Negentropia – Maxwell démona

A negentropia (negatív entrópia) olyan folyamatokat ír le, amelyekben a rend lokálisan növekszik egy rendszeren belül. A fogalom összekapcsolja a termodinamikát, az információelméletet és az élő rendszerek fizikáját.

Mi a negentropia?

A negentropia a rend növelésének vagy fenntartásának mértéke, szemben az entrópiával, amely a rendezetlenséget számszerűsíti. A kifejezést Erwin Schrödinger tette népszerűvé a Mi az élet? (1944) című könyvében, amelyben azt javasolta, hogy az élő rendszerek „negatív entrópia” felhasználásával tartsák fenn magukat.

A negentropia nem sérti a termodinamika második főtételét, mivel a lokális rendezettség növekedését a környezetben fellépő nagyobb entrópiatermelés ellensúlyozza.

Maxwell démona

A Maxwell démona egy híres gondolatkísérlet, amelyet James Clerk Maxwell vezetett be 1867-ben. Egy apró lényt képzel el, amely gyors és lassú molekulákat válogat két kamra között, látszólag hőmérséklet-különbséget hozva létre munka elvégzése nélkül.

Későbbi munkák kimutatták, hogy a démon információfeldolgozása (mérés, tárolás, törlés) energiát igényel és növeli az entrópiát, összességében megőrizve a második főtételt.

Entrópia, információ és energia

• Szilárd motorja (1929): Az információnak energetikai következményei vannak.
• Landauer elve (1961): Az információ törlése hőt sugároz ki.

Ezek az eredmények a következőket jelentik:

• Az információ fizikai,
• Az entrópia és az információ mélyen összefügg,
• A negentropia kölcsönhatást igényel a környezettel.

Negentropia az élő rendszerekben

• Az élő szervezetek magas szintű belső rendet tartanak fenn,
• Folyamatosan cserélnek energiát és anyagot,
• Entrópiát exportálnak, miközben megőrzik a szerkezetet.

Az anyagcsere olyan folyamatként értelmezhető, amely energiát fogyaszt, információt dolgoz fel és koherenciát tart fenn.

Modern kísérleti tanulmányok

• Kolloid részecskék
• Optikai csapdák
• Egyelektronos eszközök

Ezek a kísérletek azt mutatják, hogy az információ a termodinamika tiszteletben tartása mellett munkává alakítható.

Fogalmi jelentőség

• Az entrópia az információhoz kapcsolódik, nem csak a hőhöz,
• Visszacsatolás és mérésvezérlés fizikai rendszerek,
• Helyi megrendelés akkor jöhet létre, ha globálisan kompenzálják.

Relevancia az információs modellek szempontjából

• A koherencia mint szervezőelv,
• Téralapú és hullámalapú entrópiaszabályozás,
• Idő és információ komplex rendszerekben.

Megjegyzés: Ezek az értelmezések elméleti jellegűek, és még nem részei a standard fizikának.

Referenciák

Maxwell démona – Encyclopaedia Britannica
https://www.britannica.com/science/Maxwells-demon

Entrópia és információ – Stanford Filozófiai Enciklopédia
https://plato.stanford.edu/entries/information-entropy/

Landauer-elv, megfordítható számítás és Maxwell démona – IBM Research (CH Bennett)
https://research.ibm.com/publications/notes-on-landauers-principle-reversible-computation-and-maxwells-demon

Maxwell démonának kísérleti megvalósítása – Nature Physics
https://www.nature.com/articles/nphys3026

Mi az élet? – Erwin Schrödinger (Cambridge University Press)
https://www.cambridge.org/core/books/what-is-life/A876185F2DB06FF5C2CC67C9A60DAD7F