Mối quan hệ tương tác nền tảng và phổ quát nhất trong vũ trụ, đó là sự liên kết chặt chẽ giữa:

1. Sự “có tổ chức của vật chất” (cấu trúc, trật tự, độ phức tạp của vật chất)
2. Chuyển hóa năng lượng (các quá trình biến đổi, dòng chảy và sử dụng năng lượng)
3. Sản sinh, lưu giữ và lan truyền thông tin (quá trình tạo ra, mã hóa, duy trì và truyền tải thông tin)

Ba yếu tố này không chỉ liên quan mà còn phụ thuộc lẫn nhau và thường xuyên đồng tiến hóa, đặc biệt là trong các hệ thống phức hợp. Dưới đây là tổng hợp các nghiên cứu và hiểu biết về vấn đề này:

I. Các Nguyên tắc Nền tảng của Mối Quan Hệ

• Tổ chức vật chất cần năng lượng để duy trì và phát triển: Theo Định luật thứ hai của Nhiệt động lực học, mọi hệ thống cô lập có xu hướng tiến tới trạng thái mất trật tự hơn (entropy tăng). Để vật chất duy trì hoặc tăng cường mức độ tổ chức (giảm entropy cục bộ), cần phải có dòng năng lượng đi vào và được chuyển hóa bên trong hệ thống (đặc điểm của các hệ mở, xa trạng thái cân bằng).
• Chuyển hóa năng lượng thường đi kèm với thay đổi tổ chức vật chất: Các phản ứng hóa học (phá vỡ và hình thành liên kết), các quá trình vật lý (như thay đổi pha) đều liên quan đến sự hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng và dẫn đến sự tái cấu trúc, thay đổi mức độ tổ chức của vật chất.
• Thông tin được mã hóa trong cấu trúc và trạng thái của vật chất có tổ chức: Một trình tự cụ thể của các đơn vị vật chất, một cấu trúc không gian đặc thù, hoặc một trạng thái năng lượng nhất định của vật chất đều có thể mang thông tin. Ví dụ: trình tự các nucleotide trong DNA, cấu trúc tinh thể của một khoáng vật, trạng thái spin của electron.
• Các quá trình thông tin (sản sinh, lưu giữ, lan truyền) đều tiêu tốn năng lượng:
  • Nguyên lý Landauer: Cho thấy việc xóa một bit thông tin trong một hệ thống tính toán tất yếu phải tiêu tán một lượng năng lượng tối thiểu ra môi trường. Điều này thiết lập một giới hạn vật lý cho tính toán và liên kết trực tiếp thông tin với năng lượng.
  • Việc sản sinh tín hiệu, sao chép thông tin, duy trì bộ nhớ, hay truyền thông tin qua một kênh đều đòi hỏi năng lượng để thực hiện các biến đổi vật lý cần thiết.

II. Biểu hiện của Mối Quan Hệ trong các Lĩnh vực Khoa học

1. Vật lý và Hóa học (Các hệ không sống):

   • Sự tự tổ chức (Self-organization): Trong các hệ thống vật lý và hóa học xa trạng thái cân bằng, khi có dòng năng lượng liên tục đi qua, các cấu trúc có trật tự (tổ chức) có thể tự phát hình thành. Ví dụ: các ô đối lưu Bénard trong chất lỏng được đun nóng, các phản ứng hóa học dao động như Belousov-Zhabotinsky, sự hình thành bông tuyết.
     • Năng lượng: Là động lực cho sự hình thành và duy trì các cấu trúc này.
     • Tổ chức: Các cấu trúc này là biểu hiện của vật chất được tổ chức ở mức độ cao hơn.
     • Thông tin: Các mẫu hình (pattern) này có thể được xem là thông tin được hệ thống “xử lý” từ môi trường và các điều kiện nội tại để tạo ra cấu trúc.
   • Nhiệt động lực học và Lý thuyết thông tin: Có mối liên hệ sâu sắc giữa entropy (thước đo sự mất trật tự vật lý) và entropy thông tin (thước đo sự không chắc chắn, hoặc lượng thông tin bị thiếu). Việc tạo ra trật tự (thông tin) thường đồng nghĩa với việc giảm entropy cục bộ và cần tiêu tốn năng lượng.

2. Sinh học (Các hệ sống – Ví dụ điển hình nhất):

   • Sự sống là vật chất có tổ chức cao độ: Từ cấp độ phân tử (DNA, protein), tế bào, cơ quan, cơ thể, đến quần thể và hệ sinh thái, sự sống biểu hiện những cấp độ tổ chức vật chất vô cùng phức tạp và tinh vi.
   • Trao đổi chất là quá trình chuyển hóa năng lượng cốt lõi: Sinh vật là các hệ mở, liên tục thu nhận năng lượng từ môi trường (quang năng, hóa năng từ thức ăn) và chuyển hóa nó thông qua các quá trình trao đổi chất để xây dựng, duy trì cấu trúc cơ thể (tổ chức vật chất), sửa chữa tổn thương, vận động, sinh sản và thực hiện các chức năng sống khác.
   • Thông tin di truyền (DNA, RNA):
     • Lưu giữ: DNA là một phân tử có cấu trúc xoắn kép, lưu trữ thông tin di truyền dưới dạng trình tự các nucleotide. Đây là một dạng vật chất được tổ chức cao độ để mã hóa thông tin.
     • Sản sinh và Lan truyền: Quá trình sao chép DNA, phiên mã và dịch mã (tạo ra protein từ thông tin di truyền) đều là các quá trình phức tạp, đòi hỏi năng lượng và sự tham gia của nhiều phân tử được tổ chức khác (enzyme, ribosome). Thông tin di truyền được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác thông qua sinh sản.
   • Xử lý thông tin thần kinh (ở động vật):
     • Tổ chức: Não bộ là cấu trúc vật chất có tổ chức phức tạp nhất mà chúng ta biết.
     • Năng lượng: Não tiêu thụ một lượng lớn năng lượng của cơ thể để duy trì hoạt động.
     • Thông tin: Các tế bào thần kinh (neuron) nhận, xử lý, lưu trữ (thông qua sự thay đổi độ mạnh của khớp thần kinh – một thay đổi về tổ chức vật chất) và truyền thông tin dưới dạng các tín hiệu điện hóa (xung thần kinh – một quá trình chuyển hóa năng lượng).
   • Hệ sinh thái: Dòng năng lượng (từ mặt trời qua các chuỗi thức ăn) duy trì sự tổ chức của hệ sinh thái. Các dòng thông tin (tín hiệu hóa học, hành vi giữa các loài) điều chỉnh các tương tác và sự cân bằng trong hệ.

3. Công nghệ Thông tin và Tính toán:

   • Phần cứng: Máy tính và các thiết bị điện tử là những hệ thống vật chất được tổ chức một cách chính xác với các vi mạch, bóng bán dẫn.
   • Năng lượng: Chúng cần năng lượng điện để hoạt động, xử lý, lưu trữ và truyền thông tin.
   • Thông tin: Được mã hóa dưới dạng các trạng thái vật lý (mức điện áp, hướng từ trường, sự hiện diện/vắng mặt của ánh sáng).

III. Các Khuôn khổ Lý thuyết Liên quan

• Điều khiển học (Cybernetics): Nghiên cứu về sự điều khiển và giao tiếp (dòng thông tin) trong các hệ thống động vật và máy móc, thường liên quan đến các vòng phản hồi và việc điều chỉnh năng lượng để duy trì sự tổ chức.
• Lý thuyết Hệ thống (Systems Theory): Xem xét các hiện tượng như những hệ thống phức hợp, liên kết với nhau, có đầu vào, đầu ra, các quá trình (thường bao gồm chuyển hóa năng lượng) và thông tin phản hồi. Nhấn mạnh cách sự tổ chức phát sinh từ tương tác của các bộ phận.
• Khoa học Phức hợp (Complexity Science) / Hệ Thích ứng Phức hợp (Complex Adaptive Systems): Nghiên cứu cách các hành vi phức tạp, có tổ chức xuất hiện từ sự tương tác của nhiều thành phần đơn giản, thường liên quan đến sự tự tổ chức, dòng năng lượng và xử lý thông tin (ví dụ: đàn kiến, hệ miễn dịch, thành phố).
• Thông tin như một đại lượng cơ bản: Một số nhà tư tưởng (như John Archibald Wheeler với khái niệm “it from bit”) cho rằng thông tin có thể là một thành phần cơ bản của vũ trụ, bên cạnh vật chất và năng lượng. David Deutsch với “Constructor Theory” cố gắng định nghĩa lại các quy luật vật lý dựa trên những biến đổi (thông tin) nào là khả thi và không khả thi.

IV. Tổng kết và Nhấn mạnh

Mối quan hệ giữa sự “có tổ chức của vật chất”, “chuyển hóa năng lượng” và “sản sinh, lưu giữ, lan truyền thông tin” là một vòng xoáy tương tác, phụ thuộc và đồng tiến hóa chặt chẽ:

1. Vật chất được tổ chức tạo ra nền tảng, cấu trúc để lưu trữ thông tin và thực hiện các chức năng.
2. Chuyển hóa năng lượng cung cấp “nhiên liệu” cho việc hình thành, duy trì và thay đổi sự tổ chức của vật chất, cũng như cho mọi hoạt động liên quan đến thông tin.
3. Thông tin (ví dụ: thông tin di truyền, các quy luật, các chương trình) có thể định hướng và điều khiển quá trình tổ chức vật chất và dòng chảy năng lượng.

Sự tương tác phức tạp và năng động này là đặc trưng của các hệ thống tiến hóa, từ các cấu trúc vật lý đơn giản, đến sự sống phức tạp, và cả các hệ thống nhân tạo do con người tạo ra. Việc hiểu rõ mối quan hệ ba bên này là chìa khóa để giải mã nhiều bí ẩn của tự nhiên và để thiết kế các công nghệ hiệu quả hơn. Sự gia tăng về độ phức tạp trong tổ chức vật chất thường đi đôi với khả năng quản lý năng lượng tinh vi hơn và năng lực xử lý thông tin mạnh mẽ hơn.

Đây là một lĩnh vực nghiên cứu liên ngành, tiếp tục thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực khác nhau.