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Einheit für Information
 
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Simonionius



Anmeldungsdatum: 25.03.2021
Beiträge: 1

Beitrag Simonionius Verfasst am: 25. März 2021 18:07    Titel: Einheit für Information Antworten mit Zitat

Meine Frage:
Aus welchen Si-Einheiten besteht die Einheit für Information: ein Bit?


Meine Ideen:
Physikalisch gesehen lässt sich im Universum alles anhand der 7 Si-Einheiten erklären und definieren*, als ich aber an einer Diskussion über "Downloadgeschwindigkeit (MB/s) beteiligt war gings los:


Aus welchen Si-Einheiten besteht die Einheit für Information: ein Bit?

Was sind Daten?
Ein Bit simpel erklärt** :
Die Information in welcher von 2 Möglichkeiten sich etwas befindet
Das lässt sich Anhand eines Computers, bzw eines Transistors (der Grundbaustein für künstliche Intelligenz) weiter veranschaulichen.
In der Informationstechnologie ist ein Bit die Information ob etwas 0 oder 1 ist, bei einem Transistor wäre das: Schaltet oder schaltet nicht, also gemessen: Strom oder kein Strom. Allein diese Information-, zu wissen welche der beiden Möglichkeiten zu dem Moment zutrifft ist 1 Bit. es ist nicht der Strom der fließt oder die 0/1 die zutrifft, es ist allein Information welche der beiden Möglichkeiten der Fall ist, also scheiden alle Si-Einheiten an die man gerade Denken würde aus, oder? Die frage ist, ob diese Information definierbar ist und , natürlich ist das alles rein theoretisch, physikalisch gesehen müsste es doch auch möglich sein diese Information definieren, oder?***
Brauch ich dafür einen Neurowissenschaftler?

*Soweit ich mich an den Unterricht vor Jahren entsinnen kann
**Meine eigene Weise einen Relativ Komplexen Begriff zu Vereinfachen
*** Ich gebe keine Garantie auf die Korrektheit meiner Erklärungen und Aussagen, es sind lediglich Informationen die ich in meiner Mechatronikschulung und Privat so Aufgefasst habe, Richtigstellungen Bitte direkt Mitteilen smile
gast_free
Gast





Beitrag gast_free Verfasst am: 26. März 2021 08:31    Titel: Antworten mit Zitat

Information ist ein Begriff den verschiedene Wissenschaftsgebiete unterschiedlich definieren. Ich will mich nun ganz schnell von diesem Begriff verabschieden und auf den Begriff Daten umschwenken. Es sind Daten die Du transportierst oder speicherst.

Daten Zitat Wikipedia:
"Daten sind nur Darstellungen/Angaben über Sachverhalte und Vorgänge, die in der Form bestimmter Zeichen/Symbole auf bestimmten Datenträgern existieren."

Erst wenn die Daten beim Empfänger eintreffen und von ihm kognitiv verarbeitet werden, können aus ihnen Informationen werden.

Nun schwenken wir zu Physik. Daten sind Darstellungen. Eine Möglichkeit besteht darin sie digital zu kodieren. Diese Kodierung lässt sich physikalisch auf verschiedenste Weise in Form von Materie und Energie speichern und transportieren.

Die Datenmenge, die gespeichert oder in einer bestimmten Zeitt übertragen werden kann wird von den physikalischen und technischen Eigenschaften des Systems bestimmt. Hierfür lassen sich mathematische Beschreibungen finden die mit physikalischen Größen operieren die voll und ganz mit den SI-Einheiten auskommen.

Die digitalen Daten werden für gewöhnlich in sog. Symbolen zusammen gefasst. Wie viele Daten in einem Symbol abgelegt werden können hängt von den physikalischen Übertragungs- und Seichereigenschaften des gewählten Systems und der verwendeten Technologie ab. Bevor man die Datenübertragungsrate sich anschaut, befasst man sich mit der Symbolübertragungsrate. Sie hat die Einheit Baud.

1 Baud = 1 Symbol/Sekunde

Das Symbol ist freilich auch schon keine physikalische Größe mehr. Das Symbol bildet aber die Brücke zur bestimmmung der Datenübertragungsrate.

Da jedoch die Datenverarbeitung und der Transport sich über viele verschiedene physikalische Systeme erstreckt betrachtet man die Gesamtleistung in dem man abstrahiert und sich von der Physik wieder löst.

Somit ist die Übertragungsrate in MBit/s keine physikalische Größe die sich aus den SI-Einheiten ableiten lässt. Auch wenn die Sekunde eine SI-Einnheit darstellt. Sie ist eher der Informatik zuzurechnen und hat mit dem Gebiet Physik nichts zu tun.
Simononns
Gast





Beitrag Simononns Verfasst am: 26. März 2021 09:14    Titel: in der Theorie müsste es möglich sein Antworten mit Zitat

Um die Bits/Sekunde umzurechnen müsste man demnach die Information in einem definierten menschlichem Individuum weiterrechnen. Das ist zwar äußerst Abstrakt aber es sollte möglich sein die Neuronenimpulse zu definieren und somit für eine definierte Situation auch aus Bit/s einen physikalischen wert zu bilden. Ich habe leider keine Ahnung in dem Bereich und vermutlich wird eine solche gleichung niemals zu stande kommen aber als Idee klingt es für mich logisch.

Eine zweite Interessante Idee wäre Information mit dem Maxwellschen Dämon die vom Shannon ins Leben gerufen wurde (siehe Wikipedia) zu definieren

Einige Experimente weisen auf einen Energiegehalt in reiner Information hin, demnach wäre
die Energie von nbit
E = n * kT*ln(2), mit k:Bolzmannkonstante und T: Temperatur.
Simononns
Gast





Beitrag Simononns Verfasst am: 26. März 2021 09:15    Titel: in der Theorie müsste es möglich sein Antworten mit Zitat

Um die Bits/Sekunde umzurechnen müsste man demnach die Information in einem definierten menschlichem Individuum weiterrechnen. Das ist zwar äußerst Abstrakt aber es sollte möglich sein die Neuronenimpulse zu definieren und somit für eine definierte Situation auch aus Bit/s einen physikalischen wert zu bilden. Ich habe leider keine Ahnung in dem Bereich und vermutlich wird eine solche gleichung niemals zu stande kommen aber als Idee klingt es für mich logisch.

Eine zweite Interessante Idee wäre Information mit dem Maxwellschen Dämon die vom Shannon ins Leben gerufen wurde (siehe Wikipedia) zu definieren

Einige Experimente weisen auf einen Energiegehalt in reiner Information hin, demnach wäre
die Energie von nbit
E = n * kT*ln(2), mit k:Bolzmannkonstante und T: Temperatur.
A.T.



Anmeldungsdatum: 06.02.2010
Beiträge: 326

Beitrag A.T. Verfasst am: 26. März 2021 09:16    Titel: Re: Einheit für Information Antworten mit Zitat

Simonionius hat Folgendes geschrieben:

Ein Bit simpel erklärt** :
Die Information in welcher von 2 Möglichkeiten sich etwas befindet
Das lässt sich Anhand eines Computers, bzw eines Transistors (der Grundbaustein für künstliche Intelligenz) weiter veranschaulichen.
In der Informationstechnologie ist ein Bit die Information ob etwas 0 oder 1 ist, bei einem Transistor wäre das: Schaltet oder schaltet nicht, also gemessen: Strom oder kein Strom.

Stromstärke, oder mehr relevant hier Spannung, können mehr als nur zwei Werte annehmen. Was davon 0 und 1 entspricht ist eine Frage der Interpretation. Daher ist die Datenmenge nicht eindeutig von solchen SI-Größen ableitbar.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 26. März 2021 10:54    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Einige Experimente weisen auf einen Energiegehalt in reiner Information hin, demnach wäre
die Energie von nbit
E = n * kT*ln(2), mit k:Bolzmannkonstante und T: Temperatur.


Hast du dafür eine Quelle?



.
gast_free
Gast





Beitrag gast_free Verfasst am: 26. März 2021 11:16    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Einige Experimente weisen auf einen Energiegehalt in reiner Information hin, demnach wäre
die Energie von nbit
E = n * kT*ln(2), mit k:Bolzmannkonstante und T: Temperatur.


Hast du dafür eine Quelle?



.

Es gibt theoretische Ansätze die Vorgehensweisen aus der Thermodynamik auf die Informationstheorie zu übertragen. Das gilt insbesondere für die Entropie. Je größer die Entropie um so geringer ist der Informationsgehalt von Daten. Nach meinem Verständnis darf man dies nicht auf reale physikalische Systeme übertragen. Aber vielleicht gibt es ja neue Erkenntnisse. Bin mmal gespannt.
index_razor



Anmeldungsdatum: 14.08.2014
Beiträge: 2205

Beitrag index_razor Verfasst am: 26. März 2021 11:29    Titel: Antworten mit Zitat

gast_free hat Folgendes geschrieben:
Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Einige Experimente weisen auf einen Energiegehalt in reiner Information hin, demnach wäre
die Energie von nbit
E = n * kT*ln(2), mit k:Bolzmannkonstante und T: Temperatur.


Hast du dafür eine Quelle?

Es gibt theoretische Ansätze die Vorgehensweisen aus der Thermodynamik auf die Informationstheorie zu übertragen. Das gilt insbesondere für die Entropie. Je größer die Entropie um so geringer ist der Informationsgehalt von Daten.


Soviel ist wohl klar. Weniger einleuchtend ist, was das mit dem Energiegehalt von "reiner Information" zu tun haben soll bzw. wie man überhaupt die Eigenschaften "reiner Information" experimentell untersuchen sollte.
Steffen Bühler
Moderator


Anmeldungsdatum: 13.01.2012
Beiträge: 6238

Beitrag Steffen Bühler Verfasst am: 26. März 2021 12:07    Titel: Antworten mit Zitat

Es gab vor langer Zeit mal einen Thread in de.sci.physik dazu. Stefan Ram (passt, aber er heißt wirklich so, ich hab oft mit ihm geschrieben) verweist dort auf seine eigene Seite. Allerdings rutscht das Ganze schnell ins Philosophische, denn auch Lyre wird zitiert.

Viele Grüße
Steffen
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 26. März 2021 14:54    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Weniger einleuchtend ist, was das mit dem Energiegehalt von "reiner Information" zu tun haben soll bzw. wie man überhaupt die Eigenschaften "reiner Information" experimentell untersuchen sollte.


Ich denke, man könnte es folgendermaßen angehen:

Zur Übertragung eines Bits benötigt man mindestens ein Photon (mehr geht natürlich immer).

Damit entspricht die Energie eines Bits der Energie des verwendeten Photons.
Diese Energie ist von der Wellenlänge des Photons und abhängig.

Damit stellt sich die Frage, für welche Wellenlänge Photonen mit der geringsten Energie existieren, wie man diese erzeugt und wie man sie detektiert.



.
Steffen Bühler
Moderator


Anmeldungsdatum: 13.01.2012
Beiträge: 6238

Beitrag Steffen Bühler Verfasst am: 26. März 2021 15:26    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zur Übertragung eines Bits benötigt man mindestens ein Photon

Man könnte vereinbaren, dass die Bitfolge einem Takt folgt und "kein Photon" der Null entspricht. Im genannten Thread wurde dann der Fall angeführt, dass ein Buch so verschlüsselt werden könnte, dass das Ergebnis lauter Nullen wären. Unwahrscheinlich, aber nicht unmöglich.

Dann könnte man die Information des Buches komplett ohne Energie übertragen.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 26. März 2021 15:51    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Man könnte vereinbaren, dass die Bitfolge einem Takt folgt und "kein Photon" der Null entspricht.


Wenn man im Takt einen Photonenstrom erzeugt und beim Verschlüsseln immer diejenigen Photonen aus dem Photonenstrom wieder herausfischt, absorbiert, umleitet etc., die einer Null entsprechen, dann gibt es auch für die Null ein Photon, nur dass dieses nicht beim Empfänger ankommt.

Da entspricht ungefähr dem Verfahren, mit dem Informationen (Morsezeichen) zwischen Schiffen übertragen werden. Da wird eine Dauerleuchtquelle durch entsprechende Klappen abgedeckt.

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Seaman_send_Morse_code_signals.jpg

Damit wäre der Energiebedarf pro Bit immer gleich, unabhängig davon, ob 1 oder 0.


.
index_razor



Anmeldungsdatum: 14.08.2014
Beiträge: 2205

Beitrag index_razor Verfasst am: 26. März 2021 17:55    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Weniger einleuchtend ist, was das mit dem Energiegehalt von "reiner Information" zu tun haben soll bzw. wie man überhaupt die Eigenschaften "reiner Information" experimentell untersuchen sollte.


Ich denke, man könnte es folgendermaßen angehen:

Zur Übertragung eines Bits benötigt man mindestens ein Photon (mehr geht natürlich immer).


Weniger auch. Es stimmt nicht, daß man zur Übertragung eines Bits mindestens ein Photon benötigt. Das hieße im Umkehrschluß, daß der Informationsgehalt eines Photons höchstens ein Bit sein kann. Der Informationsgehalt hängt aber allein vom Übertragungsprotokoll ab. Man kann z.B. vereinbaren: 400 nm entspricht dem Wert 00, 500 nm dem Wert 01, 600 nm dem Wert 10 und 700 nm dem Wert 11. Wenn jede Folge solcher Photonen eine sinnvolle Nachricht enthält, dann überträgt jedes einzelne Photon 2 Bit an Information.

Zitat:

Damit entspricht die Energie eines Bits der Energie des verwendeten Photons.
Diese Energie ist von der Wellenlänge des Photons und abhängig.


Auch wenn wir vereinbaren, daß ein Photon dem Boolschen Wert 1 und kein Photon dem Wert 0 entspricht, läßt sich der Energiegehalt der verwendeten Photonen nicht ihrem Informationsgehalt zuordnen. Denn der Wert 0 enthält genau dieselbe Menge an Information wie der Wert 1 (1 Bit). Und in jedem Fall ist unsere ursprüngliche Vereinbarung willkürlich. Wir könnten genauso gut den Wert 0 durch ein Photon repräsentieren und den Wert 1 durch kein Photon. Also hat die Photonenenergie nichts mit der Energie der "reinen Information" zu tun.

Zitat:

Damit stellt sich die Frage, für welche Wellenlänge Photonen mit der geringsten Energie existieren, wie man diese erzeugt und wie man sie detektiert.


Es gibt keine geringste Energie für Photonen.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 26. März 2021 19:24    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Weniger auch. Es stimmt nicht, daß man zur Übertragung eines Bits mindestens ein Photon benötigt. Das hieße im Umkehrschluß, daß der Informationsgehalt eines Photons höchstens ein Bit sein kann.


Nein der Umkehrschluss gilt nicht, wie du selbst gezeigt hast.
Wenn ich wirklich nur ein einziges Bit übertragen möchte, dann benötige ich mindestens ein Photon (im oben genannten Versuchsaufbau)
Dass mit dem Photon eventuell auch zusätzlich mehrere Bits übertragen werden können, spielt dabei erst mal keine Rolle.

Zitat:
Und in jedem Fall ist unsere ursprüngliche Vereinbarung willkürlich. Wir könnten genauso gut den Wert 0 durch ein Photon repräsentieren und den Wert 1 durch kein Photon. Also hat die Photonenenergie nichts mit der Energie der "reinen Information" zu tun.

Das ist eine Frage der Definition der "reinen Information".
Wenn man dies einfach als ein Bit definiert und für dieses Bit ein Photon benötigt wird, egal ob 0 oder 1 gesendet wird, dann entspricht die Energie des Photons einem Bit.

Zitat:
Es gibt keine geringste Energie für Photonen.

Mir ist dazu auch nichts bekannt.
Frage an die Experten: Photonen entstehen bei Quantenprozessen. Welches sind die Quantenprozesse, bei denen Photonen mit der niedrigsten (bekannten) Energie entstehen?


.
Simon Walz
Gast





Beitrag Simon Walz Verfasst am: 26. März 2021 19:54    Titel: Quellenangabe zu meiner Formel Antworten mit Zitat

Hallo Schläfer , also die Formel ist der Wikipedia Seite zum "Maxwellschen dämon" entnommen, da ich nicht registriert bin kein Link smile
index_razor



Anmeldungsdatum: 14.08.2014
Beiträge: 2205

Beitrag index_razor Verfasst am: 26. März 2021 20:02    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Weniger auch. Es stimmt nicht, daß man zur Übertragung eines Bits mindestens ein Photon benötigt. Das hieße im Umkehrschluß, daß der Informationsgehalt eines Photons höchstens ein Bit sein kann.


Nein der Umkehrschluss gilt nicht, wie du selbst gezeigt hast.


Der Umkehrschluß folgt m.E. aus deiner Aussage. Wie ich also gezeigt habe, gelten beide nicht.

Zitat:

Wenn ich wirklich nur ein einziges Bit übertragen möchte, dann benötige ich mindestens ein Photon (im oben genannten Versuchsaufbau)
Dass mit dem Photon eventuell auch zusätzlich mehrere Bits übertragen werden können, spielt dabei erst mal keine Rolle.


Was genau soll es denn bedeuten, daß du für ein Bit mindestens ein Photon benötigst? Es kann also nicht bedeuten, daß jedes Photon höchstens ein Bit repräsentiert. Denn wie mein Beispiel zeigt, stimmt das nicht. Es kann auch nicht bedeuten, daß man zur Informationsübertragung immer Photonen benötigt. Denn das stimmt offensichtlich auch nicht. (Es funktioniert auch mit Spannungswerten in Schaltkreisen.) Und du wirst sicher nicht gemeint haben, daß man zur Informationsübertragung mittels Photonen immer Photonen benötigt, denn das ist trivial. Damit ist der Sinn deiner Aussage unklar oder sie ist falsch.

Man kann einem bestimmten physikalischen System nicht einen fixen Informationsgehalt zuordnen. Fest steht nur, daß man zur physikalischen Repräsentation eines Bits mindestens zwei verschiedene Zustände benötigt. Aber die physikalischen Eigenschaften dieser Zustände, wie Energie oder Entropie, können völlig beliebig sein. Genauso beliebig ist die Weise, auf die n-Zustandssysteme ein einzelnes Bit repräsentieren können.

Und das ganze hat auch nicht viel mit der Behauptung zu tun, daß man reiner Information eine Energie zuordnen kann. Denn Photonen sind sicher keine "reine Information".

Zitat:

Zitat:
Und in jedem Fall ist unsere ursprüngliche Vereinbarung willkürlich. Wir könnten genauso gut den Wert 0 durch ein Photon repräsentieren und den Wert 1 durch kein Photon. Also hat die Photonenenergie nichts mit der Energie der "reinen Information" zu tun.

Das ist eine Frage der Definition der "reinen Information".
Wenn man dies einfach als ein Bit definiert und für dieses Bit ein Photon benötigt wird, egal ob 0 oder 1 gesendet wird, dann entspricht die Energie des Photons einem Bit.


Ja, wenn man "reine Information" definiert als "etwas wofür man Photonen benötigt", dann besitzt "reine Information" offenbar dieselbe Energie wie diese Photonen. Das ist allerdings keine besonders interessante Erkenntnis. Wenn ich "reine Information" definiere als "das was in Büchern steht", dann besteht "reine Information" folglich wohl aus Papier.

Zitat:

Zitat:
Es gibt keine geringste Energie für Photonen.

Mir ist dazu auch nichts bekannt.
Frage an die Experten: Photonen entstehen bei Quantenprozessen. Welches sind die Quantenprozesse, bei denen Photonen mit der niedrigsten (bekannten) Energie entstehen?


Es gibt keine solchen Prozesse. Es können Photonen beliebig kleiner Energie entstehen. Aber wichtiger ist, daß es keinen sinnvollen Weg gibt, diese Photonenergien irgendeiner reinen Information zuzuordnen.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 26. März 2021 22:27    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Was genau soll es denn bedeuten, daß du für ein Bit mindestens ein Photon benötigst? Es kann also nicht bedeuten, daß jedes Photon höchstens ein Bit repräsentiert. Denn wie mein Beispiel zeigt, stimmt das nicht. Es kann auch nicht bedeuten, daß man zur Informationsübertragung immer Photonen benötigt. Denn das stimmt offensichtlich auch nicht. (Es funktioniert auch mit Spannungswerten in Schaltkreisen.) Und du wirst sicher nicht gemeint haben, daß man zur Informationsübertragung mittels Photonen immer Photonen benötigt, denn das ist trivial. Damit ist der Sinn deiner Aussage unklar oder sie ist falsch.


Meine Frage/Überlegung zielt dahin, dass lt. RT weder Materie noch Information schneller als Licht übertragen werden kann.

Offensichtlich gibt es da also einen Zusammenhang zwischen Information auf der einen Seite und Materie bzw. Licht auf der anderen Seite.

Da man jeder Materie und auch Licht eine Energie zuordnen kann, sollte es auch einen Zusammenhang zwischen Energie und Information geben.

Die Frage, wieviel Energie ein Bit mindestens benötigt/beinhaltet ist also durchaus berechtigt.

Zitat:
Es gibt keine solchen Prozesse. Es können Photonen beliebig kleiner Energie entstehen.


Soweit ich mich erinnere lässt die QM z.B. für ein bestimmtes Atom nur bestimmte diskrete Energieniveaus zu. Elektronen, welche zwischen diesen Niveaus wechseln emittieren/ absorbieren entsprechend energetisch passende Photonen.
Die Zahl der chemischen Elemente/Isotope ist nicht unendlich groß.
Also kann es auch nur eine begrenzte Anzahl entsprechender Energieniveaus und daraus resultierend nur eine begrenzte Anzahl möglicher Energien für daraus entstehender Photonen geben.

Natürlich gibt es noch andere Prozesse, bei denen Photonen entstehen können (Kernzerfall,..) Doch auch hier ist die Energie des Photons nicht beliebig, sondern von den Ausgangs- und Ergebnisbedingungen (z.B. Anzahl Protonen/Neutronen) festgelegt.

Woher kommen also Photonen beliebig kleiner Energie?



.
index_razor



Anmeldungsdatum: 14.08.2014
Beiträge: 2205

Beitrag index_razor Verfasst am: 27. März 2021 06:55    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:

Meine Frage/Überlegung zielt dahin, dass lt. RT weder Materie noch Information schneller als Licht übertragen werden kann.

Offensichtlich gibt es da also einen Zusammenhang zwischen Information auf der einen Seite und Materie bzw. Licht auf der anderen Seite.

Da man jeder Materie und auch Licht eine Energie zuordnen kann, sollte es auch einen Zusammenhang zwischen Energie und Information geben.


Diese Logik kann ich nicht nachvollziehen. Aus der RT folgt m.E. weder eine Aussage über den maximalen Informationsgehalt von Photonen, noch über die Energie von "reiner Information".

Da du praktisch jede beliebige Information in jedem beliebigen System mit hinreichend vielen Zuständen repräsentieren kannst, und da diese Repräsentation weitgehend unabhängig von den physikalischen Eigenschaften des Systems ist, kann es diesen Zusammenhang auch nicht geben.


Zitat:

Zitat:
Es gibt keine solchen Prozesse. Es können Photonen beliebig kleiner Energie entstehen.


Soweit ich mich erinnere lässt die QM z.B. für ein bestimmtes Atom nur bestimmte diskrete Energieniveaus zu. Elektronen, welche zwischen diesen Niveaus wechseln emittieren/ absorbieren entsprechend energetisch passende Photonen.
Die Zahl der chemischen Elemente/Isotope ist nicht unendlich groß.


Nein, aber die Anzahl der diskreten Energieniveaus eines Atoms ist unendlich groß. Und die Differenz zwischen zwei Energieniveaus ist beliebig klein. Das kannst du z.B. an der Rydberg-Formel für das Wasserstoffatom ablesen.

Zitat:

Also kann es auch nur eine begrenzte Anzahl entsprechender Energieniveaus und daraus resultierend nur eine begrenzte Anzahl möglicher Energien für daraus entstehender Photonen geben.


Nein, das folgt nicht und es ist auch nicht so. Abgesehen davon kannst du im Prinzip auch beliebig kleine Photonenenergien durch den Dopplereffekt erzeugen.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 27. März 2021 09:19    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Diese Logik kann ich nicht nachvollziehen. Aus der RT folgt m.E. weder eine Aussage über den maximalen Informationsgehalt von Photonen, noch über die Energie von "reiner Information".

Da du praktisch jede beliebige Information in jedem beliebigen System mit hinreichend vielen Zuständen repräsentieren kannst, und da diese Repräsentation weitgehend unabhängig von den physikalischen Eigenschaften des Systems ist, kann es diesen Zusammenhang auch nicht geben.


Wir sollten uns hier nicht am nicht näher definiertem Begriff der "reinen Information" festbeißen. Reden wir besser von Bits, also der Möglichkeit zweier diskreter Zustände, die übertragen werden sollen.

In der RT wird z.B. immer von der Uhrensynchronisation gesprochen.
Dafür werden Lichtsignale zwischen den beiden Uhren ausgetauscht.
Offensichtlich wird dafür Energie benötigt.
Das Signal besteht aus einem Photon. Ob das Photon noch weitere Informationen als das Startsignal zur Synchronisation in sich trägt ist unerheblich.

Es gibt ja die Energie-Masse-Äquivalenz. Für Masse gibt es eine untere Grenze (Planckmasse), ergo sollte es auch eine untere Grenze für Energie geben, oder wo steckt mein Denkfehler?


Zitat:
Abgesehen davon kannst du im Prinzip auch beliebig kleine Photonenenergien durch den Dopplereffekt erzeugen.


Darüber habe ich auch schon nachgedacht und das führt mich zur nächsten Frage (hier off-toptic):
Wohin geht die Energie, wenn Photonen durch die Raumdehnung ihre Wellenlängen vergrößern?
Da Energie nicht einfach verschwindet, müsste sie irgendwie im Raum gespeichert sein. Könnte es sein, dass der Raum sich dehnt, weil Photonen Energie an ihn abgeben?
Könnte das eine Quelle der "dunklen Energie" sein?


.
index_razor



Anmeldungsdatum: 14.08.2014
Beiträge: 2205

Beitrag index_razor Verfasst am: 27. März 2021 09:25    Titel: Antworten mit Zitat

index_razor hat Folgendes geschrieben:

Da du praktisch jede beliebige Information in jedem beliebigen System mit hinreichend vielen Zuständen repräsentieren kannst, und da diese Repräsentation weitgehend unabhängig von den physikalischen Eigenschaften des Systems ist, kann es diesen Zusammenhang auch nicht geben.

[...]

Nein, aber die Anzahl der diskreten Energieniveaus eines Atoms ist unendlich groß.


Vielleicht bleiben wir mal kurz bei diesem Gedanken, um zu verdeutlichen welches Problem ich mit deiner Aussage über den Zusammenhang zwischen Materie und Informationsgehalt habe.

Du kannst jede beliebige Menge an Information in einem einzigen Wasserstoffatom repräsentieren. Denn die Menge an Unicode-Zeichen ist endlich. Die Menge an Folgen von Unicode-Zeichen ist also abzählbar. Dasselbe gilt für die Menge an Zuständen des Wasserstoffatoms. Also gehört zu jedem einzelnen Zustand des Wasserstoffs genau eine Folge von Unicode-Zeichen. Das schließt einen Haufen Kauderwelsch ein, aber auch sämtliche Werke der Weltliteratur -- vergangene und zukünftige -- in jeder beliebigen Sprache; sämtliche Ausgaben dieser Werke mit beliebiger Anzahl von Druckfehlern; alle Bücher über Quantenmechanik; diesen Thread; jeden anderen Thread etc. Um diese Information zu übermitteln, mußt du also im Prinzip nur ein einziges Wasserstoffatom präparieren. Der Empfänger muß zur Dekodierung der Nachricht nur durchzählen: A, B, ... AA, AB, ..., Nennt mich Ismaek ..., Nennt mich Ismael ..., Nennt mich <Poop Emoji> ....

Natürlich hat dieses Protokoll eine Menge praktischer Probleme (sicher mehr als das Übertragen einer Photonenfolge). Aber darum geht es nicht. Es geht (angeblich) ja nur um Eigenschaften der Information selbst, nicht um die praktischen Probleme mit ihrer Übertragung.

In dieser Hinsicht verliert die Behauptung, man benötige "zur Übertragung eines Bits mindestens ein Photon" vollkommen ihren Sinn. Man könnte mit gleichem Recht behaupten: "zur Übertragung von beliebig vielen Bits benötigt man höchstens ein Wasserstoffatom. Das zeigt die Bedeutungslosigkeit beider Aussagen.
index_razor



Anmeldungsdatum: 14.08.2014
Beiträge: 2205

Beitrag index_razor Verfasst am: 27. März 2021 10:05    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Diese Logik kann ich nicht nachvollziehen. Aus der RT folgt m.E. weder eine Aussage über den maximalen Informationsgehalt von Photonen, noch über die Energie von "reiner Information".

Da du praktisch jede beliebige Information in jedem beliebigen System mit hinreichend vielen Zuständen repräsentieren kannst, und da diese Repräsentation weitgehend unabhängig von den physikalischen Eigenschaften des Systems ist, kann es diesen Zusammenhang auch nicht geben.


Wir sollten uns hier nicht am nicht näher definiertem Begriff der "reinen Information" festbeißen. Reden wir besser von Bits, also der Möglichkeit zweier diskreter Zustände, die übertragen werden sollen.

In der RT wird z.B. immer von der Uhrensynchronisation gesprochen.
Dafür werden Lichtsignale zwischen den beiden Uhren ausgetauscht.
Offensichtlich wird dafür Energie benötigt.
Das Signal besteht aus einem Photon. Ob das Photon noch weitere Informationen als das Startsignal zur Synchronisation in sich trägt ist unerheblich.


Mir ist nicht mehr ganz klar, was du nun eigentlich behauptest. Meine Kritik richtete sich gegen die Behauptung ein Photon besitze einen maximalen Informationsgehalt von 1 Bit, was für mich absolut äquivalent zu deiner ursprünglichen Aussage ist, die Anzahl der benötigten Photonen sei mindestens 1 pro Bit.

Was hat das ganze jetzt mit Uhrensynchronisation zu tun?

Zitat:

Es gibt ja die Energie-Masse-Äquivalenz. Für Masse gibt es eine untere Grenze (Planckmasse), ergo sollte es auch eine untere Grenze für Energie geben, oder wo steckt mein Denkfehler?


Die Planckmasse hat einen Wert von ungefähr . Ein Bakterium hat laut google im Durchschnitt eine Masse von ca. .

Es handelt sich bei der Planckmasse weder um eine untere noch obere Grenze für die Masse.

Zitat:

Zitat:
Abgesehen davon kannst du im Prinzip auch beliebig kleine Photonenenergien durch den Dopplereffekt erzeugen.


Darüber habe ich auch schon nachgedacht und das führt mich zur nächsten Frage (hier off-toptic):
Wohin geht die Energie, wenn Photonen durch die Raumdehnung ihre Wellenlängen vergrößern? Da Energie nicht einfach verschwindet, müsste sie irgendwie im Raum gespeichert sein.


Doch sie verschwindet einfach. Die Energie ist in einem zeitabhängigen Universum nicht erhalten und es gibt keinen Grund, warum sie es sein sollte.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 27. März 2021 15:37    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Mir ist nicht mehr ganz klar, was du nun eigentlich behauptest. Meine Kritik richtete sich gegen die Behauptung ein Photon besitze einen maximalen Informationsgehalt von 1 Bit, was für mich absolut äquivalent zu deiner ursprünglichen Aussage ist, die Anzahl der benötigten Photonen sei mindestens 1 pro Bit.

Da besteht offensichtlich noch ein Missverständnis.

Ich versuche es mal anders: Ich wohne auf dem Land, der nächste Supermarkt ist 10km weg. Wenn ich eine einzige Flasche Bit-Bier (haha, kleines Wortspiel) kaufen möchte benötige ich ein Auto.
Natürlich könnte ich mit dem Auto auch mehrere Kisten Bier und anderes mitbringen. Aber es bleibt dabei: "kein Auto -> keine Flasche Bier".

Also noch mal. Für das erste Bit benötige ich wenigstens ein Photon.

Zitat:
Was hat das ganze jetzt mit Uhrensynchronisation zu tun?

Das war nur ein Beispiel für die Übertragung einer Information. Hier wird definitiv mindestens ein Photon für die Info benötigt.
Der Ansatz, man könne auch die Umkehrung ("kein Photon") benutzen um damit komplett ohne Photon/Energie auszukommen (wie bei deinem Buchbeispiel) ist da nicht zielführend.

Zitat:
Es handelt sich bei der Planckmasse weder um eine untere noch obere Grenze für die Masse.


Zitat Wiki: "Die Bedeutung der Planck-Einheiten liegt zum einen darin, dass die Planck-Einheiten minimale Grenzen (z. B. für Länge und Zeit) markieren, bis zu denen wir Ursache und Wirkung unterscheiden können. Das heißt, hinter dieser Grenze sind die bisher bekannten physikalischen Gesetze nicht mehr anwendbar, ..."

Dann stimmt das wohl nicht für alle Planck-Einheiten?

Zitat:
Doch sie verschwindet einfach. Die Energie ist in einem zeitabhängigen Universum nicht erhalten und es gibt keinen Grund, warum sie es sein sollte.

Das ist mir völlig neu. Warum wird dann immer so auf dem EES beharrt, wenn es so einfach ist, ihn zu verletzen?


.
index_razor



Anmeldungsdatum: 14.08.2014
Beiträge: 2205

Beitrag index_razor Verfasst am: 27. März 2021 16:55    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Mir ist nicht mehr ganz klar, was du nun eigentlich behauptest. Meine Kritik richtete sich gegen die Behauptung ein Photon besitze einen maximalen Informationsgehalt von 1 Bit, was für mich absolut äquivalent zu deiner ursprünglichen Aussage ist, die Anzahl der benötigten Photonen sei mindestens 1 pro Bit.

Da besteht offensichtlich noch ein Missverständnis.

Ich versuche es mal anders: Ich wohne auf dem Land, der nächste Supermarkt ist 10km weg. Wenn ich eine einzige Flasche Bit-Bier (haha, kleines Wortspiel) kaufen möchte benötige ich ein Auto.
Natürlich könnte ich mit dem Auto auch mehrere Kisten Bier und anderes mitbringen. Aber es bleibt dabei: "kein Auto -> keine Flasche Bier".

Also noch mal. Für das erste Bit benötige ich wenigstens ein Photon.


Diese Interpretation habe ich ja auch bereits diskutiert. Aber ich finde sie genauso wenig schlüssig. Der einzige Gehalt deiner Aussage scheint zu sein: "Wenn ich Informationen mittels Photonen repräsentiere, dann benötige dazu mindestens ein Photon". Das ist eine Trivialität, aus der überhaupt nichts interessantes folgt, weder über Information noch über ihren Energiegehalt. (Analog zu: "Wenn ich Bier mit dem Auto transportiere, dann benötige ich dazu ein Auto." Man benötigt keineswegs notwendigerweise ein Auto, um eine einzige Flasche Bier 10 km weit zu transportieren, zumindest nicht in irgendeinem hier relevanten Sinne.)

Du kannst einfach jede beliebige Menge an Information mit jeder beliebigen Menge an Photonen repräsentieren (einschließlich null Photonen). Was ist also der Sinn deiner Aussage?

Zitat:

Zitat:
Was hat das ganze jetzt mit Uhrensynchronisation zu tun?

Das war nur ein Beispiel für die Übertragung einer Information. Hier wird definitiv mindestens ein Photon für die Info benötigt.
Der Ansatz, man könne auch die Umkehrung ("kein Photon") benutzen um damit komplett ohne Photon/Energie auszukommen (wie bei deinem Buchbeispiel) ist da nicht zielführend.


Ich habe auch keine Ahnung was das Ziel sein soll. Ich dachte es geht um physikalische Eigenschaften von Information. Davon kann ich in deiner Argumentation immer weniger erkennen.

Ich weiß, daß man Informationen mittels Photonen übertragen kann. Man kann sie auch ohne Photonen übertragen. Es ändert sich nichts an der Tatsache, daß für einen bestimmten Informationsgehalt weder eine bestimmte Menge an Photonen, noch eine bestimmte Menge an Energie benötigt wird. Worauf willst du also hinaus?

Zitat:

Zitat:
Es handelt sich bei der Planckmasse weder um eine untere noch obere Grenze für die Masse.


Zitat Wiki: "Die Bedeutung der Planck-Einheiten liegt zum einen darin, dass die Planck-Einheiten minimale Grenzen (z. B. für Länge und Zeit) markieren, bis zu denen wir Ursache und Wirkung unterscheiden können. Das heißt, hinter dieser Grenze sind die bisher bekannten physikalischen Gesetze nicht mehr anwendbar, ..."

Dann stimmt das wohl nicht für alle Planck-Einheiten?


Es sei denn du behauptest auf Bakterien (oder Protonen, Elektronen, ...) seien die bisher bekannten physikalischen Gesetze nicht mehr anwendbar, da ihre Massen sämtlich unterhalb der Planckmasse liegen. Wenn nicht, beantwortet sich deine Frage von selbst.

Ich würde dieses Zitat übrigens auch nicht allzu ernst nehmen. Ich bezweifle, daß irgendjemand die genaue Bedeutung der Planck-Einheiten kennt.

Zitat:

Zitat:
Doch sie verschwindet einfach. Die Energie ist in einem zeitabhängigen Universum nicht erhalten und es gibt keinen Grund, warum sie es sein sollte.

Das ist mir völlig neu. Warum wird dann immer so auf dem EES beharrt, wenn es so einfach ist, ihn zu verletzen?


Wieso ist das "einfach"?

Auf kosmologischen Skalen beharrt niemand auf dem Energieerhaltungssatz. Die Bedingungen für seine Gültigkeit sind theoretisch vollkommen durch das Noether-Theorem geklärt: Von Energieerhaltung kann man genau unter der Voraussetzung reden, daß das System invariant unter Zeittranslationen ist. Das ist in einem expandierenden Universum nicht der Fall (oder höchstens lokal, auf Skalen, auf denen die Expansion vernachlässigbar ist). Man könnte versucht sein, die abnehmende Photonenenergie dem Gravitationsfeld zuzuschreiben, aber das funktioniert auch nicht. Denn das Gravitationsfeld besitzt keine lokale Energiedichte. Das liegt im wesentlichen am Äquivalenzprinzip: Wenn man es an jedem Ort lokal wegtransformieren kann, dann kann es an keinem Ort irgendeine tensorielle Dichte haben, mit der man den Energie-Impulstensor der Materie und Strahlung ausbilanzieren kann.

Globale Energieerhaltung hat hingegen ganz andere Probleme. Die Gesamtenergie des Universums ist im allgemeinen nicht mal definiert. Damit erübrigt sich auch die Frage ob sie konstant ist. Energie- und Impulserhaltung sind in der ART eigentlich immer Näherungen.
Frankx



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Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 27. März 2021 19:52    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Ich weiß, daß man Informationen mittels Photonen übertragen kann. Man kann sie auch ohne Photonen übertragen. Es ändert sich nichts an der Tatsache, daß für einen bestimmten Informationsgehalt weder eine bestimmte Menge an Photonen, noch eine bestimmte Menge an Energie benötigt wird. Worauf willst du also hinaus?


Ich wollte darauf hinaus, dass zur Informationsübertragung zumindest Energie>0 benötigt wird.
Ob es dann einen unteren Grenzwert dafür gibt, war eine Frage.
Mir schien es dafür gute Argumente zu geben. Offensichtlich beruhen diese aber auf Irrtümern bzw. Unkenntnis meinerseits.

Was sich mir noch nicht erschlossen hat ist, woher die Erkenntnis kommt, dass Information nicht schneller als c übertragen werden kann, wenn Information und Materie/Photonen nichts miteinander zu tun haben (siehe dein Buchbeispiel).

Dass Materie nur mit v<c und Photonen mit v=c übertragen werden ergibt sich aus der relativistischen Masse. Aber wo taucht da die Information auf, wenn diese nicht an Materie oder Photonen gebunden ist.

Man könnte dann sogar soweit gehen, dass dein Buchbeispiel mit 0 Photonen mit v --> unendlich übertragen werden kann, da die Info ja schon von Anfang an am Ziel ist.

Da gibt es für mich noch einen Widerspruch.

Vielleicht kannst du das noch mal erhellen.
Woher kommt also in der RT die Erkenntnis das für Information v<=c gilt?

Zitat:
Wieso ist das "einfach"?
Auf kosmologischen Skalen beharrt niemand auf dem Energieerhaltungssatz.
... Energie- und Impulserhaltung sind in der ART eigentlich immer Näherungen.


Die Aussage ist für mich neu, insbesondere auch unter dem Gesichtspunkt, dass manche "PM-Tüftler" oder "Freie Energie-Tüftler", die irgendwie aus Raum und Zeit "kostenlose" Energie quetschen wollen ohne genauere Prüfung der Idee mit dem Totschlagargument EES nach hause geschickt werden.

Nicht dass ich denen irgendeine Chance einräume, aber das Argument EES ist damit für mich nicht mehr so allgültig wie ich bisher dachte.




.
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 2609

Beitrag ML Verfasst am: 27. März 2021 21:49    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo,

Frankx hat Folgendes geschrieben:

Was sich mir noch nicht erschlossen hat ist, woher die Erkenntnis kommt, dass Information nicht schneller als c übertragen werden kann, wenn Information und Materie/Photonen nichts miteinander zu tun haben (siehe dein Buchbeispiel).


Für die Übertragung von Information braucht man m. E. drei Dinge:
- einen Sender, der die Nachricht codiert
- einen Empfänger, der die Nachricht decodiert und
- einen Informationsträger, d. h. eine materiell-energetische Struktur, die die codierte Information enthält und mit sich führt

Da Energie und Materie nur mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden kann, würde das auch für Information (oder vielleicht etwas vorsichtiger: den Träger der Information) gelten.

Bei der codierten Nachricht kann es durchaus sein, dass ein gewisses Symbol dadurch gekennzeichnet ist, dass man nichts sendet. (So etwas gibt es ja beispielsweise als logische Null bei der elektrischen Übertragung.)

Der Empfänger muss jedoch, um sicher zu sein, dass das "Nichts"-Symbol tatsächlich ein "Nichts"-Symbol ist, genauso lange warten wie bei jedem anderen Symbol. Insofern geht es mit diesem speziellen Symbol auch nicht schneller.


Viele Grüße
Michael
index_razor



Anmeldungsdatum: 14.08.2014
Beiträge: 2205

Beitrag index_razor Verfasst am: 28. März 2021 09:36    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Ich weiß, daß man Informationen mittels Photonen übertragen kann. Man kann sie auch ohne Photonen übertragen. Es ändert sich nichts an der Tatsache, daß für einen bestimmten Informationsgehalt weder eine bestimmte Menge an Photonen, noch eine bestimmte Menge an Energie benötigt wird. Worauf willst du also hinaus?


Ich wollte darauf hinaus, dass zur Informationsübertragung zumindest Energie>0 benötigt wird.


Darauf können wir uns natürlich einigen. Die ursprüngliche Aussage war aber, daß n Bit Information einen Energiegehalt von nT haben (bis auf die Wahl der Einheiten). Das ist aber nicht der Fall. Der Artikel, aus dem die Formel stammt, behauptet übrigens auch etwas anderes, nämlich daß nT die Mindestenergie zur "Verarbeitung" von n Bits ist. Aber weder wird dies an der Stelle näher begründet, noch wird eine Quelle dafür angegeben. (Die einzige im Artikel direkt referenzierte Quelle ist "Homo faber".) Anscheinend steht die Behauptung im Zusammenhang mit einer als "Landauers Prinzip" bekannten Hypothese.

Ich denke aber nicht, daß die Aussage in der Allgemeinheit stimmt, wie der Artikel suggeriert. Es muß doch irgendwie davon abhängen, wie man Information physikalisch repräsentiert. Im Prinzip kann man jeden Informationsverarbeitungsprozeß auf eine Folge von Übergängen im Wasserstoff bei T=0 abbilden. Die notwendige Energie für diesen Prozeß entspricht dann der Energie einer Spektrallinie und kann sogar negativ sein. Wie dieses Gegenbeispiel durch Landauers Prinzip ausgeschlossen wird, ist mir nicht klar. Ich sehe dagegen eigentlich nur praktische, keine theoretischen Einwände. Hier gibt es ein paar weitere, etwas mehrdeutige, Informationen zu dem Thema.

Zitat:

Woher kommt also in der RT die Erkenntnis das für Information v<=c gilt?


Wenn man von der "Übertragung von Information" spricht, dann meint man die Übertragung irgendeines physischen Mediums, das diese Information repräsentiert. Es ergibt aber keinen Sinn, die physikalischen Eigenschaften dieses Medium der Information zuzuschreiben, wenn exakt dieselbe Information genauso gut auch mittels eines Mediums mit vollkommen anderen Eigenschaften übertragen werden kann. Das betrifft Eigenschaften wie Energie und thermodynamische Entropie des Mediums.

Wenn eine bestimmte Eigenschaft aber auf alle Medien zutrifft, dann kann man von mir aus auch sagen, daß die übertragene Information selbst diese Eigenschaft hat. (Das ist zumindest als Sprechweise nicht schlechter als der Ausdruck "Übertragung von Information" selbst.) Laut RT ist die Existenz der universellen Grenzgeschwindigkeit c genau so eine Eigenschaft, die für alle physischen Medien gilt.

(Ich rede trotzdem nicht von einer "Grenzgeschwindigkeit für Information". In der ganzen Relativitätstheorie kommt keine Größe vor, die in der Einheit Bit gemessen wird. Es geht darin nur um die Bewegung von Teilchen und Feldern. Ob man diese zur Informationsübertragung verwendet, ist sekundär und hat keine physikalische Bedeutung.)

Zitat:

Zitat:
Wieso ist das "einfach"?
Auf kosmologischen Skalen beharrt niemand auf dem Energieerhaltungssatz.
... Energie- und Impulserhaltung sind in der ART eigentlich immer Näherungen.


Die Aussage ist für mich neu, insbesondere auch unter dem Gesichtspunkt, dass manche "PM-Tüftler" oder "Freie Energie-Tüftler", die irgendwie aus Raum und Zeit "kostenlose" Energie quetschen wollen ohne genauere Prüfung der Idee mit dem Totschlagargument EES nach hause geschickt werden.

Nicht dass ich denen irgendeine Chance einräume, aber das Argument EES ist damit für mich nicht mehr so allgültig wie ich bisher dachte.


Ich sehe es so: Die Energiebilanz lautet



Lokale Energieerhaltung bedeutet nur "Energiequellendichte=0". Aber ob ein konkretes Perpetuum Mobile existiert oder nicht, hat nichts mit dem Wert der Energiequellendichte an Ort und Stelle zu tun, sondern damit von welchen Größen sie abhängt. Im expandierenden Universum hängt sie mit der zeitlichen Änderung des Skalenfaktors zusammen und führt zu einem Verschwinden der Energie auf Skalen, auf denen diese Änderung ins Gewicht fällt. (Der -Term verschwindet in einem homogenen Universum.) Aus diesen Tatsachen folgt nicht die Existenz eines Perpetuum Mobiles.


Zuletzt bearbeitet von index_razor am 28. März 2021 13:48, insgesamt einmal bearbeitet
Frankx



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Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 28. März 2021 10:09    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Für die Übertragung von Information braucht man m. E. drei Dinge:
- einen Sender, der die Nachricht codiert
- einen Empfänger, der die Nachricht decodiert und
- einen Informationsträger, d. h. eine materiell-energetische Struktur, die die codierte Information enthält und mit sich führt


Ich würde noch eine 4. Voraussetzung hinzufügen. (siehe unten)

Zitat:
Bei der codierten Nachricht kann es durchaus sein, dass ein gewisses Symbol dadurch gekennzeichnet ist, dass man nichts sendet. (So etwas gibt es ja beispielsweise als logische Null bei der elektrischen Übertragung.)

Der Empfänger muss jedoch, um sicher zu sein, dass das "Nichts"-Symbol tatsächlich ein "Nichts"-Symbol ist, genauso lange warten wie bei jedem anderen Symbol. Insofern geht es mit diesem speziellen Symbol auch nicht schneller.


Das setzt voraus, dass man als Empfänger weiß, dass es überhaupt eine Übertragung gibt bzw. Dass diese begonnen hat.
Damit komme ich zur 4. Voraussetzung:
Man benötigt ein Startsignal oder eine Uhrensynchronisation. Dies lässt sich nicht dadurch realisieren, dass man "nichts" sendet.

Im einfachsten Fall ist dieses Startsignal schon die eigentliche Information. Aber man sieht, dass es nicht reicht "nichts" zu senden. Damit ist der Fall Information komplett ohne Energie zu senden imho nicht realisierbar, auch nicht für das Buchbeispiel von index_razor.

Die Frage einer Mindestenergie bleibt davon aber unberührt.

@index_razor

Deine Ausführungen zum EES übersteigen leider mein physikalisches Laienverständnis. Aber danke für die Mühe und den Versuch.



.
index_razor



Anmeldungsdatum: 14.08.2014
Beiträge: 2205

Beitrag index_razor Verfasst am: 28. März 2021 10:40    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:

Der Empfänger muss jedoch, um sicher zu sein, dass das "Nichts"-Symbol tatsächlich ein "Nichts"-Symbol ist, genauso lange warten wie bei jedem anderen Symbol. Insofern geht es mit diesem speziellen Symbol auch nicht schneller.


Das setzt voraus, dass man als Empfänger weiß, dass es überhaupt eine Übertragung gibt bzw. Dass diese begonnen hat.
Damit komme ich zur 4. Voraussetzung:
Man benötigt ein Startsignal oder eine Uhrensynchronisation. Dies lässt sich nicht dadurch realisieren, dass man "nichts" sendet.


Oder allgemeiner gesprochen: man benötigt irgendein Protokoll, durch das der Empfänger weiß, wie er die physikalischen Zustände des übermittelnden Mediums als Träger von Information zu interpretieren hat.

Zwischen den Eigenschaften des Mediums und dem Informationsgehalt steht also immer eine im Prinzip willkürliche Konvention. Aus dem Grund allein dürften sich nicht allzu viele interessante und universelle physikalische Eigenschaften von Information finden lassen.

Zitat:

Im einfachsten Fall ist dieses Startsignal schon die eigentliche Information. Aber man sieht, dass es nicht reicht "nichts" zu senden. Damit ist der Fall Information komplett ohne Energie zu senden imho nicht realisierbar, auch nicht für das Buchbeispiel von index_razor.


Aber es hat doch niemand behauptet, man könne Information ohne Energie senden.

(Mein "Buchbeispiel" sollte nur deutlich machen, daß es sinnlos ist, die physikalischen Eigenschaften des Mediums der repräsentierten Information zuzuschreiben.)
seppp



Anmeldungsdatum: 10.04.2014
Beiträge: 11

Beitrag seppp Verfasst am: 28. März 2021 22:51    Titel: Antworten mit Zitat

Hats da nicht irgendwann einmal das
Nit
gegeben?
gast_free
Gast





Beitrag gast_free Verfasst am: 29. März 2021 13:26    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Weniger einleuchtend ist, was das mit dem Energiegehalt von "reiner Information" zu tun haben soll bzw. wie man überhaupt die Eigenschaften "reiner Information" experimentell untersuchen sollte.


Ich denke, man könnte es folgendermaßen angehen:

Zur Übertragung eines Bits benötigt man mindestens ein Photon (mehr geht natürlich immer).

Damit entspricht die Energie eines Bits der Energie des verwendeten Photons.
Diese Energie ist von der Wellenlänge des Photons und abhängig.

Damit stellt sich die Frage, für welche Wellenlänge Photonen mit der geringsten Energie existieren, wie man diese erzeugt und wie man sie detektiert.

.

Wenn man die Polarisation berücksichtigt. Kann man mit einem Photon auch mehr als ein Bit übertragen.

Wenn man z.B. 4 Polarisationswinkel einführt kann man 2 Bits auf einmal mit einem Photon übertragen.

Winkel 0 Grad : 00
Winkel 25 Grad: 01
Winkel 50 Grad: 10
Winkel 75 Grad: 11

So einfach ist das dann doch nicht.
index_razor



Anmeldungsdatum: 14.08.2014
Beiträge: 2205

Beitrag index_razor Verfasst am: 29. März 2021 16:48    Titel: Antworten mit Zitat

seppp hat Folgendes geschrieben:
Hats da nicht irgendwann einmal das Nit gegeben?


Das ist nur eine andere Einheit für dieselbe Größe. Ob Nit oder Bit spielt eigentlich keine Rolle.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 29. März 2021 18:46    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Wenn man die Polarisation berücksichtigt. Kann man mit einem Photon auch mehr als ein Bit übertragen.


Das habe ich auch nicht in Frage gestellt. Es ging aber darum, ob man komplett ohne Energie Information übertragen kann.

Der Sinn der Aussage: "Zur Übertragung eines Bits benötigt man mindestens ein Photon..." war also nicht, dass man für jedes Bit ein Photon benötigt, sondern dass man schon für das erste (und vielleicht einzige) Bit ein Photon (oder anderen Energieträger) benötigt, dass es also nicht komplett ohne Energieübertragung geht.

indey_razor hat ja auch schon vorgeschlagen, dass man unterschiedliche Wellenlängen zur Kodierung weiterer Bits verwenden kann.


.
gast_4711
Gast





Beitrag gast_4711 Verfasst am: 30. März 2021 08:39    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Wenn man die Polarisation berücksichtigt. Kann man mit einem Photon auch mehr als ein Bit übertragen.


Das habe ich auch nicht in Frage gestellt. Es ging aber darum, ob man komplett ohne Energie Information übertragen kann.

Der Sinn der Aussage: "Zur Übertragung eines Bits benötigt man mindestens ein Photon..." war also nicht, dass man für jedes Bit ein Photon benötigt, sondern dass man schon für das erste (und vielleicht einzige) Bit ein Photon (oder anderen Energieträger) benötigt, dass es also nicht komplett ohne Energieübertragung geht.

indey_razor hat ja auch schon vorgeschlagen, dass man unterschiedliche Wellenlängen zur Kodierung weiterer Bits verwenden kann.


.

Verschiedene Wellenlängen sind was anderes. Sie lassen sich nur durch verschiedene Photonen realisieren. Bei der Polarisation reicht ein Modulatotor, der die Schwingungsebene geeignet dreht. Physikalisch sind Informationen immer mit Energie verknüpft.

Ich habe mal gerdade etwas gegockelt und ein paar Unterlagen gefunden. Die Wissenschaft ist da wohl erheblich weiter gekommen. Aufgefallen ist mir ein Springer Buch von Lienhard Pagel mit dem Titel "Information ist Energie". Es könnte sein, das hier die Fragen des Threadeigners umfänglich beantwortet werden. Ausgehend von der Shannon Theorie wir die Brücke zur Physik geschlagen.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 30. März 2021 09:43    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Bei der Polarisation reicht ein Modulatotor, der die Schwingungsebene geeignet dreht.


Mich würde interessieren, wie du die Schwingungsebene des (Einzel-)Photons am Sender definieren und am Empfänger detektieren willst. Ein einfaches Polfilter reicht da imho nicht aus.

Um die Polebene per Polfilter zu definieren und später zu detektieren benötigt man viele Photonen, da dies nur statistisch erfassbar ist.


.
gast_4711
Gast





Beitrag gast_4711 Verfasst am: 30. März 2021 10:51    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Bei der Polarisation reicht ein Modulatotor, der die Schwingungsebene geeignet dreht.


Mich würde interessieren, wie du die Schwingungsebene des (Einzel-)Photons am Sender definieren und am Empfänger detektieren willst. Ein einfaches Polfilter reicht da imho nicht aus.

Um die Polebene per Polfilter zu definieren und später zu detektieren benötigt man viele Photonen, da dies nur statistisch erfassbar ist.


.

Ich dachte an eine Kerr-Zelle oder vielleicht auch auch an eine Pockels-Zelle als Modulator. Für ein einzelnes Photon lässt sich schon nachweisen, ob es eine bestimmte Polarisation besitzt oder nicht. Dies wird ja in der Quantenkryptographie mit verschränkten Photonen so gehandhabt. Ich bin da aber kein Experte und gebe nur gefährliches Halbwissen wieder.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 30. März 2021 11:15    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Ich dachte an eine Kerr-Zelle...

Die kann die Polebene zwar um definierte Winkel drehen. Zuerst benötigt man dafür aber ein Einzelphoton mit bekannter Polebene.

Zitat:
Für ein einzelnes Photon lässt sich schon nachweisen, ob es eine bestimmte Polarisation besitzt oder nicht.


Es gibt ja inzwischen Einzelphotonenquellen. Ich weiß nicht, ob die schon eine definierte Polebene abgeben.
Wenn nicht, hat man das Problem, dass man dem Einzelphoton mit unbekannter Polebene eine bestimmte Polarisation aufprägen müsste. Ich kenne da keine Möglichkeit, bin aber auch kein Experte.

Angenommen, man hat dann eine definierte Polarisation, so lässt diese sich durch verschiedene Möglichkeiten um einen bestimmten Winkel drehen (Kerr-Zelle).

Damit hätte man das codierte Photon.

Am Empfänger kommt dann ein Photon mit vorerst unbekannter Polarisation an.

Ich weiß nicht, wie man für ein Einzelphoton die Polarisation feststellen kann.

Ich kenne nur die Möglichkeit per Polfilter Polarisationen festzustellen. Aber man benötigt dazu immer eine große Menge Photonen, da dies ein statistischer Prozess ist. Für Einzelphotonen ist mir da nichts bekannt.
Deshalb meine obige Frage an dich.

Wenn dies nicht möglich ist, dann wäre die Idee mit der Mehrbitübertragung per Codierung der Polebene am Einzelphoton gestorben.

Vielleicht hat ja jemand von den Experten hier eine Idee.


.
gast_4711
Gast





Beitrag gast_4711 Verfasst am: 30. März 2021 15:28    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Ich dachte an eine Kerr-Zelle...

Die kann die Polebene zwar um definierte Winkel drehen. Zuerst benötigt man dafür aber ein Einzelphoton mit bekannter Polebene.

Zitat:
Für ein einzelnes Photon lässt sich schon nachweisen, ob es eine bestimmte Polarisation besitzt oder nicht.


Es gibt ja inzwischen Einzelphotonenquellen. Ich weiß nicht, ob die schon eine definierte Polebene abgeben.
Wenn nicht, hat man das Problem, dass man dem Einzelphoton mit unbekannter Polebene eine bestimmte Polarisation aufprägen müsste. Ich kenne da keine Möglichkeit, bin aber auch kein Experte.

Angenommen, man hat dann eine definierte Polarisation, so lässt diese sich durch verschiedene Möglichkeiten um einen bestimmten Winkel drehen (Kerr-Zelle).

Damit hätte man das codierte Photon.

Am Empfänger kommt dann ein Photon mit vorerst unbekannter Polarisation an.

Ich weiß nicht, wie man für ein Einzelphoton die Polarisation feststellen kann.

Ich kenne nur die Möglichkeit per Polfilter Polarisationen festzustellen. Aber man benötigt dazu immer eine große Menge Photonen, da dies ein statistischer Prozess ist. Für Einzelphotonen ist mir da nichts bekannt.
Deshalb meine obige Frage an dich.

Wenn dies nicht möglich ist, dann wäre die Idee mit der Mehrbitübertragung per Codierung der Polebene am Einzelphoton gestorben.

Vielleicht hat ja jemand von den Experten hier eine Idee.


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Die Detektion könnte ein Problem werden. Allerdings aus einem anderen Grund. Rammelt das Photon gegen einen falsch orientierten Polfilter ist es tot. Man weiß dann, welche Polarisation es von vier Möglichen nicht gehabt hat. Welche der drei Anderen es war bleibt im Dunkeln. Dann könnte man wirklich nur ein Bit pro Photon übertragen. Sehr interessant.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 824

Beitrag Frankx Verfasst am: 30. März 2021 15:55    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Die Detektion könnte ein Problem werden. Allerdings aus einem anderen Grund. Rammelt das Photon gegen einen falsch orientierten Polfilter ist es tot. Man weiß dann, welche Polarisation es von vier Möglichen nicht gehabt hat.


Kein anderer Grund, sondern genau das ist der Grund den ich meinte.
Wenn man aber genügend Photonen zur Verfügung hat, kann man das statistisch auswerten.
Wenn z.B. 66,6% der Photonen den Polfilter passieren, dann weiß man das die Ausgangspolarisation 30° war.


Zitat:
Rammelt das Photon gegen einen falsch orientierten Polfilter ist es tot.


Nur für Filter deren Ebene genau 90° zur Ebene des Photons steht ist die Wahrscheinlichkeit für eine Passage gleich null.

Wenn das Photon den Filter passiert, dann weiß man nur, dass es keine Polarisation 90° zum Polfilter hat.
Wenn es nicht passiert, dann weiß man, dass es keine Polarisation 0° zum Polfilter hatte.

Eine eindeutige Codierung wäre damit nur möglich, wenn man nur 0 und 90° und sonst keine Zwischenwerte zulässt.

Damit hat man aber nichts gewonnen. Es bliebe bei einem Photon für ein Bit im oben genannten Sinne.


.
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