时钟越精确 它产生的熵就越大？熵是什么 和时间有什么关系

　　一个精准的时钟价格是多少？一项新的研究显示，熵（热力学中表征物质状态的参量之一，用符号S表示，其物理意义是体系混乱程度的度量）。

　　每次时钟滴答都会产生熵（或无序）。现在，科学家已经证明了使用微型时钟的简单关系：时钟运行得越精确，它产生的熵就越大。

　　研究合著者，牛津大学物理学家纳塔利娅·阿里斯（Natalia Ares）对Live Science表示：“如果您希望时钟更精确，就必须为此付出代价。”“每次我们测量时间，我们都在增加宇宙的熵。”

　　随着时间的推移，热力学第二定律指出系统的熵必须增加。熵被称为“时间的箭头”，是物理学中为特定时间设定时间的少数数量之一，即从过去的熵低的时间到将来的熵高的时间。

　　这种在宇宙中生长的混乱趋势解释了很多事情，例如为什么将各种成分混合在一起比将它们分开更容易，或者为什么耳机线在裤子的口袋里如此复杂地缠在一起。也正是通过这种不断增长的无序，熵与我们的时间感紧密相连。库尔特·冯内古特（Kurt Vonnegut）的小说《五号屠宰场》（Slaughterhouse-Five）中的一个著名场景展示了熵是如何通过反着玩二战使时间的一个方向看向另一个方向的：子弹是从受伤的人身上吸出来的；火被缩小，聚集成炸弹，整齐地堆放在一起，并分离成复合矿物；时间之箭逆转了战争的混乱和破坏。

　　时间和熵之间的这种紧密联系使科学家着迷了数十年。诸如时钟之类的机器也以散发到周围环境中的热量的形式产生熵。物理学家已经能够证明，一个微小的量子时钟——一种使用激光冷却的原子以高度规则的间隔跳跃的原子时钟，会随着其测量时间的准确性而产生更大的混乱。但是直到现在，很难证明更大，机械更复杂的时钟产生的熵越多，获得的精度就越高，即使这个想法在理论上听起来不错。

　　Ares说：“时钟在某种程度上就像小型蒸汽机，您需要将它们投入工作以测量时间。” Ares说，“工作是使钟表等机械设备运转所需的能量传递。“为了获得正常的滴答声，必须使机器运转。这意味着您需要投资于熵产生。”

　　为了检验这个想法，研究人员制造了一个简化的时钟，该时钟由50纳米厚，1.5毫米长的膜组成，该膜伸展在两个细小柱子之间，并通过电脉冲振动。通过将每次弯曲的上下弯曲都算作一个滴答声，该团队发现，更强大的电信号使时钟的滴答声更规律，更准确，但以给系统增加更多热量（从而增加熵）为代价。

　　看到熵和精度之间的这种关系在比量子时钟大得多的设备中发挥出来，这使研究人员充满信心，他们的发现可能是普遍的。也许，如果时钟不产生任何熵，它们向后运行的可能性就与向前运行的可能性相同，并且它们产生的熵越多，它们受到的保护就越不受口吃和向后波动的影响。

　　“我们还不确定，但是对于我们的时钟和量子时钟，我们发现精确度和熵之间存在比例关系。” Ares说。“对于其他时钟而言，它可能并不总是线性关系，但看起来精度似乎受热力学定律的限制。”

　　除了将来可用于设计时钟和其他设备外，研究人员还认为他们的发现为进一步探索大规模热力学定律如何应用于微型纳米设备奠定了基础。。

　　“我们现在对这些微型设备拥有如此多的控制权，并且能够以如此高的精度对其进行测量，以至我们正在以全新的规模重新发现热力学。” 阿瑞斯说。“这就像是纳米级的工业革命。”