באיזה מובן גלים קיימים והאם אנטרופיה בפיסיקה זהה ל... ?

aviax1

New member
באיזה מובן גלים קיימים והאם אנטרופיה בפיסיקה זהה ל... ?

היי יש לי שאלה שתשמע קצת מוזרה אז אסביר אותה .
אישית אני בא מתחום של מדעי המחשב ולאחרונה לוקח קורס בפיסיקה בסיסית באוניברסיטה הפתוחה .

אני רואה בעצמי פרגמטיסט ,בעיני רוחי מידע הוא מעיין קופסא שחורה המסוגלת לקבל קלט ולהמיר אותו לפלט ספציפי .
כאשר אני בא לקבוע האם תיאוריה או מידע הוא "אמת" אני מבצע רדוקציה ומחליף את השאלה בשאלה "האם זה התאוריה שמאפשרת לי את רמת החיזוי הגבוה ביותר אל הקלטים הנכנסים הבאים?" .

לשם דוגמה, בהינתן השאלה "האם חוקי ניוטון נכונים?", הייתי מבצע רדוקציה ושואל "האם חוקי ניוטון הם התיאור שחוזה בדיוק הגבוה ביותר את הקלטים שמי שמבקש לבדוק אם התיאוריה אמיתית מחפש ?"
אם לשם דוגמה הקלטים שמחפש שואל השאלה הם הקלטים שמציינים את תנועת גרמי השמיים הריי שהתיאוריה אמיתית במידה והיא חוזה בדיוק הרב ביותר על התיאוריות האחרות (מהם היא יותר אמיתית ) את הקלטים המגיעים בנוגע למיקום גרמי השמיים .

אולם בתנאים מסוימים רמת הדיוק היא לא האילוץ היחידי ויש אילוצים נוספים כמו זמן/כוח עיבוד/ורמת וודאות .
סדר פרגמטית הוא נגזרת של היכולת לדחוס מידע על פי תבניות , לשם דוגמה שבתמונה קיים סדר גדול זה אומר שעל פי מציאת התבנית שעל בסיסה היא בנויה אני מסוגל לצמצם את גודלה למשל על ידי קידוד שמזהה תבניות ומוריד את רמת האנטרופיה לשם דוגמה קידוד הופמן ,כאשר לאי הסדר אנחנו קוראים "אנטרופיה" והוא נגזרת הישירה של היכולת של המערכת שלנו או אי היכולת לדחוס את המידע המתקבל לתבניות .

לכן עולות לי תהיות הקשורות לאופי הפיסיקה אל מול אופי המתמטיקה .
לפי מה שאני מבין ותקנו אותי אם אני טועה, לפי החוק השני של התרימודינמיקה האנטרופיה הכוללת ביקום עולה עם הזמן ומהווה קו מבדיל בן העבר לעתיד או "חץ הזמן".
השאלה שעולה לי בעקבות ההבנה הזאת היא מה המשמעות של אנטרופיה פיסיקלית והאם יש לה קשר לאנטרופיה אינפורמטיבית מתמטית?.
האם המשמעות של הגידול באנטרופיה קשור לחוסר היכולת שלנו לתאר בדיוק מידע על המערכת כמו מיקום החלקיקים ?
האם האנטרופיה הפיסיקלית קשורה לגידול באי הוודאות בנוגע למציאת מיקומו של חלקיק לדוגמה ?
באיזה מובן פרגמטי האנטרופיה הפיסיקלית קשורה לאנטרופיה המתמטית ?

עכשיו לשאלתי השנייה :
גל מוגדר כפונקציה משתנה בטווח קבוע ומחזורית
(האם אגב קיימות פונקציות פיזיקליות בטווח קבוע שאינם מחזוריות ? )
ולכן ניתן לתיאור מתמטי ע"י לדוגמה פונקציה טריגונומטרית
בניגוד לפולס שאינו מתואר על ידי פונקציה מחזורית .

עולה לי השאלה האם ההגדרה של גל נובעת משיקולים פרגטיים של דרך קלה לתאר את המציאות או משיקלו רמת החיזוי הגבוה ביותר ?
האם לשם דוגמה גלים אלקטרומגטים קיימים במציאות הפיזיקלית במובן שהם דרך החיזוי בעלת הדיוק הגבוה ביותר לחזות תנועה של פוטונים ?
או שתיאור של גלים אלקטרומגטים היא הדרך הכי קלה מבחינת משאבים וזמן לתאר תנועה של פוטונים ולמעשה אם היה לפיסיקאים כוח חישוב מספיק והם היו רוצים להשיג דיוק גבוה יותר גלים לא היו האפשרות המועדפת ?

מצטער אם אני טועה בכל מיני דברים ,אשמח לתיקונים והסברים ,שואל מסקרנות נטו .
 

avima12

New member
שאלות מענינות

אקדים ואומר שאני לא מומחה בתחום ומביע את דעתי בלבד.
לגבי אנטרופיה - לדעתי אין קשר בין האמטרופיה הפיסיקלית לזו מתורת האינפורמציה.
זו מתורת האינפורמציה הגיעה למיטב זכרוני מנסיון של שנון לכמת מידע וכיוון שהמידע היה בביטים אז לוג 2 נראה מצאים.

לגבי גלים - לא בטוח שהבנתי את השאלה
גל בים למשל הוא עליה רגעית של אנרגיה במקום מסוים המתבטאת בגובה מים גדול באותו מקום.
מודל מתמטי של התופעה נותן משוואה דיפרנציאלית מסדר שני שנקראת משוואת הגלים מכוון שהפתרון שלה
הוא מחזורי. לאחר שפותרים את המשוואות ומקבלים תוצאה בודקים את איכות הפתרון במונחים של רמת חיזוי ואם זו מספיק טובה אז המודל מתאים.
בהחלט יתכן שניתן לקבל מודל וחיזוי טובים יותר של הגלים בים אם כוח המחשוב היה גדול יותר

לגבי אור - אתה בטח מכיר את הנושא של הדואליות ולכן לומר שגלים היא אפשרות מועדפת זה לא בטוח מדוייק.
חוץ מזה נראה לי שמשוואות מכסוול לתאור שדה אלמג הם אנליטיות ולא הגיעו משיקולי פתרון עם מחשב (כי אז לא היה מחשב).

לא בטוח שעניתי אבל אלה 2 הסנט שלי
 

avima12

New member
לדעתי פה כבר גלשנו לפילוסופיה

אם הבנתי נכון הוא טוען שיש קשר בין האנרגיה לשלוח הודעה
על מצב המערכת לבין האנרגיה שנלקחה מהמערכת

יש לי בעיה עם הגדרת "מערכת" בהקשר הזה
אם למשל משה צופה במולקולות אויר בקופסא סגורה
ושולח לי הודעה על מצב הקופסא
מי כאן היא המערכת - הקופסא ? הקופסא אני ומשה ? הקופסא אני ומשה והמחשב שהעביר את ההודעה ?
הנ"ל + חברת חשמל שהפיקה זרם למחשב ? ועוד ועוד

למי במערכת הזו ירדה ולמי עלתה האנרגיה ?
 

Schrodingers Dog

New member
בקשר לגלים

אתה וודאי יודע שכל פונקציה ניתן להציג ע״י בסיס כבחירתנו, למשל פירוק פורייה לרכיבי סינוס וקוסינוס שהן פונקציות נוחות לעבודה. כל פולס למשל אפשר להציג כחבילת גלים. זה כל ההסבר.
 

aviax1

New member
אוקיי אני מבין יותר טוב אבל יש דבר אחד שאני לא מבין והוא

מדוע התנועה הגלית יותר נפוצה מתנועה בקו ישר ,מדוע הפוטון לפי המודל לא ניתן לתיאור כנע באוסף של קוים ישרים אלא במעיין סחרור מחזורי,האם זה קשור לספין של החלקיק ,לא כל כך הבנתי ?
 

Schrodingers Dog

New member
מי דיבר על תנועה גלית

אף אחד לא אמר שדברים נעים בצורה גלית. סינוס וקוסינוס אלו פונקציות מתמטיות איתן אפשר לתאר כל פונקציה, גם קו ישר. אל תבלבל בין הכלי המתמטי לבין מה שרוצים לתאר איתו.
&nbsp
בנוסף אל תתבלבל מהמשמעויות המילוליות של המילה גל בשפה היומיומית - בפיזיקה גל זאת התקדמות של הפרעה במרחב ובזמן. למשל חלקיק שנע בקו ישר יכול להחשב כהפרעה במרחב ריק ולכן - גל.
 

aviax1

New member
אה אז שמדברים בפיסיקה על גלים

אין זה אומר שמדובר בתנועה שאינה בקו ישר ?
הכוונה שלי היא שלדוגמה בגלים אלקטרוגמטים.
נניח אם אני מתאר תנועה של פוטונים בקו ישר כגל אלקטרוגמטי זה לא אומר שאני צריך לתאר אותו כגל עם משרעת השווה ל0 ?
חשבתי שבמקרה ומדובר בתנועה בקו ישר התיאור הנכון הוא פולס .
 

Schrodingers Dog

New member
עשית סלט

גלים זה התפתחות של הפרעה במרחב ובזמן. אל תבלבל בין זה לבין מכניקה ותנועה של חפצים שאולי זה מה שאתה רואה כרגע בקורס.
&nbsp
המשפט ״פוטונים נעים כמו גל אלקטרומגנטי״ הוא אוקסימורון שכן אפשר לחשוב על האור או כגל או כפוטונים אבל לא ביחד. אפשר לראות שתיאור אחד מתאים לקנה מידה גדול ופוטונים מתאימים לקנה מידה קטן.
&nbsp
אם אתה בעניין של קורסים נוספים בפיזיקה אז ״פיזיקה 3״ עוסק בגלים. אולי גם תרצה לקחת קורס במכניקת קוונטים.
&nbsp
ושוב, אל תבלבל בין גלים שאתה מכיר מהיומיום כמו גלי ים שבהם משהו עולה ויורד למושג האבסטרקטי/מתמטי של גלים בפיזיקה.
 
על הקשר בין האנטרופיות

מודל פשוט לחומרים מגנטיים (פאראמגנטיים) הוא סדרה של 1 ו-0 (10011..) כך ש-0 מייצג ספין למטה ו-1 ספין למעלה.
(ספין הוא כמו "מגנט" קטן בתוך החומר)
מה שניתן למדוד הוא את כמות הספינים למעלה פחות כמות הספינים למטה - האנרגיה של החומר/כמה הוא מגנטי.
מכיוון שאנו מודדים את האנרגיה - אנחנו עיוורים לסידור המיקרוסקופי - למשל, כל הסדרות בהן חצי למעלה וחצי למטה שקולות מבחינת מכשיר המדידה שלנו. זו נקודה חשובה בדיון על הקשר בין האנטרופיות. אמשיך.

מהי האנטרופיה עבור מערכת באנרגיה מסויימת? מרחב ההסתברות הוא הסידורים השונים של הספינים שמתאימים לאנרגיה הזאת, לכולם הסתברות שווה (זו הנחה נוספת, לא רק שמכשיר המדידה עיוור לסידור המיקרוסקופי, המערכת יכולה להמצא בכל אחד מהסידורים המיקרוסקופיים בהסתברות שווה). אם יש N מצבים כאלה, האנטרופיה מתורת המידע עבור מרחב ההסתברות הזה היא:
log(N)
וזהה לאנטרופיה מפיסיקה (עד כדי קבוע עם יחידות).

ניתוח התוצאה בקצרה - N, כאמור, הוא מספר המצבים המיקרוסקופיים שמתאימים לאנרגייה מסויימת. לכן, N הכי גדול כשחצי מהספינים למעלה וחצי למטה ו-N הכי קטן כשכולם למעלה או כולם למטה (יש רק מצב אחד כזה) -> האנטרופיה הכי גדולה מתאימה לאנרגיה/מגנטיות הכי קטנה ולכן לא נמצא בטבע פאראמגנטיים ממוגנטים.

וחזרה לדיון -
מפתה (מדעני מחשב) לחשב את האנטרופיה של סדרת 0 ו-1-ים כמידע של ערוץ בינארי - אך אין קשר, במקרה זה, בין האנטרופיה שתחושב כך (של שאנון) לבין האנטרופיה הפיסיקלית. לכן, צריך להזהר בהגדרת מרחב ההתסברות - צריך שיתאים למכשירי המדידה ולאופי ההסתברותי של המערכת.

יש ניסוי מחשבה יפה שנקרא "השד של מקסוול" (חפש בויקיפדיה) שקשור לנושא הזה. בימינו מיישמים את ניסוי המחשבה הזה בניסויים שונים - קראתי, לא מזמן, על מימוש הרעיון במערכת פיסיקלית (אלקטרון שעובר בין 2 בורות פוטנציאל) ואם אני זוכר נכון - אכן התקבלה תוצאה המתאימה ליחסים בין אנרגיה-אנטרופיה-מידע.


מילה על הפיסיקה כמערכת לתיאור מידע:
אכן, פיסיקאים (ובני אדם בכלל) שואפים לתיאור היקום באופן הפשוט ביותר - למשל: לאחד את ארבעת חוקי הטבע במסגרת תיאורטית אחת, הרגשה של אושר כשמסתכלים על הנוסחא לאנטרופיה של חור שחור המכילה את: מהירות האור, קבוע בולצמן, אנטרופיה, קבוע הכבידה של ניוטון וקבוע פלאנק באופן קומפקטי ביותר.
אז באיזשהו אופן פיסיקאים תיאורטיים מנסים להקטין את האנטרופיה של תיאור המציאות (מה שהמדע יודע) כך שתתאים לאנטרופית הקלט שמגיעה מכל מכשירי המדידה (האפשריים). רק שהדרך (משיקולי מעשיות) לעשות את זה היא לא בחיפוש קורלציות בין הנתונים באופן עיוור אלא ע"י נסיונות לתת הסברים סיבתיים בכל מיני טכניקות - מערכות אידיאליות כמו זו שלמעלה, ניסויי מחשבה וכו'.
 

aviax1

New member
תודה רבה הפעולה המינימלית

רק שלא הבנתי משהו ,במידה והאנטרופיה לפי מה שאתה תיארת עולה בהתאם לחץ הזמן ?
זה לא אומר שהיחס בן הספינים למעלה לספינים למטה צריך להתרחק מיחס של 1:1 בהתאם לחץ הזמן ?

כי אינטואטיבית הדבר ההגיוני נראה שהיחס ישאוף ל0.5 אבל מעשית על פי מה שתיארת זה נשמע הפוך . (אולי אני לא מבין את כוונתך )

ודבר שני שלא ברור לי הוא מדוע הייצוג הוא בינארי ,מדוע הוא לא בהתאם למודל תלת מימד או ארבע מימדי ,האין אנחנו חיים בעולם עם 3 מימדי מרחב ומימד זמן אחד ? (אני יודע שהזמן הוא אשליה והזמן והמרחב הם חלק ממארג אחד -המרחב זמן ,אבל כיצור תלת מימדי אני לא חושב שביכולתי לתפוס את המימד הרביעי כקיים וממשי כשלושתם מימדי המרחב אפילו שאני לא בטוח שהוא פחות ממשי מהם )

האם זו הדרך הקלה ביותר לייצוג או הדרך היחידה ליצוג של הספין ? מדוע לדוגמה לא מדובר על תנועה בן 3 או ארבעה וקטורים ?
ax +by+cz+dt

time-t
(x,y,z) קורדינאטות מרחב
 
תשובות מקוצרות

N הוא מספר המצבים שמתאים לאנרגיה (ולא ההפרש בין הספינים למעלה ולמטה - שזה מה שנראה לי שחשבת). ליחס 0.5 יש הכי הרבה מצבים ולכן בהחלט המערכת תתקדם למצב זה.
בתגובה לכל שאר השאלות - מודל מסוג זה נקרא מודל צעצוע (toy model) - פשוט כך שניתן לפתור אותו בקלות ובו זמנית מסובך מספיק כדי שיהיה אפשר ללמוד ממנו על הטבע. אני לא הבאתי אותו בשביל הפיסיקה אלא בגלל הדמיון שלו לערוץ בינארי.
&nbsp
ורק לוודא - הספין לא נע - הוא פשוט חץ שמצביע למעלה או למטה (בהסתברות שווה) במערך.
&nbsp
 
תשובה (לגבי גלי אלקטרו מגנטיים)

מקסוול אסף את כך התצפיות על חשמל (זרמים ומגנטיטות) וסיכם אותן בארבע משואות. למעשה שלוש היו ידועות, הרביעית הוספה בשבלי לספק קונסיטנטיות פיזיקלית.
&nbsp
למרבה הפתעתו הוא גילה שהפיתרון של המשואות הוא גל שנע במהירות האור. יותר מאוחר הרץ הוכיח שתזוזות של מטענים חשמליים יוצרים גלים הנעים במהירות האור.
&nbsp
העובדה שהאור הוא גל התקבלה ע"י הפיזיקאים החל מתחילת המאה ה-19 בגלל נסויי התאבכות (ניוטטו חשב שהגל הוא חלקיק).
&nbsp
איינשטין הסביר את האפקט הפוטו אלקטרי בהנחה שהאור הוא חלקיק. ומיכלסון בצע מדידות שהצדיקו את התחזיות של איינשטין.
&nbsp
&nbsp
&nbsp
בשנות השלושים דירק (ועוד פיזיקאים) פתחו תורת גלים קוונטית שמשואותיה הסבירו את התצפיות של הרץ ושל מיכלסון. פיינמן ניסח את זה בתור תורת "חלקיקים" אשר עוברים בגל המסלולים האפשריים.
&nbsp
הדבר שמתנהג בתור גל הוא לא השדות עצמם אלא אמפליטודת ההסתברות.
 

איתי123123

New member
יש קשר בין אנטרופיה לאינפורמציה ויש קשר בין פעולה לחישוב

היי,
אני גם באתי במקור מתחום של מדעי המחשב אך לקחתי קורסים בפיזיקה, וכרגע לומד גם קורסים מתקדמים בצורה עצמאית.
הקשר הברור בין אינטרופיה פיזיקלית לאינפורציה בוסס בצורה מדעית ע"י jaynes .
http://en.wikipedia.org/wiki/Principle_of_maximum_entropy
מזה גם נובעים כל מיני חסמים פיזיקליים על יכולת החישוב ושמירת האינפורמציה ביקום .
http://en.wikipedia.org/wiki/Limits_to_computation

ויותר מזה, יש מדענים שטוענים לקשר בין הפעולה ( יחידות של זמן*אנרגיה) לחישוב בטבע .
ישנו עקרון בסיסי ביותר בפיזיקה ( שנלמד רק בתואר בפיזיקה במכניקה אנליטית לראשונה ) שטוען בעצם שהטבע פותר בעיית אופטימיזציה של הפעולה ( עקורן הפעולה המינימלית או האקסטרמלית ).
מעקרון זה ותחת שימוש בכלים מתמטיים כמו חשבון וריאציות , לגרנז'יאן/ המילטוניאן המייצגים בצורה סקלארית את האנרגיה הכוללת ניתן לקבל את חוקי ניוטון וחוקי מקסוול( זה מה שמלמדים במכניקה אנליטית שעשה לגראנז' ).
ומאוחר יותר המילטון גילה שניתן לקבל מזה גם את תורת היחסות הכללית , ופיינמן פיתח מזה את תורת השדות הקוונטית ( בעזרת אינטגרלי מסלול ).

בשנים האחרונות , יש גם מדענים שטוענים לקשר היסודי הזה בין פעולה לחישוב , למשל תומאסו טופולי ( אחד ממייסדי תחום המחשוב הקוונטי ) .
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.42.2410
http://link.springer.com/article/10.1023/A:1024411819910#page-1
 
למעלה