几乎任何事物都可以作为时钟，只是有些时钟比其他的更好用而已。图片来源：Corinne Reid
我们的生活离不开时钟，但你是否思考过“时钟”是什么机械？时钟所测量的“时间”的本质又是什么东西？通过研究最简单的时钟，物理学家们从热力学角度对时钟产生了新的理解，这有助于我们洞见时间的本质。
撰文｜Natalie Wolchover
翻译｜郑昱虹
审校｜王昱
2013年，物理学硕士研究生保罗·埃凯尔（Paul Erker）仔细翻阅着教科书和论文，试图从中找到“时钟是什么”这个问题的答案。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）曾打趣道：“时间就是时钟所测量的东西。”埃凯尔希望更深入地理解时钟能加深人们对时间本质的理解。
但是他发现，物理学家们对计时的基本原理并不怎么在意，他们倾向把时间视为理所当然。“我对目前文献中看待时钟的方式非常不满意。”埃凯尔说。
这位崭露头角的物理学家开始思考时钟的本质——时钟如何报时，他有一些初步的想法。2015年，他前往巴塞罗那攻读博士学位。在那里，由一位名叫马库斯·休伯（Marcus Huber）的教授带领的一批物理学家开始着手研究这一问题。休伯、埃凯尔和他们同事的专业方向是量子信息论和量子热力学，这是关于信息流和能量的学科。他们意识到，支撑量子计算机和量子引擎等新兴技术的理论框架，也为描述时钟提供了正确的语言。
“我们突然想到，时钟本质上是一台热机。”休伯说。就像发动机一样，时钟利用能量做功，并在这个过程中产生“废气”。区别只是，发动机利用能量驱动，而时钟利用能量“滴答”前进。
在过去的五年里，通过研究已知最简单的时钟，研究人员找到了计时的基本限制。他们找出了准确性、信息、复杂性、能量和熵之间的新关系。熵（entropy）是一种在宇宙中不断上升的物理量，它与“时间之矢”密切相关。
不过这种关系纯粹是理论上的。直到今年春天，牛津大学的实验物理学家纳塔莉亚·阿瑞斯（Natalia Ares）和她的团队报告了一种纳米尺度时钟的测量结果，这有力地支持了新的热力学理论。
什么是时钟
首先要说明的是，几乎所有东西都是一种时钟。比如垃圾的腐败标志着时间的推移，皱纹刻画着岁月的痕迹。 “你甚至可以通过测量手边的咖啡变凉了多少来判断时间。”休伯说，他现在在维也纳技术大学和维也纳量子光学和量子信息研究所工作。
在研究初期，休伯、埃凯尔和同事们意识到时钟可以是任何经历着不可逆变化的事物：在变化中，能量扩散到更多的粒子、更广阔的区域。能量倾向于耗散，而熵，也就是混乱的程度，倾向于增加，这是因为能量分散的方式比能量集中的方式多得多。
据休伯和他的同事说，能量强烈的扩散趋势和熵不可逆的上升趋势不仅能阐释时间之矢，也能阐释时钟。“这种不可逆性是根本的，”休伯说，“这个视角上的转变正是我们想要探索的方向。”
时钟热力学们家意识到，“时钟”这个名字应该被留给那些具有周期性计时能力的事物。它们能在不可逆的变化中，分割出时间间隔。也就是说，一个好时钟不仅需要变化，还需要“滴答”。
“滴答”越规律，时钟就越准确。2017年发表在《物理评论X》（Physical Review X）上的第一篇论文中，埃凯尔、休伯和其他合著者表明，更精确的计时是伴随着代价的：时钟的精度越高，它在滴答中消耗的能量就越多，产生的熵也就越多。
米尔本说：“时钟是熵的流量表。”
他们发现，理想的时钟，也就是具有完美周期性的时钟，将会消耗无限的能量并产生无限的熵，而这是不现实的。也就是说，时钟的精确性受到根本的限制。
埃凯尔和他的同事研究了他们所能想到的最简单的时钟——由三个原子组成的量子系统。一个“热”原子与热源相连，另一个“冷”原子与周围环境耦合，第三个原子通过激发和衰变，在这两个原子之间“滴答”。能量从热源进入系统，驱动时钟“滴答”向前，废弃的能量被释放到环境中，产生熵。
发表于 2021-9-24 23:36
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