单元4: 信息，有序，和随机性 大家好。 在这个单元中，我将介绍信息的概念 和信息对复杂系统中分辨有序与无序的关联。 我们先从熵的概念开始。 熵是一种描述无序的方式。 然后，我们将尽力了解：热力学第二定律的意义 我们将讨论著名的悖论：麦克斯韦妖。 联结物理和信息学。 然后， 我们将谈及：统计力学 这些将让我们对量化信息概念的方式打了基础。 我们将谈到：克劳德·香农的信息公式。 并讨论那公式在复杂系统中量化 信息处理 的缺限。 最后，我们将听到来自加州大学和聖菲研究所 物理学家：吉姆·克拉奇菲尔德 讲诉他运用信息理论于复杂系统的研究 让我们开始。 在第一单元，我们看到几个复杂系统的例子中，有自我組织能力的现象。［4.1 引言］ 例如，我们看到了蚂蚁如何能够共同生产， 和组织结构。 比如它们用自己的身体集体的建造成桥梁。 白蚁自我組织起来，建立复杂的巢穴结构， 經元如何组织成：认知功能的单元， 免疫系统万亿的细胞如何组织为对入侵者的免疫防御。 我们也看到个人如何组织起来 成为生态学， 社会网络， 城市， 和复杂的经济系统。 在单元二和三中，我们简要介绍 动力学和分形 导致简单和复杂的行为。 迭代着简单规则也能导致组织状态和混乱状态。 但，另一个自组织的关键 信息的概念。 为了理解自我组织的现象， 我们需要了解复杂系统中 信息是如何被表达，传达，和处理。 正如物理学家：默里·盖尔曼说的， “尽管复杂系统在它们的实体属性上大不相同， 它们在处理信息的方式却彼此相像。 共同的特点也许是最好探索复杂系统如何自我组织的起点“ 在这个单元中，我们将看看一些量化信息的方法。 从历以来，信息的数学表达结构，来自于热力学定律。 热力学第一定律简单地指出， 在一个孤立系统中，能量是守恒的。 孤立系统是一个 能量不可从系统外添加进 （传入）， 或能量不可泄漏出此系统 （传出）。 但你能想到的它在一个口语化的方式 工作得到的东西。 所以非正式的， 能量是系统完成任务的潜力。 能量有很多不同的形式， 它可以从一种形式转变成另一种形式。 这里有几个例子。 来自阳光的能量可以通过光合作用转化为植物中的化学能。 电能可以转化为热能。 这就是你的电加热器或火炉是如何工作的。 从食品或燃料的化学能可以转化为机械或动能 我们通过使用我们的肌肉或车辆移动， 现在，根据第一定律，在一个孤立的系统， 能量可以转换成其他种类， 总能量没有变。 也就是说"能量是守恒"的 现在，热力学第二定律告诉我们 在一个孤立系统中，熵总是增加，直到达到一个最大值。 那么，熵是什么意思？ 以及，每当能量从一个源转换到另一个 总是会消耗能量以至于不可运行。 这有时被称为热损失。 该技术术语，这是熵。 例如，假设你正在推着自行车爬上陡峭的山坡。 您储存的能量从热量被转化为机械能 或动能使你和自行车运动。 但有一个代价。 这种转变也导致从你的身体热能的流失。 这些能量不能用在工作中。 对你和自行车上山，能量没有贡献。 能量的转移产生了熵。 熵可以被看作是在一个系统中的测量无序。 热力学第二定律则说， 紊乱的系统中总是增加，直到达到其最大值。 举个简单的例子。 我将用NetLogo库来建模， 称为 GasLab 化学和物理 和GasLab， 称为 GasLab 。 打开 设置 这样做是要说明两个房间，在其中气体的行为。 气体运动粒子的只是一个集合。 因此，这些圈子中的每一个就像一个分子的颗粒。 这是要模拟的气体的物理性质。 打开这个模型 右侧有分子数 等于左边的分子的数目。 青色是蓝色的颜色在这里。 品红是紫色的颜色在这里。 初始速度将30为从右向左和10。 质量是8。 更简单 设置 现在发生了什么，分子开始运动。 设置初始速度兰色的更快一些。 这些红色的或紫色的。 它们速度 兰色速度快，红色速度慢。 这是有序系统 因为我们都偏红粒子在这里，所有的蓝色粒子在这里。 它们没有混合。 如果我们让他们通过点击打开在这里混合。 发生什么了。 我会加快它的一点点。 当他们碰撞，它们会失去能量，因此减慢。 我们可以看到 让这些分子根据摩擦的气体中物理学定律， 很快开始混合红色和兰色粒子到平均速度 平均能量是相等的。 而且整个系统变得非常无序。 假设停止。 我们从一个非常高度有序的，低熵系统开始， 如果我们让他们混合， 系统很快成为一个无序的，高熵系统。 现在，这些东西都交相运动， 可以想像，并通过一些奇怪的机会， 所有的蓝色部分可以回来这边到右侧， 所有红色的可以回来这边到左侧。 但是，这只是令人难以置信的可能性不大。 由热力学第二定律知道 在这样的系统中的系统将变得更加无序， 它不会变得更有序 尽管有人做一些使它更加有序的工作。 热力学第二定律有一些深远的影响。 首先，系统自然紊乱。 也就是说，如果没有一些工作的投入，是不会有组织的。 这意味着永动机是不可能的。 永动机是一个可以创建并回馈能量本身 因此总是在运动不会从外部输入额外能量。 机器绝对没有热损失。 热力学第二定律意味着这是不可能的。 时间具有方向性。 即熵增加的方向。 我们可以看到这在一个突出的例子 在这里我们看一个玻璃破碎的视频。 再重复一次。 这是你可以看一下，实现非常快 这是重播视频。 是因为你知道物理定律 像玻璃这样的东西不会自己奇迹般地得到修复并放回一起。 你必须紧张的工作把碎玻璃进行修复 即使它是很容易打破碎。 因此，我们有一种感觉，看视频时的时间流动。 这是热力学第二定律的基本结果， 这在某种意义上赋予时间的概念的意义。