时钟实验显示能源消耗与精确度之间的根本联系

　　一项新的实验表明，时钟消耗的能量越多，其计时就越准确。时钟渗透到生活的各个方面，从作为卫星导航基础的原子钟到我们体内的细胞钟。所有这些都会消耗能量并释放热量。例如，一个厨房时钟通过消耗其电池来实现这一目的。一般来说，最准确的时钟需要最多的能量，这暗示了能量消耗和准确性之间的根本联系。这就是来自兰卡斯特大学、牛津大学和维也纳工业大学的一个国际科学家团队着手测试的内容。

　　为了做到这一点，他们建立了一个特别简单的时钟，由一个振动的超薄膜组成，几十纳米厚，1.5毫米长，被纳入一个电子电路中。该膜的每一次振荡都会产生一个电信号。这一设计的巧妙之处在于，它只需通过加热膜来供电，而通过时钟的完整能量流可以用电来测量。

　　科学家们发现，他们提供的热量越多，时钟的运行就越精确。事实上，精确度与释放的热量成正比。为了使时钟的精确度达到两倍，他们需要提供两倍的热量。

　　实验小组由兰卡斯特大学的Edward Laird博士、维也纳工业大学Atominstitut的Marcus Huber教授、量子光学和量子信息研究所（IQOQI）的Paul Erker和Yelena Guryanova博士，以及牛津大学的Natalia Ares博士、Anna Pearson博士和Andrew Briggs 教授组成。

　　他们的研究发表在《物理评论X》上，这是第一次对最小时钟产生的热损失进行测量。了解计时所涉及的热力学成本是未来技术发展道路上的一个核心步骤，在系统接近量子领域时理解和测试热力学。

　　它还显示了时钟和蒸汽机的运行之间的相似性。对于蒸汽机来说，我们必须提供多少热量才能完成所需的工作量，这是一个基本的制约因素。这个约束是著名的热力学第二定律，是现代工程的核心。这个实验表明，时钟和发动机一样，也受到第二定律的制约，只不过它们的输出是精确的滴答声。

　　兰卡斯特大学的Edward Laird博士表示：“热力学学科包含了自然界最基本的原则，它告诉我们有两种类型的机器，我们在操作时不能不释放热量。一种是机械发动机，它在完成工作时释放热量；另一种是计算机内存，它在重写时释放热量。这个实验--与其他工作相结合--表明时钟也受到热力学的限制。它还提出了一个有趣的问题：是否所有可能的时钟都以这种方式受到限制，或者它只是我们所研究的那些时钟的一个属性？”有趣的是，许多日常时钟的效率与科学家们的分析预测相近。