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发布时间:2020-04-15 16:12:42
热力学熵是对真实世界中状态数的一种描述,而信息熵看起来只是对信息量的一种描述。这二者看起来有些不同,然而由于存在着兰道尔原理,信息熵跟物理学中的热力学熵是等价的。因此,我们可以用信息来描述物质世界。
怎样可以直观地理解兰道尔原理呢?我们用一个简化的模型来「模拟」信息的擦除过程。如上图所示,无论气体分子开始处于隔板的左边还是右边(记作 0 或 1),我们只需要抽出挡板,把挡板放到盒子的最右边,然后从右边开始压缩气体,直到挡板重新回到盒子的中间。这样,气体分子必然会到达左边。因为无论气体分子一开始是在隔板的左边还是右边,最终其都达到了隔板的左边,因此,原来的信息被擦除了。这个擦除过程中,「能耗」即为外界对气体所做的功,这个功的大小为 kT ln2,而信息擦除的过程伴随着熵的产生,每擦除 1 个比特的信息,环境中的熵也将增加 kT ln2。信息熵就这样跟热力学熵建立起了联系,这二者其实就是一回事。
兰道尔指出了在计算过程中真正不可逆的过程隐藏在信息的擦除过程中,这一工作指明了计算机能耗的下限。兰道尔原理告诉我们,由于热力学第二定律的存在,只要在计算系统中存在着信息的擦除过程,那么无论怎样改进器件的物理性能,都始终存在着一个无法达到的下界,这个下界是由于信息的擦除所引起的。
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