Kuptimi i ri termodinamik i orëve

Në vitin 2013, një student i magjistraturës në fizikë i quajtur Paul Erker shkoi duke lexuar librat dhe letrat duke kërkuar një shpjegim se çfarë është ora. “Koha është ajo që mat një orë,” tha në mënyrë të famshme Albert Ajnshtajni; Erker shpresonte se një kuptim më i thellë i orëve mund të frymëzonte njohuri të reja rreth natyrës së kohës.

Por ai zbuloi se fizikanët nuk ishin shqetësuar shumë për bazat e matjes së kohës. Ata prireshin ta merrnin informacionin e kohës si të mirëqenë. “Isha shumë i pakënaqur nga mënyra se si literatura e deritanishme trajtonte orët,” tha Erker së fundmi.

Fizikani i ri filloi të mendojë vetë se çfarë është ora – çfarë duhet për të treguar kohën. Ai kishte disa ide fillestare. Më pas në vitin 2015, ai u transferua në Barcelonë për doktoraturë. Atje, një kuadër i tërë fizikanësh morën pyetjen e Erkerit, të udhëhequr nga një profesor i quajtur Marcus Huber. Huber, Erker dhe kolegët e tyre u specializuan në teorinë e informacionit kuantik dhe termodinamikën kuantike, disiplina në lidhje me rrjedhën e informacionit dhe energjisë. Ata e kuptuan se këto korniza teorike, të cilat mbështesin teknologjitë në zhvillim, si kompjuterët kuantikë dhe motorët kuantikë, siguruan gjithashtu gjuhën e duhur për përshkrimin e orëve.

“Na ka ndodhur që në fakt ora është një makinë termike,” shpjegoi Huber në Zoom, me dreadlocks e tij të errët bionde të mbështjellë mbi një bluzë të zezë. Ashtu si një motor, një orë shfrytëzon rrjedhën e energjisë për të kryer punë, duke prodhuar shkarkime në proces. Motorët përdorin energji për të lëvizur; orët e përdorin atë për të shënuar.

Gjatë pesë viteve të fundit, përmes studimeve të orëve më të thjeshta të imagjinueshme, studiuesit kanë zbuluar kufijtë themelorë të matjes së kohës. Ata kanë hartuar marrëdhënie të reja midis saktësisë, informacionit, kompleksitetit, energjisë dhe entropisë – sasia, ngritja e pandërprerë e së cilës në univers është e lidhur ngushtë me shigjetën e kohës.

Këto marrëdhënie ishin thjesht teorike deri në këtë pranverë, kur fizikantja eksperimentale Natalia Ares dhe ekipi i saj në Universitetin e Oksfordit raportuan matjet e një ore në shkallë nano që mbështesin fuqimisht teorinë e re termodinamike.

Nicole Yunger Halpern, një termodinamiste kuantike në Universitetin e Harvardit, e cila nuk ishte e përfshirë në punën e fundit të orës, e quajti atë “themelore”. Ajo mendon se gjetjet mund të çojnë në hartimin e orëve kuantike autonome në mënyrë optimale efikase për kontrollin e operacioneve në kompjuterët kuantikë dhe nanorobotët e ardhshëm.

Perspektiva e re mbi orët ka ofruar tashmë ushqim të ri për diskutimet e vetë kohës. “Kjo linjë pune përballet, në një mënyrë themelore, me rolin e kohës në teorinë kuantike,” tha Yunger Halpern.

Gerard Milburn, një teoricien kuantik në Universitetin e Queensland në Australi, i cili shkroi një punim rishikues vitin e kaluar në lidhje me kërkimin mbi termodinamikën e orës, tha: “Unë nuk mendoj se njerëzit e vlerësojnë se sa thelbësore është ajo.”

Gjëja e parë që duhet të theksohet është se pothuajse gjithçka është një orë. Plehrat lajmërojnë ditët me erën e tyre përkeqësuese. Rrudhat shënojnë vitet. “Ju mund ta dalloni kohën duke matur se sa e ftohtë ka ftohur kafeja në tavolinën tuaj të kafesë,” tha Huber, i cili tani është në Universitetin Teknik të Vjenës dhe Institutin për Optikë Kuantike dhe Informacion Kuantik në Vjenë.

Herët në bisedat e tyre në Barcelonë, Huber, Erker dhe kolegët e tyre kuptuan se një orë është çdo gjë që pëson ndryshime të pakthyeshme: ndryshime në të cilat energjia shpërndahet midis më shumë grimcave ose në një zonë më të gjerë. Energjia ka tendencë të shpërndahet – dhe entropia, një masë e shpërndarjes së saj, tenton të rritet – thjesht sepse ka shumë, shumë më tepër mënyra që energjia të shpërndahet sesa të përqendrohet shumë. Kjo asimetri numerike dhe fakti kurioz që energjia filloi të përqendrohej jashtëzakonisht në fillim të universit, janë arsyeja pse energjia tani lëviz drejt rregullimeve gjithnjë e më të shpërndara, një filxhan kafeje ftohëse në të njëjtën kohë.

Jo vetëm tendenca e fortë e përhapjes së energjisë dhe rritja e pakthyeshme që rezulton nga entropia duket se përbëjnë shigjetën e kohës, por sipas Huber dhe kompanisë, ajo llogarit edhe orët. “Parikthyeshmëria është me të vërtetë thelbësore,” tha Huber. “Ky ndryshim në perspektivë është ajo që ne donim të eksploronim.”

Kafeja nuk bën një orë të shkëlqyer. Ashtu si me shumicën e proceseve të pakthyeshme, ndërveprimet e tij me ajrin përreth ndodhin në mënyrë stokastike. Kjo do të thotë që ju duhet të bëni një mesatare për periudha të gjata kohore, duke përfshirë shumë përplasje të rastësishme midis molekulave të kafesë dhe ajrit, në mënyrë që të vlerësoni me saktësi një interval kohor. Kjo është arsyeja pse ne nuk i referohemi kafesë, mbeturinave apo rrudhave, si orë.

Ne e rezervojmë atë emër, kuptuan termodinamistët e orës, për objektet, aftësia e matjes së kohës së të cilëve përmirësohet nga periodiciteti: një mekanizëm që ndan intervalet midis momenteve kur ndodhin procese të pakthyeshme. Një orë e mirë nuk ndryshon vetëm. Ajo rriqron.

Sa më të rregullta të jenë tik-ta, aq më e saktë është ora. Në punimin e tyre të parë, të botuar në Physical Review X në 2017, Erker, Huber dhe bashkëautorët treguan se mbajtja më e mirë e kohës ka një kosto: Sa më e madhe të jetë saktësia e orës, aq më shumë energji shpërndahet dhe aq më shumë entropi prodhon gjatë rrjedhës së duke shënuar.