Hodiny a entropia

  • Valentín Korinek | 2 Jún 2021
    Svet fyziky
Hodiny spôsobujú nárast entropie. Nový experiment ukazuje, že čím presnejšie sú hodiny, tým dochádza k väčšiemu nárastu *entropie. (Jatocreate / Pixabay)
V dnešnej dobe sú hodiny neuveriteľne presné. No presnosť nám z dlhodobejšieho hľadiska môže škodiť. Presnosť hodín má totiž vysokú cenu - zvýšenie entropie.

Entropia sa zvyšuje zakaždým, keď hodiny tikajú. Vedci zmerali entropiu generovanú hodinami, ktoré bežali s rôznymi úrovňami presností. Prišli na to, že čím sú presnejšie, tým je entropia väčšia.

Čas a entropia sú navzájom úzko prepojené pojmy. Entropia je tiež známa ako tzv. „šípka času “, pretože má tendenciu rásť s plynutím času – čo znamená, že vesmír svojím spôsobom rastie od nižšej entropie k vyššej. Toto napredovanie smerom k zvyšovaniu entropie vysvetľuje, prečo sa niektoré procesy vyvíjajú v čase dopredu, ale nie naopak. Tak napríklad je veľmi ľahké primiešať smotanu do kávy, no je mimoriadne ťažké ju znova oddeliť. Stroje tiež pri práci zvyšujú neporiadok, napríklad vydávaním tepla, ktoré zvyšuje entropiu ich okolia. To znamená, že aj štandardné hodiny napájané z batérie vytvárajú entropiu, keď začnú tikať.

Vedci prednedávnom vypočítali, že pre malé kvantové hodiny existuje priamy vzťah medzi maximálnou možnou presnosťou ich tikania a množstvom emitovanej entropie. Ale väčšie hodiny sú pre takéto výpočty príliš zložité. Takže nebolo jasné, či také pravidlo platí aj pre iné typy hodín.

Aby otestovali, koľko entropie sa uvoľnilo v jednom tiku zjednodušených hodín, vyrobili hodiny zavesené na dvoch stĺpoch z tenkej membrány hrubej desiatky nanometrov a dlhej 1,5 milimetra, čím vytvorili pomocou spomínaných stĺpov miniatúrnu anténu. Elektrický signál vysielaný do hodín strhol membránu a spôsobil jej pohyb hore a dole. Tento pohyb sa opakoval v pravidelných intervaloch ako ustálené tikanie hodín, a anténa potom tento pohyb zaregistrovala. Čím silnejší bol elektrický signál, tým presnejšie hodiny tikali. A ako sa zvyšovala presnosť hodín, entropia - výsledok tepla produkovaného v obvode antény - sa postupne zvyšovala.

Takýto výsledok naznačuje, že teoretický vzťah pre kvantové hodiny sa vzťahuje aj na iné typy hodín. Vedci ešte netušia, aký univerzálny je tento typ vzťahu, ktorý nájdu. Zatiaľ preto nie je jasné, či vzťah medzi presnosťou a entropiou platí pre hodiny vo všeobecnosti.

Existuje tiež ale podozrenie, že vzťah môže byť skutočne univerzálny, čo by odhalilo zásadný aspekt fungovania hodín. Dokazuje to aj proces, ktorý má uprednostňovaný smer času. Keby hodiny nevytvárali entropiu, bolo by rovnako pravdepodobné, že sa budú pohybovať dopredu aj dozadu. A čím viac entropie hodiny vytvárajú, tým je menej pravdepodobné, že hodiny budú vykazovať fluktuácie ako napríklad  dočasné kroky dozadu, ktoré by znížili ich presnosť.
Takže ak presnosť všetkých hodín zvyšuje entropiu, môže to potom vysvetliť úzku súvislosť medzi časom a jeho meraním.


*Entropia je fyzikálna veličina, ktorá meria neusporiadanosť (náhodnosť, neporiadok, mieru neurčitosti) systému. Je jednou zo stavových veličín v termodynamike, no zavádza sa (všeobecnejšie) i v štatistickej fyzike. Jej jednotkou je J/K (Joul na Kelvin). Prvýkrát ju použil (v termodynamickom zmysle) Rudolf Clausius v roku 1850, prvýkrát ju však osobitne popísal a pomenoval až v roku 1865.

Jeden z najdôležitejších zákonov termodynamiky, druhá veta termodynamická, hovorí, že entropia izolovanej sústavy s časom rastie. Keď teda dáme do pohára s horúcim čajom studenú lyžičku, entropia je menšia než po istom čase, kedy sa teploty vyrovnajú. Toto si môžeme vysvetliť tým, že vnútorná energia na začiatku prevažne sústredená v horúcom čaji sa neskôr rozdelila rovnomernejšie (a teda neusporiadanejšie) medzi čaj a lyžičku. No a čím vyššia neusporiadanosť, tým vyššia entropia.