2003 Október






Tartalomjegyzék A hosszútávfutó boldogsága - Kassai Tiborral egy szoborparkban (2. rész) A technológia mágiája Utolsó lap

Anyag, energia, információ

Szerző: Héjjas István

A fizika klasszikus felfogása szerint bármely anyagi rendszer alapvetően három féle összetevőt tartalmaz. Az egyik maga az anyag, amelynek mennyiségét a tömegével mérhetjük pl. kg, tonna, vagy más hasonló mértékegységben. A második összetevő a rendszerben található energia, amely mozgási, potenciális, hő, villamos, mágneses, kémiai, stb. energiákból tevődik össze.A rendszer harmadik komponense az információ, hiszen minden rendszer magában hordja mindazt az információt, amelyet róla egyáltalán megtudhatunk.




Felmerült a gyanú – eleinte csak filozófiai spekulációk szintjén, később tudományos megfogalmazásban is – hogy a bevezetőben említett három tényező csupán ugyanazon az entitás különféle megjelenési módozatai. Az anyag és energia lényegi azonossága már a relativitáselméletből következett, hiszen Einstein nevezetes képlete szerint:

(1) E = m * c2

ami azt jelenti, hogy a tömeg nem más, mint összesűrített energia.
Tekintve, hogy az (1) képletben szereplő c fénysebesség igen nagy szám, ennek négyzete, az átszámítási tényező is nagyon magas.
A numerikus számítás azt mutatja, hogy 1 gramm tömeg nagyjából 25.000.000 kilowattóra energiával egyenértékű. Körülbelül ennyi hőenergia szabadul fel 3000 tonna közepes minőségű kőszén elégetésekor. Hogy ez az arány nem tévedés, azt bizonyítja pl. a Hirosimai atombomba robbanás, amelynél mindössze néhány gramm tömeg alakult át sugárzó energiává.
Anyag és energia ekvivalenciáját támasztja alá a relativisztikus tömegnövekedés is, vagyis az a kísérletileg igazolt jelenség, hogy a nagy sebességgel mozgó tárgyak tömege megnövekszik a nyugalmi tömegükhöz képest és a tömegnövekedés mértéke megegyezik azzal az energiával, amit a mozgási sebesség eléréséhez az eredetileg nyugalomban lévő tárgy felgyorsítására kellett fordítani. Ha viszont az anyag lényegében energia, ebből az következik, hogy az anyag „elemi” részecskéi piciny energia csomagok. Egy ilyen energia csomag azonban soha nem lehet nyugalomban, hiszen az energia lényege a mozgás és mozgatás.
A tapasztalat azt mutatja, hogy az energia hajlamos hullámok formájában terjedni. A kvantumfizika bebizonyította, hogy a hullám az energia természetes állapota, s bizonyos körülmények között az elemi részecskék is úgy viselkednek, mint interferencia képes hullámcsomagok. Mint tudjuk, az interferencia az a jelenség, amelyben azonos frekvenciájú hullámok találkozásánál a hullámok közötti fáziskülönbségtől függően a hullámok erősítik, gyengítik, esetleg kioltják egymást.
Fénysugarak interferenciáját mintegy két évszázaddal ezelőtt, 1801-ben mutatta ki Thomas Young angol fizikus és ezt bizonyítékként fogadták el a fény hullámtermészetének igazolására. Az anyagi részecskékről azonban nem feltételezték a hullámtermészetet, így különösnek tűnt, hogy pl. a katódsugarak és a radioaktív béta sugarak – amelyek elektronokból állanak – képesek hullámként viselkedve interferenciát létrehozni. Az interferencia képességet sikerült azóta minden fajta ismert részecske sugárzásra kísérletileg kimutatni.
No de mi a helyzet a harmadik tényezővel, vagyis az információval?
Az amerikai Bredford Egyetemen oktató és kutató Tom Stonier professzor szerint bizonyos körülmények esetén energia és információ is képes egymásba átalakulni, ami felveti azt a lehetőséget, hogy az energia nem más, mint összesűrített információ. Ez az elmélet még nem tekinthető bizonyítottnak és a Stonier féle levezetésekben is akadnak vitatható lépések. A felvetés mindenesetre elgondolkodtató, ezért az alábbiakban megpróbálom Dr. prof. Stonier gondolatmenetét felvázolni, kiegészítve azt az információelméletre vonatkozó néhány idevágó összefüggéssel.
Kezdjük mindjárt az információ fogalmával. Az információelmélet szerint az információ olyan hír, amely valamely esemény bekövetkezéséről vagy valamilyen állapot fennállásáról tudósít. Az információ annál értékesebb, minél kisebb a valószínűsége – vagyis ritkább az előfordulása – annak az eseménynek vagy állapotnak, amelyről szól. Az információ mennyiségét ezért úgy definiálják, hogy az a hír tárgyát képező esemény vagy állapot valószínűségének negatív logaritmusa.
Kettes alapú logaritmus használata esetén az információ alapegysége az 50% (p=0,5) valószínűségű esemény eredményéről szóló hír információtartalma:

(2) 1 bit (binary unit) = – log2 (0,5)

s ez nem tévesztendő össze a számítógép-technikában használt bit (binary digit) fogalommal, amely utóbbi bináris számjegyet jelent.
Az információ kapcsolatba hozható a termodinamikai entrópia fogalmával. Az entrópia olyan mennyiség, amely egy zárt rendszer belső rendezetlenségének mértékét fejezi ki.
Boltzman szerint egy anyagi rendszer entrópiájának számszerű értéke:

(3) S = k*ln(w)

ahol w a rendszer állapotának termodinamikai valószínűsége és k az un. Boltzman állandó, vagyis az entrópia az állapotvalószínűség pozitív logaritmusával arányos.
A termodinamika II. fő tétele, vagyis az un „entrópia tétel” szerint egy zárt rendszer entrópiája nem csökkenhet, csak nőhet. Ez a (3) egyenlet alapján azt jelenti, hogy a rendszer a kevésbé valószínű állapotokból az egyre valószínűbb állapotokba igyekszik áttérni. Az entrópia spontán növekedésére példaként hozható, hogy egy ház magától összedőlhet, de egy összedőlt ház nem szokott magától újra felépülni. Az entrópia törvény következménye az is, hogy a hő mindig a melegebb helyről áramlik a hidegebb helyre és nem fordítva. Az entrópia törvény abszolút érvényességét számos fizikus sokáig vitatta és különféle gondolat kísérleteket eszeltek ki annak vizsgálatára, hogyan lehetne ezt a törvényt “megkerülni”.
Maxwell pl. egy gázzal töltött tartály entrópiájának csökkentésére a következő gondolat kísérletet találta ki: Válasszuk egy fallal ketté a tartályt és helyezzünk el a válaszfalon egy csapóajtót, amelyen egyszerre csak egyetlen gáz részecske tud átjutni. Ha a csapóajtót egy okos kis démon úgy nyitogatja-csukogatja, hogy az átlagosnál alacsonyabb energiájú részecskék az egyik, a magasabb energiájúak pedig a másik térfélben dúsuljanak fel, akkor a tartály két része közötti hőmérséklet különbség növekedni fog, vagyis a hő a hidegebb helyről a melegebb felé áramlik és ezzel a rendszer entrópiája csökken. A csapóajtó megfelelő kezeléséhez azonban a Maxwell démonnak a csapóajtóhoz közeledő minden egyes részecskéről tudnia kell, hogy annak energiája az átlagosnál kisebb vagy nagyobb. A kérdés alaposabb vizsgálata pedig azt mutatja, hogy a démonnak ehhez annyi információra van szüksége, amennyivel a tevékenysége során a rendszer entrópiája csökkenni fog.
Ez az eredmény az információ és az entrópia közötti összefüggésre utal, hiszen ezek definíciójából is következik, hogyha a rendszer entrópiája a rendszerállapot valószínűségének pozitív logaritmusával, a rendszer állapotát leíró információ pedig a rendszerállapot valószínűségének negatív logaritmusával arányos, akkor erre alkalmas átszámítási tényező mellett igaz, hogy: INFORMÁCIÓ = NEGATÍV ENTRÓPIA
A klasszikus termodinamikából azt is tudjuk, hogy ha két rendszer között T hőmérsékleten Q energia áramlik, akkor közöttük egyúttal

(4) S = Q / T

entrópia is áramlik, s ez lehetővé teszi az energia és entrópia, majd ez utóbbi közvetítésével az energia és információ közötti átszámítást.
A (2), (3) és (4) képletek alapján végzett részletesebb számítások azt mutatják, hogy szobahőmérsékleten, vagyis kb. 300 Kelvin fokon 1 wattsec energia megfelel kb. 3*1020 bit információ mennyiségnek. Stonier professzor elmélete szerint azonban az információ és energia közötti átváltási tényező függ a rendszer hőmérsékletétől. További megszorítás, hogy energiává csak a rendszer belső elrendeződését leíró un. szerkezeti információ képes átalakulni. Ez utóbbi pedig nem más, mint az, amit a klasszikus fizikában helyzeti energiának neveznek. Más szóval: a helyzeti energia voltaképpen nem igazi energia, hanem olyan szerkezeti információ, amely megfelelő körülmények esetén képes energiává átalakulni. Ha például a Föld gravitációs terében egy zárt rendszert alkotó kabinban egy súlyos tárgyat magasabb helyre, pl. polcra helyezünk, ezzel a rendszer entrópia szintje csökken, szerkezeti információ tartalma nő, azonban a teljes energiája nem változik meg, hiszen ha megváltozna, akkor az (1) egyenlet alapján a kabin össztömegének is meg kellene változnia.
Ezzel szemben a klasszikus fizika szerint a magasabb helyen lévő tárgynak potenciális energiája van, amely – a példa szerinti tárgy leesése esetén – mozgási energiává, majd a padlót érés során fellépő deformációk és súrlódások miatt hőenergiává alakulhat át. Ettől megnövekedhet a kabinban a levegő hőmérséklete, nagyobb lesz a levegő részecskék mozgási energiája, rajtuk relativisztikus tömegnövekedés lép fel, és így a teljes kabin-rendszer össztömege is nagyobb lesz. Stonier szerint viszont ilyenkor az történik, hogy a rendszerben szerkezeti információ formájában meglévő virtuális energia valódi energiává alakul.
Ha – Einstein szerint – igaz, hogy tömeg egyenlő összesűrített energia és – Stonier szerint – az is igaz, hogy energia egyenlő összesűrített információ, akkor tömeg egyenlő összesűrített információ.
Stonier elmélete szerint az összesűrítés mértéke elképesztően nagyra adódik: Szobahőmérsékleten 1 gramm tömeg mintegy 1.000.000.000.000.000.000.000.000 gigabájt információval egyenértékű. Kétségtelen, hogy az elmélet több ponton is támadható. A példa szerinti kabin esetében pl. a kabin a Föld gravitációs teréből energiát vehet fel, így nem tekinthető igazán zárt rendszernek. A Maxwell kísérletnél is, ha az előidézett hőmérsékleti különbségből mechanikai munkát kívánunk előállítani, a rendszert össze kell kapcsolni a külvilággal.
Ha azonban az elmélet mégis beigazolódik, messze ható tudományos és filozófiai következtetések adódhatnak.


Héjjas István









Hirdessen itt! A szükséges információkat elolvashatja, ha erre a szövegre kattint.


A fenti dokumentummal kapcsolatos felelősség meghatározása