Введение

Отношение между понятиями термодинамической и информационной энтропии. Математические выражения термодинамической энтропии, разработанные Людвигом Больцманом и Дж. Уиллардом Гиббсом в рамках статистической термодинамики в 1870-х годах, аналогичны информационной энтропии, предложенной Клодом Шенноном и Ральфом Хартли в 1940-х годах.

Теоретическая связь

Несмотря на вышеизложенное, существует различие между этими двумя величинами. Информационная энтропия Η может быть вычислена для любого распределения вероятностей (если «сообщение» определяется как наступление события i с вероятностью pi из множества возможных событий), в то время как термодинамическая энтропия S относится конкретно к термодинамическим вероятностям pi. Однако это различие скорее теоретическое, чем практическое, поскольку любое распределение вероятностей может быть сколь угодно точно аппроксимировано некоторой термодинамической системой. Более того, между ними можно установить прямую связь. Если рассматриваемые вероятности являются термодинамическими вероятностями pi, то (сведенная) энтропия Гиббса σ может рассматриваться как просто количество информации Шеннона, необходимое для определения детального микроскопического состояния системы, при заданном ее макроскопическом описании. Или, как выразился Г.Н. Льюис в 1930 году, рассуждая о химической энтропии: «Увеличение энтропии всегда означает потерю информации и ничего больше». Чтобы быть более конкретным, в дискретном случае с использованием логарифмов по основанию два, сведенная энтропия Гиббса равна среднему минимальному числу вопросов типа «да-нет», на которые необходимо ответить, чтобы полностью определить микросостояние, зная макросостояние. Кроме того, процедура нахождения равновесных распределений статистической механики, таких как распределение Больцмана, путем максимизации энтропии Гиббса при соответствующих ограничениях (алгоритм Гиббса), может рассматриваться не как нечто уникальное для термодинамики, а как принцип, имеющий общую применимость в статистическом выводе, если требуется найти максимально неинформативное распределение вероятностей при определенных ограничениях на его средние значения. (Эти перспективы более подробно рассматриваются в статье «Термодинамика максимальной энтропии»). Энтропия Шеннона в теории информации иногда выражается в единицах битов на символ. Физическая энтропия может быть выражена в расчете «на единицу количества» (h), которая называется «интенсивной» энтропией, в отличие от обычной полной энтропии, называемой «экстенсивной» энтропией. «Шенноны» сообщения (Η) – это его общая «экстенсивная» информационная энтропия и равна h, умноженному на число битов в сообщении. Прямая и физически обоснованная связь между h и S может быть установлена, если каждому микросостоянию, возникающему на моль, килограмм, объем или частицу однородного вещества, присвоить символ, а затем вычислить «h» для этих символов. По теории или по результатам наблюдений, символы (микросостояния) будут возникать с разными вероятностями, что и определит h. Если имеется N молей, килограммов, объемов или частиц единицы вещества, то соотношение между h (в битах на единицу вещества) и физической экстенсивной энтропией в натах следующее: где ln(2) является коэффициентом преобразования из основания 2 энтропии Шеннона в натуральное основание e физической энтропии. N h – это количество информации в битах, необходимое для описания состояния физической системы с энтропией S. Принцип Ландауэра подтверждает это, утверждая, что минимальная энергия E, требуемая (и, следовательно, тепло Q, выделяемое) при идеально эффективном изменении памяти или логической операции путем необратимого стирания или объединения N h битов информации, будет равна S, умноженному на температуру: где h измеряется в информационных битах, а E и Q – в физических джоулях. Это было подтверждено экспериментально. Температура является мерой средней кинетической энергии на частицу в идеальном газе (кельвины = джоули/kB), поэтому единицы J/K для kB безразмерны (джоуль/джоуль). kb – это коэффициент преобразования энергии из кельвинов в джоули для идеального газа. Если измерения кинетической энергии на частицу идеального газа выражались бы в джоулях вместо кельвинов, то kb в вышеуказанных уравнениях следовало бы заменить на 3/2. Это показывает, что S является истинной статистической мерой микросостояний, которая не имеет фундаментальной физической единицы, кроме единиц информации, в данном случае натов, что является просто указанием на то, какое основание логарифма было выбрано по соглашению.

Двигатель Силарда

Физический мысленный эксперимент, демонстрирующий, как само владение информацией может в принципе иметь термодинамические последствия, был предложен Лео Силардом в 1929 году, как усовершенствование знаменитого сценария с демоном Максвелла (и обращение эксперимента по расширению Джоуля). Рассмотрим установку Максвелла, но с единственной газовой частицей в коробке. Если сверхъестественный демон знает, в какой половине коробки находится частица (что эквивалентно одному биту информации), он может закрыть затвор между половинами коробки, затем без сопротивления сдвинуть поршень в пустую половину, и после этого извлечь джоули полезной работы, открыв затвор снова. После этого частица может изотермически расшириться обратно до своего первоначального равновесного объема. Таким образом, при определенных условиях, владение одним битом информации Шеннона (один бит негатропии в терминологии Бриллюэна) действительно соответствует уменьшению энтропии физической системы. Глобальная энтропия не уменьшается, но возможно преобразование информации в свободную энергию. Этот мысленный эксперимент был физически реализован с использованием фазово-контрастного микроскопа, оснащенного высокоскоростной камерой, подключенной к компьютеру, выполняющему роль демона. В этом эксперименте преобразование информации в энергию осуществляется на броуновской частице посредством обратной связи, то есть синхронизации работы, совершаемой над частицей, с информацией о ее положении. Расчет энергетических балансов для различных протоколов обратной связи подтвердил, что равенство Джаржинского требует обобщения, учитывающего объем информации, задействованной в обратной связи.

Принцип Ландауэра

Фактически, можно обобщить: любая информация, имеющая физическое представление, должна быть каким-то образом встроена в статистико-механические степени свободы физической системы. Таким образом, Рольф Ландауэр утверждал в 1961 году, что если представить, что эти степени свободы изначально находятся в состоянии теплового равновесия, то при их приведении в известное состояние произойдет реальное уменьшение термодинамической энтропии. Это возможно лишь при сохранении информации в рамках микроскопически детерминированной динамики, если неопределенность каким-то образом рассеивается в другом месте, то есть если энтропия окружающей среды (или степеней свободы, не несущих информацию) увеличится как минимум на эквивалентную величину, как того требует Второй закон термодинамики, за счет получения соответствующего количества тепла: а именно kT ln 2 тепла на каждый 1 бит стертой случайности. С другой стороны, Ландауэр утверждал, что нет термодинамических возражений против потенциальной реализации логически обратимой операции физически обратимым способом в системе. Только логически необратимые операции – например, стирание бита в известное состояние или слияние двух вычислительных путей – должны сопровождаться соответствующим увеличением энтропии. Когда информация является физической, любое преобразование ее представлений, то есть генерация, кодирование, передача, декодирование и интерпретация, представляет собой естественные процессы, в которых энтропия возрастает за счет потребления свободной энергии. Применительно к сценарию демона Максвелла/двигателя Силарда, это позволяет предположить, что "считывание" состояния частицы в вычислительное устройство может быть выполнено без затрат энтропии; но только если устройство уже приведено в известное состояние, а не находится в состоянии теплового равновесия с неопределенностью. Приведение (или перезапуск) устройства в это состояние потребует всей энтропии, которую можно сэкономить, зная состояние частицы Силарда. В 2008 и 2009 годах исследователи показали, что принцип Ландауэра может быть выведен из второго закона термодинамики и изменения энтропии, связанного с получением информации, развивая термодинамику квантовых и классических систем с обратной связью.

Негентропия

Энтропия Шеннона была связана физиком Леоном Брилуаном с понятием, иногда называемым негентропией. В 1953 году Брилуан вывел общее уравнение, утверждающее, что изменение значения бита информации требует не менее kT ln(2) энергии. Это та же энергия, что и работа, производимая двигателем Лео Силарда в идеальном случае, которая, в свою очередь, равна той же величине, которую нашёл Ландауэр. В своей книге он далее исследовал эту проблему, заключив, что любая причина изменения значения бита (измерение, принятие решения в ответ на вопрос "да/нет", стирание, отображение и т. д.) потребует одинакового количества энергии – kT ln(2). Следовательно, получение информации о микросостояниях системы связано с производством энтропии, в то время как стирание приводит к производству энтропии только при изменении значения бита. Установка бита информации в подсистему, первоначально находящуюся в тепловом равновесии, приводит к локальному снижению энтропии. Однако, по мнению Брилуана, это не нарушает второй закон термодинамики, поскольку снижение термодинамической энтропии в любой локальной системе приводит к увеличению термодинамической энтропии в другом месте. Таким образом, Брилуан уточнил значение негентропии, которое считалось спорным, поскольку её прежнее понимание могло приводить к эффективности Карно, превышающей единицу. Кроме того, связь между энергией и информацией, сформулированная Брилуаном, была предложена как связь между количеством бит, обрабатываемых мозгом, и потребляемой им энергией: Коллель и Фауке утверждали, что Де Кастро аналитически нашёл предел Ландауэра как термодинамическую нижнюю границу для вычислений мозга. Однако, даже если предположить, что эволюция "отобрала" наиболее энергоэффективные процессы, физические нижние границы не являются реалистичными для мозга. Во-первых, потому что минимальная единица обработки, рассматриваемая в физике, – это атом/молекула, что существенно отличается от реального способа работы мозга; и во-вторых, потому что нейронные сети включают в себя важные факторы избыточности и шума, которые значительно снижают их эффективность. Лофлин и др. первыми предоставили конкретные значения энергетических затрат на обработку сенсорной информации. Их исследования на журчащих мухах показали, что для визуальных сенсорных данных стоимость передачи одного бита информации составляет около 5 × 10−14 джоулей, или, эквивалентно, 104 молекул АТФ. Таким образом, эффективность нейронной обработки всё ещё далека от предела Ландауэра в kTln(2) Дж, но, как любопытный факт, она всё ещё намного выше, чем у современных компьютеров. В 2009 году Махуликар и Хервиг переопределили термодинамическую негентропию как специфический дефицит энтропии динамически упорядоченной подсистемы относительно её окружения. Это определение позволило сформулировать принцип негентропии, который математически следует из второго закона термодинамики при существовании порядка.

Квантовая теория

Хиршман показал, см. неопределенность Хиршмана, что принцип неопределенности Гейзенберга можно выразить как конкретное нижнее ограничение для суммы классических энтропий распределения квантовых наблюдаемых вероятностных распределений квантово-механического состояния, квадрата волновой функции, в координатном и импульсном пространстве, выраженных в планковских единицах. Полученные неравенства дают более точную границу для соотношений неопределенности Гейзенберга. Имеет смысл говорить о "совместной энтропии", поскольку координаты и импульсы являются квантово-сопряженными переменными и, следовательно, не могут быть совместно наблюдаемыми. Математически их необходимо рассматривать как совместное распределение. Следует отметить, что эта совместная энтропия не эквивалентна энтропии фон Неймана, −Tr ρ lnρ = −⟨lnρ⟩. Считается, что энтропия Хиршмана учитывает полное информационное содержание смеси квантовых состояний. (Неудовлетворенность энтропией фон Неймана с точки зрения квантовой информации выразили Столланд, Померанский, Бахмат и Коэн, которые предложили иное определение энтропии, отражающее присущую неопределенность квантово-механических состояний. Это определение позволяет различать минимальную энтропию неопределенности чистых состояний и избыточную статистическую энтропию смесей.)