ТОННЕЛЬ
Выпуск № 25 (2007)
TUNNEL

Александр Каравайкин

К моменту возникновения термодинамики как науки (около двухсот лет назад) в естествознании господствовала механика Ньютона, механика обратимого времени, механика "однажды созданного" неразвивающегося мира. Даже живая природа трактовалась неизменной и неподвижной в своем развитии. Основоположник научной биологии, автор классификации видов Карл Линней представлял биологические виды как созданные одновременно и не имеющие развития. Понятие времени в том естествознании не существовало.

Французский ученый Сади Карно в 1824 г. опубликовал небольшую брошюру под названием "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу". Эти размышления и породили термодинамику. Как это часто бывает, современники не оценили должным образом этот труд, на протяжении целого ряда лет работа Карно оставалась "невостребованной". Лишь в 1834 г. другой французский физик и инженер Бенуа Поль Клайперон обратил внимание на этот труд и привел его изложение к современной математической форме. Благодаря независимым друг от друга исследованиям нескольких ученых: врача Роберта Майера (1840 г.), естествоиспытателя Германа Гельмгольца (1847 г.) и физика Джеймса Джоуля (1843 г.) - был еще раз (после Карно) сформулирован закон сохранения и превращения энергии или первое начало термодинамики. После повторного издания уже упомянутой работы Карно в 1878 г. выяснилось, что этот выдающийся ученый является первооткрывателем не только первого, но и второго начала современной термодинамики. Несколько позднее к первым двум началам "присоединилось" третье - теорема Нернста.

Понятие энтропии возникло благодаря усилиям Рудольфа Клаузиуса (1865 г.), еще не раскрытое и не понятое в своем величии, по образному выражению Ф. Вальда, как "тень царицы мира" - энергии. Одним из безусловных достижений первого этапа развития термодинамики явилось присутствие во втором начале времени необратимого возрастания энтропии в самопроизвольных процессах. Однако в остальном термодинамика фактически являлась термостатикой - наукой о равновесиях и равновесных процессах. Завершился же первый этап "далеко идущими" выводами Томпсона о "тепловой смерти мира" как о неизбежном результате его развития.

Открытие Дарвина в биологии определило второй этап развития термодинамики, который следует назвать эволюционной физикой. В ее основе лежит вероятностная трактовка энтропии, данная Больцманом и выраженная его Великой формулой:

где S - энтропия; К - постоянная Больцмана; Р - так называемый статистический вес состояния системы (о котором мы будем говорить подробнее далее).

Энтропия выражается через логарифм статистического веса состояния системы, а вероятность состояния экспоненциально растет с ростом энтропии. Возрастание энтропии в необратимых процессах означает возрастание вероятности состояния. Неупорядоченное состояние более вероятно, чем упорядоченное. Эти выводы ознаменовали научную революцию! Но очередное (в который раз!) непризнание современниками его работ сыграло свою роль в самоубийстве Больцмана в 1906 г.

Благодаря усилиям Больцмана и Гиббса, энтропия обрела "свое величие" - она перестала быть мерой обесценивания энергии и стала мерой упорядоченности системы, объективной характеристикой принципиального недостатка информации о системе. Значение энтропии как одной из самых главных физических характеристик любых систем резко возросло. На этой базе трудами Онзагера, Пригожина и др. была создана линейная термодинамика, которая обратилась к изучению открытых неравновесных систем. В этой науке зависимость от времени приобрела количественный смысл. Она не ограничивается простой констатацией самого факта возрастания энтропии в необратимых процессах, а вычисляет скорость этого возрастания - производную продукции энтропии по времени, называемую функцией диссипации. Сформулировалась новая область физики - физика диссипативных систем (Пригожин), синергетика (Хакен).

Начало третьего этапа развития современной термодинамики, по нашему мнению, связано с возникновением теории информации, логическим продолжением которой явилась теория Н.А. Козырева. Это наука сегодняшнего дня. Остановимся на нем подробнее.

Обратимся вновь к истории. В 40-е годы XX века возникла новая наука - кибернетика. Ее основоположник Ноберт Винер назвал свою (ставшую классической) книгу "Кибернетика или управление и связь в животном и машине". Основные задачи, решаемые этой наукой, можно сформулировать следующим образом: выяснение природы способов реализации теории информации и нахождение условий оптимальной передачи информации.

Как это ни удивительно, существует прямая связь между термодинамикой и теорией информации. Это утверждение становится понятным, если проанализировать основное уравнение теории информации, которое устанавливает логарифмическую зависимость между количеством информации I и числом равновероятных событий Р, из которого производится выбор:

В теории информации основание логарифма принимается равным двум. Для того чтобы понять смысл этого выражения, приведем пример.

Бросим монету. Выпадение герба или решки означает сообщение определенного количества информации о результате данного бросания. Очевидно, что в данном случае число равновероятных событий равно 2, а получаемое при этом количество информации - 1:

log 2 = 1 бит.

Информация вычисляется в битах - в двоичных единицах (binaru digits).

Реализация менее вероятного события дает больше информации рецепторной системе, это непосредственно следует из данного выражения. Иными словами, чем больше неопределенности до получения сообщения о событии, тем больше количество информации при получении сообщения. Однако выражение (2) справедливо лишь при наличии равновероятных событий. Уравнение теории информации, учитывающее разновероятностные события, - формула Шеннона:

где М - некоторое конечное значение вероятностей; i - событие.

Эта величина далеко не случайно была названа автором информационной энтропией.

При использовании этой формулы существует возможность определить вероятность появления буквы в данном тексте. Для русскоязычного варианта она равна / = 4,35 бит. Из представленного выше выражения непосредственно следует общий вывод о том, что математическое выражение для энтропии тождественно выражению для информации, взятому с обратным знаком. Увеличение информации эквивалентно сокращению энтропии. Это один из основных законов мироздания! За передачу информации приходится платить повышением энтропии, при этом система, получившая информацию, автоматически уменьшает свою "собственную" энтропию. Мы видим, что информация имеет вполне определенный термодинамический смысл, определенным образом связанный с понятием энтропии.

Таким образом, необходимо подвести итог, что понятие информации характеризуется двумя положениями:

1. информация означает выбор неких ситуаций из большого числа равновероятных или неравно вероятных возможностей;
2. информацией следует считать лишь такой выбор, который можно воспринять и запомнить.

Следовательно, на повестку дня встает вопрос о получении информации, ее восприятии, или рецепции. Для рецепции информации необходим определенный уровень восприятия, определенная емкость, способность воспринимать сообщение, что является необходимым, но далеко недостаточным условием восприятия. В пользу данного утверждения говорит весь наш повседневный опыт.

Достаточным условием является наличие некоторой цели, но ее наличие определяет и неустойчивость - достижение цели есть переход из менее устойчивого в более устойчивое состояние. Очень важным является и то, что процесс рецепции информации оказывается возможным лишь благодаря оттоку энтропии из рецепторной (воспринимающей) системы.

Цепочка данных положений наряду с понятием ценности информации, о которой мы будем говорить ниже, является тем базисом, на котором лежит учение Н.А. Козырева.

В соответствии с учением Козырева время обладает физическими свойствами, благодаря которым информация от идущего процесса, связанного с изменением организованности данной системы, уносится временем и способна быть воспринята другой - системой, проявляющейся в адекватном изменении энтропии рецепторной системы. Процессы, вызывающие рост энтропии системы, излучают информацию, используя в качестве носителя время. При этом у находящегося вблизи данного процесса вещества, выполняющего роль рецепторной системы, уменьшается энтропия - упорядочивается его структурная организация. Процессы, характеризующиеся обратным эффектом уменьшения энтропии "передающей" системы, приводят к противоположным результатам рецепторной системы. В свою очередь, степень активности времени определяет его плотность. "Действие плотности времени противодействует обычному ходу событий".

Учение Козырева обосновало существование принципиально нового неэлектромагнитного канала передачи информации, наличие которого непосредственно вытекает из теории информации, а его обнаружение (рецепция) невозможно без рассмотрения вопроса о ценности данного информационного потока, предложенного для данной рецепторной (индикаторной) системы.

Вопрос о ценности информации исследовался рядом отечественных ученых советского периода - М.М. Бонгардом, Р.Л. Стратоновичем, А.А. Харкевичем. Так, в заслуживающей особого внимания книге Бонгарда, степень полезности сообщения ценности информации) связывается с увеличением вероятности достижения некоторой цели после получения сообщения. Можно представить ценность информации V, по Бонгарду, формулой:

где Р и Р' - вероятности достижения некоторой цели до и после получения информации.

Очевидно, что ценность информации функционально связана с ее рецепцией. Выяснение вопроса о ценности информации возможно лишь после решения некоторых последствий ее восприятия рецептором. Иными словами, ценность данной информации проявляется в результатах рецепции, то есть она непосредственно связана с "уровнем рецепции".

Возвращаясь к формуле (4), необходимо отметить, что ценность информации V может быть и отрицательной - дезинформацией, если получаемая рецептором информация содержит ложные сведения, отдаляющие достижение некоторой цели.

Однако основополагающий принцип, на котором базируется учение Козырева, о том, что любая неэлектромагнитная информация (излучение времени по Козыреву) всегда приводит к адекватному сокращению, оттоку энтропии из воспринимающей (рецепторной) системы, оказался ошибочным! Как показали эксперименты, этот принцип выполняется не всегда. Имеются ситуации, когда поток неэлектромагнитной информации приводит к обратному эффекту - увеличению энтропии вещества, используемого в качестве рецептора. Как пример следует привести факт увеличения энтропии культуры клеток под влиянием неэлектромагнитного информационного потока, вызванного процессом растворения в воде кристаллов пищевой соли (NaCl). Кроме того, как показали детальные исследования, интенсивность неэлектромагнитного информационного потока, вызванного конкретным процессом, не всегда приводит к адекватному изменению энтропии применявшихся рецепторных систем. Следует сделать общий вывод о том, что решающее значение в неэлектромагнитном информационном обмене играет ее ценность, применительно к каждой конкретной рецепторной системе (веществу). Понятие ценности информации - одно из фундаментальных понятий теории информации. Именно поэтому открытое Козыревым "явление" следует рассматривать в рамках общей теории информации, как один из видов обмена информации в природе - неэлектромагнитный информационный канал. Трудно переоценить значение работ Козырева как практических, так и теоретических, оно огромно. Прежде всего, следует отметить описанную им связь энтропии вещества с обнаруженным им неэлектромагнитным информационным воздействием (потоком). Необходимо уточнить, что обнаруженный Козыревым неэлектромагнитный информационный обмен в природе являет собой четвертый этап развития современной теории информации. Таким образом, понятие ценности информации (в том числе и ценность неэлектромагнитной информации) является недостающим звеном в строгой теоретической концепции теории Козырева и играет решающую роль в неэлектромагнитном информационном обмене.

Неэлектромагнитная кибернетика явила собой пятый этап развития современной теории информации. Неэлектромагнитные информационные потоки, обусловленные определенными физическими, биологическими, интеллектуальными процессами, приводят к адекватным изменениям энтропии рассматриваемых рецепторных систем, в соответствии с ценностью предлагаемой неэлектромагнитной информации. В свою очередь, подобные изменения энтропии вещества вследствие неэлектромагнитного информационного воздействия могут быть обнаружены с использованием некоторых разработанных технологий. Подобная концепция, на первый взгляд, мало отличается от предложенной Козыревым "схемы". Однако основополагающим является то, что данная информационная концепция подразумевает наличие таких фундаментальных категорий, как ценность, уровень рецепции, количество информации. На наш взгляд, это прорыв в общем понимании неэлектромагнитных информационных взаимодействий окружающего нас мира.

Источник: Александр Каравайкин. Некоторые вопросы неэлектромагнитной кибернетики. М., Наука. 2005. С. 7-15.