Полная версия
Что такое информация?
Эдуард Казанцев
Что такое информация?
«Извлекать из моря ложного знания крупицы истинного незнания!»
(Н.В. Тимофеев-Ресовский)Введение
Проблема, заявленная в заголовке данной книги, перекликается с известным вопросом Э. Шредингера «Что такое жизнь?» [1]. По нашему мнению на этот вопрос о жизни правильно ответил К. Гёдель (1944 г.) [2]: «понять или объяснить, что такое система нельзя, не выходя за пределы самой системы». То есть, понять или объяснить что такое жизнь (как система) невозможно, оставаясь в рамках живой системы. Э. Шредингер все же рискнул взяться за данную проблему, будучи уверенным во всемогуществе «своей» квантовой теории. Однако в итоге, он был вынужден честно признать, что в рамках физики пока невозможно объяснить или понять загадку жизни. Более того, в эпилоге своей книги [1], он «кощунственно» для профессионального физика, «намекнул» на существование в живом организме некой «души» (на всякий случай). Его обращение к «душе» не было случайным, в дальнейшем он дополнил свою книгу (см. [41], 1956 г.) серией статей «Сознание и материя» на ту же тему «о душе».
С нашей точки зрения, более корректно, задавать вопрос «в чем цель и смысл жизни?». В работах [2,3] мы ограничились ответом: «цель жизни – в поисках её смысла, а смысл жизни – в поисках её цели». Это древний философский символ бесконечности, так называемый, «Уроборос» (змея, кусающая свой хвост).
Можно ли так же легко отделаться от вопроса «что такое информация»? Современная наука накопила достаточно большой фактический материал на данную тему. Поэтому, в предлагаемой здесь книге, сделана попытка обобщить известные сведения об информации. Однако, не найдя конкретного ответа на поставленный вопрос, автором было высказано только свое, естественно субъективное, предположение (см. Глава 6).
Слово «информация» (от латинского informatio – ознакомление, разъяснение, представление, понятие, сообщение, сведения) появилось на бытовом уровне, видимо, достаточно давно и понималось людьми интуитивно, сообразно каждому конкретному случаю. В середине ХХ века, в связи с глобальным техническим прогрессом и развитием средств массовых коммуникаций (телефон, телеграф, радио, телевидение и т. п.), появилась необходимость научного осмысления данного понятия. Но так как к этому моменту в науке произошла сильная дифференциация на ряд самостоятельных (изолированных друг от друга) научных направлений, то понятие «информация» трактовалось в каждом конкретном случае индивидуально, узкоспециализированно. Поэтому мы вынуждены пока рассматривать это понятие отдельно, только в некоторых «главных» разделах науки. Мы будем пользоваться опытом таких наук как физика, биология, математика и космология. Итак:
Физика. Естественно, что мы начнем с физики, как единственно фундаментальной науки. Физика – это наука о движении материальных тел в некотором пространстве. Уже из этого определения становится ясно, что желательно выяснить смысл слов, входящих в данное определение. К сожалению, сделать это пока никому не удалось. До сих пор, мы не знаем, что такое «материя» и что такое «пространство». Под «движением» условно принимается перемещение материальных тел относительно друг друга.
Физика, используя многовековой опыт своего развития, смогла создать систему базовых понятий (материальная точка, пространство, движение), которые не определяются (строго), а принимаются за основу (фундамент) дальнейшего развития физики, как фундаментальной науки. В результате физика успешно прошла длинный и трудный путь от основных понятий до первых принципов: базовые понятия → идеи → гипотезы → теории +эксперименты → законы → первые принципы. И только тогда стала понятна главная цель физики: «единая теория всех полей и частиц», которую ищет (пока безуспешно) современная физика.
Здесь неожиданно, наряду с физическими полями и частицами, на первый план вышло понятие «информация». Что касается его строгого определения (в рамках науки), то мы вынуждены пользоваться «обидным» определением, принадлежащем Н. Винеру: «информация – есть информация, а не материя и не энергия» [4]. Если мы обнаружим, что «информация» способна совершать работу, то определение Винера придется немного подправить. Пока что мы обнаружили, что физика повсеместно использует еще одно, довольно загадочное понятие «мнимой единицы» (см. Глава 1).
Математика. Неотъемлемой частью современной физики, как фундаментальной науки, является математика. В математике понятие «информация» до последнего времени фактически отсутствовало. Однако с открытием фракталов это понятие вышло на первый план. Причем, благодаря фракталам математика из абстрактной науки практически прочно вошла в лоно естественных наук, правда в некой виртуальной, той же «мнимой», роли, что придает «информации» совершенно новый «оттенок» (см. Глава 2).
Биология. Биология, как наука о живой материи, к сожалению, до сих пор остается наукой наблюдательной, используя (без особого успеха) базовые понятия физики. Ошибочность такого подхода видна уже на примере понятия «движение». Действительно, перемещение живых тел относительно друг друга (как физическое движение), очевидно, не отражает специфику развития живых организмов. В итоге, попытки объяснить, что такое «жизнь» с точки зрения физики (а следовательно и биологии), как мы отметили выше, признаются неудачными.
Очевидно, чтобы стать фундаментальной наукой, биология должна сперва сформулировать свою систему базовых понятий, отличную от физической (см. Глава 3). В настоящее время смысл понятий «информация», «сознание», биология ищет в, так называемых, «нейросетях».
Космология. Космология родилась в начале ХХ века в рамках нового научного направления – общей теории относительности (ОТО). Здесь физика (и астрономия), применив весь свой инструментальный и теоретический потенциал, столкнулась с проблемами еще более сложными, чем в биологии.
Более того, в космологии стали возникать вопросы «биологического» характера: что такое «сознание» во Вселенной и откуда оно возникло (как и сама Вселенная) [5,6]. В традиционной физике такие вопросы отвергаются как псевдонаучные. Одновременно и в теоретической биологии стали накапливаться сомнения в адекватности физических подходов к пониманию (вернее, к непониманию) феномена под названием «жизнь». В итоге «созрела» ситуация, когда космология и биология, не смотря на упорное сопротивление физики, получили возможность объединить свои новые, зарождающиеся нефизические представления о «сознании» и «информации» (см. Глава 4).
В Главе 5 сделана попытка объединить (в рамках системного анализа) многочисленные данные об информации из разных разделов науки, рассмотренных выше.
Не смотря на привлечение таких «серьезных» наук, как физика, математика, биология и космология, все же нельзя обойти в вопросе об информации такую проблему как «Человек». Не претендуя на глубокий анализ этой серьезной проблемы, здесь упомянуты лишь конкретные люди, с которыми приходилось лично общаться, и тех авторов книг, которые повлияли на формирование нашего понимания данной проблемы.
Наконец, в Главе 6 представлена Гипотеза о происхождения сознания (и информации) во Вселенной. Начинается Глава с представления о двойственности (бинарности) нашего Мира, символом которого служит китайское «инь-ян».
О терминологии. Проблема правильной терминологии в науке назрела уже давно [6], поэтому нам придется сделать здесь несколько замечаний, относительно термина «сознание»[1]. Этот термин содержит слово «знание» (как корень), которое достаточно хорошо и однозначно понимается многими людьми. Предлог «со» придает слову «знание» новое (и неоднозначное) значение. Например, «терять сознание» существенно отличается от «терять знание». Поэтому термин «сознание» наиболее близок своей неоднозначностью (и непониманию) к термину «информация». Слово «информация» используется нами, как синоним слова «сознание» Аналогичное происходит с термином «событие». Этот термин содержит слово «бытие» (как корень), которое достаточно хорошо и однозначно понимается многими людьми. Предлог «со» придает слову «бытие» новое (и неоднозначное) значение.
Слово «информация» используется нами, как синоним слова «сознание» Аналогичное происходит с термином «событие», где корень «бытие» соответствует однозначному «пониманию» (вернее, непониманию) слова «жизнь». Предлог «со» опять же придает термину «событие» неоднозначность, впору термину «информация». Еще один пример – термин «сопереживание», где предлог «со» существенно меняет смысл слова «переживание». Все эти примеры приведены с целью возможного использования предлога «со» в придумывании названия науки, предметом которой является слово «информация» (естественно, на латыни).
Глава 1. «Информация» в физике
С древних времен бытует представление, что все в Природе находится в непрерывном движении. Данная уверенность подкреплялась реальными наблюдениями, начиная с движения небесных тел, кончая «движением» живых существ. С развитием науки и её инструментального оснащения (телескопы, микроскопы и т. д.) уверенность во вездесущем движении укреплялось и приобрело статус закона природы, или даже одного из Первых принципов. В настоящее время мы твердо уверены, что в нашей Вселенной происходит «вечное» движение, как и в микромире элементарных частиц, хотя (честно говоря) мы плохо понимаем причину такой «вечности». Там где движутся планеты, звезды и галактики условно называть Мегамиром (Космос), Микромиром – там, где «движутся» элементарные частицы (Квантовый мир), а наш мир, где предметы могут даже неподвижно лежать на столе – Макромиром. Физика, вооруженная фундаментальными понятиями и «непротиворечивой» математикой (см. Глава 2), установила строгие законы и принципы, которым подчиняются все перечисленные здесь миры, правда, скромно избегая мир «живой» материи (см. Глава 3) и «парадоксальную» космологию (см. Глава 4).
Ниже мы рассмотрим новое научное направление в физике, под названием «синергетика», где не только пытаются разгадать некоторые физические парадоксы, но и ответить на вопрос «что такое информация?».
1.1. Синергетика
Синергетика (от греческого – «совместное действие») – наука о самоорганизации сложных систем, далеких от термодинамического равновесия [7,8]. Источником развития (самоорганизации) являются случайность, необратимость и неустойчивость системы. Методология такого подхода была известна еще античным философам [9].
Среди множества русскоязычных авторов, внесших концептуальный вклад в развитие синергетики (Н.Н. Моисеев, А.А. Самарский, С.П. Курдюмов, В.И. Корогодин и др.), мы выделили Д.С. Чернавского, в книге которого [10] проведен обстоятельный обзор и анализ понятия «информация». Хотя существует множество определений информации, Д.С. Чернавский отдает предпочтение определению, предложенному Г. Кастлером [11]: «информация есть запомненный выбор одного варианта сообщений из нескольких возможных». Даже такое короткое определение требует «расшифровки» почти каждого слова. Для этого Д.С. Чернавский подробно объясняет смысл и необходимость этих, а также новых понятий таких как «ценность информации» (без прилагательного «ценная», информация теряет всякий смысл. Аналогично тому, как понятие «энергия», без прилагательных «тепловая», «электромагнитная», «вакуумная» и т. д. «повисает в воздухе» – это только способность производить работу. Таким образом, «ценная информация» приобретает определенный смысл, правда с оттенком присутствия некоего субъекта, задающего эту «ценность»); «запомненный выбор» (макроинформация); «количество информации» и т. д.
Среди новых понятий, анализируемых Д.С. Чернавским, особо следует выделить важное, на наш взгляд, понятие «информационная тара», введенное В.И. Корогодиным [12]. Это понятие играет существенную роль в процессах рецепции (фиксации) и обработки информации, которые сопровождаются «переливанием» информации из одной «тары» в другую. Здесь кроется глубокая связь с «осмысленностью» информации, которая зависит от «тезауруса» (предварительной осведомленности «тары»). Восхищает фраза Д.С. Чернавского: «тезаурус ребенка присутствует от рождения» [10, стр. 21].
За этими обсуждениями всевозможных нюансов вокруг понятия «информация», явно прослеживается вопрос, какова цель жизни и её смысл. Более того, невольно начинаешь задумываться, кто выбирает из уже «приготовленной» кем-то «информационной тары» нужную, осмысленную информацию. Д.С. Чернавский предпочитает оставаться в строгих рамках традиционной (материалистической) физики, без всяких гипотез.
Сама динамическая теория информации строится на основе нелинейных дифференциальных уравнений, допускающих в открытых системах нарушение фундаментального физического закона сохранения энергии. Вытекающая отсюда неустойчивость рассматриваемой системы и служит главной причиной наблюдаемых необычных явлений, в том числе информации. Чаще всего математические сложности при решении таких нелинейных уравнений заменяются на, так называемые, «фазовые портреты» рассматриваемой системы уравнений в виде графического рисунка, изображающего зависимость между скоростью и координатами. Такие графические рисунки позволяют качественно анализировать особенности поведения сложной синергетической системы.
С нашей точки зрения, Д.С. Чернавский и В.И. Корогодин в рамках синергетики сделали крупный шаг в понимании термина «информация». Другим крупным шагом физики в данном направлении является, продолжающееся с XVIII века, развитие представлений о комплексных числах.
1.2. Комплексные числа
Кратко напомним историю возникновения комплексных чисел. Хорошо известно, что корни математики уходят в глубокую древность и уже тогда ученые столкнулись с необычными числами. Пифагор придавал числам мистический смысл. Документальные сведения о необычных числах датируются 1545 годом, когда Джиронимо Кордано предложил создать новый вид чисел для решения некоторых уравнений. В 1552 году Рафаэль Бомбелли установил первые правила арифметических операций над такими числами. Название «мнимые числа» ввел в 1637 году Рене Декарт. В 1707 году Абрахам де Муавр построил общую теорию корней уравнений любой степени. В 1777 году Леонард Эйлер предложил использовать первую букву французского слова imaginare (мнимые) для обозначения мнимой единицы. Этот символ вошел во всеобщее употребление благодаря Карлу Гауссу (1831 г.), который ввел термин «комплексные числа» (z = x ± iy).
1.2.1. Классическая физика
С конца XIX века комплексные числа прочно вошли в арсенал физики и стали неотъемлемой частью практически всех ее разделов. Главная особенность использования комплексных чисел заключается в том, что с их помощью удивительно легко и просто решаются задачи, принципиально нерешаемые в рамках математики вещественных чисел. С самых ранних этапов использования комплексных чисел, велись дискуссии о реальности результатов вычислений, содержащих не только вещественную часть, но и часть с мнимой единицей. Особенно актуальным этот вопрос был в тех разделах классической физики (электрические цепи, передача информационных сигналов, гидродинамика, аэродинамика и др.), где результаты расчета непосредственно проверялись экспериментом. Здесь существуют многочисленные примеры реального наблюдения некоторых явлений, описываемых мнимой частью комплексного числа [13].
Наиболее четко это можно проследить на примере, так называемого, импеданса (Z) – комплексного полного сопротивления электрической цепи. Если придать току и напряжению комплексную форму, то закон Ома для сложной цепи, содержащей кроме омического сопротивления еще конденсатор и катушку индуктивности, сохраняет свой традиционный вид. Но теперь формула закона Ома будет содержать новое сопротивление в виде комплексного числа Z: U = ZI =(iLω + R)I (i – мнимая единица, U – напряженность, L – индуктивность, ω – частота, R – омическое сопротивление, I – электрический ток). В самом общем случае, для любых сложных электрических цепей, сопротивление представляется в виде суммы активного (вещественного) и реактивного (мнимого). Физическое измерение (с помощью физических приборов) дает суммарное сопротивление. Теоретически можно выделить вещественную и мнимую части, но зафиксировать их по отдельности, видимо невозможно. А. Анго [13] приводит множество примеров из практики электрических цепей, подтверждающих реальность мнимого составляющего импеданса, как полного комплексного сопротивления цепи.
Интересно, что правила преобразований комплексных чисел применимы только в случае линейных операций. Для нелинейных операций эти правила неприменимы. Основные свойства комплексных чисел легко обобщаются на случаи комплексных векторов и комплексных функций. Кроме того, комплексная плоскость позволяет применять, так называемые, конформные (подобные) отображения, упрощающие расчеты не только в электрических цепях, но и в задачах теплопроводности, гидродинамики и, даже, магнитных полях. Та же проблема реальности мнимых форм возникает при использовании, так называемого, интеграла Фурье в комплексной виде. В электрической цепи электродвижующую силу (эдс) можно с помощью интеграла Фурье рассматривать как сумму бесконечного числа синусоидальных колебаний. А. Анго приводит ряд примеров, когда комплексный интеграл Фурье следует рассматривать как физическую реальность. Его соображения применимы и к оптическим задачам, где имеется тесная связь между коэффициентом преломления и коэффициентом поглощения в виде соотношений, связывающих вещественную и мнимую части диэлектрической постоянной (дисперсионные соотношения). В последние годы дисперсионные соотношения стали широко использоваться при изучении взаимодействия элементарных частиц.
Следует отметить еще одну особенность интеграла Фурье: в комплексной форме ему можно придать вид, когда между самим интегралом Фурье (зависящим от времени) и его коэффициентом Фурье (зависящим от частоты) устанавливается полная симметрия. Это означает, что существует симметрия между временем и частотой. Данный факт играет большую роль в современной теории информации.
Мы подробно остановились на книге [13] в связи с тем, что это единственная (известная нам) работа, где принципиально обсуждается вопрос о реальности мнимой компоненты в классических физических экспериментах. В математических книгах, посвященных функциям комплексного переменного, классические физические задачи рассматриваются только как примеры эффективного использования данного математического аппарата без обсуждения реальности мнимой составляющей теоретических расчетов [14,15]. Особенно ярко это видно в математических работах, посвященных рассмотрению современной (не классической) физики [16]. Что касается современной физической литературы, то здесь от мнимой единицы стараются (если можно) избавиться, или вообще не комментировать её вынужденное присутствие.
Теория комплексных чисел продолжает развиваться по своим законам, демонстрируя все более и более абстрактные возможности математики. Мы не обсуждаем здесь, так называемые, гиперкомплексные числа, так как, следуя закону двойственности (см. Глава 6), нам представляется, что бинарной формы комплексного числа достаточно для объяснения проблем Космологии, затронутых в Главе 4.
1.2.2. Квантовая механика
Физики придерживаются мнения, что в физическом эксперименте может фиксироваться только вещественная компонента комплексного выражения. В современных (не классических) областях физики, где многие явления остаются за рамками наших возможностей их экспериментальной проверки, данное мнение особенно утвердилось. С появлением квантовой физики, именно в этой теории комплексные числа стали играть ключевую роль. Как и в классической физике, здесь приходится искусственно выделять вещественные части расчета и подтверждать их физическим экспериментом. На этом стоят все современные технологические (материальные) достижения физики. А нерешаемые проблемы остаются в мнимых структурах, которые отбрасываются как «нереальные», вроде бы не подтверждаемые экспериментом. Но никто не доказал, что реальность теоретических расчетов должна быть подтверждена только физическим экспериментом. Кроме физики существуют и другие науки (например, биология), где можно проводить и не физические эксперименты. Более того, кроме биологии есть еще космология, которая тоже преподносит нам загадки, лежащие за пределами возможностей материалистической физики.
Квантовая механика «родилась» из классической механики путем внедрения ряда постулатов: 1) введение волной функции Ψ =a exp(iS/ℏ), где a – const, S – действие, ħ – постоянная Планка, i – мнимая единица. То есть, уже в первом постулате появилась мнимая единица i. Коэффициент a2 интерпретируют, как плотность вероятности нахождения квантовой частицы в том или ином месте пространства (a2 = |Ψ|2). Волновая функция Ψ полностью определяет состояние физической системы; 2) введение волнового уравнения Шредингера iħ(∂Ψ/∂t)=ĤΨ, где Ĥ – оператор Гамильтона, i – опять мнимая единица. Это основное уравнение квантовой механики, которое определяет волновую функцию физической системы. Далее не трудно проследить, как вся современная квантовая теория построена исключительно на мнимой единице, но никто этого не замечает.
1.2.3. Теория относительности
Основным понятием теории относительности Эйнштейна, в инерциальной системе отсчета, является интервал: ds2 = c2dt2 – dx2 – dyx2 – dz2. Благодаря введению Минковским мнимого времени τ=ict, интервал приобрел более симметричный вид: – ds2 = dx2 + dy2 + dz2 + dτ2 и появилось фундаментальное представление об едином пространстве-времени. Таким образом, в теорию относительности внедрилась мнимая единица i. Если мы переходим в неинерциальную систему отсчета (теорию гравитации – ОТО), то ds2 уже не будет суммой квадратов дифференциалов четырех координат и интервал примет вид: – ds2 = gikdxidxk, где gik – метрический тензор пространства-времени, x1, x2, x3 – пространственные координаты, x0 – временная координата (x0 = it). Так как уже нет смысла сохранять мнимое время, то переходят к реальному времени t. Но детерминант метрического тензора оказывается отрицательным и будет теперь входить во все формулы ОТО в виде
Глава 2. Информация в математике
Ученые-философы Древней Греции (Пифагор, Платон, Аристотель и др.) считали, что настоящая наука невозможна без математики. Поэтому следует дать небольшой обзор достижений современной математики.
2.1. Структура математики
2.1.1. Становление современной математики
Математика (по-гречески буквально – «знание») – это наука о количественных отношениях и пространственных формах нашего мира. Но чтобы исследовать эти формы и отношения в чистом виде, необходимо отделить их от содержания. В результате мы приходим к, так называемой, абстрактной математике. И чем больше развивается абстрактная математика, тем больше ее приложений мы используем в рамках, так называемой прикладной математики. Существует и обратный процесс: потребности практики или других наук приводят к появлению новых математических методов. Однако это всегда мешало формированию математики как независимой, самостоятельной абстрактной науки, о чем мечтает любой профессиональный математик. Хотя большая часть математики была создана благодаря потребностям практики, в первую очередь – физики, название «прикладная математика» во многом условно, так как математики постоянно стремятся создать свою науку, такую же фундаментальную, как физика. У физики есть объективные правила игры – законы природы; есть объективный критерий правильности теории – опыт; есть четко сформулированная цель – Единая теория всех частиц и полей. Однако, обусловленный успехами физики технический прогресс опережает биологические возможности человека в осмыслении его негативных последствий.