I detta avsnitt kommer jag att behandla information i tekniska och biolo- giska system även kallat informationskapacitet. Denna betydelse på begreppet information får inte förväxlas med det vi i dagligt tal menar med informa- tion. Information är ett begrepp som ju ofta förekommer i samhällsdebatten, men oftast utan att dess egentliga betydelse framgår. I naturvetenskaplig mening är information och exergi samma sak. Exergi är ett mått på hur mycket ett system avviker från sitt jämviktstillstånd med omgivningen, se ekv. 6 ovan. Ju mer ett system avviker från jämvikt desto mer information
‡ Vid beräkning av gravitationsexergi (lägesenergi och tidvattenenergi) gäller medelvatten- nivån vid havsytan som en generell standard.
krävs för att beskriva det och desto större blir dess kapacitet att bära informa- tion. Exergi och information eller informationskapacitet är därför vetenskap- ligt kopplade till varandra. Detta är av fundamental betydelse och diskuteras ytterligare i app. D. Relationen mellan storheten exergi E i enheten J och in- formation I i enheten b (bit) är
E = k'T0I (9)
där T0 är omgivningstemperaturen i enheten K (Kelvin) och k' = k ln2 ≈
1.0×10–23 [J/K] (k = 1.38×10–23 [J/K] kallas Boltzmanns konstant) har rollen som
fundamental konstant.
Såsom exempel kan nämnas att nettoinflödet av informationskapacitet till jorden från solen per sekund är ungefär, se app. D och app. B.III,
1.2×1017( 1
290 – 1
5800) ≈ 4×1037 [bitar/s] (10)
Av detta omsätter mänskligheten endast en bråkdel av ca 5×1013 bitar.
Förhållandet mellan utnyttjad och tillgänglig informationskapacitet blir 10–24.
Samma förhållande för energiomsättning blir ca 3×10–5. Det outnyttjade in-
formationsflödet från solen är alltså enormt. Vårt samhälle är således mycket underutvecklat i detta avseende och en del av förklaringen till detta följer nedan.
Information måste lagras och transporteras med hjälp av metoder som är så säkra som möjligt. För att uppnå detta använder man övertydliga (redundenta) koder och vid kopiering tillåts extra exergiförbrukning för att göra processen mer enkelriktad (irreversibel). Säkerheten i överföringen ökas således på bekostnad av effektiviteten genom en större “friktion”. Jämför med att starta bilen i en uppförsbacke med hjälp av handbromsen och en sli- rande koppling. Risken att glida bakåt minskar då man bromsar och gasar samtidigt — rörelsen blir således mer enkelriktad genom en större friktion, dvs extra exergiförbrukning.
Vid vardagskommunikation av information är energianvändningen ofta onödigt stor. Därför blir förhållandet mellan exergiåtgång och förmedlad informationsmängd högt vilket medför att endast en liten del av exergin, eller den tillgängliga informationskapaciteten i exergin, används. Som nämnts tidigare används därför endast en liten del av den till jorden instrå- lade informationskapaciteten enligt ekv. 10 ovan. Om man tar i beaktande omvandlingen av exergi i solljuset till ordnade strukturer av växterna inser man dock att trots att endast en liten del av det primära informationsinflödet
tas tillvara blir det ändå enorma mängder. Solljuset finns helt enkelt i ett sådant överflöd att naturen kan tillåtas “slösa” med exergin. Ur naturens per- spektiv är detta naturligtvis inget slöseri utan resultatet av årmiljarders expe- rimenterande för att få fram de mest effektiva och konkurrenskraftiga livs- formerna, som för närvarande kröns av Homo sapiens — den medvetna människan.
Det är viktigt att jämföra effektiviteten vid informationsöverföring mel- lan olika system. Ett mått på effektivitet är mängden exergi omsatt per bit överförd information. Detta har dimensionen temperatur. Ju lägre denna temperatur är desto mer effektiv är informationsöverföringen, men om denna temperatur blir för låg kan värmerörelser i omgivningen förstöra in- formationen, se tab. 2.3. {Tribus & McIrvine 1971}
Känsligheten hos näthinnan är sådan att det mänskliga ögat fungerar nära den kvantmekaniska gränsen. Det räcker faktiskt med endast ett fåtal ljuskvanta för att registreras av ögat. Lagring av information i ett datorminne
har en karakteristisk temperatur av omkring 105 gånger temperaturen för
seende. Men å andra sidan är tidsupplösningen och därmed hastigheten ca
105 gånger snabbare än för ögat. Slutsatsen blir att levande varelser och dato-
rer var för sig är effektiva i sin användning av exergi för att motta och över- föra information. DNA kopieringen i en cell är trots allt många gånger effek- tivare än något tekniskt system.
Tabell 2.3 Effektiviteten för olika system för informationsförmedling E I [J/bit] Töverföring [K] Elektrisk skrivmaskin 1 1023 Radiomottagare 5×10–4 5×1019 Television 2×10–5 2×1018 Datorminne 10–12 1011 Mänskligt tal 10–16 107 Mänskligt öra 10–17 106 Mänskligt öga 5×10–18 5×105 DNA-replikation i en cell 4.6×10–21 460
Elektroniska kretsar, människans öra och öga och kopiering av DNA är inritade i ett logaritmiskt informationshastighet-effektdiagram i fig. 2.2 nedan. Det minimala effektbehovet i sk datachips kan beräknas. En elementär process i en dator, som en logisk operation, kräver en exergi som ligger långt
Detta är nödvändigt för att undvika störningar från termiska fluktuationer som orsakar brus i elektroniska kretsar. Denna nedre gräns är markerad med en rät linje i fig. 2.2. Vanligen måste alltså en process ligga långt över denna linje för att inte allvarligt störas av termiska fluktuationer. DNA-replikatio- nen ligger förvånande nära denna kritiska nivå. Vissa steg i överföringen ligger faktiskt under denna nivå. Istället för att satsa all exergi på själva kopie- ringen, som i tekniska system — datorer, har naturen valt en exergisnål kopiering som istället kontrolleras. Dessutom är fel vid kopiering nödvändi- ga för den ekologiska evolutionen, dvs för att nya oväntade organismer skall se dagens ljus. Dessa kan ju visa sig vara mer livskraftiga än sina föregångare, dvs ett steg framåt för utvecklingen. Örat och ögat täcker stora områden i dia- grammet, flera tiopotenser. Elektronik är troligen den ur exergi-ekonomiska synpunkt bästa teknik vi känner idag. Men, som figuren visar, livet i sig själv är många gånger mer effektivt i sin användning av exergi för att förmedla information. 1 103 106 109 10-20 10-15 10-10 10-5 Exergieffekt Mänskligt öra Omgivningstemperatur Informationshastighet bits/s 1W Vanlig elektronik Mikroeffekts kretsar Mänskligt öga DNA kopiering Brusområde
Biologiska strukturer fortlever genom energidissipation — att förskingra energins inre ordning — eller exergikonsumtion. Exergin i solljuset används för att bygga upp komplicerade organiska strukturer. Informationen som lig- ger lagrad som ordning i de genetiska koderna som DNA-molekyler styr tillverkningsprocessen. Denna information överförs från generation till generation. Då biologiskt material t ex trä eller cellulosa används för sina unika materialegenskapers skull är det dessa strukturer och denna informa- tion som man drar nytta av.
Både exergi och information utgör mått på avvikelsen från en referens- omgivning. Exergin är det maximala arbete men kan utvinna ur en sådan avvikelse men arbete krävs oftast också för att upprätthålla och överföra in- formation. Sambandet mellan exergi och information är därför djupt förankrad.
Antag att vi befinner oss på ett party och upptäcker en bekant på avstånd. För att nå fram med ett budskap till vår bekant måste du “synas över mäng- den”. Antingen genom att ställa dig på tå och vinka med handen — om du är lång — eller genom att höja rösten över partybruset. Detta “kostar” således en minsta ansträngning som bestäms av den omgivande brusnivån, vilken anges i fig. 2.2 som det skuggade nedre högra fältet — brusområde.
Vi kan således konstatera att exergibegreppet är ett fundamentalt begrepp och begreppen energi, material och information är olika bärare av exergi.