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天体物理学 > 地球与行星天体物理学

arXiv:2303.16111 (astro-ph)
[提交于 2023年3月28日 (v1) ,最后修订 2024年7月8日 (此版本, v2)]

标题: 使用计算区域从底层重建宜居带

标题: Rebuilding the Habitable Zone from the Bottom Up with Computational Zones

Authors:Caleb Scharf, Olaf Witkowski
摘要: 如果将计算视为作用于物质状态所表示的信息的一组物理过程,则计算涵盖了生物系统、数字系统以及其他结构,且可能是生命系统的根本度量。 生物计算的机会,体现在携带信息的有机分子结构的传播和基于选择驱动的演化中,在某种程度上已经根据行星宜居带的基本条件(如温度和液态水的存在)进行了表征。 本文提出了将这一概念推广到计算区域的想法,并通过三个主要特征来设定约束条件:容量(包括计算速率)、能量以及实例化(或基质,包括空间范围)。 计算区域自然结合了传统的宜居因素,包括与生物功能相关的因素,这些因素涉及化学环境、营养和自由能的限制以及元素的可用性。 通过研究行星表面光驱动生物计算的基本热力学工作效率和兰道尔极限,以及恒星能量捕获结构(即戴森结构)中的广义计算,展示了两个应用示例。 文中指出,涉及嵌套结构或次恒星天体的计算区域可能表现出独特的观测特征,作为冷的远红外发射器。 尽管后一种情景完全是假设性的,但它们提供了一个有用的、互补的介绍,有助于理解计算区域的潜在普遍性。
摘要: Computation, if treated as a set of physical processes that act on information represented by states of matter, encompasses biological systems, digital systems, and other constructs, and may be a fundamental measure of living systems. The opportunity for biological computation, represented in the propagation and selection-driven evolution of information-carrying organic molecular structures, has been partially characterized in terms of planetary habitable zones based on primary conditions such as temperature and the presence of liquid water. A generalization of this concept to computational zones is proposed, with constraints set by three principal characteristics: capacity (including computation rates), energy, and instantiation (or substrate, including spatial extent). Computational zones naturally combine traditional habitability factors, including those associated with biological function that incorporate the chemical milieu, constraints on nutrients and free energy, as well as element availability. Two example applications are presented by examining the fundamental thermodynamic work efficiency and Landauer limit of photon-driven biological computation on planetary surfaces and of generalized computation in stellar energy capture structures (a.k.a. Dyson structures). It is suggested that computational zones involving nested structures or substellar objects could manifest unique observational signatures as cool far-infrared emitters. While these latter scenarios are entirely hypothetical, they offer a useful, complementary, introduction to the potential universality of computational zones.
评论: 49页,3幅图,发表于2024年6月《天体生物学杂志》
主题: 地球与行星天体物理学 (astro-ph.EP) ; 太阳与恒星天体物理学 (astro-ph.SR); 生物物理 (physics.bio-ph)
引用方式: arXiv:2303.16111 [astro-ph.EP]
  (或者 arXiv:2303.16111v2 [astro-ph.EP] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.16111
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: AsBio, 24, 613 (2024)
相关 DOI: https://doi.org/10.1089/ast.2023.0035
链接到相关资源的 DOI

提交历史

来自: Caleb A. Scharf [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2023 年 3 月 28 日 16:26:39 UTC (300 KB)
[v2] 星期一, 2024 年 7 月 8 日 14:50:27 UTC (278 KB)
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