0. Wstęp.
Dobra, już kończę. Te zagwozdki o entropii doprowadzają mój mózg do szaleństwa, w dwojaki sposób. Po pierwsze, jest to szalenie ciekawe, jak entropia i termodynamika mogą wyglądać w kwantowym wydaniu. Jest mowa nawet o naginaniu twierdzenia Carnota! Rozumiecie? Najbardziej podstawowy element tego, jak działają maszyny, może zmienić pierwsze lepsze odkrycie na polu termodynamiki kwantowej. Może kiedyś nasze maszyny będą wyglądały zupełnie inaczej, ale od fundamentów fizyki ich silników poczynając?
Po drugie, wprowadziłem moje szalone pomysły do boju i być może sprowokuję kogoś do postawienia jakichś pytań, lub choćby wywołam wśród Czytelników dyskusję? Już od dawna sieję ferment w fizycznym światku, teraz poszedł większy kaliber :)
Dziś o silnikach Szilarda w kwantowym wydaniu, i na deser termodynamika kwantowa!
1. Silniki informacyjne - kolejna garść informacji, informuje @diesphys (jeśli czyta to jakiś informatyk, niech się zgłosi, będzie ładnie wyglądać ten tytuł od strony językowej ;)
Po kilku latach, gdy Szilard sformalizował swój pomysł, Adolf Hitler został kanclerzem Niemiec. Szilard, który mieszkał w Niemczech, jako członek żydowskiej rodziny, musiał uciekać. Jego praca została zapomniana na długie lata, zanim została przetłumaczona na język angielski. Niedawno, bazując na podstawowych zasadach przetwarzania informacji, Susanne Still zdołała opracować, uogólnić i rozszerzyć pomysł silnika informacyjnego Szilarda. Pracowała przez dziesięć lat nad tym, jak traktować obserwatorów układów fizycznych, którzy są poddani własnym fizycznym ograniczeniom. W zależności od tego, jaką mają strategię przetwarzania informacji oraz do jakich danych mają dostęp, mogą oni zbliżyć się na pewną odległość do owych ograniczeń. Oczywiście, każdy z tych obserwatorów musi zdecydować, jak przechować owe informacje w swojej ograniczonej pamięci oraz jakich pomiarów dokonywać. W studiowaniu tego procesu decyzyjnego, Still dokonała odkrycia, że gromadzenie informacji, które nie pomagają obserwatorowi dokonywać użytecznych przewidywań, powoduje, że stają się one niewydajne. Zaproponowała, aby obserwator korzystał z reguły, która nazwała 'zasadą najmniejszego ograniczenia własnego'. Oznacza to wybieranie tych informacji, które dotykają jak najbliżej swoich fizycznych ograniczeń. Inaczej mówiąc, by były jak najbardziej graniczne dla swojej domeny. Po to, by ulepszyć ich prędkości dostępu i dokładności w procesie decyzyjnym. Uznała także, że te pomysły mogą być badane dalej w celu zastosowania ich do zmodyfikowanych silników informacyjnych.
2. Silnik Szilarda na pełnej mocy.
W oryginalnym pomyśle Szilarda, pomiary demona pokazywały perfekcyjnie, gdzie umiejscowiona jest cząstka. Jednakże w rzeczywistości, nigdy nie mamy idealnej informacji o układzie, ponieważ nasze pomiary są zawsze obarczone błędami. Czujniki podlegają hałasom, wyświetlacze mają ograniczoną rozdzielczość, a komputery ograniczoną ilość przechowywanych informacji. Still wykazała, że 'częściowa obserwowalność', która jest właściwą cechą dla pomiarów w świecie rzeczywistym, może być zastosowana z pewnymi modyfikacjami do silnika Szilarda. A konkretnie, chodzi o kształt rozdzielnika pudełka, w którym znajdują się cząstki. To ciąg dalszy dywagacji nad Demonem Maxwella.
Wyobraźmy sobie, że rozdzielnik jest pochylony pod pewnym kątem w pudełku, a użytkownik może widzieć jedynie poziomą pozycję cząstki (może widzi cień padający na dolną krawędź pudełka). Jeśli cień jest w pełni po prawej lub po lewej stronie rozdzielnika, wiadomo z pewnością, po której jego stronie znajduje się cząstka. Ale jeśli cień znajduje się gdziekolwiek w środkowej strefie, cząstka może być zarówno powyżej jak i poniżej przechylonego rozdzielnika. Co za tym idzie - może znajdować się zarówno po lewej jak i po prawej stronie pudełka.
Czy nie kojarzy Wam się tutaj coś ze słynnym stwierdzeniem, że cień nie przenosi informacji? Można wydedukować, że jeśli cień wskazuje nam pewną informację ale nie wprost, to może okazać się, że unikamy nadmiernego gromadzenia, przetwarzania, a co za tym idzie - jej późniejszego kasowania. Mamy więcej miejsca na inne. Dedukcja ta sprytnie omija obecność informacji w sposób fizyczny w danym układzie. Bo każda przetworzona informacja musi mieć swój wyraz w postaci fizycznej. W świecie, a jakże, fizycznym.
Wyobraźmy sobie dwa pola, czarne i białe. Jedno z nich oświetlamy, drugie jest w zupełnym mroku. Wiemy, że drugie, nieoświetlone pole musi być koloru przeciwnego do pierwszego. Ale nie zużywamy energii (nie przetwarzamy informacji - w tym wypadku w silniku Szilarda) do oświetlenia drugiej części. Oszczędzamy energię, oszczędzamy jej przetwarzanie i co za tym idzie, minimalizujemy straty. Ale dowiadujemy się tego samego, jak gdyby oba pola były oświetlone. Jest jakby mniej tej entropii...
Nie myślicie może podobnie? Skąd wziąłem pomysł o tym, że cień nie przenosi informacji? Wynika on z ogólnej teorii względności Einsteina. Cień może poruszać się szybciej niż światło! To kolejny element, który pozwala na zyskaniu na energii, ilość informacji pozostaje ta sama, a entropia, cóż... Z nią byłbym ostrożny, ale być może pozostaje stała? Albo powiększa się w mniejszym stopniu, niż gdybyśmy wykorzystali do oświetlenia połówek (czarnej i białej) całej mocy reflektora?
Podobnie może działać splątanie kwantowe, które przenosi informacje szybciej niż światło. W pewnym sensie, entropia może mieć związek ze splątaniem kwantowym... Pewnie mi nie uwierzycie, ale nie jestem specem od splątania kwantowego i na ten pomysł wpadłem pisząc ten tekst. Entropia, cień, splątanie kwantowe... Coś jest na rzeczy! :)
Używając częściowo obserwowalnych silników informacyjnych, Still obliczyła najbardziej efektywne strategie dla pomiarów lokalizacji cząstki i zakodowania ich w pamięci. Oznacza to powstanie nowego algorytmu, czysto na bazie praw fizycznych. Używa się go obecnie w uczeniu maszynowym, znane jest jako algorytm wąskiego gardła informacji. Oferuje on sposób na efektywne kompresowanie danych poprzez zachowanie jedynie istotnych informacji. Od tamtej pory, wraz ze swoja uczennicą Dorian Daimer, Still opracowała wiele różnych rodzajów zmodyfikowanego silnika Szilarda i przestudiowała strategie optymalnych sposobów kodowań dla różnych opcji. Te modele teoretyczne służą za 'fundamentalne elementy konstrukcji procesu podejmowania decyzji przy obecności niepewności' - mówi Daimer, która posiada zaplecze naukowe w naukach poznawczych, jak i w fizyce. 'To dlatego badanie fizyki informacji jest tak ciekawe, ponieważ zataczasz w pewnym sensie pełne koło i wracasz do podstawowej koncepcji - kim jest naukowiec.'
3. Nowa Industrializacja. Taka druga część, po klasycznej.
Still nie była jedyną w Yorkishire, która marzyła o silniku Szilarda. W ostatnich latach wielu korzystających z grantów FQxI opracowało w laboratoriach silniki, w których informacja była wykorzystywana jako zasilanie urządzeń mechanicznych. W przeciwieństwie do czasów Carnota, nikt nie oczekuje, że te miniaturowe silniki będą operowały w pociągach lub wygrywały wojny. Służą jednak jako modele, które pozwalają testować fizykę fundamentalną. Jednakże tak jak ostatnio, silniki te zmuszają naukowców do przemyślenia na nowo czym są energia, entropia i informacja.
Z pomocą Still, John Bechhoefer odtworzył silnik Szilarda w koraliku silikonowym mniejszym niż cząstka kurzu unosząca się na wodzie. On i jego współpracownicy w Uniwersytecie Simona Frasera w Kanadzie uwięzili koralik za pomocą laserów i monitorowali jego losowe fluktuacje termiczne. Kiedy koralik podskakiwał ku górze, szybko podnosili pułapkę laserową, aby wykorzystać ruch koralika. Tak jak przewidywał Szilard, udało im się podnieść ciężar używając potęgi informacji.
W badaniu ograniczeń wykorzystywania praca z prawdziwych silników informacyjnych Bechhoefer i Still odkryli, że w pewnych warunkach może on całkowicie prześcignąć silniki konwencjonalne. Namierzyli także nieefektywność związaną z uzyskiwaniem częściowych informacji o stanie koralika, bazując na pracy teoretycznej Still.
4. Kwantowo o Silniku Szilarda.
Silnik informacyjny od teraz zmniejsza się do skali kwantowej. Badaczką jest Natalia Ares, fizyczka z Uniwersytetu w Oxfordzie, która współpracowała ze Still. W silikonowych chipach Ares uwięziła pojedynczy elektron wewnątrz cienkiego węglowego przewodu. Ten został zawieszony między dwoma wspornikami. Ta nanotubka, która jest ochładzana do temperatury tysięcznych stopni powyżej zera absolutnego, wibruje jak struna gitary. Jej częstotliwość oscylacji jest określona przez stan elektronu wewnątrz. Poprzez śledzenie wibracji niewielkiej części nanotubki Ares i współpracownicy planują namierzyć uzyskaną pracę różnych zjawisk kwantowych.
Ares ma długą listę eksperymentów testujących termodynamikę kwantową, które są rozpisane po tablicach na korytarzach. 'To taka rewolucja przemysłowa, ale na skalę nano' - mówi. Jeden z planowanych eksperymentów dotyczy pomysłów Still. Zawiera badanie jak bardzo wibracje nanotubki zależą od elektronu (kontra inne, nieznane czynniki). Jest to nic innego, jak pokrętło do dostrajania stanu niewiedzy obserwatora. Ares i jej zespół badają limity termodynamiki na najmniejszych skalach - tak zwaną siłę napędową kwantowego ognia, w pewnym sensie. W klasycznym podejściu, limity dotyczące jak bardzo efektywne są ruchy cząstek są określone w tezie Carnota. Oraz, w jaki sposób mogą zostać przekształcone na pracę. Ale w kwantowej skali, wraz z całą plejadą entropii do wyboru, jest to o wiele bardziej skomplikowane. Która z nich określi znaczące granice - a nawet - jak określić uzyskaną pracę? 'Kiedy ma się pojedynczy elektron w sowich eksperymentach, co znaczy entropia? Jesteśmy bardzo daleko w naszej niewiedzy' - mówi Ares.
Niedawne badanie prowadzone przez Nicole Yunger Halpern, fizyczkę z National Institute of Standards and Technology pokazują, jak bardzo standardowe definicje entropii nie przystają do kwantowych standardów. A wszystko ze względu na niepewność obserwacji i zależność od obserwatora. Na tej nanoskali, jest niemożliwe znać pewne właściwości w tym samym czasie. A kolejność, w jakiej mierzy się pewne wielkości może mieć wpływ na wynik pomiaru. Yunger Halpern uważa, że możemy wykorzystać te kwantowe dziwactwa na swoja korzyść. 'Istnieją dodatkowe zasoby w kwantowym świecie, które nie stosują się do klasycznej teorii. Dlatego możemy nagiąć teoremat Carnota.' - mówi.
Ares rozszerza te granice w laboratorium, licząc na to, że wybrukuje ścieżkę dla bardziej efektywnego uzyskiwania energii, ładowania urządzeń lub obliczeń. Eksperymenty mogą także dostarczyć wglądu w mechanikę najbardziej efektywnego systemu przetwarzania informacji, jaki istnieje: nas samych. Naukowcy nie są pewni, w jaki sposób ludzki mózg może wykonywać tak niesamowitą gimnastykę skomplikowanych działań umysłowych. Niesamowitą, bo używa do tego jedynie 20 watów mocy. Być może, sekretem biologicznej wydajności obliczeniowej jest także wykorzystywanie losowych fluktuacji na najmniejszych skalach. Eksperymenty Ares celują w namierzeniu każdej możliwej dogodności. 'Jeśli jest w tym jakaś korzyść, natura być może używa tego dla swoich celów'. - mówi Janet Anders, teoretyczka z Uniwersytetu w Exeter, która pracuje z Ares. 'Fundamentalne zrozumienie, nad którym pracujemy, być może pomoże nam w przyszłości odkryć, jak biologia dokonuje swoich dzieł'.
Ares pokazuje kolejne doświadczenie. Widzimy komorę mrożenia pomalowaną na różowo, która zwisa z sufitu jej laboratorium w Oxfordzie. Żartem zaproponowała wykonawcom, że metaliczna farba mogłaby utrudniać eksperymenty. Wtedy, firma produkująca w tajemnicy przewiozła lodówkę do sklepu samochodowego i pokryła ją rażąco różową farbą. Ares widzi, jak jej nowa arena doświadczalna jest symbolem zmiany czasów, w jakich żyjemy. Odzwierciedla jej nadzieje na nową rewolucję przemysłową, która ma być inna od poprzedniej - bardziej zrównoważona, przyjazna środowisku i inkluzyjna.
5. Uchwycić nieoznaczoność.
We wrześniu 2024 roku kilkuset badaczy zebrało się w Palaiseau we Francji, aby oddać cześć Carnotowi. Miało to miejsce w 200 rocznicę wydania jego książki. Uczestnicy z różnych dziedzin nauki dyskutowali nad tym, jak entropia uczestniczy w ich polach badawczych. A te rozciągają się od ogniw słonecznych po czarne dziury. Na wstępie, dyrektor Francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych przeprosił Carnota w imieniu swojego państwa. Pominięto wpływ jego badań na naukę, za co oficjalnie go przeproszono. Później w nocy, naukowcy zebrali się w dekadenckiej złotej jadalni, aby posłuchać symfonii skomponowanej prze ojca Carnota. Wykonywał ją kwartet, który składał się z dalekich krewnych i potomków kompozytora. Uchwycono zapewne muzykę, ale czy także nieoznaczoność?
Niezwykła przenikliwość Carnota wyrosła z próby całkowitego i ostatecznego przejęcia kontroli nad (światem? To raczej bohaterowie kreskówek, miejmy nadzieję, że nie o to mu chodziło) światem mechanicznym, a raczej na uzyskanie ostatecznego klucza do jego zrozumienia. A był to Święty Graal epoki Rozumu. Ale pojęcie entropii dryfowało poprzez różne dziedziny nauki. Do tego stopnia, że zmieniła się jej celowość. Początkowo uważana była za coś, co pozwoli porzucić marzenia o totalnej efektywności i perfekcyjnym przewidywaniu. Ostatecznie zaś, przyczyniła się do wplecenia w myślenia o naturze świata niemożliwą do odrzucenia niepewność. Rovelli mówi: 'W pewnym sensie oddalamy się od epoki Oświecenia w przeróżnych kierunkach. Odchodzimy powoli od determinizmu i absolutyzmu w kierunku subiektywizmu i nieokreśloności. Czy to nam się podoba czy nie, jesteśmy wszyscy niewolnikami drugiego prawa termodynamiki. Nie możemy nic poradzić na to, że świat zmierza ku ostatecznemu chaosowi. Ale nasze odnowione spojrzenie na entropię pozwala nieco optymistyczniej patrzeć w przyszłość. Tendencja do powstawania coraz większego chaosu jest tym, co napędza nasze maszyny. Pomimo, iż rozpad użytecznej energii jest naszym ograniczeniem, czasem nowa perspektywa pozwala dostrzec porządek ukryty w chaosie. Co więcej, nieuporządkowany Wszechświat jest wypełniany coraz bardziej nowymi możliwościami. Nie jesteśmy w stanie przechytrzyć niepewności (w ścisłym tego słowa znaczeniu; na przekór temu, słowa Rovellego brzmią bardzo pewnie), ale możemy nauczyć się nią zarządzać, a może nawet uchwycić ją i zrozumieć. Pomimo wszystko, niewiedza jest motywująca do wyjaśniania zagadek i zdobywania wiedzy. Konstruuje także historię naszego doświadczenia. Entropia jest tym, co czyni nas ludźmi. Można narzekać na nieuchronny upadek porządku, albo uchwycić nieoznaczoność jako szansę do nauczenia się czegoś, wyczucia i wydedukowania. Dzięki temu, dokonamy w przyszłości lepszych wyborów i skorzystamy z siły napędowej, jaką jesteśmy my sami.
Kto by pomyślał, entropia czyni mnie człowiekiem... A myślałem, że mózg i korzystanie z niego. Za te 20 watów warto go czasem uruchomić, a @diesphys da Wam do tego okazję...
Już niedługo.
@diesphys.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz