интересно
Предыдущая | Содержание | Следующая

Негэнтропия

Известный французский физик, один из творцов теории информации Л. Бриллюэн информацию, эквивалентную отрицательной энтропии, предложил назвать негэнтропией. Отрицательная энтропия Э. Шредингера принципиально отличается от негэнтропии Л. Бриллюэна.

Л.Бриллюэн и Н. Винер ошибочно понимали негэнтропию как антиэнтропию, или отрицательную энтропию (т.е. энтропию со знаком минус).

Это обусловлено в течение длительного времени недооценивание самостоятельной сущности негэнтропии как формы состояния любой системы.

Рассмотрим более подробно этот вопрос, использовав идеи, изложенные в  В классической теории информации установилась традиция связывать информацию с термодинамической величиной -энтропией. Начало этой традиции было положено Н. Винером, увидевшем сходство формул К. Шеннона для количества информации (I) и Л. Больцмана для физической энтропии (Э). Различие в размерностях устранялось выбором единиц измерения количества информации (I), которую можно выражать в энтропийных единицах.

По предположению Н. Винера получилось:

противоречие. Известно, что количество информации в системе есть мера упорядоченности, или организованности, системы, так же как энтропия системы есть мера дезорганизованности, или неупорядоченности, системы, и одно равно другому с отрицательным знаком (так считал Н. Винер). Однако легко убедиться, что выражение (1.1) невозможно, так как по определению обе величины и I>0 и Э>0. О путанице со знаком писал и У.Р. Эшби, но на его замечание ученые не обратили внимания. Авторитет Н. Винера был настолько велик, а следствие выражения (1.1) настолько заманчивым, что ошибки и их модификации стали мигрировать в различные учебники и монографии. Отрицательную энтропию стали называть не антиэнтропией, а негэнтропией.

Как следствие негэнтропийного принципа, был сформулирован закон сохранения I + Э = const, что само по себе изменяет содержание второго начала термодинамики.

Связь между веществом, энергией и информацией (из-за разности энергетических потенциалов на 21 порядок) невозможно объяснить без допущения существования, кроме вещества (массы) и энергии, еще дополнительной формы (поля) состояния объективной реальности - негэнтропии (которую условно можно воспринимать в качестве новой субстанции).

Неправильная трактовка Н. Винера тем не менее не снимает вопрос о связи информации и энтропии. Известно, что еще много раньше формулы К. Шеннона Л. Больцман заметил, что "при возрастании энтропии мы теряем информацию о состоянии молекул". Причем теряем информацию "мы", а не система, о чем шла речь у Н. Винера [4, 5]. Если информация - это прежде всего процесс, то его количественную меру (I) нужно сравнивать не с функцией состояния, например с энтропией (Э), а лишь с ее приращением (∆Э) или убылью (-∆Э), подобно тому, как количество переданного тепла связано не с его внутренней энергией, а лишь с изменением (приращением) внутренней энергии. Между появлением информации (I) и убылью энтропии (-∆Э) имеется соответствие, но отнюдь не количественная связь. Очевидно, что одна и та же по количеству информация может отвечать разным изменениям энтропии. К примеру, замена в светофоре красного сигнала на зеленый, чему соответствует получение водителями одного бита информации, меняет поток транспорта на магистрали. При этом изменение энтропии может быть совершенно различным в зависимости от числа машин в потоке. При этом по сравнению с количеством полученной информации последствия получения информации несоизмеримо велики. Такая триггерная ситуация часто реализуется в биологических системах. Из сказанного следует, что информации некорректно приписывать энтропийный или негэнтропийный смысл.

Л.Бриллюэн писал, что информацию следует рассматривать как отрицательное слагаемое энтропии системы. Он считал, что информация есть негэнтропия и что информация и энтропия должны рассматриваться совместно и не могут рассматриваться порознь. Энтропия есть мера недостатка информации о системе. Следует отметить, что Бриллюэн различал между собой свободную информацию и связанную информацию, и считал, что "только связанная информация" будет представлять негэнтропию.

Из этого следует, что Бриллюэн не приписывал любой информации свойства негэнтропии, а это свойство приписывал только связанной информации. Важно понять, какое физическое или информационное наполнение содержит термин негэнтропия. Таким образом, для характеристики степени порядка материальных объектов часто используют энтропию как неупорядоченность и негэнтропию, т.е. связанную информацию как упорядоченность Проблема негэнтропии подробно рассмотрена в [13-15].

Внутри системы эта дополнительная форма (поля) связана с веществом и энергией путем взаимодействия, резонанса или когерентности полей

Необходимо отметить, что уже на уровне как микромира, так и макромира существует строгая упорядоченность структур, которая противодействует тенденции повышения беспорядка, т.е. общей тенденции повышения энтропии. Как микро-, так и в макромире действуют некие силы, поля, которые являются причиной образования структур, взаимных связей между элементами, уменьшающие степень свободы элементов и ограничивающие их беспорядочное, хаотическое движение. Эти четко направленные силы и поля действуют как в микромире (атомы, молекулы), так и в макромире, включая живые организмы и общественные организации. Это и есть существование негэнтропийного (НЭ) поля во всех уровнях иерархии систем. Например, сила (поле, энергия) гравитации действует между телами строго в одном направлении притяжения на любом расстоянии и не зависит от времени. Кроме того, известно, что объединяются вместе и образуют единое поле следующие четыре поля: гравитационное, электромагнитное, поля сильного и слабого взаимодействия. Такое единое квантовое поле существует везде, во всех системах мира, в веществах, даже в физическом вакууме и взаимодействует со всеми элементарными и макрочастицами. Это общее квантовое поле противодействует общей тенденции возрастания энтропии, потому что противостоит хаосу, так как кванты общего поля характеризуются строгой упорядоченностью и направленностью. Все это составляет негэнтропийное поле во всех частях системы.

Повторим, такое негэнтропийное (НЭ) поле пока не удается измерить физическими единицами и приборами, оно только вычисляется, поэтому по терминологии классической физики не является материальным. Но главное, такое объединенное, или негэнтропийное поле, объективно существует и его потенциал, или напряженность, измеряется условным показателем - обобщенной негэнтропией (ОНЭ) Иногда негэнтропийное поле называют информационным полем, но лучше первое название, так как основным элементом поля является ОНЭ, а не информация. Что касается информации, то она переносит ОНЭ внутри системы и между системами.

ОНЭ служит промежуточным звеном между информацией и вещественно-энергетическим физическим миром ОНЭ, с одной стороны, связана с массой и энергией, а с другой стороны, легче взаимодействует с поступающей информацией.

Известно, что только такие сведения, данные, знания, сообщения являются информацией, которые уменьшают неопределенность получателя или увеличивает ее ОНЭ по отношению к интересующим нас вопросам. Обмен информацией между системами обязательно увеличивает ОНЭ хотя бы одной из систем.

Аналогично тому, как работа передает энергию из одной системы в другую, информация передает ОНЭ из одной системы в другую

Одни авторы (их большинство) считают, что одной из первоначальных субстанций реального мира является информация, а все другие информационные явления (например, интеллект, самоорганизация, структуризация, согласование) представляют собой вторичное действие информации. В отличие от этого другие специалисты [6, 15] (их меньшинство) считают, что одной из первичных субстанций является ОНЭ, а информация является только процессом, который передает ОНЭ из одной системы в другую. Система может получать ОНЭ от других систем и отдавать ее другим системам при помощи информации [13, 14,15].

Оказывается, что при моделировании сложных открытых систем недостаточно составить балансы вещества (массы), энтропии и информации. Должен быть обязательно учтен еще баланс ОНЭ как промежуточное звено, посредничающее между потоками вещества, энергии и информации.

НЭ имеет противоположный знак, чем Э, однако она не является антиэнтропией, или энтропией с отрицательным знаком, так как кривые изменений НЭ и антиэнтропии не совпадают. Для снижения в системе Э на величину ∆Э необходимо внести столько же ∆НЭ, однако кривая изменения у них разная.

Известно, что в основе всякой жизни лежит единство триады: I) вещество (масса, материя); 2) энергия; 3) информация, или ∆НЭ. Вещество - это реальный вид материи с массой покоя и совокупностью дискретных образований (атомы, молекулы и т.п.). Энергия не имеет четкого определения, является абстракцией и рассматривается как общая количественная мера различных форм движения материи, протекающих в ней процессов. Что касается информации, то она представляет собой еще большую абстракцию, еще дальше отстоит от реальности и как бы является второй ее производной. Она характеризует причинно-следственные связи протекающих в материи процессов. Информация как категория имеет прямое отношение к материи вообще.

Если вещество (масса) системы связано с полем механических и гравитационных сил, а энергия системы связана с электромагнитным и температурным полями, то ОНЭ системы связана с негэнтропийным (информационным) полем, которое является носителем информации. Известно, что информация как нематериальный процесс не может прямо воздействовать на энергию и вещество системы и их изменить. Информация, полученная системой, воздействует на ОНЭ системы. ОНЭ, в свою очередь, связана с веществом (массой) и энергией системы. Связь энергии и массы выражается формулой Е = mс2, а энергия и ОНЭ связаны между собой по формуле Бриллюэна, которая утверждает, что для получения 1 бит информации, или ОНЭ, необходимо тратить по меньшей мере 10-21 Дж энергии. Объединяя формулу Эйнштейна и Бриллюэна, получают эквивалентные соотношения между массой, энергией и ОНЭ: 1 г ↔ 1035 бит (ОНЭ). ОНЭ определяет наличие в системе как связанной информации, так и упорядоченности структуры. Для моделей любых систем ОНЭ является одной из главных ее характеристик. Такими системами являются Вселенная, общество, человек, объекты неживой и живой природы и т.п.. Разными формами проявления систем является энергия, вещество (масса) и ОНЭ. В каждой из отдельных систем может доминировать (превалировать) либо энергия, либо вещество, либо ОНЭ. Но все три формы (иногда скрыто) присутствуют в любых системах или объектах. Например, электромагнитное поле находится преимущественно в форме энергии, но оно имеет в своем составе и массу (инерцию) и ОНЭ (кванты).

Различные системы действуют друг на друга путем обмена вещества (массы), энергии и ОНЭ.

Напомним, что открытая система - это вид систем, которые обмениваются веществом, энергий и информацией, или ОНЭ, с окружающей средой. Способные к самоорганизации открытые системы экспортируют энтропию в окружающую среду. Примерами открытых систем являются экономические, социокультурные, политические, биосферные, все живые организмы, демографические и другие системы.

Открытые системы находятся в неравновесном состоянии, что означает наличие неисчезающих потоков между системой и внешней средой. Примером неравновесного состояния является состояние биосферы, которая находится под действием потока энергии, возникающей благодаря равновесию между излучением Солнца и Земли.

Особенности феномена нелинейности открытых систем заключаются в следующем :

благодаря нелинейности имеет силу принцип "разрастания малого", или "усиления флуктуации";

некоторые классы нелинейных открытых систем демонстрируют важное свойство - пороговость чувствительности. Ниже порога все забывается или стирается и не оставляет никаких следов в природе, науке, культуре, а выше порога, наоборот, все многократно возрастает;

нелинейность порождает дискретность путей эволюции и точки бифуркации; Информацией, как было указано выше, называется только такой процесс (связь) между системами,

который увеличивает ОНЭ хотя бы одной из систем. Негэнтропийное поле и элементы ОНЭ создаются на материальной основе электромагнитных энергетических полей. Совместное (одновременное) существование вещества, энергии (электромагнитных полей) и ОНЭ создает ложное впечатление, что информация передается только через энергетические (электромагнитные) каналы связи.

Известно, что если сообщение не содержит новые сведения для получателя, тогда такое сообщение не содержит информации. Так, сообщение, что за днем следует ночь или за зимой следует весна не содержит информации, так как для получателя это сообщение не содержит новые сведения, которые он не имел до получения этого сообщения. Такое неинформативное сообщение является бесполезным, поскольку не снижает неопределенность получателя и, следовательно, не повышает его определенность, или ОНЭ. Информация всегда должна уменьшать неопределенность системы. Если сообщение неинформативное и бесполезное, то ∆ОНЭ = 0, а если же неверное и дезорганизующее, то ∆ОНЭ < О и ∆ОЭ > 0. К последнему относится дезинформационное и дезорганизующее сообщение, которое увеличивает реально обобщенную энтропию (ОЭр) и максимально возможную обобщенную энтропию (ОЭмакс) системы получателя. Поэтому важно иметь методы для оценки полезности, ценности (эффективности) информации.

Как известно, теория информации занимается в большей мере согласованием структур двух и более систем, источников и приемников информации Аналогично этому синергетика (дословно "согласование, совместное действие"), занимается проблемами самоорганизации путем согласования структур системы.

ОЭ характеризуется как фактическая, или реальная, неопределенность системы ОЭф = ОЭр после принятия информации, а также максимально возможной неопределенностью системы ОЭмакс. Обобщенная негэнтропия определяется как разность максимально возможной неопределенности (ОЭмакс) и реальной неопределенности системы после принятия информации (ОЭр), т.е. ОНЭ = ОЭмакс-ОЭр.

В понятиях ОЭ и ОНЭ обобщенность обозначает, что, с одной стороны, системы являются сложными и, с другой стороны, системы могут быть как физические, так и интеллектуальные.

Взаимодействие ОНЭ между системами осуществляется путем обмена информации и сведений (знаний, обобщенных моделей).

Для сложных реальных объектов и систем с большим числом параметров ОЭ и ОНЭ очень громоздкие и иногда могут приближаться к бесконечности, и вследствие этого их невозможно численно определять, и поэтому люди применяют сильно упрощенные модели реальных систем; правда, при этом выбранная и упрощенная модель должна отражать только главные особенности исследуемой реальной системы. Тогда ОЭ и ОНЭ для упрощенных моделей станут менее громоздкими и конечными величинами, поэтому их можно будет численно определять.

В качестве относительно сложных моделей, как правило, выступают изобретения, открытия, произведения искусства, литературы и науки, различные теории и гипотезы. Такие сложные модели, с одной стороны, связаны с творческим трудом, и, с другой - представляют не первичную, а вторичную реальность [6, 13]. Причиной многих недоразумений, ошибок и конфликтов является то, что люди свои несовершенные, упрощенные модели или представления принимают как полностью соответствующие реально существующим первичным объектам (государству, экономике, политике и т.п.).

Очевидно, что в некоторых объектах и их гомоморфных моделях более важную часть составляют вещество (масса), энергия, а связанная информация, или ОНЭ, менее важна, тогда как в других объектах и их моделях наиболее существенной частью является связанная информация (ОНЭ), а не вещество и энергия.

Количество творческого, умственного труда равняется количеству ОНЭ, т.е. введенной в систему информации относительно определенной цели. Стоимость умственного труда иногда может быть оценена в денежных единицах. Так, например, если известна прибыль при достижении цели, то по dОНЭ можно рассчитать вероятностную величину средней прибыли [6, 13].

Для расчета ОЭ, или степени неопределенности (неупорядоченности), модели важно определить вероятность достижения цели. При упрощении модели надо отбросить несущественные факторы, которые мало влияют на изменение ОЭ и ОНЭ и оставить те факторы, которые значимо влияют на изменение ОЭ и ОНЭ.

Применение ОЭ и ОНЭ иногда более выгодно, чем применение классической вероятности, так как дает возможность во многих случаях составлять зависимые от многих факторов линейные модели и балансы обмена ОЭ и ОНЭ между системами [6, 13]. При оптимизации любой системы надо стремиться по возможности уменьшить ОЭ и увеличить ОНЭ относительно достижения цели. Так, например, если моделью служит издание конкретной книги, а целью может быть продажа книги тиражом в 10 000 экз., вероятность которой зависит от ОЭ как функции от многих факторов, то система является полностью управляемой, т.е. ее поведение полностью определяют в том случае, если сумма, содержавшаяся в системе ОЭ и ОНЭ, переданная системе органом управления, равняется или превышает максимальную ОЭмакс системы. Система только частично управляема, т.е. ее поведение частично неопределенно, если суммарно ОЭ и ОНЭ меньше, чем ОЭмакс.

Таким образом, негэнтропийное поле, или информационное поле, и его потенциал (ОНЭ) как функция состояния системы являются одной из форм объективной реальности. Негэнтропийное поле сопровождает все другие поля, и они присутствуют во всех вещественных, энергетических, живых, общественных, религиозных и других системах и в их моделях (пока в скрытом виде). На основе ОНЭ разрабатывается единая система критериев. Если в индустриальном обществе основным критерием служат деньги и товары, то в информационном обществе критерием служит уже ОНЭ. Правда, при этом деньги еще сохраняют свою функцию и являются одним из средств передачи экономической информации. Оценивать и прогнозировать результаты умственного труда коллектива и отдельных людей лучше всего через ОЭ и ОНЭ.

Для разработки оптимальной стратегии развития системы необходимо определить ОЭ и ОНЭ исследуемой системы. При этом для прогрессивного развития системы увеличение ОНЭ должно превышать рост ОЭ. Если же не удастся достичь более ускоренного роста ОНЭ, чем ОЭ, то человечество погибнет в своих энтропийных отходах. Поэтому задача всего общества - обеспечить более быстрый рост ОНЭ по сравнению с ростом ОЭ.