大家好
在這個單元中，我將介紹信息的概念和
複雜系統表徵有序與無序。
我們將通過討論熵的概念開始，
這是表徵紊亂的一種特定的方式。
然後，我們將試用盡力使熱力學第二定律的意義，
我們來看看著名的悖論叫麥克斯韋妖，
聯結物理和資訊。
然後，我們將學習統計力學的領域，
這將給我們的量化資訊的概念奠定了基礎。
我們將談論克勞德•香農的資訊公式
並討論了其在複雜系統中量化資訊處理的局限。
最後，我們將聽到來自吉姆•克拉奇菲爾德，
一個在加州大學和聖塔菲研究所物理學家
關於他在從資訊理論的首要概念來理解複雜的系統工作
讓我們開始吧。
在第一單元，我們看到了其中的自組織出現複雜系統的幾個現象。
例如，我們看到了螞蟻如何能夠共同生產，
組織結構，如使用自己的身體的橋樑，
白蟻是如何組織起來，建立複雜的巢穴結構，
神經元是如何成為組織成認知功能單元，
萬億的細胞如何組織為免疫系統的對抗身體入侵者
我們看到個人如何組織起來
進入生態系統，
社會網路，
城市，
複雜經濟，
在單元2和3中，我們簡要介紹的話題
動力學和分形
簡單規則的迭代如何可導致既簡單又複雜的行為，
它如何導致組織和混亂。
但另一個關鍵自組織現象是資訊的概念。
為了理解自我組織的現象
我們需要瞭解資訊是如何表示的，
在複雜系統中進行通信和處理。
正如物理學家默里蓋爾曼說，
儘管複雜的系統有很大的不同在他們的物理屬性，
他們彼此相像，因為他們處理資訊的方式。
這共同的特點也許是最好的起點，探索它們是如何運作的。“
在這個單元中，我們將看看一些方法，使資訊可以量化的。
歷史上資訊的數學結來自於熱力學定律。
熱力學第一定律簡單地說，
在一個孤立系統，能量是守恆的。.
孤立系統
沒有能量可以從系統外添加
或者釋放到系統外部。
那麼，我們通過能量意味著什麼？
能量是在物理定義為一個系統的進行工作的潛力。
工作具有技術意義在這裏。
但你能想到的它在一個口語化的方式
工作得到的東西。
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，
它可以從一種形式轉變成另一種形式。
這裡有幾個例子。
來自陽光的能量可以通過光合作用轉化為植物中的化學能。
電能可以轉化為熱能。
這就是你的電加熱器或火爐是如何工作的。
從食品或燃料的化學能可以轉化為機械或動能
我們通過使用我們的肌肉或車輛移動，
現在，根據第一定律，在一個孤立的系統，
能量可以轉換成其他種類，
總能量沒有變。
也就是說"能量是守恆"的
現在，熱力學第二定律告訴我們
在一個孤立系統中，熵總是增加，直到達到一個最大值。
那麼，熵是什麼意思？
以及，每當能量從一個源轉換到另一個
總是會消耗能量以至於不可運行。
熱散失。
該技術術語，這是熵。
例如，假設你正在推著自行車爬上陡峭的山坡。
您儲存的能量從熱量被轉化為機械
或動能使你和自行車運動。
但有一個代價。
這種轉變也導致從你的身體熱量流失。
這些能量不能用在工作中。
對你和自行車上山，能量沒有貢獻。
能量的轉移產生了熵。
熵可以被看作是在一個系統中的測量無序。
熱力學第二定律則說，
紊乱的系统中总是增加，直到达到其最大值。
舉個簡單的例子。
我將用NetLogo建模，
称为 GasLab
化學和物理
和GasLab，
称为 GasLab 。
打開
设置
這樣做是要說明兩個房間，在其中氣體的行為。
氣體運動粒子的只是一個集合。
因此，這些圈子中的每一個就像一個分子的顆粒。
這是要模擬的氣體的物理性質。
打開這個模型
右邊的分子數
等於左邊的分子的數目。
青色是藍色的顏色在這裏。 品紅是紫色的顏色在這裏。
初始速度將30為從右向左和10。
数量8
更簡單
设置
現在發生了什麼，分子開始運動。
設置初始速度蘭色的更快一些。
這些紅色的或紫色的。
它们速度
蘭色速度快，紅色速度慢。
這是有序系統
因為我們都偏紅粒子在這裏，所有的藍色粒子在這裏。
它們沒有混合。
如果我們讓他們通過點擊打開在這裏混合。
發生什麼了。
我會加快它的一點點。
當他們碰撞，它們會失去能量，因此減慢。
我們可以看到
讓這些分子根據摩擦的氣體中物理學定律，
很快開始混合紅色和蘭色粒子到平均速度
平均能量是相等的。
而且整個系統變得非常無序。
假設停止。
我們從一個非常高度有序的，低熵系統開始，
如果我們讓他們混合，
系統很快成為一個無序的，高熵系統。
現在，這些東西都交相运动，
可以想像，並通過一些奇怪的機會，
所有的藍色部分可以回來這邊到右側，
所有紅色的可以回來這邊到左側。
但是，這只是令人難以置信的可能性不大。
由熱力學第二定律知道
在這樣的系統中的系統將變得更加無序，
它不會變得更有序
儘管有人做一些使它更加有序的工作。
熱力學第二定律有一些深遠的影響。
首先，系統自然無序。
也就是說，如果沒有一些工作的投入，是不能成為有組織的。
這意味著永動機是不可能的。
永動機是一個可以創建並回饋能量本身
因此總是在運動不會從外部輸入額外能量。
機器绝对没有熱損失。
熱力學第二定律意味著這是不可能的。
時間具有方向性。
即熵增加的方向。
我們可以看到這在一個突出的例子
在這裏我們看一個玻璃破碎的視頻。
再放一遍。
這是你可以看一下，實現非常快
這是重播視頻。
是因為你知道物理定律
像玻璃這樣的東西不會自己奇跡般地得到修復並放回一起。
你必須緊張的工作把碎玻璃進行修復
即使它是很容易打破碎。
因此，我們有一種感覺，看视频时的时间流動。
這是熱力學第二定律的基本結果，
這在某種意義上賦予時間的概念的意義。