엔트로피란 무엇인가? 우리가 실제로 아는 것이 얼마나 적은지를 측정하는 것. | Quanta Magazine

Life는 파괴의 선집입니다. 당신이 만든 모든 것은 결국 부서집니다. 당신이 사랑하는 모든 사람은 죽을 것입니다. 질서나 안정에 대한 감각은 필연적으로 무너집니다. 우주 전체는 궁극적인 혼란의 지루한 상태를 향한 암울한 여정을 따릅니다.

이 우주의 붕괴를 추적하기 위해 물리학자들은 엔트로피라는 개념을 사용합니다. 엔트로피는 무질서의 척도이며, 엔트로피가 항상 상승한다는 선언은 열역학 제 2 법칙 — 자연이 내린 가장 어길 수 없는 계명 중 하나입니다.

저는 오랫동안 지저분함에 대한 보편적인 경향에 사로잡혀 있었습니다. 질서는 깨지기 쉽습니다. 꽃병을 만드는 데는 몇 달간의 신중한 계획과 예술성이 필요하지만 축구공으로 꽃병을 부수는 데는 한순간이 걸립니다. 우리는 혼란스럽고 예측할 수 없는 세상을 이해하기 위해 평생을 애쓰며, 통제를 확립하려는 모든 시도가 오히려 역효과를 내는 것처럼 보입니다. 두 번째 법칙은 기계가 결코 완벽하게 효율적일 수 없다는 것을 요구하는데, 이는 언제든지 구조가 생겨나다 우주에서 그것은 궁극적으로 에너지를 더 분산시키는 데에만 기여합니다. 결국 폭발하는 별이든 음식을 열로 변환하는 생물이든 말입니다. 우리는 최선의 의도에도 불구하고 엔트로피의 대리인.

“인생에서 확실한 것은 죽음, 세금, 열역학 제2법칙을 제외하고는 없다” 쓴 매사추세츠 공과대학의 물리학자 세스 로이드. 이 지시를 피할 수 없습니다. 엔트로피의 성장은 우리의 가장 기본적인 경험과 깊이 얽혀 있으며, 그 이유를 설명합니다. 시간은 앞으로 흘러간다 그리고 왜 세상은 결정론적으로 보이는가 양자 역학적으로 불확실하다.

하지만 근본적인 중요성에도 불구하고 엔트로피는 아마도 물리학에서 가장 분열적인 개념일 것입니다. "엔트로피는 항상 문제였습니다." 로이드가 저에게 말했습니다. 혼란은 부분적으로 이 용어가 학문 분야 사이에서 뒤틀리고 휘둘리는 방식에서 비롯됩니다. 물리학에서 정보 이론, 생태학에 이르기까지 모든 분야에서 비슷하지만 뚜렷한 의미를 가지고 있습니다. 하지만 엔트로피를 진정으로 이해하려면 매우 불편한 철학적 도약을 해야 하기 때문이기도 합니다.

물리학자들은 지난 세기 동안 겉보기에 이질적인 분야를 통합하기 위해 노력하면서 엔트로피를 새로운 시각으로 비추었습니다. 즉, 현미경을 다시 보는 사람에게 돌리고 무질서의 개념을 무지의 개념으로 바꾸었습니다. 엔트로피는 시스템에 내재된 속성이 아니라 시스템과 상호 작용하는 관찰자에 대한 상대적인 속성으로 간주됩니다. 이러한 현대적인 관점은 정보와 에너지 사이의 깊은 연관성을 밝혀내며, 이는 이제 가장 작은 규모에서 미니 산업 혁명을 선도하는 데 도움이 되고 있습니다.

엔트로피의 씨앗이 처음 뿌려진 지 200년 후, 허무주의적이기보다는 기회주의적인 이 양에 대한 개념이 등장하고 있습니다. 개념적 진화는 엔트로피에 대한 낡은 사고방식을 뒤집고 있을 뿐만 아니라 과학의 목적과 우주에서 우리의 역할에 대한 사고방식도 뒤집고 있습니다.

불의 원동력

엔트로피라는 개념은 산업 혁명 동안 기계를 완성하려는 시도에서 생겨났습니다. 사디 카르노라는 28세의 프랑스 군사 엔지니어는 증기 엔진의 궁극적인 효율성을 계산하기 시작했습니다. 1824년에 그는 118페이지 분량의 책 제목의 불의 동력에 대한 성찰, 그는 센 강둑에서 3프랑에 팔았습니다. 카르노의 책은 과학계에서 대체로 무시당했고, 그는 몇 년 후 콜레라로 사망했습니다. 그의 시신은 불에 타버렸고, 그의 논문도 많이 불에 타버렸습니다. 하지만 그의 책 사본 몇 권은 살아남았고, 그 안에는 새로운 열역학 과학의 불씨가 있었습니다. 불의 동력입니다.

카르노는 증기 엔진이 본질적으로 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 열이 흐르는 경향을 이용하는 기계라는 것을 깨달았습니다. 그는 상상할 수 있는 가장 효율적인 엔진을 만들어냈고, 일로 전환될 수 있는 열의 분율에 한계를 정했는데, 이 결과는 현재 카르노 정리로 알려져 있습니다. 그의 가장 중요한 진술은 책의 마지막 페이지에 경고로 나옵니다. "우리는 실제로 가연물의 모든 동력을 활용할 수 있을 것이라고 기대해서는 안 됩니다." 일부 에너지는 항상 마찰, 진동 또는 다른 원치 않는 형태의 운동을 통해 소산됩니다. 완벽함은 달성할 수 없습니다.

수십 년 후인 1865년에 카르노의 책을 읽으며 독일 물리학자 루돌프 클라우지우스는 무의미함에 갇힌 에너지의 비율을 나타내는 용어를 만들어냈습니다. 그는 이를 그리스어로 변환을 의미하는 "엔트로피"라고 불렀습니다. 그런 다음 그는 열역학의 두 번째 법칙으로 알려진 "우주의 엔트로피는 최대로 향한다"를 제시했습니다.

그 시대의 물리학자들은 열이 유체(칼로릭이라고 함)라고 잘못 믿었습니다. 그 후 수십 년 동안 그들은 열이 개별 분자가 서로 부딪히는 부산물이라는 것을 깨달았습니다. 이러한 관점의 변화로 인해 오스트리아 물리학자 루트비히 볼츠만은 확률을 사용하여 엔트로피의 개념을 재구성하고 날카롭게 할 수 있었습니다.

볼츠만은 분자의 개별 위치와 속도와 같은 미시적 속성을 온도와 압력과 같은 기체의 거시적 속성과 구별했습니다. 기체 대신 체커보드에 있는 동일한 게임 조각 그룹을 생각해 보세요. 모든 체커의 정확한 좌표 목록은 볼츠만이 "미시 상태"라고 부르는 것이고, 별을 형성하든 모두 함께 뭉쳐 있든 전체적인 구성은 "거시 상태"입니다. 볼츠만은 주어진 거시 상태의 엔트로피를 그것을 발생시키는 가능한 미시 상태의 수에 따라 정의했습니다. 고 엔트로피 거시 상태는 많은 호환 가능한 미시 상태, 즉 동일한 전반적인 패턴을 생성하는 많은 가능한 체커 배열을 갖는 것입니다.

체커가 질서 있는 것처럼 보이는 특정 모양을 취할 수 있는 방법은 제한되어 있는 반면, 체커가 보드 전체에 무작위로 흩어져 보이는 방법은 엄청나게 많습니다. 따라서 엔트로피는 무질서의 척도로 볼 수 있습니다. 두 번째 법칙은 직관적인 확률적 진술이 됩니다. 뭔가가 깨끗해 보이는 방법보다 지저분해 보이는 방법이 더 많으므로 시스템의 부분이 서로 다른 가능한 구성을 무작위로 섞으면서 점점 더 지저분해 보이는 배열을 취하는 경향이 있습니다.

카르노 엔진의 열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐릅니다. 가스 입자가 속도에 따라 분리되는 것보다 모두 섞일 가능성이 더 높기 때문입니다. 한쪽에는 뜨겁고 빠르게 움직이는 입자가 있고 다른 한쪽에는 차갑고 느리게 움직이는 입자가 있습니다. 유리가 깨지고, 얼음이 녹고, 액체가 섞이고, 잎이 분해되는 이유에도 같은 추론이 적용됩니다. 사실, 시스템이 낮은 엔트로피 상태에서 높은 엔트로피 상태로 이동하는 자연스러운 경향은 우주에 일관된 시간적 방향을 확실하게 부여하는 유일한 것 같습니다. 엔트로피는 그렇지 않으면 역으로 쉽게 일어날 수 있는 과정에 시간의 화살표를 새깁니다.

엔트로피의 개념은 궁극적으로 열역학의 범위를 훨씬 넘어 확장될 것입니다. "카르노가 논문을 썼을 때 … 아무도 그 논문에서 무슨 결과가 나올지 상상하지 못했을 것 같아요."라고 말했습니다. 카를로 로벨리, 엑스 마르세유 대학의 물리학자.

엔트로피 확장

엔트로피는 2차 세계 대전 중에 부활했습니다. 미국의 수학자 클로드 섀넌은 프랭클린 D. 루즈벨트와 윈스턴 처칠을 연결한 것을 포함한 통신 채널을 암호화하기 위해 노력했습니다. 그 경험으로 그는 그 후 몇 년 동안 통신의 기본에 대해 깊이 생각하게 되었습니다. 섀넌은 메시지에 포함된 정보의 양을 측정하고자 했습니다. 그는 지식을 불확실성의 감소로 취급함으로써 우회적으로 그렇게 했습니다.

언뜻 보기에 섀넌이 생각해 낸 방정식은 증기 엔진과는 아무런 상관이 없습니다. 메시지에 나올 수 있는 문자 집합이 주어졌을 때, 섀넌의 공식은 다음에 어떤 문자가 나올지에 대한 불확실성을 각 문자가 나올 확률의 합에 해당 확률의 대수를 곱한 값으로 정의합니다. 하지만 모든 문자의 확률이 동일하다면 섀넌의 공식은 단순화되어 볼츠만의 엔트로피 공식과 정확히 같아집니다. 물리학자 존 폰 노이만은 섀넌에게 자신의 양을 "엔트로피"라고 부르라고 촉구했다고 합니다. 부분적으로는 볼츠만의 공식과 밀접하게 연관되어 있기 때문이지만, "아무도 엔트로피가 실제로 무엇인지 모르기 때문에 토론에서는 항상 유리할 것"이기 때문입니다.

열역학적 엔트로피가 엔진의 효율성을 설명하는 것처럼, 정보 엔트로피는 커뮤니케이션의 효율성을 포착합니다. 메시지의 내용을 파악하는 데 필요한 예/아니요 질문의 수와 일치합니다. 높은 엔트로피 메시지는 패턴이 없는 메시지입니다. 다음 문자를 추측할 방법이 없기 때문에 메시지를 완전히 밝히려면 많은 질문이 필요합니다. 패턴이 많은 메시지는 정보가 적고 추측하기 쉽습니다. 로이드는 "정보와 엔트로피가 매우 아름답게 맞물려 있는 그림입니다."라고 말했습니다. "엔트로피는 우리가 모르는 정보이고, 정보는 우리가 아는 정보입니다."

두개의 랜드마크 서류 1957년, 미국의 물리학자 ET 제인스는 정보 이론의 렌즈를 통해 열역학을 바라봄으로써 이러한 연결을 굳건히 했습니다. 그는 열역학을 입자의 불완전한 측정으로부터 통계적 추론을 하는 과학으로 여겼습니다. 제인스는 시스템에 대한 부분적인 정보가 알려지면 알려진 제약 조건과 호환되는 모든 구성에 동일한 가능성을 할당해야 한다고 제안했습니다. 그의 "최대 엔트로피 원리"는 제한된 데이터 세트에 대한 예측을 하는 가장 편향되지 않은 방법을 제공하며 현재 통계 역학에서 기계 학습 and 생태.

따라서 서로 다른 맥락에서 발전된 엔트로피 개념은 깔끔하게 맞아떨어집니다. 엔트로피의 상승은 미시적 세부 사항에 대한 정보의 손실에 해당합니다. 예를 들어 통계 역학에서 상자 속 입자가 섞이고 우리가 그 위치와 운동량을 추적하지 못하면 "깁스 엔트로피"가 증가합니다. 양자 역학에서 입자가 주변 환경과 얽혀 양자 상태가 뒤섞이면 "폰 노이만 엔트로피"가 증가합니다. 그리고 물질이 블랙홀에 빠지고 그에 대한 정보가 외부 세계에 사라지면 "베켄슈타인-호킹 엔트로피"가 올라갑니다.

엔트로피가 지속적으로 측정하는 것은 무지입니다. 즉, 입자의 움직임, 코드 문자열의 다음 숫자 또는 양자 시스템의 정확한 상태에 대한 지식이 부족한 것입니다. "엔트로피가 다른 동기로 도입되었다는 사실에도 불구하고, 오늘날 우리는 그것들을 모두 불확실성의 개념과 연결할 수 있습니다."라고 말했습니다. 레나토 레너, 스위스 연방 공과대학 취리히의 물리학자.

그러나 엔트로피에 대한 이런 통일된 이해는 걱정스러운 우려를 불러일으킨다. 우리가 이야기하는 것은 누구의 무지인가?

주관성의 냄새

북부 이탈리아에서 학부 물리학을 전공하던 카를로 로벨리는 교수로부터 엔트로피와 무질서의 성장에 대해 배웠습니다. 무언가가 옳지 않았습니다. 그는 집에 가서 병에 기름과 물을 채우고 흔들면서 액체가 분리되는 것을 지켜보았습니다. 그에게 설명된 대로 제2법칙과는 다른 듯했습니다. 그는 "그들이 제게 말하는 건 헛소리야."라고 생각하며 회상했습니다. "그들이 가르치는 방식에 문제가 있다는 게 너무나 분명했습니다."

로벨리의 경험은 엔트로피가 왜 그렇게 당혹스러운지 그 이유를 잘 보여줍니다. 아이가 침실을 치우는 것부터 냉장고가 칠면조를 식히는 것까지, 질서가 증가하는 것처럼 보이는 상황은 많습니다.

로벨리는 두 번째 법칙에 대한 그의 명백한 승리가 환상이라는 것을 이해했습니다. 강력한 열 시력을 가진 초인적인 관찰자는 기름과 물이 분리되면서 분자에 운동 에너지가 방출되어 열적으로 더 무질서한 상태가 되는 것을 볼 것입니다. 로벨리는 "실제로 일어나는 일은 미시적 무질서의 희생으로 거시적 질서가 형성되는 것입니다."라고 말했습니다. 두 번째 법칙은 항상 성립합니다. 때로는 눈에 보이지 않을 뿐입니다.

Jaynes는 이 문제를 명확히 하는 데에도 도움을 주었습니다. 그렇게 하기 위해 그는 Josiah Willard Gibbs가 1875년에 처음 제안한 사고 실험으로 돌아섰는데, 이는 Gibbs 혼합 역설로 알려졌습니다.

상자 안에 두 개의 기체 A와 B가 있고, 그 둘을 구분자로 분리했다고 가정해 보자. 구분자를 들어올리면 두 번째 법칙에 따라 기체가 퍼져나가 섞여서 엔트로피가 증가한다. 하지만 A와 B가 같은 압력과 온도로 유지되는 동일한 기체라면 구분자를 들어올려도 엔트로피가 변하지 않는다. 입자가 이미 최대로 섞여 있기 때문이다.

질문은 이렇습니다. A와 B가 서로 다른 기체이지만, 두 기체를 구별할 수 없다면 어떻게 될까요?

Gibbs가 역설을 제기한 지 1세기가 넘은 후 Jaynes는 다음과 같이 제시했습니다. 해상도 (그는 깁스가 이미 이해했지만 명확하게 표현하지 못했다고 주장했습니다). 상자 속의 기체가 두 가지 다른 유형의 아르곤이라고 상상해 보세요. 두 가지 유형 중 하나는 아직 발견되지 않은 휘프늄이라는 원소에 용해된다는 점을 제외하면 동일합니다. 휘프늄이 발견되기 전에는 두 기체를 구별할 방법이 없었기 때문에 구분선을 들어 올려도 엔트로피에 명백한 변화가 없습니다. 그러나 휘프늄이 발견된 후에는 영리한 과학자가 휘프늄을 사용하여 두 가지 아르곤 종을 구별하고 두 유형이 혼합될 때 엔트로피가 증가한다고 계산할 수 있습니다. 나아가 과학자는 이전에는 접근할 수 없었던 기체의 자연스러운 혼합 에너지를 활용하는 휘프늄 기반 피스톤을 설계할 수 있습니다.

제인스가 분명히 한 것은 시스템의 "질서성"과 그로부터 유용한 에너지를 추출할 수 있는 잠재력은 에이전트의 상대적 지식과 자원에 달려 있다는 것입니다. 실험자가 기체 A와 B를 구별할 수 없다면, 그들은 사실상 같은 기체입니다. 과학자들이 기체를 구별할 수 있는 수단을 갖게 되면, 기체의 혼합 경향을 이용하여 작업을 수행할 수 있습니다. 엔트로피는 기체 간의 차이가 아니라 구별 가능성에 달려 있습니다. 무질서는 보는 사람의 눈에 있습니다.

"우리가 어떤 시스템에서 추출할 수 있는 유용한 작업의 양은 당연히 그리고 필연적으로 우리가 그 미시 상태에 대한 '주관적인' 정보를 얼마나 가지고 있느냐에 달려 있습니다."라고 제인스는 썼습니다.

깁스 역설은 엔트로피를 시스템에 내재된 속성이 아닌 관점적 속성으로 취급해야 할 필요성을 강조합니다. 그러나 엔트로피에 대한 주관적인 그림은 어려운 물리학자들이 삼키기 쉬운 것입니다. 과학 철학자 케네스 덴비가 다음과 같이 썼습니다. 1985 교과서"이러한 관점이 타당하다면 몇 가지 심오한 철학적 문제를 야기할 것이고 과학적 사업의 객관성을 훼손하는 경향이 있을 것입니다."

엔트로피에 대한 이러한 조건부 정의를 받아들이려면 과학의 근본적 목적을 재고해야 했습니다. 이는 물리학이 객관적 현실보다 개인의 경험을 더 정확하게 설명한다는 것을 의미합니다. 이런 식으로 엔트로피는 많은 물리적 양이 관찰자와의 관계에서만 의미가 있다는 것을 깨달은 과학자들의 더 큰 추세에 휩쓸렸습니다. (시간 자체도 아인슈타인의 상대성 이론에 의해 상대적으로 표현되었습니다.) "물리학자들은 주관성을 좋아하지 않습니다. 그들은 주관성에 알레르기가 있습니다."라고 말했습니다. 앤서니 아귀레캘리포니아 대학교 산타크루즈의 물리학자. "하지만 절대적인 것은 없습니다. 그것은 항상 환상이었습니다."

이제 수용이 이루어졌기 때문에, 일부 물리학자들은 엔트로피의 수학적 정의에 주관성을 포함시키는 방법을 탐구하고 있습니다.

Aguirre와 협력자들은 그들이 부르는 새로운 측정법을 고안했습니다. 관찰 엔트로피. 관찰자가 현실에 대한 관찰자의 관점을 흐릿하게 하거나 "대략적인" 방식으로 조정하여 주어진 관찰자가 접근할 수 있는 속성을 지정하는 방법을 제공합니다. 그런 다음 Jaynes가 제안한 것처럼 관찰된 속성과 호환되는 모든 미시 상태에 동일한 확률을 부여합니다. 이 방정식은 광범위한 거시적 특징을 설명하는 열역학적 엔트로피와 미시적 세부 사항을 포착하는 정보 엔트로피를 연결합니다. Aguirre는 "이런 종류의 대략적이고 부분적으로 주관적인 관점은 우리가 의미 있는 방식으로 현실에 참여하는 방식입니다."라고 말했습니다.

여러 독립 그룹이 Aguirre의 공식을 사용하여 사냥을 했습니다. 배우기 엄밀한 증명 두 번째 법칙의. Aguirre는 자신의 측정을 사용하여 우주가 왜 시작되었는지 설명하기를 바랍니다. 저엔트로피 상태 (따라서 시간이 앞으로 흐르는 이유) 그리고 블랙홀에서 엔트로피가 의미하는 바를 더 명확하게 파악하기 위해서입니다. 바르셀로나 자치 대학의 물리학자인 필립 스트라스버그는 "관찰 엔트로피 프레임워크는 훨씬 더 명확성을 제공합니다."라고 말했습니다. 그는 최근에 이를 다양한 미시적 엔트로피 정의의 비교. “볼츠만과 폰 노이만의 아이디어와 오늘날 사람들이 하는 일을 정말 잘 연결해 냈습니다.”

한편, 양자 정보 이론가들은 다른 접근법 주관성을 다루는 것. 그들은 치료하고 있습니다 정보를 자원으로 활용하다 관찰자가 환경과 점점 더 섞이는 시스템과 상호 작용하는 데 사용할 수 있는 것입니다. 우주의 모든 입자의 정확한 상태를 추적할 수 있는 무한한 힘을 가진 슈퍼컴퓨터의 경우 엔트로피는 항상 일정하게 유지될 것입니다. 정보가 손실되지 않기 때문에 시간이 흐르지 않을 것입니다. 그러나 우리와 같이 유한한 계산 리소스를 가진 관찰자는 항상 현실에 대한 거친 그림과 싸워야 합니다. 우리는 방에 있는 모든 공기 분자의 움직임을 추적할 수 없으므로 온도와 압력의 형태로 평균을 구합니다. 시스템이 더 가능성 있는 상태로 진화함에 따라 우리는 점차 미시적인 세부 사항을 추적하지 못하고 이러한 끊임없는 추세는 시간의 흐름으로 구체화됩니다. "물리학의 시간은 궁극적으로 세상에 대한 우리의 무지의 표현입니다." 로벨리 쓴무지가 우리의 현실을 구성합니다.

"저 밖에는 우주가 있고, 각 관찰자가 가지고 다니는 우주가 있습니다. 그것은 바로 세상에 대한 이해와 모델입니다." Aguirre가 말했습니다. 엔트로피는 우리 내부 모델의 단점을 측정합니다. 그는 이러한 모델을 통해 "종종 적대적이지만 항상 어려운 물리적 세계에서 좋은 예측을 하고 지능적으로 행동할 수 있습니다."라고 말했습니다.

지식에 힘입어

2023년 여름, Aguirre는 퇴각 영국 요크셔의 역사적인 저택 부지의 구릉지에서 2006년에 공동 창립한 비영리 연구 기관인 Foundational Questions Institute, 즉 FQxI를 통해 전 세계의 물리학자들이 모여 요가, 명상, 야외 수영을 즐길 수 있는 일주일간의 지적 잠자리 파티를 열었습니다. 이 행사는 FQxI로부터 보조금을 받아 정보를 연료로 사용하는 방법을 연구하는 연구자들을 모았습니다.

이러한 물리학자 중 많은 사람에게 엔진과 컴퓨터에 대한 연구는 모호해졌습니다. 그들은 정보를 실제적이고 정량화 가능한 물리적 자원으로 취급하는 법을 배웠습니다. 시스템에서 얼마나 많은 작업을 추출할 수 있는지에 대한 진단입니다. 그들은 지식이 힘이라는 것을 깨달았습니다. 이제 그들은 그 힘을 활용하기 위해 나섭니다.

어느 날 아침, 영지의 유르트에서 선택적인 요가 세션을 마친 후, 그룹은 다음과 같은 소식을 들었습니다. 수잔 스틸하와이 대학교 마노아 캠퍼스의 물리학자. 그녀는 1세기 전의 사고 실험을 떠올리게 하는 새로운 작업에 대해 논의했습니다. 제안 된 헝가리 태생의 물리학자 레오 실라르드가 고안했습니다.

좌우 상자 벽 사이를 옆으로 앞뒤로 움직일 수 있는 수직 칸막이가 있는 상자를 상상해 보세요. 상자 안에는 칸막이 왼쪽에 위치한 단일 입자가 있습니다. 입자가 벽에서 튀어나오면서 칸막이를 오른쪽으로 밀어냅니다. 영리한 악마는 줄과 풀리를 조작하여 입자가 칸막이를 밀 때 줄을 잡아당기고 상자 밖으로 무게를 들어올릴 수 있습니다. 이 시점에서 악마는 몰래 칸막이를 다시 삽입하고 프로세스를 다시 시작할 수 있습니다. 무한한 에너지의 원천이 되는 듯합니다.

그러나 상자 밖으로 꾸준히 작업을 꺼내려면 악마는 입자가 상자의 어느 쪽에 있는지 알아야 합니다. 실라르드의 엔진은 정보로 구동됩니다.

원칙적으로 정보 엔진은 범선과 비슷합니다. 바다에서는 바람의 방향에 대한 지식을 사용하여 돛을 조정하여 배를 앞으로 추진합니다.

하지만 열 엔진과 마찬가지로 정보 엔진도 결코 완벽하지 않습니다. 정보 엔진도 엔트로피 생산의 형태로 세금을 내야 합니다. 실라르드와 다른 사람들이 지적했듯이, 우리가 정보 엔진을 영구 운동 기계로 사용할 수 없는 이유는 평균적으로 적어도 그 정보를 측정하고 저장하기 위해 그만큼의 엔트로피를 생성하기 때문입니다. 지식은 힘을 낳지만, 그 지식을 습득하고 기억하는 것은 힘을 소모합니다.

실라르드가 엔진을 구상한 지 몇 년 후, 아돌프 히틀러가 독일 총리가 되었습니다. 유대인 가정에서 태어나 독일에서 살았던 실라르드는 도망쳤습니다. 그의 작품은 수십 년 동안 간과되다가 결국 영어로 번역되었습니다. 스틸이 최근 기사에서 설명한 바와 같습니다. 역사적 검토 정보 엔진의.

최근 스틸은 정보 처리의 기본 요소를 연구하면서 실라르드의 정보 엔진 개념을 확장하고 일반화하는 데 성공했습니다.

10년 이상 그녀는 관찰자를 물리적 시스템 자체로 취급하는 방법을 연구해 왔습니다. 관찰자는 물리적 한계에 따라야 합니다. 이러한 한계에 얼마나 가까이 접근할 수 있는지는 관찰자가 액세스할 수 있는 데이터뿐만 아니라 데이터 처리 전략에 따라 달라집니다. 결국, 관찰자는 어떤 속성을 측정할지, 그리고 그 세부 정보를 제한된 메모리에 어떻게 저장할지 결정해야 합니다.

스틸은 이 의사결정 과정을 연구하면서 관찰자가 유용한 예측을 하는 데 도움이 되지 않는 정보를 수집하면 에너지 효율성이 떨어진다는 것을 발견했습니다. 그녀는 관찰자가 "최소 자기 방해의 원칙"이라고 부르는 것을 따르라고 제안했습니다. 즉, 의사결정의 속도와 정확성을 개선하기 위해 물리적 경계에 최대한 가까운 정보 처리 전략을 선택하는 것입니다. 그녀는 또한 이러한 아이디어를 수정된 정보 엔진에 적용하면 더 탐구할 수 있다는 것을 깨달았습니다.

실라르드의 원래 설계에서 악마의 측정은 입자가 위치한 곳을 완벽하게 보여줍니다. 그러나 실제로 우리는 측정이 항상 결함이 있기 때문에 시스템에 대한 완벽한 지식을 얻을 수 없습니다. 센서는 노이즈의 영향을 받고 디스플레이는 해상도가 제한적이며 컴퓨터는 저장 공간이 제한적입니다. 여전히 실라르드의 엔진을 약간 수정하여 실제 측정에 내재된 "부분적 관찰 가능성"을 도입할 수 있는 방법을 보여주었습니다. 본질적으로 구분선의 모양.

구분선이 상자 안에서 각도가 기울어져 있고, 사용자가 입자의 수평 위치만 볼 수 있다고 상상해 보세요(아마도 그림자가 상자의 아래쪽 가장자리로 투사되는 것을 볼 수 있을 것입니다). 그림자가 구분선의 완전히 왼쪽 또는 오른쪽에 있으면 입자가 어느 쪽에 있는지 확실히 알 수 있습니다. 하지만 그림자가 중간 영역에 있는 경우 입자는 기울어진 구분선 위 또는 아래에 있을 수 있으므로 상자의 왼쪽 또는 오른쪽에 있을 수 있습니다.

부분적으로 관찰 가능한 정보 엔진을 사용하여 Still은 입자의 위치를 ​​측정하고 메모리에 인코딩하기 위한 가장 효율적인 전략을 계산했습니다. 이는 현재 머신 러닝에서 사용 중인 알고리즘의 순수 물리학 기반 파생을 가져왔습니다. 정보 병목 현상 알고리즘. 이는 관련 정보만 보존하여 데이터를 효과적으로 압축하는 방법을 제공합니다.

그 이후로 그녀의 대학원생 Dorian Daimer와 함께 Still은 조사 수정된 Szilard 엔진에 대한 여러 가지 다른 설계를 연구하고 다양한 사례에서 최적의 인코딩 전략을 연구했습니다. 이러한 이론적 장치는 "불확실성 하에서 의사 결정의 기본 구성 요소" 역할을 한다고 인지 과학과 물리학을 전공한 Daimer는 말했습니다. "그래서 정보 처리의 물리학을 연구하는 것이 저에게 매우 흥미로운데, 어떤 의미에서 완전한 원을 그리며 과학자를 설명하는 데로 돌아가기 때문입니다."

새로운 산업화

여전히 요크셔에서 실라드 엔진을 꿈꾸는 사람은 그뿐이 아니었습니다. 최근 몇 년 동안, 여러 FQxI 수혜자들이 실험실에서 작동하는 엔진을 개발했습니다. 이 엔진에서는 정보를 사용하여 기계 장치에 동력을 공급합니다. 카르노 시대와 달리, 아무도 이 소형 엔진이 기차에 동력을 공급하거나 전쟁에서 이길 것이라고 기대하지 않습니다. 대신, 이 엔진은 기본 물리학을 탐구하는 시험대 역할을 합니다. 하지만 지난번과 마찬가지로, 이 엔진은 물리학자들에게 다시 상상하다 에너지, 정보, 엔트로피는 무엇을 의미하는가.

Still의 도움으로 John Bechhoefer는 실라르드의 엔진을 다시 만들었습니다 물 욕조에 떠 있는 먼지 한 점보다 작은 실리카 비드와 함께. 그와 캐나다 Simon Fraser University의 동료들은 레이저로 비드를 가두고 무작위적인 열 변동을 모니터링합니다. 비드가 우연히 위로 흔들리면 그들은 재빨리 레이저 트랩을 들어올려 그 움직임을 이용합니다. Szilard가 상상했던 것처럼, 그들은 정보의 힘을 활용하여 무게를 들어올리는 데 성공했습니다.

조사 중 제한 Bechhoefer와 Still은 실제 세계 정보 엔진에서 작업을 추출하는 과정에서 특정 체제에서는 다음과 같은 사실을 발견했습니다. 상당히 뛰어난 성과를 낸다 기존 엔진. 또한 수신과 관련된 비효율성도 추적했습니다. 부분적인 정보 스틸의 이론적 작업에서 영감을 받아 구슬의 상태에 대해 설명했습니다.

정보 엔진은 이제 다음의 도움으로 양자 규모로 축소되고 있습니다. 나탈리아 아레스옥스포드 대학의 물리학자로 패널 스틸과 함께 후퇴하다. 컵 받침 크기의 실리콘 칩에서 아레스는 두 기둥 사이에 매달린 얇은 탄소 와이어 내부에 단일 전자를 가두었다. 절대 영도의 천분의 일도 이내로 냉각된 이 "나노튜브"는 기타 줄처럼 진동하며 진동 주파수는 다음에 의해 결정된다. 전자 내부의 상태나노튜브의 미세한 진동을 추적하여 Ares와 동료들은 다양한 양자 현상의 작업 출력을 진단할 계획입니다.

아레스는 복도 위아래 칠판에 낙서된 양자 열역학을 탐구하는 실험 목록을 길게 가지고 있다. "기본적으로 산업 혁명의 전부지만 나노입니다."라고 그녀는 말했다. 계획된 실험 중 하나는 스틸의 아이디어를 본떠한 것이다. 나노튜브의 진동이 전자에 얼마나 완벽하게 의존하는지(다른 알려지지 않은 요인과 대조적으로)를 조정하는 것을 포함하며, 본질적으로 관찰자의 무지를 조정하는 손잡이를 제공한다.

아레스와 그녀의 팀은 가장 작은 규모에서 열역학의 한계를 탐구하고 있습니다. 어떤 의미에서 양자 화재의 동력입니다. 고전적으로 입자의 운동을 일로 변환하는 데 얼마나 효율적으로 한계가 설정됩니다. 그러나 양자의 경우, 엔트로피 동물원 선택할 수 있는 것은, 어느 것이 관련 경계를 설정할지, 또는 작업 출력을 정의하는 방법을 결정하는 것이 훨씬 더 복잡합니다. "우리가 실험에서 가지고 있는 것과 같은 단일 전자가 있다면, 그것은 무엇을 의미할까요, 엔트로피?" 아레스가 말했습니다. "제 경험에 따르면, 우리는 여전히 여기에서 매우 길을 잃었습니다."

에 의해 주도된 최근 연구 니콜 융거 할펀국립표준기술원의 물리학자인 그는 일반적으로 동의어로 사용되는 엔트로피 생성에 대한 일반적인 정의가 어떻게 다른지 보여줍니다. 양자 영역에서 의견이 일치하지 않다, 다시 불확실성과 관찰자 의존성 때문입니다. 이 작은 규모에서는 특정 속성을 동시에 아는 것은 불가능합니다. 그리고 특정 양을 측정하는 순서는 측정 결과에 영향을 미칠 수 있습니다. Yunger Halpern은 우리가 이 양자적 이상함을 유리하게 활용할 수 있다고 생각합니다. 그녀는 "양자 세계에는 고전적으로 사용할 수 없는 추가 리소스가 있으므로 카르노 정리를 우회할 수 있습니다."라고 말합니다.

Ares는 연구실에서 이러한 새로운 경계를 넓혀 더 효율적인 에너지 수확, 장치 충전 또는 계산을 위한 길을 닦고자 합니다. 이 실험은 또한 우리가 알고 있는 가장 효율적인 정보 처리 시스템인 우리 자신의 메커니즘에 대한 통찰력을 제공할 수도 있습니다. 과학자들은 인간의 뇌가 단 20와트의 전력을 사용하여 어떻게 엄청나게 복잡한 정신 체조를 수행할 수 있는지 확신하지 못합니다. 아마도 생물학의 계산 효율성의 비결은 또한 작은 규모에서 무작위 변동을 활용하는 데 있으며, 이러한 실험은 가능한 모든 이점을 찾아내는 것을 목표로 합니다. "여기에 어떤 승리가 있다면, 자연이 실제로 그것을 사용할 가능성이 있습니다."라고 말했습니다. 자넷 앤더스, 엑서터 대학의 이론가로 아레스와 함께 일합니다. "우리가 지금 개발하고 있는 이 근본적인 이해는 미래에 생물학이 어떻게 일을 하는지 더 잘 이해하는 데 도움이 되기를 바랍니다."

Ares의 다음 실험은 옥스퍼드에 있는 그녀의 연구실 천장에 매달려 있는 핫핑크색 냉장실에서 진행될 것입니다. 그녀는 몇 년 전 농담조로 제조업체에 개조를 제안했지만, 그들은 금속 페인트 입자가 그녀의 실험을 방해할 것이라고 경고했습니다. 그런 다음 회사는 비밀리에 냉장고를 자동차 수리점으로 가져와 화려한 핑크색 필름으로 덮었습니다. Ares는 그녀의 새로운 실험 경기장을 변화하는 시대의 상징으로 보고, 이 새로운 산업 혁명이 이전 혁명과 다르기를 바라는 그녀의 희망을 반영합니다. 더 양심적이고, 환경 친화적이며, 포용적입니다.

그녀는 "마치 우리가 크고 멋진 무언가의 시작에 서 있는 것 같은 느낌이 든다"고 말했다.

포용 불확실성

2024년 XNUMX월, 수백 명의 연구자들이 수집 프랑스 팔레조에서 카르노의 저서 200주년을 기념하기 위해 개최되었습니다. 과학계 전반의 참석자들은 태양 전지에서 블랙홀에 이르기까지 각 연구 분야에서 엔트로피가 어떻게 특징지어지는지 논의했습니다. 환영사에서 프랑스 국립 과학 연구 센터의 한 이사는 카르노의 연구의 영향을 간과한 것에 대해 자국을 대신하여 사과했습니다. 그날 밤 늦게 연구자들은 퇴폐적인 황금빛 식당에 모여 카르노의 아버지가 작곡하고 작곡가의 먼 후손 중 한 명이 포함된 XNUMX중주단이 연주한 교향곡을 들었습니다.

카르노의 울려 퍼지는 통찰력은 이성 시대의 성배인 시계 장치의 세계에 대한 궁극적인 통제력을 행사하려는 시도에서 나왔습니다. 그러나 엔트로피 개념이 자연 과학 전반에 확산되면서 그 목적이 바뀌었습니다. 엔트로피에 대한 세련된 관점은 완전한 효율성과 완벽한 예측이라는 허황된 꿈을 버리고 대신 세상의 환원 불가능한 불확실성을 인정합니다. 로벨리는 "어느 정도 우리는 여러 방향으로 계몽주의에서 벗어나고 있습니다."라고 말했습니다. 결정론과 절대주의에서 벗어나 불확실성과 주관성을 향해 나아가고 있습니다.

좋든 싫든, 우리는 제2법칙의 노예입니다. 우리는 우주를 최고의 무질서라는 운명으로 이끌 수밖에 없습니다. 하지만 엔트로피에 대한 우리의 세련된 관점은 더 긍정적인 전망을 허용합니다. 지저분함에 대한 추세는 모든 기계에 동력을 제공합니다. 유용한 에너지의 감소가 우리의 능력을 제한하지만, 때때로 새로운 관점은 혼돈 속에 숨겨진 질서의 저장소를 드러낼 수 있습니다. 더욱이 무질서한 우주는 점점 더 가능성으로 가득 차 있습니다. 우리는 불확실성을 피할 수 없지만, 불확실성을 관리하는 법을 배울 수 있으며, 어쩌면 그것을 받아들일 수도 있습니다. 결국 무지는 우리가 지식을 추구하고 우리의 경험에 대한 이야기를 구성하도록 동기를 부여합니다. 다시 말해, 엔트로피는 우리를 인간으로 만듭니다.

당신은 피할 수 없는 질서의 붕괴를 한탄할 수도 있고, 불확실성을 배우고, 감지하고, 추론하고, 더 나은 선택을 하고, 당신의 동기를 활용할 수 있는 기회로 받아들일 수도 있습니다. 

이 작업은 MIP.labor와의 펠로우십으로 지원되었습니다. MIP.labor는 Freie Universität Berlin에서 호스팅되고 Klaus Tschira Foundation에서 자금을 지원합니다. Quanta Magazine 사이먼스 재단의 자금 지원을 받는 편집상 독립적인 출판물입니다.