Kennt die Physik tatsächlich einen Informations-Erhaltungssatz? Wenn ja: Wie begründet sie ihn?
Physiker denken, Information könne nicht zerstört werden (wobei sie aber nirgendwo sagen, was genau sie hierbei unter "Information" verstehen). Auf jeden Fall behaupten sie, die Gesetze der Quantenmechanik würden garantieren, dass Information — auch solche, die wir Entropie nennen — nicht verloren gehen könne.
Aber stimmt das wirklich? Es ist ja schließlich alle der Quantenphysik bekannte Information codiert in der Wellenfunktion des Universums. Die aber wird durch jeden Kollaps neu festgesetzt - mit i.A. objektiv zufälligem Ergebnis.
8 Antworten
Dieser Informationserhaltungssatz wird teils postuliert, seine Gültigkeit konnte aber noch nicht belegt werden und es gibt auch reichlich Stimmen dagegen.
So tief stecke ich da leider auch nicht drin, dass ich Namen nennen könnte. Kriege das nur eher am Rande mit. Das Problem fängt wohl schon mit der Frage an, was ist eigentlich Information?
Ja: Auch ich denke, dass die Physiker da erst mal genau definieren sollten, was sie als Information im Sinne ihrer Informationserhaltungsthese verstehen.
Zudem sollten sie in diesem Zusammenhang Entropie und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gar nicht erwähnen, denn:
Entropie, so definiert Susskind, ist Information, die — obgleich von der Natur geliefert — uns verborgen ist, da sie gespeichert ist in Dingen, die zu klein und deutlich zu zahlreich sind, als dass wir sie uns einzeln und im Detail ansehen könnten.
Informationstechnisch gesehen ist das ein Entropiebegriff, der nur relativ zum Beobachter wohldefiniert ist (und - Josef Hohnerkamp weist darauf hin - einen denkenden Beobachter voraussetzt).
Ein Informations-Erhaltungsgesetz zu definieren und dann nachher den Begriff ,,Information" so lange zu dehnen und deformieren, bis das Gesetz ,,passt" hat mit Wissenschaft nichts zu tun, höchstens mit Geltungsdrang.
Zudem sollten sie in diesem Zusammenhang Entropie und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gar nicht erwähnen
Voll und ganz einverstanden!!
Heinz-Dieter Zeh, oft H. D. Zeh zitiert, war ein deutscher theoretischer Physiker, der sich mit Kernphysik, den Grundlagen der Quantenmechanik und anderen Grundlagenfragen der Physik wie etwa der Physik des Zeitpfeils beschäftigte.
"[T]here exist many well known descriptions of natural phenomena, in which information becomes effectively lost. Let me first emphasize that "information" is here always understood in the objective sense of a formal ensemble evolving according to certain dynamical laws. So it is generally accepted to be conserved under deterministic (or unitary in the case of quantum theory) laws. The question of principle therefore regards these hypothetical though empirically successful laws – not what we happen to know or are able to observe or calculate."
Auf Seite https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole_information_paradox liest man:
"There are two main principles in play:
- Quantum determinism means that given a present wave function, its future changes are uniquely determined by the evolution operator.
- Reversibility refers to the fact that the evolution operator has an inverse, meaning that the past wave functions are similarly unique.
The combination of the two means that information must always be preserved."
Was solche Argumentation übersieht ist, dass die Schlussfolgerung "The combination of the two means that information must always be preserved" nur zulässig ist, solange es nirgendwo im Schwarzen Loch zu einem Kollaps der Wellenfunktion kommt. Eben der wird aber doch umso häufiger sein, je dichter Materie zusammengepresst wird. Ganz zu schweigen davon, dass allein schon Qantenfluktuation ihn immer wieder hervorrufen wird.
Erster Teil (wegen Zeichenbeschränkung geteilt)
The combination of the two means that information must always be preserved
Du hast in meinen Augen völlig richtig erkannt, dass genau hier das Problem liegt. Nach Prigogine kann deterministisches und reversibles Verhalten aber nur in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichtes auftreten. Dies ist aber letztlich nur ein Grenzfall in der Physik der Teilchen und des Universums. In seiner Theorie disspativer Strukturen zeigt er klar anhand des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik, dass der Zeitpfeil real existiert und dass die entscheidenden Vorgänge im Universum, also immer da, wo neues ensteht, aber immer fernab des thermodynamischen Gleichgewichtes stattfinden und daher indeterministisch und irreversibel sind. Der irreversible Vorgang schlechthin in der Geschichte des Universums fand statt, als sich die Materie bildete und dabei etwa die Hälfte der im Universums insgesamt existierenden Entropie erzeugt wurde und in Form der Hintergrundstrahlung an das Universum abgegeben wurde.
Insofern gebe ich auch deiner Vermutung recht, dass die Vorgänge in einem Schwarzen Loch sicherlich des öfteren fernab des thermodynamsichen Gleichgewichtes ablaufen, womit eben die beiden Voraussetzungen zum Erhalt der Information schlichtweg nicht mehr gegeben sind.
Speziell die theoretische Physik tut sich in ihrer Mehrheit aber immer noch sehr schwer, von dem ursprünglich als unumstößlich geltenden Weltbild des Determinismus, der letztlich bis auf Newton zurückgeht, Abschied zu nehmen.
In der theoretischen Physik, der Teilchenphysik und auch der Astrophysik spielt die Thermodynamik und ihre neueren Erkenntnisse nach wie bei vielen Akteuren eine ungeliebte Nebenrolle und wird teilweise sogar weitgehend ignoriert.
Allerdings brökelt diese „Festung“ immer mehr, so wie es Prigogine angekündigt hatte. Er hatte schon in den 1980er Jahren geschrieben, dass seine neuen Erkenntnisse zur Thermodynamik die größte wissenschaftliche Revolution seit Newton auslösen würden, da sie nicht mehr und nicht weniger als den Einsturz des alten physikalischen Weltbildes bedeuten würden. Die Zeit gibt ihm mehr und mehr Recht.
Auch Zeh beruft sich auf Prigogine. In der Einleitung zu seinem Werk „The Physical Basis of The Direction of Time„ schreibt er z.B.:
In spite of their fact-like nature, these arrows of time, in particular the thermodynamical one, have been regarded by some of the most eminent physicists as even more fundamental than the dynamical laws. For example, Eddington (1928) wrote:
"The law that entropy always increases holds, I think, the supreme position among the laws of nature. If someone points out to you that your pet theory of the universe is in disagreement with Maxwell's equations - then so much the worse for Maxwell's equations.... but if your theory is found to be against the second law of thermodynamics, I can give you no hope; there is nothing for it but to collapse in deepest humiliation."
Zweiter Teil:
Im weiteren geht Zeh auf die Irreversibilität ein, die letztlich eben zu der Asymetrie der Zeit führt, die einem Reduktionismus bzw. Determinismus, der auf Reversibilitäten angewiesen ist, den Garaus macht. Insbesondere geht er darauf ein, dass Prigogine nach eigenen Worten den Begriff der Geschichtlichkeit in die Physik eingeführt hat. Die Geschichtlichkeit ist eine der wichtigsten Auswirkungen des real existierenden und an die Entropieerzeugung gekoppelten Zeitpfeiles. Zeh bezieht sich dabei insbesondere auf das Buch „vom Sein zum Werden“ von Prigogine:
It appears doubtful that these different view points should have different power of explaining an asymmetry in the content of the movie, even though they are regarded as basically different by many philosophers, and also by some physicists (Prigogine 1980, von Weizsacker 1982) - see also Chap. 1. The second point of view is related to the popular position that the past be 'fixed', while the future is 'open' and does 'not yet exist'. The asymmetry of history is then regarded as the 'outcome' (or the consequence) of this time- directed 'process of coming-into-being'. (The abundance of quotation marks indicates how our language is loaded with prejudice about the flow of time.) The fact that there are documents, such as fossils, only about the past, and that we cannot remember the future, 2 appears as evidence for this 'structure of time' (as it is called), which is also referred to as the 'historical nature' (Geschichtlichkeit) of the world.
Das von dir bemängelte beiseite-schieben gewisser Vorgänge, wie z.B. dem Kollaps der Wellenfunktion, erwähnt Zeh auch noch und das haut in die selbe Kerbe der von mir oben angeführte Kritik:
The prime intention of this book is to discuss the relations between different arrows of time, and to search for a universal master arrow. Toward this end, open problems will have to be pointed out. In the traditional fields they have often been pragmatically put aside, while they may become essential in conjunction with more recent theoretical developments, which seem to have fundamental cosmological implications (see Chaps. 5 and 6).
Eine sehr intensive Auseinandersetzung des neuen Weltbildes von Prigogine mit der klassischen reversiblen und deterministischen Physik findet in einer Dissertation statt, die ich hier verlinke. Statt „Auseinandersetzung“ könnte man diese Arbeit auch fast schon als Abbrechnung mit der klassischen Physik bezeichnen.
https://d-nb.info/104384726X/34
Eine Kernfrage, um die es da geht, ist die (Seite 32):
Ohne wenn und aber stellt sich damit die Frage: Welchen Status hat die reversible Beschreibung der Dynamik eigentlich „in der natürlichen Welt, in der die Irreversibilität die Regel zu sein scheint?“ [PRIGOGINE,I., STENGERS, I.und PAHAUT, S. (1991), S.45].
.....
Der anderen ‚Lösung’ zufolge – auf die Albert Einstein sein Leben lang schwor – wird die Irreversibilität zur puren Illusion stilisiert oft vor dem Hintergrund eines unverwüstlichen Glaubens an eine angeblich „objektive Wirklichkeit, die reversibel, gesetzmäßig und deterministisch sei“. [PRIGOGINE,I., STENGERS, I. und.PAHAUT, S. (1991), S.46].
ChatGPT 4 beantworted die Frage wie folgt: https://www.gutefrage.net/frage/kann-information-zerstoert-werden#answer-509140179
Was Quantenphysiker unter Informationserhaltung verstehen, erklärt Robert Berezdivin auf Seite https://www.quora.com/What-do-physicists-mean-by-information-when-talking-about-black-holes :
Wann auch immer sich der Zustand eines Quantensystems Q ändert, gibt es eine unitäre Transformation, welche diese Zustandsänderung bewirkt.
Mit anderen Worten: Gegeben irgend einen Zustand Q(V) in der Vergangenheit, lässt sich der gegenwärtige Zustand Q(G) erklären als Bild von Q(V) unter einer Folge unitärer (d.h. umkehrbarer) Transformationen T1, T2, ...., Tn, so dass - wer Q(G) und diese Folge kennt, implizit auch Q(V) kennt - Zustandsinformation also nie verloren gehen kann.
Leider scheinen sämtliche Physiker hierbei zu übersehen, dass die Natur nirgendwo das Wissen über die Folge T1, T2, ..., Tn festhält.
Aber kann es denn wirklich sein, dass renommierte theoretische Physiker - Susskind etwa oder der Nobelpreisträger 't Hooft - derart triviale Denkfehler machen?
Ich vermute mal man müsste für so eine Theorie die ganze Sache schon etwas genauer in denn differenziertheiten des etwas irreführenden Begriffes der "Information" beschreiben. Wie z.B die ergebende materielle form und die darin enthaltenen In-formation (Anordnung) bsp Wasser zu Eis. Oder die Subjektive Wissens-information die z.B durch einen Zugewinn schon umgeformt\umgewandelt wird und somit quasi zerstört ist(nicht vernichtet!) usw...gibt noch viel mehr Varianten aber sollt klar sein was gemeint ist.
Beim Informations-Erhaltungssatz ist nicht die Entropie gemeint. Die Entropie nimmt ja immer zu. Es geht nicht um die Thermodynamik, sondern um die Quantentheorie. Die Frage ist, ob es einen 'Kollaps' der Wellenfunktion gibt oder nicht. Falls es so einen Kollaps gibt, würde Information verloren gehen. Die Quantentheorie müsste dann ergänzt werden um einen Mechanismus, der beschreibt, wie der Kollaps abläuft.
Der zitierte Dieter Zeh hat die sogenannte Dekohärenztheorie entwickelt, in der er annimmt, dass die Quantentheorie nicht ergänzt werden muss, sondern die Realität beschreibt. Die Dekohärenz sieht dann für den einzelnen Beobachter so aus, als gäbe es einen Kollaps. Aber die Information bleibt in der Gesamtbeschreibung erhalten, nämlich in Form von vielen Welten (Viele-Welten Interpretation).
Die Information ist dabei aber nur im Multiversum erhalten. Im sichtbaren Universum nicht. Ich glaube nicht, dass es bedeutende Physiker gibt, die glauben, im sichtbaren Universum sei die Information erhalten.
Die Frage scheint mir zu sein, ob mit erhaltener Information nicht genauer erhaltene Informationskapazität gemeint ist.
Natürlich gibt es KEIN Informations-Erhaltungsgesetz. Es ist niemals explizit formuliert und noch weniger bewiesen. Jeder Papiershredder und jeder Löschvorgang eines Computer-Speichers beweisen, dass Information verloren gehen kann. Dazu braucht es keine Quantenphysik, Schwarze Löcher oder Entropie; nur etwas gesunden Menschenverstand.
Das ist richtig, aber natürlich zunächst mal nur in Bezug auf das, was wir umgangssprachlich als Information bezeichnen.
was wir umgangssprachlich als Information bezeichnen.
Nicht nur ,,umgangssprachlich" sondern auch der Begriff Information aus der Informations-- und Kommunikationstheorie von Shannon usw. (Information in Computern und Datenverarbeitungs-- und --übertragungsanlagen)
Eine Ausweitung des Begriffes "Information" über der Informationstheorie hinaus muss gut definiert und begründet werden! Solange das nicht passiert ist, sind diese Diskussionen im bestem Falle als pseudo-Wissenschaft zu bezeichnen.
Völlig richtig.
Aber dahin zielt meine Frage ja auch. Susskind etwa schrieb:
"... das elementarste Naturgesetz, die Erhaltung der Information, war ernstlich gefährdet. Für diejenigen, die [Hawking] aufmerksam zuhörten, war klar: Entweder irrte Hawking oder der 300 Jahre alte Kernsatz der Physik galt nicht mehr."
Information, so Susskind, bestehe aus Daten, die einen Sachverhalt von einem anderen unterscheiden. Und dass ein von einem Schwarzen Loch verschluckter Brief etwa auf immer verloren sein wird, ist doch wohl klar.
Quelle des Zitats: Leonard Susskind: Der Krieg ums Schwarze Loch: Wie ich mit Stephen Hawking um die Rettung der Quantenmechanik rang (2010), S. 16.
das elementarste Naturgesetz, die Erhaltung der Information, war ernstlich gefährdet
So ein Unsinn! Es gibt überhaupt kein elementares Naturgesetz dass Information behalten bleibt und es hat es nie gegeben. Woher hat Susskind diese Behauptung?
Und dass ein von einem Schwarzen Loch verschluckter Brief etwa auf immer verloren sein wird
Manchmal hat es bei der Post solche ,,schwarze Löcher".
Wenn schon ein recht renommierter, weltweit bekannter theoretischer Physiker wie Susskind so unpräzise denkt, was soll man dann von all dem halten, was andere promovierte Physiker uns so alles zu erklären versuchen? ( https://www.quora.com/What-does-information-mean-in-physics )
Welches Vertrauen in ihre komplizierten Modelle kann man dann noch haben?
Ich habe diesen Link angewählt und was ist dort geschrieben?
With all respect due Dr. Susskind, not one bit of this parable is true: QM notwithstanding — and never mind ink residue — the “information” is utterly and irrecoverably gone. As in obliterated (better still, in QM lingo, annihilated
Das ist doch genau was ich auch behauptet habe. Der Verfasser dieses Links widerspricht offensichtlich auch Dr.Süsskind.
Ich nehme mir jetzt etwas Zeit zum auf diese Sachen einzugehen. Die ganze Quantenphysik inklusive ,,Schwarze Löcher" usw. ist jetzt in der Phase wo die klassische Physik im Anfang des 19.Jh war. Es sind viele Messungen und Experimenten durchgeführt worden, aber das entsprechende Weltbild; die ,,mentalen Modelle" fehlen noch. Einstein hat zwar einige Erkenntnisse mathematisch beschrieben, aber eine ,,Vorstellung" hat er noch nicht gehabt. (er hat die Quantenphysik von Max Planck zum Teil widersprochen).
Oftmals haben die Quanten-- und Relativitätsphysiker (wie Hawking) versucht, mit irgendwelchen Gleichnissen versucht, ihre Erkenntnisse und Hypothesen plausibel zu machen. Und die Halblaien nehmen solche Gleichnisse (,,Schwarze Löcher") dann als Wirklichkeit an und fantasieren dann reichlich darauf los. Offenbar auch ,,anerkannte" Physiker wie Süsskind. (Ich kannte bisher den Namen nur im Zusammenhang mit dem Roman Das Parfum)
Auch den Zusammenhang von Entropie und Information wird oft in vielen Literaturstellen erwähnt, obwohl Entropie mit Wärme-Übergang zusammenhängt und nach der ursprünglichen Definition mit Information nichts zu tun hat. Aber wenn wir diesen Zusammenhang tatsächlich als gegeben annehmen: In einem geschlossenen System nimmt die Entropie ZU; das heißt die Information nimmt AB. Damit ist nochmals begründet, dass es kein Informations-Erhaltungs-Gesetz geben kann!
Informationen — auch solche, die wir Entropie nennen
Der Satz ist falsch. Wenn schon, dann ist Entropie gegenläufig zur Information. Wenn ich ein Text, der aus losen Buchstaben besteht; durcheinander werfe, nimmt die Information AB und die Entropie ZU!!
Welches Vertrauen in ihre komplizierten Modelle kann man dann noch haben?
Keines! Es sind nur Denkmodelle, die versuchen, eine lückenhaft beobachtete Welt zu erklären. Bedenke ein Ding sehr gut: Es ist NICHT möglich die Welt der Elementarteilchen zu beobachten. Wenn wir irgendwelche Messungen ausführen, greifen wir so stark ein, dass wir nur die Folgen unseres Eingriffes sehen und nicht, was ohne Eingriff passiert wäre. (Unschärfeprinzip nach Heisenberg) Wir müssen höllisch mit irgendwelche Aussagen und Schlussfolgerungen aufpassen, ansonsten kommt es zu abstrusen Behauptungen wie das Informations-Erhaltungs-Gesetz.
Der Satz
Information - auch solche, die wir Entropie nennen
macht durchaus Sinn, denn Entropie ist Information, die — obgleich von der Natur geliefert — uns verborgen bleibt, da sie gespeichert ist in Dingen, die zu klein und deutlich zu zahlreich sind, als dass wir sie uns einzeln und im Detail ansehen könnten.
Wir sprechen hier ja von aller Information, nicht nur von dem Teil, den wir auch tatsächlich registrieren.
Den Unterschied zwischen Entropie im thermodynamischen und Entropie im informationstechnischen Sinne erklärt recht gut http://greiterweb.de/zfo/Entropie.htm#msgnr0-116 .
Danke für diese Antwort, mir scheint das auch so.
Nur leider weiß ich von keinem der führenden theoretischen Physiker, dass er das wirklich so sagen würde. Einige Namen derer zu erfahren, die öffentlich zugeben, nicht an Informationserhaltung zu glauben, wäre hilfreich.