Zoznam úloh

3. Spaľovanie informácie

Mišo začal uvažovať, že si doma postaví stroj, ktorý by spaľovaním informácie vedel konať prácu. Mišo má informáciu uloženú na pomerne neštandardnom médiu, páske pozostávajúcej z krabíc rovnakej veľkosti, pričom v každej sa nachádza jeden atóm ideálneho plynu.

Obrázok 2: Mišovo médium

Každá krabica je rozdelená priehradkou na dve rovnaké časti. Priehradku vieme kedykoľvek vybrať. Horná a dolná stena krabice sú piesty, ktoré sa pohybujú bez trenia a vedia tak konaním práce tlačiť atóm do požadovanej časti krabice. Ak sa atóm nachádza v hornej časti krabice rozdelenej priehradkou, tak máme uloženú jednotku, ak sa atóm nachádza v dolnej časti krabice, tak máme uloženú nulu.

Všimnite si, že ak vieme, v ktorej časti krabice sa atóm nachádza, tak vieme posunúť piest v prázdnej časti krabice smerom k priehradke, odstrániť priehradku a nechať piest vrátiť sa do pôvodnej pozície. Zničíme tak informáciu, kde sa nachádza atóm, no vieme tak získať užitočnú prácu.

Obrázok 3: Spálenie informácie

  1. Predpokladajme, že plyn sa rozpína pri konštantnej teplote $T$. Aké množstvo práce vieme získať „spálením“ jedného bitu informácie?
  2. Ukážte, že zmenu stavu krabice (z nuly na jednotku alebo opačne) vieme urobiť vratne a zadarmo, ak vieme, v akom stave sa nachádza atóm v krabici.
  3. Preštudujte si koncept entropie. Vypočítajte, ako sa zmení entropia systému, keď „zabudneme informáciu“, t. j. keď odstránime priehradku. Pri výpočte použite koncept termodynamickej entropie a potom aj informačnej entropie.
  4. Predstavme si škriatka, „Maxwellovho démona“, ktorý by vedel konať prácu aj takým spôsobom, že by nemusel vedieť, v akom stave sa nachádza krabica (teda kde je atóm v krabici). Čo zabraňuje škriatkovi konať prácu takýmto spôsobom? Mišo navrhuje, že na odmeranie stavu, v ktorom sa nachádza atóm, musíme vykonať istú minimálnu prácu. V skutočnosti sa to však dá aj úplne zadarmo! Navrhnite, ako by to išlo urobiť zadarmo, a vysvetlite, prečo sa pri tomto spôsobe neporušuje druhý termodynamický zákon. A prečo teda vlastne škriatok nevie konať prácu takýmto spôsobom?
Pre odovzdávanie sa musíš prihlásiť.
Trojsten

FX zastrešuje občianske združenie Trojsten.

Kontakt
Ďalšie projekty