Роль информации как общенаучного понятия

Информация материальна, т. е. информация всегда нуждается в материальном носителе. Вне материи информация не существует, однако носителями содержательно одной и той же информации могут быть совершенно разные объекты: словесное сообщение может кодироваться звуковыми волнами, электрическими импульсами при телеграфной или телефонной передаче, нервными сигналами в процессе говорения, знаками, написанными на бумаге, высеченными на камне и т. д. Наследственная информация, передаваемая от родителей к детям, кодируется элементами молекул ДНК или же в виде целого ряда свойств организмов детей, или, наконец, в деталях процессов, протекающих в этих организмах. Наследственная информация погибшего организма пропадает без возвратно.

Заметим, что как физический носитель, так и способ кодирования информации при заданном носителе могут быть совершенно различными, и при этом содержание порции информации может быть одно и то же.

 Понятия материи и энергии  в некотором смысле абсолютны.  Количественное выражение данной  порции массы или энергии есть некоторый инвариант при всех природных процессах, в которых эта порция может участвовать. Совсем не так обстоит дело с информацией, заключённой в некотором носителе. Так, например, написанное письмо для адресата имеет определённое содержание.

Для графолога содержание письма может  не представлять никакого интереса, в  то же время почерк, которым написано письмо, может служить источником тех или иных сведений об авторе письма.

Для криминалиста в некоторых случаях  может представить интерес бумага, на которой письмо написано, отпечатки  пальцев, которые на ней можно  найти, и даже материал чернил, которыми письмо написано. Если представить себе, что письмо написано не- которым шифрованным образом, то содержание письма может узнать только человек, владеющий соответствующим шифром. Можно привести огромное количество примеров, где в зависимости от цели, стоящей перед исследователем, один и тот же объект может оказаться носителем то той, то другой информации. В зависимости от того, в какую систему поступает тот же самый сигнал, он может иметь то один, то совсем другой смысл. Таким образом, информация всегда относительна, она зависит не только от того, каким носителем она представлена и каков способ её кодирования, но ещё и от того, какой системой она воспринимается. Наконец, отметим такое обстоятельство: весьма важная информация (важная по тем последствиям, которые она вызывает, попав в соответствующую обстановку) может иметь в качестве носителя очень малую порцию материи или энергии. Так, наследственная информация, которая играет определяющую роль в возникновении индивидуальных особенностей будущего организма, кодируется небольшим числом молекул ДНК. Приказ о начале военных действий может быть отдан посредством телеграммы в несколько слов. Между массой или энергией носителя информации и её содержанием связи нет, а связь между свойствами носителя информации и количеством записанных в нём знаков очень слабая. В большой мере она определяется выбранным способом кодирования информации. В то же время при отсутствии носителя ин- формация не существует. Информацию в некоторых отношениях можно уподобить тем или другим качествам её носителя. Например, цвет предмета или его форма. В самом деле, и то и другое качество принимает определённое значение лишь при наличии предмета – носителя. Строго говоря, качество предмета можно рассматривать как некую информацию, записанную в данном предмете.

 Теперь мне хочется в несколько  проблематичном аспекте отметить одно обстоятельство, где роль материального носителя информации приводит к некоторой общей закономерности ин- формационной природы. Представим некоторое физическое тело макроскопических размеров, в разных частях которого теми или иными способами закодирована информация. Будем считать, что количество знаков, используемых для кодирования информации, весьма велико (например, порядка числа молекул в этом теле).

Ставится задача: можно ли сконцентрировать всю эту информацию за сравнительно небольшой отрезок времени и в весьма малом объеме (порядка одной или немногих молекул). По-видимому, в этом вопросе мы должны столкнуться с некоторыми специфическими лимитирующими обстоятельствами. К сожалению, приведенные ниже соображения очень сыры и предварительны. Дело в следующем: для того чтобы сконцентрировать в очень маленьком объёме информацию, рассеянную в большом объёме, каждый кодовый знак, не обусловленный другими знаками, нужно передать в выделенный объём посредством некоторого материального носителя. Это будет либо некоторая частица, либо порция энергии (например, электромагнитной). Каждая из них должна войти в соответствующий объём, оставить в нём некоторый след и выйти из него. Однако поскольку скорости движения частиц ограничены, то для того, чтобы оставить некоторый след, т. е. несколько перестроить молекулы внутри данного объёма, нужно время. Ясно, что если общее количество носителей информации велико, то будет неизбежна высокая концентрация этих носителей в данном объёме в течение рассматриваемого промежутка времени. Любые частицы, способные взаимодействовать с молекулярными структурами в малом объёме, имеют некоторую определённую массу (вероятно, нейтрино для этого непригодны). Слишком большая концентрация массы в малом объёме, видимо, невозможна, так как между частицами возникнут специфические взаимодействия, которые приведут к тому, что структура, предназначенная для хранения информации и расположенная в данном объёме, по всей вероятности, разрушится. Если говорить о порции энергии в виде электромагнитных колебаний, то возникнут ограничения для частоты. В самом деле, если посредством длинных волн что-либо передавать в очень малый объём, то коэффициент полезного действия окажется очень мал, и нужна колоссальная чувствительность приёмного устройства. Всякое запоминающее устройство обладает порогом чувствительности, т. е. запомнено может быть то, что было передано посредством достаточно большой порции энергии. Поэтому для внесения информации в малый объём можно пользоваться только высокими частотами. В то же время квант высокой частоты содержит большую энергию. Однако для того, чтобы внести в малый объём большую информацию, носителями которой являются порции энергии, мы окажемся вынужденными создать в этом объёме высокую плотность энергии. Это поведёт к разрушению запоминающей структуры, находящейся в данном объеме.

Таким образом, то обстоятельство, что  для концентрирования большой информации в малом объёме за малое время оказывается необходимым сконцентрировать в этом объёме либо достаточно большую массу, либо достаточно большую энергию (это является прямым следствием того, что информация должна иметь материального носителя), ведёт к тому, что должен существовать некоторый запрет на такие процессы чрезмерной концентрации информации. Видимо, должен существовать такой принцип: для того чтобы в материальной структуре заданного размера сконцентрировать определённое количество информации, нужно достаточно большое время. Было бы интересно получить количественное выражение этой закономерности. Думаю, что это потребует соображений, относящихся к современной теоретической физике. К сожалению, в настоящее время ещё не ясно, как это сделать.

Весьма важно, что высказанное  здесь соображение определяет невозможность  передачи по наследству благоприобретенных признаков при размножении организмов. В самом деле, благоприобретенные признаки суть макроскопические свойства организма. Для их передачи по наследству необходимо их перекодировать в наследственную информацию, т. е. в отдельные молекулы ДНК. Мы сталкиваемся как раз с задачей о концентрировании в отдельные молекулы информации, разлитой в макроскопическом теле. В связи с тем, что эта информация может быть самой разнообразной, в самом общем случае она приводится к информации о строении всех молекул и их взаимном расположении. Для того чтобы эту информацию фильтровать должным образом, её сначала надо сконцентрировать.

Можно себе представить, что в живой  природе существуют ещё совсем другие факторы, ограничивающие возможность концентрации информации. Например, слишком большое количество информации, поступающей человеку в короткий срок, не может быть им усвоено.

В экспериментах известного физиолога  Л.В. Крушинского был зарегистрирован весьма интересный факт. Если подопытное животное в процессе эксперимента получало слишком много ин- формации или слишком сложную информацию, то оно впадало в состояние невроза. Это тоже говорит о наличии некоторого физиологического ограничения возможности концентрировать информацию в сознании живых существ за ограниченное время. Ясно, что раскрытие содержания этого ограничения требует специальных экспериментов.

2. Информация и энтропия.

В научном плане понятие информации охватывает как те сведения, которыми люди обмениваются между собой, так и сведения, существующие независимо от людей.

Информация выступает как свойство материальных объектов и процессов  порождать, передавать и сохранять многообразие состояний, которые посредством той или иной формы отражения могут быть переданы от одного объекта к другому.

Отсюда количество информации в  зависимости от уровня процесса отражения  связывается с мерами упорядоченности, организованности, структурности,  смежности материальных объектов, процессов  и систем в их взаимодействии между  собой.

С помощью энтропии стало возможным  количественно оценить такие  понятия как хаос и порядок. Информация и энтропия связаны потому, что  они характеризуют реальную действительность с точки зрения упорядоченности и хаоса, причем если энтропия S является количественной мерой  беспорядка и хаоса  систем, то информация является мерой упорядоченности: одно равно другому, взятому с обратным  знаком.

Энтропия и информация служат выражением двух противоположных тенденций  в развитии системы. Если система  эволюционирует в направление упорядоченности, то ее энтропия уменьшается. Но это требует целенаправленных усилий внесения информации, то есть управления.

Количество информации и энтропия у Н. Винера являются фундаментальными характеристиками явлений природы.

Введение понятия энтропии в  теорию информации явилось, по выражению  Луи де Бройля, «наиболее важной и красивой из идей, высказанных  кибернетикой», и рассматривается  как большой вклад XX века в научную мысль. Это положение называется вторым  «краеугольным камнем кибернетики». Отсюда толкование кибернетики как теории организации борьбы с мировым хаосом, с роковым возрастанием энтропии.

Современная теория информации имеет  много общего с разделом физики –  статистической термодинамикой.

Любая добавочная информация уменьшает  энтропию системы. Ценность добавочной информации, полученной в данный момент времени убывает, ибо система, предоставленная самой себе, естественно переходит в более устойчивое состояние с большей энтропией.  Таково нормальное развитие всех  процессов, однако, в них можно вмешаться, внеся дополнительную информацию и тем самым,  предотвратить ее разрушение. 

3. Информация и время.

Время всегда тесно ассоциировано  с движением, с протеканием процессов. Наиболее интересные из древних представлений времени можно найти у Платона и Аристотеля. По Платону время сотворено демиургом вместе с космосом, является в движении небесных тел и подчиняется закону числа. По Аристотелю время  также отождествляется с движением, но не есть движение. Время есть число движения. В отличие от Платона Аристотель считает время вечным. Плотин также считает время абсолютным, не зависящим от наблюдателя и отделяет вопрос о природе времени от проблемы его измерения.

Августин (354-430) считал, что до сотворения мира не было никакого времени. Само время  можно рассматривать как начало всего текущего. Также как Плотин, Августин отвергает возможность отождествления времени с движением физического мира. Он ищет меру времени и способ её измерения в индивидуальной душе (субъект, наблюдатель). 

Классическая механика   декларирует  абсолютность времени и его божественную заданность. По Ньютону время было всегда, ход времени равномерен в прошлом, настоящем и будущем в любых частях Вселенной и повлиять на него нельзя. Время Ньютона абсолютно и универсально.

 С появлением теории относительности  (Эйнштейн) время стало неабсолютным (относительным), но оставалось универсальным, измеряемым посредством движения света. В отличие от Ньютона, Эйнштейн измеряет время «световыми часами». Поэтому теорию Эйнштейна (СТО) иногда называют светодинамикой, которая являет собой геометрический подход к проблеме времени.

В первой половине двадцатого века в  работах В.И. Вернадского появились  мысли о времени, как процессе течения  биологических процессов. Время есть проявление созидательного творческого мирового процесса. «Бренность жизни нами переживается как время…». Подход Вернадского отторгает мистическое отношение ко времени и подводит к мысли об инициировании времени реальными процессами.

С позиций классической термодинамики (Л. Больцман) направленность хода времени (стрела времени) объяснялась процессами возрастания энтропии. Все изолированные системы (а вселенную почему-то также считали изолированным объектом) развиваются в направлении роста энтропии,  роста беспорядка. Пригожин И., согласуясь с Больцманом, развивает концепцию внутреннего времени,  развивающихся необратимых процессов, в которых система скатывается к хаосу (рост энтропии). Как известно,  энтропия как функция состояния была выведена для самых примитивных, идеализированных систем (идеальный газ), но её некорректно применяют для биологических, кибернетических и синергетических систем.

Синергетическая концепция времени  базируется на процессах прямо противоположных  энтропии. Вся Вселенная вопреки энтропийной теории «тепловой смерти» демонстрирует процессы сегрегации вещества, появления постоянно усложняющихся в процессах самоорганизации систем. Именно этот факт породил синергетический взгляд на время как последовательность появления новых элементов в пределах конкретной системы. В рамках синергетической парадигмы время перестает быть над-характеристикой, а являет собой внутреннюю характеристику системы. Время становится политемпоральным явлением. Каждая система имеет свое внутреннее время, характеризующее процессы структуризации (экстатическое время). Развивая синергетическую концепцию времени, Левич А.П. предлагает ввести понятие субституционного времени, квант которого определяется заменой какого-либо элемента системы. Например, процесс синтеза новых клеток в организме характеризует ход внутреннего времени. Появление новой клетки - это «шаг» (секунда) внутренних часов. Биосферное время отсчитывается появлением новых видов живых организмов и т.д. Возникает иерархия времени систем различной соподчиненности.