Какова цена повышенной точности? Повышенная энтропия, или хаос, - говорят ученые, ведь каждый ход секундной стрелки, каждая миллисекунда, отсчитанная атомными часами, добавляет всемирного беспорядка.
"Если вы хотите добиться повышенной точности от ваших часов, вам придется за это заплатить, - поясняет автор нового исследования, опубликованного в Physical Review, физик из Оксфорда Наталия Арес. - Ведь каждый раз, измеряя время, вы увеличиваете энтропию вселенной".
В самом деле, как гласит второй закон термодинамики, если объем и энергия системы постоянны, то любое изменение в системе увеличивает энтропию. Энтропия же определяет линейный ход времени из прошлого, где ее было меньше, в будущее, где она возрастает.
Такие механизмы, как часы, тоже производят энтропию в виде тепла, выделяющегося в пространство.
Ранее учеными уже было доказано, что крошечные квантовые часы, в которых охлажденные лазером атомы колеблются с чрезвычайно равными интервалами, создают тем больше энтропии, чем точнее они идут.
Однако доказать, что более сложные часы с увеличением точности хода также повышают энтропию, до сих пор не представлялось возможным.
"Часы отчасти похожи на маленькие паровые двигатели: к ним нужно применить усилие, чтобы они показывали время, - поясняет Арес, - но чтобы заставить их тикать, нужно вложиться в производство энтропии".
Чтобы проверить эту теорию, исследователи создали упрощенные часы в виде мембраны толщиной в 50 нанометров, помещенной между двух планок, заставляющих мембрану вибрировать под воздействием электричества.
Приняв каждый изгиб мембраны вверх и вниз за один такт, ученые продемонстрировали, что чем сильнее электрический разряд, тем точнее и равномернее идут эти импровизированные часы, но при этом в системе выделяется больше тепла, то есть создается больше энтропии.
Возможно, если бы часы не производили энтропию, они могли бы с такой же легкостью идти назад, но та же энтропия защищает их от сбоев.
"Мы пока не можем утверждать это с точностью, но мы обнаружили, что и для обычных, и для квантовых часов существует зависимость между точностью и энтропией", - говорит Арес.
Помимо чисто практической стороны, позволяющей создавать все более точные приборы, открытие Арес и ее коллег открывает дорогу к применению крупномасштабных законов термодинамики к крошечным наноустройствам.
"Сегодня мы уже имеет такой контроль над этими устройствами и можем измерять их с такой точностью, что мы буквально заново открываем законы термодинамики, - говорит Арес, - это как новая промышленная революция в наномасштабе".