2013 년 Paul Erker라는 물리학 석사 학생은 시계가 무엇인지 설명을 찾고있는 교과서와 논문을 통해 빗질했습니다. Albert Einstein은“시간은 시계가 측정하는 것입니다. Erker는 시계에 대한 더 깊은 이해가 시간의 본질에 대한 새로운 통찰력을 불러 일으킬 수 있기를 바랐습니다.
그러나 그는 물리학 자들이 시간 유지의 기초에 대해 크게 방해하지 않았다는 것을 발견했습니다. 그들은 시간 정보를 당연한 것으로 여기는 경향이있었습니다. Erker는 최근에 문학이 지금까지 시계를 다루는 방식으로 매우 불만족했습니다.
신진 물리학자는 시계가 무엇인지 - 시간을 말하는 데 필요한 것에 대해 스스로 생각하기 시작했습니다. 그는 몇 가지 초기 아이디어를 가지고있었습니다. 그런 다음 2015 년에 박사 학위를 위해 바르셀로나로 이사했습니다. 그곳에서 물리학 자의 간부들이 마커스 후버 (Marcus Huber)라는 교수가 이끄는 Erker의 질문을 제기했습니다. Huber, Erker와 그들의 동료들은 양자 정보 이론과 양자 열역학을 전문으로하여 정보 및 에너지의 흐름에 관한 분야. 그들은 양자 컴퓨터 및 양자 엔진과 같은 신흥 기술을 뒷받침하는 이러한 이론적 프레임 워크가 시계를 설명하기에 적합한 언어를 제공한다는 것을 깨달았습니다.
.Huber는“실제로 시계가 열 기계라는 것은 우리에게 일어났다”고 Huber는 줌에 대해 설명했다. 엔진과 마찬가지로 클럭은 에너지 흐름을 활용하여 작업에서 배기 가스를 생성합니다. 엔진은 에너지를 사용하여 추진합니다. 시계는 그것을 사용하여 진드기를 사용합니다.
지난 5 년 동안, 가장 간단한 시계에 대한 연구를 통해 연구원들은 시간 유지의 기본 제한을 발견했습니다. 그들은 정확도, 정보, 복잡성, 에너지 및 엔트로피 사이의 새로운 관계를 매핑했습니다. 우주에서 끊임없는 상승이 시간의 화살과 밀접한 관련이있는 수량입니다.
.이러한 관계는 올 봄까지 순전히 이론적이었다. 옥스포드 대학의 실험 물리학 자 Natalia Ares와 그녀의 팀이 새로운 열역학적 이론을 강력하게 지원하는 나노 스케일 시계의 측정을보고했을 때.
.하버드 대학교의 양자 열역학자인 Nicole Yunger Halpern은 최근 시계 작업에 관여하지 않았으며“기초”라고 불렀습니다. 그녀는 이번 연구 결과가 미래의 양자 컴퓨터 및 나노 로봇에서 작업을 제어하기위한 최적의 효율적이고 자율적 인 양자 시계의 설계로 이어질 수 있다고 생각합니다.
.시계에 대한 새로운 관점은 이미 시간 자체에 대한 토론을위한 신선한 사료를 제공했습니다. Yunger Halpern은“이 작업 라인은 Quantum 이론에서 시간의 역할과 함께 근본적인 방식으로 어려움을 겪고 있습니다.
작년에 Clock Thermodynamics에 대한 연구에 관한 리뷰 논문을 쓴 호주 퀸즐랜드 대학의 양자 이론가 인 Gerard Milburn은“사람들이 그것이 얼마나 근본적인 지 인식하지 않는다고 생각하지 않습니다.”
.시계는 무엇입니까
가장 먼저 주목해야 할 것은 거의 모든 것이 시계라는 것입니다. 쓰레기는 악화되는 냄새로 날을 발표합니다. 주름은 몇 년을 표시합니다. 비엔나 기술 대학과 양자 광학 및 양자 정보 비엔나 (Vienna)에있는 Huber는“커피가 커피 테이블에서 얼마나 차가운지 측정함으로써 시간을 알 수 있습니다.
바르셀로나에서 대화 초기에 Huber, Erker와 동료들은 시계가 돌이킬 수없는 변화를 겪는 것이라는 것을 깨달았습니다. 에너지는 소산되는 경향이 있으며, 소산의 척도 인 엔트로피는 증가하는 경향이 있습니다. 이 수치 적 비대칭 성과 에너지가 우주의 시작 부분에서 초기에 맞게 시작되었다는 호기심 많은 사실은 이제 에너지가 점점 더 분산 된 배열, 한 번에 하나의 냉각 커피 컵으로 이동하는 이유입니다.
에너지의 강력한 확산 경향과 엔트로피의 결과적으로 돌이킬 수없는 상승은 시간의 화살을 설명하는 것처럼 보이지만 Huber와 Company에 따르면 시계도 설명합니다. Huber는“비가역성은 실제로 근본적입니다. "이러한 관점의 변화는 우리가 탐구하고 싶었던 것입니다."
커피는 큰 시계를 만들지 않습니다. 대부분의 돌이킬 수없는 과정과 마찬가지로 주변 공기와의 상호 작용은 확률 적으로 발생합니다. 이것은 시간 간격을 정확하게 추정하기 위해 커피와 공기 분자 사이의 많은 무작위 충돌을 포함하여 긴 시간에 걸쳐 평균적으로 평균해야한다는 것을 의미합니다. 이것이 우리가 커피, 쓰레기 나 주름을 시계로 언급하지 않는 이유입니다.
우리는 그 이름을 예약하고, 시계 열역학 주의자들은 주기성에 의해 타임 키핑 능력이 향상되는 물체에 대해 실현했습니다. 좋은 시계는 단지 변하지 않습니다. 진드기.
진드기가 더 규칙적 일수록 시계가 더 정확합니다. 첫 번째 논문에서 Physical Review X 에 출판되었습니다 2017 년에 Erker, Huber 및 공동 저자는 더 나은 타임 키핑이 비용이 들었음을 보여주었습니다. 시계의 정확성이 높을수록 에너지가 많을수록 더 많은 에너지가 사라지고 엔트로피가 더 많이 생성 될수록
.Milburn은“시계는 엔트로피의 유량계입니다.
그들은 완벽한 주기성을 가진 이상적인 시계가 무한한 양의 에너지를 태우고 무한 엔트로피를 생성 할 것이라는 것을 발견했습니다. 따라서 시계의 정확도는 근본적으로 제한적입니다.
실제로, 그들의 논문에서, Erker와 Company는 그들이 생각할 수있는 가장 간단한 시계의 정확성을 연구했다 :3 개의 원자로 구성된 양자 시스템. "뜨거운"원자는 열원, "차가운"원자가 주변 환경에 커플을 연결하고, 흥분과 붕괴를 통해 다른 두 사람 모두 "진드기"에 연결된 세 번째 원자에 연결됩니다. 에너지는 열원에서 시스템으로 들어가 진드기를 구동하며 폐기물 에너지가 환경으로 방출 될 때 엔트로피가 생성됩니다.
연구원들은이 3 개 원자 시계의 진드기가 시계가 생산하는 엔트로피가 더 규칙적이된다고 계산했습니다. Huber는 시계 정확도와 엔트로피 사이의 이러한 관계는 엔트로피와 정보 사이의 알려진 연결에 비추어“직관적으로 우리에게 이해가되었습니다”라고 말했다.
정확한 용어로, 엔트로피는 입자 시스템이 들어갈 수있는 가능한 배열의 수를 측정 한 것입니다. 이러한 가능성은 더 많은 입자 사이에 에너지가 더 균등하게 퍼질 때 성장하므로 에너지 분산으로 엔트로피가 상승하는 이유입니다. 또한 정보 이론을 설립 한 1948 년 논문에서 미국 수학자 Claude Shannon은 Entropy가 정보를 반대로 추적한다는 것을 보여주었습니다. 데이터 세트에 대한 정보가 적을수록 엔트로피가 높을수록 데이터가 더 높아질 수 있습니다.
. .Huber는“엔트로피와 정보 사이에는 이러한 깊은 관계가 있으며, 시계의 엔트로피 생산에 대한 한계는 자연스럽게 정보의 한계에 해당해야합니다.
Physical Review X 에 출판 된 다른 논문에서 올해 초, 이론가들은 복잡성을 추가하여 3 원자 시계 모델에서 확장했습니다. 그들은이 추가 복잡성이 시계가 진드기가 좁고 좁은 시간의 윈도우에 집중하여 시계의 규칙 성과 정확성을 증가시킬 수 있음을 보여주었습니다.
.요컨대, 타임 키핑을 가능하게하는 것은 엔트로피의 돌이킬 수없는 상승이며 주기성과 복잡성은 시계 성능을 향상시킵니다. 그러나 2019 년까지 팀의 방정식을 검증하는 방법, 또는 간단한 양자 시계가 우리 벽에있는 것과 어떤 관련이 있었는지 명확하지 않았습니다.
.틱 측정
그해 저녁 식사에서 Erker는 옥스포드의 대학원생 인 Anna Pearson 근처에 앉아 그날 일찍 흥미를 느꼈습니다. Pearson은 50 나노 미터 두께의 진동 막에 대한 연구를 수행했습니다. 그녀의 대화에서, 그녀는 막의 무작위 혼합의 무작위 혼합으로 멤브레인이 백색 노이즈로 자극 될 수 있다고 불쾌하게 언급했다. 멤브레인으로 공명 한 주파수는 진동을 동했습니다.
Erker에게 소음은 열원처럼 보였고 시계의 진드기와 같은 진동이있었습니다. 그는 협력을 제안했다.
피어슨의 감독관 인 Ares는 열정적이었습니다. 그녀는 이미 막의 시계로 행동 할 가능성에 대해 Milburn과 이미 논의했지만 정확도에 대한 기본 제한을 포함하여 다른 이론가들에 의해 도출 된 새로운 열역학적 관계에 대해서는 듣지 못했습니다. “우리는‘우리는 그것을 확실히 측정 할 수 있습니다!’라고 말했습니다. “‘엔트로피 생산을 측정 할 수 있습니다! 진드기를 측정 할 수 있습니다!””
진동 멤브레인은 양자 시스템이 아니지만 운동과 에너지 사용을 정확하게 추적 할 수있을 정도로 작고 간단합니다. Ares는“우리는 엔트로피가 얼마나 많은지 회로 자체의 에너지 소실로부터 알 수 있습니다.
그녀와 그녀의 팀은 Erker와 Company의 2017 논문의 주요 예측을 테스트하기 시작했습니다. 엔트로피 생산과 정확도 사이에는 선형 관계가 있어야합니다. 진동 멤브레인과 같이 관계가 더 크고 고전적인 시계를 유지하는지 여부는 확실하지 않았습니다. 그러나 데이터가 출시되었을 때,“우리는 첫 번째 음모를 보았습니다. 우리는이 선형 관계가 있다고 생각했습니다.
멤브레인 시계의 진동의 규칙 성은 시스템에 얼마나 많은 에너지가 들어 갔는지, 얼마나 많은 엔트로피를 생산했는지 직접 추적했습니다. 이 결과는 이론가들이 파생 된 열역학적 방정식이 시간 관리 장치에 대해 보편적으로 보유 할 수 있음을 시사합니다.
대부분의 시계는 이러한 기본 제한에 접근하지 않습니다. 그들은 시간을 말할 수있는 최소 에너지보다 훨씬 더 많이 태 웁니다. Jila의 물리학 자 Jun Ye는“콜로라도 주 볼더의 Jila Institute에서 운영 된 것과 마찬가지로 세계에서 가장 정확한 원자 시계조차도“최소 에너지의 기본 제한과는 거리가 멀다”고 Jila의 물리학 자 Jun Ye는 말했다. 그러나 당신은“우리 시계 제작자들은 양자 정보 과학을 사용하여보다 정확하고 정확한 시계를 구축하려고 노력하고 있기 때문에 미래에 기본 제한이 중요해질 수 있습니다. Yunger Halpern은 효율적이고 자율적 인 시계가 결국 양자 컴퓨터 내부의 작업시기를 통제하여 외부 제어의 필요성을 제거 할 수 있음을 지적하면서 동의합니다.
실용성을 제외하고, Erker의 희망은 학생 시절부터 동일하게 유지되었습니다. "궁극적 인 목표는 시간이 몇 시간인지 이해하는 것입니다."
부드러운 순서
시간의 미스터리의 주요 측면 중 하나는 양자 역학에서 위치 나 모멘텀과 같은 다른 수량과 같은 역할을하지 않는다는 사실입니다. 물리학 자들은“시간 관찰 가능성”이 없다고 말합니다. 측정에 의해 읽을 수있는 양자 입자에 대한 정확한 고유 한 타임 스탬프는 없습니다. 대신, 시간은 양자 역학의 방정식에서 원활하게 다양한 매개 변수이며, 다른 관측 가능성의 진화를 측정하는 참조입니다.
물리학 자들은 양자 역학의 시간이 아인슈타인의 일반적인 상대성 이론, 현재 중력에 대한 4 차원으로 시간의 개념과 어떻게 조정 될 수 있는지 이해하기 위해 고군분투했습니다. 양자 역학과 일반 상대성 이론을 조정하려는 현대의 시도는 종종 아인슈타인 이론의 4 차원 시공간 직물을 출현 한 것으로 취급합니다. 그렇다면 시간과 공간이 모두 근사한 개념이어야합니다.
시계 연구는 시간을 불완전하게 측정 할 수 있음을 보여 주면서 암시 적입니다. Huber는“큰 질문”은 시계의 정확도에 대한 기본 제한이 부드러운 시간 흐름의 기본 제한을 반영하는지 여부는, 즉 커피와 공기 분자의 충돌과 같은 확률 론적 사건이 궁극적으로 시간인지 여부입니다.
.Huber는“우리가 한 일은 시간이 양자 시스템의 시간 진화를 지배하는 완벽하고 고전적이며 부드러운 매개 변수라도 불완전하고 돌이킬 수없는 프로세스를 통해 불완전하게 구절을 추적 할 수있을 것임을 보여주는 것입니다. 그는 질문을 초대합니다. 확실히 쉽게 해산되지 않는 흥미로운 가능성입니다.”
