时钟html时钟的实质竟然是一台热机

导语

时钟记录着韶光的流逝。
但时钟到底是什么，它如何丈量到韶光？在物理学家眼中，时钟实际上是一台热机，须要输入能量来保持准确的周期性，规律地滴答作响。
而一个具有完美周期性的空想时钟，须要花费无限能量，同时产生无限的熵——这在现实中是不可能的，以是时钟的精度存在一个基本限定。
这个基本限定是否反响了韶光的某种深刻实质？对付理解量子力学中的平滑韶光有何启迪？

研究领域：韶光，热力学，熵，信息，量子力学与相对论，呈现

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2013 年，一位名叫保罗·埃尔克（Paul Erker）[1]的物理学硕士生翻阅教科书和论文，探求有关时钟的阐明。
“韶光便是时钟所丈量的，”阿尔伯特·爱因斯坦曾说过这样一句名言。
埃尔克希望，对时钟的更深入理解可以引发对韶光实质的新见地。

但他创造物理学家并没有过多关注计时的基本事理，他们每每认为韶光信息是天经地义的。
“到目前为止，我对文献中处理时钟的办法非常不满意，”埃尔克最近说。

这位崭露锋芒的物理学家开始思考，时钟是什么——时钟依赖什么来得到韶光。
他有一些初步的想法。
在 2015 年，他到巴塞罗那攻读博士学位。
在那里，一位名叫马库斯·胡伯（Marcus Huber）[2]的教授领导的一大批物理学家回答了埃尔克的问题。
胡伯、埃尔克和他们的同事专门研究量子信息理论和量子热力学，这些学科涉及信息和能量的流动。
他们意识到，这些理论框架支撑了量子打算机和量子引擎（quantum engine）等新兴技能，也为描述时钟供应了精确的路子。

“我们溘然想到，时钟实际上是一台热机，”胡伯在Zoom上阐明说，他的金色长发披在一件玄色T恤上。
像发动机一样，时钟利用能量流来做功，并在此过程中产生废气。
发动机利用能量来推进，时钟利用能量来使韶光流动。

图1. 左起为Paul Erker、Nicolai Friis、Emanuel Schwarzhans、Maximilian Lock和Marcus Huber，他们最近合著了一篇关于时钟热力学的论文。
| 来源：IQOQI Vienna

在过去五年里，通过对最大略的时钟的研究，研究职员创造在计时中存在基本限定（fundamental limit）。
他们得到了准确性、信息、繁芜性、能量和熵——宇宙中这个不断增加且与韶光箭头密切干系的量——之间的新关系。

这些关系一贯是纯理论的。
直到2021年春天，牛津大学的实验物理学家纳塔莉亚·阿瑞斯（Natalia Ares）[3]和她的团队报告了对纳米级时钟的丈量[4]，这有力地支持了新的热力学理论。

只管哈佛大学的量子热力学家妮可·云格·哈尔本（Nicole Yunger Halpern）没有参与最近的时钟事情，但是她称其为根本性的研究。
她认为这些创造可能会帮助设计出高效、自主的量子时钟，以掌握未来量子打算机和纳米机器人的操作。

关于时钟的新不雅观点已经为谈论韶光本身供应了新的素材。
“这一系列事情确实从根本上给出了韶光在量子理论中的浸染，”云格·哈尔本说。

澳大利亚昆士兰大学的量子理论学家杰拉德·米尔伯恩（Gerard Milburn）[5] 2020年写了一篇关于时钟热力学研究的评论文章[6]，他说：“我认为人们并没故意识到它是多么主要。
”

1. 时钟是什么？

首先要把稳的是，险些所有东西都是时钟。
垃圾的气味变得难闻，脸上长出皱纹，都标志着岁月的流逝。
“你可以通过感想熏染咖啡桌上咖啡的冷热来判断韶光。
”现在就职于维也纳技能大学和维也纳量子光学与量子信息研究所的胡伯说。

早在他们在巴塞罗那的发言中，胡伯、埃尔克和他们的同事就意识到，任何发生不可逆变革的东西都是时钟，例如能量扩散到更多粒子中或扩散到更广阔区域。
在这个过程中，能量趋于耗散，而熵作为能量耗散的度量，趋于增加。
这仅仅是由于能量耗散的路子远远多于能量聚拢起来的路子。
这种数值上的不对称性，以及在宇宙开端能量极度致密的奇怪事实，便是能量现在变得越来越分散的缘故原由，就像一杯咖啡逐渐冷却。

能量的扩散趋势，以及由此导致的熵的不可逆的增加，彷佛可以阐明韶光的流动，但根据胡伯和他团队的说法，它们也可以阐明时钟。
“不可逆转性非常主要，”胡贝尔说，“这种不雅观点的转变正是我们想要探索的。
”

图2. 险些任何东西都可以成为时钟，但有些时钟比其他时钟更有用。
| Quanta Magazine

咖啡不是很好的时钟。
与大多数不可逆过程一样，它与周围空气的相互浸染是随机发生的。
这意味着必须在很长一段韶光内对该过程进行均匀，包含进咖啡和空气分子之间的许多随机碰撞，才能准确估计韶光间隔。
这便是为什么我们不把咖啡、垃圾或皱纹称为时钟。

我们保留时钟这个名字。
时钟热力学家意识到，对付那些通过周期性来增强计时能力的物体，某种机制可以将发生不可逆过程的时候之间的韶光间隔隔开。
一个好的时钟不仅会改变，它还会滴答作响。

滴答声越规律，时钟就越准确。
在他们于2017年揭橥在Physical Review X上的一篇论文[7]中，埃尔克、胡伯和合著者提出，更好的计时是有代价的：时钟的精度越高，它花费的能量就越多，在此过程中产生的熵也越大。

“时钟是熵的流量计。
”米尔伯恩说。

他们创造一个空想的时钟——一个具有完美周期性的时钟——会燃烧无限的能量并产生无限的熵，但这在现实中是不可能的。
因此，时钟的精度从根本上来说是有限的。

事实上，在他们的论文中，埃尔克和团队研究了能想到的最大略时钟的准确性：由三个原子组成的量子系统。
“热”原子和热源相连，“冷”原子与周围环境耦合，第三个原子与其他两个原子相连，通过能级跃迁“滴答”作响。
能量从热源进入系统，驱动原子跃迁。
当能量开释到环境中时就会产生熵。

图3. 三原子时钟模型：考虑由三个原子组成的一个时钟。
首先，热源产生的光子引发第一个原子（1），这个原子之后跃迁回基态，开释能量以引发其他两个原子（2）。
然后，第三个原子迅速退引发，向环境中开释一个光子（3）。
这便是一次滴答。

纵然是好的时钟有时也不会跳动。
在罕见的情形下，来自较冷环境的光子可能会引发中间的原子（1）。
当这个原子和它右侧的原子一起退引发时，共同开释的能量会引发左侧的原子（2），没有滴答产生（3）。
事实上，这个时钟跳了一拍。

研究职员打算出，这个三原子钟产生的熵越大，它的滴答声就越有规律。
胡伯说，考虑到熵和信息之间已知的联系，时钟精度和熵之间的这种关系“对我们来说很直不雅观”。

准确地说，熵是衡量系统中粒子可能排列数量的度量。
当能量在更多粒子中均匀分布时，可能的排列数就会增加，这便是熵随着能量耗散增加的缘故原由。
此外，美国数学家克劳德·喷鼻香农 (Claude Shannon) 在1948年创立信息论的论文中提出，熵与信息成反比。
例如，数据集的信息越少，其熵就越高，由于数据可能存在于更多可能的状态中。

“熵和信息之间有着深层联系，”胡伯说。
因此，对时钟熵产生的任何限定该当对应于信息的限定，包括关于已经由去的韶光的信息。

在2021年早些时候揭橥在 Physical Review X 上的另一篇论文[8]中，理论学家们通过增加繁芜性扩展了他们的三原子时钟模型——实质上是额外的热原子和冷原子连接到滴答作响的原子。
他们证明，这种额外的繁芜性使时钟能够将滴答发生的概率集中在更窄的韶光窗口中，从而提高时钟的规律性和准确性。

简而言之，正是熵的不可逆增加使计时成为可能，而周期性和繁芜性都提高了时钟性能。
但直到2019年，我们还不清楚如何验证他们提出的方程，以及大略的量子时钟与墙上的钟表那些有什么关系。

2. 丈量滴答

在一次会议晚宴上，埃尔克坐在牛津大学研究生安娜·皮尔森（Anna Pearson）阁下，她在当天早些时候做了一个很有趣的演讲。
皮尔森致力于研究50纳米厚的振动膜。
在发言中，她心不在焉地评论说，可以用白噪声（无线电频率的随机稠浊）刺激膜。
在发生膜共振的频率下膜会产生振动。

对埃尔克来说，噪音就像一个热源，而振动就像时钟的滴答声。
他提出了互助。

图4. 娜塔莉亚·阿瑞斯丈量了一个由眇小振动膜制成的时钟的热力学特性，此处显示的是实验室中被电路包围的振动膜。
| 来源：Dave Fleming; Courtesy of Natalia Ares

皮尔森的导师阿瑞斯很激情亲切。
她已经与米尔本谈论过膜可以作为时钟运行的可能性，但没有听说其他理论学家推导出的新热力学关系，包括对准确性的基本限定。
“我们说，‘我们绝对可以衡量！
’”阿瑞斯说，“‘我们可以丈量熵的产生！
我们可以丈量时钟的滴答！
’”

振动膜不是量子系统，但它足够小和大略，研究职员可以精确跟踪其运动和能量的利用。
“我们可以从电路本身的能量耗散看出熵的变革程度。
”阿瑞斯说。

她和团队开始测试埃尔克和团队在2017年论文中的关键预测：熵的产生和时钟的准确性之间该当存在线性关系。
目前尚不清楚这种关系是否适用于更大的经典时钟，比如振动膜。
但是当数据滚滚而来时，“我们看到了第一批图。
同时，我们想，哇，竟然有这种线性关系。
”胡贝尔说。

膜振动的规律性直接追踪着进入系统的能量有多少，产生的熵有多少。
研究结果表明，理论学家推导出的热力学方程可能普遍适用于计时设备。

大多数时钟都没有靠近这些基本限定，它们燃烧的能量远远超过报时所需的最低能量。
JILA的物理学家叶军（Jun Ye）[9]说，纵然是天下上最精确的原子钟，比如在科罗拉多州博尔德的JILA研究所运行的那些原子钟，“也远未达到最低能量的基本限定”。
但是叶军说，“我们钟表制造商正在考试测验利用量子信息科学来制造更精确的时钟”，因此基本限定在未来可能会变得很主要。
容格·哈尔彭（Yunger Halpern）表示赞许，并指出高效、自主的时钟终极可能会掌握量子打算机内部的操作计时，从而肃清对外部掌握的须要。

撇开实用性不谈，埃尔克从学生时期起就一贯抱有希望。
“终极目标是理解韶光是什么？”他说。

3. 韶光是呈现的结果？

韶光之谜的一个紧张方面是，它在量子力学中与其他量（如位置或动量）所起的浸染不同。
物理学家说，不存在“韶光可不雅观丈量”——遵照量子规律的粒子上没有可以通过丈量读取的精确、固有的韶光戳。
相反，韶光是量子力学方程中一个平滑变革的参数，它作为参考来规范其他可不雅观丈量的蜕变。

物理学家一贯在努力理解量子力学的韶光如何与广义相对论中的第四维韶光观点相折衷。
现在，调和量子力学和广义相对论的考试测验常日将爱因斯坦理论的四维时空构造视为呈现的，将其视为由更抽象的量子信息构成的全息图。
如果是这样，韶光和空间该当是近似的观点。

时钟研究具有启示性，这表明韶光只能不完美地丈量。
胡伯说，大问题是，对时钟精度的基本限定是否反响了对韶光本身平滑流动的基本限定——换句话说，咖啡和空气分子碰撞等随机事宜是否终极便是韶光。

“我们所做的是去证明，纵然韶光是掌握量子系统韶光蜕变的完美、经典、平滑的参数，”胡伯说，也只能通过随机、不可逆的过程，不完美地追踪韶光的流逝。
这引发了一个问题，“有没有可能韶光是一种错觉，而平滑的韶光是我们试图将事宜有序排列的呈现结果？这种可能性确实耐人寻味，不容轻易忽略。
”

原文链接：

https://www.quantamagazine.org/the-new-science-of-clocks-prompts-questions-about-the-nature-of-time-20210831/

参考链接：

[1]https://www.iqoqi-vienna.at/people/huber-group/paul-erker

[2]https://www.iqoqi-vienna.at/people/huber-group/marcus-huber

[3]https://www.materials.ox.ac.uk/peoplepages/ares.html#/