Как информация уменьшает энтропию.

Продолжаю рассказ о свойствах материи. Про два закона термодинамики я рассказал, но там и не объяснил, как связаны информация и энтропия.

Начну издалека. Первый закон термодинамики - закон сохранения энергии - делает невозможным вечный двигатель первого рода, берущий энергию из ничего.

Но можно представить и вечный двигатель второго рода, который устроен, например, так. Двигатель берёт газ определённой температуры и разделяет его на две половины: горячую и холодную, разделённые поршнем. Закон сохранения энергии при этом не нарушается, поскольку средняя температура газа остаётся неизменной. Горячая половина расширяется и толкает поршень в сторону холодной половины. Холодная половина постепенно нагревается от горячей, тоже расширяется и поршень движется назад. Затем газ снова делится на две половины, и цикл повторяется. При каждом движении поршня общая энергия газа слегка уменьшается, пока он не охладится до абсолютного нуля. Получается, что вся тепловая энергия газа перешла в механическую энергию движения поршня! А поскольку газов вокруг нас - бесчисленное количество, получаем практически вечный двигатель, который получает энергию, охлаждая всё вокруг до абсолютного нуля (ещё и бесплатный холодильник).

Увы, вечный двигатель второго рода противоречит второму закону термодинамики. Ведь разделение газа на горячую и холодную половину означало бы концентрацию энергии в одной половине, а энергия сама собой не концентрируется - только рассеивается. Для концентрации энергии нужно затратить другую энергию - именно поэтому холодильник у меня в квартире потребляет электричество вместо того, чтобы его производить.

Максвелл поставил мысленный опыт, пытаясь доказать существование вечного двигателя второго рода. Представим себе крошечное разумное существо - демона Максвелла - которое выполняет деление газа на горячую и холодную половину, разделенные поршнем, следующим образом. Демон летает вдоль поршня и смотрит, какие молекулы в него врезаются. Быстрые молекулы он пропускает в одну половину, открывая в поршне крошечный проход (это можно сделать с минимальными затратами энергии), медленные - в другую половину. В итоге газ оказывается разделен на горячий и холодный. Получается, демон Максвелла нарушает Второй закон термодинамики!

Ошибка в этом рассуждении - в том, что у демона тоже есть своя энтропия и, взаимодействуя с молекулами, он ее повышает. То есть энтропия газа в комнате оказалась снижена за счет повышения энтропии демона.

Можно сказать, что энтропию можно понизить только за счет притока негаэнтропии извне.

Но ведь по сути демон почти не затрачивал на свои действия энергию - он только генерировал информацию о быстрых и медленных молекулах. Получается, что информация - это то, что позволяет снизить энтропию, дать негаэнтропию. На макроскопическом уровне это происходит за счет сколь угодно тонкого (с малой затратой энергии) перенаправления системы в область фазового пространства, имеющую низкую вероятность.

Итак, с точки зрения физики информация - это негаэнтропия. Но это нельзя назвать исчерпывающим определением информации. Да, любая информация снижает энтропию - но не всё, что снижает энтропию, является информацией. Например, Земля постоянно получает от Солнца поток лучей высокой энергии, имеющих низкую энтропию, и излучает в космос инфоакрасные лучи с более высокой энтропией. За счет этого существует фотосинтез у растений и вообще всё живое на Земле. Это поток негаэнтропии от Солнца. Да, для растений он является информацией о расположении светила. Но большая часть солнечных лучей не попадает на растения. В этом случае негаэнтропия есть, а информации нет.

Как я уже говорил, информацию нельзя определить на чисто материальном уровне, это фундаментальное понятие, отличное от материи. Можно лишь описать её свойства, одно из которых - снижение энтропии.

Комментарии: