Существует такое понятие, как обратимые и необратимые процессы.
Вопрос: есть ли в природе обратимые процессы при взаимодействии самостоятельных объектов, не связанных между собой физическими силами? Оказывается, нет. Даже если в космосе встретятся два абсолютно упругих шарика равных масс, то и в этом случае процесс является необратимым, так как эти шарики уже больше никогда не встретятся друг с другом. Такое событие является сугубо единичным. Поэтому рассмотрение таких событий не представляет интереса.
Рассмотрим энергетическую сущность необратимых процессов в виде двух самостоятельно целостных материальных объектов. Материальный объект – это объект, обладающий массой. Если конкретный объект можно заключить в такую пространственную воображаемую оболочку, в которой между составными частями, представляющими объект, действуют статистически уравновешенные физические силы, то такой объект является целостным самостоятельным объектом. Такое состояние объекта является стационарным, стабильным.
Выделение энергии в самостоятельном объекте происходит при нарушении состояния статистической уравновешенности действия физических сил.
Энергия объекта выделяется в следующих формах:
· либо в виде кинетической энергии микрочастиц, представляющих объект (тепловая
энергия);
· или в виде кинетической энергии тех частей, которыми представлен объект;
· или через излучение фотонов;
· либо в обоих формах.
С энергетической точки зрения объекты могут находиться в трех энергетических состояниях. Энергия объектов:
· не изменяется;
· снижается за счет передачи энергии в окружающую среду;
· повышается за счет поглощения энергии из окружающей среды.
В первом случае объекты находятся в стационарном состоянии. Во втором и третьем случаях объекты находятся в динамичных изменяющихся состояниях.
С точки зрения энергетического взаимодействия объекты могут находиться в трех энергетических состояниях:
· энергия объектов не изменяется;
· энергия первого объекта перейдет ко второму;
· энергия объекта передается первому объекту.
В первом случае энтропия объектов неизменна. Во втором и третьем случаях совокупная энтропия объектов может только возрастать.
Как один из объектов может узнать о существовании второго? Если только второй объект передаст часть своей энергии первому объекту.
В какой форме объекты могут обмениваться энергией? Обязательно с изменением их массы – с потерей части массы у одного из объектов, которая передается второму объекту. В любом случае, особо подчеркнем, только часть энергии, выделяющаяся у одного из объектов, может быть передана второму объекту.
Тем не менее, общая энтропия у объектов возрастет из-за необратимости описанного процесса. Здесь важно то, что изменяется внутреннее потенциальное энергетическое состояние у обоих объектов, так как часть внутренней потенциальной энергии одного объекта перешла во внутреннюю потенциальную энергию второго. Таким образом, второй объект не только узнал о существовании первого объекта, но и то, что у него изменилось его внутреннее энергетическое состояние. Причем, первый объект о втором объекте абсолютно ничего не знает. Та энергия, которая передалась от первого объекта ко второму, названа информационным сигналом.
Таким образом, информация всегда материальна. Чтобы передать информацию, объект должен понизить свое энергетическое состояние, а избыточную энергию передать внешним наблюдателям и таким образом повысить общее энтропийное состояние вместе с наблюдателем.
Только изменение энергетического состояния объекта порождает изменение его информационного состояния. Информация порождается сугубо динамичными объектами. Здесь не рассматривается вопрос отраженных сигналов.
Информационная энергия принципиально не отличается от любой другой физической энергии. Это понятие определяется всего лишь тем смыслом, который человек в него вкладывает. Это сделано для облегчения рассмотрения тех различных энергетических процессов, которые протекают в природных явлениях.
Перейдем к рассмотрению объектов с другой стороны. Объект и наблюдатель не имеют друг перед другом никаких энергетических преимуществ. Они абсолютно равноправны с энергетической точки зрения.
Теперь наблюдатель решил передать свою информацию в виде величины соответствующей энергии наблюдаемой физической системе и таким образом повысить ее энергетическое состояние.
Возникает вопрос: когда с энергетической точки зрения информационная энергия становится информационным сигналом?
Такой критерий был сформулирован Ландауэром. Энергетическим порогом является произведение постоянной Больцмана, величины абсолютной температуры и натурального логарифма двойки.
При температуре 300 градусов Кельвина эта величина равна: 2 умножить на 10 в минус 21 степени джоуля.
О чем идет речь? Был рассмотрен процесс передачи информации от объекта-источника информации к наблюдателю. Как было сказано выше, можно рассмотреть обратный процесс, когда наблюдатель передает информацию в виде энергии объекта наблюдения. Это означает, что наблюдатель повышает энергетическое состояние объекта своим энергетическим воздействием. Так как дистанционно можно повысить энергию объекта, но не понизить. За единицу информации принят один бит. Следовательно, чтобы повысить информационное состояние любого объекта на 1 бит, необходимо, как минимум, преодолеть энергетический порог критерия Ландауэра. Для успешной работы вычислительной машины мало записать бит информации, его еще необходимо считать.
Как было выше сказано, при передаче информации наблюдателю передается только часть энергии информационного объекта, а часть безвозвратно теряется. Здесь работает сам факт передачи информационного сигнала.
Критерий Ландауэра определяет, как раз минимальную величину безвозвратной потери энергии при считывании одного информационного бита в виде тепловой энергии. Это фактически минимальная цена одного информационного бита с энергетической точки зрения. Причем запись бита также происходит не со стопроцентным КПД. Реальная энергетическая цена бита в современных вычислительных системах на несколько порядков больше.
Отсюда следует, что наивны попытки тех специалистов, которые пытаются изобрести такую вычислительную машину, которая могла бы выполнять вычислительные операции без нагрева соответствующего оборудования. Иными словами, выполнение любых вычислительных операций неизбежно приводит к повышению энтропии вычислительной системы и ее окружающей среды. Причем весьма туманны перспективы повышения энергетической эффективности интеллектуальных систем, построенных на твердотельной элементной базе, работающих в среде с температурой 300 градусов Кельвина и выше.
При создании энергетически чрезвычайно высокоэффективных интеллектуальных систем природа пошла принципиально другим путем, а именно через создание нейронных биологических сетей.
Подробнее по адресу: «Навигатор блога по основам по основам строения Вселенной».
Книга: «Человек и энергия Вселенной».