奇怪的關聯：時鐘越準確消耗的能量越多

一項新的實驗表明，時鐘消耗的能量越多，其計時就越準確。時鐘滲透到生活的各個方面，從作為衛星導航基礎的原子鐘到我們體內的細胞鍾。所有這些都會消耗能量並釋放熱量。例如，一個廚房時鐘通過消耗其電池來實現這一目的。一般來說，最準確的時鐘需要最多的能量，這暗示了能量消耗和準確性之間的根本聯繫。這就是來自蘭卡斯特大學、牛津大學和維也納工業大學的一個國際科學家團隊著手測試的內容。

為了做到這一點，他們建立了一個特別簡單的時鐘，由一個振動的超薄膜組成，幾十納米厚，1.5毫米長，被納入一個電子電路中。該膜的每一次振盪都會產生一個電信號。這一設計的巧妙之處在於，它只需通過加熱膜來供電，而通過時鐘的完整能量流可以用電來測量。

科學家們發現，他們提供的熱量越多，時鐘的運行就越精確。事實上，精確度與釋放的熱量成正比。為了使時鐘的精確度達到兩倍，他們需要提供兩倍的熱量。

實驗小組由蘭卡斯特大學的Edward Laird博士、維也納工業大學Atominstitut的Marcus Huber教授、量子光學和量子信息研究所（IQOQI）的Paul Erker和Yelena Guryanova博士，以及牛津大學的Natalia Ares博士、Anna Pearson博士和Andrew Briggs教授組成。

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他們的研究發表在《物理評論X》上，這是第一次對最小時鐘產生的熱損失進行測量。了解計時所涉及的熱力學成本是未來技術發展道路上的一個核心步驟，在系統接近量子領域時理解和測試熱力學。

它還顯示了時鐘和蒸汽機的運行之間的相似性。對於蒸汽機來說，我們必須提供多少熱量才能完成所需的工作量，這是一個基本的制約因素。這個約束是著名的熱力學第二定律，是現代工程的核心。這個實驗表明，時鐘和發動機一樣，也受到第二定律的制約，只不過它們的輸出是精確的滴答聲。

蘭卡斯特大學的Edward Laird博士表示：「熱力學學科包含了自然界最基本的原則，它告訴我們有兩種類型的機器，我們在操作時不能不釋放熱量。一種是機械發動機，它在完成工作時釋放熱量；另一種是計算機內存，它在重寫時釋放熱量。這個實驗–與其他工作相結合–表明時鐘也受到熱力學的限制。它還提出了一個有趣的問題：是否所有可能的時鐘都以這種方式受到限制，或者它只是我們所研究的那些時鐘的一個屬性？」有趣的是，許多日常時鐘的效率與科學家們的分析預測相近。