孤立系統的總熵持續在增加

在物理學當中,時間和熵有著非常密切的關係,熵亦被用於計算一個系統中的失序現象,也就是計算該系統混亂的程度,而孤立系統(例如宇宙)的總熵是持續在增加的,也正好在時間箭頭的方向上。

長期以來,人們一直懷疑這兩者有某種聯繫,儘管我們還沒有找到有力的證據,不過雖然我們還無法理解時間本身與熵的關係,但研究人員可能在時鐘方面幸運的研究到一點線索,他們推測似乎時鐘越是精確,它產生的熵就會越多。

熵被科學家稱為「時間的箭頭」

研究作者牛津大學物理學家納塔利婭·阿里斯(Natalia Ares)對Live Science表示:「如果您希望時鐘更精確,就必須為此付出代價,每次我們測量時間,都是在增加宇宙的熵。」

隨著時間的推移,熱力學第二定律指出系統的熵必須增加,熵普遍被科學家稱為「時間的箭頭」,是物理學中為特定時間設定時間的少數數量之一,即從過去的熵低的時間到將來的熵高的時間。

這也能在宇宙中混亂中的生長趨勢中解釋許多事,例如為什麼將各種成分混合在一起會比將它們分開更容易,甚至為什麼耳機線在褲子的口袋裡會複雜地纏在一起也能用熵來解釋,也正是通過這種不斷增長的無序,熵與我們的時間感緊密相連。

時鐘越是精確,付出的「代價」就越大

近日在一項新的實驗中,研究人員設計了一個可以調節精確度的時鐘,這個時鐘由一層50奈米厚的氮化矽薄膜組成,這層氮化矽薄膜懸浮在金屬電極上,因此懸浮的薄膜和電極之間形成了一個微小的空腔,一個連接到空腔的電路能測量薄膜的振動,並記錄每個振動週期的「滴答」。每次薄膜上下移動一次,再回到原來的位置時,就被計算為一次「滴答」,「滴答」之間的間隔規律性衡量了時鐘的精確度。

通過提高輸入信號中的能量(或「熱量」),研究人員就能增加振動的振幅,進而提對高對薄膜的測量精確度,他們發現,隨著時鐘精度的提高,系統產生的熱量隨之增加,通過擠壓附近的粒子,周圍環境的熵也有所增加。

也就是說,精確計時是有「代價」的,一個時鐘的最大精確度直接與它每次跳動時產生的熵有關,如果一個時鐘越是精確,付出的「代價」也就越大,而付出的代價就是需要向時鐘注入更多的能量,然後這些能量再轉化為熵。

研究人員通過測量電路中損失的熱量來估算的熵值與精確度之間的關係,得出了與在量子時鐘研究中相一致的行為——時鐘的精度和熵之間存在著一定的線性關係。

圖片來源:iflscience

資料來源:Dr Alfredo Carpineti(2021,APR 30).The Better The Clock The More Entropy It Might Generate. Iflscience 

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