Ακριβώς πριν από 200 χρόνια, ένας Γάλλος μηχανικός εισήγαγε μια ιδέα που θα ποσοτικοποιούσε την αδυσώπητη ολίσθηση του σύμπαντος στη φθορά. Αλλά η εντροπία, όπως γίνεται επί του παρόντος κατανοητό, είναι λιγότερο γεγονός για τον κόσμο παρά αντανάκλαση της αυξανόμενης άγνοιάς μας. Η αγκαλιά αυτής της αλήθειας οδηγεί σε επανεξέταση των πάντων, από την ορθολογική λήψη
αποφάσεων έως τα όρια των μηχανών.Το L ife είναι μια ανθολογία της καταστροφής. Ό,τι κατασκευάζεις τελικά σπάει. Όλοι όσοι αγαπάτε θα πεθάνουν. Οποιαδήποτε αίσθηση τάξης ή σταθερότητας αναπόφευκτα καταρρέει. Ολόκληρο το σύμπαν ακολουθεί ένα θλιβερό ταξίδι προς μια βαρετή κατάσταση απόλυτης αναταραχής.
Για να παρακολουθούν αυτή την κοσμική διάσπαση, οι φυσικοί χρησιμοποιούν μια έννοια που ονομάζεται εντροπία. Η εντροπία είναι ένα μέτρο της αταξίας και η δήλωση ότι η εντροπία είναι πάντα σε άνοδο - γνωστή ως ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής - είναι από τις πιο αναπόφευκτες εντολές της φύσης.
Εδώ και καιρό νιώθω ότι με στοιχειώνει η καθολική τάση προς την ακαταστασία. Η τάξη είναι εύθραυστη. Χρειάζονται μήνες προσεκτικού σχεδιασμού και καλλιτεχνίας για να φτιάξεις ένα βάζο, αλλά μια στιγμή για να το γκρεμίσεις με μια μπάλα ποδοσφαίρου. Περνάμε τη ζωή μας προσπαθώντας να κατανοήσουμε έναν χαοτικό και απρόβλεπτο κόσμο, όπου οποιαδήποτε απόπειρα να τεθεί ο έλεγχος φαίνεται μόνο να έχει μπούμερανγκ. Ο δεύτερος νόμος απαιτεί ότι οι μηχανές δεν μπορούν ποτέ να είναι τέλεια αποτελεσματικές, πράγμα που υπονοεί ότι όποτε δημιουργείται δομή στο σύμπαν, τελικά χρησιμεύει μόνο για την περαιτέρω διάχυση της ενέργειας - είτε πρόκειται για ένα αστέρι που τελικά εκρήγνυται είτε ένας ζωντανός οργανισμός που μετατρέπει την τροφή σε θερμότητα. Είμαστε, παρά τις καλύτερες προθέσεις μας, πράκτορες της εντροπίας .
«Τίποτα στη ζωή δεν είναι σίγουρο εκτός από τον θάνατο, τους φόρους και τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής», έγραψε Seth Lloyd, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Δεν υπάρχει καμία παράκαμψη αυτής της οδηγίας. Η ανάπτυξη της εντροπίας είναι βαθιά συνυφασμένη με τις πιο βασικές εμπειρίες μας, εξηγώντας γιατί ο χρόνος τρέχει μπροστά και γιατί ο κόσμος φαίνεται ντετερμινιστικός και όχι κβαντομηχανικά αβέβαιος .
Όμως, παρά τη θεμελιώδη σημασία της, η εντροπία είναι ίσως η πιο διχαστική έννοια στη φυσική. «Η εντροπία ήταν πάντα πρόβλημα», μου είπε ο Λόιντ. Η σύγχυση πηγάζει εν μέρει από τον τρόπο με τον οποίο ο όρος περιστρέφεται και περιστρέφεται μεταξύ των κλάδων - έχει παρόμοια αλλά ξεχωριστά νοήματα σε οτιδήποτε, από τη φυσική έως τη θεωρία πληροφοριών έως την οικολογία. Αλλά είναι επίσης επειδή το να τυλίξει κανείς πραγματικά το κεφάλι του γύρω από την εντροπία απαιτεί να κάνει κάποια βαθιά άβολα φιλοσοφικά άλματα.
Καθώς οι φυσικοί εργάστηκαν για να ενώσουν φαινομενικά ανόμοια πεδία τον περασμένο αιώνα, έριξαν την εντροπία σε ένα νέο φως - στρέφοντας το μικροσκόπιο πίσω στον μάντη και μετατοπίζοντας την έννοια της αταξίας σε μια έννοια της άγνοιας. Η εντροπία δεν θεωρείται ως μια ιδιότητα εγγενής σε ένα σύστημα, αλλά ως μια ιδιότητα που σχετίζεται με έναν παρατηρητή που αλληλεπιδρά με αυτό το σύστημα. Αυτή η σύγχρονη άποψη φωτίζει τον βαθύ δεσμό μεταξύ της πληροφορίας και της ενέργειας, η οποία βοηθά τώρα στην έναρξη μιας μίνι-βιομηχανικής επανάστασης στη μικρότερη κλίμακα.
Διακόσια χρόνια αφότου σπάρθηκαν για πρώτη φορά οι σπόροι της εντροπίας, αυτό που αναδύεται είναι μια αντίληψη αυτής της ποσότητας που είναι περισσότερο ευκαιριακή παρά μηδενιστική. Η εννοιολογική εξέλιξη ανατρέπει τον παλιό τρόπο σκέψης, όχι μόνο για την εντροπία, αλλά για τον σκοπό της επιστήμης και τον ρόλο μας στο σύμπαν.
Η ΚΙΝΗΤΉΡΙΑ ΔΎΝΑΜΗ ΤΗΣ ΦΩΤΙΆΣ
Η έννοια της εντροπίας προέκυψε από μια προσπάθεια τελειοποίησης των μηχανών κατά τη διάρκεια της βιομηχανικής επανάστασης. Ένας 28χρονος Γάλλος στρατιωτικός μηχανικός ονόματι Sadi Carnot ξεκίνησε να υπολογίσει την απόλυτη απόδοση της ατμοκίνητης μηχανής. Το 1824 εξέδωσε ένα βιβλίο 118 σελίδων με τίτλο Reflections on the Motive Power of Fire , το οποίο πούλησε στις όχθες του Σηκουάνα για 3 φράγκα. Το βιβλίο του Carnot αγνοήθηκε σε μεγάλο βαθμό από την επιστημονική κοινότητα και πέθανε αρκετά χρόνια αργότερα από χολέρα. Το σώμα του κάηκε, όπως και πολλά από τα χαρτιά του. Αλλά μερικά αντίγραφα του βιβλίου του επέζησαν, και μέσα σε αυτά βρισκόταν η χόβολη μιας νέας επιστήμης της θερμοδυναμικής - της κινητήριας δύναμης της φωτιάς.
Ο Carnot συνειδητοποίησε ότι η ατμομηχανή είναι, στον πυρήνα της, μια μηχανή που εκμεταλλεύεται την τάση της θερμότητας να ρέει από τα θερμά αντικείμενα στα κρύα. Σχεδίασε τον πιο αποδοτικό κινητήρα που μπορούσε να φανταστεί κανείς, καθιερώνοντας ένα όριο στο κλάσμα της θερμότητας που μπορεί να μετατραπεί σε εργασία, ένα αποτέλεσμα που τώρα είναι γνωστό ως θεώρημα του Carnot. Η πιο συνεπής δήλωσή του έρχεται ως μια προειδοποίηση στην τελευταία σελίδα του βιβλίου: «Δεν πρέπει να περιμένουμε να χρησιμοποιήσουμε ποτέ στην πράξη όλη την κινητήρια δύναμη των καύσιμων υλικών». Κάποια ενέργεια θα διαχέεται πάντα μέσω τριβής, δονήσεων ή άλλης ανεπιθύμητης μορφής κίνησης. Η τελειότητα είναι ανέφικτη.
Διαβάζοντας το βιβλίο του Carnot μερικές δεκαετίες αργότερα, το 1865, ο Γερμανός φυσικός Rudolf Clausius επινόησε έναν όρο για την αναλογία της ενέργειας που είναι εγκλωβισμένη στη ματαιότητα. Το ονόμασε «εντροπία», από την ελληνική λέξη για τον μετασχηματισμό. Στη συνέχεια διατύπωσε αυτό που έγινε γνωστό ως ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής: «Η εντροπία του σύμπαντος τείνει στο μέγιστο».
Οι φυσικοί της εποχής πίστευαν λανθασμένα ότι η θερμότητα ήταν ένα ρευστό (που ονομάζεται «θερμιδικό»). Τις επόμενες δεκαετίες, συνειδητοποίησαν ότι η θερμότητα ήταν μάλλον ένα υποπροϊόν των μεμονωμένων μορίων που προσκρούουν γύρω. Αυτή η αλλαγή προοπτικής επέτρεψε στον Αυστριακό φυσικό Ludwig Boltzmann να αναδιαμορφώσει και να οξύνει την ιδέα της εντροπίας χρησιμοποιώντας πιθανότητες.
Ο Rudolf Clausius (αριστερά) δημιούργησε τη γνώση ότι η εντροπία τείνει να αυξάνεται. Ο Ludwig Boltzmann δημιούργησε αυτή την άνοδο στη στατιστική μηχανική.
Ο Boltzmann διέκρινε τις μικροσκοπικές ιδιότητες των μορίων, όπως τις μεμονωμένες θέσεις και ταχύτητες τους, από τις μαζικές μακροσκοπικές ιδιότητες ενός αερίου όπως η θερμοκρασία και η πίεση. Σκεφτείτε, αντί για αέριο, μια ομάδα πανομοιότυπων κομματιών παιχνιδιού σε ένα σκακιέρα. Η λίστα με τις ακριβείς συντεταγμένες όλων των πούλιων είναι αυτό που ο Boltzmann ονόμασε «μικροκατάσταση» και η συνολική τους διάρθρωση - είτε σχηματίζουν ένα αστέρι, ας πούμε, είτε είναι όλα συγκεντρωμένα μαζί - είναι μια «μακροκατάσταση». Ο Boltzmann όρισε την εντροπία μιας δεδομένης μακροκατάστασης ως προς τον αριθμό των πιθανών μικροκαταστάσεων που την δημιουργούν. Μια μακροκατάσταση υψηλής εντροπίας είναι αυτή που έχει πολλές συμβατές μικροκαταστάσεις — πολλές πιθανές διατάξεις πούλιων που αποδίδουν το ίδιο συνολικό σχέδιο.
Υπάρχουν μόνο τόσοι πολλοί τρόποι με τους οποίους τα πούλια μπορούν να πάρουν συγκεκριμένα σχήματα που εμφανίζονται διατεταγμένα, ενώ υπάρχουν δραστικά περισσότεροι τρόποι για να φαίνονται τυχαία διάσπαρτα στον πίνακα. Έτσι, η εντροπία μπορεί να θεωρηθεί ως μέτρο διαταραχής. Ο δεύτερος νόμος γίνεται μια διαισθητική πιθανολογική δήλωση: Υπάρχουν περισσότεροι τρόποι για κάτι να φαίνεται ακατάστατο παρά καθαρό, επομένως, καθώς τα μέρη ενός συστήματος ανακατεύονται τυχαία σε διαφορετικές πιθανές διαμορφώσεις, τείνουν να λαμβάνουν ρυθμίσεις που φαίνονΗ θερμότητα στον κινητήρα του Carnot ρέει από το ζεστό στο κρύο επειδή είναι πιο πιθανό τα σωματίδια του αερίου να αναμειγνύονται όλα αντί να διαχωρίζονται από την ταχύτητα - με ζεστά, γρήγορα κινούμενα σωματίδια στη μία πλευρά και κρύα, αργά κινούμενα σωματίδια από την άλλη. Το ίδιο σκεπτικό ισχύει και για το γιατί το γυαλί θρυμματίζεται, ο πάγος λιώνει, τα υγρά αναμειγνύονται και τα φύλλα αποσυντίθενται. Στην πραγματικότητα, η φυσική τάση των συστημάτων να μετακινούνται από καταστάσεις χαμηλής εντροπίας σε καταστάσεις υψηλής εντροπίας φαίνεται να είναι το μόνο πράγμα που διαποτίζει αξιόπιστα το σύμπαν με μια σταθερή χρονική κατεύθυνση. Η εντροπία χαράζει ένα βέλος χρόνου για διαδικασίες που διαφορετικά θα συνέβαιναν εξίσου εύκολα αντίστροφα.
Η ιδέα της εντροπίας θα εκτεινόταν τελικά πολύ έξω από τα όρια της θερμοδυναμικής. «Όταν ο Carnot έγραψε το χαρτί του… δεν νομίζω ότι κανείς φανταζόταν τι θα προέκυπτε από αυτό», είπε ο Carlo Rovelli , φυσικός στο Πανεπιστήμιο Aix-Marseille.
Επέκταση της Εντροπίας
Η εντροπία γνώρισε μια αναγέννηση κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου. Ο Claude Shannon, ένας Αμερικανός μαθηματικός, εργαζόταν για την κρυπτογράφηση των καναλιών επικοινωνίας, συμπεριλαμβανομένου αυτού που συνέδεε τον Franklin D. Roosevelt και τον Winston Churchill. Αυτή η εμπειρία τον οδήγησε να σκεφτεί βαθιά τα βασικά στοιχεία της επικοινωνίας τα επόμενα χρόνια. Ο Shannon προσπάθησε να μετρήσει την ποσότητα των πληροφοριών που περιέχονται σε ένα μήνυμα. Το έκανε με κυκλικό τρόπο, αντιμετωπίζοντας τη γνώση ως μείωση της αβεβαιότητας.
Ο Claude Shannon, ο οποίος έχει ονομαστεί ο πατέρας της θεωρίας της πληροφορίας, κατανοούσε την εντροπία ως αβεβαιότητα.
Κτήμα Francis Bello; Επιστημονική Πηγή
Με την πρώτη ματιά, η εξίσωση που κατέληξε η Shannon δεν έχει καμία σχέση με τις ατμομηχανές. Δεδομένου ενός συνόλου πιθανών χαρακτήρων σε ένα μήνυμα, ο τύπος του Shannon ορίζει την αβεβαιότητα σχετικά με το ποιος χαρακτήρας θα εμφανιστεί στη συνέχεια ως το άθροισμα της πιθανότητας εμφάνισης κάθε χαρακτήρα πολλαπλασιασμένο επί το λογάριθμο αυτής της πιθανότητας. Αλλά αν κάποιος χαρακτήρας είναι εξίσου πιθανός, ο τύπος του Shannon απλοποιείται και γίνεται ακριβώς ο ίδιος με τον τύπο του Boltzmann για την εντροπία. Ο φυσικός John von Neumann υποτίθεται ότι παρότρυνε τον Shannon να ονομάσει την ποσότητα του "εντροπία" - εν μέρει επειδή ευθυγραμμίζεται στενά με του Boltzmann, αλλά και επειδή "κανείς δεν ξέρει τι είναι πραγματικά η εντροπία, οπότε σε μια συζήτηση θα έχετε πάντα το πλεονέκτημα".
Ακριβώς όπως η θερμοδυναμική εντροπία περιγράφει την απόδοση μιας μηχανής, η εντροπία πληροφοριών συλλαμβάνει την απόδοση της επικοινωνίας. Αντιστοιχεί στον αριθμό των ερωτήσεων ναι ή όχι που απαιτούνται για να καταλάβουμε το περιεχόμενο ενός μηνύματος. Ένα μήνυμα υψηλής εντροπίας είναι ένα μήνυμα χωρίς σχέδια. χωρίς τρόπο να μαντέψετε τον επόμενο χαρακτήρα, το μήνυμα απαιτεί πολλές ερωτήσεις για να αποκαλυφθεί πλήρως. Ένα μήνυμα με πολλά μοτίβα περιέχει λιγότερες πληροφορίες και είναι πιο εύκολο να μαντέψει κανείς. «Είναι μια πολύ όμορφη αλληλοσυνδεόμενη εικόνα πληροφοριών και εντροπίας», είπε ο Lloyd. «Η εντροπία είναι πληροφορίες που δεν γνωρίζουμε. οι πληροφορίες είναι πληροφορίες που γνωρίζουμε».
ται πιο βρώμικες και πιο ακατάστατες.
Σε δύο ορόσημα
Το 1957, ο Αμερικανός φυσικός ET Jaynes εδραίωσε αυτή τη σύνδεση βλέποντας τη θερμοδυναμική μέσα από το φακό της θεωρίας της πληροφορίας. Θεωρούσε ότι η θερμοδυναμική είναι μια επιστήμη της εξαγωγής στατιστικών συμπερασμάτων από ελλιπείς μετρήσεις σωματιδίων. Όταν είναι γνωστές μερικές πληροφορίες για ένα σύστημα, πρότεινε ο Jaynes, θα πρέπει να εκχωρούμε ίση πιθανότητα σε κάθε διαμόρφωση που είναι συμβατή με αυτούς τους γνωστούς περιορισμούς. Η «αρχή της μέγιστης εντροπίας» του παρέχει τον λιγότερο προκατειλημμένο τρόπο για να κάνει κανείς προβλέψεις για οποιοδήποτε περιορισμένο σύνολο δεδομένων και χρησιμοποιείται πλέον παντού, από τη στατιστική μηχανική έως τη μηχανική μάθηση και οικολογία .
Οι έννοιες της εντροπίας που αναπτύχθηκαν σε ανόμοια περιβάλλοντα ταιριάζουν έτσι καλά μεταξύ τους. Μια αύξηση της εντροπίας αντιστοιχεί σε απώλεια πληροφοριών σχετικά με μικροσκοπικές λεπτομέρειες. Στη στατιστική μηχανική, για παράδειγμα, καθώς τα σωματίδια σε ένα κουτί αναμειγνύονται και χάνουμε την παρακολούθηση των θέσεων και της ορμής τους, η «εντροπία Gibbs» αυξάνεται. Στην κβαντομηχανική, καθώς τα σωματίδια μπλέκονται με το περιβάλλον τους, ανακατεύοντας έτσι την κβαντική τους κατάσταση, η «εντροπία von Neumann» αυξάνεται. Και καθώς η ύλη πέφτει σε μια μαύρη τρύπα και οι πληροφορίες για αυτήν χάνονται στον έξω κόσμο, η « εντροπία Bekenstein-Hawking » ανεβαίνει.
Αυτό που μετρά σταθερά η εντροπία είναι η άγνοια: έλλειψη γνώσης σχετικά με την κίνηση των σωματιδίων, το επόμενο ψηφίο σε μια σειρά κώδικα ή την ακριβή κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος. "Παρά το γεγονός ότι οι εντροπίες εισήχθησαν με διαφορετικά κίνητρα, σήμερα μπορούμε να τις συνδέσουμε όλες με την έννοια της αβεβαιότητας", δήλωσε ο Renato Renner.
, φυσικός στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Ζυρίχης.
Ωστόσο, αυτή η ενοποιημένη κατανόηση της εντροπίας εγείρει μια ανησυχητική ανησυχία: για ποιανού άγνοια μιλάμε;
Μια μυρωδιά υποκειμενικότητας
Ως προπτυχιακός φοιτητής φυσικής στη βόρεια Ιταλία, ο Carlo Rovelli έμαθε για την εντροπία και την ανάπτυξη της αταξίας από τους καθηγητές του. Κάτι δεν καθόταν καλά. Πήγε σπίτι, γέμισε ένα βάζο με λάδι και νερό και είδε τα υγρά να χωρίζονται καθώς το κουνούσε — μια φαινομενική απόκλιση από τον δεύτερο νόμο όπως του είχαν περιγράψει. «Αυτό που μου λένε είναι μαλακίες», θυμάται σκεπτόμενος. «Ήταν τόσο ξεκάθαρο ότι υπήρχε πρόβλημα στον τρόπο διδασκαλίας των πραγμάτων».
Η εμπειρία του Rovelli καταγράφει έναν βασικό λόγο για τον οποίο η εντροπία είναι τόσο περίπλοκη. Υπάρχουν πολλές καταστάσεις στις οποίες η σειρά φαίνεται να αυξάνεται, από ένα παιδί που καθαρίζει την κρεβατοκάμαρά του μέχρι ένα ψυγείο που δροσίζει μια γαλοπούλα.
Ο Ροβέλι κατάλαβε ότι ο προφανής θρίαμβος του επί του δεύτερου νόμου ήταν ένας αντικατοπτρισμός. Ένας υπεράνθρωπος παρατηρητής με ισχυρή θερμική όραση θα έβλεπε πώς ο διαχωρισμός του πετρελαίου και του νερού απελευθερώνει κινητική ενέργεια στα μόρια, αφήνοντας μια πιο θερμικά διαταραγμένη κατάσταση. «Αυτό που πραγματικά συμβαίνει είναι ότι σχηματίζεται μια μακροσκοπική τάξη σε βάρος της μικροσκοπικής διαταραχής», είπε ο Rovelli. Ο δεύτερος νόμος ισχύει πάντα. μεΟ Jaynes βοήθησε να διευκρινιστεί και αυτό το θέμα. Για να το κάνει αυτό, στράφηκε σε ένα πείραμα σκέψης που προτάθηκε για πρώτη φορά το 1875 από τον Josiah Willard Gibbs, το οποίο έγινε γνωστό ως το παράδοξο της μίξης Gibbs.
Ας υποθέσουμε ότι έχετε δύο αέρια, το Α και το Β, σε ένα κουτί, που χωρίζονται από ένα διαχωριστικό. Όταν σηκώνετε το διαχωριστικό, ο δεύτερος νόμος απαιτεί τα αέρια να εξαπλωθούν και να αναμειχθούν, αυξάνοντας την εντροπία. Αλλά αν τα Α και Β είναι πανομοιότυπα αέρια που διατηρούνται στην ίδια πίεση και θερμοκρασία, η ανύψωση του διαιρέτη δεν αλλάζει την εντροπία, καθώς τα σωματίδια έχουν ήδη αναμειχθεί στο μέγιστο βαθμό.
Το ερώτημα είναι: Τι συμβαίνει αν τα Α και Β είναι διαφορετικά αέρια, αλλά δεν μπορείτε να τα ξεχωρίσετε;
Πάνω από έναν αιώνα αφότου ο Γκιμπς έθεσε το παράδοξο, ο Τζέινς παρουσίασε ένα ψήφισμα
(το οποίο επέμεινε ότι ο Γκιμπς είχε ήδη καταλάβει, αλλά δεν κατάφερε να το διατυπώσει με σαφήνεια). Φανταστείτε ότι τα αέρια στο κουτί είναι δύο διαφορετικοί τύποι αργού, πανομοιότυποι εκτός από το ότι ένα από αυτά είναι διαλυτό σε ένα στοιχείο που δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμη που ονομάζεται ουίφνιο. Πριν από την ανακάλυψη του whifnium, δεν υπάρχει τρόπος να ξεχωρίσουμε τα δύο αέρια, και έτσι η ανύψωση του διαχωριστή δεν προκαλεί καμία εμφανή αλλαγή στην εντροπία. Μετά την ανακάλυψη του whifnium, ωστόσο, ένας έξυπνος επιστήμονας θα μπορούσε να το χρησιμοποιήσει για να διαφοροποιήσει τα δύο είδη αργού, υπολογίζοντας ότι η εντροπία αυξάνεται καθώς αναμειγνύονται οι δύο τύποι. Επιπλέον, ο επιστήμονας θα μπορούσε να σχεδιάσει ένα έμβολο με βάση το whifnium που εκμεταλλεύεται προηγουμένως απρόσιτη ενέργεια από τη φυσική ανάμειξη των αερίων.
Αυτό που κατέστησε σαφές ο Jaynes είναι ότι η «τακτότητα» ενός συστήματος - και επομένως η δυνατότητα εξαγωγής χρήσιμης ενέργειας από αυτό - εξαρτάται από τη σχετική γνώση και τους πόρους ενός πράκτορα. Εάν ένας πειραματιστής δεν μπορεί να διακρίνει τα αέρια Α και Β, στην πραγματικότητα είναι το ίδιο αέριο. Μόλις οι επιστήμονες έχουν τα μέσα να τα ξεχωρίσουν, μπορούν να αξιοποιήσουν την εργασία εκμεταλλευόμενοι την τάση των αερίων να αναμειγνύονται. Η εντροπία δεν εξαρτάται από τη διαφορά μεταξύ των αερίων, αλλά από τη διάκρισή τους. Η διαταραχή είναι στο μάτι του θεατή.
Ο φυσικός Carlo Rovelli έχει από καιρό τονίσει την εξάρτηση των ποσοτήτων παρατηρητή στη φυσική, συμπεριλαμβανομένης της εντροπίας.
Christopher Wahl
«Ο όγκος της χρήσιμης εργασίας που μπορούμε να εξαγάγουμε από οποιοδήποτε σύστημα εξαρτάται - προφανώς και αναγκαστικά - από το πόσες «υποκειμενικές» πληροφορίες έχουμε για τη μικροκατάστασή του», έγραψε ο Jaynes.
Το παράδοξο Gibbs τονίζει την ανάγκη να αντιμετωπίζεται η εντροπία ως μια ιδιότητα προοπτικής και όχι ως μια εγγενής ιδιότητα ενός συστήματος. Κι όμως, η υποκειμενική εικόνα της εντροπίας ήταν δύσκολη
για να καταπιούν οι φυσικοί. Όπως έγραψε ο φιλόσοφος της επιστήμης Kenneth Denbigh σε ένα εγχειρίδιο του 1985
, «Μια τέτοια άποψη, αν είναι έγκυρη, θα δημιουργούσε κάποια βαθιά φιλοσοφικά προβλήματα και θα έτεινε να υπονομεύσει την αντικειμενικότητα του επιστημονικού εγχειρήματος».
Η αποδοχή αυτού του υπό όρους ορισμού της εντροπίας απαίτησε μια επανεξέταση του θεμελιώδους σκοπού της επιστήμης. Υπονοεί ότι η φυσική περιγράφει με μεγαλύτερη ακρίβεια την ατομική εμπειρία παρά κάποια αντικειμενική πραγματικότητα. Με αυτόν τον τρόπο, η εντροπία έχει σαρωθεί στη μεγαλύτερη τάση των επιστημόνων που συνειδητοποιούν ότι πολλά φυσικά μεγέθη έχουν νόημα μόνο σε σχέση με έναν παρατηρητή. (Ακόμη και ο ίδιος ο χρόνος αποδόθηκε σχετικός από τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν.) «Στους φυσικούς δεν αρέσει η υποκειμενικότητα - είναι αλλεργικοί σε αυτήν», είπε ο Anthony Aguirre
, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σάντα Κρουζ. "Αλλά δεν υπάρχει απόλυτο - αυτό ήταν πάντα μια ψευδαίσθηση."
ρικές φορές δεν φαίνεται.
Τώρα που έχει έρθει η αποδοχή, ορισμένοι φυσικοί διερευνούν τρόπους για να εμπλουτίσουν την υποκειμενικότητα στους μαθηματικούς ορισμούς της εντροπίας.
Ο Aguirre και οι συνεργάτες του έχουν επινοήσει ένα νέο μέτρο που ονομάζουν παρατηρητική εντροπία
. Προσφέρει έναν τρόπο να προσδιορίσετε ποιες ιδιότητες έχει πρόσβαση ένας δεδομένος παρατηρητής, προσαρμόζοντας τον τρόπο με τον οποίο αυτές οι ιδιότητες θολώνουν, ή «χονδρόκοκκο», την άποψη του παρατηρητή για την πραγματικότητα. Στη συνέχεια αποδίδει ίση πιθανότητα σε όλες τις μικροκαταστάσεις που είναι συμβατές με αυτές τις παρατηρούμενες ιδιότητες, όπως ακριβώς πρότεινε ο Jaynes. Η εξίσωση γεφυρώνει τη θερμοδυναμική εντροπία, η οποία περιγράφει ευρείες μακροσκοπικά χαρακτηριστικά, και την εντροπία πληροφοριών, η οποία καταγράφει μικροσκοπικές λεπτομέρειες. «Αυτό το είδος χονδροειδούς, εν μέρει υποκειμενική άποψη είναι ο τρόπος με τον οποίο ασχολούμαστε με την πραγματικότητα με ουσιαστικό τρόπο», είπε ο Aguirre.
Ορισμένες ανεξάρτητες ομάδες έχουν χρησιμοποιήσει τη φόρμουλα του Aguirre για να κυνηγήσουν περισσότερα του δεύτερου νόμου. Από την πλευρά του, ο Aguirre ελπίζει να χρησιμοποιήσει το μέτρο του για να εξηγήσει γιατί το σύμπαν ξεκίνησε σε μια κατάσταση χαμηλής εντροπίας (και επομένως γιατί ο χρόνος κυλά προς τα εμπρός) και για να έχουμε μια σαφέστερη εικόνα του τι σημαίνει εντροπία στις μαύρες τρύπες. «Το πλαίσιο της παρατηρητικής εντροπίας παρέχει πολύ μεγαλύτερη σαφήνεια», δήλωσε ο Philipp Strasberg, φυσικός στο Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης, ο οποίος πρόσφατα το συμπεριέλαβε σε μια σύγκριση διαφορετικών μικροσκοπικών ορισμών εντροπίας.
. «Συνδέει πραγματικά τις ιδέες του Boltzmann και του von Neumann με αυτό που κάνουν οι άνθρωποι στις μέρες μας».
Ο Anthony Aguirre έχει ορίσει μια ποσότητα που αποκαλεί παρατηρητική εντροπία την οποία άλλοι ερευνητές βρίσκουν διευκρινιστική.
Lisa Tse για FQxl
Εν τω μεταξύ, οι θεωρητικοί της κβαντικής πληροφορίας έχουν υιοθετήσει μια διαφορετική προσέγγιση(ανοίγει μια νέα καρτέλα)στον χειρισμό της υποκειμενικότητας. Αντιμετωπίζουν τις πληροφορίες ως έναν πόρο που οι παρατηρητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να αλληλεπιδράσουν με ένα σύστημα που συνδυάζεται όλο και περισσότερο με το περιβάλλον του. Για έναν υπερυπολογιστή με απεριόριστη ισχύ που θα μπορούσε να παρακολουθεί την ακριβή κατάσταση κάθε σωματιδίου στο σύμπαν, η εντροπία θα παρέμενε πάντα σταθερή - αφού δεν θα χάνονταν πληροφορίες - και ο χρόνος θα έπαυε να ρέει. Αλλά οι παρατηρητές με πεπερασμένους υπολογιστικούς πόρους όπως εμείς πρέπει πάντα να αντιμετωπίζουν μια χονδροειδή εικόνα της πραγματικότητας. Δεν μπορούμε να παρακολουθούμε την κίνηση όλων των μορίων του αέρα σε ένα δωμάτιο, επομένως παίρνουμε μέσους όρους με τη μορφή θερμοκρασίας και πίεσης. Σταδιακά χάνουμε το ίχνος των μικροσκοπικών λεπτομερειών καθώς τα συστήματα εξελίσσονται σε πιο πιθανές καταστάσεις και αυτή η αδυσώπητη τάση υλοποιείται με τη ροή του χρόνου. «Η εποχή της φυσικής είναι, τελικά, η έκφραση της άγνοιάς μας για τον κόσμο», έγραψε ο Ροβέλι.(ανοίγει μια νέα καρτέλα). Η άγνοια συνθέτει την πραγματικότητά μας.
«Υπάρχει ένα σύμπαν εκεί έξω, και υπάρχει ένα σύμπαν που κάθε παρατηρητής κουβαλάει μαζί του – η κατανόησή του και το μοντέλο του κόσμου», είπε ο Aguirre. Η εντροπία παρέχει ένα μετρητή των ελλείψεων στα εσωτερικά μας μοντέλα. Αυτά τα μοντέλα, είπε, «μας επιτρέπουν να κάνουμε καλές προβλέψεις και να ενεργούμε έξυπνα σε έναν συχνά εχθρικό αλλά πάντα δύσκολο φυσικό κόσμο».
Οδηγούμενος από τη Γνώση
Το καλοκαίρι του 2023, ο Aguirre φιλοξένησε ένα retreat(ανοίγει μια νέα καρτέλα)στους κυλιόμενους πρόποδες ενός ιστορικού αρχοντικού κτήματος στο Γιορκσάιρ της Αγγλίας, μέσω μιας μη κερδοσκοπικής ερευνητικής οργάνωσης που συνίδρυσε το 2006 με την ονομασία Foundational Questions Institute ή FQxI. Φυσικοί από όλο τον κόσμο συγκεντρώθηκαν για ένα εβδομαδιαίο πνευματικό πάρτι ύπνου γεμάτο με ευκαιρίες για γιόγκα, διαλογισμό και άγρια κολύμβηση. Η εκδήλωση συγκέντρωσε ερευνητές που είχαν λάβει επιχορηγήσεις από το FQxI για να διερευνήσουν πώς να χρησιμοπΜια σκηνή από το καταφύγιο FQxI στο Γιορκσάιρ.
Lisa Tse για FQxl
Για πολλούς από αυτούς τους φυσικούς, η μελέτη των κινητήρων και των υπολογιστών έχει γίνει θολή. Έχουν μάθει να αντιμετωπίζουν τις πληροφορίες ως έναν πραγματικό, ποσοτικοποιήσιμο φυσικό πόρο - ένα διαγνωστικό για το πόση εργασία μπορεί να εξαχθεί από ένα σύστημα. Η γνώση, συνειδητοποίησαν, είναι δύναμη. Τώρα ξεκινούν να αξιοποιήσουν αυτή τη δύναμη.
Ένα πρωί, μετά από μια προαιρετική συνεδρία γιόγκα στο yurt του κτήματος, η ομάδα άκουσε τη Susanne Still(ανοίγει μια νέα καρτέλα), φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης στη Mānoa. Συζήτησε για νέα δουλειά που παραπέμπει σε ένα πείραμα σκέψης ενός αιώνα που προτάθηκε για πρώτη φορά(ανοίγει μια νέα καρτέλα)από τον Ουγγρικής καταγωγής φυσικό Leo Szilard.
Φανταστείτε ένα κουτί με ένα κατακόρυφο διαχωριστικό που μπορεί να γλιστρήσει προς τα πλάγια μπρος-πίσω μεταξύ του αριστερού και του δεξιού τοιχώματος του κουτιού. Υπάρχει ένα μόνο σωματίδιο στο κουτί, που βρίσκεται στα αριστερά του διαχωριστή. Καθώς το σωματίδιο ξεφεύγει από τους τοίχους, θα σπρώξει το διαχωριστικό προς τα δεξιά. Ένας έξυπνος δαίμονας μπορεί να στήσει μια χορδή και μια τροχαλία έτσι ώστε, καθώς το διαχωριστικό πιέζεται από το σωματίδιο, να τραβήξει τη χορδή και να σηκώσει ένα βάρος έξω από το κουτί. Σε αυτό το σημείο, ο δαίμονας μπορεί να επανατοποθετήσει κρυφά το διαχωριστικό και να ξαναρχίσει τη διαδικασία - επιτρέποντας μια φαινομενική πηγή άπειρης ενέργειας.
Ωστόσο, για να βγαίνει η δουλειά από το κουτί με συνέπεια, ο δαίμονας πρέπει να ξέρει σε ποια πλευρά του κουτιού βρίσκεται το σωματίδιο. Ο κινητήρας του Szilard τροφοδοτείται από πληροφορίες.
Κατ 'αρχήν, οι μηχανές πληροφοριών μοιάζουν με ιστιοπλοϊκά. Στον ωκεανό, χρησιμοποιείτε τις γνώσεις σας σχετικά με την κατεύθυνση του ανέμου για να προσαρμόσετε τα πανιά σας για να προωθήσετε το σκάφος προς τα εμπρός.
οιούν τις πληροφορίες ως καύσιμο.
Αλλά ακριβώς όπως οι θερμικές μηχανές, οι μηχανές πληροφοριών δεν είναι ποτέ τέλειοι. Πρέπει επίσης να πληρώσουν φόρο με τη μορφή παραγωγής εντροπίας. Ο λόγος που δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μηχανές πληροφοριών ως μηχανές αέναης κίνησης, όπως επεσήμαναν ο Szilard και άλλοι, είναι ότι παράγει κατά μέσο όρο τουλάχιστον τόση εντροπία για τη μέτρηση και την αποθήκευση αυτών των πληροφοριών. Η γνώση γεννά δύναμη, αλλά η απόκτηση και η ανάμνηση ότι η γνώση καταναλώνει δύναμη.
Λίγα χρόνια αφότου ο Szilard σκέφτηκε τον κινητήρα του, ο Αδόλφος Χίτλερ έγινε καγκελάριος της Γερμανίας. Ο Szilard, ο οποίος γεννήθηκε σε εβραϊκή οικογένεια και ζούσε στη Γερμανία, διέφυγε. Το έργο του αγνοήθηκε για δεκαετίες μέχρι που τελικά μεταφράστηκε στα αγγλικά, όπως περιέγραψε ο Still σε μια πρόσφατη ιστορική των μηχανών πληροφοριών.
Πρόσφατα, μελετώντας τα βασικά συστατικά της επεξεργασίας πληροφοριών, ο Still κατάφερε να επεκτείνει και να γενικεύσει την ιδέα του Szilard για μια μηχανή πληροφοριών.
Για πάνω από μια δεκαετία, επεξεργάζεται πώς να αντιμετωπίζει τους παρατηρητές ως φυσικά συστήματα, με την επιφύλαξη των δικών τους φυσικών περιορισμών. Το πόσο στενά μπορούν να προσεγγιστούν αυτά τα όρια εξαρτάται όχι μόνο από τα δεδομένα στα οποία έχει πρόσβαση ο παρατηρητής, αλλά και από τη στρατηγική του για την επεξεργασία δεδομένων. Εξάλλου, πρέπει να αποφασίσουν ποιες ιδιότητες θα μετρήσουν και πώς θα αποθηκεύσουν αυτές τις λεπτομέρειες στην περιορισμένη μνήμη τους.
Μελετώντας αυτή τη διαδικασία λήψης αποφάσεων, ο Still ανακάλυψε ότι η συλλογή πληροφοριών που δεν βοηθούν έναν παρατηρητή να κάνει χρήσιμες προβλέψεις μειώνει την ενεργειακή του απόδοση. Πρότεινε στους παρατηρητές να ακολουθήσουν αυτό που αποκαλεί «αρχή του ελάχιστου αυτο-εμποδισμού» — επιλέγοντας στρατηγικές επεξεργασίας πληροφοριών που πλησιάζουν όσο το δυνατόν πιο κοντά στα φυσικά τους όρια, προκειμένου να βελτιώσουν την ταχύτητα και την ακρίβεια της λήψης των αποφάσεών τους. Συνειδητοποίησε επίσης ότι αυτές οι ιδέες θα μπορούσαν να διερευνηθούν περαιτέρω με την εφαρμογή τους σε τροποποιημένες μηχανές πληροφοριών.
Στο αρχικό σχέδιο του Szilard, οι μετρήσεις του δαίμονα αποκαλύπτουν τέλεια πού βρίσκεται το σωματίδιο. Στην πραγματικότητα, ωστόσο, δεν έχουμε ποτέ τέλεια γνώση ενός συστήματος, επειδή οι μετρήσεις μας είναι πάντα λανθασμένες — οι αισθητήρες υπόκεινται σε θόρυβο, οι οθόνες έχουν περιορισμένη ανάλυση και οι υπολογιστές έχουν περιορισμένη αποθήκευση. Ακόμα έδειξε πώς η «μερική παρατηρησιμότητα» που είναι εγγενής στις πραγματικές μετρήσεις μπορεί να εισαχθεί με μικρές τροποποιήσεις στον κινητήρα του Szilard — ουσιαστικά αλλάζοντας το σχήμα του διαχωριστή
Φανταστείτε ότι το διαχωριστικό έχει κλίση υπό γωνία μέσα στο κουτί και ότι ο χρήστης μπορεί να δει μόνο την οριζόντια θέση του σωματιδίου (ίσως βλέπει τη σκιά του να προβάλλει στην κάτω άκρη του κουτιού). Εάν η σκιά είναι τελείως αριστερά ή δεξιά του διαχωριστή, ξέρετε με βεβαιότητα σε ποια πλευρά βρίσκεται το σωματίδιο. Αλλά αν η σκιά βρίσκεται οπουδήποτε στη μεσαία περιοχή, το σωματίδιο θα μπορούσε να βρίσκεται είτε πάνω είτε κάτω από το κεκλιμένο διαχωριστικό, και επομένως είτε στην αριστερή είτε στη δεξιά πλευρά του κουτιού.
Χρησιμοποιώντας μερικώς παρατηρήσιμες μηχανές πληροφοριών, ο Still υπολόγισε τις πιο αποτελεσματικές στρατηγικές για τη λήψη μετρήσεων της θέσης των σωματιδίων και την κωδικοποίησή τους στη μνήμη. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα μια καθαρά βασισμένη στη φυσική παραγωγή ενός αλγορίθμου που χρησιμοποιείται επίσης επί του παρόντος στη μηχανική μάθηση, γνωστός ως αλγόριθμος συμφόρησης πληροφοριών . Προσφέρει έναν τρόπο αποτελεσματικής συμπίεσης δεδομένων διατηρώντας μόνο σχετικές πληροφορίες.
Από τότε, με τον μεταπτυχιακό της φοιτητή Ντόριαν Ντάιμερ, η Στιλ έχει ερευνήσει πλήθος διαφορετικών σχεδίων για τους τροποποιημένους κινητήρες Szilard και μελέτησαν τις βέλτιστες στρατηγικές κωδικοποίησης σε διάφορες περιπτώσεις. Αυτές οι θεωρητικές συσκευές χρησιμεύουν ως «θεμελιώδη δομικά στοιχεία της λήψης αποφάσεων υπό αβεβαιότητα», είπε ο Daimer, ο οποίος έχει ένα υπόβαθρο στη γνωστική επιστήμη καθώς και στη φυσική. «Γι' αυτό είναι τόσο ενδιαφέρουσα η μελέτη της φυσικής της επεξεργασίας πληροφοριών για μένα, γιατί κάνετε τον κύκλο σας κατά κάποιο τρόπο και καταλήγετε στην περιγραφή του επιστήμονα».
Βιομηχανοποίηση εκ νέου
Ο Still δεν ήταν ο μόνος στο Γιορκσάιρ που ονειρευόταν τους κινητήρες Szilard. Τα τελευταία χρόνια, ορισμένοι δικαιούχοι του FQxI έχουν αναπτύξει λειτουργικούς κινητήρες στο εργαστήριο, στους οποίους χρησιμοποιούνται πληροφορίες για την τροφοδοσία μιας μηχανικής συσκευής. Σε αντίθεση με την εποχή του Carnot, κανείς δεν περιμένει από αυτές τις μικροσκοπικές μηχανές να κινούν τρένα ή να κερδίζουν πολέμους. Αντίθετα, χρησιμεύουν ως κρεβάτια δοκιμών για την ανίχνευση θεμελιωδών φυσικών. Αλλά όπως και την προηγούμενη φορά, οι κινητήρες αναγκάζουν τους φυσικούς να ξανασκεφτούν τι σημαίνει ενέργεια, πληροφορία και εντροπία.
Με τη βοήθεια του Still, ο John Bechhoefer δημιούργησε ξανά τον κινητήρα του Szilard με ένα σφαιρίδιο πυριτίου μικρότερο από ένα κομμάτι σκόνης που επιπλέει σε ένα λουτρό νερού. Αυτός και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο Simon Fraser στον Καναδά παγιδεύουν τη χάντρα με λέιζερ και παρακολουθούν τις τυχαίες θερμικές της διακυμάνσεις. Όταν η χάντρα τυχαίνει να κουνάει προς τα πάνω, σηκώνουν γρήγορα την παγίδα λέιζερ για να εκμεταλλευτούν την κίνησή της. Όπως φαντάστηκε ο Szilard, κατάφεραν να σηκώσουν ένα βάρος αξιοποιώντας τη δύναμη της πληροφορίας.
Η Susanne Still έχει τροποποιήσει τους κινητήρες Szilard για να ληφθούν υπόψη περιπτώσεις αβεβαιότητας και μερικής πληροφόρησης.
Mango Lime Studio
Στη διερεύνηση των ορίων της εξαγωγής εργασίας από τη μηχανή πληροφοριών τους στον πραγματικό κόσμο, οι Bechhoefer και Still ανακάλυψαν ότι, σε ορισμένα καθεστώτα, μπορεί να ξεπεράσει σημαντικά συμβατικούς κινητήρες. Παρακολούθησαν επίσης την αναποτελεσματικότητα που σχετίζεται με τη λήψη μερικών πληροφοριών για την κατάσταση της χάντρας, εμπνευσμένη από το θεωρητικό έργο του Στιλ. Η μηχανή πληροφοριών συρρικνώνεται τώρα στην κβαντική κλίμακα με τη βοήθεια της Natalia Ares , ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης που υπηρέτησε σε πάνελ με τον Στιλ στο καταφύγιο. Σε τσιπ πυριτίου στο μέγεθος ενός σουβέρ, ο Άρης παγιδεύει ένα μόνο ηλεκτρόνιο μέσα σε ένα λεπτό σύρμα άνθρακα, το οποίο αιωρείται ανάμεσα σε δύο πυλώνες. Αυτός ο «νανοσωλήνας», ο οποίος ψύχεται σε χιλιοστά του απόλυτου μηδενός, δονείται σαν χορδή κιθάρας και η συχνότητα ταλάντωσής του καθορίζεται από την κατάσταση του ηλεκτρονίου μέσα . Παρακολουθώντας τους μικροσκοπικούς κραδασμούς του νανοσωλήνα, ο Ares και οι συνεργάτες του σχεδιάζουν να διαγνώσουν την παραγωγή διαφορετικών κβαντικών φαινομένων. Ο Άρης έχει μια μακρά λίστα πειραμάτων για να διερευνήσει την κβαντική θερμοδυναμική που γράφτηκε σε μαυροπίνακες πάνω και κάτω στις αίθουσες. «Βασικά είναι όλη η βιομηχανική επανάσταση, αλλά νανο», είπε. Ένα προγραμματισμένο πείραμα ακολουθεί την ιδέα του Still. Περιλαμβάνει τη ρύθμιση του πόσο τέλεια εξαρτώνται οι δονήσεις του νανοσωλήνα από το ηλεκτρόνιο (έναντι άλλων άγνωστων παραγόντων), παρέχοντας ουσιαστικά ένα κουμπί για τον συντονισμό της άγνοιας του παρατηρητή.
Η Ares και η ομάδα της διερευνούν τα όρια της θερμοδυναμικής στις μικρότερες κλίμακες - την κινητήρια δύναμη της κβαντικής φωτιάς, κατά μία έννοια. Κλασικά, το όριο για το πόσο αποτελεσματικά η κίνηση των σωματιδίων μπορεί να μετατραπεί σε έργο τίθεται από το θεώρημα του Carnot. Αλλά στην κβαντική περίπτωση, με ένα θηριοτροφείο από εντροπίες
για να διαλέξετε, είναι πολύ πιο περίπλοκο να καθορίσετε ποιο θα θέσει σχετικά όρια — ή πώς να ορίσετε ακόμη και την απόδοση εργασίας. "Αν έχετε ένα μόνο ηλεκτρόνιο όπως έχουμε στα πειράματά μας, τι σημαίνει, εντροπία;" είπε ο Άρης. «Από την εμπειρία μου, είμαστε ακόμα πολύ χαμένοι εδώ».
Η Natalia Ares μελετά θερμοδυναμική στην κβαντική κλίμακα στο εργαστήριό της στην Οξφόρδη, όπου ο προσαρμοσμένος θάλαμος ψύξης της με ζεστό ροζ χρώμα χρησιμεύει ως σύμβολο της αλλαγής των καιρών.Μια πρόσφατη μελέτη με επικεφαλής τη Nicole Yunger Halpern, ένας φυσικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας, δείχνει πώς οι κοινοί ορισμοί της παραγωγής εντροπίας που είναι συνήθως συνώνυμοι μπορεί να διαφωνούν στο κβαντικό βασίλειο , πάλι λόγω αβεβαιότητας και εξάρτησης από παρατηρητές. Σε αυτή τη μικροσκοπική κλίμακα, είναι αδύνατο να γνωρίζουμε ορισμένες ιδιότητες ταυτόχρονα. Και η σειρά με την οποία μετράτε ορισμένες ποσότητες μπορεί να επηρεάσει τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Ο Yunger Halpern πιστεύει ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή την κβαντική παραξενιά προς όφελός μας. «Υπάρχουν επιπλέον διαθέσιμοι πόροι στον κβαντικό κόσμο που δεν είναι διαθέσιμοι κλασικά, οπότε μπορούμε να λυγίσουμε γύρω από το θεώρημα του Carnot», λέει.
Ο Ares ωθεί αυτά τα νέα όρια στο εργαστήριο, ελπίζοντας να ανοίξει ένα δρόμο για πιο αποτελεσματική συλλογή ενέργειας, φόρτιση συσκευών ή υπολογισμούς. Τα πειράματα μπορεί επίσης να παρέχουν μια εικόνα για τη μηχανική των πιο αποτελεσματικών συστημάτων επεξεργασίας πληροφοριών που γνωρίζουμε: τους εαυτούς μας. Οι επιστήμονες δεν είναι σίγουροι πώς ο ανθρώπινος εγκέφαλος μπορεί να εκτελέσει εξαιρετικά περίπλοκη νοητική γυμναστική χρησιμοποιώντας μόνο 20 watt ισχύος. Ίσως το μυστικό της υπολογιστικής αποτελεσματικότητας της βιολογίας βρίσκεται επίσης στην αξιοποίηση τυχαίων διακυμάνσεων σε μικρές κλίμακες, και αυτά τα πειράματα στοχεύουν να μυρίσουν κάθε πιθανό πλεονέκτημα. "Εάν υπάρχει κάποια νίκη σε αυτό, υπάρχει πιθανότητα να το χρησιμοποιήσει πραγματικά η φύση", είπε η Janet Anders, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Έξετερ που συνεργάζεται με τον Άρη. «Αυτή η θεμελιώδης κατανόηση που αναπτύσσουμε τώρα ελπίζουμε να μας βοηθήσει στο μέλλον να κατανοήσουμε καλύτερα πώς κάνει τα πράγματα η βιολογία».
Ο επόμενος γύρος των πειραμάτων της Άρης θα πραγματοποιηθεί σε έναν θάλαμο ψύξης με ζεστό ροζ χρώμα που κρέμεται από την οροφή του εργαστηρίου της στην Οξφόρδη. Πρότεινε αστειευόμενος το makeover στους κατασκευαστές πριν από μερικά χρόνια, αλλά αυτοί προειδοποίησαν ότι τα σωματίδια μεταλλικής βαφής θα εμπόδιζαν τα πειράματά της. Στη συνέχεια, η εταιρεία έφερε κρυφά το ψυγείο σε ένα κατάστημα αυτοκινήτων για να το καλύψει με μια φανταχτερή ροζ μεμβράνη. Η Ares βλέπει τη νέα της πειραματική αρένα ως σύμβολο της αλλαγής των καιρών, αντανακλώντας την ελπίδα της ότι αυτή η νέα βιομηχανική επανάσταση θα είναι διαφορετική από την προηγούμενη — πιο ευσυνείδητη, φιλική προς το περιβάλλον και χωρίς αποκλεισμούς.
«Αισθανόμαστε πολύ σαν να είμαστε στην αρχή για κάτι μεγάλο και υπέροχο», είπε.
ΑΓΚΑΛΙΆΖΟΝΤΑΣ ΤΗΝ ΑΒΕΒΑΙΌΤΗΤΑ
Τον Σεπτέμβριο του 2024 συγκεντρώθηκαν μερικές εκατοντάδες ερευνητές στο Palaiseau της Γαλλίας, για να αποτίσουν φόρο τιμής στον Carnot στην 200ή επέτειο του βιβλίου του. Οι συμμετέχοντες από όλες τις επιστήμες συζήτησαν πώς η εντροπία εμφανίζεται σε κάθε ερευνητικό τους τομέα, από τα ηλιακά κύτταρα έως τις μαύρες τρύπες. Στο χαιρετισμό, ένας διευθυντής του Εθνικού Κέντρου Επιστημονικής Έρευνας της Γαλλίας ζήτησε συγγνώμη από την Carnot εκ μέρους της χώρας της επειδή παρέβλεψε τον αντίκτυπο του έργου του. Αργότερα το ίδιο βράδυ, οι ερευνητές συγκεντρώθηκαν σε μια παρακμιακή χρυσή τραπεζαρία για να ακούσουν μια συμφωνία που συνέθεσε ο πατέρας του Carnot και ερμηνευόταν από ένα κουαρτέτο που περιλάμβανε έναν από τους μακρινούς απογόνους του συνθέτη.
Η αντηχητική διορατικότητα του Carnot προέκυψε από μια προσπάθεια να ασκήσει τον απόλυτο έλεγχο στον κόσμο του ρολογιού, το ιερό δισκοπότηρο της Εποχής της Λογικής. Αλλά καθώς η έννοια της εντροπίας διαχέεται σε όλες τις φυσικές επιστήμες, ο σκοπός της άλλαξε. Η εκλεπτυσμένη άποψη της εντροπίας είναι αυτή που απορρίπτει τα ψεύτικα όνειρα της συνολικής αποτελεσματικότητας και της τέλειας πρόβλεψης και αντ' αυτού παραδέχεται την αμετάκλητη αβεβαιότητα στον κόσμο. «Σε κάποιο βαθμό, απομακρυνόμαστε από τη διαφώτιση προς διάφορες κατευθύνσεις», είπε ο Ροβέλι — μακριά από τον ντετερμινισμό και τον απολυταρχισμό και προς την αβεβαιότητα και την υποκειμενικότητα.
Είτε μας αρέσει είτε όχι, είμαστε σκλάβοι του δεύτερου νόμου. δεν μπορούμε παρά να εξαναγκάσουμε το σύμπαν προς τη μοίρα της υπέρτατης αταξίας του. Αλλά η εκλεπτυσμένη άποψή μας για την εντροπία επιτρέπει μια πιο θετική προοπτική. Η τάση προς την ακαταστασία είναι αυτή που τροφοδοτεί όλες τις μηχανές μας. Ενώ η αποσύνθεση της χρήσιμης ενέργειας περιορίζει τις ικανότητές μας, μερικές φορές μια νέα προοπτική μπορεί να αποκαλύψει μια δεξαμενή τάξης κρυμμένη στο χάος. Επιπλέον, ένας διαταραγμένος κόσμος είναι αυτός που γεμίζει όλο και περισσότερο με πιθανότητες. Δεν μπορούμε να παρακάμψουμε την αβεβαιότητα, αλλά μπορούμε να μάθουμε να τη διαχειριζόμαστε - και ίσως ακόμη και να την αγκαλιάσουμε. Άλλωστε, η άγνοια είναι αυτό που μας παρακινεί να αναζητήσουμε γνώση και να κατασκευάσουμε ιστορίες για την εμπειρία μας. Η εντροπία, με άλλα λόγια, είναι αυτό που μας κάνει ανθρώπους.
Μπορείτε να θρηνήσετε για την αναπόφευκτη κατάρρευση της τάξης ή μπορείτε να ενστερνιστείτε την αβεβαιότητα ως ευκαιρία να μάθετε, να αισθανθείτε και να συμπεράνετε, να κάνετε καλύτερες επιλογές και να αξιοποιήσετε την κινητήρια δύναμη σας.
Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από μια υποτροφία με το MIP.labor. Το MIP.labor φιλοξενείται στο Freie Universität Berlin και χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Klaus Tschira. Το Quanta Magazine είναι μια εκδοτικά ανεξάρτητη έκδοση που χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Simons.
https://www-quantamagazine
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου