Текст книги "Краткое содержание «Информация. История. Теория. Поток»"

Информация. История. Теория. Поток

Введение

Независимо от места жительства и рода занятий мы непрерывно взаимодействуем с информацией – через книги, телевизор, телефон, электронную почту.

Человечество не сразу изобрело такой удобный способ фиксирования и передачи сведений на расстояние. Знания накапливались постепенно, на протяжении веков. Свой вклад внесли тысячи людей – от барабанщика из африканского племени до плеяды блестящих физиков и математиков. На этом пути были пробы и ошибки, научные расчеты, гениальные озарения и бесчисленные эксперименты.

Каждая находка и научно-технический прорыв открывали захватывающие перспективы. Многие изобретения уже вошли в нашу жизнь. Компьютеры, мобильные телефоны – концентрат, квинтэссенция научно-технической мысли, привычные для нас вещи. Кажется, лишь недавно появилась устойчивая связь между городами, а уже расшифрован геном, открывает тайны квантовая механика, вот-вот станет возможна телепортация. Прогресс не остановить: на устройства, которые видятся нам совершенными, наши дети будут смотреть со снисходительной улыбкой, сочувственно вопрошая, как же мы выжили, пользуясь этой архаикой.

Информация изменяет мир и людей, как частицу этого мира. А мы идем вперед: расширяем «Википедию», пишем стихи, запускаем мемы; и своим упорством, тягой к знаниям, любовью к жизни заставляем Вселенную расширяться.

Говорящие барабаны

Для передачи информации на расстояние люди использовали колокола, флаги, сигнальные костры, дым, зеркальные отражения. Их общим недостатком было то, что они передавали минимальный набор сообщений, а чаще один сигнал. Это работало, если условный знак был заранее оговорен, например, зажженный огонь на башне означал победу в битве.

Но были способы связи с намного большим потенциалом, который так и не удалось реализовать. Африканские говорящие барабаны – одна из таких странных технологий прошлого. Парадокс в том, что народы Западной Африки, находившиеся на самой примитивной, дописьменной стадии развития, создали сложную и эффективную систему скоростной передачи информации на расстоянии, альтернативы которой не было вплоть до XIX века, до появления телеграфа.

Особенность языка африканских барабанов – избыточность: одному слову соответствует целая фраза. Это позволяет передавать человеческую речь, не прибегая к кодированию.

Избыточность, неэффективная по определению, борется с непониманием. Она дает второй шанс. Все естественные языки избыточны, вот почему люди могут понимать написанный с ошибками текст или разговор в шумной комнате. В большинстве случаев избыточность языка – всего лишь фоновое явление. Для телеграфистов это дорогое удовольствие, для африканского барабанщика – жизненная необходимость. Для сравнения приведем пример еще одного специализированного языка. В языке авиационной связи числа и буквы составляют большую часть данных, которыми обмениваются пилоты и диспетчеры: высоты, векторы, бортовые номера, идентификаторы взлетно-посадочных полос, радиочастоты. Это очень важная информация, которая передается по известному своей зашумленностью каналу, поэтому, чтобы исключить неоднозначность, используют специализированный алфавит. Буквы B и V в устной речи легко спутать, bravo и victor звучат безопаснее. M и N стали mike и november. Числа five и nine, которые особенно похожи, произносятся как fife и niner. Дополнительные слоги выполняют здесь ту же функцию, что и дополнительные выражения в языке говорящих барабанов.

Например, фраза «Возвращайся домой» звучит так: «Пусть твои стопы идут назад путем, который они прошли. Пусть твои ноги идут назад путем, который они прошли. Поверни свои стопы и ноги в деревню, принадлежащую нам».

Постоянство слова

История началась, когда люди научились записывать прошедшие события. Письменность стала громадным информационным прорывом, первым по значимости для человечества.

С помощью слов мы начали оставлять след вроде хлебных крошек – воспоминания, заключенные в символы, которые могут быть прослежены другими. Муравьи оставляют феромоны, следы химической информации. Тесей разматывал нить Ариадны. Теперь люди оставляют бумажные следы. Письменность была нужна, чтобы сохранить информацию во времени и пространстве. До письменности коммуникация была недолговечной и локальной – звуковые волны распространяются всего на несколько метров и затухают навсегда. Недолговечность устного слова воспринималась как нечто само собой разумеющееся. Речь была настолько призрачным явлением, что редко возникающий феномен эха, повторенного звука, казался магией. «Произнесенный символ, – отмечал Сэмюел Батлер, – исчезает мгновенно, не оставляя следа, и если остается живым, то лишь в умах тех, кто его слышал». Батлер сумел сформулировать данную истину как раз тогда, когда в конце XIX века она была впервые подвергнута сомнению из-за появления электрических технологий сохранения речи. Именно потому, что идея оказалась не безупречно истинной, ее значение стало настолько очевидным. «Написанный символ простирается до бесконечности во времени и пространстве там, где один ум может общаться с другим, – продолжал описывать различия Батлер. – Он дает разуму пишущего человека жизнь, ограниченную временем существования чернил, бумаги и читателей, в противоположность сроку жизни его плоти и крови».

Этапы развития письменности: пиктография – идеография – логография. Временные рамки возникновения каждого этапа различны: так, система китайских иероглифов формировалась несколько тысячелетий – в период от 4,5 до восьми тысяч лет назад. Алфавит, в котором каждому символу соответствует один звук, возник позже, около XVI века до нашей эры. Алфавитный язык – наименее естественный, максимально упрощенный (редуктивный), но прагматичный и легкий для изучения.

Вслед за письменностью стала развиваться логика. Устная речь не слишком пригодна для силлогизмов, ненадежна для строгого анализа и оперирует событиями, но не категориями.

Математика – тоже производная письменности. Древние вавилоняне добились впечатляющих успехов: вычисляли геометрическую прогрессию, извлекали квадратные и кубические корни, разлагали сложные многочлены. Они же изобрели и описали алгоритм.

Два словаря

С развитием письменной речи росло количество слов и понятий. Настал момент, когда потребовались словари. Это был качественно новый уровень работы с информацией.

Первые английские словари появились на рубеже XVI–XVII веков. Их авторы – Ричард Малкастер, Роберт Кодри, Джон Баллокар – ставили цель охватить весь язык или хотя бы наиболее значимую его часть. Ценность слова определяли сами составители.

Эти ранние словари сохранились до наших дней, по ним видно, как формировался язык. Так, понятия, обозначающие взаимоотношения вещей и слов («представлять», «символизировать»), в то время находились в зачаточном состоянии. Науки как системы изучения законов Вселенной еще не было, а вместе с ней не было и научных терминов.

Когда Исаак Ньютон начал свое великое дело, он столкнулся с фундаментальным отсутствием определений там, где они были нужнее всего. Он начал с семантической уловки. «Я не определяю время, пространство, место и движение, потому что они всем хорошо известны», – лукаво написал он. На самом деле его главной целью было именно дать определение этим словам. Не существовало единых стандартов мер и весов. Вес и мера и сами были расплывчатыми понятиями. Латынь казалась более надежной, чем английский, потому что была менее изношена ежедневным употреблением, но у римлян тоже не оказалось нужных слов. По черновикам Ньютона (а не по тем трудам, которые в итоге были опубликованы) можно проследить, как непросто ему было справиться со вставшей перед ним задачей. Он пробовал выражения вроде quantitas materiae. Ньютон попытался объяснить это слово как «то, что возникает из соединения плотности и массы». Он решил использовать больше слов: «Это количество я обозначу как тело или массу». Точных слов катастрофически не хватало. Ньютон не мог продолжать без них. Скорость, сила, гравитация – ни одно из них не подходило. Их нельзя было ни объяснить, ни использовать в объяснении. Вокруг не было ничего, на что можно было указать пальцем для объяснения, и не было книги, в которой можно было найти нужные слова.

Нынешние составители словарей, подобно коллегам из XVI–XVII веков, стараются охватить весь английский язык, хотя ясно понимают, что это попытка объять необъятное: язык безграничен, постоянно меняется, обогащается новыми словами и понятиями, в том числе заимствованными у других народов.

Словарь – историческая панорама языка, временной лингвистический срез, однако он не в силах устранить имеющиеся разночтения.

Перевести силу мысли в движение колес

На следующую «информационную ступень» человечеству помогли взойти гениальные английские математики Чарлз Бэббидж и Ада Байрон-Лавлейс. Бэббидж изобрел вычислительную (разностную) машину, которая намного превосходила существующие устройства, по сути, первый механический компьютер.

До этого торговцы, строители, мореплаватели пользовались вычислительными таблицами, изобретенными арабами в IX веке. В течение следующих веков таблицы постоянно совершенствовались, но многочисленные ошибки в них иногда приводили к неприятным последствиям.

Следующим проектом Бэббиджа, в сотрудничестве с Адой Байрон-Лавлейс, стала «аналитическая машина». Она не только рассчитывала результаты, но и выполняла операции, меняющие взаимное отношение двух вещей; кроме чисел работала с другими объектами, например музыкальным гармоническим рядом. Это была уже не просто «машина чисел», но «машина информации», с единицами информации в виде переменных.

Ада Байрон-Лавлейс выполнила сложнейшую работу, написав алгоритм работы для машины, не имея самой машины. Таким образом, первый программист в мире – женщина.

Изобретения Чарлза Бэббиджа несли огромный потенциал для развития человечества. Вычислительная машина получила частичное воплощение; машина информации – прототип компьютера – оказалась невостребованной, возможно, потому, что опередила свое время. Но работы Бэббиджа оценили и с благодарностью вспоминают потомки.

Нервная система Земли

Открытие электричества, мгновенно (точнее, со скоростью света) преодолевающего любые расстояния, помогло воплотить мечту человечества о сверхбыстрой коммуникации. До изобретения телефонов было множество попыток создать эффективную систему быстрой связи. Использовались синхронизированные маятниковые часы, деревянные рамы со скользящими заслонками, многопозиционные рычаги и прочие механизмы. Передаваемый ими сигнал был неточен из-за уязвимости сети и ошибок операторов, до адресата доходили сильно искаженные или обрывочные сообщения.

Азбука Морзе, на которой основывался телеграф, состояла из принципиально новой системы знаков. В отличие от предшественников Морзе не вносил в электрическую сеть дополнительных элементов, а строил работу на замыкании и размыкании цепи. Аппарат передавал до 30 слов в минуту, что по тем временам было невиданной скоростью.

Как только люди придумали, как посылать сообщения с помощью телеграфа, они обеспокоились и тем, что их разговоры открыты всему миру или как минимум телеграфистам, ненадежным посторонним людям, которые не могли не читать слова, которые передавали через свои устройства. По сравнению с рукописными письмами, сложенными и запечатанными воском, передача сообщений по этим таинственным электрическим проводам выглядела публичной и незащищенной.

Сразу возникла необходимость кодирования сообщений. Использовались разные варианты: от простых сокращений (например: Shf – stocks have fallen – акции упали) до сложных кодов, требующих специальных словарей для расшифровки. Кроме непосредственно кодировки сокращение ускоряло и удешевляло передачу сообщения.

Как и в случае с вычислительной машиной, были люди, опередившие свое время. В 1641 году математик-викарий Джон Уилкинс создал двоичный код, вплотную подойдя к идее чистой информации.

Новые провода, новая логика

Телеграф, телефон и радио изменили социальную топологию: возникло множество новых связей, а часть старых исчезла или утратила значимость. Количество телеграфных линий росло, а вместе с ними росла востребованность скоростной связи. Казалось, что электричество объединило мир, что телеграф, а затем и телефон и есть то связующее звено, которое превратит человечество в единый организм.

Логичным продолжением информационного развития стало появление компьютера. Вэнивар Буш, инженер Массачусетского технологического института, практически с нуля, не опираясь на работы Бэббиджа, разработал первое аналоговое устройство – дифференциальный анализатор. Стотонный электроприводной механизм, оснащенный шестеренками и вращающимися стержнями, «умел» решать дифференциалы второго порядка. Машина оперировала множествами, а не цифрами, и в целом имела невысокую точность вычислений.

Помощник Буша Клод Шеннон, работая с релейными цепями, заметил, что, по сути, реле сообщает о двух состояниях цепи: замкнута она или разомкнута. Описать эти состояния можно символами 0 и 1. Развивая концепцию, Шеннон увидел, что реле может автоматически выполнять любые операции с конечным числом шагов (таких, как «или», «если» и подобных).

Теория информации

Числами кодируется все – любая форма знания, даже само мышление. Математика превратилась в универсальный язык, но не всемогущий. Эксперименты Алана Тьюринга показали, что машина не может выйти за пределы заданного алгоритма, неспособна выполнять, какие-либо действия, кроме механических.

Гипотетическая «машина идеальных возможностей» Тьюринга состояла из трех частей:

□ подвижной ленты с ячейками;

□ символов, записанных по одному в каждой ячейке;

□ состояний, которые машина принимает при совершении определенных действий.

Тьюринг сам писал программы для своей несуществующей машины. Простые действия складывались в сложные, часть ленты можно было использовать для временного хранения информации. При условии неограниченности ленты предполагалось, что машина в состоянии вычислить все, что поддается вычислению. Но оказалось, это не так – математически обсчитать можно многое, но не все.

Шеннон стал первым исследователем, работающим с «чистой» информацией, свободной от сопряженных с ней психологических факторов.

Разработанная им общая схема систем связи выглядит так:

источник информации – передатчик – канал передачи – приемник – получатель.

Новой единицей измерения стал бит, существующий в двух значениях – 0 или 1. Шеннон также впервые взглянул на геном как на хранилище информации, измеряемой в битах.

Информационный поворот

Норберт Винер основал кибернетику как науку, изучающую способы управления и коммуникации, общие для человека и машины. Он разделял представление Шеннона об информации как мере беспорядка и неопределенности. Чистая информация непредсказуема, если последующее сообщение можно угадать – оно избыточно.

Винер приписывал машинам способность думать и развиваться и всерьез опасался, что их массовое распространение обесценит человеческий мозг, как обесценили физический труд.

Мозг, утверждал он, хотя бы отчасти тоже представляет собой логическую машину. Там, где вычислительные машины используют реле – механические, электромеханические или чисто электрические, у мозга есть нейроны. Эти клетки находятся в одном из двух состояний в любой момент: активны (сигнал) или в покое (отдых). Поэтому их можно рассматривать как реле с двумя состояниями. Они соединены друг с другом в точках контакта, известных как синапсы. Они передают сообщения. Для хранения сообщений у мозга есть память. Вычислительным машинам тоже нужно физическое хранилище, которое можно назвать памятью. Винер также предположил, что функциональные расстройства, такие как нервный срыв, могут иметь аналоги в электронике. Разработчикам вычислительных машин нужно подумать, как справляться с несвоевременным наплывом данных – с чем-то похожим на дорожные пробки и перегрузки нервной системы. И мозг, и электронные компьютеры для выполнения логической работы используют некоторое количество энергии, «которая вся тратится и рассеивается в виде тепла», и оно должно быть выведено кровеносной системой или вентиляционным и охлаждающим оборудованием. Но это в действительности не так важно, писал Винер: «Информация есть информация, не материя и не энергия. Материализм, не признающий этого, в наши дни не выживет».

Американский нейрофизиолог Уоррен Маккаллох много лет посвятил изучению искусственного интеллекта. К своим исследованиям он привлекал выдающихся ученых из разных областей науки, таких как антрополог-этнопсихолог Маргарет Мид, философ, этолог, психолог и этнолог Грегори Бейтсон, психологи Лоуренс Франк, Генрих Клювер, математики Норберт Винер, Джон фон Нейман.

Дальнейшее развитие компьютеров привело к созданию искусственного шахматиста, что еще больше сократило разницу между человеческим мышлением и машинной обработкой данных.

Энтропия и ее демоны

Первоначальное значение слова «энтропия» – обесточенность системы из-за отсутствия перепадов температуры. С открытием энтропии начала термодинамики были сформулированы следующим образом:

□ первое начало: уровень энергии во Вселенной неизменен;

□ второе начало: энтропия Вселенной постоянно возрастает.

В будущем, когда запас потенциальной энергии будет исчерпан, Вселенная умрет, как умирают планеты, звезды и целые галактики.

Английский физик Джеймс Клерк Максвелл впервые рассмотрел беспорядок как свойство энтропии. Движение отдельных молекул не зависит от направления времени, но в едином пространстве молекулы движутся в одном направлении. Происходит это в соответствии с законами вероятности: статистически все стремится к наибольшей энтропии.

Упорядоченные состояния характеризуются низкой вероятностью и энтропией. Второе начало термодинамики Максвелл проиллюстрировал экспериментом с «демоном Максвелла». Это микроскопическое существо, живущее в крошечном отверстии в перегородке, делящей сосуд пополам. Демон сортирует молекулы на медленные и быстрые, размещая их в разных частях сосуда. Поэтому одна часть нагревается, другая – охлаждается. Демон не учитывает вероятности, но не выполнит работу без энергии и информации, а также памяти.

Позднее Лео Силард доказал невозможность работы подобного демона. Одна из причин – «небесплатность» информации. Каждый выбор между двумя частицами – это один бит информации, притом что память небесконечна.

Живые организмы, в том числе люди, противостоят энтропии – созданием схем и структур, нарушением стабильности и теплового равновесия.

Обычные методы подсчета энтропии не работают в отношении как живых существ, так и информации. Люди трансформируют отрицательную энтропию в информацию.

Собственный код жизни

Слово «ген» придумал и ввел в науку датский ботаник Вильгельм Йохансон в 1910 году, заменив им раннее название «пластикулы».

Эрвин Шрёдингер предположил, что в генах информация написана по принципу кода Морзе. В теории радиолога Генри Кастлера единицами информации выступали аминокислоты; его коллега Сидней Данкофф допустил, что хромосомная нить – линейка закодированных последовательностей. Далее Кастлер развивает идею генома – своеобразного каталога генов.

В 1953 году теория о существовании генов подтвердилась – Джеймс Уотсон и Френсис Крик, применив дифракцию рентгеновских лучей, обнаружили ген в нуклеиновой кислоте. Каждый нуклеотид был носителем единицы кода – одного из четырех базовых оснований, позволяющих создать многочисленные комбинации.

Над расшифровкой «кода жизни» работали такие видные ученые, как физики Георгий Гамов, Ричард Фейнман, создатель водородной бомбы Эдвард Теллер, математик Николас Метрополис и другие. Предстояло выявить механизм хранения и передачи наследственной информации.

□ ДНК-информация зашифрована в последовательности нуклеотидов, число которых превышает 1 миллиард; информация должна быть сохранена в точности;

□ ДНК отправляет информацию вовне для создания нового организма; данные, записанные в одномерной нити, преобразуются в трехмерную спираль. То есть ДНК не только самовоспроизводится, но и делает это на совершенно иных принципах.

Код долго не поддавался расшифровке, как выяснили позже, из-за избыточности, страхующей от ошибок. И все же сбои случаются, становясь причиной мутаций, которые способствуют естественному отбору, а значит, выступают инструментом эволюции.

Похоже, что молекулы-репликаторы возникли еще до появления белковых соединений (в первичном бульоне или глиняных отложениях). Часть этих макромолекул научилась использовать энергию фотонов для образования более крупных, информационно насыщенных молекул, которые в дальнейшем обзавелись белковой оболочкой.

Интересна точка зрения зоолога Ричарда Докинза. Он предположил, что единица естественного отбора не организм, а ген. Не мы используем гены для хранения и передачи информации, а они используют органические тела для выживания и «путешествия во времени». Наше тело – колония генов, и не только человеческих, ведь мы носители экосистемы микроорганизмов, прежде всего бактерий.

Гены лишены способности предвидеть, знать или предполагать, но обеспечивают собственное выживание, совершенствуя организмы в соответствии с окружающими условиями.

Влияние отдельного гена зависит от взаимодействия с «колонией», окружающих условий и случайности. Многие качества определяет не единичный ген, а их комплекс, набор.

Восьмые и четверти, нанесенные на бумагу, не есть музыка. Музыка – это не серия звуковых волн, разносящихся по воздуху, не дорожки, прочерченные на виниле, не питы, считываемые лазером с компакт-диска, и даже не нейронные симфонии, возникающие в мозгу слушателя. Музыка – это информация. Аналогично пары оснований ДНК не есть гены. Они кодируют гены. Сами гены состоят из битов.