信息和能量有什么关系？

信息和能量有什么关系？实验中心午餐会周鲁卫2014.9.16Landauer'sprinciple改变1比特信息所需最低的能量是兰道尔极限，即kTln2。Thereisaminimumpossibleamountofenergyrequiredtochangeonebitofinformation,knownastheLandauerlimitkTln2,*wherekistheBoltzmannconstant(approximately1.38×10−23J/K),,*Aclusteringexperimentinafivecompartmentsystem,verticallyshakenwithamplitudea=1.0mmandfrequencyf=21Hz.Theparticlesdonotimmediatelyclusterintoonecompartment,butfirstgothrougharelativelylong-livedtransienttwo-clusterstate.Adeclusteringexperimentinafive-compartmentsystematB=0.328.Theclusterisclearlypresentuntilt=42s,thensuddenlycollapses,leavingnotraceonesecondlater.ThispointliesjustbelowthevalueBc,5=0.346,theshakingstrengthatwhichtheclusterbecomesstable.JSMTEjstat7(2007)p07021VideofromJSMTEjstat7(2007)p07021.seecourse/Lecture ppt 关于艾滋病ppt课件精益管理ppt下载地图下载ppt可编辑假如ppt教学课件下载triz基础知识ppt /sandvideo/麦克斯韦“妖”？*麦克斯韦的思考性实验中，“妖”控制隔板上的通道，使得原本等温的两个空间，具有了不同的温度，熵减少,违背了热力学第二定律（BBC纪录片，上海纪实频道播出，取自网易视频）TheideaofaconnectionbetweeninformationandthermodynamicscanbetracedbacktoMaxwell’s‘demon’6–8.Thedemonisanintelligentcreatureabletomonitorindividualmoleculesofagascontainedintwoneighbouringchambersinitiallyatthesametemperature.Someofthemoleculeswillbegoingfasterthanaverageandsomewillbegoingslower.Byopeningandclosingamolecular-sizedtrapdoorinthepartitioningwall,thedemoncollectsthefaster(hot)moleculesinoneofthechambersandtheslower(cold)onesintheother.Thetemperaturedifferencethuscreatedcanbeusedtorunaheatengine,andproduceusefulwork.Byconvertinginformation(aboutthepositionandvelocityofeachparticle)intoenergy,thedemonisthereforeabletodecreasetheentropyofthesystemwithoutperforminganyworkhimself,inapparentviolationofthesecondlawofthermodynamics.Asimplified,one-moleculeengineintroducedlater9hasbeenrecentlyrealizedexperimentallyusingnon-equilibriumfeedbackmanipulationofaBrownianparticle10.Theparadoxoftheapparentviolationofthesecondlawcanberesolvedbynotingthatduringafullthermodynamiccycle,thememoryofthedemon,whichisusedtorecordthecoordinatesofeachmolecule,hastoberesettoitsinitialstate11,12.Indeed,accordingtoLandauer’sprinciple,anylogicallyirreversibletransformationofclassicalinformationisnecessarilyaccompaniedbythedissipationofatleastkTln(2)ofheatperlostbit(about3310221Jatroomtemperature(300K)),wherekistheBoltzmannconstantandTisthetemperature.Landauer,R.Irreversibilityandheatgenerationinthecomputingprocess.IBMJ.Res.Develop.5,183–191(1961).(Reprintedas44,261-269(2000))*麦克斯韦的思想实验中，“妖”控制隔板上的通道，使得原本等温的两个空间，具有了不同的温度（BBC纪录片，上海纪实频道播出，取自网易视频）TheideaofaconnectionbetweeninformationandthermodynamicscanbetracedbacktoMaxwell’s‘demon’6–8.Thedemonisanintelligentcreatureabletomonitorindividualmoleculesofagascontainedintwoneighbouringchambersinitiallyatthesametemperature.Someofthemoleculeswillbegoingfasterthanaverageandsomewillbegoingslower.Byopeningandclosingamolecular-sizedtrapdoorinthepartitioningwall,thedemoncollectsthefaster(hot)moleculesinoneofthechambersandtheslower(cold)onesintheother.Thetemperaturedifferencethuscreatedcanbeusedtorunaheatengine,andproduceusefulwork.Byconvertinginformation(aboutthepositionandvelocityofeachparticle)intoenergy,thedemonisthereforeabletodecreasetheentropyofthesystemwithoutperforminganyworkhimself,inapparentviolationofthesecondlawofthermodynamics.Asimplified,one-moleculeengineintroducedlater9hasbeenrecentlyrealizedexperimentallyusingnon-equilibriumfeedbackmanipulationofaBrownianparticle10.Theparadoxoftheapparentviolationofthesecondlawcanberesolvedbynotingthatduringafullthermodynamiccycle,thememoryofthedemon,whichisusedtorecordthecoordinatesofeachmolecule,hastoberesettoitsinitialstate11,12.Indeed,accordingtoLandauer’sprinciple,anylogicallyirreversibletransformationofclassicalinformationisnecessarilyaccompaniedbythedissipationofatleastkTln(2)ofheatperlostbit(about3310221Jatroomtemperature(300K)),wherekistheBoltzmannconstantandTisthetemperature.Landauer,R.Irreversibilityandheatgenerationinthecomputingprocess.IBMJ.Res.Develop.5,183–191(1961).(Reprintedas44,261-269(2000))麦克斯韦思想实验初始条件：温度均匀。靠麦克斯韦妖开启小洞，不做功，将速度大于和小于平均速度的分子分置相邻两个盒子,导致熵减少；违背热二定律：封闭体系熵增加原理=熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加*（热二：克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化；或开尔文表述：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化；或想象一下数以万亿多不胜数的气体分子，描述这种相互作用所需要的比特量是难以想象的；信息实际上是物理世界不可分割的一部分。（BBC纪录片，上海纪实频道播出，取自网易视频）*麦克斯韦妖利用分子速度的信息，在完全无序的空气盒子中创造秩序。（BBC纪录片，上海纪实频道播出，取自网易视频）是不是一个永动机？**为计算平均速度，“妖”必须记住每个分子的速度，存储有限，为记住新信息，必须忘记旧信息--关键是：这个删除信息的行为会消耗它的能量（BBC纪录片，上海纪实频道播出，取自网易视频）当然不是！那熵降低的代价是什么？要消耗多少能量？RolfW.Landauer1927–1999German-Americanphysicist,NASA,IBM忘记一条信息要消耗多少能量？Landauer,R.Irreversibilityandheatgenerationinthecomputingprocess.IBMJ.Res.Develop.5,183–191(1961).(Reprintedas44,261-269(2000))http://greenbyte.chhttp://greenbyte.ch/14739/landauers-geheimnis-stromloser-computer/这是因为，当计算向前进行时（逻辑不可逆性），如果可能的逻辑计算状态数减少，熵将降低，这是不允许的，除非与每个逻辑状态对应的可能的物理状态数同时至少增加一个补偿量，以使可能的物理状态总数不比原本小（总熵没有减少）。然而，增加对应于每个逻辑状态的物理状态数是指，对于跟踪系统逻辑状态而非物理状态的观察者（比如由计算机自身组成的“观察者”），可能的物理状态数有所增加；换句话说，从这个观察者的角度看，熵已增加。有限物理系统的最大熵是有限的。（如果全息原理是正确的，那么具有有限表面积的物理系统具有有限的最大熵，但不管全息原理的真相，量子场论确定，具有有限半径和有限能量系统的熵是有限的。）所以，为避免在延长的计算过程中达到这个熵的最大值，熵必须最终被排到处于某些给定温度T的外部环境中，要求能量E=ST必须被排放到该环境中，其中加入的熵量为S。对于一个丢失1位逻辑信息的运算操作，熵的生成量至少是kln2，这样，最终被排放到环境中的能量必须是E≥kTln2。译自wikipediaLandauer'sprincipleLandauerBound：删除1bit的信息至少需要消耗kTln2的能量~10-21Jhttp://greenbyte.ch/14739/landauers-geheimnis-stromloser-computer/zJ=zeptoJ=10-21JZJ=zettaJ=1021J这是因为，当计算向前进行时（逻辑不可逆性），如果可能的逻辑计算状态数减少，熵将降低，这是不允许的，除非与每个逻辑状态对应的可能的物理状态数同时至少增加一个补偿量，以使可能的物理状态总数不比原本小（总熵没有减少）。然而，增加对应于每个逻辑状态的物理状态数是指，对于跟踪系统逻辑状态而非物理状态的观察者（比如由计算机自身组成的“观察者”），可能的物理状态数有所增加；换句话说，从这个观察者的角度看，熵已增加。有限物理系统的最大熵是有限的。（如果全息原理是正确的，那么具有有限表面积的物理系统具有有限的最大熵，但不管全息原理的真相，量子场论确定，具有有限半径和有限能量系统的熵是有限的。）所以，为避免在延长的计算过程中达到这个熵的最大值，熵必须最终被排到处于某些给定温度T的外部环境中，要求能量E=ST必须被排放到该环境中，其中加入的熵量为S。对于一个丢失1位逻辑信息的运算操作，熵的生成量至少是kln2，这样，最终被排放到环境中的能量必须是E≥kTln2。译自wikipediaLandauer'sprinciple*这是因为，当计算向前进行时（逻辑不可逆性），如果可能的逻辑计算状态数减少，熵将降低，这是不允许的，除非与每个逻辑状态对应的可能的物理状态数同时至少增加一个补偿量，以使可能的物理状态总数不比原本小（总熵没有减少）。然而，增加对应于每个逻辑状态的物理状态数是指，对于跟踪系统逻辑状态而非物理状态的观察者（比如由计算机自身组成的“观察者”），可能的物理状态数有所增加；换句话说，从这个观察者的角度看，熵已增加。有限物理系统的最大熵是有限的。（如果全息原理是正确的，那么具有有限表面积的物理系统具有有限的最大熵，但不管全息原理的真相，量子场论确定，具有有限半径和有限能量系统的熵是有限的。）所以，为避免在延长的计算过程中达到这个熵的最大值，熵必须最终被排到处于某些给定温度T的外部环境中，要求能量E=ST必须被排放到该环境中，其中加入的熵量为S。对于一个丢失1位逻辑信息的运算操作，熵的生成量至少是kln2，这样，最终被排放到环境中的能量必须是E≥kTln2。译自wikipediaLandauer'sprinciple思路：计算中，由于逻辑不可逆性，-若逻辑计算状态数减少，熵将降低，这是不允许的，除非与每个逻辑状态对应的可能的物理状态数同时至少增加一个补偿量，以使可能的物理状态总数不比原本小（总熵没有减少）。-有限物理系统的最大熵是有限的。-为避免在延长的计算过程中达到这个熵S的最大值，熵对应的能量E=ST必须被排放到外界，对于一个丢失1位逻辑信息的运算操作，熵的生成量至少是kln2-最终被排放到环境中的能量必须是E≥kTln2译自wikipediaLandauer'sprinciple如*Nature,483(2012)187-190自制垂直光镊l=1064nm颗粒直径2mm*AntoineBérut,M2Rapport,PhysiqueFondamentale,Stage2010–2011,ÉcoleNormaleSupérieuredeLyon,(andareferencecitedin).双蒸水颗粒位置精度10nm*AntoineBérut,M2Rapport,PhysiqueFondamentale,Stage2010–2011,ÉcoleNormaleSupérieuredeLyonSchémad'unecellulesimpleetd’unecellulepermettantdenesélectionnerqu’uneseuleparticule.Ennoirlalamedemicroscope,envertlalamelledeverre,enrougel’anneauenplastique,enbleulestrouspercésetenorangeledisqueenverre.Diagramofasinglecellandacelltoselectonlyoneparticle.Theblackisthemicroscopeslide,thegreenglassslide,theredplasticring,theblueisdrilledholes,andtheorangeistheglassdisc.单个样品池和可只选单一颗粒的样品池。黑色是显微镜载玻片，绿色是盖玻片，红色是塑料环，蓝色是钻孔，橙色是玻璃盘。可只选单一颗粒样品池黑色显微镜载玻片绿色盖玻片红色塑料环蓝色钻孔橙色玻璃盘F18PMM颗粒，直径d=2mm,距离=1.45mm,物镜X64,光圈1.4,高速相机得出颗粒出现几率由此获得势阱高度*采集卡或函数信号发生器1对函数信号发生器2的频率进行调制函数信号发生器2产生光束偏转光束聚焦光束使声光偏转器中光束偏转黑色：设备名称绿色：设备功能蓝色：输出信号slotat10kHzAntoineBérut,M2Rapport,PhysiqueFondamentale,Stage2010–2011,ÉcoleNormaleSupérieuredeLyon,(andareferencecitedin).频率经调制的低谷信号sinusdontlafrequenceestmodulee声光偏转器油浸物镜激光*数值模拟(b)PDFdutravailreçuWetdelachaleurdissipéeQdurantuncycledeLandaueretPDFdelachaleurdissipéedanslecasoùlaparticulesetrouvaitinitialementdanslepuits0.*在一个Landauer循环中所获得功W的对偶分布函数P(W)和所耗散热Q的对偶分布函数P(Q)；插图为初始时胶体颗粒处于势阱0的情况下耗散热的对偶分布函数。(b)PDFofthereceivedworkWandthewasteheatQduringoneLandauercycleandPDFofheatdissipatedinthecasewheretheparticlewasinitiallyinthewell0.耗散热获得功AntoineBérut,M2Rapport,PhysiqueFondamentale,Stage2010–2011,ÉcoleNormaleSupérieuredeLyon,(andareferencecitedin).通过利用激光和微小胶体颗粒，已经精确地研究了信息和能量之间的关系。（BBC纪录片，上海纪实频道播出，取自网易视频）**麦克斯韦的思想实验构思起源于蒸汽时代，至今仍处于科学研究的最前沿。（BBC纪录片，上海纪实频道播出，取自网易视频）*降低激光功率降低势垒初态0ab激光功率IL4815mW激光功率势垒高度DU82.2kT势阱间势垒高度0.9mmErasureprocess通过压电电机移动微动样品池，导致粘滞流动粘滞力F粘滞力与时间成正比粘度g移动样品池倾斜势阱ab恢复势垒高度*移动样品池倾斜势阱初态0终态1降低激光功率降低势垒*计算倾斜过程中的耗散热根据热力学定律，耗散热对大量轨迹的系综平均值总是大于等于熵的变化，即*Accordingtothelawsofthermodynamics,themeandissipatedheatobtainedbyaveragingovermanytrajectoriesisalwayslargerthantheentropydifference:600次平均根据视频得到颗粒运动速度随时间的变化厘清细节*b,HeatdistributionP(Q)fortransition01witht=25sandFmax=1.89X10-14N.Thesolidverticallineindicatesthemeandissipatedheat,,andthedashedverticallinemarkstheLandauerlimit,Landauer.删除成功率vs最大倾斜力Fmax,(Fmaxt为常数)ErasurerateandapproachtotheLandauerlimit.a,Successrateoftheerasurecycleasafunctionofthemaximumtiltamplitude,Fmax,forconstantFmaxt.取t=25s,Fmax=1.89X10-14N时，01转换时耗散热的分布函数平均耗散热Landauer极限LandauerMeandissipatedheatforanerasurecycleasafunctionofprotocolduration,t,measuredforthreedifferentsuccessrates,r:plussigns,r>=0.90;crosses,>=0.85;circles,r>=0.75.ThehorizontaldashedlineistheLandauerlimit.Thecontinuouslineisthefitwiththefunction[Aexp(2t/tK)+1]B/t,wheretKistheKramerstimeforthelowbarrier(Methods).Errorbars,1s.d.*趋向Landauer极限Aexp(2t/tK)+1]B/t删除成功率r:+,r>=0.90;x,>=0.85;o,r>=0.75.tK=Kramerstimeforthelowbarrier删除1比特信息过程中的平均耗散热Errorbars,1s.d.Thethermodynamiclimittoinformationerasure,theLandauerbound,canbeapproachedinthequasi-staticregimebutnotexceeded.Theyhencedemonstrateoneofthefundamentalphysicallimitationsofirreversiblecomputation.Owingtotheuniversalityofthermodynamics,thislimitisindependentoftheactualdevice,circuitormaterialusedtoimplementtheirreversibleoperation.*结论1、在准静态范围Landauer极限,删除1bit信息至少耗费kTln2能量,可以趋近但不会突破；2、证实了不可逆计算的一项基本物理极限；3、实验结果具有普适性。体会综合现代的光学+传统的热学实验， 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 现代概念（信息）和传统概念（热力学）的关系*讨论：什么是信息信息：区分一东西和其他东西的内容（infoisthatwhatmakesdifferentwithothers)凡是在一种情况下能减少不确定性的任何内容都叫信息。[2]信息是确定性的增加.（Infoisnotwhattold,butiswhatcanbetold)如果各种情况出现的可能性完全一样（完全混乱–熵最大–信息量最大）Information(shortenedasinfoorinfo.)isthatwhichinforms,i.e.thatfromwhichdatacanbederived.Informationisconveyedeitherasthecontentofamessageorthroughdirectorindirectobservationofsomething.Thatwhichisperceivedcanbeconstruedasamessageinitsownright,andinthatsense,informationisalwaysconveyedasthecontentofamessage.Informationcanbeencodedintovariousformsfortransmissionandinterpretation.Forexample,informationmaybeencodedintosigns,andtransmittedviasignals.InThermodynamics,informationisanykindofeventthataffectsthestateofadynamicsystemthatcaninterprettheinformation.Informationresolvesuncertainty.Theuncertaintyofaneventismeasuredbyitsprobabilityofoccurrenceandisinverselyproportionaltothat.Themoreuncertainanevent,themoreinformationisrequiredtoresolveuncertaintyofthatevent.Thebitisatypicalunitofinformation,butotherunitssuchasthenatmaybeused.Example:informationinone"fair"coinflip:log2(2/1)=1bit,andintwofaircoinflipsislog2(4/1)=2bits.Informationitselfmaybelooselydefinedas"thatwhichcandistinguishonethingfromanother".(WIKIPhysicalinformation)美国数学家、控制论的奠基人诺伯特·维纳在他的《控制论——动物和机器中的通讯与控制问题》中认为，信息是“我们在适应外部世界，控制外部世界的过程中同外部世界交换的内容的名称”。英国学者阿希贝认为，信息的本性在于事物本身具有变异度。意大利学者朗高在《信息论：新的趋势与未决问题》中认为，信息是反映事物的形成、关系和差别的东西，它包含于事物的差异之中，而不在事物本身。另有以下两种定义：凡是在一种情况下能减少不确定性的任何事物都叫信息。[2]信息是物质存在的一种方式、形态或运动形态，也是事物的一种普遍属性，一般指数据、消息中所包含的意义，可以使消息中所描述事件中的不定性减少。[3]哲学定义信息是反映（映射）事件的内容。事件包括判断事件、动作事件等对所有运动的描述。对信息的定义了解将从根本上揭示智能形成的原因。经典的哲学定义有北京邮电大学钟义信教授：“信息是事物运动的状态及其改变方式”。[4]2014年，周锚在《信息论思维互联网时代的生存法则》中提出：[5]“信息”人类对事物存在的客观认知和对主观思维的具象表述，而客观世界，我们只能通过“信息”来反映、描绘、认知、研究；主观认识或思维，也只有通过“信息”手段来表述、传播、交流。信息是事物现象及其属性标识的集合.-邓宇(2002年)逆Shannon信息定义:信息是确定性的增加.inverseShannon’sinformationdefinition:informationisincreaseofdeterminacy.诺伯特·维纳：“信息就是信息，不是物质也不是能量。不承认这一点的唯物论，在今天就不能存在下去。(Infornationisinformation,notmatterorenergy.Nomaterialismwhichdoesnotadmitthiscansurviveatthepresentday.)--(Googlebook:CyberneticsOrControlandCommunicationintheAnimalandtheMachineByNorbertWiener,p132)(转自维基百科讨论)*美国数学家“维纳”NorbertWiener提出：信息就是信息，不是物质，也不是能量。（http://zhidao.baidu.com/question/303164972.html?qbl=relate_question_4&word=%CE%EF%D6%CA%C4%DC%C1%BF%D0%C5%CF%A2）Themechanicalbraindoesnotsecretethought« andthelivedoesbile, »astheearliermateralistsclaimed,notdesitpititoutintheformofenergy,asthemuscleputoutitsactivety. tInfornationisinformationi,notmatterorenergy.Nomaterialismwhichdoesnotadmitthiscansurviveatthepresentday[诺伯特·维纳对信息的著名定义：“信息就是信息，不是物质也不是能量。不承认这一点的唯物论，在今天就不能存在下去。”，参考来源：Googlebook:CyberneticsOrControlandCommunicationintheAnimalandtheMachineByNorbertWiener,p132--](http://books.google.com.tw/books?id=NnM-uISyywAC&printsec=frontcover&dq=%22Wiener+%22Cybernetics,+or+control+and+communication+in+animal+and+machine%22&hl=en&sa=X&ei=a0MfU8C_B8i4kgXKgoD4Aw&redir_esc=y#v=onepage&q=%22Information%20is%20information%2C%20not%20matter%20or%20energy%22&f=false)（因和热力学熵计算方式一样，故也称为熵）当各个符号出现机率相等，即“不确定性”最高时，信息熵最大信息可以视为“不确定性”或“选择的自由度”的度量。讨论：信息熵：一个信息由n个符号所构成，符号k出现的机率为pk，则信息量H为：--美国数学家，信息论奠基人ClaudeElwoodShannon《通信的数学理论》(1948)什么是能量能量往往被视为某一个物理系统对其他的物理系统做功的能力。可逆转换和不可逆转换可逆的热力学过程没有能量损耗。不可逆过程中有热产生，这一部分能量将不能完全恢复成可利用的能量将能量转换成有用的功是热力学的重要课题。在大自然界里，能量的转换可以分成两类：一是可逆的，另一是不可逆的。可逆的热力学过程是不会有能量的损耗。例如，不同位能形式之间的转换是可逆的，例如前文所提到的钟摆运动。而当一个过程中有热的产生的时候，一部分的能量将不能完全恢复成可利用的能量，此时便是不可逆的