Читать книгу Научно-техническая стратегия государства - Александр Оликевич - Страница 18

Развитие систем идёт в направлении роста информационного КПД – отношения количества порядка (информации) сообщаемой системой изделиям к связанному с ее работой повышению энтропии во внешней среде.

Любая система принимает столько же энергии, сколько и отдаёт. Системы, принимающие энергию, и не выдающие столько же, будут неминуемо нагреваться (это происходит при коротком замыкании). Энергия служит лишь носителем порядка (или, что тоже самое, информации), часть которого машина оставляет в обрабатываемом изделии.

Техника возможна там, где возможны устойчивые состояния и целенаправленные переходы между ними. Но среди помех – вибраций, полей, пыли, вспышек, скачков давления и температуры устойчивыми являются только состояния, разделённые энергетическим барьером, достаточно высоким по сравнению с энергией помех. Для преодоления этих барьеров при работе системы используют соответствующие порции энергии. После каждого преодоления барьера порция энергии должна быть необратимо рассеяна чтобы сделать сам совершившийся переход необратимым. Так достигается целенаправленная смена состояний.

Отношение высоты энергетического барьера между состояниями системы к средней энергии помех имеет размерность информации. Таким образом, по существу, технические системы потребляют не джоули (ватты), а биты (биты в секунду). Бит пропорционален джоулю разделённому на кельвин. Обычно машины работают в узком довольно диапазоне масштабов температур и кельвины как константа сокращаются. Потому обычно полезно рассуждать и о джоулях, тогда как на самом деле идут потоки бит.

Упорядоченное вещество (электроны с разной концентрацией на контактах розетки), создаёт упорядоченное поле. Упорядоченное поле в свою очередь действует на вещество упорядочивающим образом. Цепочка заканчивается упорядочиванием изделия или какой-то его части. Изделием здесь может служить как вещество (для пилы) так и поле (для фонаря). Отслеживая такие цепочки, мы видим, как именно движется порядок, то есть информация, по технической системе.

Потоки энергии служат только носителем, который позволяет передавать информацию в заданном количестве при заданной температуре машины согласно уравнению Гиббса. Сама же энергия, сколько бы ее ни было, в состоянии равновесия (например, теплового) – для целесообразной деятельности не только бесполезна, но вредна, создавая помехи и заставляя нас повышать барьеры на путях переходов между состояниями машин.

В мире присутствует неравномерное распределение энергии по степеням свободы, и она самопроизвольно и необратимо распределяется равномерно. Только так и возможны целенаправленные переходы между состояниями систем. При этом расходуются конкретные объекты – пары степеней свободы системы с неравным наполнением энергией.

Каждой паре из энергетически богатой и бедной степеней свободы соответствует некоторое количество бит информации. Оно зависит от температуры, то есть фоновых помех. Фотон инфракрасного света с энергией, скажем, 0.1 эВ несёт много информации (Дж/К) при температуре жидкого гелия, но ничтожно мало при температуре кипящего вольфрама. Можно предположить, что техника будущего станет стараться работать при глубоко криогенных температурах, потому что при низком уровне тепловых помех (kt), на один джоуль мы можем сделать больше полезных шагов через барьеры, сформировав в изделии больше бит порядка. К счастью, в космосе достаточно холода для этого.

Таким образом, в машине обязательно присутствуют потоки материи и энергии, а по ним идут потоки информации. Если потоки материи и энергии проходят сквозь машину, то поток информации частично передаётся изделию, а частично рассеивается прочь.

Информационный КПД (ИКПД) – отношение информации, сообщённой изделию, к информации, принятой извне. Увеличивая ИКПД, мы доводим бОльшую часть информации до изделия. Тем самым, мы уменьшаем потребность в информации на входе машины. Таким образом она может нуждаться в меньшем количестве энергии при том же уровне помех. Либо потреблять столько же ватт, но стабильно работать и при гораздо более высоких уровнях помех, то есть быть надёжнее. Либо, при прочих равных, сообщать изделию больше информации, что напрямую связано с качеством продукции.

Наблюдаемое в истории техники снижение энергоёмкости, повышение точности, повторяемости, кучности боя, надёжности, информационной насыщенности изделий являются следствиями повышения их ИКПД.

Мы не видим обычно этих закономерностей: миллиардную долю трудно отличить от триллионной. ИКПД известных нам машин чудовищно мал, минус двадцатые степени, за исключением вычислительной техники и биотехнологии. Там уже ИКПД достигает миллионных, а то и тысячных долей процента. Закон повышения ИКПД свидетельствует, что и у других областей техники есть потенциал такого же грандиозного развития какое претерпели микрочипы.

Смену ламп накаливания на светодиоды мало кто предвидел. А с точки зрения данного закона этот переход самоочевиден. Как и следующие переходы: вообще не освещать поверхности, на которые в данный момент никто не смотрит, а если смотрит, то сканировать штучными количествами квантов и подавать в сетчатку глаза то изображение, которое при этом предполагается увидеть. Очевидно, это в миллиарды раз экономичнее светодиодов.

Везде, где мы сегодня что-то греем, можно почти не греть. Везде, где выделяется какое-то тепло, скорее всего, это происходит зря. Где что-то смешивается, рассыпается, – эти этапы, скорее всего, стоит исключить. Например, от современной медицины, которая лечит человека как целое, создавая хаос на уровне клеток (при хирургии, химио- и радиотерапии) можно предположить переход к «поклеточной» микромедицине, которая учитывает координаты каждой клетки и бережно их подвигает если надо сделать. И далее – к молекулярной наномедицине в стиле Р. Фрайтаса, где мы уже без необходимости не тревожим даже единичные молекулы белков.

То же можно сказать и об ИКПД человека. Чтобы написать статью в 10 килобайт, человеку нужно потратить некоторое число калорий, то есть превратить сотни грамм глюкозы в углекислый газ. Молекула глюкозы гораздо сложнее, чем образующиеся при ее окислении молекулы воды и углекислого газа. Атомы в ней имеют более или менее чёткие относительные координаты. А продукты реакции хаотически разлетаются во всех направлениях.

Энергия никуда не пропала – рассеявшись при работе нейронов она направилась на обогрев помещения. А вот информация, заключавшаяся в структуре молекулы утрачена безвозвратно. Как исчезает информация о том, в какой части цилиндра находилась конкретная молекула пара до того, как передвинула поршень.

Термодинамические расчёты свидетельствуют, что окисляя одну молекулу глюкозы мы бесповоротно уничтожает около 240 бит информации. Примерно столько, нужно чтобы описать взаимное положение всех 24 атомов глюкозы с учётом допусков, заданных длинами связей.

То есть, за день человек может выдать 10⁵, а погубить более 10²⁵ бит. Больше, чем создано человечеством за всю его историю! Притом, что наш организм – весьма продвинутая машина по меркам современной техники.