НОВАЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ НАУКА ОРГАНИЗМИКА

---

Физика

Разделы Организмики

Физический носитель информационной формы движения материи

Валерий Филиппович Дмитриев,
академик АФН, доктор технических наук, профессор
журнал «Organizmica», 2006, № 6.

Всеобщность информационного строения мира обоснована в работе [38]. Автор этой монографии А.А. Тюняев разработал аксиоматическую теорию строения вселенной, исходящую из постулатов Организмики. В дальнейшем в работах этого автора [39] на основе постулатов строится объяснение всего многообразия мира.

С позиций физики необходимость информационного строения материи и мира в целом должна обосновываться имеющимися теоретическими и опытными данными.

Действующие в настоящее время машины представляют сложные технические системы: ракетные комплексы, управляемые автоматическими системами наведения на цель и др. В этих технических системах происходит перемещение массы вещества в пространстве, превращение энергии из одной формы в другую, преобразование и передача информации [36]. Исследование и расчёт совремённых технических систем требует совместного их рассмотрения как массо-энерго-информационных. Общая теория массо-энерго-информационных систем также рассмотрена во многих работах [4, 5, 14, 29].

Рассмотрим усложняющийся ряд технических объектов: механизм, двигатель, автомат. В механизме происходит передача движения от одного, обладающего массой, твёрдого тела к другому (многомассовая система [19, 30]). По заданному закону преобразование движения, например поступательного во вращательное, осуществляется в пределах механической формы движения [15]. Масса является мерой инертности [1].

Так в двигателе, например тепловом, происходит превращение энергии из одного вида в другой, например тепла в механическую работу, выражающимся законом сохранения энергии (энергетическая система [31]). Закон связи при превращении энергии является энергетической структурой двигателя [16, 17]. Энергия является мерой движения [2].

В автомате, например релейном, осуществляется причинная зависимость ряда энергетических структур; это позволяет передавать и преобразовывать информацию (информационная система [20]). Информация здесь является мерой организованности [11].

Аналогично могут быть охарактеризованы и технические объекты другой физической природы (электрические, ядерные и др.).

Таким образом, причинная зависимость энергетических структур является информационной формой движения материи (макро- и микромира). На качественное отличие передачи и преобразования информации от движения массы и превращения энергии указывается в работе [34].

Для релейного автомата со скачкообразным изменение параметров математическая модель представляет собой систему уравнений, включающих логические функции и операторы. Для аналогового автомата с непрерывным изменением параметров математическая модель представляется в виде передаточной функции [20].

Информационная форма движения материи широко распространена в природе независимо от наличия воспринимающего информацию субъекта [35].

Действительно, световые лучи несут сведения о далёких звёздных мирах миллиарды лет до возникновения человека на Земле. При этом информация передаётся фотонами либо другими ЭЧ (электронами, протонами в космических лучах и т.п.). Ясно, что информация передаётся как между звёздами и галактиками, так и между элементарными частицами, атомами и молекулами, иначе при взаимодействии частиц информация была бы утеряна.

Широко распространена передача информации и макромире. Разряд молнии, гром, грохот извержения вулкана и землетрясения несут информацию о происходящем в природе изменении энергетической структуры и являются автоматизмом (информационной формой движения материи).

Углубленное изучение материи привело к принятию ее атомно-молекулярного строения, а в дальнейшем к представлению материи как системы элементарных частиц.

При разработке теории элементарных частиц (ЭЧ) широко используется понятия массы, энергии [8, 10, 24].

Представление атомов и молекул как систем ЭЧ требует применения теории информации. Cовременная теория систем является массо–энерго-информационной [4, 5, 14]. Расчет информационных характеристик потока фотонов и их оптимизация в лазере приведен в работе [6]. В качестве исходного материала в [6] используют зависимости квантовой механики фотона. В частности в [6] было получено количество информации на один фотон (информоёмкость фотона) при максимальной пропускной способности канала связи равное 3,599 бит.

В работах [14, 22, 23] осуществлено определение информационных характеристик лептонов и адронов и изменение их при взаимодействии.

Одной из важных характеристик микрочастиц является энтропия распределения вероятности микрочастиц в пространстве. В общем случае потока микрочастиц, исследования проводятся при использовании зависимостей квантовой механики [6,7]. Так как вероятность нахождения микрочастиц в объеме Q_n равна [8]:

(1)

В соответствии с работой [9] величина энтропии распределения вероятности микрочастиц может быть определена по формуле:

(2)

где:

Q_n – объем, в котором находится микрочастица;

Ψ(q) – волновая функция микрочастиц, соответствующая энергетическому уровню

E_n(q) и вычисляется из решения уравнения Шредингера, либо Клейна–Гордона-Фока, либо Дирака [8, 10, 33].

Волновая функция Ψ(q) должна использоваться при условии нормировки [8]:

(3)

Количество информации о распределении вероятности положения микрочастиц по определению [9]:

(4)

В соответствии с общими положениями квантовой механики [24, 33] каждой механической величине А соответствует некоторый оператор В, в частности координате Х соответствует оператор , импульсу Р – оператор и т.д. Указанные операторы действуют в пространстве волновых функций Ψ(x,t) Используя системный метод, обоснованный в [4, 14], считаем, что взаимодействие ЭЧ происходит по каналам, которые могут быть описаны зависимостями информатики – алгебрологическими функциями или спектральными зависимостями [13, 37].

Так как в импульсном представлении [10] волновая функция может быть записана в виде:

(5),

где:

F – преобразование Фурье,

K - волновой вектор.

Отсюда можно записать соотношение для Δp - Δx , используя свойства унитарности преобразования Фурье [12]:

Δp - Δx >

Δp = σ_p, Δx = σ_x (6),

где:

σ_p и σ_x - среднее квадратичеческое отклонение импульса и координаты;

(7)

Соотношение (6), справедливо, как это показал Котельников В.А., для любого информационного канала [3]. Для ЭЧ [8] - постоянная Планка и соотношение (6) является, ввиду условия (7), соотношением Гейзенберга.

Аналогично для энергии и времени ΔE - Δt >.

При взаимодействии ЭЧ состояние их меняется, что приводит к изменению волновых функций ЭЧ. Передаточная функция [14], отражающая эти изменения, находится методами теории квантовых полей [8].

Вычисляемая по формуле (4) величина характеризует информоемкость микрочастицы в соответствии с волновой функцией Ψ_n и энергией E_n для разных случаев движения будет разной. Однако интеграл (4) при непосредственном вычислении расходится. Поэтому для его вычисления необходимо использовать соотношение Гейзенберга, указывающее для состояния с заданной энергией E_n минимальную величину измерения Δq В соответствии с представлением, что взаимодействие между ЭЧ происходит по каналам, в которых происходит обмен массой, энергией и информацией, могут быть использованы зависимости информатики.

Так как максимальное значение импульса микрочастицы есть то из (6) следует:

(8)

где:

х – координата,

c - скорость света в вакууме,

b₁ – минимальное значение единицы измерения,

m – масса микрочастицы,

v – скорость микрочастицы,

(9)

р - импульс микрочастицы.

Использование минимальной величины измерения координаты b1 дает возможность получить конечное значение для количества информации, вычисляемой по формуле (4) [14].

Таким образом, использование квантовой механики совместно с теорией относительности даёт возможность определить информоёмкость элементарных частиц. Понятие информоемкости квантовых систем введено в работе [40]. В общем случае необходимо использование общей теории относительности (ОТО). В работе[14] с использованием ОТО получено выражение для минимальной единицы измерения координаты:

(10)

Из изложенного следует, что развитие релятивистской квантовой теории должно использовать понятия и определения теории информации.

Совремённая теория ЭЧ принимает, что ЭЧ представляет собой системы фундаментальных частиц (ФЧ), то есть ЭЧ имеют иерархическое строение. В основе ЭЧ состоят из кварков и лептонов, а переносчиками взаимодействий являются бозоны [26].

Массо-энерго-информационная структура ЭЧ выражается математическим аппаратом вторичного квантования [8].

Разработка общей теории технических систем в связи с развитием техники невозможна без учёта атомно-молекулярного строения [6,11]; это одновременно приводит к необходимости использования релятивистской, статистической и квантовой физики.

Рассмотрим замкнутую систему, состоящую из микрочастиц. Её волновая функция может быть записана в виде [10]:

где:

Ψ_n - волновая функция n-го состояния рассматриваемой системы;

с_n - коэффициент разложения;

Ψ^*, c^* - комплексно сопряжённые величины.

Условие нормировки запишется как:

где:

Q - область пространства, занятая микрочастицей;

q - координаты микрочастицы.

Для n-го состояния получаем, используя меру Шеннона количества информации:

где:

|Ψ|² - вероятность нахождения ЭЧ в единице объёма. Получаем:

- информоёмкость n-го состояния системы (негэнтропия [11]).

Проводя преобразования [14], получаем:

h = s + j; (11)

где:

h - удельная полная энтропия;

s - удельная термодинамическая энтропия;

j - удельная информоёмкость (негэнтропия).

В замкнутой системе h=const, так как функции Ψ_n не меняются. Тогда при любом изменении Δs = -Δj; так как по закону возрастания энтропии всегда Δs > 0 то информоёмкость (негэнтропия) замкнутой системы может только уменьшаться [11].

Указанные процессы происходят во фронтах горения, ударных фронтах и детонационных фронтах, где происходит возрастание энтропии за счет уменьшения информоёмкости [18].

Приведенные зависимости дают возможность определить информоёмкость конкретных ЭЧ.

Так для электрона в атоме водорода на основном уровне (n=1, l=0, m=0) используя соотношение (1) и выражение для волновой функции основного состояния получаем [14]:

где:

e - заряд электрона;

n - основное квантовое число;

l - орбитальное квантовое число;

m - магнитное квантовое число.

Для электрона в возбуждённом состоянии (n=2, l=1, m=0) получаем [14]:

где:

Γ(х) - гамма функция;

Ψ(х) - пси-функция Эйлера.

Для свободной микрочастицы, используя в качестве волновой функции фундаментальное решение уравнения Дирака, получаем:

(12)

Во втором приближении

Информоемкость систем ЭЧ определяется количеством ЭЧ информоемкостью каждой ЭЧ и когерентностью ЭЧ. Когерентные ЭЧ имеют волновые функции, совпадающие по частоте и фазе. Однако когерентность быстро разрушается и информоемкость системы ЭЧ уменьшается [27].

При наличии в системе N элементарных частиц информоёмкость системы определяется (в случае независимых состояний) по формуле:

Особое качество материальных объектов составляет свойство когерентности ЭЧ. Когерентные ЭЧ имеют волновые функции, имеющие одинаковую частоту и фазу. Свойства когерентных ЭЧ существенно отличаются от свойств некогерентных ЭЧ. Если число состояний (зависимых) когерентных ЭЧ равно двум (Ψ₁, Ψ₂), то эти состояния носят название «квантовый бит» (кубит). Найдем информоемкость системы ЭЧ, находящихся в когерентном состоянии.

Если число видов элементарных частиц было K, число частиц каждого вида I, число состояний каждой частицы L, то число возможных систем частиц будет [22]:

(13)

При L=2 (два возможных значения спина частицы), K=2 (наличие и отсутствие частицы):

Информоемкость (информационный ресурс по [28]) системы I когерентных квантовых микрочастиц будет J=log₂M=2^I бит.

Информоемкость системы классических макрочастиц I частиц при числе состояний M=2^I будет: J=log₂M=I бит.

Таким образом, информоемкость системы когерентных квантовых микрочастиц в экспоненциальное число раз более информоемкости системы классических макрочастиц [27].

В зависимости от типа ЭЧ амплитуда взаимодействия ЭЧ выражается через пропагатор (передаточную функцию) для лептонов, либо через дисперсионное соотношение (дисперсионное уравнение) для адронов [10, 8].

Передаточная функция как в микромире, так и в макромире описывает преобразования сосредоточенного (точечного) информационного канала. Дисперсионное уравнение как в микромире, так и в макромире описывает преобразования распределенного (волнового) информационного канала.

В общем случае изменение Ψ2 волновой функции Ψ₁ вследствие эволюции квантовой системы описывается унитарным оператором U: Ψ₂ = UΨ₁ (Действие выполняется справа налево). Вследствие свойств унитарного оператора эволюция квантовой системы является обратимой.

Примером необратимой эволюции является изменение состояния вследствие измерения.

Пусть приготовленное первоначальное состояние будет Ψ¹, которое может быть представлено в виде:

После эволюции квантовая система будет находиться в состоянии с волновой функцией Ψ². После измерения будем иметь представление

Таким образом, однократное действие оператора U дает возможность получить в латентной форме все значения

(14)

Эти значения c_k могут быть получены после измерения. Указанный процесс носит название «квантовый параллелизм». Благодаря этому возможно увеличение скорости вычислений в 2^М/2 раз, что используется в квантовых компьютерах [25, 27, 28].

Использование систем и струй элементарных частиц для передачи и преобразования информации даёт возможность сделать вывод о присутствии информации в основании материи. Материя представляет собой единство массы, энергии, информации как в макромире, так и в микромире и мегамире. Таким образом, в работах [14, 22, 23, 25] и в данной работе делается обоснование информационной теории материи, что соответствует постулатам, выдвинутым А.А. Тюняевым.

Информационная теория материи дает возможность предсказать ранее неизвестные свойства материи, например квантовую телепортацию [21], квантовые вычисления [40].

Литература:

1. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. / Собрание трудов Крылова А.Н. - М. - Л., 1936.
2. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. – М.: Молодая гвардия, 1966. – 267 с.
3. Котельников В.А. О пропускной способности "эфира" и проволоки в электросвязи. // Материалы к Первому Всесоюзному Съезду по вопросам реконструкции связи. - М.: 1933.
4. Гиг Д.В. Прикладная общая теория систем. – М.: Мир, 1981. - 1 кн. – 336 c.
5. Дмитриев В.Ф. Исследование совместного пространственного движения твердых тел и обтекающего их газа. // Известия ТулГУ: сборник. - 1997. - 230 с.
6. Митюгов А.В. Физические основы теории информации. - М.: Советское радио, 1976. - 216 с.
7. Левитин Л.Б. О квантовой мере количества информации. // Доклады IY Всесоюзной конференции по теории передачи и кодировке информации, секция II, IY. - Ташкент, ИППИ АН СССР, 1962. - с. 111-115.
8. Нелипа Н.Ф. Физика элементарных частиц. - М.: Высшая школа, 1977. - 608 с.
9. Shanon C. A mathematical theory of communikation // Bell System tech. J. - 1948. (27). - № 3. - p. 379-423, 1948. (29). - № 4. - p. 623-656.
10. Берестецкий В.Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Релятивистская квантовая механика.- М.: Наука, 1968. - 480 с.
11. Brillouin L. Scince and information theory. - New York: Academic Press, Publischers, 1956. - p. 932.
12. Маделунг Э. Математический аппарат физики. - М.: Наука, 1968. - 618 с.
13. Дмитриев В.Ф. Прикладная теория информации. - Выс. школа, 1989. – 320 с.
14. Дмитриев В.Ф. Физические системы. - Тула, ГНПП «Сплав», 2000. – 64 с.
15. Дмитриев В.Ф., Мунипов Р. Уравнения движения тела переменной массы // Сборник трудов МГУ, ЛГУ, ПГУ: Проблемы механики управляемого тела. - Пермь, 1988.
16. Дмитриев В.Ф., Ерохин Б.Т. Расчёт действия трёхмерного потока газа на преграду // Известия ТулГУ, 1990.
17. Дмитриев В.Ф., Лебедев А.В. Определение силового воздействия газовой струи реактивного снаряда на пакет направляющих БМ РСЗО. // Известия ТулГУ: Материалы международной НТК. - 2001. - вып. 4.
18. Дмитриев В.Ф. Расчёт энтропийных фронтов газовой струи РДТТ. Известия ВУЗ: Машиностроение. - Издательство МГТУ, 1999. - № 4.
19. Дмитриев В.Ф. Уравнения движения агрегата твёрдых тел переменной массы // Известия ВУЗ: Машиностроение. - Издательство МГТУ, 1992. - № 7-8.
20. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. - М.: Машиностроение, 1985. - 535 с.
21. Bennet C.H., Brassard G., Crepeau C., Teleporting an unknown quantum State via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channel // Phys. Rev. left. - 1999. - V. 70. - p. 1895 - 1999.
22. Дмитриев В.Ф. Космические системы. - Тула: ГНПП »СПЛАВ», 2002. - 66 с.
23. Дмитриев В.Ф. Элементарные системы. - Тула: ГНПП »СПЛАВ», 2003. - 66 с.
24. Dirac P.A.M. Principies of Quantum Mechanics. - Oxford: Atthe Clarende press, 1958. - 434 p.
25. Дмитриев В.Ф. Фундаментальные системы. - Тула: ГНПП »СПЛАВ», 2004. - 66 с.
26. Индурайн Ф. Квантовая хромодинамика. - М.: 1986. - 500 с.
27. Физика квантовой информации / 44 автора под редакцией Боумейстера Д. - М: Посстмаркет, 2002. – 272 с.
28. Валиев К.А. Квантовые компьютеры и квантовые вычисления // Журнал Успехи физических наук. - Из-во РАН.- 2005.-Том 175. - № 1. - с 3-39.
29. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. - М.: Мир, 1978. - 380 с.
30. Коренев Г.В. Введение в механику управляемого тела. - М.: Наука, 1964. – 568 с.
31. Белов Г.В., Ерохин Б.Т., Козлов В.П. Конверсия и качество энергетических систем. - М.: Тип. МРП, 1980. - 297 с.
32. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. - М.: Наука, 1964. – 565 с.
33. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. - М.: Наука, 1964. - 702 с.
34. Wiener N. Cybernetics. - New York-London, 1961. – 338 p.
35. Глушков В.М. Мышление и кибернетика // Вопросы философии, 1963. - № 4.
36. Дмитриев В.Ф., Романовцев Б.М., Устинов Л.А. Динамика старта РСЗО. - Тула: ТулГУ , 2001. - 168 с.
37. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределёнными параметрами. - М.: Наука, 1979. - 224 с.
38. Тюняев А.А. Организмика – фундаментальная основа всех наук. Том 1. - М.: Ин, 2000. - 368 с.
39. Тюняев А.А. Теоретические основы науки «Организмика». // Международный научный журнал «Организмика», 2005. - № 2, № 3.
40. В.А. Садовничий. Физики учат компьютер считать по-новому // Международный научный журнал: Квантовый компьютер и квантовые вычисления,1999. - том 2. - С4-8.