Information und die innere Struktur des Universums

106 Pages·1991·6.891 MB·German

by  Professor Tom Stonier (auth.)

Tom Stonier
Information
und die innere Struktur
des Universums
Ubersetzt von Hainer Kober
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona
Budapest
Professor Tom Stonier
838 East Street
Lenox, MA 01240, USA
Ubersetzer:
Hainer Kober
W-2251 Nordstrandischmoor, FRG
TItel der englischen Originalausgabe: Information and the Internal Structure of the Universe
© Springer-Verlag London Limited 1990
ISBN-13: 978-3-540-53825-7 e-ISBN-13: 978-3-642-76508-7
DOl: 10.1007/978-3-642-76508-7
Mit 4 Abbildungen
ISBN -13:978-3-540-53825-7
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme. Stonier, Tom: Information und die innere Struktur des
Universums 1T om Stonier. [Ubers.: Hainer Kober]. - Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo;
Hong Kong; Barcelona; Budapest: Springer, 1991.
Engl. Ausgl. u.d.T.: Stonier, Tom: Information and the internal structure of the universe
ISBN-13:978-3-540-53825-7
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991
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auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen
und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden
diirften.
56/3140-543210 - Gedruckt auf saurefreiem Papier
Meinen Studenten,
deren Fragen meinem Denken
neue Wege wiesen.
Danksagung
Mein Dank gebiibrt den Studenten und Kollegen in aller Welt ftir die vielen anre
genden Diskussionen. Besonders niitzlich waren die Gespriiche mit Andrew Hop
kins, Paul Quintas, Mark Seeger, Jefferson Stonier und verschiedenen Kollegen der
Bradford University und besonders den Professoren Steven Barnett, Tony Johnson,
Derry Jones, Vmcent Walker und John West. Zu einer sorgfaItigen Durchsicht ver
schiedener Fassungen des Manuskripts sowie kritischen Aruherkungen erklarten
sich freundlicherweise bereit: Philip Barker (Teesside), Brian Garvey (New Jer
sey), Geoffrey Harrison (York), Neil McEwan (Bradford), Peter Monk (York),
James Noras (Bradford) und Jiri Slechta (Leeds). Ihre Beitriige haben mir sehr
geholfen, schwerwiegende Fehler zu vermeiden und ein komplexes und strittiges
Thema in einer logischeren und iiberzeugenderen Form zu priisentieren. Mein be
sonderer Dank gilt Neil McEwan fiir die Diskussionen, die zur Quantifizierung der
Relation von Energie und Information fiihrten.
Angesichts der modernen Textverarbeitungssysteme ist die Versuchung groB,
die Zahl der Manuskriptfassungen exponentiell anwachsen zu lassen. Ich fiirchte,
ich bin dieser Versuchung hemmungslos erlegen - wodurch ich nicht nur zu einer
schweren Belastung ftir den Waldbestand und die Umwelt im allgemeinen wurde,
sondern auch fUr die Leidensfahigkeit meiner Sekretiirin Marlene Ellison im be
sonderen. Ich danke ihr fUr den Gleichmut und die unverwiistliche gute Laune,
mit der sie das getragen hat, von ihrer Tiichtigkeit und ihren Fiihigkeiten ganz zu
schweigen.
Meiner Frau Judith schulde ich Dank; sie hat fUr die lebenserhaltenden Rah
menbedingungen gesorgt und der Schwermut und Diisternis, die von Zeit zu Zeit
die meisten Autoren heimsuchen, ihre unerschiitterliche Zuversicht entgegenge
setzt.
Jamie Cameron und John Watson haben mir schlieBlich in bester verlegerischer
Tradition jenes Interesse und jene Unterstiitzung entgegengebracht, ohne die ein
Buch wie dieses niemals das Licht der Welt erblicken wiirde. Ihnen und dem ganzen
Team des Springer-Verlags, vor allem Linda Schofield und Jane Farrell, bin ich
zu gr6Btem Dank verpflichtet. Die fachliche Bearbeitung der deutschsprachigen
Fassung besorgte Werner Ebeling (Berlin).
Januar 1991 Tom Stonier
Inhaltsverzeichnis
1. Information: Abstraktion oder Realitat? .................. 1
1.1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Kann es Information
auBerhalb des menschlichen Gehirns geben? .............. 2
1.3 Kann Information
auBerhalb des menschlichen Gehirns verarbeitet werden? .... 4
1.4 Pormen menschlicher Information und ihrer Kommunikation 4
1.5 Biologische Informationssysteme ....................... 7
1.6 Anorganische Informationssysteme ...................... 8
1.7 Nicht-menschliche Informationsverarbeitung .............. 10
1.8 Einige erkenntnistheoretische Uberlegungen .............. 11
2. Informationsphysik: Eine Einfiihrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1 Die Realitat von Information ........................... 14
2.2 Der Kern des Konzepts ............................... 17
2.3 Information - die verborgene Dimension ................. 20
3. Information und Entropie. Die mathematische Beziehung . . . . . . 23
3.1 Information und Organisation .......................... 23
3.2 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik ............... 24
3.3 Die statistische Bedeutung der Entropie .................. 26
3.4 Information als inverse Exponentialfunktion der Entropie 27
3.5 Die Konstante c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4. Messen der unterschiedlichen Information
veranderter physikalischer Zustande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1 Das Messen des Informationsgehaltes eines Kristalls ....... 31
4.2 Proteine als Informationssysteme ....................... 34
4.3 Die Denaturierung von Trypsin ......................... 36
4.4 SchluB ...................................... , . . . . . . 38
x Inhaltsvcrzciclmis
s.
Infonnation und Entropie: Weitere Konsequenzen . . . . . . . . . . . 39
5.1 Einleitung ....................' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2 Information und Entropie
aus der Sicht des Nachrichtentechnikers .................. 39
5.3 Positive Entropie .................................... 42
5.4 Negative Entropie .......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.5 GroBenordnungen der Information ...................... 51
5.6 Die Evolution des Universums ......................... 53
6. Weitere Uberlegungen zur Wechselbeziehung
zwischen Infonnation und Energie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.2 Reine Energie: Wfume, die Antithese der Information ...... 56
6.3 Informationsgehalt von Energie ........................ 58
6.4 Bewegung, Entfernung und Zeit ........................ 59
6.5 Information und potentielle Energie '..................... 63
6.6 Die wechselseitige Umwandlung von Energie und Information 65
6.7 Informationsmaschinen ............................... 66
6.8 Strukturelle und kinetische Information .................. 68
6.9 Transformationen zwischen kinetischer
und struktureller Information ........... . . . . . . . . . . . . . . . 71
7. Infonnation und Arbeit .............................. 73
7.1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.2 Die Beziehung zwischen Arbeit und Information .......... 74
7.3 Energiewandler. .. . . ... ... .... . . .. ... . .. .. . . . ... ..... 75
7.4 Arbeit in biologischen Systemen ........................ 78
7.5 Neubewertung der Arbeitsgleichungen ................... 79
7.6 Messung des Informationsgehaltes elektrischer Arbeit ...... 82
8. Zusammenfassung UDd Schlu8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.1 I;:inleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.2 Grundthesen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.3 Geschichtlicher Riickblick ............................. 87
8.4 Warum hat man die Information iibersehen? .............. 88
8.5 Die Notwendigkeit von Modellen und Theorien ........... 89
8.6 Die Bedeutung der Informationsphysik
fUr eine allgemeine Informationstheorie .................. 90
8.7 AbschlieBende Uberlegungen .......................... 92
Sachverzeichnis 95
Prolog
What is matter?
Never mind!
What is mind?
No matter!
(Albert Baez, 1967)
Materie und Energie bestimmen die auBere Struktur des Universums. Die auBere
Struktur des Universums ist unseren Sinnen 1eicht zuganglich.
Die innere Struktur ist weniger offenkundig. Ihre Organisationsweise entzieht
sich unserer Wahrnehmung. Sie besteht nicht nur aus Materie und Energie, sondem
auch aus Information.
Zu Materie und Energie haben wir eine physische Beziehung. Wrr erkennen sie
von friihester Kindheit an. Sie gehOren offenbar auch zu unserem Instinkterbe aus
der Zeit unserer friihmenschlichen Vorfahren.
Materie ist der Boden, auf dem wir gehen, sind die Steine, die wir werfen, die
Objekte, an denen wir uns die Zehen oder den Kopf stoBen. Aus Materie sind die
Dinge, die wir handhaben.
Energie ist, was wir wahrnehmen, wenn wir ins Licht blinzeln oder uns in der
Sonne warmen. Energie kann uns Schmerzen verursachen oder uns erschrecken -
etwa wenn wir uns die Finger verbrennen, in einem Schiff hin-und hergeschleudert
oder von einem Blitz in Angst versetzt werden.
Information spricht unsere Sinne nicht so unmitte1bar an. Trotzdem gehort auch
sie zu unserer taglichen Erfahrung. Jedesmal wenn wir uns unterhalten, eine Zei
tung 1esen oder femsehen, sind wir damit beschaftigt, Information aufzunehmen
oder auszutauschen. Doch stets haben wir Information mit Aktivitaten in unserem
Inneren - im Inneren unseres Kopfes - assoziiert, mit etwas, das nicht im gleichen
Sinne "wirklich" ist, wie es Materie und Energie sind.
Dieses Buch sol1 einem doppelten Zweck dienen. Erstens, es sol1 die These
prtifen, daB "Information" ebenso zum physikalischen Universum gehort wie Ma
terie und Energie, und untersuchen, we1che Konsequenzen diese These fUr die Phy
sik batte. Zweitens, es sol1 eine Grundlage schaffen, auf der sich eine allgemeine
Informationstheorie entwickeln 1aBt.
Es liegt jedoch nicht in meiner Absicht, mit dieser Arbeit eine allgemeine Infor
mationstheorie zu entwicke1n. Vielmehr geht es hier darum, die Moglichkeiten ei
nes neuen Gebietes der Physik, der I nformationsphysik zu erkunden. Aus Griinden,
die dem Leser im Fortgang der Untersuchung einleuchten werden, ist eine sol
che Erkundung eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung zur Entwick-
XII Prolog
lung einer Informationswissenschaft. Ein Teil dieses Materials ist schon andemorts
veroffentlicht worden (Stonier 1986a, 1986b, 1987). Ich habe die Absicht, in einem
geplanten Buch, Beyond Chaos, die Erkenntnisse aus der Informationsphysik mit
denen etablierter Wissensbereiche zu verkniipfen - etwa der Kybemetik, Semiotik,
Linguistik, Syntax, Semantik, der kognitiven Psychologie und der Erkenntnistheo
rie, urn dergestalt eine Synthese zu entwickeln, welche die Grenzen einer allge
meinen Informationstheorie absteckt. In einem dritten Werk, Beyond Information,
mOchte ich die Evolution der Intelligenz von prabiotischen Systemen (d.h. Syste
men, die in der Lage sind ihre Umwelt zu analysieren und so reagieren, daB sich
ihre Uberlebenschancen erhohen) bis zu post-humanen Systemen untersuchen. Ei
nen AbriB zu diesem Thema habe ich bereits an anderer Stelle veroffentlicht (Sto
nier 1988). Alle diese Erkundungen muB ich jedoch damit beginnen, daB ich die
materiellen Grundlagen der Information beschreibe und untersuche.
Dilemma des Autors
Eines der Biicher, aus denen ich von Zeit zu Zeit zitieren werde, ist Erwin Schro
dingers klassische kleine Schrift Was ist Leben? (1944). 1m Vorwort bringt er das
Dilemma, vor dem auch ich als Autor stehe, auf eine einfache Formel: ,,Bei ei
nem Mann der Wissenschaft darf man ein unmittelbares, durchdringendes und
vollstiindiges Wissen in einem begrenzten Stoffgebiet voraussetzen. Darum erwar
tet man von ibm gewohnlich, daB er nicht tiber ein Thema schreibt, das er nicht
beherrscht." Er fahrt dann allerdings fort: "Aber das Wachstum in Weite und Tiefe,
das die mannigfaltigen Wissenszweige ... zeigen, stellt uns vor ein seltsames Di
lemma. Es wird uns klar, daB wir erst jetzt beginnen, verUillliches Material zu sam
meln, um unser gesamtes Wissensgut zu einer Ganzheit zu verbinden. Andererseits
aber ist es einem einzelnen Verstande beinahe unmoglich geworden, mehr als nur
einenkleinen spezialisierten Tell zu beherrschen." Und stellt abschlieBend fest: Es
diirfte "nur den einen Ausweg aus dem Dilemma geben: daB einige von uns sich
an die Zusammenschau von Tatsachen und Theorien wagen ... und Gefahr laufen,
sich lacherlich zu machen."
An anderer Stelle ftihrt Schrodinger aus, "daB die lebende Materie zwar den
bis jetzt aufgestellten ,physikalischen Gesetzen' nicht ausweicht, wahrscheinlich
aber doch auch bisher unbekannten ,anderen physikalischen Gesetzen' folgt." In
gewissem Sinne ist die vorliegende Arbeit als Fortsetzung des von SchrOdinger
begonnenen Dialogs zwischen Physikem und Biologen zu betrachten - nur daB
die Sache diesmal yom Standpunkt des Biologen gesehen wird.
xm
Prolog
Literatur
A.V. Baez (1967), The New College Physics, W.H. Freeman, San Francisco
E. Scbriklinger (1944), Was ist Leben?, MOOchen, Piper. 1989
T. Stonier (1986a). Towards a new theory olin/ormation. Telecom. Policy. 10 (4). S.278-281
T. Stonier (1986b). What is information? in: M.A. Bramer (Hg.). Research and Development in
Expert Systems III. Cambridge University Press. S.217-230
T. Stonier (1987). Towards a general theory of information - Information and entropy. Future
.C omputing Systems. 2 (3). Abdruck inAslib Proc .• 41 (2) (1989). S.41-55.
T. Stonier (1988). Machine intelligence and the long-tenn future of the human species. AI and
Society. 2. S. 133-139