Кіріспе
Термодинамикалық энтропия мен ақпараттық энтропия ұғымдарының арақатынасы. 1870 жылдары Людвиг Болцман және Дж. Уиллард Гиббс қалыптастырған статистикалық термодинамикадағы термодинамикалық энтропияның математикалық формулалары 1940 жылдары Клод Шеннон мен Ральф Хартли жасаған ақпараттық энтропияға ұқсас келеді.
The mathematical expressions for thermodynamic entropy in the statistical thermodynamics formulation established by Ludwig Boltzmann and J. Willard Gibbs in the 1870s are similar to the information entropy by Claude Shannon and Ralph Hartley, developed in the 1940s.
Теориялық қатынас
Жоғарыда айтылғандарға қарамастан, екі шаманың арасында айырмашылық бар. Ақпараттық энтропия Η кез келген ықтималдық таралымы үшін есептелуі мүмкін (егер «хабарлама» деп i оқиғасының, pi ықтималдығымен, мүмкін болатын оқиғалар кеңістігінен тыс орын алғанын қабылдаса), ал термодинамикалық энтропия S нақты термодинамикалық ықтималдықтарға қатысты. Дегенмен, айырмашылық көбінесе теориялық сипатта, себебі кез келген ықтималдық таралымын кез келген термодинамикалық жүйе жақын түрде жуықтастыра алады. Сонымен қатар, екеуі арасында тікелей байланыс орнатуға болады. Егер қарастырылып отырған ықтималдықтар термодинамикалық ықтималдықтар болса, онда (кемітілген) Гиббс энтропиясы σ жүйенің макроскопиялық сипаттамасы белгілі болғанда, оның егжей-тегжейлі микроскопиялық күйін анықтау үшін қажетті Шеннон ақпаратының мөлшері ретінде қарастырылуы мүмкін. Немесе, 1930 жылы химиялық энтропия туралы жазған Г.Н.Льюис айтқандай, «Энтропияның артуы әрқашан ақпараттың жоғалуын білдіреді, және басқа ештеңе де емес». Нақтырақ айтқанда, дискретті жағдайда, екілік логарифмді пайдалана отырып, кемітілген Гиббс энтропиясы микрокүйді толық анықтау үшін жауап беру қажетті ең аз «иә»-«жоқ» сұрақтарының орташа санына тең, егер макрокүй белгілі болса. Бұдан әрі, статистикалық механиканың тепе-теңдік таралымдарын табу процедурасы – мысалы, Больцман таралымы – Гиббс энтропиясын тиісті шектеулерге сәйкес максимизациялау (Гиббс алгоритмі) термодинамикаға ғана тән емес, статистикалық қорытындылауда жалпы маңызы бар қағида болып табылады, егер оның орташа мәндеріне белгілі бір шектеулер қойылса, максималды ақпараттандырылмаған ықтималдық таралымын табу қажет болса. (Бұл көзқарастар «Максималды энтропиялы термодинамика» мақаласында одан әрі зерттеледі.) Ақпарат теориясындағы Шеннон энтропиясы кейде символға шаққандағы биттермен (бірліктермен) беріледі. Физикалық энтропия «бірлік мөлшеріне» (h) шаққандағы энтропия деп аталады, бұл әдеттегі «көлемдік» энтропиядан өзгеше, ол «көлемдік» энтропия деп аталады. Хабарламаның «шэннондары» (Η) оның жалпы «көлемдік» ақпараттық энтропиясы болып табылады және h-қа хабарламадағы биттер санының көбейтіндісіне тең. Біртекті заттың молі, килограммы, көлемі немесе бөлшегі үшін пайда болатын әрбір микрокүйге символ тағайындап, содан кейін осы символдардың 'h' -ін есептеу арқылы h және S арасындағы тікелей және физикалық байланысты табуға болады. Теория бойынша немесе байқаулар бойынша, символдар (микрокүйлер) әртүрлі ықтималдықтармен пайда болады, бұл h-ті анықтайды. Егер бірлік заттың N молі, килограммы, көлемі немесе бөлшектері болса, h (бірлік затқа шаққандағы биттермен) және nats-тағы физикалық көлемдік энтропия арасындағы қатынас: мұнда ln(2) – Шеннон энтропиясының 2-ші негізінен физикалық энтропияның табиғи негізі e-ге айналу коэффициенті. N h – энтропиясы S бар физикалық жүйенің күйін сипаттау үшін қажетті биттердегі ақпарат мөлшері. Ландауэр принципі мұның шындығын минималды энергия E (соответственно, жылу Q) идеалды түрде тиімді жадты өзгерту немесе логикалық операция үшін N h бит ақпаратты қайтымсыз жою арқылы туындайтынын көрсетеді, ол S-қа температураның көбейтіндісіне тең: мұнда h ақпараттық биттермен берілген, ал E және Q физикалық джоульдермен берілген. Бұл тәжірибе жүзінде расталған. Температура – идеалдық газдағы бір бөлшектің орташа кинетикалық энергиясының өлшемі (кельвин = джоуль/кБ), сондықтан кБ-ның J/K бірлігі өлшемсіз (джоуль/джоуль). кБ – идеалдық газдың энергиясын келвиннен джоульге айналдыру коэффициенті. Егер идеалдық газдың бір бөлшегінің кинетикалық энергиясы келвиннің орнына джоульдермен берілсе, жоғарыдағы теңдеулердегі кБ 3/2-ге алмастырылатын болады. Бұл S – микрокүйлердің нақты статистикалық өлшемі, оның негізгі физикалық бірлігі ақпарат бірліктерінен басқа жоқ, бұл жағдайда nats, бұл логарифм негізінің конвенция бойынша таңдалғандығын көрсетеді.
where ln(2) is the conversion factor from base 2 of Shannon entropy to the natural base e of physical entropy. N h is the amount of information in bits needed to describe the state of a physical system with entropy S. Landauer's principle demonstrates the reality of this by stating the minimum energy E required (and therefore heat Q generated) by an ideally efficient memory change or logic operation by irreversibly erasing or merging N h bits of information will be S times the temperature which is
where h is in informational bits and E and Q are in physical Joules. This has been experimentally confirmed. Temperature is a measure of the average kinetic energy per particle in an ideal gas (kelvins = joules/kB) so the J/K units of kB is dimensionless (joule/joule). kb is the conversion factor from energy in kelvins to joules for an ideal gas. If kinetic energy measurements per particle of an ideal gas were expressed as joules instead of kelvins, kb in the above equations would be replaced by 3/2. This shows that S is a true statistical measure of microstates that does not have a fundamental physical unit other than the units of information, in this case nats, which is just a statement of which logarithm base was chosen by convention.
Силардтың қозғалтқышы
1929 жылы Лео Силард атақты Максвеллдің жын сценарийін жетілдіріп (және Джоульдің кеңеюі туралы ой экспериментінің керісінше) ақпараттың болуы термодинамикалық салдарларға қалай әкелуі мүмкін екенін көрсететін физикалық ой эксперименті жасады. Максвеллдің орнатуын қарастырайық, бірақ қорапта газдың бір ғана бөлшегі болсын. Егер табиғаттан тыс жын бөлшектің қораптың қай жартысында екенін білсе (бір бит ақпаратқа баламалы), ол қораптың екі жартысының арасындағы жапқышты жаба алады, қораптың бос жартысына қарсылықсыз поршеньді жылжыта алады, содан кейін жапқышты қайта ашқанда пайдалы жұмыстың джоульдерін алады. Бөлшек содан кейін бастапқы тепе-теңдік көлеміне изотермиялық түрде кеңейтілуі мүмкін. Осылайша, дұрыс жағдайда, Шеннонның бір біт ақпаратына ие болу (Бриллуан терминімен бір бит негентропия) физикалық жүйенің энтропиясының төмендеуіне сәйкес келеді. Жалпы энтропия төмендемейді, бірақ ақпаратты еркін энергияға түрлендіру мүмкін. Бұл ой эксперименті физикалық тұрғыда дәлелденді, компьютерге қосылған жоғары жылдамдықты камерасы бар фазалық контраст микроскопы жын рөлін атқарады. Бұл экспериментте ақпаратты энергияға түрлендіру Браун бөлшегі арқылы кері байланыс механизмі арқылы жүзеге асырылады; яғни, бөлшекке берілген жұмыс оның орны туралы алынған ақпаратпен синхрондалады. Әртүрлі кері байланыс протоколдары үшін энергия баланстарын есептеу, Жарзинский теңдеуі кері байланыстағы ақпарат мөлшерін ескеретін жалпылауды қажет ететінін растады.
Ландауер қағидаты
Шындығында, жалпылама сөйлеуге болады: физикалық бейнеленген кез келген ақпарат физикалық жүйенің статистикалық-механикалық еркіндік дәрежелеріне қалай болса солай енгізілуі тиіс. Осылайша, 1961 жылы Рольф Ландауэр, егер осы еркіндік дәрежелері термодинамикалық тепе-теңдік күйде болса, оларды белгілі бір күйге келтіргенде термодинамикалық энтропияның нақты азаюы болады деп мәлімдеді. Бұл тек ақпаратты сақтайтын микроскопиялық детерминистік динамика арқылы ғана мүмкін, егер белгісіздік басқа жерге ауыстырылса, яғни, егер ортаның энтропиясы (немесе ақпараттық емес еркіндік дәрежелері) екінші заң талап ететіндей, жылудың тиісті мөлшерін алып, кем дегенде сол сияқты мөлшерде артса: әрбір 1 бит кездейсоқтық жойылғанда нақты kT ln 2 жылу мөлшері. Екінші жағынан, Ландауэр жүйенің физикалық түрде қайтымды операциясы логикалық түрде қайтымды болуына термодинамикалық қарсылық жоқ деді. Тек логикалық түрде қайтымсыз операциялар – мысалы, бітті белгілі бір күйге жою немесе екі есептеу жолын біріктіру – ғана сәйкес энтропияның артуымен бірге жүруі керек. Ақпарат физикалық болғанда, оның бейнелеуін өңдеу, яғни жасау, кодтау, беру, декодтау және түсіндіру – бұл энтропия еркін энергияны тұтыну арқылы артатын табиғи процестер. Максвеллдің демоны/Силард машинасы сценарийына қатысты қарастырғанда, бұл бөлшектің күйін энтропия шығынызсыз есептеу құрылғысына "оқуға" болады; бірақ құрылғы термодинамикалық тепе-теңдік күйіндегі белгісіздікке емес, белгілі бір күйге енгізілген жағдайда ғана. Құрылғыны осы күйге орнату (немесе қайта орнату) үшін Силард бөлшегінің күйін білу арқылы сақталатын барлық энтропия жұмсалады. 2008 және 2009 жылдары зерттеушілер Ландауэр принципінің термодинамиканың екінші заңынан және ақпарат алумен байланысты энтропияның өзгеруінен туындатылатынын көрсетті, сондай-ақ кванттық және классикалық кері байланыспен басқарылатын жүйелердің термодинамикасын дамытты.
Негентропия
Шеннон энтропиясын физик Леон Брилуан кейде негентропия деп аталатын ұғыммен байланыстырды. 1953 жылы Брилуан жалпы теңдеуді шығарып, ақпарат битінің мәнін өзгерту үшін кем дегенде kT ln(2) энергия қажет екенін көрсетті. Бұл Лео Силардтың қозғалтқышы идеалистік жағдайда өндіретін жұмыс энергиясына тең, ал ол өз кезегінде Ландауэр тапқан шамаға сай келеді. Кітабында ол бұл мәселені одан әрі зерттей келе, бит мәнінің өзгеруіне себеп болатын кез келген фактор (өлшеу, «иә/жоқ» сұрағына жауап беру, жою, көрсету және т.б.) бірдей kT ln(2) энергиясын қажет ететінін тұжырымдады. Осылайша, жүйенің микрокүйлері туралы ақпаратты алу энтропияның өндірілуімен байланысты, ал мәліметтерді жою тек бит мәні өзгерген кезде ғана энтропия өндірісіне әкеледі. Термиялық тепе-теңдіктегі жүйеде ақпаратты орнату жергілікті энтропияның төмендеуіне себеп болады. Алайда, Брилуанның сөзіне сүйенсек, термодинамиканың екінші заңы бұзылмайды, себебі кез келген жергілікті жүйенің термодинамикалық энтропиясының төмендеуі басқа жерде термодинамикалық энтропияның артуымен өтеледі. Осылайша Брилуан негентропия ұғымын түсіндірді, ол бұрынғы түсініктерінің әсерінен Карно тиімділігін бірден жоғары көрсетуі мүмкін болғандықтан, даулы саналды. Сонымен қатар, Брилуан ұсынған энергия мен ақпарат арасындағы байланыс ми өңдейтін биттер саны мен оның тұтынатын энергиясы арасындағы байланыс ретінде қарастырылды: Коллель мен Фауке Де Кастроның Ландауэр шегін ми есептеулерінің термодинамикалық ең төменгі шегі ретінде талдамалық түрде анықтағанын айтты. Дегенмен, эволюция ең энергияны тиімді процестерді «таңдаған» болса да, физикалық ең төменгі шектер ми үшін нақты шамалар емес. Біріншіден, физикада қарастырылатын ең кішкентай өңдеу бірлігі – атом/молекула, ол мидің нақты жұмыс істеу тәсілінен өте алшақ; екіншіден, нейрондық желілер маңызды артық ақпаратты және шу факторларын қамтиды, бұл олардың тиімділігін айтарлықтай төмендетеді. Лафлин және тағы басқалар сезімдік ақпаратты өңдеудің энергетикалық құнын нақты көрсеткен алғашқы ғалымдардың қатарында болды. Олардың зерттеулерінде визуалды сезімдік деректерді берудің бір битіне шамамен 5 × 10−14 джоуль, немесе 104 АТФ молекуласы қажет екені анықталды. Осылайша, нейрондық өңдеу тиімділігі әлі де Ландауэрдің kTln(2) J шегінен төмен, бірақ қызықты факт ретінде, ол қазіргі заманғы компьютерлерге қарағанда әлдеқайда тиімді. 2009 жылы Махуликар мен Гервиг термодинамикалық негентропияны динамикалық реттелген қосалқы жүйенің айналасына қатысты нақты энтропия тапшылығы ретінде қайта анықтады. Бұл анықтама реттің қалыптасуы кезінде термодинамиканың екінші заңынан математикалық тұрғыдан туындайтын Негентропия қағидасын формулирлеуге мүмкіндік берді.
Кванттық теория
Хиршман көрсеткендей, Хиршманның белгісіздік принципі Гейзенбергтің белгісіздік принципін кванттық механикалық күйдің кванттық өлшенетін шамаларының ықтималдық үлестірімдерінің классикалық үлестірім энтропиясының қосындысының ең төменгі шегі ретінде, координаттар және импульс кеңістігінде, толқын функциясының квадраты Планк бірліктерімен берілгенде, көрсетуге болады. Соның нәтижесінде алынған теңсіздіктер Гейзенбергтің белгісіздік қатынастарына нақтырақ шектеулер қояды. Позициялар мен импульстар кванттық конъюгатты айнымалылар болғандықтан, оларды бірдей бақылау мүмкін емес, сондықтан "бірлескен энтропияны" тағайындау маңызды. Математикалық тұрғыдан алғанда, оларды бірлескен үлестірім ретінде қарастыру қажет. Бұл бірлескен энтропия фон Нейман энтропиясына тең емес екенін ескеріңіз, −Tr ρ lnρ = −⟨lnρ⟩. Хиршман энтропиясы кванттық күйлердің қоспасының толық ақпараттық мазмұнын қамтиды. (Кванттық ақпарат тұрғысынан Вон-Нейман энтропиясына наразылық білдірген Стотланд, Померанский, Бахмат және Коэн кванттық механикалық күйлердің ішкі белгісіздігін көрсететін жаңа энтропия анықтамасын ұсынды. Бұл анықтама таза күйлердің ең төменгі белгісіздік энтропиясы мен қоспалардың артық статистикалық энтропиясын ажыратуға мүмкіндік береді.)