Az entrópiának többféle értelmezése létezhet, annak függvényében, hogy mivel kapcsolatban használják: jelentheti általában a dolgok egyre növekvő rendezetlenségét, az univerzum anyagának folyamatos “hanyatlását”, a káoszt és kiszámíthatatlanságot, de leginkább a termodinamika második főtétele kapcsán ismerhetjük - ez a tétel kimondja, hogy a természetben lejátszódó folyamatok többsége egy irányban zajlik le, csak külső hatásra fordulhatnak (fordíthatóak) vissza. Az entrópia a rendezetlenség szintjét mutatja, és a termodinamika második főtétele szerint egy zárt rendszerben, tehát beavatkozás nélkül, a folyamatok csak egy irányba, a rendezetlenség irányába mozdulhatnak el, ez pedig irreverzibilis, vagyis nagyobb rendezettség nem jöhet létre.

Az entrópia összefüggésbe hozható az idő múlásával, sőt, az idő mérésével is: az idő múlását mérő eszközök minden egyes mérés (például az óra mutatójának haladása) során valamennyi hőt generálnak, ezzel az entrópiát növelik. Ahhoz, hogy egy óra mérjen, munkát kell befektetni a rendszer működésébe, és ezzel az entrópia generálását segíti elő - mondta el Natalia Ares, az Oxford Egyetem fizikusa 2021-ben egy kutatás kapcsán, amiben az egyre pontosabbá váló órák és az entrópia összefüggését vizsgálták.

Az entrópia növelése egy hétköznapi időmérő-szerkezet esetén nem annyira jelentős, hogy aggódnunk kellene miatta, de a sokkal kisebb léptékű dolgok és események világában, azaz a kvantumvilágban már problémákat okozhat - a kutatók azonban rájöttek, hogyan tudják legyőzni ezt az akadályt. A nemzetközi kutatócsapat a kvantumórák működését tanulmányozta, amelyek a jövőben a kvantumprocesszorok fontos részét képezhetik, és felfedezték, hogy kvantumszinten a termikus fluktuációk jelentősek a kvantumórák esetében: ez nem csak az óra működésére, hanem a jelek kiolvasására is vonatkozik, vagyis az órajel “értelmezése” is az entrópiát növeli, nem is kevéssel.

“Hasonló kompromisszumot figyeltek meg korábban a kvantumóra ketyegéseinek szabályossága és az entrópia generálása között, de korábban még nem mutatták ki az órajel mérésénél. Ez az entrópiaköltség egymilliárdszor nagyobb volt, mint a kvantumóra ciklusai által termelt entrópia.”

- mondta el Ares, aki a mostani kutatásnak is résztvevője volt.

A kutatók a probléma megkerülésére új módszert dolgoztak ki. “A termodinamika második főtétele megköveteli, hogy bármely óra entrópiát termeljen az időmérési működése során”- mondta el Florian Meier, a Bécsi Műszaki Egyetem doktori hallgatója - “Ez az entrópia egy olyan erőből ered, amely a rendszert visszafordíthatatlanul egy irányba hajtja, például egy rugó, amely az óramutatókat forgatja, vagy a gravitáció, amely homokszemeket egy lyukon keresztül viszi. A nanotartományban azonban a termikus ingadozások jelentősek, és elképzelhető egy olyan óra, amely nem igényel ilyen erőt. Például egy elektron átugorhat egyik kvantumpontról a másikra, majd vissza, és az óra minden ugrást 'ketyegésként' regisztrálhat. Az ilyen ugrások visszafordíthatók, és nem termelnek entrópiát.”

A kutatók egy olyan órát terveztek, ami egy kvantumpontpárból állt, és egy-egy ketyegést az jelent, mikor a rendszer végigér mind a három állapoton: az első állapotban mindkét kvantumpont “üres”, a második állapotban az egyik kvantumpontra egy elektron ugrik, a harmadik állapotban az elektron a balról a jobb kvantumpontra kerül. Az órajel kiolvasásának pontosságát elektromos feszültség alkalmazásával növelték, de ez értelemszerűen az entrópiát is emelte.

“Kiderült, hogy ez a nagy entrópiatermelés jelentette a megoldást a látszólagos paradoxonra.

Még ha a kettős kvantumpont feszültségét nullára állítják is - ami azt jelenti, hogy nincs nettó előre- vagy visszafelé irányuló ciklus az órában, és a ketyegés nem termel entrópiát -, mégis kiolvasható egy hasznos időjel a kutatócsapat felfedezése szerint. A második főtétel nem sérül, mert az entrópia a kvantumponttal való mérés során keletkezik.” - magyarázta az Amerikai Fizikai Társaság.

“Azzal, hogy kimutattuk, hogy az időjelek kinyerése általában meghaladja az időmérés entrópikus költségét, a munkánk hozzájárulhat ahhoz, hogy a jövőbeli mikroszkopikus órák tervezése elősegítse a pontosságukat a termodinamika szempontjából leghatékonyabb módon.” - összegezte a kutatást Natalia Ares.

(Fotó: Bing/DALEE-3)

Egy lépéssel közelebb annak megértéséhez, hogyan érzékeli az agy az idő múlását Az entrópia a titkos összetevő annak vizsgálatában, hogy a komplex rendszerekben az idő folyása mennyire mérhető vagy érzékelhető.