(allanswart/Getty Images) Was kostet eine genaue Uhr? Entropie, hat eine neue Studie ergeben.
Jedes Mal, wenn eine Uhr tickt, entsteht Entropie – oder Unordnung. Jetzt haben Wissenschaftler, die mit einer winzigen Uhr arbeiten, einen einfachen Zusammenhang nachgewiesen: Je genauer eine Uhr läuft, desto mehr Entropie erzeugt sie.
„Wenn Sie möchten, dass Ihre Uhr genauer ist, müssen Sie dafür bezahlen“, sagte die Co-Autorin der Studie, Natalia Ares, eine Physikerin an der Universität Oxford, gegenüber WordsSideKick.com. „Jedes Mal, wenn wir die Zeit messen, erhöhen wir die Entropie des Universums.“
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Wenn wir in der Zeit voranschreiten, wird die Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines Systems zunehmen muss. Die als „Pfeil der Zeit“ bekannte Entropie ist eine der wenigen Größen in der Physik, die die Zeit in eine bestimmte Richtung bestimmt – von der Vergangenheit, wo die Entropie niedrig war, in die Zukunft, wo sie hoch sein wird.
Diese Tendenz zur zunehmenden Unordnung im Universum erklärt viele Dinge, beispielsweise warum es einfacher ist, Zutaten miteinander zu vermischen als sie zu trennen, oder warum Kopfhörerkabel in Hosentaschen so kompliziert miteinander verheddert sind. Durch diese zunehmende Unordnung ist die Entropie auch so eng mit unserem Zeitgefühl verbunden.
Eine berühmte Szene in Kurt Vonneguts Roman Schlachthaus fünf demonstriert, wie unterschiedlich die Entropie eine Zeitrichtung zur anderen aussehen lässt, indem der Zweite Weltkrieg in umgekehrter Reihenfolge gespielt wird: Verwundeten Männern werden Kugeln abgesaugt; Feuer werden geschrumpft, zu Bomben zusammengefasst, in ordentlichen Reihen gestapelt und in zusammengesetzte Mineralien aufgeteilt; und der umgekehrte Pfeil der Zeit macht die Unordnung und Verwüstung des Krieges rückgängig.
Dieser enge Zusammenhang zwischen Zeit und Entropie fasziniert Wissenschaftler seit Jahrzehnten. Auch Maschinen wie Uhren erzeugen Entropie in Form von Wärme, die an ihre Umgebung abgegeben wird.
Physiker konnten nachweisen, dass eine winzige Quantenuhr – eine Art Atomuhr das lasergekühlte Atome verwendet, die in sehr regelmäßigen Abständen springen – erzeugt mehr Unordnung, je genauer es die Zeit misst.
Bisher war es jedoch sehr schwierig zu beweisen, dass größere, mechanisch komplexere Uhren umso mehr Entropie erzeugen, je genauer sie sind, auch wenn die Idee theoretisch gut klingt.
„Uhren sind in gewisser Weise wie kleine Dampfmaschinen – man muss ihnen Arbeit leisten, um die Zeit zu messen“, sagte Ares, wobei „die Arbeit die Energieübertragung ist, die nötig ist, um mechanische Geräte wie Uhren zum Laufen zu bringen.“
„Um dieses regelmäßige Tick, Tick, Tick zu bekommen, muss man die Maschine in Gang bringen.“ Das bedeutet, dass man in die Entropieproduktion investieren muss.“
Um diese Idee zu testen, bauten die Forscher eine vereinfachte Uhr, die aus einer 50 Nanometer dicken und 1,5 Millimeter langen Membran bestand, die zwischen zwei winzigen Pfosten gespannt war und die sie mit Stromimpulsen zum Vibrieren brachten.
Indem das Team jede Biegung nach oben und unten als Tick zählte, zeigte es, dass stärkere elektrische Signale die Uhr regelmäßiger und genauer ticken ließen, allerdings auf Kosten der Zugabe von mehr Wärme – und damit mehr Entropie – zum System.
Die Beobachtung dieser Beziehung zwischen Entropie und Genauigkeit in einem Gerät, das viel größer als eine Quantenuhr ist, hat den Forschern die Gewissheit gegeben, dass ihre Ergebnisse universell sein könnten.
Wenn Uhren keine Entropie produzieren würden, würden sie möglicherweise genauso wahrscheinlich rückwärts wie vorwärts laufen, und je mehr Entropie sie erzeugen, desto besser sind sie vor Stottern und Rückwärtsschwankungen geschützt.
„Wir wissen es noch nicht genau, aber was wir herausgefunden haben – sowohl für unsere Uhr als auch für Quantenuhren – ist, dass es einen proportionalen Zusammenhang zwischen Genauigkeit und Entropie gibt“, sagte Ares. „Bei anderen Uhren handelt es sich möglicherweise nicht immer um eine lineare Beziehung, aber es sieht so aus, als ob die Genauigkeit durch die Gesetze von begrenzt ist.“ Thermodynamik .'
Abgesehen davon, dass sie für die Entwicklung von Uhren und anderen Geräten in der Zukunft nützlich sein werden, betrachten die Forscher ihre Ergebnisse als Grundlage für die weitere Erforschung der Funktionsweise im großen Maßstab Gesetze der Thermodynamik gelten für winzige nanoskalige Geräte.
„Wir haben jetzt so viel Kontrolle über diese winzigen Geräte und sind in der Lage, sie mit so großer Präzision zu messen, dass wir die Thermodynamik in einem völlig neuen Maßstab wiederentdecken.“ Sagte Ares. „Es ist wie die industrielle Revolution im Nanomaßstab.“
Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 6. Mai in der Zeitschrift Körperliche Untersuchung X .
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