Qual è il prezzo di un orologio preciso? Entropia, ha rivelato un nuovo studio.
L’entropia, o disordine, viene creata ogni volta che un orologio ticchetta. Ora gli scienziati che lavorano con un piccolo orologio hanno dimostrato una relazione semplice: più preciso è un orologio, maggiore è l’entropia che genera.
“Se vuoi che il tuo orologio sia più preciso, devi pagarlo“, ha detto la coautrice dello studio Natalia Ares, fisica dell’Università di Oxford. “Ogni volta che misuriamo il tempo, aumentiamo il disordine dell’Universo“.
Man mano che andiamo avanti nel tempo, la seconda legge della termodinamica afferma che l’entropia di un sistema deve aumentare. Conosciuta come la “freccia del tempo“, l’entropia è una delle poche quantità in fisica che fa sì che il tempo vada in una particolare direzione: dal passato, dove il disordine era basso, al futuro, dove sarà alto.
Questa tendenza al disordine a crescere nell’Universo spiega molte cose, come, ad esempio, il motivo per cui è più facile mescolare gli ingredienti di una pietanza che separarli. È anche attraverso questo disordine crescente che l’entropia è così intimamente legata al nostro senso del tempo.
Questa intima connessione tra tempo ed entropia ha affascinato gli scienziati per decenni. Anche le macchine, come gli orologi, producono entropia sotto forma di calore dissipato nell’ambiente circostante.
I fisici sono stati in grado di dimostrare che un minuscolo orologio quantistico – un tipo di orologio atomico che utilizza atomi raffreddati al laser che saltano a intervalli molto regolari – crea più disordine quanto più accuratamente misura il tempo.
Ma fino ad ora, è stato molto difficile dimostrare che orologi più grandi e meccanicamente complessi creano più entropia quanto più sono precisi, anche se l’idea suona bene in teoria.
“Gli orologi sono in qualche modo come piccoli motori a vapore – è necessario metterci del lavoro per misurare il tempo“, ha detto Ares, dove “il lavoro è il trasferimento di energia necessario per far funzionare dispositivi meccanici come gli orologi“.
“Per ottenere quel tic, tic, tic regolare, devi far funzionare la macchina. Ciò significa che devi investire nella produzione di lavoro e, quindi, di disordine.”
L’esperimento per determinare l’aumento di entropia
Per testare questa idea, i ricercatori hanno costruito un orologio semplificato costituito da una membrana spessa 50 nanometri e lunga 1,5 millimetri tesa tra due minuscoli pali in grado di vibrare con impulsi elettrici.
Contando ogni flessione su e giù della membrana come un tick, il team ha dimostrato che segnali elettrici più potenti facevano ticchettare l’orologio in modo più regolare e preciso, ma a costo di aggiungere più calore – e quindi più entropia – al sistema.
Vedere questa relazione tra entropia e precisione in un dispositivo molto più grande di un orologio quantistico ha dato ai ricercatori la certezza che le loro scoperte potrebbero essere universali.
Forse, se gli orologi non producessero entropia, sarebbero altrettanto propensi a correre all’indietro come in avanti, e più entropia generano più sono protetti da balbettii e fluttuazioni all’indietro.
“Non lo sappiamo ancora per certo, ma quello che abbiamo scoperto – sia per il nostro orologio che per gli orologi quantistici – è che esiste una relazione proporzionale tra accuratezza ed entropia“, ha detto Ares. “Potrebbe non essere sempre una relazione lineare per altri orologi, ma sembra che la precisione sia limitata dalle leggi della termodinamica“.
Oltre ad essere utili per la progettazione di orologi e altri dispositivi in futuro, i ricercatori considerano le loro scoperte come la base per un’ulteriore esplorazione di come le leggi su larga scala della termodinamica si applicano a piccoli dispositivi nanometrici.
“Ora abbiamo così tanto controllo su questi piccoli dispositivi e siamo in grado di misurarli con così tanta precisione, che stiamo riscoprendo la termodinamica su una scala completamente nuova“. Ha detto Ares. “È come la rivoluzione industriale su scala nanometrica“.
I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati 6 maggio sulla rivista Physical Review X.
