Κάθε φορά που μετράμε το χρόνο, αυξάνεται η αταξία στο σύμπαν

Ποιο είναι το πρόβλημα ενός ρολογιού ακριβείας; Η εντροπία, ισχυρίζεται νέα μελέτη.

Τι είναι όμως η εντροπία; Πρόκειται κατ’ αρχήν μια έννοια της Φυσικής και αφορά ένα κλειστό σύνολο φυσικών αντικειμένων του μικρόκοσμου. Αυτή ορίζεται ως ένα μέτρο της αταξίας που επικρατεί σε αυτό το κλειστό σύστημα.

Η εντροπία γενικά αυξάνεται με κάθε χτύπο του ρολογιού οπότε είναι φυσικό μια συσκευή χρονομέτρησης να αυξάνει την εντροπία καθώς λειτουργεί. Μια νέα μελέτη έδειξε ότι και ένα απλό κλασικό ρολόι δημιουργεί περισσότερη εντροπία καθώς αυξάνεται η ακρίβειά του.

«Αν θέλετε το ρολόι σας να γίνει πιο ακριβές, θα πρέπει να πληρώσετε το κόστος», δήλωσε η συν-συγγραφέας της μελέτης, Ναταλία Άρες, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. «Κάθε φορά που μετράμε το χρόνο, αυξάνεται η εντροπία του σύμπαντος».

Καθώς προχωράμε στο χρόνο, σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, η εντροπία ενός συστήματος πρέπει να αυξηθεί. Γνωστή ως «θερμοδυναμικό βέλος του χρόνου», η εντροπία είναι μία μη μεταβαλλόμενη ποσότητα που ωθεί τον χρόνο προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση – από το παρελθόν, όπου η εντροπία ήταν χαμηλή, στο μέλλον, όπου θα είναι υψηλή. Γι’ αυτό και ο χρόνος δεν είναι αντιστρέψιμος.

Αυτή η τάση για αταξία στο σύμπαν μπορεί να εξηγήσει πολλά πράγματα, όπως το γιατί είναι πιο εύκολο να αναμείξουμε συστατικά παρά να τα διαχωρίσουμε, ή γιατί τα καλώδια των ακουστικών μπλέκονται τόσο μεταξύ τους.

Η εντροπία όμως συνδέεται και με την αίσθηση του χρόνου. Αυτή η στενή σχέση μεταξύ χρόνου και εντροπίας απασχολεί τους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες. Μηχανήματα, όπως τα ρολόγια, παράγουν επίσης εντροπία με τη μορφή θερμότητας που διαχέεται στο περιβάλλον τους. Οι φυσικοί είχαν αποδείξει ότι ένα μικρό κβαντικό ρολόι – ένας τύπος ατομικού ρολογιού – δημιουργεί περισσότερη εντροπία όσο πιο ακριβές είναι. Αλλά μέχρι τώρα, ήταν πολύ δύσκολο να αποδειχθεί ότι και τα μεγαλύτερα, πιο μηχανικά σύνθετα ρολόγια δημιουργούν περισσότερη εντροπία όσο πιο ακριβή γίνονται.

«Τα ρολόγια μοιάζουν λίγο με ατμομηχανές και θα πρέπει να δουλέψετε αρκετά για να μετρήσετε το χρόνο», εξηγεί η Άρες, αναφερόμενη στη μεταφορά ενέργειας που απαιτείται για μηχανικές συσκευές όπως τα ρολόγια. Για να έχετε τον χτύπο του ρολογιού, θα πρέπει να βάλετε σε κίνηση το μηχάνημα. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να επενδύσετε στην παραγωγή εντροπίας».

Για να δοκιμάσουν αυτήν την ιδέα, οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα πολύ απλό ρολόι αποτελούμενο από μια πολύ λεπτή μεμβράνη πάχους 50 νανομέτρων και μήκους 1,5 χιλιοστών, που ήταν ενσωματωμένη σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα. Κάθε ταλάντωση της μεμβράνης παρήγαγε ένα ηλεκτρικό παλμό (τικ).

Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι όσο περισσότερη θερμότητα παρείχαν, τόσο πιο ακριβές ήταν το ρολόι. Στην πραγματικότητα, η ακρίβεια ήταν ευθέως ανάλογη της θερμότητας που απελευθερωνόταν. Για να κάνουν το ρολόι δύο φορές ακριβέστερο, χρειαζόταν διπλάσια παροχή θερμότητας.

Βλέποντας αυτή τη σχέση μεταξύ εντροπίας και ακρίβειας σε μια συσκευή πολύ μεγαλύτερη από ένα κβαντικό ρολόι, έπεισε τους ερευνητές ότι τα ευρήματά τους θα μπορούσαν να είναι καθολικά.

«Δεν γνωρίζουμε ακόμη με βεβαιότητα, αλλά αυτό που βρήκαμε – τόσο για το ρολόι μας όσο και για τα κβαντικά ρολόγια – είναι ότι υπάρχει μια αναλογική σχέση μεταξύ ακρίβειας και εντροπίας», δήλωσε η Άρες. «Μπορεί να μην είναι πάντα γραμμική η σχέση στα άλλα ρολόγια, αλλά φαίνεται ότι η ακρίβεια περιορίζεται από τους νόμους της θερμοδυναμικής».

Εκτός από το ότι είναι χρήσιμο για το σχεδιασμό ρολογιών και άλλων συσκευών στο μέλλον, οι ερευνητές θεωρούν ότι τα ευρήματά τους δίνουν τη δυνατότητα για περαιτέρω διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο οι νόμοι θερμοδυναμικής μεγάλης κλίμακας, εφαρμόζονται σε μικροσκοπικές νανοσωματωμένες συσκευές.

«Τώρα που μπορούμε να ελέγξουμε αυτές τις μικροσκοπικές συσκευές και να τις μετρήσουμε με τόσο μεγάλη ακρίβεια, ανακαλύπτουμε ξανά τη θερμοδυναμική σε μια εντελώς νέα κλίμακα», είπε η Άρες. «Είναι κάτι σαν τη βιομηχανική επανάσταση στη νανοκλίμακα».

Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στις 6 Μαΐου στο περιοδικό «Physical Review X».

ΠΗΓΗ: Live Science