方逸航 发布的文章

  上一期我们讲到熵、信息和噪音,这期我们正式开始信息学的科普。

  噪音是干扰某人获得信息的事物,而数据是噪音和信息的混合,需要用知识将其分离。

  本篇文章最为重要的一点是,信息描述的是一个观察者确定一个宏观态是哪一个微观态是需要的物理量,单位是bit(s)。

  同一个观察者,对同一件事情接受到的信息与用于传递信息的信号形式无关。比如,小黄将写有C的纸条传给小方,提供2bits信息;小黄直接告诉小方答案是C,提供的也是2bits信息;小黄蹬小方椅子3次,提供的也是2bits信息。

  概率和熵的区别在于:概率是某件事情(宏观态)的某个可能情况(微观态)的确定性,而熵是某人对某件事情(宏观态)到底是哪个情况(微观态)的不确定性;概率的输入量是常量(宏观态),熵的输入量是变量(微观态)。

  所以,信息是相对的,接受到的信息是相对于观察者已经对该件事情的了解程度而言的。小黄会做这道题,不管告不告诉小黄正确答案是C,小黄对这道题的熵都为0bit,因为观察者已经拥有这件事情的所有信息,不确定性从最初就不存在;小方不会这道题,熵为2bits,因为观察者没有关于这件事情的任何信息,他需要从4中等概率情况里确定实际情况,不确定性最大;小温知道D是错的,熵为1.58bits,因为观察者拥有关于这件事情的部分信息,不确定性略小,他需要从3种等概率情况里确定实际情况。

  虽然信息是相对于观察者而言的,但信息是客观的物理量,不随观察者的主观意识改变。比如,小温认为C是错的,熵不会减少,因为这个“主观认为C是错的”并没有实际帮助小温消除事情的不确定性;“明天太阳从东边升起”这句话,对知道的人而言,提供了0bit信息,对知道太阳或东或西升起的人而言,提供了1bit信息,对觉得东南西北都有可能的人而言,提供了2bits信息。

  同时,信息(熵)还是相对于某件事情而言的。比如,小方对“正确答案是ABCD哪个选项”的熵是2bits,但小方对于“正确答案属于AB还是属于CD”的熵是1bit;又比如小黄告诉小方“正确答案是C”为小方确定正确答案提供了2bits信息,而若想告诉别人“小黄对小方说了什么”这件事情的熵不再是2bits,观察者也不再是小黄或小方,而是除小黄或小方之外的观察者。

  很多人在思考问题的时候,会不经意间切换所要思考的事情,或者根本不知道自己要思考什么事情,这会造成怎么想都想不明白,你可能会疑惑,做数学题明明消耗了很多能量,小明怎么只获得了2bits的信息呢,上面的信息到底是怎样量化的?下一篇文章将解释信息是怎么被定义出来的,以及你现在脑中存在的各种疑虑。,此后你会发现,信息并不是一个虚构的概念,而是一个实实在在存在的和质量、能量一样的物理量。

  此刻的你,接受着我产生的文字,但你知道我所传递的内容不是这些文字本身,而是信息。我们时时刻刻都在获取信息、讨论信息,然而到底什么是信息呢?

  当一件事情(宏观态)有多种可能情况(微观态)时,这件事情(宏观态)对某人(观察者)而言具体是哪种情况(微观态)的不确定性叫做熵(entropy),而能够消除该人对这件事情(宏观态)不确定性的的事物叫做信息。

  熵和信息的数量相等,意义相反,获取信息意味着消除不确定性——也就是熵。比如,小方不会一道数学选择题(正确答案是C),正确答案(宏观态)是A、B、C、D四个选项中哪一个(4个微观态)的不确定性就是熵。这里,正确答案也叫宏观态,而每个有可能的选项都是微观态;宏观态是不考虑内部细节的状态,而微观态是考虑具体细节的状态;熵在A、B、C、D所有可能情况(宏观态)都是等概率(25%)时最大,在确定C(实际情况)时100%后最小。

  能够消除不确定性的信息有三种类型,他们本质都是正确的调整每个情况(微观态)的概率。

  第一种,可以正确的调整实际概率。比如小黄告诉小方“有一半可能性是C选项”,这句话帮助小方将C选项的概率调整到了50%,熵就降低了。

  第二种,能正确地排除某件事情的干扰情况。如小黄告诉小方“D选项是错的”,这句话帮助小方将D选项的概率调整到了0%,这时小方只需要从A、B、C这3种情况里确定实际情况即可,在此基础上,小红再告诉小方“A选项是错的”,这时小方只需要从B、C这两种情况里确定实际情况即可,在此基础上,在此基础上,再有人告诉小方“B选项是错误的”,就只剩下一种情况了,熵完全消失。

  第三种,能够直接确定某件事情的实际情况。比如小黄告诉小方“正确答案是C”,将C选项的概率调整到了100%,这句话直接帮助小方从4种等概率情况里确定了实际情况,熵完全消失。

  但小黄告诉小方“肯定是ABCD里的一项”,这句话就没有帮助小方消除任何不确定性。在这种定义下,并没有假信息一说,只有能够消除某人对某件事情的不确定性的事物才是信息,因此小黄告诉小方“正确答案是D”提供的信息是0(非信息,连假信息都不是),那些不能够消除某人对某件事情不确定性的事物被称为数据或噪音,只获取了噪音的观察者,他对某个问题的熵是不变的。

  个人素质分为五种:道德素质、文化素质、心理素质、身体素质、对社会认知的素质。

  道德素质最为重要是第一位的,道德素质起着方向性的作用,没有道德的人其他的素质再好也没有用,弄不好还起到反作用。所以道德素质有正负之分,也就是说道德素质是正的其他素质也是正数,道德素质是负的其他素质也为负数。如何才能提高一个人的道德素质呢,那就是把法律法规和规章制度都做好不违反的前题下把那些规定的向好的方向做的更好。比如:法律规定不允许偷东西,那我们就不禁不偷还要相反把自己的东西给别人,当然是那些需要帮助的人,法律规定不允许诈骗,我们就诚实守信,而且是法律规定不到的也要诚实守信。规章制度规定不允许迟到早退,那我们就早来晚走。不犯法不违反规章制度并不是就完全具有道德素质。人的道德素质不像人的外表,平常很难体现,也不能用考试书写的办法来考核。只有在关键时刻和长期才能发现人的道德素质。总而言之多为他人着想一点,勇于牺牲自己的个人利益是道德素质高的体现,相反不为他人着想老为自己着想是低素质的体现。因为大多数的人怕吃亏所以文明的人很少。中国人为什么被称为东亚病夫,首先就是太过于自私,什么事情都以自我为中心,不为他人考虑。为了钱爱情都可以不要,为了那一点点利益,亲戚朋友都可以不做。别人做生意赔了,作为亲戚朋友不禁不关心帮助还笑话人家,更有甚者明明赔了两万非说人家赔了四万,夫妻两人不互相关心互相爱护,反而想着如何把家里的钱掌握在自己的手里,好万一离婚不会少分而吃亏,这都是底素质的体现。

  人的文化素质主要是书中获得,自然是多学习把它记住。学校老师是获得知识的主要来源,其他方面也可以获得知识,如:看报纸、看电视、看书甚至通过玩游戏也可以获得知识。处处留心皆学问就是这个道理。教给大家有些不爱看书的朋友,看电视获得知识的方法很容易让人接受,因为每一个电视剧都是一本书,如果谁能把一个名著看懂了看透了,那他的文化程度就相当高了。

  人的心理素质主要是小时候培养出来的,长大以后就很难培养。比如:一个小孩偷了邻居家树上的梨。他知道晚上回家后父母一定会指责他,于是他心里一定会想怎么回答父母的问话,才可以逃避惩罚。主要次数多了就培养了一个良好素质的人,但他会用在那个方向就看父母对他的引导了。小偷强盗也具有良好的心理素质,但他们的道德素质把错了方向所以起相反作用。为什么小时候经常犯错顽皮的孩子,长大容易有出息,就是心理素质提高的原因。而那些从小很听话的孩子就没有锻炼心理素质的机会。在现实生活中有很多心理素质运用的机会,比如:间谍、做生意、接人待物甚至下棋打牌都是心理素质运用的机会。一个良好的心理素质有时可以避免一场灾难,一场事故或牢狱之灾。那么如何才能培养一个人良好的心理素质呢,那就是小的时候多吃苦多受罪,怎样才可以遇到更多的困难和挫折来培养心理。有物质的基础和文化素质的高超会让心理素质有更好的发挥。有些人心理变态去杀人,主要是心理素质不过硬承受不了打击,所以把恨传递给别人了。爱和恨都是可以传递的。

  身体素质是基础,对人的事业有着十分重要的作用。没有良好的身体就没法工作,也很难把自己的思想发扬光大。很多伟人为什么没有把自己的事业完成就是因为死的太早,身体素质不好。军人军事比武,运动员比赛拿名次全靠身体素质。管理者的身体素质决定一个家庭,一个团体,一个企业,一个国家的命运。如何提高一个人的身体素质,那就是多锻炼多运动,注意保养,饮食和个人的生活习惯。要想达到顶点就要靠个人的毅力了。

  对社会认知的素质是这样,首先年龄大一点是对社会认知的基础,因为事物需要反复多次的论证,才能得出好的判断结果,所以需要时间。对一个人、一个企业、一个团体、一个家庭、一个国家的金融、政治、历史、思想、信仰、外交、文化、军事等的认知是对社会认知的主要方向。一个人对社会的认知素质是一个人择业、为人处事、工作、生活、婚姻家庭成功与否的主要原因。如果一个设计师或理发师在一个房间里呆一到两年对外没有联系,外面什么事情都不知道,那这个人将很难设计出出色的设计。因为他对社会的流行不认知,所以没法与时俱进了。如何提高一个人对社会认知的素质呢,那就是在平常是工作学习生活中每一个时间多留心,多想原因,多考虑。才能对你身边的某一个人、某一件事、某一件东西、某一种现象、某一个事故、某一种行为的发生产生或质量作用的认知和认识。

  一个人的综合素质是相互支撑的,没有文化素质道德素质也很难展现,比如不懂法律的人怎么知道谁对谁错。帮助坏人那不是做了一件坏事。身体素质不好打不过坏人怎能把道德素质展现的更好。没有社会认知的素质怎能知道向那个文化方向努力。个人的综合素质是一个人的质量,如何提高就要靠自己的努力了,如果大家都能提高自己的个人素质,做一个有素质高素质的人,社会就会少发生一些不好的事,多发生些美好的事,我们的国家就会更强大,我们的生活也会更美好。

  前几期讲了核,今天来讲一下核能是怎么在核电站转变为电能的。

  因为反应堆是核电站的心脏,所以我们先从反应堆谈起。反应堆主要有4个组成部分:

  燃料棒:最常见的反应堆以铀235为燃料,核燃料的形式是由铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块。每个陶瓷芯块为直径1厘米、高1厘米的圆柱体。几百个芯块叠在一起装入直径1厘米、长约4米的细长锆合金材料套管内。这样的装置就是燃料棒。燃料棒中的反应属于重核裂变,其过程是——当中子轰击铀235的原子核时,引起裂变,铀核分裂为两个或两个以上中等质量的核(如分裂为钡和氪),同时释放2~3个中子。然后中子又去轰击另外的铀235原子核,引起新的裂变,这种连续不断的反应叫做链式反应。反应过程会产生大量的内能。

  慢化剂:由于核反应所产生的中子运动速度过快,不易被铀核俘获,所以要用适当的方法把这些中子的速度降下来,变成慢中子。通常的方法是使用慢化剂,让中子与慢化剂的原子核发生碰撞而使速度降低。慢化剂是既不吸收中子,也不与中子发生核反应的物质,可以是重水、石墨、二氧化碳或轻水(即纯度很高的普通水)。福岛核电站的反应堆就是用轻水作为慢化剂的。

  控制棒:核电站输出的能量多少需要根据电网的需求来调节,所以反应堆中链式反应的速度也要根据电网需求调节,调节反应速度的装置就是控制棒。控制棒由硼和镉等易于吸收中子的材料制成,核反应压力容器外有一套机械装置可以操纵控制棒。控制棒插入反应堆中的深浅决定反应的速度——插入越深,吸收中子越多,反应速度越慢,完全插入反应中心时,能够吸收大量中子,将阻止链式反应的进行。

  防护层:裂变反应会产生大量的高能射线,如β、γ射线。为了防止这些射线伤害人、动物,污染环境,必须在反应堆及其辅助设备周围设置防护层。通常选择钢、铅、普通混凝土和重混凝土等材料制作防护层。

  现在我们已经对反应堆有所了解,下面我们以两种具有代表性的反应堆——压水堆和沸水堆为例,分析核能是如何转化为电能的。

  压水堆:压水堆的能量传递系统由两个循环回路组成。一回路连接着堆芯和二回路中的蒸汽发生器,回路内压强保持在150个大气压左右。这个压强相对较大,压水堆由此得名。在此压强下可将冷却水加热至约343℃而不沸腾(压强越大,沸点越高)。冷却水在二回路蒸汽发生器的传热管中将压强约为70个大气压左右的二回路水加热至沸腾,形成的水蒸气推动汽轮机运转,把内能转化为机械能。汽轮机再带动发电机转子转动,把机械能最终转化为电能。显然,两个循环回路中的水既是能量传递的载体,又是反应堆的冷却剂,责任重大。

  沸水堆:沸水堆仅具有一个循环回路,在这里,来自汽轮机的水进入压力容器后,吸收能量,温度升高,在280℃左右沸腾。产生的汽水混合物经过堆芯上方的汽水分离器和蒸汽干燥器过滤掉液态水后,直接送到汽轮机,带动汽轮机运转,汽轮机再带动发电机发电。通过汽轮机的蒸汽经过冷凝器凝结为液态水后,回流至反应堆,完成一个循环。因沸水堆中的蒸汽直接通往汽轮机,故该系统被称为直接循环系统。

  由此可见,不管是压水堆还是沸水堆,其能量转化过程都是:核能→内能→机械能→电能。压水堆与沸水堆结构相比,各有短长。压水堆有两个循环系统,第二个循环系统与核燃料没有直接接触,降低了工作场所的放射性强度,给汽轮机等设备的维护带来方便;其缺点是结构复杂,对压力容器的力学强度要求高。沸水堆结构简单,降低了反应堆的工作压力和堆芯温度,提高了反应堆的安全性。但由于沸水堆的循环系统直接连接了堆芯和汽轮机,因此可能使汽轮机受到放射性污染,给设计和维修带来麻烦。我国正在运行的大亚湾、秦山和田湾核电站都属于压水堆,日本福岛核电站则属于沸水堆。

  核电与火电相比,有不少优势,如正常情况下没有有害气体排放,对环境没有污染。单位质量的核燃料和化石燃料相比,前者释放的能量远远多于后者,1克铀235全部裂变放出的能量与2.8吨标准煤相当。所以在运行当中,燃料的运输成本比火电厂低得多。但核电站技术要求高,不仅要求在常态下安全运行,而且要在极端条件下万无一失,因为一旦发生爆炸、泄漏,其灾害远远超过火电。

  让我们期待核电真正能够安全利用的时候吧!

小茶煮雨唤撑花,豆蔻青梅岭上蛙。
喃蝉惬意不夜侯,促织小语半生瓜。
初闻寒酥满塞北,又见朝颜浣紫霞。
极目望舒天楚外,鸿雁何时到我家。

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