Wie wirken sich kohärente Schwingungen auf die Entropie eines Systems aus?

In der EEG-Analyse werden Entropie und Kohärenz als Gegensätze in einer Skala behandelt. Niedrigere Kohärenz ist höhere Entropie. Dies ist Informationsentropie, nicht thermodynamische Entropie.

Wie würden in einem thermodynamischen System kohärente Schwingungen die Entropie beeinflussen? Wenn die Teilchen im System beispielsweise eine stehende Welle mit unterschiedlichen Frequenzen hätten, würde die Entropie verringert (da es weniger gültige Mikrozustände gibt) oder erhöht (da die Kohärenz vom Energieeintrag abhängig wäre)?

Kennt jemand den Zusammenhang zwischen harmonischen Schwingungen und Entropie?

Das Gebiet der Neurodynamik untersucht die Rechenfunktion von oszillierenden Rhythmen im Gehirn. Als Beispiel ist hier ein Artikel, der beschreibt, wie neuronale Systeme durch periodische Synchronität kommunizieren. Wenn ein neurales System bei einer Frequenz feuert, die eine enge Harmonische eines anderen Systems ist, wird ein großer Teil der neuralen Feuer periodisch synchron sein. Andererseits haben Zündfrequenzen mit dem Verhältnis des goldenen Mittels (mathematisch) die geringste periodische Synchronität. Das heißt, die neuronale Verarbeitung ist gemultiplext – sie ist in zeitliche Bänder unterteilt, die nach dem Goldenen Schnitt proportioniert sind. Warum? Denn dort tritt die am wenigsten regelmäßige Synchronität auf.

Kaum zu glauben, dass der Goldene Schnitt eine so wichtige Rolle im Gehirn spielt. Aber eigentlich ergibt sich dieser Effekt nur aus der mathematischen Notwendigkeit: http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/neuro.03.001.2008/full

Schrödinger beschrieb, wie Lebewesen auf die Produktion „negativer Entropie“ angewiesen sind. Wie hängt Kohärenz im Gehirn mit Schrödingers negativer Entropie zusammen? Bedenken Sie: "Neuronen, die zusammen feuern, verdrahten sich; Neuronen, die sich nicht synchronisieren, können sich nicht verbinden". Im Gehirn ist Synchronität eine Fitnessfunktion, die die Evolution neuronaler Systeme antreibt. (z. B. Hebbisches Lernen, Neuronale Gruppenauswahl). Die Mathematik und Physik von kohärenten Schwingungen, Synchronität, Oberschwingungen scheinen wesentlich zu sein, um das Gehirn verstehen zu können.

Deshalb frage ich noch einmal: Ist Kohärenz das Gegenteil von Entropie?

Antworten (1)

Bei der EEG-Analyse bin ich mir nicht sicher, aber in der Quantentheorie haben kohärente Schwingungen eine Entropie nahe Null, wobei nur die Quantenfluktuationen zu einer gewissen Entropie beitragen. Im Artikel unter

https://arxiv.org/abs/quant-ph/0104083

Es diskutiert einige Beispiele für offene, aber gut definierte Systeme und zeigt, dass selbst im niedrigsten Energiezustand der Erde (vielleicht das Vakuum) immer noch größer als Null sein kann. Temperatur ebenso.

Dennoch muss diese ganze Frage der Entropie gut definiert werden, um Sinn zu machen. Entropie wird allgemein und konzeptionell als unbekannte oder verborgene Information oder Informationsverlust definiert. Für Schwarze Löcher ist das sehr gut, für Systeme mit vielen Teilchen ist es die mögliche Anzahl von Zuständen des Systems, die für bestimmte makroskopische bekannte Variablen (wie zum Beispiel Volumen und Druck und Temperatur für Gase) die Anzahl möglicher mikroskopischer Zustände ist damit vereinbar. Das ist die sogenannte versteckte Information oder das Fehlen von Information. Und wenn Sie den Log dieser Zahl nehmen, erhalten Sie etwas, das von der Temperatur abhängt, und das ist die Entropie

Nun, Kohärenz ist ein eigenes Konzept und bezieht sich im Grunde auf Schwingungen oder Wellen, die eine Frequenz und Phase haben und beibehalten. Oder zwei Wellen werden als kohärent bezeichnet, wenn sie dieselbe Frequenz und eine konstante Phasendifferenz beibehalten. Das ist die physikalische Definition, aber für Quantensysteme wird es komplexer. Siehe den Artikel über Kohärenz bei Wikipedia unter https://en.m.wikipedia.org/wiki/Coherence_(physics)

Und Sie können die ähnliche, aber Quantendefinition der Informationsentropie bei Wikipedia unter https://en.m.wikipedia.org/wiki/Coherent_information sehen . Es ist konzeptionell nicht allzu anders, obwohl die Mathematik und die Details kompliziert aussehen können.

Für EEG gibt es verschiedene Definitionen, die Menschen für Entropie verwendet haben. Ein paar von ihnen sind in etwas beschrieben, was ich leicht googeln könnte, und es hat im Allgemeinen mit dem zu tun, was sie die „Unregelmäßigkeiten“ der Wellen nennen. Siehe zum Beispiel den spezifischen Artikel http://uknowledge.uky.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1205&context=gradschool_theses

Diese werden am besten in einem Biologie- oder biomedizinischen Bereich behandelt, obwohl es ja auch Biophysik ist. Vielleicht kann jemand auf dieser Seite kommentieren oder antworten. Ich würde vermuten, dass man ein ähnliches, aber anderes Rezept als in der Physik verwendet: Definieren Sie den abstrakten Raum von EEG-Oszillationen und definieren Sie ein Maß für die Regelmäßigkeit (was Kohärenz im Sinne der oben angegebenen Wellenkohärenz sein kann) und schätzen Sie es ab.

Wenn Sie eine gute Referenz für die Behandlung von Kohärenz und Entropie für EEG posten können, und Sie können ein wenig Hausaufgaben machen und versuchen, die Definitionen und vielleicht ein einfaches Beispiel speziell zu posten, können die Leute auf dieser Site möglicherweise auf die Konsistenz antworten mit den physikalischen Definitionen oder den informationstheoretischen Definitionen, die im Wesentlichen in verschiedenen Kontexten ziemlich gleich sind.

Das war meine erste Frage zum Physiküberlauf und das ist eine schöne Antwort! Ich entschuldige mich, dass ich es erst Monate später sehe. Ich werde einige spezifische Definitionen und Beispiele aus der Neurowissenschaft vorbereiten. Vielen Dank, dass Sie darüber nachgedacht haben – ich finde die Beziehung zwischen Informationsentropie (Shannon-Entropie) und thermodynamischer Entropie ein fantastisches Rätsel. Shrödinger behauptete, lebende Organismen müssten „negative Entropie“ erzeugen. Ich schaue mir an, wie neuronale Systeme die phasische Synchronisation verwenden, um verschiedene Gehirnrhythmen aufeinander abzustimmen und die Kommunikation zu unterstützen. Dies wird einen weiteren Beitrag erfordern.
„Thermodynamik kohärenter Zustände und Schwarzes-Loch-Entropie“ – Es ist so lustig, wie der Artikel sich mit diesen beiden Themen befasst! Einer würde reichen :) Aber sie verbinden sie so: "mittlere Quantenzahl und Entropie eines Schwarzen Lochs haben die gleichen Formen wie die relevanten Werte für kohärente Zustände des harmonischen Oszillators oder Quantenfelds in der Nähe der statischen Quelle. ... Es ist daher ganz natürlich zu erwarten, dass sich in der Nähe des Schwarzen Lochs ein kohärenter Zustand virtueller Anregungen bildet und die Entropie des Schwarzen Lochs folglich die thermodynamische Entropie dieses kohärenten Zustands ist.
Sie sagen: "In der Quantentheorie haben kohärente Oszillationen eine Entropie von nahezu Null, wobei nur die Quantenfluktuationen zu einer gewissen Entropie beitragen" - Wenn das System also an Kohärenz gewinnt, muss es die Entropie verringern? Ist Kohärenz immer mit weniger Entropie verbunden? Ich verstehe Entropie als "weniger Systemkonfigurationsmöglichkeiten". Die Boltzman-Entropie ist das Volumen des Phasenraums der möglichen Mikrozustandskonfigurationen, aus denen eine Makrozustandsbeobachtung besteht. Gibbs ist äquivalent, aber anstelle des Volumens des Phasenraums ist es die Oberfläche. Irgendwie gewinnt Boltzman, weil es negative Temperaturen zulässt.
Wahrscheinlich haben Sie diesen Artikel über Kohärenz für eine verbesserte interneuronale Kommunikation bereits gesehen. ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4706353 . Ich bin mit diesem Forschungsgebiet nicht vertraut, würde aber zuerst nach einem Übersichtsartikel der gesamten Idee suchen, bevor ich versuche, den Sinn dieser Art von Artikeln zu beurteilen. Es sieht ein bisschen zu sehr aus, als würde man nach etwas suchen, das da sein könnte oder auch nicht, und an Strohhalmen ziehen. Es muss eine grundlegende Sache geben, die es zwei Neuronen ermöglicht, zu kommunizieren, und eine einfache Möglichkeit, um zu sehen, ob Phasenverriegelung einen Unterschied macht.
Neuronen weisen eine unglaubliche Vielfalt auf, sodass jedes Modell, das ihre Kommunikation beschreibt, erhebliche Vorbehalte erfordert. Die klassische Beschreibung von Hebbian Learning lautet jedoch: „Neuronen, die zusammen feuern, verdrahten sich; Neuronen, die sich nicht synchronisieren, können sich nicht verbinden.“ Während dies eine grobe Vereinfachung ist, kann die Synchronität zwischen Neuronen als eine konkurrierende „Fitnessfunktion“ angesehen werden, die die Entwicklung kortikaler Säulen und die allgemeine Konnektivität im Gehirn eines Individuums antreibt. Bis zu 1/3 aller Neuronen werden „beschnitten“; Mangel an Synchronität mit ihren Altersgenossen ist ein Schlüsselfaktor. Buzakis „Rhythms of the Brain“ ist eine starke Rezension.
Wie wirken sich kohärente Schwingungen auf die Entropie eines Systems aus?
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