场景，倒放 第二次世界大战，子弹从受伤的肢体上飞出，伤口愈合；爆炸物碎片坍缩聚集成炸弹，堆成整齐的一排；时间反转消除了战争的无序和破坏性。

时间和熵之间的这种密切联系几十年来一直吸引着科学家。机器，如时钟，也会产生熵，以热量的形式散布到其周围。

物理学家已经能够证明，微小的量子钟——经激光冷却，以高度规律的周期振动的原子——越精确就会产生越多的无序。

但是直到现在，要证明更大的、机械上更复杂的时钟越精确就会产生更多的熵是非常困难的，即使这个想法在理论上听起来很自然。

时钟在某种程度上就像小蒸汽机——你需要对它们做功才能测量时间。"阿雷斯说，这里的 功 是使像时钟这样的机械装置运行所需的能量转移。

"为了得到有规律滴答、滴答、滴答，你必须让机器运转。这意味着你需要投资于熵的产生。"

为了测试这个想法，研究人员制造了简化的时钟，由一个50纳米厚、1.5毫米长的膜组成，在两个小柱子之间伸展，电脉冲使其振动。

把振动频率当做计时器，研究人员表明，更强大的电信号使时钟的滴答更加规律和准确，但代价是给系统增加了更多的热量，因此也增加了熵。

在一个比量子钟大得多的设备中看到熵和准确性之间的关系，使研究人员相信他们的结论可能是普遍的。

也许，如果时钟不产生任何熵，它们的运动方向就会出现随机性，而它们产生的熵越多，就越能保护它们免受停顿和反向波动的影响。

"我们还不确定，但我们已经发现——对于我们的时钟和量子钟来说——准确性和熵之间存在着比例关系。"阿雷斯说，"对于其他时钟来说，它可能并不总是一种线性关系，但看起来应该由热力学定律约束准确性。"

研究人员认为他们的发现为进一步探索大尺度热力学定律如何应用于微小的纳米设备奠定了基础。

研究人员于5月6日在《物理评论X》杂志上发表了他们的发现。

https://www.sciencealert.com/more-accurate-clocks-unleash-more-disorder-in-the-universe-physicists-say

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