Что вообще такое "информация"? Нет, ну понятно, что вы сейчас можете сказать, что информация - это вот этот текст или обратиться к так называемым информационным технологиям, которые работают с той самой информацией.
Но по-настоящему вопрос становится интересным, когда вы увидите упоминание информации в физике. Скажем, что информация может пропасть в чёрной дыре.
Так что тогда такое информация в физическом смысле? Ведь выходит, что конструкция атома определяется тем, как он где-то описан? Об этом есть информация и есть шпаргалка о методике его сборки.
Понятно, что вы тут можете обратиться к моему же ролику про код атома и сказать - там ты мол сказал про отсутствие этого кода и всё сводил к базовым взаимодействия, а теперь говоришь про какую-то там информацию. Да, всё так, только я говорю не про описание конкретного атома, а про информацию о принципе этих базовых взаимодействий.
Вопрос не был бы настолько интересным, если бы мы не видели разные интересные проявления информации в качестве именно что физической сущности. Получается, что информация - это ещё одно базовое физическое понятие сродни энергии или пространства-времени? И да, и нет.
Информация для физика - не просто абстракция, она имеет энергию и материальный носитель. Но начнём с самого простого.
История понятия
Из года в год ученые пытались как-то описать это явление. Проблема приходит к той же ситуации, когда мы с вами пытались найти определении энергии и сказали, что не один уважающий себя физик не станет давать этому определение. Но с информацией всё куда интереснее - большинство читателей дальше листочка с текстом никогда не думали точно не примеряли физику на информацию.
Классическая информация (Клод Шеннон): бит, энтропия, передача сигналов
С точки зрения науки информация - во многом это мера неопределённости. Именно эту идею формализовал Клод Шеннон, создав классическую теорию информации.
Он предложил представлять любую информацию в виде битов - минимальных единиц, которые могут находиться в состоянии «0» или «1». Каждый бит отвечает на простой вопрос: «Да или нет?» - и чем больше таких битов требуется, чтобы описать систему, тем больше её информационная сложность.
Шеннон также ввёл понятие энтропии информации - количественной меры того, насколько непредсказуемы сообщения. Если мы знаем заранее, что сообщение всегда одно и то же, энтропия равна нулю: никакой новой информации не поступает. А если каждое сообщение случайно и непредсказуемо, энтропия максимальна.
Именно эта идея легла в основу всех современных способов передачи и сжатия данных от интернет-пакетов до потокового видео. По сути, Шеннон показал, что информация - это не абстрактная сущность, а измеримая физическая величина, которую можно анализировать, оптимизировать и защищать от потерь.
Тем не менее, ни о какой прямой связи информации и физике мыслей на том этапе, по всей видимости, не было.
Идеи Ландауэра: «Стирание информации требует энергии»
Но в 1961 году физик Ральф Ландауэр провёл одну из самых фундаментальных связей между информацией и физикой: любое стирание информации требует энергии. Это проверенный экспериментом факт.
Он показал, что когда мы «забываем» бит - например, очищаем ячейку памяти в компьютере или переворачиваем монету в голове, чтобы забыть исходное состояние это не просто абстрактный процесс. На самом деле, физическая система должна рассеять минимальное количество энергии в окружающую среду, чтобы уменьшить энтропию системы.
Другими словами, информация - это нечто материальное и энергозависимое. Даже простое удаление одного бита оставляет физический след.
Идея Ландауэра перевернула наше понимание вычислений и технологий. Она показала, что компьютеры и любые устройства обработки информации никогда не могут быть полностью «бесплатными» с точки зрения энергии. Любое действие, которое уменьшает неопределённость системы, будь то стирание, сортировка или сжатие данных, обязательно сопровождается тепловым эффектом.
На практике это значит, что физика накладывает жёсткий предел на эффективность вычислений - сколько бы транзисторов мы ни уместили на чипе, законы термодинамики ставят нижнюю границу потребления энергии на бит. Эта связь между информацией и энергией стала фундаментом для квантовых компьютеров, наноэлектроники и исследований информационной физики. Но ни это самое важное. Теперь чётко прослеживается связь информации и физики.
Связь с термодинамикой
Связь становится особенно наглядной, когда мы рассматриваем систему газа или молекул. Чем больше у нас знаний о положении и скорости каждой частицы, тем меньше энтропия системы и тем меньше информации нам нужно, чтобы её описать.
Любое измерение, которое уменьшает неопределённость, фактически уменьшает энтропию и, согласно термодинамике, сопровождается обменом энергии с окружающей средой. На этом фундаменте строятся и идеи Ландауэра, квантовой информационной физики и современных технологий:
Информация - это физический ресурс, который подчиняется тем же законам, что и материя и энергия
И тут возникают интересные моменты. Вот, например, правильно подумать про вопрос - а как вообще связаны поведения системы и то, насколько мы много или мало про неё знаем? Знание - это одно. Поведение системы - совсем другое. Тут стоило бы посмотреть моё видео про хаос и станет ясно, что мы не про поведение самой системы, а именно о прогнозировании её поведения и правильной работы с ней с физической точки зрения.
Почему информация не абстрактная
Энтропия - это скорее и правда метрика неопределённости или способ количественно оценить, сколько информации нужно, чтобы описать состояние системы.
Однако здесь возникает ключевой момент сопоставления Ландауэра и термодинамики.
Рассмотрим самый простой пример. Вспомним эффект наблюдателя или измерения. Тут есть множество разных подходов и трактовок. Самая популярная приходит к тому, что сама попытка измерять систему приводит к тому, что она становится определенной и детерминированной. Привет коту Шрёдингера, если кто-то вдруг про него забыл.
Но главный вопрос, который заставлял нас всегда искать варианты - мы ведь не трогаем измеряемую систему пальчиками, неужели мы просто глазами влияем на объекты? Нет. С учетом поведения информации все вопросы пропадают.
Вспоминаем Ландауэра. Когда мы предпринимаем физический акт управления информацией - измеряем, стираем или записываем данные, то уже сама операция требует энергии и влияет на систему. Например, стирая бит информации о состоянии частицы, мы неизбежно рассеиваем тепло в окружающую среду.
Так энтропия информации и физическая энтропия соединяются через конкретные физические процессы. Знания сами по себе не меняют систему, но действия по манипуляции этими знаниями оставляют реальный, измеримый след.
Таких примеров можно привести сотни для разных физических случаев и всегда окажется, что физичность информации играет огромную роль, о которой мы бы и не подумали.
Как тогда представить информацию?
Хорошо, если всё так, то информацию можно всё-таки как-то представить? Увы, нет. Для нас ценно само по себе умение этой информации проявляться в реальности. Мы не можем представить себе очередную кастрюлю с киселём и воспринимать это как информацию.
Такая история вообще свойственна для базовых физических понятий. Для той же энергии или чего-то похожего. Это тут уровень, дальше которого объяснять уже некуда и пояснительная бригада бессильна. Считайте это странной функцией нашего игрового движка.
Чтобы понять информацию с физической точки зрения самое уместное - представить её как неопределённость, зафиксированную в материальном носителе.
Например, возьмём обычную монетку. Если она лежит на столе и мы не знаем, какая сторона вверх, это состояние содержит один бит информации — ответ на вопрос «орёл или решка?». Как только мы посмотрим на монетку, неопределённость исчезает, а с точки зрения физики, наш акт измерения уже вовлёк систему. И кстати, теперь уже не так-то ужасно звучит умение управлять взглядом :)... Мы использовали энергию взгляда (например, фотоны света), чтобы получить информацию.
Информацией по всей видимости является свойством материи или даже её основой (Смотри идеи симуляции). Он точно всегда связана с физическими процессами - измерением, записью, передачей или стиранием. Даже просто знание состояния системы превращается в энергию, которую мы потратили на его получение. Пожалуй, лучше вы не опишите информацию.
Законы информации в физике
Занятно ещё, что информация подчиняется ряду физических законов. Например, самый известный - это закон о сохранении информации. Он звучит почти также, как закон сохранения энергии.
Во всех случаях информация сохраняется.
Вот только некоторое время была путаница, связанная с чёрной дырой. Если информация там исчезает, то ломается сам подход. Однако, через некоторое время выяснилось, что никаких проблем с этим нет и сохраняется излучение Хоккинга, которое сохраняет равновесие.
Но где тогда информация хранится во Вселенной?
Разумный вопрос, который появляется у любого внимательного читателя - это где же тогда во Вселенной хранится информация обо всём. Как всё это выглядит?
Прямого ответа я, увы, не нашёл.
В большинстве случаев согласно трудам разных учёных информация никогда не существует отдельно от материи или энергии, которые её несут.
Путаница в голове по всей видимости начинается с того, что для нас информация в ассоциациях - это что-то из серии электрона в транзисторе. Но важно дополнить, что информация хранится не в самом электроне и им не является. Информация - это процесс, связанный с этим электроном. То есть по сути так оно всегда и было, а те представления, что у нас сформировались, появились из-за всё тех же жутких аналогий между шариками и частицами. Информация в общем смысле - это не есть электрон или нет. Это поведет себя электрон так или нет.
Иными словами, информация всегда «привязана» к конкретному физическому носителю: без него её просто не существует. Тут опять же вы можете вспомнить мои видео и мою традиционную логику, что информация + энергия = материя. Полагаю, что в этом случае информация у нас привязана к самому пространству. Потому и свой подход всё равно считаю логичным.
При этом интересно, что одинаковая информация может быть закодирована в самых разных физических системах. Один и тот же текст можно хранить на бумаге, в памяти смартфона, в облаке, а в будущем - возможно, даже в квантовой системе. Это подчеркивает двойственную природу информации: с одной стороны, она измерима и количественно описуема, с другой — всегда требует материальной базы.
В физике это означает, что изменение, передача или удаление информации всегда сопровождается конкретными физическими процессами, будь то движение электронов, фотонов или даже тепловой обмен с окружающей средой.
В реальности информация переносится самыми разными явлениями, которые мы часто рассматриваем отдельно.
«Информационные носители» в природе: фотоны, атомы, гравитационные волны
Фотоны, к примеру, несут информацию о цвете, направлении и поляризации света: когда мы видим объект или принимаем сигнал с космического телескопа, именно фотоны «доставляют» сведения о состоянии окружающей среды.
Атомы и молекулы тоже являются носителями информации: положение и скорость частиц в газе или жидкости описывают термодинамическое состояние системы. Любое знание о состоянии этих физических объектов — это информация, которую мы можем измерить, записать или использовать.
Интересно, что носители информации не всегда ограничены привычными материей или электромагнитным излучением. Теоретически и на практике гравитационные волны тоже несут информацию о событиях, которые их породили: слиянии чёрных дыр или нейтронных звезд.
Детекторы вроде LIGO не «считывают» материальные объекты напрямую, а улавливают изменения пространства-времени — и каждая колебательная форма волны содержит уникальные сведения о катастрофическом событии в космосе. Информация в природе может «упаковываться» в самых разных физических формах, и физический смысл её существования всегда связан с тем, как мы можем наблюдать, измерять и интерпретировать эти носители.
Это ответ на вопрос про энергию+информацию как базы материи :)...
Так играет ли информация главенствующую роль?
Возникает интересный философский вопрос - так всё же объект определяет информацию или информация определяет объект?
Я полагаю, что правильного ответа пока нет.
Если следовать строго формулировкам теории, то объект существует независимо, но информация о нём - это всегда наше описание его состояния через конкретные наблюдаемые признаки.
Другими словами, объект задаёт возможные информационные состояния, а информация - это способ измерения, упорядочивания и использования этих состояний. Объекты создают потенциал для информации, а информация проявляется, когда мы или физические процессы фиксируют и используют этот потенциал.
Но если обратиться к таким интересным феноменам с неясным механизмом, где информация напрямую участвует в термодинамике (а это подтверждено), то мы видим обратную сторону медали и уже информация определяет сам объект. Механизмы такого поведения в полной мере не описаны и оно уходит куда-то в свойства самого пространства-времени.
Потому полагаю, что всё-таки уместно рассматривать связь информации и реальных физических объектов, где именно информация будет базой. Такое поведение может следовать из самого тонкого уровня Вселенной и в конечном итоге может оказаться, что мы видим обратную сторону проблемы. Вероятно, мы действительно рассматриваем уже существующую информацию, но это может порождать разные объекты и процессы.
Напомню, что уже скоро выйдет мой большой ролик на эту тему и его смогут посмотреть подписчики премиум. А сейчас там уже доступны все видео, которые мы упомянули. Например, про кода атома.
👍 Подписывайся на премиум прямо сейчас!
Не забывайте подписываться на канал и ставить лайки статье! Это важно для развития проекта.
Канал проекта в Telegram с эксклюзивными материалами!