正文
前言
生命是什么?生命的敌人是什么?人类的未来会怎样?为什么时间有方向?若想造出人工智能生命,需要具备什么能力?信息究竟有多重要?
标题有点噱头,但请仔细体会“信息”在其中充当的角色。
若一个理论没有用处,不管它多么高雅,我也不会去讲它。而我也不想剧透,不想苍白的告诉大家某个东西有多么重要。但随着视频的制作,我会慢慢给你很多这些内容在生活中的应用,相信你一定会惊呼。
目录
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时间之矢
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熵增定律
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麦克斯韦妖
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生命是什么
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辅助材料
视频
时间之矢
https://www.zhihu.com/video/1075782080398561280
正文
我们知道能量是守恒的,不能被创造或摧毁。可既然这样,为什么我们不能像能量一样永恒,反而注定要迈向死亡呢?
时间之矢
想象一堆积木,每个积木相当于一个粒子,而由积木搭成的各种形状就是我们,纵然每个积木都可以永恒,可积木所搭建的形状一旦改变,也就意味着我们的死亡。
而这些积木又在时刻运动着,假设 3 个积木在左,1 个积木在右的形状(只考虑积木在做在右的个数)就是我们,积木的无规则运动会使形状如何改变呢?
这堆积木一共可以形成 5 种宏观态(形状),每种宏观态对应的微观态的数量并不相同。 这里宏观态是指不考虑积木的差异,只考虑整体的状态,而微观态则是考虑积木差异的状态。
可以看出左右积木数量相等的宏观态的可能性最大,而我们自身宏观形态被维持的概率只有 1/4,不过当积木的数量足够多时,我们自身形状被改变的趋势几乎就是必然的了。
这种,自发向对应微观态数量最多的宏观态改变的现象就是热力学第二定律。又因为这种改变无法自行逆转,故又称时间之矢。而这种自发改变的趋势,就是我们无法像能量一样永恒的原因。
熵增定律
明白
学习观11
所介绍的信息熵之后,就可以用熵来理解这种现象。
所有积木都在左侧的宏观态只对应 1 种微观态,没有任何不确定性,我们称这个宏观态的熵为 0;而对应微观态数量越多,宏观态具体是哪一种微状态的不确定性越大,我们就称这个宏观态的熵越高。因此热力学第二定律也叫熵增定律,意为:孤立系统的熵只增不减 宏观态达到熵最大状态(两边积木数量相等)时也叫热平衡。
熵增定律常被描述为:事物会从有序状态向无序状态发展。
但这并非由什么外力所引起的,房间自发越变越乱的原因单纯只是因为我们把它弄乱(宏观态)的方式比把它弄整齐(宏观态)的方式要多得多。
注意,这里的无序并不是我们日常生活中所理解的房间的排列方式无序,而是房间乱(宏观态)的可能方式有很多(对应的可能微观态数量很多)。
因为积木每种排列方式(微观态)的概率都是相同的,并不会说哪个杂乱的方式更有可能发生;是不同数量的微观态共同定义的宏观态们之间的概率不同。所以学界慢慢抛弃了“熵是描述无序”的这种解释。因为它极具误导性。
能量耗散
熵增定律同样适用于能量。
虽然能量不会消失,但能量的转移才可以造成改变(做功),而转移需要有能量差。可当一个系统的能量分布像积木分布一样两边都平衡时,也就没有能量可以转移。因此根据做功能力,能量也有高低品质之分,而热力学熵就可用于描述系统自发做功的能力(能量的品质)。
于是就有了克劳修斯(对热力学第二定律)的表述:不可能把热量(能量的一种)从低温物体(低能量)传向高温物体(高能量)而不引起其它变化(能量和物质交换)。
用沙丘来类比的话,沙子(能量)会摊成平缓的沙丘,而不会自己聚成一个高高的砂塔,除非我们消耗能量把它堆砌成沙塔(有外界对它做功),可不久它又会摊成沙丘。
由于对我们而言,宏观态的改变才算改变,因此若把整个宇宙视为一个宏观态,它也会无法避免的朝熵最大的状态发展,当它达到熵最大的状态时,将不会再有任何能量的转移,也不会有任何宏观态的改变。而宇宙的这种状态就被叫做热寂,这是对我们而言,宇宙终结的诅咒。面对我们的难道真的只有终结这一条路吗?
麦克斯韦妖
为打破这个诅咒,麦克斯韦提出了一种假想:
既然分子在做无规则运动,那想象有一个小妖(麦克斯韦妖)可以感知分子的运动,控制着门的开关,当带有更多能量的分子要运动到左边时就开门,带有较少能量的分子要运动到右边时也开门,其他情况都关门。这样就可以自发的让系统(宏观态)的熵降低,左右两边会产生可用于做功的能量差,那岂不是能造出永动机?
这个假想困扰了科学家一百年,然而麦克斯韦妖最终还是未能打破诅咒,因为人们忽略了一点:感知到的分子运动就是信息。
学习观10
中讲过信息和熵的关系,当观察者对某事件一无所知时,信息熵和信息,数量相等,意义相反,消除信息熵等于获取信息;