Negentropia - Polski Serwis Naukowy

Negentropia (negatywna entropia, ujemna entropia) – w teorii systemów i cybernetyce – miara stopnia organizacji. Stanowi różnicę pomiędzy maksymalną możliwą wartością entropii – odpowiadającą całkowitej dezorganizacji systemu, a jej aktualną wartością. Przy dezorganizacji systemu negentropia maleje, podczas gdy entropia wzrasta i – na odwrót – wzrostowi organizacji odpowiada zawsze wzrost negentropii.

Sygnał to abstrakcyjny model dowolnej mierzalnej wielkości zmieniającej się w czasie, generowanej przez zjawiska fizyczne lub systemy. Tak jak wszystkie zjawiska może być opisany za pomocą aparatu matematycznego, np. poprzez podanie pewnej funkcji zależnej od czasu. Ponieważ sygnał niesie informację o naturze badanych zjawisk lub systemów, w niektórych dziedzinach nauk jest on traktowany jak nośnik informacji. Sygnał oznacza zatem przepływ strumienia informacji, przy czym przepływ może odbywać się w jednym lub w wielu wymiarach.
Léon Nicolas Brillouin (ur. 7 sierpnia 1889 w Sèvres - zm. 4 października 1969 w Nowym Jorku) – francuski fizyk. Profesor m.in. Sorbony i Uniwersytetu Harwarda. Autor prac dotyczących mechaniki kwantowej i teorii ciała stałego. Współtwórca pasmowej teorii ciała stałego. Zajmował się także cybernetyką, teorią informacji i filozoficznymi problemami nauki.

Za pomocą pojęcia negentropii próbowano wyjaśnić funkcjonowanie organizmów żywych, miało ono opisywać zjawisko "eksportowania" entropii na zewnątrz przez żywe organizmy i złożone urządzenia techniczne (systemy), w celu utrzymania niskiego poziomu własnej, wewnętrznej entropii.

W 1943 roku, Erwin Schrödinger użył pojęcia ujemnej entropii w popularnonaukowej książce pt. What is life? (Czym jest życie?), aby zjawisko to zilustrować w bardziej "pozytywny" sposób: organizm (system) importuje z zewnątrz negatywną entropię i składuje ją wewnątrz. Jednakże, w tym ujęciu, jest to tylko alternatywny sposób opisu zjawiska mogącego być opisanym przy użyciu znanych wielkości – entropii i energii swobodnej.

Energia wewnętrzna (oznaczana zwykle jako U lub Ew) w termodynamice – całkowity zasób energii układu stanowiący sumę energii oddziaływań międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych układu, a także energii ruchu cieplnego cząsteczek oraz wszystkich innych rodzajów energii występujących w układzie.
Biologia (z gr. βίος (bios) - życie i λόγος (logos) - słowo, nauka) – gałąź nauki zajmująca się badaniem życia. Nauka ta skupia się na charakterystyce, klasyfikacji oraz zachowaniu organizmów żywych, jak również sposobie powstawania nowych gatunków oraz zależnościami między nimi a środowiskiem naturalnym.

Léon Brillouin zastąpił termin: negatywna entropia pojedynczym słowem: negentropia.

W 1974, Albert Szent-Györgyi zaproponował zastąpienie terminu negentropia słowem syntropia. Słowo to wprowadził prawdopodobnie w latach 40. XX wieku włoski matematyk Luigi Fantappiè, przy próbach stworzenia zunifikowanej teorii dla jedności biologii i fizyki, bez większego jednak powodzenia. Buckminster Fuller również starał się popularyzować termin syntropii, niemniej negentropia jest nadal najczęściej używanym określeniem.

Ilya Prigogine (ros. Илья Романович Пригожин, ur. 25 stycznia 1917 w Moskwie, zm. 28 maja 2003 w Brukseli) - belgijski fizyk i fizykochemik pochodzenia rosyjskiego, arystokrata, laureat Nagrody Nobla z dziedziny chemii w roku 1977 za wkład w rozwój termodynamiki nierównowagowej procesów nieodwracalnych, a w szczególności za teorię struktur dyssypatywnych.
Cybernetyka (gr. kybernetes "sternik; zarządca" od kybernán "sterować; kontrolować") – nauka o systemach sterowania oraz związanym z tym przetwarzaniu i przekazywaniu informacji (komunikacja).

Obecnie termin ten jest stosowany głównie w teorii informacji.

Negentropia w teorii informacji i statystyce

W teorii informacji i statystyce, negentropia jest miarą odległości rozkładu zmiennej, np. wartości cechy lub sygnału od rozkładu normalnego (Gaussa), jedną z miar koncentracji rozkładu. Podstawą porównania jest rozkład normalny, ponieważ zmienna podlegająca temu rozkładowi charakteryzuje się największą entropią. Negentropia jest zawsze nieujemna, niezmienna względem dowolnego liniowego przekształcenia współrzędnych i równa zeru tylko, gdy zmienna ma rozkład normalny.

Statystyka – nauka, której przedmiotem zainteresowania są metody pozyskiwania i prezentacji, a przede wszystkim analizy danych opisujących zjawiska, w tym masowe.
Entropia – w ramach teorii informacji jest definiowana jako średnia ilość informacji, przypadająca na znak symbolizujący zajście zdarzenia z pewnego zbioru. Zdarzenia w tym zbiorze mają przypisane prawdopodobieństwa wystąpienia.

Negentropia jest definiowana jako: $J(p_x) = S(\phi_x) - S(p_x)\,$

gdzie $S(\Phi_x)$ jest entropią różnicową rozkładu Gaussa o takiej samej średniej i wariancji jak rozkładu $p_x$ , a $S(p_x)$ jest entropią różnicową tego rozkładu. Entropia różnicowa zdefiniowana jest wzorem: $S(p_x) = - \int p_x(u) \log p_x(u) du$

Negentropię stosuje się także w przetwarzaniu sygnałów, do analizy składowych niezależnych.

Czym jest negentropia Schrödingera

Opis, w publikacji Schrödingera, ujemnej entropii nazwanej później negentropią, spotkał się z wątpliwościami i silnym sprzeciwem wśród fizyków, dlatego w późniejszych wydaniach książki Schrödinger dołączył adnotację, wyjaśniając tę koncepcję następująco:

Teoria systemów bazuje na pojęciu system, pierwotnie była teorią biologiczną, następnie została rozwinięta i poszerzona przez cybernetyków i inżynierów (inżynieria systemowa), są w niej też nurty nauk społecznych jak socjologia i ekonomia. Ostatnio staje się też punktem odniesienia w kognitywistyce i informatyce i dąży do coraz to szerszych uogólnień jako "systemika" (ang. systemics) lub "ogólna teoria systemów".
Produkcja entropii - w elementarnym procesie termodynamicznym, jest to różnica między przyrostem entropii układu dS, a przyrostem entropii dQ/T wynikającym z dostarczenia do układu ciepła z otoczenia:

Powiedzmy na wstępie, że gdybym zwracał się tylko do nich (fizyków), dyskusja skierowana byłaby na problem energii swobodnej. To pojęcie jest częściej używane w tym kontekście. Niemniej ten bardzo naukowo-techniczny termin wydawał się językowo zbyt bliski z terminem energia by pozwolić przeciętnemu czytelnikowi na rozróżnienie tych dwóch rzeczy.

Już to wyjaśnienie Schrödingera wskazuje, że negentropia nie jest entropią wziętą ze znakiem minus, a raczej pojęciem bliskim energii swobodnej. Energia swobodna, to ta część energii pobranej w pokarmie lub zmagazynowanej w organizmie, którą organizm może przetworzyć na pracę nieobjętościową. Organizm funkcjonuje przy stałym ciśnieniu i praktycznie w stałej temperaturze, w takich warunkach energia swobodna jest równa entalpii swobodnej zwanej funkcją Gibbsa.

Wariancja to w statystyce klasyczna miara zmienności. Intuicyjnie utożsamiana ze zróżnicowaniem zbiorowości; jest średnią arytmetyczną kwadratów odchyleń (różnic) poszczególnych wartości cechy od wartości oczekiwanej.
Energia gr. ενεργεια (energeia) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca pod względem ilościowym stan układu fizycznego (materii) (z punktu widzenia termodynamiki niektóre formy energii są funkcjami stanu i potencjałami termodynamicznymi), stan i wzajemne oddziaływania obiektów fizycznych (ciał, pól, cząstek, układów fizycznych), przemiany fizyczne i chemiczne oraz wszelkiego rodzaju procesy występujące w przyrodzie.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)