Μια εντυπωσιακή ανακάλυψη από διεθνή ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής το TU Wien ενδέχεται να ανατρέψει όσα γνωρίζαμε για την ακριβή μέτρηση του χρόνου. Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα, δείχνει ότι είναι δυνατό να υπερβούμε τους μέχρι σήμερα θεωρούμενους φυσικούς περιορισμούς στην ακρίβεια των ρολογιών, χωρίς την αναλογική αύξηση στην κατανάλωση ενέργειας ή την παραγωγή εντροπίας, μια εξέλιξη που θα μπορούσε να αναδιαμορφώσει τα θεμέλια της χρονομέτρησης στο επίπεδο της κβαντικής φυσικής.
Οι σύγχρονες μετρήσεις υψηλής ακρίβειας βασίζονται σε κβαντικά φαινόμενα. Όμως, όπως εξηγεί ο Marcus Huber από το Atomic Institute του TU Wien, κάθε ρολόι, είτε πρόκειται για ένα απλό εκκρεμές είτε για ένα προηγμένο ατομικό ρολόι, αποτελείται από δύο βασικά στοιχεία: μια σταθερή «γεννήτρια χρόνου», όπως είναι η ταλάντωση, και έναν «μετρητή», που καταγράφει τις διαδοχικές επαναλήψεις αυτής της ταλάντωσης.
Το πρόβλημα βρίσκεται στο γεγονός ότι κάθε ρολόι συνδέεται με μια μη αναστρέψιμη διαδικασία, δηλαδή μια διαδικασία που προκαλεί αύξηση της εντροπίας. Όπως σημειώνει ο Florian Meier από το TU Wien, ακόμα και ένα απλό εκκρεμές διαταράσσει το περιβάλλον του, αυξάνοντας τη θερμική αταξία. Αντίστοιχα, η ανάγνωση ενός ατομικού ρολογιού με laser παράγει θερμότητα και ακτινοβολία.
Μέχρι πρόσφατα, η επιστημονική κοινότητα θεωρούσε ότι για να διπλασιάσει κανείς την ακρίβεια ενός ρολογιού, θα έπρεπε τουλάχιστον να διπλασιάσει και την ενέργεια ή την εντροπία που απαιτείται. Ωστόσο, η νέα μελέτη που διεξήχθη σε συνεργασία με το Chalmers University of Technology στη Σουηδία και το University of Malta δείχνει πως αυτός ο φαινομενικά απαράβατος κανόνας μπορεί να παρακαμφθεί μέσω μιας εξαιρετικά έξυπνης προσέγγισης: τη χρήση δύο διαφορετικών χρονικών κλιμάκων.
Όπως εξηγεί ο Meier, η ιδέα μοιάζει με τον τρόπο που ένα κλεψύδρα μετρά τον χρόνο μέσω της ροής κόκκων άμμου. Χρησιμοποιώντας ένα σύστημα με διαδοχικές κβαντικές «μονάδες μέτρησης χρόνου», μπορεί κανείς να καταγράψει πόσες μονάδες έχουν περάσει – σαν να μετρούσε πόσες φορές γύρισε ο λεπτοδείκτης σε σχέση με τον δευτεροδείκτη. Έτσι, η ακρίβεια ενισχύεται σταδιακά, χωρίς όμως να παραλείπεται η αύξηση της εντροπίας σε κάθε σημείο μέτρησης.
Το κρίσιμο σημείο βρίσκεται στο εξής: κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, τα σωματίδια μπορούν να μετακινούνται με βάση κβαντικά φαινόμενα, χωρίς να μετρούνται άμεσα, και συνεπώς χωρίς να προκαλείται εντροπία. Μόνο όταν φτάσουν στο τελικό τους σημείο και μετρηθούν – ένα μη αναστρέψιμο βήμα – προκαλείται θερμική διαταραχή. Η κβαντική αυτή προσέγγιση θυμίζει την ύπαρξη δύο «δεικτών ρολογιού»: ενός ταχέως μεταβαλλόμενου που δεν επηρεάζει το σύστημα και ενός αργού, ο οποίος μετρά και προκαλεί την αύξηση της εντροπίας.
Ο Yuri Minoguchi από το TU Wien εξηγεί ότι ο πρώτος δείκτης λειτουργεί καθαρά με κβαντικούς όρους, χωρίς να αφήνει «ίχνος», ενώ ο δεύτερος επιτελεί τη μέτρηση, με ό,τι συνεπάγεται αυτό για τη θερμοδυναμική. Αυτή η συνδυαστική προσέγγιση επιτρέπει την εκθετική αύξηση της ακρίβειας ανά μονάδα παραγόμενης εντροπίας – ένα επίτευγμα που δεν θεωρούνταν εφικτό μέχρι σήμερα.
Η θεωρία, όπως επισημαίνει ο Simone Gasparinetti από το Chalmers, μπορεί να δοκιμαστεί και στην πράξη, αξιοποιώντας υπεραγώγιμα κυκλώματα, μια από τις πιο εξελιγμένες τεχνολογίες της σύγχρονης κβαντικής μηχανικής. Το εύρημα ανοίγει νέους δρόμους όχι μόνο στη βελτίωση των κβαντικών μετρήσεων, αλλά και στην κατανόηση της βαθύτερης σχέσης μεταξύ κβαντομηχανικής και θερμοδυναμικής – ενός από τα μεγαλύτερα αναπάντητα ερωτήματα της φυσικής.
[via]
