هرچه یک ساعت‌ دقیق‌تر کار کند “آنتروپی” بیشتر می‌کند!

دقیق بودن ممکن است بهایی داشته باشد! بهای یک ساعتِ دقیق چیست؟ آنتروپی. آنتروپی یا بی‌نظمی با هر بار تیک تاکِ ساعت ایجاد می‌شود. اکنون دانشمندانی که بر روی یک ساعت کوچک کار می‌کنند یک رابطه‌ی ساده را اثبات کردند. هرچه یک ساعت دقیق‌تر کار کند، آنتروپی بیشتری تولید می‌کند.

efTxMxPWuYRRaWoiYQ

ناتالیا آرس، فیزیکدان دانشگاه آکسفورد گفت: «اگر می‌خواهید ساعتتان دقیق‌تر کار کند، باید بهای آن را بپردازید. هر باری که زمان را اندازه می‌گیریم، آنتروپی جهان را افزایش می‌دهیم.» همانطور که در زمان جلو می‌رویم، بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی یک سیستم باید افزایش پیدا کند. آنتروپی که به عنوان «پیکان زمان» شناخته می‌شود، یکی از معدود کمیت‌های فیزیک است که زمان را برای یک جهت خاص تنظیم می‌کند – از گذشته که آنتروپی کم است تا آینده که آنتروپی افزایش می‌یابد.

تمایل به بی‌نظمی برای رشد در جهان چیزهای زیادی را توضیح می‌دهد، مثلاً چرا مخلوط کردن اجزا با هم آسان‌تر از جدا کردن آن‌ها است یا چرا سیم هدفون در جیب شلوار به طرز بدی در هم پیچ می‌خورد. همچنین از طریق این بی‌نظمی، آنتروپی کاملاً منطبق بر درک ما از زمان تنیده می‌شود. یک صحنه‌ی معروف در رمان «سلاخ‌خانه شماره پنج» نوشته‌ی کورت وانه‌گت نشان می‌دهد که چگونه آنتروپی با بازی معکوس جنگ جهانی دوم، یک جهت زمان را به جهت دیگر تغییر می‌دهد: گلوله‌ها از بدن افرادِ مجروح بیرون کشیده می‌شوند؛ آتش‌ها به درون بمب‌ها می‌روند و به مواد معدنی تفکیک می‌شوند؛ و پیکان‌های زمانِ معکوس، بی‌نظمی و تخریب جنگ را خنثی می‌کنند.

این ارتباط نزدیک بین «زمان و آنتروپی» چندین دهه است که دانشمندان را مجذوب خود کرده است. ماشین‌‌آلاتی مثل ساعت‌ها آنتروپی را به شکل گرمای پخش شده در اطراف، تولید می‌کنند. فیزیکدانان توانسته‌اند اثبات کنند که یک ساعت کوانتومی کوچک – نوعی ساعت اتمی که از اتم‌های خنک شدۀ لیزر استفاده می‌کند – هرچه بیشتر بی‌نظمی تولید کند، دقیق‌تر می‌تواند “زمان” را اندازه بگیرد. اما تاکنون اثبات این مسئله بسیار دشوار بوده که هرچه ساعت‌های بزرگتر و از لحاظ مکانیکی پیچیده‌تر آنتروپی بیشتری تولید کنند، دقیق‌تر خواهند بود، حتی اگر این ایده از لحاظ نظری خوب به نظر برسد.

“آرس” گفت: «ساعت‌ها تا حدی شبیه موتورهای بخار کوچک هستند. برای اینکه ساعت به طور منظم تیک تاک کند، شما باید موتورش را به کار بیندازید. این یعنی باید در تولید آنتروپی فعالیت‌هایی انجام دهید.» برای آزمایش این ایده، محققان یک ساعت معمولی با طول ۱.۵ میلی‌متر و ضخامت ۵۰ نانومتر ساختند. با شمارش هر پیچشی به شکل یک تیک تاک، محققان نشان دادند که سیگنال‌های الکتریکی باعث می‌شود تیک تاک این ساعت منظم‌تر و دقیق‌تر شود، اما این کار را به بهای “افزایش گرما و در نتیجه آنتروپی” در سیستم انجام می‌دهد.

PwdkTCxbZkozPNPb

مشاهدۀ رابطه بین «آنتروپی و دقت» در یک دستگاهِ بسیار بزرگتر از یک “ساعت کوانتومی” محققان را مطمئن کرد که یافته‌های آنها جامع است. شاید اگر ساعت‌ها هیچ آنتروپی تولید نمی‌کردند، درست به همان صورتی که رو به جلو کار می‌کردند می‌توانستند رو به عقب نیز کار کنند و هرچه آنتروپی بیشتری تولید کنند، بیشتر در برابر نوسانات معکوس محافظت می‌شوند.

“آرس” افزود: «ما یقیناً مطمئن نیستیم، اما چیزی که – برای ساعت معمولی و ساعت کوانتومی – کشف کردیم این است که یک رابطه‌ی نسبیتی بین “دقت و آنتروپی” برقرار است. این رابطه ممکن است برای ساعت‌های دیگر همیشه خطی نباشد، اما به نظر می‌رسد که دقت محدود به “قوانین ترمودینامیک” است.»

جدا از اینکه این یافته‌ها برای طراحی ساعت‌ها و دستگاه‌های دیگر در آینده سودمند است، محققان معتقدند یافته‌هایشان توضیح می‌دهد که چگونه قوانین بزرگ مقیاسِ ترمودینامیک برای دستگاه‌های بسیار کوچک در اندازۀ نانو نیز قابل تعمیم است. “آرس” ادامه داد: «ما اکنون کنترل زیادی نسبت به این دستگاه‌های بسیار کوچک داریم و می‌توانیم آنها را با دقت بسیار زیادی اندازه بگیریم، به حدی که می‌توانیم ترمودینامیک را در مقیاس کاملاً جدیدی مجدداً کشف کنیم. این مثل یک انقلاب صنعتی در مقیاس نانو است» جزئیات بیشتر این پژوهش در مجله Physical Review X منتشر شده است.

فیسبوک توییتر گوگل + لینکداین تلگرام واتس اپ کلوب

دیدگاهتان را بنویسید