Негэнтропия

Helgus ~ µастер ~ Kласс: Это незавершённая статья по ивентологии и её применениям

Негэнтропи́я, отрицательная энтропия (англ. negentropy), или синтропия (англ. syntropy) живой системы — энтропия, которую живая система экспортирует, чтобы снизить уровень собственной энтропии (см. негэнтропия и жизнь). Понятие и термин отрицательная энтропия были введены (1943) Шрёдингером в его научно-популярной книге «Что такое жизнь?» . Позднее Леон Бриллюэн (Léon Brillouin, 1953) сократил термин до негэнтропия , чтобы выразить это понятие «более положительным» способом: живая система импортирует негэнтропию, чтобы увеличить уровень собственной негэнтропии. В 1974, Альберт Сент-Джорджи (Albert Szent-Györgyi) предложил заменить термин негэнтропия на термин синтропия, который, по-видимому, был введён в 1940-ых итальянским математиком Луиджи Фантаппи (Luigi Fantappiè), когда он пытался построить объединённую теорию биологии и физики (его попытка не получила признания и не принесла больших результатов). Хотя Бакминстер Фуллер (Buckminster Fuller) и пробовал популяризировать термин синтропия, использование негэнтропии остается общепринятым.

В примечаниях к своей книге «Что такое жизнь?» Шрёдингер объясняет введение нового термина:

Если бы я обращался только к физикам, я мог бы позволить себе начать обсуждение с термина «свободная энергия» вместо «отрицательная энтропия (негэнтропия)». Для физиков это — хорошо знакомое понятие. Но этот весьма специфический термин оказывается лингвистически слишком близок к энергии, чтобы средний читатель мог ясно осознать контраст между ними.

Популярно

Негэнтропия противоположна энтропии и имеет отношение к живым системам — к тому, что более упорядочено и более определённо в сравнении с системами косной материи.

Жизнь, как полагают, является негэнтропичной, потому что потребляет то, что имеет меньшую упорядоченность (мёртвая пища) и превращает это в то, что имеет большую упорядоченность (клетки в теле, тканях и органах). При этом возрастает температура. Внешняя сторона живой системы, или кожа организма, всегда имеет максимальную энтропию в теле, потому что она удаляет тепло.

Негэнтропия, основанная на идеях, противоположных идеям энтропии, имеет отношение не к системам косной материи, а к живым системам. Клифф Джослин (Cliff Joslyn) предложил ряд способов измерения негэнтропии, отличных от измерения тепла, исходящего от тела. Живые существа, ищущие с целью выживания эти способы, создают модели, которые более упорядочены, чем то, что измеряется, эти модели объединяются, обдумываются, возникающая в итоге наука негэнтропична как любая часть жизни.

Идея, что живые существа упорядочивают вселенную, называется человеческим принципом. Он имеет сильную форму, которая говорит, что

люди призваны, чтобы сделать это.

И слабую или очевидную форму, которая говорит, что

не имеет значения, призваны люди делать это или нет, но люди делают это.

Всеми проблемами, где жизнь вписывается в модели нашей вселенной, также интересуется космология.

Время в науке определяется как направление возрастания энтропии. Такое определение весьма затрудняет определение времени, которое относится к негэнтропии и живым системам. Негэнтропия — не единственная идея о жизни, которая затрагивает наши представления о времени. Большинство инженеров полагается на линейное время для анализа риска, экономика — на циклическое время как деловой цикл, биология исследует ритмичное время особенно в системах коммуникации животных. Вероятно все эти негэнтропийные идеи полезны в том или ином смысле, как и многочисленные идеи относительно энтропии, или идеи относительно жизни.

В физике и биологии

Вы можете взглянуть на клетку и наглядно понять, что жизнь является негэнтропийной формой. Клетка стремится сохранить свою негэнтропию (организацию, структуру, форму, функции), и всё это благодаря потреблению энергии извне. Для мёртвой клетки характерно отсутствие негэнтропии, когда клетка распадается, прекращая своё существование.

Вопреки наглядности, это не противоречит второму началу термодинамики, которое разрешает переход к большему порядку при условии импорта энергии извне клетки — открытой системы, включенной в более крупные системы.

В более широком масштабе, планета Земля также не является замкнутой системой: она получает энергию, в основном лучистую солнечную энергию и энергию Вселенной. Солнечная энергия поступает в виде упорядоченного (видимого и радиационного ультрафиолетового) света, в то же время повторно излучаемые энергии является более беспорядочными (инфра-красный свет). Это позволяет системам на Земле не превращаться в формы с большей неупорядоченностью (второй закон термодинамики хорошо подтверждается, только если принимать во внимание роль Солнца, в том числе в эволюции жизни).

В обществе

Человеческие общества организованы тем более изощреннее, чем более гибки и адаптивны их институты, технологические, экономические, социальные, культурные и так далее. Сложность общественных институтов нарастает, несмотря на некоторые периоды стагнации или сокращения. Если рассматривать человеческое общество с точки зрения энтропии (дезорганизации) и негэнтропии (организации), его эволюция происходит на основе баланса между этими двумя тенденциями. Негэнтропийные процессы ведут к гибкости и политическому фундаментализму, а энтропийные — к высокой степени беззаконий.

В теории информации

Негэнтропийный принцип информации Брюллиэна

Американский физик Леон Брюллиэн, исследуя взаимопревращение видов энергии, сократил термин «отрицательная энтропия» до «негэнтропия» и ввел этот термин в теорию информации (1953), сформулировав свой негэнтропийный принцип информации:

«Информация представляет собой отрицательный вклад в энтропию».

Дифференциальная негэнтропия

В теории информации и статистике, дифференциальная негэнтропия используется как мера отклонения от нормальности . Рассматривают сигнал с некоторым распределением. Сигнал называют гауссовским, если он имеет нормальное распределение. Дифференциальная негэнтропия сигнала всегда неотрицательна, инвариантна при любых линейных обратимых преобразованиях координат и исчезает, если и только если сигнал является гауссовским.

Дифференциальная негэнтропия определяется как

$J (p_x) = S (\phi_x) - S (p_x),$

• где $\phi_x$ имеет гауссовскую плотность с тем же самым средним и дисперсией как $p_x$,
• а $S(p_x)$ — дифференциальная энтропия:

$S (p_x) = - \int p_x (u) \log p_x (u) du.$

Дифференциальная негэнтропия используется в статистике и обработке сигналов, имеет отношение к сетевой энтропии, которая используется в независимом компонентном анализе . Интуитивно дифференциальная негэнтропия понимается как информация, которая может быть сохранена, если представить $p_x$ эффективным способом; а $\phi_x$ — случайная величина (с гауссовским распределением) с тем же самым средним и дисперсией, которая нуждается в максимальной длине данных для представления самым эффективным способом. Поскольку $p_x$ менее случайна, то кое-что о ней известно заранее, она содержит меньше неизвестной информации и нуждается в меньшей длине данных для представления самым эффективным способом.

Статистическая негэнтропия и свободная энергия Гиббса

График доступной энергии (свободная энергия) Уилларда Гиббса (1873), который показывает плоскость, перпендикулярную к оси «v» (объем), проходящую через точку «A», которая представляет начальное состояние тела. «MN» — сечение поверхности рассеянной энергии. «Qε» и «Qη» — сечения плоскостей «η = 0» и «ε = 0», и поэтому параллельны к осям ε (внутренняя энергия) и η (энтропия) соответственно. «AD» и «AE» — энергия и энтропия тела в его начальном состоянии, «AB» и «AC» его "доступная энергия" (свободная энергия Гиббса) и ее ёмкость для энтропии (количество, на которое энтропия тела может быть увеличена без изменения энергии тела или увеличения его объема), соответственно.

Существует физическая величина, близко связанная со свободной энергией (свободной энтальпией (теплосодержанием)), измеряемая единицами энтропии и изоморфная негэнтропии, известной в статистике и теории информации. В 1873 Уиллард Гиббс создал диаграмму, иллюстрирующую понятие свободной энергии, соответствующей свободной энтальпии. На диаграмме можно видеть количество, называемое ёмкостью для энтропии. Это — количество энтропии, на которое она может быть увеличена без изменения внутренней энергии или увеличения объема системы. Иными словами, это — разность между максимально возможной, при данных условиях энтропией и фактической энтропией:

$J = S_{\max} - S = -\Phi = -k \ln Z\,$

где:

$J$ — негэнтропия (гиббсовская ёмкость для энтропии);

$\Phi$ — потенциал Массье (Massieu);

$Z = \sum_{j} e^{- \beta E_j}$ — частичная функция;

$k$ — постоянная Больцмана.

Эта величина точно соответствует принятому в статистике и теории информации определению негэнтропии. Подобная физическая величина введена в 1869 М.Ф. Массье (М. F. Massieu) для изотермических процессов (обе величины отличаются только знаком), а затем Планком для изотермических- изобарных процессов . Недавно, термодинамический потенциал Массье-Планка (Massieu-Planck), известный также как "свободная энтропия", играющая большая роль в так называемой энтропийной формулировке статистической механики, была применена среди других в молекулярной биологии и в термодинамических неравновесных процессах.

Принцип максимума негэнтропии

Принцип максимума негэнтропии, вдохновлённый теорией сознания.

См.также

• Список статей по энтропии
• Негэнтропия и жизнь
• Экстропия
• Эксформация
• Эктропия
• Энтропия