Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
3.5. Физическая информатика
Еще в 1968 г. акад. А.Д. Урсул предсказал, что «методами теории информации будут изучаться свойства пространства и времени, чем до сих пор занимались физические теории – например, теории относительности». Физика и теория информации взаимно проникают друг в друга, что приводит к созданию двух синтетических дисциплин – прикладной
теории информации и информационной физики». Взаимопроникновение физики и теории информации в ходе развития информатики сформировало синтетическую дисциплину – физическую информатику.
Многие выдающиеся ученые – физики отмечали важность информации. Так, Дж. Уиллер писал: «Моя жизнь в физике представляется мне разделенной на три периода. В первый из них я был захвачен идеей, что «всё – это частицы». Я искал способы выстроить все базовые элементы материи: нейтроны, протоны, мезоны и т.д. из самых легких, наиболее фундаментальных частиц – электронов и фотонов. Второй период я называю «всё – это поля». Теперь же я захвачен новой идеей: «всё – это информация». Э. Стин отмечал: «…необходимо определить законы, схожие с законами сохранения энергии и момента, но используемые по отношению к информации и определяющие большую часть квантовой механики». Б.Б. Кадомцев считал: «при переходе к изучению все более сложных систем именно структурные, информационные аспекты их поведения и развития выступают на первый план, а динамика создает лишь основу для информационного развития. С учетом квантовых процессов в микромире картина развития мира становится еще более сложной и более богатой в смысле ее информационного поведения».
Впервые анализ физических процессов с использованием понятий информатики провел А. Эйнштейн. С тех пор информационные понятия и термины всё глубже проникают в физику. Дж. фон Нейман ввел понятие квантовой энтропии. Энтропия чистого состояния по определению равна нулю, но физики, для описания и исследований квантовых систем, используют энтропию. К. Шеннон ввел понятие «информационная энтропия», которое определяется в битах и является универсальной мерой неопределенности (информации) в классических и квантовых системах.
Систематическое применение методов теории информации к анализу физических явлений и процессов было впервые проведено Л. Бриллюэном. «Мы введем теперь различие между двумя видами информации:
1) свободная информация, возникающая, когда возможные случаи возникновения информационных состояний рассматриваются как абстрактные и не имеющие определенного физического значения;
2) связанная информация, возникающая, когда возможные случаи могут быть представлены как микросостояния физической системы».
Л. Бриллюэн в 1959 г. показал, что одна двоичная единица информации соответствует энергии, равной постоянной Больцмана, умноженной на температуру, и дал оценку объема информации, содержащейся в физическом законе.
Р. Пенроуз и С. Хокинг использовали информационный подход в астрофизике, применительно к процессу образования черных дыр. «Может ли во Вселенной исчезать информация при образовании черной дыры? Куда она может исчезать? Черная дыра искажает проглоченную информацию, но всё же не разрушает ее бесследно. В процессе испарения черной дыры информация вырывается из ее объятий».
A. Зайлингер выдвинул основные принципы физической информации, как возможный фундамент всей квантовой теории:
1) элементарная система представляет истинность одного суждения;
2) элементарная система несет один бит информации.
С. Ллойд выдвинул постулаты:
1) теорема Марголиса–Левитина;
2) общее количество битов, доступных для обработки в системе, ограничено только энтропией системы;
3) скорость перемещения информации во Вселенной может быть ограничена только значением скорости света.
Эти три предела применены для оценки способности Вселенной к обработке информации. Оценено и общее количество битов, доступных во Вселенной для вычисления, и число элементарных логических действий, которые могут быть выполнены на этих битах за всё время существования Вселенной. Считается, что около 300 бит информации могут быть закодированы в космическом микроволновом фоне.
И.М. Гуревич систематизирует знания по сложным системам, информационным методам их исследований на базе законов информатики и проводит исследования сложных систем на основе этих законов.
Основными результатами автора являются:
_ утверждение о существовании законов природы, более общих, чем физические, – законов информации, определяющих и ограничивающих физические явления и процессы, а также предшествующих по времени появлению физических законов. (Вначале было слово – т.е. информационный бит);
_ формулировка общих законов информатики;
_ оценка информационных характеристик физических систем;
_ оценка объема информации во Вселенной.
Количество известных ученых, использующих информационный подход и информационные методы в физических исследованиях явлений и процессов во Вселенной, быстро возрастает.
Определение информации с точки зрения физики. Наряду с материей и энергией Вселенная содержит информацию. Основополагающий принцип квантовой механики Зайлингера постулирует, что всякая элементарная физическая система несет в себе 1 бит информации, под которой понимается устойчивая (в течение определенного времени) неоднородность произвольной физической природы. Тем самым, буква в книге, атом, молекула, элементарная частица, звезда, чертеж, рисунок, вспаханное поле, лес и другие неоднородности содержат и несут информацию. Классы неоднородностей могут иметь различную природу: математическую, физическую, химическую, биологическую, геологическую, техническую, социальную, экономическую, и др.
Универсальной мерой физической неоднородности является информационная энтропия по определению Шеннона (энтропия по определению Неймана не может использоваться в качестве меры неоднородности, поскольку она равна нулю для имеющего структуру чистого состояния). Это приводит к необходимости использования информационных методов исследования как самой информации, так и связанных с нею материи и энергии. Использование информационного подхода позволяет получить новые, порой более общие результаты, по сравнению со сведениями, получаемыми на только основе физических законов. Акад. А.Д. Урсул еще в 1968 г. в книге «Природа информации. Философский очерк» дал близкое определение информации: «…во-первых, информация связана с разнообразием, различием, во-вторых, с отражением. В соответствии с этим ее можно определить в самом общем случае как отраженное разнообразие. Информация – это разнообразие, которое один объект содержит о другом объекте (в процессе их взаимодействия)...но информация может рассматриваться и как разнообразие, которое является … результатом отражения объектом самого себя, т.е. самоотражения. Информация выражает свойство материи, которое является всеобщим, и понятие информации отражает как объективно-реальное, не зависящее от субъекта свойство объектов неживой и живой природы, общества, так и свойства познания, мышления. Информация, таким образом, присуща как материальному миру, так и идеальному. Она применима и к характеристике материи, и к характеристике сознания. Если объективная информация может считаться свойством материи, то идеальная, субъективная информация есть отражение объективной, материальной информации».
В.М. Глушков в ряде работ характеризует информацию как меру неоднородности в распределении энергии (или вещества) в пространстве и во времени…Информация существует постольку, поскольку существуют материальные тела и, следовательно, созданные им неоднородности». Интересно, что в своей книге А.Д. Урсул отметил, что «Неоднородность – это иное выражение видов разнообразия».
Уточним теперь определение информации и информатики:
Информация – это устойчивое в течение определенного времени разнообразие (неоднородность) произвольной физической природы (неживой и живой материи, общества, разума), описываемая и изучаемая всеми прикладными науками, обладающая множеством свойств, прежде всего отражением и самоотражением.
Информатика – это наука об информации.
Предметная область информатики: естественные системы (живые и неживые), а также системы, созданные цивилизацией, включая социальные, экономические, экологические и др. – как естественные, так и искусственные.
Методы исследования: оценка информационных характеристик систем, оценка прочих характеристик систем, взаимосвязанных с информационными характеристиками данных систем (по информационным характеристикам), изучение информационных закономерностей (в конкретных предметных областях и общих). Нет ни одного определения информатики, которое не было бы частным случаем этого определения, которое не может затронуть или ограничить ничьи научные интересы, не может отменить или запретить ни одно из известных или будущих направлений исследований.
Физическая информатика и её основные характеристики. Взаимосвязь между физическими и информационными характеристиками систем – массой, энергией, энтропией и информацией дает возможность использовать информационные оценки и методы исследования физических характеристик систем. Физическая информатика это наука, изучающая физические системы информационными методами. Эта научная дисциплина создана, в основном, в трудах И.М. Гуревича. Показано, что информационные законы совместно с физическими законами могут служить эффективным инструментом познания физических систем и Вселенной в целом. Законы информатики имеют всеобщий, универсальный характер, действуют во всех возможных Вселенных. Основными информационными характеристиками неоднородностей физических систем являются: неопределенность (информационная энтропия) и информационная дивергенция наблюдаемых состояний, характеризующая объем информации – информационную емкость неоднородности; совместная информационная энтропия, характеризующая унитарные преобразования; информация связи, характеризующая взаимодействие физических систем; дифференциальная информационная емкость материи. Наблюдаемой в квантовой механике называют любую физическую величину, которую можно измерить, причем результатами эксперимента обязательно должны являться действительные числа. Состояние физической системы определяется вектором в гильбертовом пространстве.
Среди результатов физической информатики следует особенно отметить разработку методики оценки объема неопределенности информации в физических объектах иерархической структуры. Сначала оценивается объем неопределенности информации в объектах нижнего, первого, уровня (лептонах и кварках). Согласно основному принципу квантовой механики Зайлингера, считаем, что в объектах нижнего
уровня – фундаментальных частицах содержится 1 бит неопределенности информации. Далее оценивается объем неопределенности информации в объектах второго уровня. Он равен сумме неопределенности информации объектов нижнего уровня плюс объем неопределенности информации, заключенной в структуре объекта второго уровня иерархии (мезоны, барионы). Объем информации в структуре объекта второго уровня оценивается по волновой функции объекта второго уровня и по графу, отображающему структуру объекта второго уровня. Далее аналогично оценивается объем неопределенности информации в объектах следующих уровней. По такой методике получены оценки объема информации в физических системах, фундаментальных и элементарных частицах – молекулах, атомах и др.
К фундаментальным результатам также относится следующее: определен вид гравитационного потенциала и вид напряженности гравитационного поля. Показана необратимость времени. Доказано, что законы информатики определяют действие физических законов сохранения – энергии, импульса, момента импульса. Открыто существование нескольких типов материи с разной зависимостью объема информации от массы (линейная для обычного вещества, квадратичная для черных дыр, линейно-логарифмическая для нейтронных дыр и белых карликов). Разработаны информационные модели космологических объектов (черных дыр, нейтронных звезд, белых карликов, звезд солнечного типа). Выведена формула С. Хокинга для черных дыр (информационный спектр излучения). Выведена формула информационного спектра излучения Вселенной для нейтронных звезд и белых карликов, что произвело революцию в астрофизике. Разработана методика и даны оценки объема информации в звездах типа Солнце, в нейтронных звездах, белых карликах, черных дырах и др. космологических объектах. Получены информационные ограничения на образование и слияние черных дыр. Открыто существование и исследованы характеристики оптимальных черных дыр, что минимизирует объем информации в области Вселенной и во всей Вселенной в целом. Дана оценка массы начальных неоднородностей Вселенной.
Показано, что расширение Вселенной (инфляционное и степенное) является причиной и источником формирования информации, причем обеспечивают этот процесс разнообразные физические процессы в расширяющейся Вселенной. Создают информацию фазовые преобразования и кривизна пространства. В частности, объем информации формируется в системе её отсчёта, движущейся с ускорением. Даны оценки максимально и минимально возможного текущего объемов информации во Вселенной, оценки основных информационных характеристик Вселенной.
Показано, что к четырем известным типам взаимодействия во Вселенной (гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому) следует добавить еще один тип взаимодействия – информационный.
Оценки совместной энтропии, полученные различными исследователями по различным независимым экспериментальным данным, характеризуют матрицы смешивания электрослабого взаимодействия. Они близки к оценкам совместной энтропии матриц смешивания кварков. Это свидетельствует о единой информационной и физической природе всех видов взаимодействий, в том числе сильных и слабых.
Показано, что физические системы представимы в виде прямой суммы прямых произведений q–битов, и для формирования фундаментальных частиц необходимо не менее 6 q-битов. Получены фундаментальные ограничения на емкость памяти и производительность информационных систем. Оценки объема информации в атомах, азотистых основаниях, аминокислотах, дифференциальная информационная емкость обычного вещества определяют фундаментальные ограничения на информационную емкость устройств, предназначенных для хранения данных. Структура и разность энергий базисных состояний атома водорода, рассматриваемого как q–бит, накладывают фундаментальные ограничения на быстродействие вычислительных устройств. Данные ограничения на емкость памяти и производительность информационных систем можно добавить в ряд фундаментальных природных ограничений, включающих скорость света, элементарный заряд, планковское время, и др.
Из информационных предпосылок определена необходимость описания физических систем (квантовой механики) неклассической вероятностной логикой. Показано, что во всех возможных Вселенных действуют законы информатики и тем самым физические законы сохранения. Исходя из принципа максимальной энтропии, определена необходимость вероятностного описания физических систем квантовой механики. Из информационных предпосылок определены: закон всемирного тяготения, второй закон Ньютона, уравнения Фридмана, показана необратимость времени и др.
Работы И.М. Гуревича, многих отечественных и зарубежных ученых подтверждают первичность информационных законов по отношению к физическим законам. Следовательно, законы информатики определяют и ограничивают законы физики.
Актуальные задачи физической информатики. К ним относятся:
_ разработка информационных методов исследования физических систем;
_ развитие, уточнение и применение информационных законов по отношению к физическим законам – законам природы;
_ оценка информационных характеристик (энтропии, дивергенции, совместной информационной энтропии, информации связи, дифференциальной информационной емкости) и объёма информации в физических, химических, биологических, экологических, социальных и др. системах различной природы;
_ вывод из законов информатики различных физических законов;
_ совместное использование законов сохранения энергии и сохранения неопределенности информации для расчетов характеристик физических систем и протекающих в них явлений и процессов;
_ изучение информационного взаимодействия физических систем;
_ формирование информационных ограничений на образование, развитие, взаимопревращение физических, химических, биологических и др. систем;
_ изучение информационных характеристик квантового мира применительно к созданию квантовых компьютеров и квантовых вычислений;
_ фундаментальные ограничения на характеристики информационных систем, как естественных, так и искусственных;
_ оценка объёма информации, определяющего возникновение и развитие Вселенной, а также уточнение массы неоднородности, содержащей эту информацию, включая вопросы возникновения «тёмной материи» и «тёмной энергии»;
_ исследование расширения Вселенной, как причины и источника формирования информации во Вселенной, порождающей законы физики;
_ формирование ограничений на познаваемость явлений и процессов, происходящих во Вселенной и возможность управления её развитием;
_ изучение способов формирования во Вселенной информационных потоков различной природы, определяющих законы её эволюции;
_ анализ информационных характеристик внеземных цивилизаций;
_ компактное представление и сохранение знаний, накопленных людьми за всю историю земной цивилизации;
_ информационные основы теории квантовой гравитации и «теории всего», описывающей все известные фундаментальные взаимодействия».