CC BY
205в России / Г.И. Тихонова, А.Н. Чуранова, Т.Ю. Горчакова // Проблемы прогнозирования. - 2012. - № 3. - С. 103-118.
2. Беляев, А.Ю. ОБЗОР «ТРИЗ - Анализ направлений проектирования искусственных мускулов» / А.Ю. Беляев, Т.Н. Щукин - Электрон. текстовые дан. - Москва, 2012. - Режим доступа:
http://2045.ru/pdf/kopp_Beliaev_Schukin.pdf, свободный.
3. Парселл Э. Берклеевский курс физики. Т. 2: Электричество и магнетизм / Э. Парселл, пер. с англ. под ред. А.И. Шальникова и А.О. Вайсен-берга. - Москва: Наука, 1983. - 416 с.
ЧТО ТАКОЕ ИНФОРМАЦИЯ
Вышинский В.А.
Институт кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины, Киев WHAT IS INFORMATION
Vyshinskiy V.
V.M. Glushkov Institute of cybernetics of National academy of Science of Ukraine, Kiev
АННОТАЦИЯ
В познании природы играет важную роль понятие информации. В силу доминирования в научных исследованиях методов, основанных на субъективизме, этому понятию придается, далеко не всегда, адекватное природе содержание. В статье эта скалярная характеристика материи рассматривается с материалистических позиций, и показана важность такого подхода в развитии Computer science, в частности, для создания информационных технологий, реализация которых предусмотрена в аппаратуре соизмеримой, по габаритам, с атомами и молекулами. Информация рассматривается как мера неоднородности распределения материи в пространстве и во времени.
ABSTRACT
In the knowledge of nature, the concept of information plays an important role. Due to the dominance of methods based on subjectivity in scientific research, this concept is by no means always given a content adequate to nature. In the article, this scalar characteristic of matter is considered from a materialistic point of view, and the importance of such an approach in the development of Computer science is shown, in particular, for the creation of information technologies, the implementation of which is provided in equipment that is comparable in size with atoms and molecules. Information is considered as a measure of the heterogeneity of the distribution of matter in space and in time.
Ключевые слова: информация, Computer science, аппроксимация, материя, материалистическое мировоззрение
Keywords: information, computer science, approximation, matter, materialistic worldview
1. Введение
В познании природы преобладают такие понятия, как энергия и информация. Если, совсем недавно в исследованиях отдавалось предпочтение энергетическому параметру движения материи, то с появлением автоматических средств вычислений и логического вывода, должное место стало занимать понятие информации, отражающее измененную ее структуру. Следует особо обратить внимание на то, что энергия и информация, как «две руки у природы», тесно связаны между собой и опираются на общую для них материальную субстанцию. Они являются, как бы, «фото негативом» друг по отношению к другу, что еще больше указывают на их общие материальные корни, и, тем самым, обосновывают необходимость материалистического мировоззрения в познании. Однако в современной науке понимания энергии, и информации отражают субъективный взгляд на окружающую среду, отдаляя эти понятия от главного источника - материи. В [1] уже обращалось внимание на этот «грех» современной физики, в котором, в явном, или скрытом виде, отдается предпочтение идеалистическому мировоззрению энергетизма. Аналогичное
мировоззрение наблюдается и в исследованиях манипулирующих с понятием информации. В настоящей статье попытаемся с позиций диалектического материализма разобраться в самой сути информации этого важного для познания природы параметра.
2. Понятие информации в исследованиях XX-о и начале XXI-о века
В работе [2], определяя предмет и метод исследований кибернетики, отмечается, что познание природы всегда субъективно. Каждый его участник, исходя из, своего мировоззрения, своих взглядов на окружающую среду, предлагает и свое ее понимание, которое может отличаться от результатов, в той же области, но полученных другим исследователем. Более того, добытая таким способом картина мира является тоже субъективной и по отношению к истине, достижение которой возможно только в пределе бесконечной последовательности моделей изучаемого явления, структуры материальной среды. В физических исследованиях применение субъективного подхода, очень часто, приводит научную общественность в заблуждение, тем самым, нанося вред науке. Что касается киберне-
тики, то в ней, обычно, познание исходит от конкретной кибернетической материальной системы, с целью обеспечения устойчивости ее в окружающей среде, и тогда оно, преследуя субъективные ее цели, становится полезным. Иными словами, в кибернетике субъективность познания диктуется и целью, и теми знаниями, которые уже имеются у системы-исследователя. Для одних кибернетических систем одна и та же информация может быть новой, а для других уже давно известной, и получение не пополнит ее знаниями. Таким образом, с позиций кибернетических материальных систем субъективность в познании является предпочтительной. Кроме того, для каждой области человеческой деятельности востребуется свое понимание информации. В одном случае снятие неопределенности, в другом, организация и передача данных, а для третьего ее получение, запоминание и обработка.
Для специалистов, разрабатывающих перспективные средства обработки информации, необходимо понимание информации, как можно адекватное истине. И это естественно, поскольку им требуется создание информационных технологий, отличных от традиционной машинной арифметики, которая принята компьютерщиками еще на заре развития первых электронных вычислительных машин (ЭВМ). Новая технология немыслима, и без новой единицы информации, и без ее аппаратурной (материальной) поддержки, что невозможно без знаний адекватно отражающих природу в этой области ее существования. Таким образом, эти требования в кибернетических исследованиях пересекается с аналогичными «пожеланиями» в физике, когда ученый должен избегать результатов, не удовлетворяющих экспериментальной проверке. Иными словами, для рассматриваемого случая исследований востребовано понимание информации с позиций не субъективных, а объективных.
Известно, что количество определений понятия информации уже давно превысило два десятка. В наших исследованиях остановимся лишь на тех из них, которые нам оставили выдающиеся ученые. Широко известное определение понятия информации, данное основателем кибернетики Н.Винером: «информация - это обозначение содержания, полученного от внешнего мира» [3], или в [4]: «Информация - это не материя и не энергия, информация -это информация». В первом определении явно прослеживается субъективный подход, к которому возникает естественный вопрос: «А если «содержание» не обозначено, то оно уже не информация»? Иными словами, по Винеру содержание не каждого сообщения может быть информацией, т.е. для одного пользователя оно носит информационный характер, а для другого нет. Что касается второго определения, то это попытка подчеркнуть загадочность и не понимание этого явления природы, и по своему тону - проявление независимости собственного достоинства, и похоже на краткий диалог между Н.Винером и известным кибернетиком В.М. Глушковым, когда Виктор Михайлович посетил его в США. Отец кибернетики Винер спросил Глуш-кова: «Чего вы ко мне приехали»? На что известный
академик ответил: «Ну, как же, Вы основатель кибернетики». В ответ руководитель моей аспирантуры В.М. Глушков услышал: «Это были мои детские шалости».
Клод Шеннон, один из родоначальников обоснования, что такое информация в [5], дает следующее определение: «информация - снятая неопределенность». В этом случае возникает аналогичный вопрос, который ранее был задан определению Винера: «А если не «снятая» пользователем (субъектом) «неопределенность», то ее уже нельзя отнести к информации»? Здесь тоже просматривается субъективизм в понимании информации.
Известный А.Моль оценивает информацию, как «меру сложности структур, меру упорядоченности материальных систем» [6]. В то же время понятие сложности и упорядоченности является субъективными понятиями, т.е. их мера у разных пользователей будет неодинаковой.
Субъективность определения информации, данная У.Р.Эшби: «информация - снятая неразличимость, передача разнообразия, мера изменения во времени и пространстве структурного разнообразия» [7] аналогичным образом отражает позицию пользователя, т.е. информация, как и во многих приведенных выше определениях, рассматривается с позиций ее обработки, ее применением пользователем.
Иными словами, понимание того, что такое информация из вышеприведенных определений, неразрывно связано с ее использованием. Тогда нетрудно прийти к выводу, что, если нечто - какие-то данные незамечены субъектом, не обрабатываются в его интересах - значит, они уже не могут быть отнесены к информации. Перечень таких определений можно продолжить, однако их субъективность от этого не уменьшится.
Кроме субъективной трактовки понятия информация в практике использования этого естественного параметра встречаются случаи, когда ему присваивают свойства некоторой субстанции, аналогично тому, как в физике энергетизм наделяет энергию аналогичными свойствами. Приведем тому пример. До сих пор, среди специалистов Computer sciences принимается за истину, высказанное еще в 1961 году Рольфом Ландауэром утверждение, что информация несет в себе энергию. На основе этого утверждения Ландауэр выдвинул принцип, состоящий в том, что в любой вычислительной системе, независимо от ее физической реализации, при потере 1 бита информации выделяется теплота в количестве ~2,7 10"27Дж.
Несостоятельность этого принципа подтверждается истинной причиной выделения тепла (энергии), которая свидетельствует не об уничтожении информации, а о физических процессах, поддерживающих конкретную информационную технологию. В самых первых ЭВМ в качестве такой поддержки выступали радиолампы, и их функционирование требовало определенный расход энергии, которую несложно измерить, и которая никак не «привязана» к потере или появлению в машине того же бита. Первая информационная технология,
без изменений, в следующем поколении ЭВМ реализована уже на так называемой навесной транзисторной логике, для «работы» которой тоже нужна энергия. В такой машине для переключения транзисторного триггера (потере бита по Ландауэру) требуется уже и меньшая энергия. Дальнейшее развитие элементной базы приводит к созданию вычислительных средств на микросхемах и там уже другие энергетические затраты, касающиеся все той же аппаратурной реализации информационной технологии. Они не имеют никакого отношения к каким-то информационно-энергетическим манипуляциям, а отражают лишь электрические процессы в микросхемах, независимо от того содержится в них или не содержится бит информации. Еще более интересная ситуация складывается с информацией на нано уровне существования материи, когда манипуляции с информационно малыми битами требуют также, и малые объемы энергии, которые становятся соизмеримыми с энергетическими шумами. В таком случае возникает практически не преодолимая проблема выделение рабочей информации на фоне шума, которая, кстати, сегодня находится преградой у специалистов пытающихся реализовать идею квантового компьютера в аппаратуре с габаритами соизмеримыми с атомами и молекулами. Тогда возникает естественный вопрос: «Как быть с шумами?» к тем специалистам, которые время от времени пытаются экспериментально подтвердить правдивость принципа Ландау-эра [9], особенно, на нано уровне существования материи.
Принцип Ландауэра является следствием инерции в компьютерном машиностроении, в которой продолжает пребывать эта область человеческой деятельности со времен создания первых ЭВМ, когда весь вычислительный процесс в машине сводился к операциям над действительными числами. Отсюда и измерение информации в битах (0 или 1) - элементов числовой алгебры Жегалкина, и связанной с этим выдуманной «потерей тепла» вычислительным средством при ее удалении.
Авторы приведенной модели понятия информации (по Ландауэру), должны знать, что природа, без подсказки человека, тоже имеет дело с ее обработкой, которую заложила в живую материю на нано уровне существования материи (не вербальный уровень мышления). Но только она не ведет счет в искусственной позиционной двоичной системе счисления с минимальным битом из числовой алгебры Жегалкина, без которого современная наука не знает, как измерять информацию, а в более естественных информационных единицах. И в этих природных условиях энергетическая поддержка информационной технологии в живой материи выполняется не, какими-то энергетическими свойствами информации, а энергетическими затратами материи, на которой она реализована.
Общеизвестно, что живая материя, в подавляющем своем большинстве, имеет дело с информацией, представленной фотонами. В [9] показано, что самое малое количество информации в нем, определяется размерами пятна неоднородности в
вакууме, в котором размещается фотон. Для его появления необходимо совмещение в пространстве вакуума всего лишь двух его сгустков материальной субстанции. Такой фотон в современной физике идентифицируется с самой короткой электромагнитной волной. С одной стороны он несет самую малую информацию и, с другой, энергетическая его поддержка тоже является самой малой. Если, рассматриваемый фотон встречает на своем пути вещественную преграду, то он может, либо отразится от нее, либо разместится в ее атоме на валентной орбите, тем самым, повысив температуру вещества, к которому относится этот атом [10]. В то же время, согласно модели в [9], фотон, в том числе и тот который мы рассматриваем, представляет собой двумерную структуру в пластине вакуума. Он в этой пластине движется по лучу, поперечные размеры которого, по мере его удаления от места регистрации, приобретают такие малые размеры, что регистрация его вещественными приборами не представляется уже возможной, в силу недостаточной их разрешающей способности [11]. Из этого следует, что измерение пропавшей энергии не под силу экспериментатору, в частности, тому, кто пытается подтвердить справедливость принципа Ландауэра [12].
3. Информация - скалярная величина функции движения материи
В предыдущем разделе мы рассматривали понятие информации как характеристику материи, под которую подпадали, только обнаруженные и востребованные пользователем информационные данные. Однако если исходить из классического определения материи: «материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в его ощущениях, которые копируются, фотографируются, отображаются нашими ощущениями, существуя независимо от них» [13], то существование атрибута материи информации не должно зависеть от наших возможностей регистрировать и желаний ее обрабатывать. На этой материалистической позиции в двадцатом веке находились многие ученые, в том числе и те, у которых научный интерес, непосредственно, был связан с понятием информации, ее хранением, передачей и обработкой. Среди них известный кибернетик В.М. Глушков, который нам оставил следующее определение: «информация -это мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и во времени» [14].
Основываясь на результатах исследований, опубликованных в открытой печати, и помещенных на сайте [15], приведенное выше определение можно несколько подкорректировать. Поскольку энергия не является самостоятельной субстанцией, а есть скалярная характеристика материи, существование которой немыслимо вне пространства и времени, то слова энергия, пространство и время, употребляемые в приведенном определении можно безболезненно опустить. Тогда глушковский текст об информации примет следующий вид: «информация - это мера неоднородности распределения материи». Такое понимание информации очень удобное при поисках ее единиц, и аппаратурной
поддержке их обработки в вещественных структурах, размеры которых находятся в пределах атомов и молекул. Оно направляет исследовательский процесс на поиски тех отражений неоднородностей (информации) в природе, которые использует живая материя для своего существования на нано уровне. Ведь, представление информации, как раскрытие неопределенности, или нэгентропия абсолютно ничего не дают в этом случае.
Известно, что энергия является скалярной характеристикой движения материи. Такой же самой скалярной характеристикой того же движения является и информация, только ее содержание, хотя и похоже на энергию, но существенно отличается от нее. Уже отмечалось, каждая из упомянутых характеристик представляет собой негатив отображения друг в друге, подобно тому, как это имеет место в технологии фото печатания. Поясним эту их особенность. Любое движение материальной системы можно задать двумя типами функций, одна из которых в качестве переменных использует не материальные меры пространства и времени, а второй тип предполагает использовать в качестве аргумента изменение материальной субстанции, являющейся источником этого движения. Практически все математические модели в современной физике отвечают первому типу функций, что привело, в конечном итоге, к использованию в процессе познания непродуктивному феноменологическому методу исследований, т.е. внешнему описанию физического явления, не раскрывая его внутреннее содержание. Поскольку физика, как наука направлена на познание внутреннего материального содержания природы, то ей подходит второй тип функций, в которых функциональная зависимость в природе отражается изменениями в вещественном образовании материальной субстанции. Примеры таких функций приведены в [1].
Информация, как мера неоднородности распределения материи регистрируется нашими искусственными и естественными приборами в виде напряженности силовых линий электрического, магнитного и гравитационного поля. Совместное взаимодействие электрического и магнитного поля имеет свойство отражаться от неоднородностей распределения материи (вещества) в виде электромагнитных волн (фотонов), и таким способом содержать в себе эту неоднородность, которую мы регистрируем, как информацию. Именно с помощью этого свойства фотонов человек получает информационное представление об окружающей среде. Фотоны своими структурами, своими свойствами делятся на типы, которые современная физика различает по так называемой длине электромагнитных колебаний в них. В [9] исследована материальная структура строения фотона в пространстве и во времени, которая абсолютно не совпадает ни с одной известной моделью. Из этой модели следует, что в любом фотоне присутствуют электромагнитные колебания, однако, все они имеют одну и ту же частоту, а различное их количество в каждом из них распределено вдоль соответствующих лучей. Это количество колебаний в одном луче в современной физике идентифицируют с длиной электромагнитной волны фотона, и как результат чем меньшее количество этих электромагнитных колебаний в нем,
тем короче, таким способом принятая, длина их периода. Из модели фотона рассмотренной в [9] следует, что чем больше в луче фотона электромагнитных колебаний, тем больше его энергетическое содержимое. Распределение фотонов в белом пучке света при разложении его в спектр указывает на распределение их по количеству энергии. Кроме того, это количество электромагнитных колебаний в конкретном луче фотона регистрируется человеческим глазом в виде цвета.
Цветовая гамма фотонов отраженных от конкретной вещественной структуры содержит в себе так называемую видимую информацию. По существу, подавляющее информационное представление о внешнем мире мы получаем, именно, с помощью этой гаммы. Несколько сложнее для нашей регистрации являются силовые линии гравитационного поля, которые также несут полезную информацию. В наших исследованиях мы ограничимся, только оптическим ее носителем.
Итак, как уже отмечалось, энергия и информация являются в определенном смысле отражением друг в друге двух характеристик материи, каждая из которых может быть представлена математической функцией ее движения. Причем, за отражение ее внутренних энергетических (физических) свойств отвечает математическая функция, аргументами которой являются изменения материальной субстанции. Что касается описательной, феноменологической стороны материального распределения исследуемой системы, то в этом случае в качестве переменных функции выступают нематериальные меры пространства и времени. Именно на этом отличии математических моделей энергии и информации и начинает проявляться отмеченное ранее негативное отражение свойств этих фундаментальных характеристик материи.
Как уже отмечалось, рассматриваемые две характеристики (энергия и информация) являются разными скалярными величинами, и в математических моделях им должны соответствовать, тоже разные скалярные величины, характеризующие соответствующие им функции. Если энергии соответствует интеграл функции движения вещества по материальной переменной, то для информации -значения функции движения той же материальной системы, но уже от нематериальных переменных на интервале ее существования в пространстве и во времени. И снова эти скалярные величины характеризуются негативным отражением присущим энергии и информации. И еще аналогичное отличие этих двух характеристик. Если скалярная величина информации - значение функции в точках пространственно-временного интервала, отражающая метод исследований феноменологии, допускает противоположные знаки, зависящие от выбранной субъектом системы пространственно-временных координат, то скалярная величина энергии свободу в выборе знака не допускает и это хорошо следует из свойств математической операции интегрирования. Напомним, скалярная величина функции движения, соответствующая энергии, является неопределенным ее интегралом, из чего следует абсурдность заключений, которые появляются в физической литературе, что энергия может иметь отрицательный знак.
Исследуя характеристику материи информацию, как функцию движения материальной системы, приходим к выводу, что данные, частный случай информации, являются набором значений функции, описывающей ее, в конечной области ее существования. Отсюда данные, как набор указанных величин, всегда представляют конечную информацию. Однако любой такой набор сопровождается бесконечной величиной, обозначаемой понятием знания, возникновение которой связано с дополнительной обработкой данных в этом наборе. В результате чего появляется информация, т.е. эмерджентная информация, которую относят тоже к данным но, отличающихся тем, что они являются результатом обработки исходных данных, а не приборного их измерения.
В рассмотренном случае мы имеем дело с известным приемом в вычислительной математике, когда заданы значения функции в узлах ее существования, а у физиков измеренные данные состояния материальной среды в пространстве и во времени. Задача у математиков состоит в том, чтобы найти функцию (интерполяционный многочлен) как можно точнее, отображающий исходную функцию. В познании окружающей среды необходимо определить и физическую, и математическую (функцию) модель, отражающую, как можно адекватнее природе, исследуемую материальную структуру. Эти искомые модели выступают своего рода «интерполяционными многочленами» отражающие понятие знание в естествознании. Приведенная аналогия в естествознании и в математике весьма продуктивна и требует дополнительных исследований.
4. Выводы
В статье обращено внимание на две важнейшие характеристики материи, использование которых в научных исследованиях имеет большое значение. Понятия, которые отражают их сущности на современном этапе развития, очень далеки от истины. Информацию, как и энергию, многие ученые, относя к некоторой субстанции, рассматривают ее в отдельности от материи. В теории информации такой подход, подобно явлению энергетизма в физике, уводит научные исследования в ложном направлении. В статье показано, что информация, как и энергия, является скалярной характеристикой движения материи, которое, в случае с информацией, приводит к появлению в пространстве и во времени неоднородное ее распределение. Кроме того, показано, что в качестве функции движения материи для исследования в нем информации следует воспользоваться феноменологическим методом, т.е. описательным. В этом случае рассматриваются функции, переменными в которых выступают не материальные изменения пространства и времени. Если для скалярной характеристики энергии выступает неопределенный интеграл функции движения материи, аргументами которой являются изменения в материальной субстанции вещества, то для информации скалярное значение функции движения в определенных местах ее представления, но,
как отмечалось выше, уже от нематериальных изменений в веществе, а от пространства и времени. Изучение свойств информации, с которыми приходится иметь дело, требует широкий спектр исследований, и, в данной статье, как бы, дан им старт.
Литература
1. Вышинский В.А. Кризис современной теоретической физики / В.А. Вышинский // Вимiрювальна та обчислювальна техшка в техно-лопчних процесах, - 2017. - №3. - С. 39-50
2. V.A. Vyshinskiy SUBJECT AND METHOD OF RESEARCH OF CYBERNETICS/ V.A. Vyshinskiy // Sciences of Europe, - 2018, - Vol 2, - №29 P.47-53
3. Винер Н. Человек управляющий / Н. Винер. - С.-Петербург.: Питер, 2001.
4. Винер Н Кибернетика, или управление и связь в животном и машине; или Кибернетика и общество/ 2-е издание. -М.: Наука; Главная редакция изданий для зарубежных стран, 1983. - 344с.
5. Шеннон К.Э. Символический анализ релейных и переключательных схем / К.Э. Шеннон // Работы по теории информации и кибернетике. Перевод с англ. Под редакцией Р.Л. Добрушина и О.Б. Лупанова: предисловие А.И. Колмогорова. - М.: Наука, гл. ред. Физ.-мат. литературы. - 1963. - С. 333-402.
6. Моль А. Теория информации и эстетическое воспитание / А. Моль. - М.: Мир. - 1966. -352с.
7. У. Росс Эшби Введение в кибернетику / У. Росс Эшби. - М.: Изд. ин. лит, 1959. - 432с.
8. Рольф Ландауэр «Необратимость и выделение тепла в процессе вычислений», Перевод И. О. Чередникова,А. Г. Холмской, опубликован в «Квантовый компьютер и квантовые вычисления. Том 2» 1999 стр 9-32; оригинал: Rolf Landauer: «Irreversibility and heat generation in the computing process» IBM Journal of Researchand Development, vol. 5, pp^183—191, 1961.
9. V.A. Vyshinskiy WHAT IS ENERGY/ V.A. Vyshinskiy // Sciences of Europe, - 2019, - №42(42) Vol 1, P.31-41
10. Вышинский В.А. РОЛЬ ФОТОНОВ В ФОРМИРОВАНИИ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА/ В.А. Вышинский // Вимiрювальна та обчислювальна техшка в технолопчних процесах . 2017, №1, С.27-32
11. Вышинский В.А. Вакуум - невещественная форма существования материи / В.А. Вышинский // Единый всероссийский научный вестник-2016, часть 4, - №4
12. Леонид Попов 13 марта 2012 http ://www. membrana. ru/particle/17709
13. Ленин В.И. Материализм и эмпириокритицизм / В.И. Ленин. - М.: Изд. полит. лит. - 1965. -381с.
14. Глушков В.М. О кибернетике как науке / В.М. Глушков // Кибернетика, мышление, жизнь. -1964.
15. Вышинский В.А. Личный сайт https://www.vva.kiev.ua/
