Привет Всем.
В этом модуле я освещу понятие информации
и его отношения к характеристике порядка и беспорядка в сложных системах.
Мы начнем с обсуждения понятия энтропии,
которая является особым способом характеризующим беспорядок.
Мы попробуем разобраться во втором законе термодинамики,
и рассмотрим знаменитый парадокс, называемый демон Максвелла,
который отсылает физику к информации.
Затем мы коснемся области статистической механики,
которая даст нам основу для количественной оценки понятия информация.
Мы будем говорит о формулировке информации Клода Шеннона
и обсудим приделы в количественной обработке информации в сложных системах.
В итоге, мы послушаем Джима Кручфилда,
физика из университетов Калифорнии и Санта Фе.
о своей работе премьер-понятие из теория информации для понимания сложных систем.
Давайте приступим.
В Юните 1 мы рассмотрели несколько примеров сложных систем в которых появляется самоорганизация.
Например, мы видели, как муравьи способны коллективно производить,
организованные структуры, такие как мосты из их собственных тел,
как термиты самоорганизовываются строя гнезда сложной структуры,
Как нейроны становятся организованны в функциональные единицы сознания,
как триллионы клеток иммунной системы организованы, чтобы защитить организм от злоумышленников,
и мы видели, как люди организовавыют себя
в экологии,
социальных сетях,
городах
и сложной экономике.
В юнитах 2 и 3 мы кратко покроем тему
динамики и фракталов
И как простые правила итерации могут привести как к простому так и к сложному поведению,
Как это может привести к организации и хаосу.
Но еще одним ключом к феномену самоорганизация является понятие информации.
Для того, чтобы понять феномен самоорганизации
нам нужно понять как информация представляется,
обрабатывается и передается в сложных системых.
Как говорил физик Мюрэц Гелл-Манн,
""Хотя сложные системы сильно отличаются в своих физических свойствах,
они похожи друг на друга тем, что обращаются в информацию.
Это общая черта, пожалуй, лучшая отправная точка для изучения того, как они работают".
В этом блоке мы рассмотрим некоторые способы в которых информация может быть определена количественно.
Исторически математическая структура Информация начинается с
законов термодинамики. Первый закон просто говорит, что
в изолированной системе энергия сохраняется.
Изолированная - система, в которой
энергия не может быть добавлена извне системы
или не может уйти за пределы системы.
Итак, что же мы имеем в виду под энергией?
Энергия определяется в физики как потенциал системы для работы которая может быть проделана.
Здесь работа имеет техническое значение.
Но вы можете думать об этом в разговорном ключе,
т.е. работы, которая может быть сделана.
Таким образом очень неформально,
энергия это потенциал системы, позволяющий добиться цели.
Энергия может принимать различные формы
и быть преобразована из одной формы в другую.
Вот несколько примеров.
Энергия солнечного света может быть преобразована в химическую энергию растений - фотосинтез.
Электрическая энергия может быть преобразована в тепловую.
Вот как Ваши электронагреватели или печи работают.
Химическая энергия из пищи или топлива может быть преобразована в механическую или кинетической энергию
которая двигает наши мышцы или двигатели.
Теперь в соответствии с первым законом, в изолированной системе
энергия может быть преобразована в другие различные виды.
Суммарная сумма энергии остается неизменной.
Это подразумевает "Сохранение энергии".
Второй закон термодинамики говорит, что
в изолированной системе, энтропия всегда увеличивается, пока не достигнет максимального значения.
Что подразумевается под понятием энтропия?
Хорошо, всякий раз, когда энергия преобразуется из одной формы в другую,
почти всегда теряется энергия, которую мы не можем использовать для работы.
Это иногда называют потерей тепла.
Техническим термин для этого является энтропия.
Например, предположим вы подымаетесь на велосипеде по крутому холму.
Ваша сохраненная энергия из калорий превращается в механическую
Или кинетическую энергию движения велосипеда и вашего тела.
Но есть цена которую мы платим.
Это преобразование результатов в тепло выделяемое вашим телом.
Эта энергия не используется для работы.
Другими словами, эта энергия не способствует движению велосипеда в гору.
Это энтропия произвела перенос энергии.
Энтропия может быть представлена как мера беспорядка системы.
Второй закон термодинамики говорит, что
беспорядок в систем всегда увеличивается пока не достигнет своего максимального значения.
Давайте проиллюстрируем это на простом примере.
Я использую модель из библиотеки NetLogo/
Она называется GasLab Two Gas
Идем во вкладку Chemistry and Physics,
и далее выбираем GasLab,
Здесь выбираем GasLab Two Gas.
Хорошо открываем ее.
Смотрим настройки.
Эта модель иллюстрирует процессы в двух комнатах заполненных газом
А газ просто коллекция движущихся частиц.
Т. о. каждый кружок это частица.
И мы моделируем физику газа.
Я собираюсь показать вам эту модель.
с числом молекул с правой стороны
равным числу молекул с левой стороны
Голубой цвет здесь. Пурпурный цвет здесь.
Начальная скорость будет равна 30 для правой стороны и 10 для левой.
Каждая будет иметь массу 8.
Это большое упрощение.
Мы нажимаем setup.
Что происходит далее, эти молекулы начинают двигаться.
Я установил начальную скорость голубых быстрее чем
начальную скорость чем красные или пурпурные.
Если мы посмотрим, то вы можете видеть, что
голубые быстрее, красные медленнее и т. д.
Т. о. упорядоченная система
потому что у нас есть все красноватые частицы здесь и все голубоватые частицы здесь.
И они не смешанны.
Но что если мы позволим им перемешать, нажав Open up
Что происходит.
И я их ускорю немного.
Когда они сталкиваются, они могут терять энергию и, таким образом замедляться.
И вы можете видеть, как мы позволяем этим молекулам только
двигаться в соответствии с законами физики (трения газа),
очень быстро частицы начинаются смешиваться на средних скоростях,
их энергии становятся равными.
И вся система становится очень беспорядочной.
Таким образом я остановлю нашу модель.
Мы начинаем с хорошо упорядоченной системы с низкой энтропией,
и если мы позволим им перемешевыться
системы очень быстро становиться беспорядочной с высокой энтропией.
Теперь эти частицы просто передвигаются отскакивая друг от друга,
и, очевидно, по какой-то странной случайности,
все синие могут вернуться сюда, на правую сторону,
все красные могут вернуться сюда, на левую сторону,
Но только это маловероятно.
И это идея второго закона термодинамики, которая гласит, что
в системе подобной нашей становится более беспорядочной,
и не становится упорядоченной
пока кто-то не выполнит некую работу для установления большего порядка.
Второй закон термодинамики имеет некоторые серьезные последствия.
Во-первых, системы, естественно, неупорядоченны.
То есть, они не могут стать организованными без некоторой работы.
Это означает невозможность вечного двигателя.
Вечный двигатель может создавать и использовать свою энергию
и поэтому находится в движении, без получения энергии извне.
Это была бы машина которая абсолютно не теряет тепло.
И второй закон термодинамики делает это невозможным.
И третий, время имеет направление.
Это направление увеличение энтропии.
Мы можем посмотреть ярким примером
мы посмотрим видео с бьющимся стаканом, запущенное в обратном направлении.
Давайте запустим это снова.
Это то что вы можете посмотреть и реализовать быстро
проиграв видео в обратном направлении.
Вы знаете причину этого, потому что вы знаете, что по законам физики
вещи как разбитые стаканы не могут магически сами собой восстановиться и собраться вместе.
Вы должны применить сложную работу к разбитому стеклу, чтобы починить его
хотя его легко разбить.
Поэтому у нас есть чувство направления времени, когда мы смотрим этот фильм.
Это фундаментальный результат второго закона термодинамики,
который дает нам чувство движения времени.