Память, которая возвращает энтропию ✎

Оригинал: "Relative Entropy Revivals Caused by Memory-Induced Loss of Divisibility in Classical Non-Markovian Dynamics"
· Koichi Nakagawa
arXiv:2602.09054 · 2026-02-07 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Когда система помнит своё прошлое, её путь к равновесию может на время обернуться вспять.

Оркестр начинает играть в унисон, но скрытый дирижёр на секунду меняет направление взмаха. Так и система, стремящаяся к равновесию, вдруг делает шаг назад.

В марковских процессах, где будущее зависит только от настоящего, расстояние до равновесия — его измеряют относительной энтропией — убывает монотонно, как песок в песочных часах. Но если система помнит свою историю, эта стрела времени может дрогнуть. Раньше такие возрождения энтропии замечали, но не понимали, какой минимальный механизм их вызывает.

Память здесь похожа на скрытого дирижёра: он не меняет ноты, но задерживает некоторые взмахи палочки. Из-за этого оркестр на мгновение сбивается с ритма, хотя партитура осталась прежней.

Автор построил простейшие модели с двумя и тремя состояниями и экспоненциальным ядром памяти. Оказалось, что когда время памяти сравнимо с временем релаксации, эффективный генератор приобретает отрицательные недиагональные элементы. Это означает потерю стохастической делимости: эволюцию уже нельзя разбить на последовательные марковские шаги. Тогда стандартное доказательство монотонности перестаёт работать, и относительная энтропия может временно вырасти — возникает перелёт.

Численный эксперимент показал: при короткой памяти динамика почти марковская, и энтропия убывает. При длинной памяти задержанная обратная связь от скрытой переменной на время обращает релаксацию, как дирижёр, который на мгновение поворачивает оркестр вспять.

В двухсостоянийной модели перелёт проявляется как осциллирующий переходный процесс, амплитуда которого растёт с увеличением времени памяти. В трёхсостоянийной модели фазовые диаграммы чётко разделяют режимы, и граница соответствует оценке γ ~ λ. Это подтверждает: перелёт энтропии — устойчивое следствие потери делимости, а не артефакт специальных начальных условий.

Оркестр снова играет в унисон. Но теперь ясно, что короткая заминка была не случайностью, а работой памяти, которая на миг вернула систему к прошлому.

В марковском случае относительная энтропия играет роль функции Ляпунова, гарантирующей необратимое приближение к равновесию. Потеря делимости означает, что эволюцию нельзя разбить на последовательные марковские шаги, и тогда привычная стрела времени может на короткое время обернуться вспять.

\frac{dP(t)}{dt} = \int_0^t K(t-\tau) P(\tau) d\tau
Скорость изменения вероятностей в момент t зависит от всей предыдущей истории через ядро K.
K(t) = \gamma e^{-\gamma t} R
Память экспоненциально затухает со скоростью γ, а R — марковский генератор.
F(t) = D_{KL}(P(t) \| \pi) = \sum_i P_i(t) \ln \frac{P_i(t)}{\pi_i}
Мера информационного расстояния текущего распределения от стационарного π.
Учёные
Ludwig BoltzmannRudolf ClausiusJacob BekensteinStephen HawkingJames Clerk MaxwellEdward Witten
Понятия
энтропия Больцмана энтропия энтропийная гравитация стрела времени марковская цепь релаксация скорость затухания энергетическая щель время релаксации логарифмическая поправка необратимость энтропийная тень