Los relojes que consumen más energía son más precisos … porque la termodinámica


Los relojes impregnan nuestras vidas, desde los relojes celulares dentro de nuestros cuerpos hacia relojes atómicos que subyacen a la navegación por satélite.

Estos relojes atómicos pueden medir el tiempo con precisión en un segundo en miles de millones de años. Pero podría haber un precio a pagar por esta precisión, en forma de energía.

Nuestro nuevo experimento descubrieron que los relojes que miden el tiempo con mayor precisión consumen más energía que sus contrapartes menos precisas. Esto sugiere que la naturaleza impone un costo de energía fundamental para mantener el tiempo, y puede significar que hay un límite en la precisión con la que podemos hacer relojes.

La rama de la ciencia que estudia la energía requerida para diferentes procesos físicos se llama termodinámica. Sus leyes son ineludibles y todas nuestras máquinas están limitadas por ellas, incluidas las centrales eléctricas, las computadoras y los motores.

Un principio clave de la termodinámica es que la energía siempre fluye eventualmente de los objetos calientes a los fríos. Si invertimos el flujo en un lugar, como un refrigerador, debemos pagarlo en otro lugar, como en una central eléctrica.

Una consecuencia de esto es que todo en el universo finalmente alcanzará la misma temperatura. En este punto, la vida, que depende del flujo de energía, se volverá imposible. Este sombrío escenario – que se encuentra en un futuro lejano, si el universo dura tanto tiempo – se conoce como muerte por calor.

La evolución unidireccional impulsada por las leyes de la termodinámica, a menudo llamada la flecha del tiempo, limita profundamente lo que la tecnología puede y no puede hacer. Por ejemplo, hay una energía útil máxima que se puede extraer quemando una cantidad determinada de combustible a una temperatura determinada. Ningún motor será más eficiente que este. La termodinámica también impone un precio por reescribir la información y limita la eficiencia de cualquier posible memoria de computadora.

Tiempo de estudiar

Puede haber otras máquinas termodinámicas restringidas de esta manera. Algunas pistas interesantes sugieren que los relojes son un tercer ejemplo.

Simulaciones de relojes dentro de bacterias y lo ultimo Relojes «cuánticos» muestran que, a pesar de que sus entrañas son completamente diferentes, ambos deben recibir energía para crear el mismo flujo de calor a frío. Este es el costo que deben pagar para mantener el tiempo, y la teoría termodinámica de los relojes predice que debe aumentar cuando mejora la precisión del reloj.

Para averiguar si tal restricción se aplica a los relojes reales, nosotros y nuestros colegas, incluida la candidata a doctorado Anna Pearson, construimos un reloj particularmente simple basado en un reloj de péndulo, en el que se puede medir y controlar el flujo de energía.

Nuestro «péndulo», tal vez descrito con mayor precisión como un tambor, era una membrana suspendida, de solo 50 nanómetros (mil millonésimas de metro) de espesor, que vibraba a una frecuencia establecida. Cada vibración correspondía a un tic del reloj. Podríamos aumentar la fuerza de estas vibraciones suministrando energía a la membrana de forma controlada. Determinar la precisión del reloj se convirtió en una cuestión de medir la frecuencia con la que se producían los tics, lo que hicimos utilizando un circuito eléctrico.

Al igual que cualquier otro motor, el reloj tenía que liberar parte de la energía que se le suministraba en forma de calor. En nuestro diseño, este calor contribuyó a la señal del circuito eléctrico. Podríamos medir tanto la precisión del reloj como el precio en términos de calor liberado.

La teoría termodinámica de los relojes hizo dos predicciones sobre nuestro experimento. Primero, cuanta más energía suministremos, con mayor precisión debería funcionar el reloj. En segundo lugar, la cantidad de calor liberada por el reloj debería aumentar en proporción a su precisión.

Ambas predicciones se hicieron realidad. Es más, la relación entre la precisión y el calor liberado estuvo cerca del valor que predice la teoría, una vez que se tuvo en cuenta el ruido eléctrico en el experimento.

El costo de medir el tiempo

Nuestros resultados muestran que de hecho hay un precio por medir el tiempo con precisión, al menos para este simple reloj. Curiosamente, nuestra teoría predice con bastante precisión el consumo de energía de relojes más complejos en la vida cotidiana. Por ejemplo, dice que un reloj de pulsera debería consumir al menos un microvatio (una millonésima parte de un vatio) de energía, que de hecho es un poco menos que el consumo real.

Entonces, ¿los esfuerzos de los humanos por medir el tiempo aceleran ineludiblemente el viaje del universo hacia la muerte por calor? No tenemos que preocuparnos, por dos razones.

Primero, algunos relojes, particularmente los relojes atómicos más precisos, son mucho más eficientes de lo que predice nuestra teoría. Esto muestra que la restricción termodinámica que hemos encontrado no se aplica de la misma manera a todos los relojes, lo que significa que todavía carecemos de una comprensión integral del cronometraje.

Más importante aún, la energía disipada por los relojes es minúscula a escala universal. La muerte térmica del universo puede suceder eventualmente, pero la causa no estará en nosotros mismos, sino en las estrellas.La conversación

Este artículo de Edward Laird, Profesor de Física Experimental de la Materia Condensada, Universidad de Lancaster y Natalia Ares, Investigador de la Universidad de la Royal Society, Universidad de Oxford se vuelve a publicar desde La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el artículo original.



Fuente: TNW

Compartir:

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Esta web utiliza cookies propias y de terceros para su correcto funcionamiento y para fines analíticos y para fines de afiliación y para mostrarte publicidad relacionada con sus preferencias en base a un perfil elaborado a partir de tus hábitos de navegación. Al hacer clic en el botón Aceptar, acepta el uso de estas tecnologías y el procesamiento de tus datos para estos propósitos. Ver Política de cookies
Privacidad