В процессе знакомства с квантовой физикой и при попытках дойти до самой сути строения вещества упираешься в непонимание. Ученые пока не могут утверждать из чего именно состоит материя. Да, гипотезы существуют, совершаются важные открытия и проводятся работы, но все это в итоге имеет множество противоречий.
Долгое время логика была простой - мы измельчим материю до такого состояния, что увидим её составные детали. Как моделька, собранная из Лего, состоит из единичных объектов, так и материал будет состоять, например, из атомов. Но процесс затянулся и субатомных частиц нашли великое множество. Где-то тут появилась версия, что на самом деле основой любой материи является информация.
Сразу возникает множество вопросов. Если материя - это информация, то чем с физической точки зрения является сама "информация"? Это ещё один вид "особого рода материи"? Или если это как запись в табличке о свойствах того или иного вещества, то чем является сама база данных? Не получается ли так, что пространство-время - эквивалент рабочей среды для разработки?
Если попробовать притянуть физическое понимание информации к основам информатики, то можно встретить разные забавные эффекты.
Например, точное взвешивание флэшки с данными позволяет обнаружить физический вес записанной на ней информации. Это, в общем-то, легко объяснимо даже с точки зрения классической физики и знания материаловедения. Записанные данные не что иное, как электроны. И вы сейчас можете конечно сказать, что и природа электрона мало кому понятна - то ли он частица, то ли он волна, то ли его вообще нет. Относительно недавно выяснилось ещё и что электрон всё-таки сферический. Это окончательно ломает логику. Но материаловедение вполне вменяемо научилось использовать стандартную теорию для исчерпывающего описания таких процессов без более глубокого понимания природы частицы. Факт остаётся фактом.
Получается, что информацию можно связать с физикой по принципу подобия. То есть, условно говоря, 1 электрон = 1 биту информации. Это не объясняет физическую суть информации. С чем тогда будет связана информация на уровне строения материи?
Следующий интересный момент - выделение тепла при удалении информации. Рольф Ландауэр из IBM предположил, что такое явление возможно. Но в то время мощности информационных систем не позволяли работать с ощутимым количеством информации. Выделение тепла не было значительным. Не так давно этот факт подтвердился, поскольку современные компьютеры обрабатывают огромные массивы данных и замерить тепловой эффект не так сложно.
И тут возможны несколько вариантов:
Электроны "тёрлись" о структуру и разогрели систему. Это совсем древняя версия и вряд ли это имеет место.
Выполняется закон сохранения, а информация есть материя. Поэтому, работает знаменитая эквивалентность массы и энергии. При уничтожении информации выделяется тепло. Вот только...Что это за материя?
Ещё Стивен Хокинг рассказывал об интересной гипотезе, по которой информация исчезает в черных дырах. Это явление даже получило название парадокс Хокинга. В какой-то мере оно сравнивает информацию с материей. Вот только что физик понимал под информацией? Ведь есть ещё и излучение Хокинга, которое представляет собой излучение чёрной дырой частичек.
Стандартная (школьно-институтская) физика вопроса сущности информации почти не касается. Она лишь устанавливает связь между информацией и энтропией. Чем больше информации о системе, тем меньше, как это водится энтропия. "Материя информации" тут опять за кадром. Если рассматривать наше пространство как матрицу плотности то выходит, что любая молекула = записи в системе. Утрировано получается, что есть некоторый объект из материи (чем бы она не была) и есть таблица с его свойствами. Чем больше ячеек таблицы свойств заполнено, тем меньше энтропия. Но это уже где-то рядом с теорией симуляции.
Кто-то сейчас может сказать: "Зачем вы вообще в это лезете? Ведь это как искать причины почему зеленый называется "зеленым"...Смешивать терминологию нельзя". Но на рассмотренных примерах мы отчётливо наблюдаем, что информация с физикой тесно переплетаются и дело уже не просто в названиях объектов.
Пока получается, что когда мы играем в черепашек ниндзя на денди, то мы управляем вполне себе реальным миром. Действительно, чем больше параметров в коде игры мы зададим для объекта, тем меньше будет его энтропия. Для физики информация - это антиэнтропия и на этом всё. Если бы всё удалось осознанно и "научно" свести только к информации, то по крайней мере мы бы разобрались со всеми проблемами устройства вещества и парадоксами.
Причём, та научная работа по изучению материи, которая сейчас проводится, была бы тоже важна. Ведь мы как в RTS находимся где-то на карте, а вокруг туман. Всю карту нужно открыть и понимание сути дела не меняет. Одно дело суть - другое свойства.
Лозунг старого доброго журнала вполне себе уместен - "Мы верим, этот мир реален".
Комментарии (21)
Zenitchik
18.10.2023 11:37+4Следующий интересный момент - выделение тепла при удалении информации
А при записи?
А при перезаписи?На выпуклый глаз, тепло выделяется при работе оборудования, а не при удалении информации.
На счёт флешки - полная ерунда. Если вся флешка записана единицами или если она вся записана нулями - на ней всё равно одно и то же количество информации.
Что вы называете "удалением" информации, и как вы отличаете его от записи информации?
zuko3d
18.10.2023 11:37Удаление - не очень хороший термин, понятнее будет термин «потеря информации». Например, при выполнении сложения 2+3 вы получаете 5. И по этому числу 5 вы не можете узнать, какие именно были слагаемые, т.е. эта информация потеряна => любой арифметический сумматор будет выделять тепло в процессе работы, независимо от своего внутреннего устройства, будь то лампы, транзисторы, шестерни или абаки.
Но если мы в результате сумматора будем выдавать не только сумму, но еще и одно из слагаемых (или разность, например), то потери информации не происходит и такое устройство в теории может работать без потери энергии.
Didntread
18.10.2023 11:37допустим, взрыв атомной бомбы: выделяется огромное количество тепла, как и огромное количество новой информации - состояние системы потревоженных частиц.
zuko3d
18.10.2023 11:37Не понял сути вашего высказывания. Про новую информацию речи не было, было только о выделении тепла при потере старой.
Didntread
18.10.2023 11:37при потере информации, тепло выделяется в силу закона сохранения. Который, получается, нарушается в случае взрыва атомной бомбы, так как количество информации увеличивается одновременно с выделением тепла.
zuko3d
18.10.2023 11:37Почему же нарушается? Информация очень "легковесна". При взрыве выделяется энергия, которой с избытком хватает и на нагрев, и на создание новой информации.
Отдельно хочу прокомментировать этот момент:
как и огромное количество новой информации - состояние системы потревоженных частиц.
Информация не будет считаться новой, если она может быть получена с помощью каких-то строгих/универсальных формул из старой информации. Это всё та же информация, просто переложенная в другом виде.
Didntread
18.10.2023 11:37Информация очень "легковесна"
тогда и при вычислениях, теплотой выделенной за счет "потери" информации можно пренебречь
Информация не будет считаться новой, если она может быть получена с помощью каких-то строгих/универсальных формул из старой информации
процессы, происходящие при взрыве бомбы, подчиняются ровно тем же физическим законам, что и сумматор на любом физическом принципе. Использование сумматора человеком - аналогично, так как человек, как и сумматор, состоит из абсолютно тех же по свойствам обьектов микромира, что и кусок урана и окружающая атмосфера.
Получается, что тепло и есть информация - о состоянии нагретой системы.
zuko3d
18.10.2023 11:37тогда и при вычислениях, теплотой выделенной за счет "потери" информации можно пренебречь
Что значит "можно пренебречь"? Может и массой каждого отдельного атома можно пренебречь? С этим не согласен. Если вы намекаете на то, что при создании новой информации затраты энергии пренебрежимо малы - я такого не писал и это в целом неверное высказывание. Я писал о том, что затраты меньше, чем выделенная энергия. Точную формулу затрат энергии на создание одного бита информации не помню, что-то связанное с постоянной Больцмана.
процессы, происходящие при взрыве бомбы, подчиняются ровно тем же физическим законам, что и сумматор на любом физическом принципе. Использование сумматора человеком - аналогично, так как человек, как и сумматор, состоит из абсолютно тех же по свойствам обьектов микромира, что и кусок урана и окружающая атмосфера.
Полностью согласен. Но вы так пишете, будто у меня есть где-то противоречие.
Получается, что тепло и есть информация - о состоянии нагретой системы.
Какой-то неочевидный вывод, можете пояснить?
Didntread
18.10.2023 11:37Точную формулу затрат энергии на создание одного бита информации не помню, что-то связанное с постоянной Больцмана
очевидно, затраты на создание минимальной информации равны минимальному воздействию на систему, потому, что
Какой-то неочевидный вывод, можете пояснить?
информация - это состояние системы. Вы смотрите на дисплей, он имеет состояние, и благодаря этому состоянию вы получаете нужное отражение в зрачки. Тепло это случайные движения - идеальный генератор случайных чисел
Полностью согласен. Но вы так пишете, будто у меня есть где-то противоречие.
да, вы пишете что при стирании выделяется больше тепла, чем при "производстве", это не верно. Страние расходует меньше энергии, чем создание - возможно, но опять же не доказано
Grogcm20
18.10.2023 11:37Я бы сказал что любое удаление это перезапись, либо вообще не удаление, а разрешение на игнорирование информации до момента перезаписи. Из этого выходит что вся информация уже существует, как объем носителя информации.
Didntread
18.10.2023 11:37допустим, наше суммирующее устройство - счеты. Операция суммирования там - передвижение ползунков. Начальная конфигурация: два слева, три справа. Мы двигаем правые к левым, и тем самым уничтожаем информацию о том, сколько было с какой стороны. Затем делаем обратное действие: двигаем 3 правых вправо, из 5 получаем 2 и 3, тем самым мы записываем на счеты новую информацию, которую до этого хранили на листочке. Очевидно, никакого дополнительного тепла не выделяется в первом случае, по сравнению со вторым.
zuko3d
18.10.2023 11:37Очевидно, никакого дополнительного тепла не выделяется в первом случае, по сравнению со вторым.
Как-то неочевидно.
Давайте я вам другой пример приведу: есть летательный аппарат с сильным двигателем. Мы запустили его в космос, т.к. там меньше трения. Двигатель толкает аппарат с силой 10 Ньютон, вес аппарата 1кг. Очевидно, что через миллион секунд (полторы недели) аппарат будет иметь скорость 10^7 м/с, так ведь?
Этот пример к тому, что вы мне говорите, мол: "В моей теории такое невозможно, значит это невозможно в принципе". На самом деле это лишь говорит о неполноте вашей теории.
Didntread
18.10.2023 11:37мда. В первом случае мы двигаем 3 ползунка, во втором случае двигаем 3 ползунка, причем на то же расстояние: "неочевидно". Okay
elprog74
18.10.2023 11:37Относительно недавно выяснилось ещё и что электрон всё-таки сферический
А размер то? размер уже сумели измерить? А 100+ лет не могут измерить размер.. :)
smart_alex
18.10.2023 11:37+1Мне кажется тут нужно прежде всего отделить мух от котлет: «информация» — это абстрактное понятие, а то, что мы приписываем информационное качество различным явлениям окружающего мира — это «аберрация» нашего сознания.
А если мы хотим понять что и как тут устроено, то «танцевать» нужно от физического устройства реальности (которое объективно), а не от математических абстракций, которых может быть бесконечное количество.
adeshere
18.10.2023 11:37+3Например, точное взвешивание флэшки с данными позволяет обнаружить физический вес записанной на ней информации. Это, в общем-то, легко объяснимо даже с точки зрения классической физики и знания материаловедения. Записанные данные не что иное, как электроны
Извините, но тут ерунда какая-то написана.
С точки зрения теории информации, мне нет разницы, на какой именно носитель ее записывать. Поэтому я для начала запишу данные не на флэшку, а на обычный диск. Где перемагничиваются домены. Количество электронов там всегда одинаковое - что до записи информации, что после. Так как он электрически нейтрален. Что именно там меняется при намагничивании - это другой вопрос (вообще-то ориентация магнитных моментов), но не количество электронов точно.
А еще можно на счетах костяшки вправо-влево кидать. Что, и тут тоже электроны информацию сохраняют? Ну или можно собрать ячейку памяти на магнитных реле (правда, в этом случае для записи серьезных объемов желательно иметь под рукой собственную электростанцию и трубопровод с бесплатным жидким азотом).
Кстати
в рамках предложенной логики, из сравнения ячейки на реле и флэш-памяти, и пересчитывая информацию на электроны, легко получаем 1 бит =1 электрон = (примерно) 1 миллиампер. Откуда, в зависимости от продолжительности хранения информации в реле-памяти, 1 электрон = любому числу электронов от 1 и до 6 241 509 074 460 762 608 (считаем, что больше 16 мин память на реле работать не может - прибегут пожарники и потребуют выключить ;-) То есть, любое выражение типа 1=2, 1=3, 1=42 и т.д. вплоть до указанной выше цифры тем самым можно считать доказанным. (Для научно строгого доказательства достаточно вовремя отключить реле)
Но это уже не просто новая физика (в которую я даже готов иногда поверить), это уже новая математика получается %-)
<sarcasm mode off>
В общем, если некоторая конкретная технология записи данных допускает сопоставление бита информации с потоком электронов в определенной области, то отсюда вовсе не следует, что можно установить универсальное взаимно однозначное соответствие между ними.
Во-вторых, рассмотрим подробнее описанное выше явление увеличения "веса" при записи информации.
Не теряя общности, выберем для мысленного эксперимента по взвешиванию из всех имеющихся в вакууме сферических флэшек те, где изначально записаны только нули. Дальше я получаю от друга важное сообщение (например, какие-то ключи), по случайности состоящее из одних единиц, и записываю его на флэшку. Согласно предложенной в статье логике, вес флэшки в результате увеличился. Ну Ок, допустим.
Теперь я получил от второго друга другое важное сообщение и записываю его на флэшку вместо старого. По чистой случайности в этом новом сообщении у меня только нули. Согласно описанной выше логике, вес флэшки опять увеличился. Я нигде не ошибся?
Итого: с одной стороны, состояние флэшки теперь НИЧЕМ не отличается от начального. С другой стороны, она стала весить намного больше. Особенно если повторить этот цикл на бис еще раз, а потом еще много-много раз...
Мне одному кажется, что тут что-то не так с логикой?
Или...
Или все так, и мы только что ненароком разгадали тайну инфляции?
;-)
net_racoon
18.10.2023 11:37Если рассматривать наше пространство как матрицу плотности то выходит, что любая молекула = записи в системе.
А разве квантовая теория поля не про это?
diov
18.10.2023 11:37Информация не существует "сама по себе". Если "красота - в глазах смотрящего", то информация - в его голове. Для непосвященного человека некоторый файл будет представлять собой белый шум, а для знающего - архив ZIP.
Jury_78
Где про это почитать? Но по мне - это как то сомнительно... Т.к. отсутствие информация это тоже информация.
uzumeti Автор
Наверное самое уместное тут привести заметку в википедии https://ru.wikipedia.org/wiki/Принцип_Ландауэра Но вообще эффект довольно активно обсуждался во множестве научпоп изданий. Что касается второй части Вашего ответа - очень дельное замечание) Да, тепло тоже есть информация...
Jury_78
Из ВИКИ только про кубиты есть какое то подтверждение, а остальное все фикция.