Размышления об информации, или Информация к размышлению

Виктор Воронов

Размышления об информации, или Информация к размышлению

Предисловие. Информационная реальность и будущее науки

Стремление к всеобъемлющему познанию, стремление найти ответы на самые глубинные вопросы, связанные с происхождением и существованием окружающего мира, является самой важной особенностью, отличающей человека и человеческий социум от всех других представителей биологической жизни. Врождённые знания и возможности перцептивного восприятия реальности, дополненные эзотерическими знаниями, на протяжении практически всей истории человечества были единственной основой для выстраивания вербализованных логических представлений об окружающей действительности. И на базе этих представлений сформировались религиозные, метафизические, технологические, математические и другие ветви человеческого знания.

Но настоящая революция в познании произошла лишь в результате использования инструментальных способов исследования природных явлений, на много порядков расширивших возможности перцептивных органов и позволивших перейти к количественному описанию наблюдаемых процессов. Отпочковавшееся от метафизики научное знание обнаружило, что для описания и объяснения практически всех физических фактов достаточно небольшого числа фундаментальных принципов и законов, которые, как правило, можно представить в математическом виде.

И это научное достижение породило распространённое убеждение, что наука покоится на надёжном основании, и что для понимания всего существующего достаточно лишь построить окончательную теорию, которая объединит все взаимодействия, и создать вычислительные мощности, необходимые для расчёта сложных систем.

Однако впечатляющий список проблемных вопросов, в течение многих десятилетий остающихся без научного ответа, заставляет думать, что природа устроена несколько иначе, чем это представляется с физической точки зрения. Некоторые вопросы, такие как существование «стрелы времени», «проблема измерений» в квантовой механике или происхождение Вселенной, связаны непосредственно с основополагающими принципами физики.

Но большинство проблем обязано своим существованием биологической жизни и представляющему её Человеку. Именно они привносят в окружающий мир такие чуждые для физики понятия, как целенаправленность, сознание, свобода воли и идея Бога. Да и само понимание природы жизни и процесса её материального воплощения находится ещё очень далеко от научного осмысления, так как живые существа, наделённые психикой, с трудом вписываются в существующую материалистическую картину мира. И корень всех трудностей кроется, по-видимому, в том, что живые организмы являются не просто высокоорганизованными физическими системами, а системами, способными создавать и использовать содержательную информацию.

Но, хотя в утилитарном плане роль информации в феномене жизни вполне понятна и сложные информационные процессы успешно моделируются на основе физических систем, не существует какого-либо ясного представления о том, каким образом информация может быть включена в структуру материального мира, подчиняющегося физическим законам.

Конечно, для информационных кодов используются материальные различения, и сама информация базируется на материальных носителях. Но её содержание не является частью этих носителей, так как информация инвариантна относительно предоставляющих различения материальных систем и выбранных на основе этих различений кодов.

Кроме того, информация обладает рядом свойств, не наблюдающихся в физических системах. Так, для информации не существует законов сохранения, и она может неограниченно копироваться, преобразовываться как по объёму, так и по содержанию, или вообще уничтожаться.

Содержание информации раскрывается только в специализированных информационных системах (ИС), обладающих базовыми знаниями (тезаурусом), позволяющими интерпретировать последовательности кодов в конкретные образы, встраиваемые в общий контекст знаний ИС. К подобным ИС относятся и живые организмы. При этом существенно, что информация, которой обладают ИС, способна целенаправленно влиять на их поведение.

Развитые информационные структуры способны также порождать виртуальные реальности, которые в чувственном аспекте могут воспроизводить окружающую действительность, но могут быть и сколь угодно далеки от неё.

Таким образом, есть все основания утверждать, что содержательная информация, безусловно являющаяся частью окружающей действительности, существует независимо от материальной реальности, на которой она базируется. И только физические различения, используемые информацией в качестве кодов, связывают информационную и физическую реальность в единое наблюдаемое целое.

Но вполне возможно, что в Природе существуют и другие – нефизические различения. Тогда возникают вопросы: в каком статусе по отношению к наблюдаемой действительности будет находиться информация, использующая эти различения, и в каком виде она может быть связана с жизнью, представленной в материальной реальности?

Попытка ответить на эти вопросы является главной целью этой работы. Но, чтобы приблизиться к этой цели, необходимо сначала структурировать доступную восприятию информацию и развить язык, соответствующий этим структурам. А затем необходимо проанализировать с информационной точки зрения все проблемные вопросы физики, философии, биологии и психологии, чтобы попытаться найти общий информационный ключ к их решению.

Конечно, осуществить такую программу в деталях в рамках одной работы невозможно. Можно лишь поразмышлять над ролью информации в «трудных» проблемах науки и пригласить к более глубоким исследованиям специалистов, которым интересны фундаментальные основы науки и убеждения которых не ограничены требованиями естественно-научной парадигмы. По-видимому, подобная программа исследований давно назрела, и не хватает лишь какого-то импульса, чтобы она начала осуществляться. И этот импульс кроется, скорее всего, в понимании сущности информации, которая связана с её содержанием, а не с количеством используемых в её представлении битов.

В любом случае время, когда информация станет предметом фундаментальной науки, уже близко. Ведь, по свидетельству Б. Грина [Грин, 2013], Дж. А. Уилер, один из основоположников квантовой механики, полагал, что информация станет основной темой науки XXI века и что материя окажется проявлением более фундаментальной сущности, которой является информация.

Однако даже без постижения глубинных свойств информационной реальности, а лишь на основе систематизации и осмысления того, что лежит на поверхности и что ранее привлекало внимание учёных, можно получить впечатляющую картину устройства наблюдаемой действительности, в которой уже проступают некоторые структурные черты Мироздания.

Употребляя расплывчатое слово «информация», мы охватываем множество понятий, сильно отличающихся одно от другого.

Л. Бриллюэн

Глава 1. Место информации в системе научного знания

1.1. Информационная парадигма – ключ к другой реальности

Информация… Такое привычное для всех понятие. Оно проникло во все сферы человеческой культуры, в том числе и в науку. И тем не менее надо признать, что в настоящее время никакого сформировавшегося научного представления об информации не существует. И в этом плане мы всё ещё находимся в ситуации античного мира, когда изобретались и использовались довольно сложные механические орудия, но не были сформулированы основные законы механики. Не были сформулированы, потому что отсутствовал язык, на котором можно было бы задать природе правильные вопросы.

Однако способность в рамках современного научного знания находить реально работающие информационные решения создаёт ощущение владения законами информации и понимания её природы. В чём-то это действительно так. Кошка тоже владеет законами гравитации, совершая прыжок. Но между владением законами и научным знанием о них – целая пропасть. И преодолеть эту пропасть можно, только выстроив семантический мост, конструкция которого должна основываться на правильных, хотя, возможно, и неудобных, с точки зрения современной научной парадигмы, вопросах. Поэтому, несмотря на то что совокупность работающих технических и технологических решений, связанных с информацией, увеличивается во всё нарастающем темпе, наука об информации возникнет только тогда, когда наберётся «критическая масса» правильных вопросов и некоторое количество ответов, соответствующих научным критериям.

А пока без внятного ответа остаётся самый главный вопрос: а что же такое информация? Безусловно, Н. Винер был прав, когда сказал, что «информация есть информация, а не материя и не энергия» [Винер, 1968]. Но эта «не материя и не энергия» способна участвовать в причинно-следственных отношениях вполне материальных структур, давая толчок масштабным энергетическим процессам. И в этой ситуации, чтобы не нарушать физическую картину мира, делалось множество попыток пристроить информацию к материальным структурам в виде некоторого всеобщего свойства. Например, в виде отпечатков, которые одна структура оставляет на другой при их взаимодействии.

Такой атрибутивный взгляд на информацию активно развивался в философии как «теория отражения». В этом подходе информация рассматривалась как «свойство объектов и явлений порождать многообразие состояний, которые посредством отражений передаются от одного объекта к другому и запечатлеваются в его структуре» [Новый философский словарь, 1999]. В дальнейшем эту информацию субъект извлекает из объекта и включает её в контур познания или управления.

По существу, в теории отражения нет другого содержания, кроме констатации очевидного факта, что реальность есть взаимодействующая материя и в процессе взаимодействия происходит отражение всего во всём и фиксация истории эволюции Вселенной.

Другой пример атрибутивного подхода к трактовке понятия «информация» – это так называемый негэнтропийный принцип информации, согласно которому «информация представляет собой отрицательный вклад в энтропию». Такое определение предлагалось Леоном Бриллюэном в работе [Бриллюэн, 1960].

Однако после некоторого периода энтузиазма, связанного с тем, что наконец-то появилось физическое определение информации, допускающее измерение, пришло понимание, что негэнтропия в принципе не является информацией, так как связана с микросостояниями термодинамической системы, время релаксации которых ~10-13 с, и которые, следовательно, не запоминаемы [Чернавский, 2001]. И тем не менее подобное понимание информации до сих пор сохраняется в физике в виде «скрытой информации», которая связывается с энтропией чёрных дыр.

В любом случае в рамках атрибутивной концепции информации не рассматривается её содержательный характер, то есть то главное, что определяет поведение систем, использующих информацию.

Однако информация не может быть содержательна сама по себе. Содержание она приобретает только по отношению к чему-то, что мы называем информационной системой (ИС). И при таком взгляде пониманию, что представляет собой информация, должно предшествовать понимание, что такое информационная система.

Не рассматривая в данный момент конкретные реализации ИС, отметим их главное свойство – способность преобразовывать отпечатки, полученные в результате физического взаимодействия с внешней средой, в кодированную форму и включать их в сферу целенаправленных взаимодействий – сферу поведения ИС.

Поэтому подходы, в которых информация выступает в качестве одного из свойств материи, мало что дают для понимания процессов в информационных системах, где содержание информации является определяющим, а её «количественная мера», если такая вообще существует, никак не влияет на поведение ИС. В этой связи стоит отметить, что и количество информации, введённое Клодом Шенноном в статистической теории передачи сигналов [Шеннон, 1963], является всего лишь численной характеристикой количества и качества передаваемых кодов и никак не связано с сущностью информации.

Но, отвергая атрибутивную трактовку информации, мы лишаемся возможности с физических позиций понять, как в природе могли возникнуть первичные биологические ИС и каким образом в таких системах одновременно с физической структурой возникла содержательная информационная составляющая, соответствующая этой структуре.

В такой ситуации, если не рассматривать гипотезу об изначальной ментальности материи, подозрение в которой даёт квантовая механика, приходится основываться на случайном характере происхождения первичных ИС. Такой подход рассмотрен, в частности, Д. С. Чернавским в работе [Чернавский, 2001], где используется предложенное Г. Кастлером [Кастлер, 1967] определение информации в виде «случайного и запомненного выбора одного варианта из нескольких возможных и равноправных». А на роль информационной системы претендует любая физическая система, способная случайно оказаться в одном из стабильных состояний. Заметим, что при таком подходе даже простая рулетка является ИС.

На наш взгляд, подобная трактовка информации и информационных систем, как и в случае атрибутивного подхода, не выявляет в природе никакого нового качества. А случайный запомненный выбор, который в некоторых случаях играет существенную роль в эволюции Вселенной, всецело принадлежит эволюционной истории и может стать информацией, только будучи воспринятым ИС.

Из того факта, что ни одно из многочисленных определений информации не превратилось в обобщающее понятие, можно сделать вывод, что самая правильная позиция при рассмотрении информационных явлений – это признать в понятии «информация» минимум содержания и рассматривать его как самостоятельную категорию такой же степени общности, как и материя.

В таком случае научный подход к информации должен решать те же задачи, что и при изучении материи, а именно – выделение информационных структур, обладающих специфическими свойствами, моделирование таких структур, выстраивание их иерархии и описание взаимодействий между этими структурами. Понятно, что такие исследования, носящие всеобщий характер, должны основываться не на частных представлениях об информации, а на единой точке зрения, отражённой в информационной парадигме (ИП). Важно, чтобы в рамках этой парадигмы могли использоваться как традиционные методы познания, так и новые подходы, связанные со спецификой информационной реальности.

В качестве такой парадигмы можно предложить следующие утверждения.

• Информация существует независимо от материи (П1).

• Информация приобретает содержание и участвует в целенаправленных взаимодействиях только в ИС, комплементарных с данным видом информации (П2).

• Информация всегда представлена в кодированном виде, но её содержание инвариантно относительно вида кодов (П3).

• Обмен информацией между материальными ИС происходит посредством физических взаимодействий, связанных с передачей кодов (П4).

• Генерация новой информации возможна только в ИС (П5).

• Информация может быть связана с информационными системами, существующими в других реальностях, физически не взаимодействующих с нашей материальной Вселенной (П6).

Каждое из этих шести положений ИП отражает фундаментальные свойства информации, что требует определённых комментариев.

Так, в утверждении (П1) независимость от материи следует понимать как инвариантность информации относительно материальных носителей и процессов. Действительно, не важно, какие символы используются в информационных кодах, важно только, чтобы эти символы могли восприниматься ИС, а коды могли интерпретироваться.

Независимое существование информации имеет важные следствия, так как позволяет ей в своих наиболее развитых формах образовывать самостоятельные реальности, которые сейчас принято называть виртуальными. Следует при этом отметить, что физический мир, отражаемый в нашем мозге посредством органов чувств, также является виртуальной реальностью, которую можно назвать виртуальной действительностью. В этой связи естественно-научная парадигма (ЕНП), основываясь на прогностической достоверности происходящих событий, предполагает, что субъективные законы виртуальной действительности совпадают с объективными законами материального мира.

В утверждении (П2) фиксируется, что сама по себе последовательность кодов несёт лишь потенцию содержания, а само содержание проявляется только в ИС, комплементарных данному виду информации. При этом основными качествами, определяющими комплементарность ИС, являются её способность воспринимать используемые в кодах материальные символы и владение кодовой системой, в которой представлена информация. Но самое главное, без чего содержание информации не может быть раскрыто, – это обладание базой знаний, необходимых для интерпретации последовательности кодов. Отсутствие любого из этих качеств делает содержание информации недоступным для ИС.

Положение (П3), утверждающее, что информация всегда представлена в кодированном виде, проводит чёткую грань между физическими и информационными системами. Действительно, физические системы способны отражать реальность, но делают это лишь в виде физических отпечатков, например в виде химических фотографий или аналоговых аудио- и видеозаписей, не имеющих самостоятельного содержания. Напротив, сенсорные органы ИС, отражая реальность в кодированном виде, например в цифровом формате записей, создают информационные отпечатки, потенциальное содержание которых раскрывается на основе имеющейся в ИС базы знаний.

Отметим, что положение (П3) носит принципиальный характер, так как отвергает атрибутивный подход и освобождает физическую реальность от совершенно излишнего для неё понятия информации.

Следующий пункт информационной парадигмы (П4) подчёркивает тот факт, что любые символы, используемые при кодировании в материальных ИС, связаны с физической реальностью и, следовательно, передача кодов всегда сопряжена с физическими взаимодействиями. Поэтому предположение о существовании неких, не регистрируемых физическими методами, информационных полей, которые могли бы являться источником экстрасенсорного восприятия в физических ИС, безосновательно. Однако положение (П4) не исключает существования специфических информационных взаимодействий, связанных с информационными системами. Природа и свойства таких взаимодействий будут обсуждаться в разделе 1.5.

В положении (П5) информационной парадигмы утверждается, что самопроизвольное возникновение содержательной информации в материальных системах, имеющих ограниченное время существования, невозможно. Действительно, рождению содержательной информации должно предшествовать создание кодовой системы и базы знаний, которая сама уже является содержательной информацией. В результате возникает замкнутый круг, разорвать который изначально можно лишь в реальности, не ограниченной временными рамками.

Однако именно самопроизвольное возникновение информации в физических системах предполагается в рамках ЕНП для объяснения возникновения феномена жизни. В таком подходе жизнь оказывается результатом стечения случайных обстоятельств, породивших одновременно информационную молекулу ДНК и информационную систему в виде биологической клетки, способной извлечь содержание из этой молекулы.

И наконец, самое радикальное положение ИП (П6) предполагает, что информация является сущностью не только независимой от материи, но и способной существовать вне материи. Представляется, что для этого предположения есть достаточные основания. Действительно, физический мир существует в пространстве-времени, но у информации нет места в пространстве физического мира, и её эволюция не связана с законами, имеющими временной характер. В таком внематериальном качестве информация может рассматриваться не только как сущность, существующая в разных мирах, но и как то, что способно объединять эти миры.

В последующих разделах мы ещё не раз вернёмся к положению (П6) и покажем, что многие проблемы современной науки указывают на возможность или даже необходимость такого расширенного взгляда на всё сущее.

Конечно, изложенные здесь положения ИП, несмотря на то что они многократно в той или иной форме высказывались разными авторами, не являются общепризнанными. В настоящее время в науке безраздельно господствует естественно-научная парадигма, которая декларирует, что весь познаваемый мир представлен объективной физической реальностью, а субъективная реальность и психические проявления – вторичны и редуцируемы до физического уровня.

Но ЕНП – это не догма. Она всего лишь сумма наших социально согласованных представлений о природе Бытия. А главная задача любой научной парадигмы – объединение научного сообщества на наиболее эффективных познавательных позициях. И в этом смысле положения ИП не претендуют на какую-либо основополагающую роль в теории информации. С ними можно соглашаться или не соглашаться, но они предлагают точку зрения, с которой могут оцениваться и интерпретироваться многие необъяснимые с позиции ЕНП факты, связанные с разнообразными информационными феноменами.

И если подобная точка зрения окажется эффективной и будет разделяться значительным количеством учёных, то именно такой подход, такая парадигма может оказаться ключом, открывающим дверь в многообразие информационной реальности.

1.2. Иерархическая структура сенсорной информации

За прошедшее столетие физика добилась впечатляющих успехов в понимании устройства доступной для наших наблюдений материальной Вселенной. И в основе этих достижений лежит понимание иерархического принципа строения материи.

Для информационной реальности иерархический принцип может оказаться столь же плодотворным, как и для реальности материальной. Однако подход при изучении информационной иерархии существенно отличается от подхода при исследовании иерархии материальных структур.

Действительно, основным способом изучения физических систем является последовательная редукция к элементам, составляющим систему. При этом предполагается, что такая редукция возможна вплоть до самых элементарных объектов, которыми на сегодняшний день представляются ненаблюдаемые гипотетические струны, существующие в 11-мерном пространстве. Такой путь – от высших уровней иерархии к низшим – можно назвать принципом нисходящего пути познания.

Однако в случае информационной реальности ситуация оказывается противоположной. Основополагающие информационные элементы – коды и символы – вполне наблюдаемы, и выстраивание иерархии можно вести от нижних уровней к высшим – вплоть до таких уровней, которые становятся ненаблюдаемыми, но для которых можно предлагать гипотетические модели, объясняющие реально наблюдаемые информационные феномены. Такой подход, связанный с конструированием высших уровней иерархии на основе элементов низших уровней, можно назвать принципом восходящего пути познания.

Итак, используя этот принцип, попытаемся выстроить восходящую информационную иерархию, существующую в самой сложной из наблюдаемых ИС – в человеческом социуме.

У большинства людей вопрос, а что же такое информация, не вызывает особенных затруднений. Обычно информация ассоциируется с такими привычными понятиями, как сигналы, коды, данные, сообщения, сведения, тексты, знания, программы. Правда, мало кто задумывается, что эти понятия не являются проявлением чего-то структурно единого, а отражают иерархию, на каждом уровне которой существуют обособленные информационные структуры, обладающие своими уникальными свойствами.

Информация, которая доступна человеку, может иметь разное происхождение. Так, это могут быть врождённые знания и программы, необходимые для организации процессов восприятия, обработки, интерпретации, хранения и передачи сенсорной информации. Также это могут быть знания, полученные интуитивным путём и не основанные на восприятии окружающей реальности. Происхождение этих видов информации остаётся до сих пор неясным. Однако уже вполне понятно происхождение сенсорной информации, иерархическую структуру которой можно проследить от её возникновения и до обретения ею сложных высокоуровневых форм.

Основная задача, решаемая сенсорными органами любой ИС, – это генерация информации путём отображения окружающей реальности в форме символов, имеющих значения отображаемых событий и связанных пространственно-временными отношениями. При этом сами символы представляют собой последовательности кодов, которые могут реализовываться на любых различениях, существующих в физической реальности.

Значения символов и связывающие их отношения образуют структуры, имеющие смысл символьных семантических сетей. Из множества символов по некоторым изначально заданным правилам, которые можно рассматривать как символьное мышление, образуются подмножества баз данных, помечаемых внутрисистемными именами. Примером таких баз данных могут служить цифровые фотографии. Подобные базы данных представляют собой первичную сенсорную информацию в виде последовательности кодов, которые доступны ИС для интерпретации и последующего использования.