1900:游走在欧洲的物理学霸 第905节

  第一,在物理学中,描述一个物理系统的状态,需要用到各种物理量,比如速度、能量等。

  这些物理量都有着自己的量纲,说明它们是通过测量得到的。

  比如热力学中熵的量纲是J/K。

  但是信息熵却只有单位,并没有量纲。

  因为信息熵并不需要测量,而是通过数学计算事件发生的概率。

  量纲是表征物理量性质的属性,而单位仅仅表示物理量的大小。

  二者在本质上就有区别。

  所以,信息量能否当成物理量值得商榷。

  当然,这个问题可以通过扩大物理量的定义来解决。

  但是第二个问题就不好解决了。

  在物理学中,物理系统状态的改变意味着需要对系统做功。

  而做功又代表了系统能量的变化。

  但是信息状态的改变,或者说信息熵的改变,需要消耗能量吗?

  比如,一张写了5个字的纸和一张写了100个字的纸,哪张纸的能量更大呢?

  又或者,你在电脑上打字,打完不满意,你又把字全部删除了。

  这个过程中,如果不考虑电阻等因素,请问信息的改变是否消耗能量了?

  这是一个非常有意思的问题。

  问题的本质可以总结为:信息和能量是否有关系?有什么关系?

  解决这个问题的关键,其实就是热力学中的“熵”。

  还记得克劳修斯提出的那个公式吗?

  “dS=dQ/T。”

  在这个公式中,他把熵和热量联系在了一起。

  进一步推广,那就是熵的改变对应能量的改变。

  这可是了不得的发现。

  不过克劳修斯当时并没有把这个公式当成一回事。

  他甚至都觉得熵这个概念是可有可无的东西。

  就好像是数学中的辅助线,有了它只是为了方便理解问题而已。

  把克劳修斯熵公式和玻尔兹曼的微观熵公式结合在一起,我们就能对熵和能量进行精细的处理了。

  真实历史上,信息论的另一位大佬,兰道尔,把信息熵和热力熵联系起来。

  他提出这样一个观点:“所有的信息都需要物理载体。”

  “在处理信息的同时,必然会对这些物理载体进行操作。”

  “而物理载体需要受到物理定律的约束。”

  比如计算机中的各种信息都是存储在硬盘上。

  我们在修改信息的时候,其实在微观层面上,对组成硬盘的物质进行了操作。

  如此一来,兰道尔就把信息和物理世界串联起来了。

  正是在这一思想的指导下,他于1961年提出了著名的兰道尔原理。

  “擦除1比特的信息,至少需要向环境中耗散kTln2的能量”。

  其中,k表示玻尔兹曼常数,T表示环境温度。

  通过公式转换,该原理可以变成另一种表述方式:

  “擦除1比特的信息,会导致环境的熵至少增加kln2。”

  兰道尔原理让信息不再游离于物理世界之外,而是和物理实体有了深刻的联系。

  后来,更是有大佬豪言道:“宇宙就是一台量子计算机。”

  又有大佬说:“万物源于量子比特。”

  不过,这些观点目前看都太虚无缥缈了。

  但是很快,物理学家就找到一个信息论改变物理学的例子。

  那就是在香农和兰道尔的基础上,可以从信息的角度完美地解释麦克斯韦妖猜想!

  而现在,不要说兰道尔原理,就连香农都还只是个小屁孩呢。

  信息论连影子都没有。

  因此,在场众人,包括物理大佬们,对于信息的内涵知之甚少。

  当他们听到“信息”这个词后,皆是满脸震撼。

  随即又充满了疑惑。

  因为“信息”这个词好像已经超脱了物理学的范畴。

  “信息是什么角度?”

  “麦克斯韦妖怎么和会信息有关呢?”

  “物理学中好像没有信息这个物理量吧?”

  众人瞬间议论纷纷。

  奥本海默、汪德昭等人瞪大了双眼。

  布鲁斯教授难道又要提出一个全新的理论?

  “从来没有人从信息的角度思考过物理学问题。”

  “这个观点太创新了!”

  “实在难以想象,信息怎么会和物理学产生联系。”

  郎之万、德布罗意等大佬神色激动,眼神锐利。

  在他们看来,这个观点非常有意思。

  众人虽然对信息不了解,那是因为这门理论还没有出现,根本没有人系统地研究过。

  但是这不代表大家不知道信息是什么意思。

  一个电子,它的质量、电荷、运动速度等等,都是信息的一种。

  物理存在的状态集合,就是信息。

  这些都是对信息的简单总结。

  但信息又要怎么影响到物理存在本身呢?

  大佬们都极度好奇,布鲁斯教授会如何解释信息。

  在众人的期待下,李奇维微微一笑,继续说道:

  “在座的诸位如果对工业界有所了解,就应该知道,随着二极管、三极管等电子元器件的发明,通信领域迎来了革新。”

  “但新的发展往往会带来新的问题。”

  “不久前,布鲁斯集团旗下的一位通信工程师,提出了一个非常有意思的问题。”

  “那就是:我们要如何度量信息呢?”

  “该工程师在研究产品时发现,精确地知道信息的大小和多少是非常重要的事情。”

  “但是目前物理学界并没有专门针对信息的理论。”

  “所以,他也只能不了了之。”

  “不过,当我无意间看到这个问题时,却突然产生了兴趣。”

  “我倒是觉得这个问题非常值得深入研究下去。”

  哗!

  众人皆是一惊!

  大家一方面惊讶于布鲁斯集团在产品研发领域的创新性。

  另一方面,更是惊讶于布鲁斯教授竟然如此看重一个工程师的问题。

  以对方现在的地位,和工程师简直是云泥之别。

  但是布鲁斯教授依然对未知事物充满了好奇心。

  众人顿时肃然起敬。

  不过这依然不能打消大家的疑问:

  “信息和麦克斯韦妖有什么关系?”

  这时,李奇维继续说道:

  “在热力学中,熵是表征系统混乱度的物理量。”

  “一个内部原子规则排列的晶体,它的熵肯定小于同样大小的玻璃。”

  “那么我们发散思维去想,信息是不是有类似的现象呢?”

  “比如,有的人演讲半天,一个重点信息都没有,全是废话。”

  “而我布鲁斯演讲,全是干货,每隔几分钟就会赢得大家的喝彩。”

  “这说明我演讲的信息量大,而其他人演讲的信息量小。”

  众人哈哈大笑,布鲁斯教授还是那么自信且幽默。

  “再深入一点考虑,全是废话的演讲,信息混乱,而全是干货的演讲,信息有条理。”

  “这和物理系统中的混乱度何其相似?”

  “所以,我大胆地提出一个概念:信息熵!”

  “它表示一段信息中所含有的有效信息的总量。”

  “这是类比热力学熵的概念。”

  “我认为信息就是消除不确定性的手段。”

  “由于我对通信领域不太了解,所以给不出严格的数学表达式。”

  “不过,我们以信息熵为基础,可以通过概念逻辑继续往下推导。”

  哗!

  全场骇然!

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