Όλα τα ρολόγια, από τα ατομικά μέχρι τα κυτταρικά κιρκάδια ρολόγια, καταναλώνουν ενέργεια και απελευθερώνουν θερμότητα. Ένα ρολόι κουζίνας, για παράδειγμα, το κάνει χρησιμοποιώντας την μπαταρία του. Γενικά, τα πιο ακριβή ρολόγια απαιτούν περισσότερη ενέργεια, κι αυτό σημαίνει μια θεμελιώδη σύνδεση μεταξύ της κατανάλωσης ενέργειας και της ακρίβειας. Πάνω σ’ αυτό το ζήτημα πειραματίστηκε μια διεθνής ομάδα επιστημόνων.
Η εντροπία γενικά αυξάνεται με κάθε τικ-τακ του ρολογιού, οπότε είναι φυσικό μια συσκευή χρονομέτρησης να αυξάνει την εντροπία καθώς λειτουργεί. Με βάση παλαιότερες εργασίες πάνω σε κβαντικά ρολόγια, οι ερευνητές δείχνουν τώρα ότι και ένα απλό κλασικό ρολόι δημιουργεί περισσότερη εντροπία καθώς αυξάνεται η ακρίβειά του.
Για να γίνει αυτό, κατασκευάστηκε ένα πολύ απλό ρολόι, αποτελούμενο από μια εξαιρετικά λεπτή δονούμενη μεμβράνη – πάχους δεκάδων νανομέτρων και μήκους 1,5 χιλιοστών, ενσωματωμένη σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα. Κάθε ταλάντωση της μεμβράνης παρήγαγε ένα ηλεκτρικό παλμό (τικ). Η έξυπνη πτυχή αυτού του σχεδιασμού είναι ότι τροφοδοτείται απλά με θέρμανση της μεμβράνης, ενώ η πλήρης ροή ενέργειας μέσω του ρολογιού μπορεί να μετρηθεί ηλεκτρικά.
Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι όσο περισσότερη θερμότητα παρείχαν, τόσο ακριβέστερα έτρεχε το ρολόι. Στην πραγματικότητα, η ακρίβεια ήταν ευθέως ανάλογη της θερμότητας που απελευθερωνόταν. Για να κάνουν το ρολόι δύο φορές ακριβέστερο, χρειαζόταν διπλάσια παροχή θερμότητας.
Η πειραματική ομάδα των Εdward Laird, Marcus Huber, Paul Erker και Yelena Guryanova δημοσίευσε την μελέτη τους στο περιοδικό Physical Review Χ [Measuring the Thermodynamic Cost of Timekeeping] και είναι η πρώτη φορά που μετρήθηκε η εντροπία – ή η απώλεια θερμότητας – που δημιουργείται από ένα μικροσκοπικό ρολόι.
Η κατανόηση του θερμοδυναμικού κόστους που συνεπάγεται η χρονομέτρηση αποτελεί κεντρικό βήμα στην πορεία για την ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών και την κατανόηση και έλεγχο της θερμοδυναμικής καθώς τα συστήματα πλησιάζουν τα κβαντικά όρια.
Στην μελέτη αναδεικνύεται η αναμενόμενη ομοιότητα μεταξύ της λειτουργίας ενός ρολογιού και μιας θερμικής μηχανής. Στην θερμική μηχανή υπάρχει θεμελιώδης περιορισμός στο ποσοστό της θερμότητας που μετατρέπεται προς ωφέλιμο έργο. Αυτός ο περιορισμός είναι ο περίφημος Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής, ένας από τους βασικότερους νόμους της φυσικής. Το εν λόγω πείραμα αποδεικνύει ότι τα ρολόγια, όπως και οι θερμικές μηχανές, περιορίζονται από τον Δεύτερο Θερμοδυναμικό Νόμο, αλλά στην θέση του ωφέλιμου έργου βρίσκεται η ακρίβεια των τικ-τακ του ρολογιού. Αυτό το πείραμα – σε συνδυασμό με άλλες εργασίες – δείχνει ότι τα ρολόγια περιορίζονται από τη θερμοδυναμική, και θέτει μια επιπλέον ενδιαφέρουσα ερώτηση: περιορίζονται όλα τα ρολόγια με τον ίδιο τρόπο, ή αυτό αποτελεί χαρακτηριστικό μόνο του ρολογιού που μελετήθηκε;
Η απάντηση είναι ότι πολλά καθημερινά ρολόγια έχουν μια απόδοση που προσεγγίζεται από την ανάλυση των ερευνητών. Για παράδειγμα, η εξίσωσή τους προβλέπει ότι ένα ρολόι χειρός του οποίου η ακρίβεια ανά τικ είναι ένα μέρος στα δέκα εκατομμύρια πρέπει να καταναλώνει ισχύ τουλάχιστον ενός μικροβάτ. Κάτι που συμβαίνει στην πραγματικότητα, αφού ένα ρολόι χειρός συνήθως καταναλώνει μόνο μερικά μικροβάτ.
Τελικά, οι νόμοι της θερμοδυναμικής, που ανακαλύφθηκαν τον 19ο αιώνα, εξακολουθούν να βρίσκουν νέες εφαρμογές ακόμα και σήμερα.
πηγή: https://www.lancaster.ac.uk/news/why-hotter-clocks-are-more-accurate
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου
Το blog TEO O ΜΑΣΤΟΡΑΣ ουδεμία ευθύνη εκ του νόμου φέρει σχετικά σε άρθρα που αναδημοσιεύονται από διάφορα ιστολόγια. Δημοσιεύονται όλα για την δική σας ενημέρωση.