Информация, отражение, познание
В нескольких номерах был целый цикл статей под рубрикой «Философские проблемы естествознания». Но мне понравилась и показалась полезной (для меня и для сайта) именно эта, её и помещаю.
Источник: журнал «Наука и жизнь», №1, 1966 год. Автор: В. Тюхин, к.ф.н.
ИНФОРМАЦИЯ И МАТЕРИЯ
В научной картине неживой природы важнейшая роль принадлежит представлениям о процессах передачи и превращения вещества и энергии. Для понимания живой природы, её эволюции, функционирования, поведения и индивидуального развития живых существ, кроме этих процессов, необходимо учитывать и процессы особого рода. К ним прежде всего относятся процессы восприятия, хранения, передачи и переработки информации, которые обеспечивают самоуправление живых существ.
Особенно велика роль информации в жизни общества: деятельность людей, предприятий, организаций, общественный прогресс в целом невозможны без обмена информацией и процессов её переработки. Мы были свидетелями рождения новой науки об управлении и связи – кибернетики, в которую как специальная математическая дисциплина вошла теория информации.
Передача и переработка информации не существуют обособленно от физических процессов, но и не сводятся к ним. Природа информации весьма своеобразна. В своей книге «Кибернетика» Н. Винер писал: «Информация есть информация, а не материя и не энергия». Такое определение, построенное на отрицании, лишь грубо даёт направление для поисков специфики информации.
Что же такое информация? Интуитивно мы легко отличаем понятия информации о материальных вещах от самих вещей. Первым подходом к уяснению специфики информации являются такие весьма отвлечённые и взаимосвязанные понятия, как отношение, порядок, структура. Понятие отношения отвлечено от материальной стороны вещей, выделено из физических связей. Например, рассматривая пространственные отношения бильярдных шаров, мы отвлекаемся от материала, из которого они сделаны, поверхности бильярдного стола и прочего. Мы начинаем оперировать точками, линиями, поверхностями, углами, отрезками и другими геометрическими абстракциями. Описывая движение шаров, приходим к пространственно-временным (кинематическим) отношениям, таким, как скорость, ускорение.
Рассматривая совокупность элементов и состояний предмета как нечто относительно устойчивое и в определённых отношениях упорядоченное, переходим к более сложному понятию структуры. Так, если мы нашли упорядоченность по пространственно-временным отношениям и выразили её математической формулой (например, Vt = V0 + at), то мы имеем дело с пространственно-временной структурой движения тела. Аналогично можно описывать динамические, генетические и другие структуры. В абстрактном мышлении эмпирический объект предстаёт в виде разнообразных структур, выраженных с помощью знаков естественного и искусственного языков.
Рассмотрим ещё пример. Вы хотите познакомить своих друзей с новой, только что написанной песней. Это можно сделать по-разному: записать её на грампластинке или на магнитной плёнке, передать по радио, показать в виде нотной записи на бумаге. Воспроизвести мелодию песни можно на разных инструментах, тихо или громко, её могут напеть разные исполнители, у каждого из которых индивидуальные особенности тембра, звуковысотного диапазона и другие голосовые данные. При всём этом структура мелодии (суть информации), заключённая в последовательности звуков, остаётся неизменной. Воспринимая звуки, мы реагируем прежде всего на сохраняющуюся структуру песни, а реакция на способ и особенности её выражения носит подчинённый характер.
Итак, информация представляет собой упорядоченность состояний (или элементов) её материального носителя соответственно упорядоченности воздействий источника информации. Такое понимание информации равносильно понятию отображения, или содержания отражения; но понятие информации, соответствующее её количественной мере в теории информации, как увидим ниже, характеризует одну из сторон отражения.
ОТРАЖЕНИЕ И ЕГО ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Отражение как свойство всей материи – это способность любого предмета или явления при воздействии на них другим предметом производить изменения или оставлять следы, отпечатки, структура которых находится в соответствии (или сходстве) с какой-либо стороной (структурой) воздействующего предмета. От такого весьма абстрактного и общего понимания отражения при соответствующих ограничениях и конкретизации можно перейти к определению различных видов и уровней отражения.
Примерами отражений служат сохранившиеся на камне отпечатки геометрической формы давно вымерших животных и растений; изменившееся натяжение паруса яхты под воздействием ветра; повышение уровня ртутного столба термометра под влиянием притока тепла; формирование сигналов в рецепторах живых организмов и, наконец, переработанная в мозгу сложнейшая система сигналов в виде ощущений, восприятий, представлений, мыслей, оформленных в словесно-речевой оболочке.
Любое отражение можно рассматривать с двух сторон: по его содержанию и по его форме. Содержание и форма отражения – понятия соотносительные. Это значит, что отражение имеет объективно различные уровни, выбор каждого из которых зависит от поставленной цели. Поэтому на разных уровнях и содержание и форма различны.
Поясним сказанное. Пусть чьё-то выступление записывается одновременно на телеграфную ленту, на магнитную плёнку или на граммофонную пластинку, а затем передаётся в эфир или просто хранится. Как же анализировать содержание и форму выступления? Если смысл выступления сопоставить с его словесным выражением, то формой, очевидно, будет грамматическая структура высказываний. Но нас может интересовать и логическая структура (то есть форма) высказываемых мыслей. К элементам формы можно отнести и богатую интонацию речи, которая помогает выделять смысловые и эмоциональные оттенки выступления, оставшиеся не выраженными чисто литературными средствами. На другом уровне к форме можно отнести технические способы записи, хранения и воспроизведения речи.
Если языковую структуру высказывания принять за содержание (таковой она служит для лингвиста, кодировщика на телефонной станции или для программиста счётно-вычислительной машины), то различные способы её технического выражения можно отнести к элементам формы.
Сообщения могут передаваться по самым различным «линиям связи»: по электрическим проводам, через электромагнитное поле и многие другие технические каналы, в живых организмах – по нервам, через жидкие среды (кровь, лимфу) и тому подобное. Отражение предстаёт в виде сигнала, который, кроме переносимой информации, то есть своего содержания, имеет и форму. Форма сигнала опять-таки может быть описана по крайней мере тремя характеристиками. Во-первых, указанием на то, какие физические агенты – электрический ток, радиоволны, механическая деформация грампластинки, изменения состояний возбуждения и торможения нервной ткани и прочее – являются переносчиками сообщений. Во-вторых, выбором определённого свойства, через разнообразие состояний которого выражается то или иное содержание. Например, перенос информации колебаниями электрического тока могут осуществлять амплитуда, частота или фаза колебаний. (Поэтому, скажем, и существуют амплитудная, частотная и фазовая модуляции).
И, наконец, третьей характеристикой формы сигнала, наиболее тесно связанной с информацией, являются способы выражения и преобразования её логико-математической структуры. Это своего рода различные способы кодирования информации, перевода её с одного «языка» на другой. Скажем, для того, чтобы сделать машинный перевод текста с одного языка на другой, нужен предварительный посредник – «машинный язык», на который в виде определённого цифрового кода переводят текст и все операции над ним.
Из уже сказанного здесь ясно, что содержание информации и форма её выражения находятся в единстве. Только содержание во многом определяет форму, тогда как любое преобразование формы нисколько не меняет содержание (то есть информацию). Зависимость формы (и в то же время её активность, действенность) состоит в том, чтобы в соответствии с характером содержания и стоящими задачами применять наиболее выгодные (по точности и скорости передачи, по экономичности, по возможностям переработки информации и другим показателям) способы выражения и преобразования. Интересно, что сам человек в своей деятельности, носящей характер отражения, интуитивно отыскивает наиболее эффективные способы выражения информации. В изобразительном искусстве и литературе ищутся наиболее выразительные художественные средства, в науке на каждом шагу встаёт необходимость введения (точнее, изобретения) адекватного научного языка для описания опытных данных, теоретического решения различных задач, передачи некоторых интеллектуальных функций вычислительным машинам. Очень часто только нахождение соответствующей формы выражения (описания) условий задачи даёт ключ для её решения. Например, известному французскому математику и физику Лапласу благодаря введённой им формальной операции замены одних переменных величин другими удалось разработать новый метод решения дифференциальных уравнений (так называемый метод каскадов). Применением того или иного кода связисты обеспечивают помехоустойчивость, увеличивают пропускную способность, скорость и другие показатели передачи информации. Существо формализации состоит в применении языка знаков, с помощью которого можно выразить знание о предмете и построить теории, строго регламентированные правилами логики. Возможны и чисто формальные системы, которые базируются на исходных аксиомах и правилах вывода. Примерами аксиоматических построений в науке могут служить аналитическая механика, теоретическая термодинамика.
Наше познание никогда не может стать целиком формализованным. Последнее означало бы прекращение его развития. И всё же на каждом этапе науки следует стремиться к максимально возможной формализации и математизации. Требование этого уже стало законом для развития теоретической физики. Как нередко бывает в науке, практическая необходимость толкает на теоретические разработки. Именно так, из потребностей инженерной практики, возникла статистическая теория информации.
Значение слов: «информация (в широком смысле), копия, образ, отображение, сообщение, сведения» – равносильно термину «содержание отражения». Каковы же основные характеристики, или «измерения», содержания отражения?
Качественному многообразию мира и его свойствам соответствует качественная разнородность информации. Основу её разнородности составляют различия в законах, определяющих свойства и поведение объектов. Эта характеристика информации выражается, в частности, в том, что разнородные воздействия воспринимаются разными приспособленными к ним органами чувств, а в технических устройствах разными датчиками.
Другой характеристикой информации является количественная сторона отображения свойств, соответствующая их интенсивности. Некоторые количественные характеристики свойств вещей отображаются в чувственном восприятии (интенсивность звукового, светового, теплового, химического и других раздражителей). Измерительные приборы, являющиеся как бы продолжением наших органов чувств, повышают точность отображения интенсивности свойств, расширяют шкалу измерений и количество измеряемых свойств. Целый ряд свойств и их количественная характеристика определяется путём сложной теоретической обработки опытных данных. Например, многие свойства элементарных частиц не фиксируются непосредственным измерением, а определяются косвенно теоретической обработкой экспериментальных данных.
Третьей главнейшей характеристикой отображения любого объекта является его структура – определённый порядок в строении, в образующих его процессах и присущих ему свойствах. Всё это выражается в виде законов, на основе которых предсказываются и объясняются свойства вещей и явлений, дастся их точный расчёт. Особенно велика здесь роль математики, её методов, позволяющих более адекватно выражать эти законы. Любой объект мы стремимся выразить в виде определённой совокупности (системы) законов, которые с той или иной глубиной, полнотой и точностью раскрывают его природу.
Если речь идёт о самом процессе образования или передачи информации, то важнейшей её характеристикой является вид соответствия между оригиналом и образом, или, точнее, вид преобразования структуры оригинала в структуру образа. В математике изучаются многообразные виды этих преобразований (такие, как изоморфизм, гомоморфизм, различные виды подобия, гомология, геометрические преобразования и т. д.). Так, круг, воспринимаемый нами не под прямым углом, непосредственно выступает в виде эллипса: в основе этого отображения лежит геометрическое проективное преобразование.
В самом результате процесса отражения непосредственно не дан переход от оригинала к его отображению, то есть преобразование структуры первого в структуру второго. Поэтому необходима вторичная связь, направленная от отображения к оригиналу. Это обратное соотнесение отображения с отображаемым предметом или с понятием о нём представляет ещё одну характеристику информации. Она носит название предметности или смысловой стороны информации. Например, изображение на фото неизвестного нам инструмента мы стремимся соотнести с самим инструментом или с понятием о нём и тем самым «опредметить» и осмыслить это изображение.
Без этой характеристики отображение лишается познавательного значения, возможности его применения в нашей повседневной жизни и практике. Поясним это на примере.
Когда мы смотрим на апельсин, ощупываем его поверхность, пробуем на вкус, то в нашем мозгу разыгрывается сложная картина – своеобразная мозаика нервных процессов возбуждения и торможения. Что же остаётся сходного с отображаемым апельсином? В зрительном центре на «языке» нервных процессов «закодирована» определённая упорядоченность пространственно-временных отношений, соответствующая пространственной форме апельсина, его перемещениям и прочему; во вкусовом центре фиксирована упорядоченность химических, вкусовых свойств апельсина, в частности различие вкуса в разных его частях от корки до мякоти: в других мозговых центрах всё обстоит аналогично. Но чтобы эти структуры в мозгу выступали как отображения апельсина, а не состояний самого мозга, их необходимо «спроецировать» на отображаемый предмет, или «опредметить». Практически активные действия и контакты с предметом лежат в основе «опредмечивания» структур.
Важной характеристикой информации в живых системах служит ценность, или полезность, информации. Ценность информации – её значение для получателя, её роль для осуществления его потребностей и целей. Отсюда следует, что для разных людей одна и та же информация может иметь различную ценность.
Если ценность более характеризует субъективную сторону информации, то содержательность, или существенность, информации подчёркивает её объективную сторону. Ясно, что сведения о закономерностях строения и поведения вещи объективно более важны, нежели чувственные данные о её свойствах.
Наконец, важны ещё две характеристики, связанные с истинностью знаний. Это, во-первых, достоверность, или доказательность, знаний, то есть определение, насколько они являются объективными. Во-вторых, при рассмотрении истины как процесса приобретает значение степень точности отображения оригинала.
Основные характеристики (измерения) содержания отражения, или информации, в разной степени поддаются формализации, количественному измерению и математическому выражению.
ИНФОРМАЦИЯ КАК СТОРОНА ОТРАЖЕНИЯ
В работах американского математика и инженера К. Шеннона, а также других учёных были разработаны методы определения количества информации. Суть их можно представить следующим образом.
Когда мы получаем какие-либо сообщения или сведения об интересующем нас предмете, мы тем самым устраняем некоторую неопределённость в наших знаниях. Иначе говоря, если известна величина этой неопределённости после получения сведений и величина её до их получения, то отношение между ними будет соответствовать количеству поступившей информации. Такими косвенными приёмами широко пользуются в теоретическом познании. В данном случае природа понятий неопределённости и информации хотя и различна, но в определённом отношении они приравниваются друг к другу.
Математически величина неопределённости определяется с помощью понятия вероятности (отношения наступивших событий к числу возможных) и методов теории вероятностей. Оказалось, что основная формула для определения величины средней информации, заключённой в любом данном сообщении, оказалась сходной с формулой энтропии – понятия, служащего в термодинамике мерой неопределённости, неупорядоченности, а также показателем разнообразия системы. Это совпадение формул послужило основанием для раскрытия понятия информации. И если информации соответствует разнообразие, неоднородность объектов, то количество информации представляет собой среднюю оценку, меру разнообразия систем или же меру их неоднородности.
Количество информации можно трактовать и как меру организованности систем, но далеко не всегда и не в той же степени увеличение разнообразия систем влечёт к повышению их организованности. Правда, в ряде случаев, когда это установлено методами соответствующей науки, количество информации может служить грубой оценкой уровня организованности объекта. Так, при плавлении кристаллического тела вместе с его разнообразием уменьшается и уровень его организованности: упорядоченная кристаллическая решётка разрушается, и вещество переходит в состояние расплава, у которого порядок в расположении молекул имеет более энтропийный (выровненный) характер. Количество информации всё же ближе к оценке сложности, нежели организованности систем.
Статистическая мера количества информации – объективная характеристика. Этим она сближается со свойством отражения, присущим неживой материи, а значит, имеет место во всех видах и состояниях материи. Свойство отражения, как уже говорилось, состоит в способности предмета реагировать в соответствии с характером воздействий и со своей собственной природой. Эти реакции характеризуются не только обменом вещества и энергии, но и изменениями структуры тел и явлений. При этом их разнообразие может сопровождаться повышением или понижением уровня организованности или же сохранением прежнего уровня. Но теория информации, к сожалению, пока не отвечает на вопросы, какие воздействия и при каких условиях приводят к повышению уровня организованности.
В процессах передачи и переработки информации количество информации определяется через форму, то есть через её материальное выражение в виде сигналов, слов, знаков, или символов. Количество информации, переданной по тому или иному каналу связи, выражает как бы величину разнообразия в наборе стандартных символов (или их комбинаций), которыми закодировано сообщение. При этом, кроме критерия стандартизации, берётся в расчёт минимально возможное число символов. Интуитивно ясно, что чем большее разнообразие состояний может иметь носитель информации (будь то число знаков в алфавите, слов в языке, число строк на экране телевизора, полоса частот в канале связи, количество клеток в мозгу), тем большее количество сведений и с большей точностью можно передать и переработать. Очевидно также, что чем больше структура формы (языка, кода и прочего) соответствует структуре содержания, тем в большей степени информация оценивает сложность содержания. Иллюстрацией могут служить логические задачи, связанные с процедурой выбора, которые эффективно решаются с помощью методов теории информации (подробно см. об этом в книге А. М. Яглома и И. М. Яглома «Вероятность и информация», М., 1960).
Понятие информации (иногда говорят «технической», «канальной» информации) является весьма универсальным и применяется довольно широко. Но за счёт этого опускаются многие характеристики отражения. Так, теория информации не учитывает разнородность и смысл информации, степень её существенности и ценности для получателя. Достоверность, истинность сообщений предполагается данными.
Количеством информации может оцениваться разнообразие вещей и явлений, их свойств и состояний. Но разнообразие есть одна из составляющих структур объекта. А структура отображения, как указывалось выше, есть центральная характеристика содержания отражения. Выше показано, что разнообразие связано и с формой отражения. Итак, информация и её количественная оценка являются необходимыми составляющими как содержания, так и формы отражения.
ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ И ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ ПОЗНАНИЕ
Теория информации – это математическая теория, одна из ветвей теории вероятностей. Она позволяет решать разнообразные прикладные задачи количественными методами. В этом одна из сильных сторон теории информации. Универсальность терминов «информация» и «количество информации» обеспечивает применение методов теории информации во всех областях познания действительности Она нашла своё применение не только в технике связи и управления, но и в биологии, медицине, психологии, педагогике, нейрофизиологии, лингвистике, логике, в физике и химии.
Теория информации оперирует количеством информации, пропускной способностью канала (или линии) связи, «шумом» и избыточностью информации, помехоустойчивостью, экономностью кода и другими понятиями, которым соответствуют те или иные формулы и методы.
Вот несколько задач, дающих представление о том, что можно решать с помощью теории информации.
Чуть ли не с момента создания теорию информации старались применить в тех областях, где информация играет особую роль, активно используется. В первую очередь это относится к миру живой природы и общественной жизни. Сейчас уже стало ясно, что процессы жизни и эволюции в живой природе обязаны не только (и не столько!) обмену веществ и энергии с окружающей средой, но и в значительно большей степени – количеству и качеству перерабатываемой и сохраняемой информации. Роль информации наглядно видна при увеличении темпов биологической эволюции и особенно при развитии общества. Э. Шредингер в книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» образно заметил, что «живые организмы питаются упорядоченностью», то есть потребляют пищу главным образом для поддержания и увеличения уровня своей организованности, противостоя дезорганизующим (энтропийным) воздействиям среды. Общебиологический принцип самосохранения целостности организма и кибернетические идеи самоуправления, самоорганизации, самовоспроизведения и развития, по существу, сводятся к открытию специфических законов (схем. моделей) переработки информации этими системами. Подсчёт количества информации, необходимой на различных уровнях жизнедеятельности, – одна из нынешних прикладных задач теории информации. В исследованиях, посвящённых этой задаче, разрабатываются методы определения количества информации, содержащейся в белках, клетках, органах и организмах (подробно см. сб. «Теория информации в биологии», перевод с английского, изд. И. Д., М., 1960). Изучаются скорость и пропускная способность органов, воспринимающих информацию (зрительного и слухового анализаторов), нервных коммуникаций, передающих её, переработка информации как отдельными нейронами мозга, так и их объединениями. Интересны результаты исследований поразительных – по скорости, точности и характеру – процессов переработки информации у летучих мышей, рыб, птиц. Перевод биологических данных на количественный язык теории информации помогает переносить биологические принципы (и схемы) переработки информации в современную технику управления.
Наиболее интересны применения теории информации при расшифровке генетического кода, при объяснении колоссальной пропускной способности и поразительной точности в передаче генетической информации по «линии связи» от родителей к потомкам. В медицине теория информации применяется при изучении патологии раковых и других заболеваний, процессов старения организма, в диагностике. В психологии – при изучении психических реакций, появляющихся в ответ на определённые воздействия среды, особенно реакций выбора в сложных ситуациях. Оценивалась роль воздействующих факторов на успех выбора и время реакции выбора.
Методы теории информации важны и при изучении способностей к обучению различным видам психической деятельности (счёту, иностранному языку, музыке и прочему), при программированном обучении. Количественные оценки переработки информации широко применяются и в инженерной психологии в связи с задачей приведения в соответствие способностей человека с работой контролируемых им автоматических приборов. Теория информации применяется при расчёте кибернетических устройств, моделирующих некоторые психические функции человека. В лингвистике с помощью теории информации решаются такие задачи, как определение информационных характеристик письменной и устной речи, литературных текстов (см. А. М. Яглом и И. М. Яглом «Вероятность и информация», М., 1960). Здесь и оценка средней информации, приходящейся на одну букву текста, избыточность языка того или иного произведения и тому подобное. Эти исследования помогают установлению лингвистической классификации, расшифровке незнакомых текстов, узнаванию авторов неизвестных рукописей и т. д. Вообще трудно перечислить все имеющиеся и предсказать все возможные применения теории информации в различных областях знания.
Заметим, что существует множество ограничений, заключённых в исходном понятии информации; поэтому важны поиски по линии расширения рамок теории, обогащения её понятий и методов.
Прогрессивная тенденция современной науки – максимально возможное применение математических методов, использование формальных аксиоматических построений и т. п. – начинает проникать и в теорию познания. Если всеобщие принципы и законы, которым подчиняются все объекты действительности, не поддаются формализации, то по отношению к отдельным и специфическим законам отражения и познания элементы формализации и математизации не только допустимы, но прогрессивны и перспективны. Конечно, эти элементы подчинены содержательному знанию, лежащему в основе развивающегося познания. В этом объективная диалектика содержательного и формализованного знания, содержания и формы отражения, познания.