A precisão pode ter um custo.

Qual é o preço de um relógio preciso? Entropia, um novo estudo revelou.

Quanto mais preciso um relógio se torna, mais entropia ele cria. Crédito da imagem: Shutterstock

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A entropia ou desordem é criada toda vez que um relógio faz tique-taque. Agora, os cientistas que trabalham com um relógio minúsculo provaram uma relação simples: quanto mais preciso um relógio funciona, mais entropia ele gera. 

“Se você quer que seu relógio seja mais preciso, você tem que pagar por ele”, disse a co-autora do estudo Natalia Ares, uma física da Universidade de Oxford. “Cada vez que medimos o tempo, estamos aumentando a entropia do universo."

À medida que avançamos no tempo, a segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia de um sistema deve aumentar. Conhecida como a "seta do tempo", a entropia é uma das poucas quantidades na física que define o tempo para ir em uma direção particular, do passado, onde a entropia era baixa, para o futuro, onde será alta. 

Essa tendência de crescimento da desordem no universo explica muitas coisas, como por que é mais fácil misturar ingredientes do que separá-los, ou por que os fios dos fones de ouvido ficam tão intrincadamente emaranhados nos bolsos das calças. É também por meio dessa desordem crescente que a entropia está intimamente ligada ao nosso senso de tempo. Uma cena famosa no romance "Matadouro Cinco", de Kurt Vonnegut, demonstra como a entropia faz com que uma direção do tempo se pareça de maneira diferente ao interpretar a Segunda Guerra Mundial ao contrário: balas são sugadas de homens feridos; os fogos são reduzidos, reunidos em bombas, empilhados em fileiras organizadas e separados em minerais compostos; e a flecha invertida do tempo desfaz a desordem e a devastação da guerra.

Essa conexão íntima entre o tempo e a entropia fascinou os cientistas por décadas. Máquinas, como relógios, também produzem entropia na forma de calor dissipado em seus arredores. Os físicos foram capazes de provar que um minúsculo relógio quântico, um tipo de relógio atômico que usa átomos resfriados a laser que pulam em intervalos altamente regulares, cria mais desordem quanto mais precisamente mede o tempo. Mas, até agora, tem sido muito difícil provar que relógios maiores e mais mecanicamente complexos criam mais entropia quanto mais precisos eles se tornam, mesmo que a ideia pareça boa em teoria. 

“Os relógios são, de certa forma, como pequenas máquinas a vapor, você precisa fazer com que eles trabalhem para medir o tempo”, disse Ares, onde o “trabalho é a transferência de energia necessária para fazer dispositivos mecânicos como relógios funcionarem. "Para obter aquele tick, tick, tick regular, você tem que fazer a máquina funcionar. Isso significa que você precisa investir na produção de entropia."

Para testar essa ideia, os pesquisadores construíram um relógio simplificado feito de uma membrana de 50 nanômetros de espessura e 1,5 mm de comprimento esticada entre dois minúsculos postes que vibraram com pulsos de eletricidade. Contando cada flexão para cima e para baixo como um tique, a equipe mostrou que sinais elétricos mais potentes faziam o relógio bater com mais regularidade e precisão, mas ao custo de adicionar mais calor e, portanto, mais entropia ao sistema.

Ver essa relação entre entropia e precisão em um dispositivo muito maior do que um relógio quântico deu aos pesquisadores a confiança de que suas descobertas poderiam ser universais. Talvez se os relógios não produzissem nenhuma entropia, eles teriam a mesma probabilidade de correr para trás e para frente, e quanto mais entropia eles geram, mais eles ficam protegidos de balbuciações e flutuações ao contrário.

"Não sabemos ao certo ainda, mas o que descobrimos, tanto para nosso relógio quanto para relógios quânticos é que há uma relação proporcional entre precisão e entropia", disse Ares. "Pode não ser sempre uma relação linear para outros relógios, mas parece que a precisão é limitada pelas leis da termodinâmica." 

Além de serem úteis para projetar relógios e outros dispositivos no futuro, os pesquisadores veem suas descobertas como uma base para uma exploração mais profunda de como as leis da termodinâmica em grande escala se aplicam a pequenos dispositivos nanométricos.

"Agora temos tanto controle sobre esses dispositivos minúsculos e somos capazes de medi-los com tanta precisão que estamos redescobrindo a termodinâmica em uma escala completamente nova."Disse Ares. "É como a Revolução Industrial em nanoescala."

Os pesquisadores publicaram suas descobertas 06 de maio na revista Physical Review X.

Originalmente publicado em Live Science.