處理資訊需要能量嗎?

時間 2021-06-12 01:48:51

1樓:許哲佳

需要。處理1 bit資訊需要的能量大概相當於所在溫度下的乙個氣體分子的動能。

這裡的處理可以是寫入、擦除或者一次門運算。

溫度越低,所需的能量越少。兩者相除得到的商(熵)不變。

2樓:Albert Wang

19世紀下半葉, 在熱力學第二定律成為物理學家的熱門話題時, 麥克斯韋曾虛構了乙個小盒子, 這個盒子被乙個沒有摩擦的、密封的門分隔為兩部分.最初兩邊氣體溫度、壓強分別相等,門的開關被(後人稱作麥克斯韋妖的)小妖精控制.當它看到乙個快速氣體分子從 A 邊飛來時,它就開啟門讓它飛向 B 邊,而阻止慢速分子從 A 飛向 B 邊;同樣允許慢速分子(而不允許快速分子)從 B 飛向 A .這樣就使 B 氣體溫度越來越高, A 氣體溫度越來越低,若利用一熱機工作於 B 、 A 之間就可製成一部第二類永動機.對這與熱力學第二定律矛盾的設想,人們往往作這樣的解釋,當氣體分子接近小妖精時,它必須做功. 1929 年西拉德( Szilard, 1898 一 1964 )曾設想了幾種由小妖精操縱的理想機器,並強調指出,機器做功的關鍵在於妖精取得分子位置的資訊,並有記憶的功能.在引人資訊等於負熵概念後,對此更易解釋:小妖精雖未做功,但他需要有關飛來氣體分子速率的資訊.在他得知某一飛來分子的速率,然後決定開啟還是關上門以後,他已經運用有關這一分子的資訊,資訊的運用等於熵的減少.系統熵的減少表現在高速與低速分子的分離.從對麥克斯韋妖這一假想過程的解釋可知,若要不做功而使系統的熵減少,就必須獲得資訊,即吸取外界的負熵.但是在整個過程中總熵還是增加的,法國物理學家布里淵( Brillouin , 1889 一 1969 )於 1956 年在 《 科學和資訊理論 》 一書中指出:若要能看到分子必須另用燈光照在分子上,光會被分子散射,被散射的光子為小妖精的眼睛所吸收,這一過程中涉及熱量從高溫熱源轉移到低溫熱源的不可逆過程,致使熵增加.而前者系統減少的熵總是小於後者增加的熵.

麥克斯韋妖

夏農雖然提出了資訊熵的概念,但他並未指出資訊熵與熱力學熵之間的關係.這種同一函式、同一名稱的出現在物理學家中引起極大興趣.布里淵在解釋麥克斯韋妖時指出,如果沒有足夠的資訊來控制分子的運動方向,「妖精」的活動就不可能.因此,這種不消耗功的「妖精」是不存在的.為此,他利用玻耳茲曼關係 建立了資訊和能量之間的內在聯絡,並以定 t量計算表示出來.他認為,在有N個等概率狀態的物理系統中,若輸入能量 Q ,則所對應的資訊熵的變化為

其中 k 為玻耳茲曼常量, T 為絕對溫度,若該系統僅有兩種等概率狀態,即 N=2 ,則該系統相應的資訊熵的變化 ,根據資訊熵的單位 bit 的定義可知它等於 1 bit ,故它表示資訊熵與熱力學熵之間的換算關係.它有重要的物理意義.例如,若要使計算機裡的資訊量增加 1 bit ,則其熱力學熵應減少 ,而這種減少是以計算機向環境放熱(即環境從計算機吸熱)因而環境至少增加這麼多的熵為代價的.在溫度 T 下計算機處理每個位元,至少要消耗能量 ,這部分能量轉換為熱向環境釋放.

這一點說明了兩個重要問題:

① 即使沒有任何耗散等不可逆因素,維持計算機工作也存在乙個能耗的下限,這一理論下限為每位元消耗 .但實際能耗的數量級要比它大很多,例如當代最先進的微電子元件,每位元的能耗在 量級以上;② 即使沒有任何耗散等不可逆因素.計算機工作時要維持溫度不變.必須向外散熱以獲得負熵.計算機處理的資訊量越大.向外釋放的熱也越多,所以在夏天,計算機應在有空調裝置的環境中工作.

參考文獻

[1]秦允豪.熱學[M].高等教育出版社:北京,2018:273-274.

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