La precisión de un reloj depende de la entropía

La precisión de un reloj depende de la entropía
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Una nueva investigación ha comprobado que la exactitud de los relojes atómicos, estrechamente relacionada con la entropía, se produce también en los relojes clásicos.

Todo sistema organizado tiende al desorden o entropía: eso significa que, a medida que pasa el tiempo, cualquier sistema se vuelve más desordenado o caótico.

La entropía se asimila con la flecha del tiempo y marca la irreversibilidad de los procesos físicos: podemos romper un huevo y batirlo, pero ese desorden que hemos creado no podemos recomponerlo y poner el huevo dentro de su cáscara después de batido.

Esta limitación nos ha llevado a lo largo de la historia a desarrollar tecnologías para atrapar el tiempo, primero con relojes de arena, luego con relojes de agua e incluso relojes de sol.

Más modernamente hemos creado los relojes mecánicos, los de cuarzo (el 90% de los actuales) e incluso los atómicos, basados en la medición de una resonancia de los átomos para establecer la mayor precisión que hemos alcanzado en la medida del paso del tiempo.

¿Podemos medir el tiempo?

Pero la entropía asociada al paso del tiempo plantea una cuestión interesante: si los relojes están sujetos a la entropía, ¿en qué medida podemos fiarnos de cómo miden el tiempo?

Una nueva investigación, liderada por Anna Pearson, del Cambridge Quantum Computing · QNLP, ha comprobado que la precisión de todos los relojes está relacionada con la entropía que generan, lo que significa que existe un vínculo entre el paso del tiempo y su medición.

En un artículo publicado en la revista Physical Review X, los autores de esta investigación señalan que todos los relojes, de una forma u otra, utilizan la evolución de la naturaleza hacia estados de mayor entropía para cuantificar el paso del tiempo.

Añaden que, debido a la naturaleza estadística de la segunda ley de la termodinámica y a los correspondientes flujos de la entropía, esas fluctuaciones están implicadas en el rendimiento de cualquier reloj.

Esto sugiere una profunda relación entre el aumento de la entropía y la calidad de los tic-tac del reloj, afirman categóricamente.

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Entropía y precisión

Entropía y precisiónY van incluso más lejos: tomando como referencia los relojes atómicos, en los que cada bit de entropía aumenta linealmente su precisión, descubrieron que los relojes clásicos aumentan también su precisión a medida que crece la entropía generada por la medición del tiempo.

Demostraron teóricamente que la máxima precisión posible para un reloj clásico es proporcional a la entropía creada por cada tic-tac, similar al límite conocido para un reloj cuántico.

En su investigación midieron tanto la precisión como la entropía mediante un experimento relativamente sencillo. Usaron una membrana muy delgada y de solo 1,5 milímetros a la que colgaron de dos postes.

La membrana funcionaba como un reloj: su cometido era medir el paso del tiempo. Una señal eléctrica enviada a intervalos de tiempo regulares, similares a los del tic-tac de un reloj, movía la membrana hacia arriba y hacia abajo.

Precisión y calor

Precisión y calorUna antena registró ese movimiento y determinó algo curioso: cuanto más intensa era la señal eléctrica, mayor era la precisión que marcaba ese original reloj. Además, a mayor precisión, mayor entropía, derivada del calor producido en el circuito que permite medir el paso del tiempo.

Los investigadores consideran que lo mismo que pasa cuando medimos el tiempo a escala cuántica, ocurre también cuando intentamos atrapar el tiempo con sistemas físicos clásicos: el entropía es determinante para la precisión.

En cualquier caso, no se puede generalizar: el reloj usado en el experimento no equivale a cualquier reloj posible que mida el tiempo, por lo que hay que ser prudentes respecto a establecer que el tiempo se mide siempre con la misma precisión en el mundo cuántico y en el clásico, en función de la entropía que genera la medición.

Referencia

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ReferenciaMeasuring the thermodynamic cost of timekeeping. A. N. Pearson et al. Phys. Rev. X (Accepted Paper).

Imagen superior: Joshua Choate en Pixabay