Was verstehen Physiker unter „Information“?

Im Falle der Relativitätstheorie bezieht sich "Information" auf ein Signal, das Kausalität erzwingt. Das heißt, wenn Ereignis A Ereignis B verursacht, muss ein Signal von A nach B wandern. Woher würde B andernfalls „wissen“, dass A aufgetreten ist?

Einige Beispiele:

• Licht (Signal) von einer Kerze (A) trifft auf Ihr Auge (B), wodurch Sie es sehen können.
• Strom (Signal) fließt von einem angeschlossenen Schalter (A) zu einer Glühbirne (B) und schaltet diese ein.
• Ihr Freund (A) wirft ein Bündel Papier (Signal), das Sie (B) am Hinterkopf trifft, wodurch Sie sich umdrehen, um zu sehen, wer versucht, Ihre Aufmerksamkeit zu erregen.

In all diesen Fällen kommt die Wirkung (B) nach der Ursache (A), weil es ein Signal von A geben muss, das mit B interagiert, damit B eintritt. Der Fachbegriff dafür ist „Lokalität“. Im Laufe der Jahrhunderte des Studiums der Funktionsweise des Universums haben Wissenschaftler herausgefunden, dass alle Ursachen lokal zu ihren Wirkungen gehören; Nichts passiert in der Ferne, ohne dass etwas (Licht, Ton, Materie usw.) als Vermittler fungiert. [1] Wenn Sie mit einem entfernten Objekt (einem Freund, einem Planeten, einem feindlichen Ziel) interagieren möchten, müssen Sie entweder selbst dorthin gehen oder etwas an Ihrer Stelle senden (einen Brief, einen Satelliten, eine Rakete).

Betrachten wir den Fall eines Laserstrahls, der über die Oberfläche des Mondes streicht. Stellen wir uns weiter vor, dass zwei Astronauten, Alice und Bob, auf der Oberfläche des Mondes mit großem Abstand voneinander sind. Der Laserpunkt streicht über den Mond und fällt sowohl auf Alice als auch später auf Bob, wobei sich der Punkt schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegt. Die Frage ist also, stellt dieser Punkt ein Kausalitätssignal von Alice an Bob dar ? Die Antwort ist nein, denn nichts, was Alice tut, beeinflusst, wie sich der Punkt bewegt oder wann er sich bewegt oder ob er sich bewegt. Die Ursache des Lichts liegt auf der Erde und ist für Alice nicht lokal. Nichts, was Alice tut, wird die Stelle verändern, die Bob sieht.

Es gibt eine Möglichkeit, wie Alice den Spot verwenden kann. Sie kann einen Spiegel hochhalten und den Laserstrahl zu Bob reflektieren. Der reflektierte Laserstrahl ist ein Kausalitätssignal, da sein Ursprung lokal bei Alice liegt. Alice kann wählen, ob sie den Strahl an Bob reflektiert oder nicht. Beachten Sie jedoch, dass sich dieses Signal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Es kommt an, nachdem der Laserpunkt über die Oberfläche gefegt ist.

[1] Aus diesem Grund protestierten Einstein und andere gegen die Verrücktheit der Quantenverschränkung. Es sieht aus wie ein Fernsignal, ist es aber nicht. Verschiedene mathematische und experimentelle Entdeckungen zeigen, dass nicht einmal die „spukhafte Fernwirkung“ der Verschränkung Informationen schneller als Licht übertragen kann. Quantenteleportation wurde im Labor demonstriert, aber es muss ein Signal langsamer als Licht zwischen Sender und Empfänger geben, damit das System funktioniert. Es gibt viel zu viele Details, um hier darauf einzugehen.

Im Zusammenhang mit der Relativitätstheorie und der Nichtweitergabe von Informationen mit mehr als Lichtgeschwindigkeit zwischen zwei getrennten Punkten$A$und$B$, "Information" bedeutet einfach jedes Teilchen, Merkmal in einem Feld (EM, Quantenfeld, Krümmung in der Raumzeit ...), Nachricht oder so weiter, das eine kausale Verbindung zwischen ihnen ermöglichen könnte$A$und$B$, dh machen könnte$B$'s Physik abhängen$A$'s Anwesenheit (und umgekehrt).

Daher wissen wir zum Beispiel, dass in relativistischen Grenzen die gewohnte Wärmediffusionsgleichung gilt$(\partial_t-k\,\nabla^2)T=0$kann nicht richtig sein, denn seine Lösung in 1D ist eine Überlagerung von Wärmekernen$\frac{1}{\sqrt{4\,\pi\,k\,t}}\exp\left(-\frac{x^2}{4\,\pi\,k\,t}\right)$. Vermuten$A$sitzt, gesessen$x=0$und vermittelt einen Wärmeimpuls an$x=0$( dh heizt eine winzige Region in der Nähe auf$x=0$intensiv und schnell) und$B$bei$x=L$hat zugestimmt, sobald eine Flagge zu hissen$B$spürt einen Anstieg der Temperatur bei$x=L$. An der Zeitabhängigkeit des Wärmekerns sehen wir, dass die Temperatur zu steigen beginnt$L$bei$t=0$, also die Signalisierungsgeschwindigkeit in diesem Fall zwischen$A$und$B$wäre beliebig schnell und nur durch das Signal-Rausch-Verhältnis begrenzt$B$s Messung.

Manchmal wird angegeben, dass die Signal- oder "Informationsausbreitungsgeschwindigkeit" in einem dispersiven Medium die Gruppengeschwindigkeit ist, da dies ungefähr die Geschwindigkeit ist, mit der sich jede schmalbandige Modulation auf einer Trägerlichtwelle ausbreitet, und dies scheint tatsächlich Geschwindigkeitsbegrenzungen aufzuerlegen von$<c$wenn es auf Bereiche mit anomaler Dispersion in optischen Medien angewendet wird. Aber das ist nur eine Annäherung, die bei sehr breitbandigen Signalen zusammenbricht. Letztendlich muss man zu grundlegenden Kausalitätsgrenzen zurückkehren, wie sie zB durch das Paley-Wiener-Kriterium gefunden wurden, um herauszufinden, welche Einschränkungen es bei Dingen wie der optischen Dispersion geben muss.