原子|时钟的本质竟然是一台热机？_分子和原子|量子|科技

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导语
时钟记录着时间的流逝。但时钟到底是什么，它如何测量到时间？在物理学家眼中，时钟实际上是一台热机，需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理想时钟，需要消耗无限能量，同时产生无限的熵——这在现实中是不可能的，所以时钟的精度存在一个基本限制。这个基本限制是否反映了时间的某种深刻本质？对于理解量子力学中的平滑时间有何启示？
研究领域：时间，热力学，熵，信息，量子力学与相对论，涌现
Natalie Wolchover | 作者
潘佳栋 | 译者
梁金 | 审校
邓一雪 | 编辑
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，寻找有关时钟的解释。 “时间就是时钟所测量的， ”阿尔伯特·爱因斯坦曾说过这样一句名言。埃尔克希望，对时钟的更深入了解可以激发对时间本质的新见解。

但他发现物理学家并没有过多关注计时的基本原理，他们往往认为时间信息是理所当然的。 “到目前为止，我对文献中处理时钟的方式非常不满意， ”埃尔克最近说。

这位崭露头角的物理学家开始思考，时钟是什么——时钟依靠什么来得到时间。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计算机和量子引擎（quantum engine）等新兴技术，也为描述时钟提供了正确的途径。

“我们突然想到，时钟实际上是一台热机， ”胡伯在Zoom上解释说，他的金色长发披在一件黑色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。发动机使用能量来推进，时钟使用能量来使时间流动。

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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，通过对最简单的时钟的研究，研究人员发现在计时中存在基本限制（fundamental limit）。他们得到了准确性、信息、复杂性、能量和熵——宇宙中这个不断增加且与时间箭头密切相关的量——之间的新关系。

原子|时钟的本质竟然是一台热机？

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