"Energia jako informacja"

.Jest już truizmem stwierdzenie, iż w XXI wieku każdy z nas jest odbiorcą i nadawcą niezmierzonej ilości informacji, która przemierza sieć internetową rozpiętą, dzięki światłowodom i satelitom, na wszystkich kontynentach kuli ziemskiej. Rozmowy telefoniczne, zdjęcia, pliki wideo przetworzone w cyfrowe bity przemierzają tysiące kilometrów z prędkością bliską prędkości światła. To że dzisiaj możemy zanurzyć się w tworzonym także przez nas oceanie informacji zawdzięczamy Claude’owi Shannonowi, amerykańskiemu matematykowi, i jego epokowej pracy teoretycznej z 1948 „Matematyczna teoria komunikacji”. Dzięki wysiłkom Shannona, profesora MIT, powstała nowa dziedzina nauki – teoria informacji. Pokazał on, że podstawowe prawa opisujące przepływ informacji ściśle wynikają z praw fizyki, a ściślej termodynamiki.

.Prawa termodynamiki zostały sformułowane jeszcze w XIX wieku. Jedno z nich mówi, że miarą organizacji energii jest tzw. entropia. Pojęcie, które dzisiaj nieomalże weszło do języka potocznego, 200 lat temu odnosiło się do raczej hermetycznej dziedziny fizyki opisującej przemiany energii cieplnej i sposobu jej uporządkowania. Teraz rozumiemy, że entropia, która wyraża nieuporządkowanie układu, dotyczy wszystkiego co nas otacza i ma ogromny wpływ na to jak funkcjonuje nasz wszechświat. W bardzo potocznym rozumieniu mówimy, że entropia odizolowanego układu nie może maleć, czyli, że układ samoistnie nie może się uporządkować bez utraty energii lub jej przypływu z zewnątrz. Dlatego, że entropia wzrasta, ewolucja bez energii słonecznej nie miałaby prawa zaistnieć! Życie na Ziemi ewoluuje w coraz bardziej skomplikowane formy rozpraszając energię dostarczaną przez Słońce. Entropia całego systemu rośnie. Mało tego, cała informacja, którą na Ziemi wytworzył człowiek powstała tylko dlatego, że dzień w dzień od miliardów lat promienie słoneczne ogrzewają powierzchnię Ziemi i jej atmosferę. Ja sam pisząc ten tekst, zwiększam entropię rozpraszając energię.

Im więcej informacji wytwarzamy, tym więcej energii musimy rozproszyć i tym bardziej wzrasta entropia. Zasada ta wydaje się być najbardziej fundamentalnym prawem fizyki.

Claude Shannon zrozumiał, że entropia dotyczy też treści, które tworzymy i przekazujemy. Entropia w sensie shannonowskim wyraża zawartość informacji w danej wiadomości (może to być list do przyjaciela, tweet albo paczka danych przesyłana światłowodami).

.Dla Ciebie czytelniku ten tekst, który czytasz zawiera sporo nowych informacji (przynajmniej mam taką nadzieję), jego entropia jest duża. Gdybym napisał same oczywistości, entropia tej informacji była bardzo mała. Bez przesady można powiedzieć, że teorie tego wielkiego naukowca leżą u podstaw współczesnej ekspansji komputerów i Internetu. Pojęcie entropii jest bardzo przydatne np. w dziedzinie kompresji danych i przesyłaniu danych. Gdy Shannon opublikował swoją teorię w 1948, najgrubszy przewód telekomunikacyjny mógł jednocześnie transmitować 1800 rozmów telefonicznych. Dziś, po 65 latach od rozpoczęcia rewolucji cyfrowej, pojedynczy światłowód o grubości ludzkiego włosa jest w stanie przekazywać jednocześnie prawie 6,5 miliona połączeń głosowych i zbliża się do limitu, na który pozwala entropia Shannonowska. Mało tego, w każdej sekundzie przesyłamy petabajty danych zawierających wiadomości z najodleglejszych części globu, zdjęcia z gali Oscarowej, czy też najnowsze teorie wyjaśniające powstawanie wszechświata. Dzięki pracom amerykańskiego fizyka, praktycznie każdy ma pod ręką bibliotekę, przy której aleksandryjska, gdyby nie spłonęła, byłaby maleńkim, prowincjonalnym księgozbiorem. Postęp technologiczny sprawił, iż dzięki fotonom, będącym jednocześnie kwantami energii, przemierzającym światłowody, komunikacja odbywa się w sposób natychmiastowy. Informacja i energia są ze sobą związane w sposób nierozerwalny. Co ciekawe, w podobny sposób, choć transfer informacji trwa nie nanosekundy, a nawet miliardy lat, „komunikują” się z nami najdalsze obiekty w kosmosie: gwiazdy, mgławice i galaktyki.

21 stycznia 2014 grupa studentów astronomii zaobserwowała jedno z najbardziej fascynujących zjawisk na niebie – wybuch supernowej. Rozbłysk „umierającej” gwiazdy, której skończyło się paliwo termojądrowe, pojawił się w galaktyce M82, oddalonej od nas o zaledwie 11-12 milionów lat świetlnych.   Jeden rok świetlny to 9,5 biliona kilometrów, zatem galaktyka M82 jest od nas oddalona o jakieś 110-120 trylionów kilometrów. Wielkość niewyobrażalna dla ludzkiego umysłu, tak naprawdę – w skali wszechświata – jest dość małą odległością. Bardzo rzadko zdarza się by supernowa, która momentalnie skupiło uwagę astronomów na całym świecie, pojawiała się tak blisko Ziemi. Arcypotężna eksplozja, w której materia wyrzucana jest w kosmos z prędkością do 20 tysięcy kilometrów na sekundę (czyli na okrążenie Ziemi wokół równika potrzebowałaby 2 sekund), fascynuje fizyków i astronomów od lat. Instrumenty pomiarowe z całego świata skierowały się na galaktykę M82 by zdobyć jak najwięcej informacji o kończącej swój żywot gwieździe. Tak dużą odległość mogą pokonać tylko fale elektromagnetyczne: światło, fale radiowe, czy rozbłyski promieniowania rentgenowskiego. Dlatego większość astronomów właśnie dzięki nim bada odległe obiekty.

.To, że foton światła niesie ze sobą informację fizycy odkryli na początku XX wieku, kładąc podwaliny pod mechanikę kwantową. Niels Bohr, Albert Einstein i inni pokazali, że atomy emitują energię w postaci fotonów światła. Światło niesie ze sobą dużo informacji, jego kolor na przykład mówi naukowcom o składzie chemicznym odległego obiektu. Fotony w przestrzeni międzygwiezdnej poruszają się z prędkością 300 tysięcy kilometrów na sekundę (Ziemię wokół równika światło okrążyłoby 7 i pół raza w czasie 1 sekundy) i jest to największa znana nam prędkość we wszechświecie. Zgodnie z teorią względności Einsteina nic nie porusza się szybciej niż światło, także informacja.

Jeśli wybuch supernowej wydarzył się 120 trylionów kilometrów od nas, oznacza to, że informacja potrzebowała ponad 12 mln lat by do nas dotrzeć. Tak naprawdę eksplozja, którą zaobserwowaliśmy wydarzyła się dawno, dawno temu, kiedy po Ziemi nie chodził jeszcze żaden przedstawiciel gatunku Homo Sapiens. Obraz naszej najbliższej gwiazdy – Słońca – dociera do nas po około ośmiu minutach. Światło z najdalszych widzianych przez nas obszarów wszechświata potrzebuje kilkanaście miliardów lat(!) by zostać zarejestrowanym przez urządzenia pomiarowe podłączone do teleskopu Hubble’a. Dzięki temu możemy „cofnąć się w czasie” i zobaczyć wszechświat, gdy ten miał raptem kilkaset milionów lat.

Wróćmy jednak do energii i informacji. Już starożytni Rzymianie mówili „Scientia potenta est” – Wiedza to potęga! Dzisiaj w XXI wieku moglibyśmy powiedzieć „Scientia energia est” – bo wiedzę zdobywa się w laboratoriach, które kosztują nierzadko miliardy dolarów i powstają w krajach najbardziej rozwiniętych, tych które stać na „ekstrawagancję” uprawiania nauki w XXI wieku. Jeśli tworzenie informacji oznacza, że musimy rozproszyć energię, to te społeczeństwa, które mogą rozproszyć tej energii najwięcej, wytwarzają najwięcej informacji. Tak się też dzieje!

.Na ilustracji powyżej zestawiłem liczbę naukowych nagród Nobla (fizyka, chemia, ekonomia i medycyna) przypadających na 10 mln mieszkańców z ilością konsumowanej energii na jednego mieszkańca. Oczywiście na takie zestawienia trzeba patrzyć z dużą dozą ostrożności, na to ile nagród Nobla dostali naukowcy reprezentujący dany kraj wpływ ma wiele czynników: historia, uwarunkowania geopolityczne, model edukacji i finansowania nauki. Z drugiej jednak strony, liczba nagród Nobla dla danego kraju to dość dobry wyznacznik ile nowej wiedzy powstaje w tej społeczności. Konsumpcja energii to nic innego niż jej rozpraszanie, choć oczywiście tylko drobny jej procent idzie na uprawianie nauki (kraje rozwinięte przeznaczają typowo około 2-3% PKB na badania). Niemniej na wykresie widoczna jest różnica pomiędzy krajami, które zużywają dużo energii, od tych które zużywają jej niewiele. Im więcej energii zużywamy, tym więcej wiemy? A może im większą mamy wiedzę, tym więcej energii konsumujemy?

Zapewne oba stwierdzenia są prawdziwe. Im wyższy stopień rozwoju osiągnęła dana społeczność, tym jest w stanie efektywniej wytwarzać energię elektryczną, a przez to zużyć ją na wiele sposobów, które stworzyła dzięki nowoczesnym technologiom. Z drugiej strony, duże zużycie energii na głowę mieszkańca oznacza, że kraj jest na tyle zamożny, by był w stanie stworzyć nowoczesne laboratoria, które kosztują niemałe pieniądze i często zużywają duże ilości energii na prowadzenie badań (świetnym przykładem jest tu CERN z Wielkim Zderzaczem Hadronów, albo nowo powstający reaktor termojądrowy ITER na południu Francji).

Energia i informacja są ze sobą nierozerwalnie związane, wynika to z najbardziej fundamentalnych praw fizyki rządzących wszechświatem. Dotyczy to zarówno ewolucji życia na Ziemi, opasłych woluminów zgromadzonych w średniowiecznych opactwach, jak i najnowszych doniesień z giełdy nowojorskiej, które wyświetlają się na ekranach naszych smartfonów. Potrzebujemy energii, by gromadzić i przesyłać informację, tak jak i potrzebujemy wiedzy by tę energię wytwarzać.

Marcin Jakubowski

Tekst ukazał się w wyd.7 kwartalnika opinii „Nowe Media” [LINK]