Sciencemag.cz
Doporučujeme
Když Rolf Landauer pracoval na počátku 60. let 20. století ve společnosti IBM, odvodil vzoreček propojující teplo, entropii a informaci. Manipulace s informacemi uvolňuje teplo a zvyšuje entropii systému. Ze vztahu vyplývá i teoretická spodní hranice množství tepla uvolněného při výpočtu, například při mazání bitu. Při pokojové teplotě je tento limit přibližně 10 na -21 J, tedy jedna miliardtina biliontiny joulu.
Landauerova mez ale při své obecnosti neodpovídá chování reálných počítačů, jejichž neefektivita (více uvolňovaného tepla) je o mnoho řádů vyšší (cca milionkrát). Ať už popisujeme notebook, buňku nebo lidský mozek, potřebujeme realističtější odhady limitů produkce entropie. Artemy Kolchinsky a David Wolpert ze Santa Fe Institute se nyní o takový odhad pokusili. Jejich studie modelující, kolik práce lze z fyzikálního systému získat, by mohla vést k lepšímu pochopení termodynamické účinnosti různých reálných systémů, od biomolekulárních strojů až po nedávno vyvinuté „informační motory“, které využívají informace jako palivo; tak alespoň praví průvodní tisková zpráva.
Reálné systémy mají oproti Landauerovu limitu mnohá omezení snižující množství práce (zvyšující produkci entropie), které lze z informace získat. K pochopení by mohl posloužit myšlenkový experiment zvaný Szilardův stroj. Jde o krabici s částicí uvnitř, kterou lze svislou přepážkou rozdělit na polovinu. Na obou koncích jsou písty. Polohu částice si lze představit jako bit (0 nebo 1, podle toho, ve které polovině se nachází). Pokud bychom nějak věděli, na které straně krabice částice zrovna poletuje, zda vlevo nebo vpravo, mohli bychom píst zatlačit do prázdné strany. Pak bychom mohli přepážku odstranit a částice by se odrazila od stěn proti pístu a zatlačila by ho zpět. Tato operace odebírá částici, jejíž poloha je nyní neznámá, energii a zvyšuje entropii. Jinými slovy, informace o poloze částice (onen 1 bit) byla zničena a přeměněna na práci s pístem. (Poznámka PH: Takhle to popisuje tisková zpráva, je to celé trochu složitější, nicméně ano, Szilardův stroj těží energii z informace. Zasunout píst můžeme bez konání práce, nenarážíme na energii molekuly. Naopak molekula poté narážející na píst mu předává svoji hybnost, práci koná. Podrobněji třeba viz zde: https://fyzika.upol.cz/cs/system/files/maxwelluv_demon.pdf. Szilardův stroj je vlastně jedou z verzí Maxwellových démonů, kde se většinou uvažuje dělení molekul v boxu na rychlé a pomalé.)
Jenže co když máme informaci o tom, zda se částice nachází v horní nebo dolní části krabice? V daném uspořádání nemůžeme tuto informaci nijak využít, přeměnit na práci. Trochu nově zavedené terminologie: Mezi znalostmi (knowledge) a omezeními (constraints) daného systému existuje nesoulad (informace není v určitém smyslu „přístupná“, inaccessible), který původní Landauerův popis nijak nezohledňuje.
Cílem je popsaný základní model rozšířit na složitější systémy, jako jsou buňky, a vypočítat hranice produkce entropie při širší škále omezení.
Artemy Kolchinsky et al, Work, Entropy Production, and Thermodynamics of Information under Protocol Constraints, Physical Review X (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041024
Zdroj: Santa Fe Institute / Phys.org
Vždycky jsem měl za to, že pojem „informace“ je lidský konstrukt a že ve vesmíru bez myslících bytostí nic takového neexistuje.
Exists only atoms and space!