原子|时钟的本质竟然是一台热机？( 三 )_分子和原子|量子|科技

我们保留时钟这个名字。时钟热力学家意识到，对于那些通过周期性来增强计时能力的物体，某种机制可以将发生不可逆过程的时刻之间的时间间隔隔开。一个好的时钟不仅会改变，它还会滴答作响。

滴答声越规律，时钟就越准确。在他们于2017年发表在Physical Review X上的一篇论文[7]中，埃尔克、胡伯和合著者提出，更好的计时是有代价的：时钟的精度越高，它消耗的能量就越多，在此过程中产生的熵也越大。

“时钟是熵的流量计。 ”米尔伯恩说。

他们发现一个理想的时钟——一个具有完美周期性的时钟——会燃烧无限的能量并产生无限的熵，但这在现实中是不可能的。因此，时钟的精度从根本上来说是有限的。

事实上，在他们的论文中，埃尔克和团队研究了能想到的最简单时钟的准确性：由三个原子组成的量子系统。 “热”原子和热源相连， “冷”原子与周围环境耦合，第三个原子与其他两个原子相连，通过能级跃迁“滴答”作响。能量从热源进入系统，驱动原子跃迁。当能量释放到环境中时就会产生熵。

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图3. 三原子时钟模型：考虑由三个原子组成的一个时钟。首先，热源产生的光子激发第一个原子（1），这个原子之后跃迁回基态，释放能量以激发其他两个原子（2）。然后，第三个原子迅速退激发，向环境中释放一个光子（3）。这就是一次滴答。

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即使是好的时钟有时也不会跳动。在罕见的情况下，来自较冷环境的光子可能会激发中间的原子（1）。当这个原子和它右侧的原子一起退激发时，共同释放的能量会激发左侧的原子（2），没有滴答产生（3）。事实上，这个时钟跳了一拍。

研究人员计算出，这个三原子钟产生的熵越大，它的滴答声就越有规律。胡伯说，考虑到熵和信息之间已知的联系，时钟精度和熵之间的这种关系“对我们来说很直观” 。

准确地说，熵是衡量系统中粒子可能排列数量的度量。当能量在更多粒子中均匀分布时，可能的排列数就会增加，这就是熵随着能量耗散增加的原因。此外，美国数学家克劳德·香农 (Claude Shannon) 在1948年创立信息论的论文中提出，熵与信息成反比。例如，数据集的信息越少，其熵就越高，因为数据可能存在于更多可能的状态中。

原子|时钟的本质竟然是一台热机？( 三 )

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