Роль математики и физики в информатике

Третий этап –  книгопечатание. Его можно смело назвать первой информационной технологией. Воспроизведение информации было поставлено на поток, на промышленную основу. По сравнению с предыдущим на этом этапе не столько увеличивалась возможность хранения информации (хотя и здесь был выигрыш: письменный источник – это часто один-единственный экземпляр, печатная книга – это целый тираж экземпляров, а следовательно, и малая вероятность потери информации при хранении), сколько повысилась доступность информации и точность ее воспроизведения.

Четвертый (последний) этап предыстории информатики связан с успехами точных наук (прежде всего математики и физики) и начинающейся научно-технической революцией. Этот этап характеризуется возникновением таких мощных средств связи, как радио, телефон и телеграф, а позднее и телевидение. Появились новые возможности получения и хранения информации – фотография и кино. К ним очень важно добавить разработку методов записи информации на магнитные носители (магнитные ленты, диски).

С разработкой первых ЭВМ  принято связывать возникновение  информатики как науки, начало ее истории. Для такой привязки имеется несколько причин. Во-первых, сам термин «информатика» появился благодаря развитию вычислительной техники, и поначалу под ним понималась наука о вычислениях (первые ЭВМ большей частью использовались для проведения числовых расчетов). Во-вторых, выделению информатики в отдельную науку способствовало такое важное свойство современной вычислительной техники, как единая форма представления обрабатываемой и хранимой информации. Вся информация, вне зависимости от ее вида, хранится и обрабатывается на ЭВМ в двоичной форме. Так получилось, что компьютер в одной системе объединил хранение и обработку числовой, текстовой (символьной) и аудиовизуальной (звук, изображение) информации. В этом состояла инициирующая роль вычислительной техники при возникновении и оформлении новой науки.

На сегодняшний день информатика представляет собой комплексную научно-техническую дисциплину. Под этим названием объединен довольно обширный комплекс наук, таких, как кибернетика, системотехника, программирование, моделирование и др. Каждая из них занимается изучением одного из аспектов понятия информатики. Учеными прилагаются интенсивные усилия по сближению наук, составляющих информатику. Однако процесс их сближения идет довольно медленно, и создание единой и всеохватывающей науки об информации представляется делом будущего. [4]

2. Связь информатики с другими отраслями науки

Отдельной наукой информатика  была признана лишь в 1970-х; до этого  она развивалась в составе математики, электроники и других технических наук.

Информатика не только порождает  новые научные направления и  новые науки, но оказывает огромное влияние на состав и структуру традиционных областей научного знания. Так, в математике возникли такие ее новые отрасли, как вычислительная математика, линейное программирование. Получили применение отрасли математического знания, до сих пор не нашедшие своего применения, например, теория игр. В научно-исследовательских лабораториях стали применяться измерительно-вычислительные комплексы, которые способны не только быстро производить измерения и выдавать исследователю соответствующую информацию, но и осуществлять управление ходом самого эксперимента в зависимости от полученной информации. Использование компьютеров расширило область использования математики в науке, привело к математизации других наук и даже породило новые науки, такие как биоматематика, и наук, нацеленных на исследование глубокого вакуума, космоса, сложных явлений и процессов мега- и микромира.

На знаниях в области  механики, информатики и некоторых  отраслей техники (микропроцессорная техника, компьютерное управление движением машин и агрегатов) возникла новая довольно быстро развивающаяся техническая наука, само название которой – «мехатроника», объединяет термины «механика» и «электроника» и свидетельствует о гибридном характере той науки. Действительно, мехатроника представляет собой комплекс средств и принципов механики, информатики и электроники, который нацелен на создание и эксплуатацию машин и систем с компьютерным управлением.

В области технической  информатики уже практически  сформировалось и быстро развивается нейроинформатика – научное направление, связанное с исследованием и разработкой нового поколения средств информатики, основанных на использовании принципов нейронных сетей и нейросетевых алгоритмов решения плохо формулируемых задач. В этой области значительных успехов добились российские ученые. Уже издано более 20 научных монографий, издается на русском и английском языках журнал "Нейрокомпьютер", создана и функционирует кафедра нейрокомпьютеров в Московском физико-техническом институте (техническом университете).

По определению А.П.Ершова, информатика – «фундаментальная естественная наука». Академик Б.Н.Наумов определял информатику, «как естественную науку, изучающую общие свойства информации, процессы, методы и средства ее обработки (сбор, хранение, преобразование, перемещение, выдача)».

Уточним, что такое фундаментальная  наука и что такое естественная наука. К фундаментальным принято относить те науки, основные понятия которых носят общенаучный характер, используются во многих других науках и видах деятельности. Нет, например, сомнений в фундаментальности столь разных наук как математика и философия. В этом же ряду и информатика, так как понятия “информация”, “процессы обработки информации”, несомненно, имеют общенаучную значимость.

Естественные науки –  физика, химия, биология и другие –  имеют дело с объективными сущностями мира, существующими независимо от нашего сознания. Отнесение к ним  информатики отражает единство законов обработки информации в системах самой разной природы – искусственных, биологических, общественных.

Появление информационной техники  оказало столь существенное влияние  на научные исследования, что часто  говорят о качественно новом  этапе в развитии науки. Информационная техника показала свою эффективность при работе в системами, поведение которых определяется законами механики, физики, химии. Так, компьютерная генетика занимается расшифровкой структур ДНК с помощью компьютеров, компьютерный синтез успешно решает задачи синтеза необходимых химических элементов. Открылись возможности широкого использования математических методов для построения математических моделей химических реакций, обработки результатов экспериментальных исследований в реальном режиме времени, поиска оптимальных условий проведения технологических процессов. Экспертные системы используются для обоснования выбора методов расчета равновесия в системах «пар – жидкость», методов термодинамических расчетов, анализа связей между структурой химических соединений и их биологической активностью. Компьютеры все больше становятся составной частью оборудования химических научно-исследовательских лабораторий. Они используются для проведения большого объема вычислений при квантово-химических расчетах, обработке результатов рентгеноструктурного анализа, описания сложных химических реакций, расчета концентраций веществ, входящих в состав различных смесей.

Биоинформатика или вычислительная биология — одна из дисциплин биологии, развивающая использование компьютеров для решения биологических задач. Под биоинформатикой понимают любое использование компьютеров для обработки биологической информации. На практике, иногда это определение более узкое, под ним понимают использование компьютеров для обработки экспериментальных данных по структуре биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) с целью получения биологически значимой информации.

Биоинформатика и её методы используются также в биохимии и биофизике. Основная линия в проектах биоинформатики — это использование математических средств для извлечения полезной информации из «шумных» или слишком объёмных данных о структуре ДНК и белков, полученных экспериментально.

Биологическое разнообразие экосистемы может быть определено как  полная генетическая совокупность определённой среды, состоящая из всех обитающих видов, была бы это биоплёнка в заброшенной шахте, капля морской воды, горсть земли или вся биосфера планеты Земля. Для сбора видовых имён, описаний, ареала распространения, генетической информации используются базы данных. Специализированное программное обеспечение применяется для поиска, визуализации и анализа информации, и, что более важно, предоставления её другим людям. Компьютерные симуляторы моделируют такие вещи, как популяционная динамика, или вычисляют общее генетическое здоровье культуры в агрономии. Один из важнейших потенциалов этой области заключается в анализе последовательностей ДНК или полных геномов целых вымирающих видов, позволяя запомнить результаты генетического эксперимента природы в компьютере и возможно использовать вновь в будущем, даже если эти виды полностью вымрут.

К числу перспективных  направлений относятся, в частности, «машины прогнозирования» — алгоритмы, которые позволят компьютерам строить прогнозы, опираясь на сложные данные и «кодификацию», то есть способность создавать программы на основе биологических процессов.

Информационные процессы присутствуют во всех областях медицины и здравоохранения. От их упорядоченности зависит четкость функционирования отрасли в целом и эффективность управления ею. Информационные процессы в медицине рассматривает медицинская информатика. В настоящее время медицинская информатика признана как самостоятельная область науки, имеющая свой предмет, объект изучения и занимающая место в ряду медицинских дисциплин.

Медицинская информатика  – это прикладная медико-техническая  наука, являющаяся результатом перекрестного  взаимодействия медицины и информатики: медицина поставляет комплекс «задача–методы», а информатика обеспечивает комплекс «средства–приемы» в едином методическом подходе, основанном на системе «задача–средства–методы–приемы».

Предметом изучения медицинской  информатики являются информационные процессы, сопряженные с методико-биологическими, клиническими и профилактическими  проблемами. Объектом изучения медицинской информатики являются информационные технологии, реализуемые в здравоохранении. Основной целью медицинской информатики является оптимизация информационных процессов в медицине за счет использования компьютерных технологий, обеспечивающая повышение качества охраны здоровья населения.

В настоящее время одним  из направлений информатизации медицины является компьютеризация медицинской аппаратуры. Использование компьютера в сочетании с измерительной и управляющей техникой в медицинской практике позволило создать новые эффективные средства для обеспечения автоматизированного сбора информации о состоянии больного, ее обработки в реальном масштабе времени и управление ее состоянием.

Рассмотрим связь информатики  с современной физикой.

Не следует думать, что  та физика, которая изучается в  школе и большинстве непрофильных вузов, представляется единой доказанной и структурно слаженной наукой. В теоретической физике как научной отрасли имеется достаточное количество гипотез, в т. ч. и относительно новых, часть из которых уже является доказанными, другими словами, ставшими теориями.

Одной из физических теорий является и теория Б. Хайма, получившая развитие в середине XX века. Одним из её постулатов является то, что мы живём не в привычном нам четырёхмерном мире (обычное трёхмерное пространство + измерение времени), но в двенадцатимерном. Из этих двенадцати измерений четыре — те же самые привычные нам, но среди них имеются и ещё два чисто информационных. Таким образом, данная теория декларирует, что информация становится отныне физической величиной, обладает определённой (хотя и малой) энергией.

На основе теории Хайма ведущие институты и университеты мира, включая Национальный институт аэронавтики и космических исследований (NASA, США), ведут исследования, касающиеся построения летательного космического аппарата, скорость которого могла бы превысить скорость света в вакууме.

Оперируя понятием «информация» и исследуя его на первичном уровне, информатика подтверждает свой статус естественной науки.

Компьютерная химия (математическая химия) — сравнительно молодая область  химии, основанная на применении теории графов к химическим задачам фундаментального и прикладного характера. Исходя из общего определения химии, как  науки о веществах и превращениях их в друг друга, можно сказать, что вещества (молекулы) моделируются в компьютерной химии молекулярными графами, а превращения веществ (химические реакции) — формальными операциями с графами. Такой формально-логический подход в ряде случаев заметно упрощает алгоритмизацию химических задач, сводя их к типовым задачам комбинаторики и дискретной математики, и позволяет искать решения с помощью компьютерных программ. При этом наряду со специальными программами в компьютерной химии могут применяться и универсальные программы: для работы с таблицами, математические программы и т. д.