Эдуард Бормашенко: Философское значение принципа Ландауэра: информационный путь к великому объединению

Принцип Ландауэра гласящий, что в любой вычислительной системе, независимо от её физической реализации, при потере одного бита информации выделяется теплота в количестве по крайней мере W=k_BTln2 джоулей,  создает основу для переосмысления фундаментальной связи между информацией, массой и энергией. Принцип Ландауэра укрепляет и обосновывает информационную метафизическую парадигму естествознания.

ФИЛОСОФСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ЛАНДАУЭРА:

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПУТЬ К ВЕЛИКОМУ ОБЪЕДИНЕНИЮ

Бормашенко Э. Ю.

Ариэльский Университет, Ариэль, Израиль, 407000.

E-Mail: edward@ariel.ac.il

Ключевые слова: Принцип Ландауэра, информация, метафизические парадигмы физики, единство информации энергии и массы.

Введение

Конец ХХ и начало ХХI ознаменовались утратой интереса практикующих физиков к философским основам естествознания [1]. Возобладал подход: «shut down and calculate», видными адептами которого были Лев Давидович Ландау, Ричард Фейнман и Фримен Дайсон, не высоко ставившие и опасавшиеся метафизики [2]. На самом деле, парадигма, сводящаяся к «shut down and calculate», представляет весьма определенную, но плохо отрефлексированную метафизику, основанную на предположении о жестком разграничении проблем физики и философии, и непродуктивности метафизических поисков в решении проблем «чистой физики». В школе Ландау культивировалось полускрытое презрение к философии, имевшее в том числе и оздоровляющий характер, избавляя физиков от марксистской демагогии, подменившей и вытеснившей философию [3]. Утрата интереса к философии, однако, характерна не только для советской и постсоветской физики. Мой израильский опыт показывает, что коллеги-физики вовсе не озабочены основополагающими проблемами естествознания и охотно подчиняются формуле «shut down and calculate», получая значимые, существенные, доброкачественные, но не эпохальные результаты. Именно такие результаты позволяют доить гранто-распределяющие структуры, обзаводиться высокими h-факторами и уверенно продвигаться по карьерной лестнице.

За утрату интереса к архэ пришлось и платить. Примерно полстолетия физики не сообщают о результатах, соизмеримых по значимости с открытием теории относительности и квантовой механики [4]. Фундаментальная физика по необходимости подводит к границам познания и подвижной, зыбкой границе, отделяющей физику от метафизики [5].  Между тем, к концу XX века наметился перелом, связанный со взаимопроникновением физики и теории информации, перелом метафизический, возвращающий физиков к вопросу о перво-кирпичике, первооснове мироздания. Этот перелом не в последнюю очередь связан с формулировкой принципа Ландауэра, которому и посвящена настоящая статья.

Принцип Ландауэра – путь к Великому Объединению, или еще одна формулировка Второго Закона Термодинамики?

Принцип Ландауэра очень сжато может быть представлен так: «информация — физична» [6-8].  Попытаемся придать этому утверждению более отчетливое содержание. Теория информации обычно подается в чисто математическом виде, в которой информация вычисляется, а вопрос о физическом носителе информации не ставится [9]. Пожалуй, первым исключением из правил была книга Леона Бриллюэна, вплотную подошедшего к тому, что сегодня в научной литературе именуется Принципом Ландауэра [10]. В самой общей своей формулировке Принцип Ландауэра гласит, что в любой вычислительной системе, независимо от её физической реализации, при потере 1 бита информации выделяется теплота в количестве по крайней мере W джоулей: W=k_BTln2, где  k_B   — постоянная Больцмана,  T – абсолютная температура, или, иными словами: стирание одного бита информации требует по меньшей мере   W=k_BTln2 Джоулей энергии. Заметим, что запись и уничтожение одного бита информации не симметричны. Запись одного бита может требовать и меньшего количества энергии. Принцип Ландауэра проще всего иллюстрируется минимальным тепловым двигателем, предложенным в 1929 году Лео Сциллардом, в котором в качестве рабочего тела используется одна свободная частица, а нахождение частицы в определенной части рабочей камеры соответствует записи/уничтожению одного бита информации [11-12]. Не входя в подробности анализа «минимальной тепловой машины», заметим, что цикл Карно, проведенный подобным тепловым двигателем имеет коэффициент полезного действия, в точности совпадающий с кпд макроскопической тепловой машины, тем самым иллюстрируя «отрицательный» смысл теоремы Карно: кпд цикла Карно не зависит от рабочего тела, использованного тепловым двигателем [13].

Принцип Ландауэра стал в последнее время предметом ожесточенной дискуссии [14-15]. В частности, утверждалось, что он либо представляет собой перетолкование Второго Закона Термодинамики, и стало быть, избыточен; либо возвращает физиков к обсуждению Демона Максвелла [14-15]. Между тем, справедливость принципа Ландауэра была проверена в ряде тонких и точных экспериментальных работ [16-18].

Мы же сосредоточимся на философских аспектах принципа Ландауэра. В первую очередь он существенно усиливает метафизическую позицию, выдвинутую Джоном Арчибальдом Уилером, афористически сводящуюся к “it from bit”. Уилер, полагал, что все фундаментальные для естествознания сущности имеют информационную основу [19]. Таким образом, в качестве архэ у Уилера выступает информация. А принцип Ландауэра именно и устанавливает связь между информацией и энергией, — базовыми представлениями физики. Привлекая специальную теорию относительности можно пойти и дальше: если принцип Ландауэра справедлив (подчеркнем, что он был тщательно экспериментально проверен [16-18]), то уничтожение одного бита информации влечет за собой соответствующее снижение массы системы, определенное в соответствии со специальной теорией относительности следующим образом [20-22]:

ΔM = k_BTln2/c²                                 (1)

Заметим, что  в соответствии с представлениями теории относительности может быть и массой физического поля. Таким образом, делается существенный шаг к «великому» объединению информации, массы и энергии [20-22].  Метафизические последствия подобного объединения трудно переоценить. В частности, возникает принципиально новый онтологический   подход, физический объект признается существующим, если он в состоянии нести энергию/массу, достаточные для записи/уничтожения одного бита информации. Асимметрия записи/уничтожения информации при этом приобретает принципиальное значение. Принцип Ландауэра позволяет и оценить информационную емкость Вселенной, которая оказывается огромной, но, что принципиально — конечной [22].  Следует подчеркнуть, что принцип Ландауэра остается справедлив и для квантовых объектов [23].

Заключение

Принцип Ландауэра, сформулированный в 1961 году Рольфом Ландауэром, исподволь готовит смену метафизической парадигмы современного естествознания, полагая фундаментальной первоосновой природы – информацию. Тем самым, принцип Ландауэра поддерживает и развивает идеи, выдвинутые Джоном Арчибальдом Уилером, и не вполне в шутку сводящиеся к “it from bit”. Принцип Ландауэра устанавливает количественную связь между информацией, энергией и массой, делая важный шаг к «великому объединению», переосмысливая фундаментальную связь между информацией, массой и энергией. Принцип Ландауэра подводит фундамент под новую, информационную онтологию, сводя проблему существования физического объекта к возможности фиксации информации, относящейся к объекту.  Принцип Ландауэра позволяет оценить информационную емкость Вселенной, которая оказывается принципиально — конечной

ЛИТЕРАТУРА

1. Владимиров Ю. С. Метафизика. — М.: Бином. 2009.
2. Кузнецов С.И. Стандартные модели: метафизика искаженной реальности, Метафизика, 2018, 2 (28) 22-28.
3. Каганов М. К столетию со дня рождения Льва Давидовича Ландау. – 7 Искусств, 2019, 9 (113).
4. Smolin Lee, The trouble with physics. — Houghton Mifflin Co., Boston, USA, 2007.
5. Севальников А. Ю. Традиционная метафизики и квантовая механика. – Метафизика, 2017, 1 (23), 33 -52.
6. Landauer R. Dissipation and heat generation in the computing process. — IBM Journal of Research and Development 1961, 5, 183.
7. Landauer R. Information is physical. — Physics Today 1991, 44 (5), 23-29.
8. Landauer R., Minimal energy requirements in communication.- Science 1996, 272, 1914-1918.
9. Фурсов В.А. Лекции по теории информации:Учеб. пособие под редакцией Н.А. Кузнецова– Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2006.
10. Бриллюэн Л. Наука и теория информации, М. Физматгиз, 1960.
11. Szilard L. 1929 über die Entropieverminderung in einem thermodynamischen System bei Eingriffen intelligenter Wesen, Zeitschrift für Physik. 1929, 53 (11–12), 840–856.
12. Lutz E., Ciliberto S. Information: From Maxwell’s demon to Landauer’s eraser. — Physics Today 2015, 68 (9), 30-35.
13. Bormashenko Ed., Shkorbatov A., Gendelman O. The Carnot engine based on the small thermodynamic system: Its efficiency and the ergodic hypothesis. — Am. J. Physics 2007, 75, 911-915.
14. Norton, J. D. Eaters of the lotus: Landauer’s principle and the return of Maxwell’s demon. — Studies in History & Philosophy Sci. B 2005б 36 (2), 375-411.
15. Norton, J. D. 2011, Waiting for Landauer, Studies in History & Philosophy Sci. B — 2011, 42, 184-198.
16. Bérut A., Arakelyan A., Petrosyan A., Ciliberto S., Dillenschneider R., Lutz E. Experimental verification of Landauer’s principle linking information and thermodynamics. —  Nature 2012, 483, 7388.
17. Jun Y., Gavrilov M., Bechhoefer J. High-Precision test of Landauer’s Principle in a feedback trap. — Phys. Rev. Lett. 2014, 113 (19), 190601.
18. Gaudenzi R., Burzuri, E., Maegawa S., van der Zant H., Luis F. Quantum Landauer erasure with a molecular nanomagnet. — Nature Physics 2018, 14 (6), 565–568.
19. Wheeler J. A. Information, Physics, Quantum: The Search for Links, Proceedings of the 3rd International Symposium on Foundations of Quantum Mechanics in the Light of New Technology, Tokyo, 1989, 354-368.
20. Herrera L. The mass of a bit of information and the Brillouin’s Principle. — Fluctuation & Noise Lett. 2014, 13 (1), 2014, 14500.
21. Vopson M. M. The mass-energy-information equivalence principle. — AIP Adv. 2019, 9, 095206.
22. Bormashenko Ed. The Landauer Principle: Re-Formulation of the Second Thermodynamics Law or a Step to Great Unification? Entropy 2019, 21(10), 918.
23. Hilt S., Shabbir S., Anders J., Lutz E. Landauer’s principle in the quantum regime. — Phys. Rev. E. 2011, 83, 030102(R).

PHILOSOPHICAL MEANING OF THE LANDAUER PRINCIPLE: INFORMATION WAY TO THE GREAT UNIFICATION

Ed. Bormashenko, Ariel University, Ariel, 407000, Israel

The Landauer principle quantifies the thermodynamic cost of the recording/erasure of one bit of information, as it was stated by its author: “information is physical” and it has an energy equivalent. In its narrow sense, the Landauer principle states that the erasure of one bit of information requires a minimum energy cost equal to, where T is the temperature of a thermal reservoir used in the process and  is Boltzmann’s constant. The Landauer principle touches the deepest philosophical roots of physics, enabling re-shaping of physics with the informational basis.