ساعت‌هایی که زمان را با دقت بیشتری نشان می‌دهند، انرژی بیشتری مصرف می‌کنند – تحقیقات جدید
ساعت‌ها زندگی ما را فرا گرفته‌اند، از ساعت‌های سلولی درون بدن ما گرفته تا ساعت‌های اتمی که زیربنای ناوبری ماهواره‌ای هستند.
این ساعت‌های اتمی می‌توانند زمان را با دقت یک ثانیه در میلیاردها سال اندازه‌گیری کنند. اما ممکن است برای این دقت بهایی در قالب انرژی پرداخت شود.
آزمایش جدید ما نشان داد ساعت‌هایی که زمان را با دقت بیشتری اندازه‌گیری می‌کنند، انرژی بیشتری نسبت به همتایان با دقت کمتر مصرف می‌کنند. این نشان می‌دهد که طبیعت هزینه‌های اساسی انرژی را برای نگه‌داشتن زمان تحمیل می‌کند، و ممکن است به این معنا باشد که محدودیتی برای دقیق ساختن ساعت‌ها وجود دارد.
شاخه ای از علم که انرژی مورد نیاز برای فرآیندهای فیزیکی مختلف را مطالعه می کند، ترمودینامیک نام دارد. قوانین آن اجتناب‌ناپذیر هستند و همه ماشین‌های ما از جمله نیروگاه‌ها، کامپیوترها و موتورها توسط آنها محدود شده‌اند.
یک اصل کلیدی ترمودینامیک این است که انرژی همیشه در نهایت از اجسام گرم به اجسام سرد جریان می یابد. اگر جریان را در یک مکان معکوس کنیم، مثلاً در یخچال، باید هزینه آن را در جای دیگری، مثلاً در یک نیروگاه، پرداخت کنیم.
نتیجه این امر این است که همه چیز در جهان در نهایت به همان دما می رسد. در این مرحله زندگی، که بر جریان انرژی متکی است، غیرممکن خواهد شد. این سناریوی تلخ – که در آینده‌ای دور نهفته است، اگر جهان تا این حد ادامه داشته باشد – به عنوان مرگ گرمایی شناخته می‌شود.
تکامل یک طرفه که توسط قوانین ترمودینامیک هدایت می شود، که اغلب پیکان زمان نامیده می شود، عمیقاً آنچه را که فناوری می تواند و نمی تواند انجام دهد محدود می کند. به عنوان مثال، حداکثر انرژی مفیدی وجود دارد که می توان با سوزاندن مقدار معینی سوخت در یک دمای معین استخراج کرد. هیچ موتوری هرگز کارآمدتر از این نخواهد بود. ترمودینامیک همچنین قیمتی را برای بازنویسی اطلاعات تحمیل می کند و کارایی هر حافظه رایانه ممکنی را محدود می کند.
زمان مطالعه
ممکن است ماشین‌های ترمودینامیکی دیگری به این شکل محدود شوند. برخی نکات جالب نشان می دهد که ساعت ها نمونه سوم هستند.
شبیه‌سازی‌های ساعت‌های درون باکتری‌ها و آخرین ساعت‌های کوانتومی نشان می‌دهند که، حتی با وجود اینکه درون آنها کاملاً متفاوت است، هر دوی آنها باید برای ایجاد جریان یکسان از گرم به سرد، انرژی داشته باشند. این هزینه ای است که آنها باید برای نگه داشتن زمان بپردازند و تئوری ترمودینامیکی ساعت ها پیش بینی می کند که وقتی دقت ساعت بهبود می یابد باید افزایش یابد.
برای اینکه بفهمیم آیا چنین محدودیتی در مورد ساعت‌های واقعی صدق می‌کند، ما و همکارانمان، از جمله آنا پیرسون، کاندیدای دکترا، یک ساعت بسیار ساده بر اساس ساعت آونگی ساختیم که در آن جریان انرژی قابل اندازه‌گیری و کنترل است.
بیشتر بخوانید: بزرگترین ساعت های جهان
“آونگ” ما – شاید به طور دقیق تر به عنوان یک درام توصیف شود – یک غشای معلق بود، فقط 50 نانومتر (میلیاردم متر) ضخامت، که با فرکانس تعیین شده می لرزید. هر ارتعاش با یک تیک ساعت مطابقت داشت. ما می‌توانیم قدرت این ارتعاشات را با تامین انرژی به غشاء به صورت کنترل‌شده افزایش دهیم. تعیین دقت ساعت به اندازه گیری منظم تیک ها تبدیل شد که ما با استفاده از یک مدار الکتریکی انجام دادیم.
درست مانند هر موتور دیگری، ساعت باید بخشی از انرژی تامین شده به آن را به عنوان گرما آزاد کند. در طراحی ما، این گرما به سیگنال مدار الکتریکی کمک می کند. ما می‌توانیم هم دقت ساعت و هم قیمت را بر حسب گرمای آزاد شده اندازه‌گیری کنیم.
نظریه ترمودینامیکی ساعت ها دو پیش بینی در مورد آزمایش ما انجام داد. اول، هرچه انرژی بیشتری تامین کنیم، ساعت باید با دقت بیشتری کار کند. دوم اینکه مقدار گرمای آزاد شده توسط ساعت باید متناسب با دقت آن افزایش یابد.
هر دوی این پیش بینی ها به حقیقت پیوست. علاوه بر این، پس از در نظر گرفتن نویز الکتریکی در آزمایش، نسبت بین دقت و گرمای آزاد شده نزدیک به مقداری بود که تئوری پیش‌بینی می‌کند.
هزینه اندازه گیری زمان
نتایج ما نشان می‌دهد که در واقع قیمتی برای اندازه‌گیری دقیق زمان وجود دارد، حداقل برای این ساعت ساده. جالب است که نظریه ما مصرف انرژی ساعت های پیچیده تر را در زندگی روزمره به طور کاملاً دقیق پیش بینی می کند. به عنوان مثال، می گوید که یک ساعت مچی باید حداقل یک میکرووات (میلیونم وات) انرژی مصرف کند – که در واقع کمی کمتر از مصرف واقعی است.
بنابراین آیا تلاش‌های انسان‌ها برای اندازه‌گیری زمان به طور اجتناب‌ناپذیری سفر جهان به سوی مرگ گرمایی را تسریع می‌کند؟ به دو دلیل نیازی نیست نگران باشیم.
اول، برخی از ساعت‌ها، به‌ویژه دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی، بسیار کارآمدتر از آن چیزی هستند که تئوری ما پیش‌بینی می‌کند. این نشان می‌دهد که محدودیت ترمودینامیکی که ما پیدا کرده‌ایم به یک شکل برای همه ساعت‌ها اعمال نمی‌شود، به این معنی که ما هنوز درک جامعی از زمان‌سنجی نداریم.
مهمتر از آن، انرژی تلف شده توسط ساعت ها در مقیاس جهانی ناچیز است. مرگ گرمایی کیهان ممکن است در نهایت اتفاق بیفتد – اما علت آن نه در خود ما، بلکه در ستارگان خواهد بود.
ترجمه : علیرضا شادکام
منبع :https://theconversation.com/