Buna ziua, tuturor.
In acest capitol vom discuta despre notiunea de informatie
si despre cum aceasta caracterizeaza ordi- nea sau dezordinea in sistemele complexe.
Vom incepe prin a discuta notiunea de entropie.
care este o forma particulara de a caracteriza dezordinea.
Apoi vom incerca sa intelegem principiul al doilea din termodinamica.
si vom discuta despre faimosul paradox numit demonul lui Maxwell,
care leaga fizica de informatie.
Apoi vom intra putin si in mecanica statistica,
ce ne va oferi baza pentru a putea cuantifica notiunea de informatie.
Vom discuta despre formularea lui Claude Shannon referitoare la informatie
si ii vom vedea limitarile in a cuantifica procesarea informatiei in sisteme complexe
La final, vom vorbi cu Jim Cruthfield,
un fizician de la Universitatea din California si Institutul Santa Fe.
si despre munca lui despre teoria informa- tiei pentru a intelege sistemele complexe.
Haideti sa incepem!
In Unit 1 am vazut exemple de sisteme complexe unde apare autoorganizarea.
De exemplu capacitatea furnicilor de a produce lucrand colectiv,
sa organizeze structuri ca niste poduri, facute din corpurile lor,
cum termitele se organizeaza singure pentru a construi cuiburi,
cum neuronii se organizeaza in diferite zone ale cognitiei,
cum celulele sistemul imunitar se organizeaza sa apere organismul,
si am vazut cum indivizii se organizeaza pe ei insisi
in ecosisteme,
retele sociale,
orase,
si intr-o economie complexaz.
In Unit 2 si 3 am acoperit o parte despre
dinamica s fractali.
si cum iteratiile unor reguli simple pot conduce la manifestari simple sau complexe
si cum se poate ajunge la ordine si haos.
Dar un punct cheie in autoorganizare este conceptul de informatie.
Pentru a putea intelege fenomenul autoorganizarii
Trebuie sa intelegem cum este informatia reprezentata,
comunicata si procesata in sistemele complexe.
Dupa cum spunea fizicianul Murray Gell-Mann,
"Desi sistemele complexe difera mult ca si atribute fizice,
ele se aseamana intre ele dpdv al felului in care folosesc informatia.
Aceasta trasatura comuna este probabil cel mai bun start pentru a le intelege."
In acest capitol vom vedea cateva moduri in care informatia este cuantificata.
Dpdv instoric, structura matematica a informatiei incepe cu
legile termodinamicii. Prima lege spune ca
intr-un sistem izolat, energia se conserva
Un sistem izolat este unul in care
energia nu poate fi adusa din exterior.
si nici nu poate iesi din sistem.
Deci ce inseamna energia mai exact?
Energia este definita in fizica drept capacitatea unui sistem de a produce lucru
Lucrul are un sens tehnic aici.
Dar va puteti gandi la el intr-o maniera colocviala
ca lucrul este ceea ce ne permite sa facem orice.
Deci foarte informal spus,
energia este potentialul unui sistem de a face orice.
Energia poate lua diferite forme,
si poate fi transformata dintr-o forma intr-alta.
Sa dam cateva exemple.
Energia soarelui poate fi transformata in energie chimica prin fotosinteza.
Energia electrica poate fi transformata in energie termica.
Asa functioneaza aragazele si cuptoarele electrice.
Energia chimica din mancare sau benzina poate fi transformata in energie mecanica
pe care o folosim pentru a ne misca cu muschii sau masinile.
Potrivit primei legi, intr-un sistem izolat
energia poate fi transformata dintr-un tip intr-altul.
energia totala a sistemului ramanand aceeasi.
Asta inseamna "conservarea energiei".
Cea de-a 2-a lege ne spune ca
intr-un sistem izolat, entropia creste pana isi atinge valoarea maxima.
Deci ce reprezinta entropia?
Ei bine, atunci cand energia se transforma dintr-un fel intr-altul
apar aproape mereu pierderi ce nu pot fi folosite ca lucru.
Se numesc de obicei pierderi de caldura.
Termenul tehnic pentru asta e entropie.
De exemplu, sa presupunem ca impingem o bicicleta pe un deal.
Energia stocata din calorii este transformata in energie mecanica
sau energie kinetica (miscarea bicicle- tei sau a corpului nostru).
Dar apar dezavantaje.
In aceasta transformare apar pierderi de caldura din corpul nostru.
Adica energie pe care nu o putem utiliza.
Cu alte cuvinte, energie care nu ne misca si nici nu ne ajuta sa mutam bicicleta.
Aceasta este entropia produsa de transferul de energie.
Ne putem gandi la entropie ca la masura dezordinii intr-un sistem.
A 2-a lege a termodinamicii atunci spune ca
dezordinea intr-un sistem mereu se mareste pana atinge o valoare maxima.
Haideti sa ilustram asta printr-un exemplu simplu.
Voi folosi unul din biblioteca NetLogo.
Se numeste GasLab Two Gas
Deci, mergem la Chemistry and Physics,
si GasLab
si acesta se numeste GasLab Two Gas.
Ok, il deshchid.
Ne uitam la setup.
Ne va ilustra comportamentul a 2 incaperi cu gaze in ele.
Si un gaz este o adunare de particule in miscare.
Asa ca fiecare cerc ca asta este o particula, in genul moleculelor.
Si modelul ne va simula comportamentul fizic al unui gaz.
Asadar, va voi arata acesst model
cu un numar de molecule in partea dreapta
egal cu numarul de molecule din partea stanga.
Cyan este culoarea albastra de aici. Magenta este culoarea mov de aici.
Viteza initiala va fi 30 pentru dreapta si 10 pentru stanga.
Masa lor va fi 8.
Ok, asta il va simplifica mult.
Apasam pe setup.
Si acum moleculele incep sa se miste.
Am setat viteza initiala a celor albastre sa fie mai mare ca
viteza initiala a celor rosii sau mov.
Daca ne uitam la vitezele lor, se observa ca
cele albastre au o viteza mai mare, iar cele rosii au o viteza mai mica.
Deci, acesta este un sistem ordonat
deoarece avem toate particulele rosii aici si toate particulele albastre aici.
Si ele nu se amesteca.
Dar daca le permitem sa se amestece, apasand Open up aici.
Sa vedem ce se intampla.
Si voi mari viteza putin.
Cand se ciocnesc, ele pierd din energie, asadar incetinesc.
Si puteti vedea pe masura ce permitem moleculelor sa
se miste potrivit legilor fizicii in acest gaz unde nu exista frecare,
particulele rosii si albastre incep sa se amestece rapid si ajung la o viteza medie,
energia lor medie devenind egala.
Iar intregul sistem devine foarte dezordonat.
Pornim de la inceput, daca opresc asta.
Pornim de la o stare foarte ordonata, cu entropie mica,
si daca le permitem sa se amestece,
sistemul devine foarte rapid unul dezordonat, cu entropie mare.
Aceste particule se misca aleatoriu, ciocnindu-se una de cealalta,
dar poate ca, printr-o minune
toate particulele albastre s-ar putea intoarce aici, in partea dreapta,
iar cele rosii aici, in partea stanga.
Dar acest lucru este foarte improbabil.
Si ideea este ca a 2-a lege a termo- dinamicii, ce ne spune ca
intr-un sistem ca acesta, sistemul va deveni mai dezordonat,
nu mai ordonat
decat daca cineva introduce lucru in sistem pentru a-l ordona.
A 2-a lege a termodinamicii are implicari profunde.
In primul rand, sistemele sunt dezordonate in natura.
Asta inseamna ca nu pot fi organizate fara sa aducem un surplus de lucru.
Asta inseamna ca masinile perpetuum mobile nu ar putea exista.
Un perpetuum mobile este o masina capabila de a-si produce energia necesara
adica va merge fara un adaos de energie din exterior.
Asta ar fi o masina in care nu exista pierderi de caldura.
Iar cea de-a 2-a lege a termodinamicii implica faptul ca asta e imposibil.
Si cea de-a 3-a, ca timpul are directie.
Asta este directia cresterii entropiei.
Putem vedea asta intr-un exemplu clar
unde ne uitam la un videoclip in sens invers.
Haideti sa ii dam play din nou.
La asta va puteti uita si veti realiza repede
ca este un filmulet rulat in sens invers.
Si motivul este ca stiti din legile fizicii
ca bucatile dintr-un pahar spart nu se repara ca prin magie.
Trebuie sa depui efort ca sa repari paharul.
Chiar daca este usor sa spargi unul.
Deci avem un simt al parcurgerii timpului cand ne uitam la filmulete de genul.
Asta este un rezultat fundamental al legii a 2-a a termodinamicii,
ce ne da, intr-un fel, un fel de notiune a timpului.