Познание мира. Механизмы и пределы

1.1. Неопределенность понятия информации

Человечеством накоплен достаточно большой объем знаний об окружающем мире, но, по разным причинам, не все эти знания доступны отдельному человеку или группам людей. В связи с этим, человека, который получил какие-то знания или из книг или другим путем называют информированным о чем-то в противоположность неинформированным людям. Хотя, с другой стороны, на сегодня, кажется, вполне приемлемо и все знания называть информацией о природе. И более того, создается даже впечатление, что вся Вселенная это огромный «сосуд», из которого человечество черпает информацию. Неверное, с моей точки зрения, мнение, что мы подробно и обсудим в этой книге.

Итак, из сказанного следует, что понятие информация так широко используется, что, кажется, оно уже не требует каких-либо специальных разъяснений. А это, к сожалению, не так, поскольку пока не предложено такого универсального определения информации, которое бы устраивало одновременно математиков, биологов, психологов, философов и всех тех, кто изучает те или иные стороны информации. В связи с этим, понятие информации определяется в каждой области и для каждой оригинальной задачи (к которой относится и тема данной книги) специальным образом. C одной стороны, оно должно быть адекватным поставленной задаче, а с другой, абсолютно понятным и не перегруженным ненужными для выбранной области знаний качествами.

Для того, чтобы это утверждение не выглядело голословным, приведем перечень определений информации, представленный в работе Кузнецова Н.А., Полонникова Р.И. и Юсупова Р.М. (Состояние, перспективы и проблемы развития информатики. – «Проблемы информатизации. Теоретический и научно-практический журнал». РАН, Министерство науки и технологий РФ. Вып. 1, 2000 г. с. 5–12):

• любые сведения о каких-либо ранее неизвестных событиях;

• содержательное описание объекта или явления;

• результат выбора;

• содержание сигнала; сообщения;

• меру разнообразия;

• отраженное разнообразие;

• сущность, сохраняющуюся при вычислимом изоморфизме;

• уменьшаемую неопределенность;

• меру сложности структур, меру организации;

• результат отражения реальности в сознании человека, представленный на его внутреннем языке;

• семантику или прагматику синтаксиса языка представления данных;

• продукт научного познания, средство изучения реальной действительности;

• основное содержание отображения;

• бесконечный законопроцесс триединства энергии, движения и массы с различными плотностями кодовых структур бесконечно-беспредельной Вселенной;

• непременную субстанцию живой материи, психики, сознания;

• вечную категорию, содержащуюся во всех без исключения элементах и системах материального мира, проникающую во все «поры» жизни людей и общества;

• свойства материи, ее атрибут; некую реалию, существующую наряду с материальными вещами или в самих вещах; язык мира как живого целого.

Для описания процессов познания, в наилучшей степени подходят выделенные курсивом определения информации, но, к сожалению, не в полной мере. В связи с этим, сформулируем собственное, более подходящее для нашей задачи, определение информации.

1.2. Еще одно определение информации

Рассмотрим ситуацию, когда человек изучает, какой-то предмет или явление природы, то есть налицо информационное взаимодействие человека с предметом изучения. В этом случае основными элементами информационного взаимодействия являются субъект (человек), объект (предмет или явление в окружающем человека мире) и среда, в которой расположены субъект и объект (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Информационное взаимодействие

От объекта к субъекту в процессе информационного взаимодействия может поступать только энергия или вещество. Сама по себе информация не обладает каким-либо материальным качеством, то есть она не передается от объекта к субъекту как материальная субстанция. Но тогда возникает вопрос, что же собой представляет информация и как осуществляется информационное взаимодействие между субъектом (потребителем информации) и объектом (источником информации)? Поскольку исключается передача информации между объектом и субъектом в качестве субстанции или энергии, тогда следует признать, что субъект и до информационного взаимодействия обладал об объекте информацией. То есть никакой передачи информации не происходит, а она всегда присутствует у потребителя информации (субъекта) и лишь активируется у него в процессе информационного взаимодействия с источником информации (объектом), которое осуществляется путем получения субъектом особым образом! только энергии или вещества. Тогда получается, что названия «источник информации» и «потребитель информации» являются практически неверными, так как, с одной стороны, источник информации никакой информации на самом деле не содержит, а, следовательно, «потребитель информации» никакую информацию не получает от такого источника. И в этом отношении «потребителя информации» более правильно было бы назвать «носителем банка информации» (НБИ), а «источник информации» – внешним «активатором банка информации» (АБИ).

Теперь нам осталось понять, а что тогда представляет собой информация, которая содержится у субъекта (НБИ) об объекте (АБИ) и которая лишь активируется при их взаимодействии. Для этого рассмотрим интуитивное представление об информации и информационном взаимодействии, которое очевидно любому. И пока не уточнено понятие информации с новой точки зрения, будем периодически пользоваться такими привычными (хотя логически и неверными) речевыми оборотами как «получить информацию» или «передать информацию». Допустим, человек видит падающее на него дерево (рис. 1.2). Падающее дерево это объект, от которого человек, как субъект, воспринимает информацию об опасности. В результате полученной информации, человек отскакивает в сторону и избегает гибели. На основании этого примера естественно утверждать, что полученная субъектом информация изменяет его поведение: пока человек не увидел падающего дерева, он неспешно шел по тротуару, а увидев опасность – тут же изменил направление своего движения. Следовательно, субъект имеет набор моделей своего поведения (в нашем примере, прыжок в сторону от падающего тяжелого предмета, дерева, в частности), которые активируются в зависимости от того, какие входы модели (рецепторы сетчатки, например) и в какой комбинации (в виде образа падающего дерева, например) подвергаются физическому воздействию (лучам света в нашем примере). Таким образом, в первом приближении, информацию можно определить как все имеющиеся у субъекта модели ответных реакций, которые он использует для взаимодействия с объектами. Причем модель ответной реакции следует воспринимать достаточно широко. Это не только способы перемещение тела субъекта в пространстве, но и все его, например, абстрактные образы окружающего мира (формы, цвета, звуки, речь и т. п.), физиологические реакции (учащение числа сердечных сокращений, потливость и др.) и все другие процессы, которые способен производить организм, в ответ на поступающие из окружающей среды стимулы (раздражители).

Рис. 1.2. Взаимодействие между активатором банка информации (объектом) и носителем банка информации (субъектом)

Приведем наглядный простейший пример информационного взаимодействия источника информации (активатора банка информации) и ее потребителя (носителя банка информации). Пусть какой-то человек обладает фантастическим свойством вырабатывать электроэнергию, причем, в таком количестве, что способен заставить светиться лампочку, приставив к ней палец (рис. 1.3). В этом случае, никакого информационного взаимодействия не происходит, так как лампочка засветилась от того, что мы подали к ней, напрямую от своего пальца, электричество, которое пошло на накаливание лампочки.

Процесс накаливания объясняется исключительно физическими свойствами нити накаливания в ответ на поступление к ней электрического тока. Никаких явлений, кроме накаливания, мы не наблюдаем, и потому в этом процессе нет ничего, кроме обмена энергией между пальцем и нитью накаливания.

Рис. 1.3. Неинформационное взаимодействие лампочки и человека: электроэнергия поступает к лампочке непосредственно от человека

Заставим теперь лампочку светиться более естественным образом – с помощью выключателя (рис. 1.4). В этом случае между нами и лампочкой возникнет информационное взаимодействие. Рассмотрим почему. В этом примере мы являемся АБИ, а выключатель с лампочкой – НБИ. При этом НБИ состоит из: (1) лампочки; (2) выключателя; (3) проводов, по которым к лампочке через выключатель поступает электричество и (4) источника питания. Нажатие на выключатель приводит к включению или выключению лампочки.

Пусть исходно лампочка выключена и процесс взаимодействия АБИ и НБИ заключается во включении лампочки. Тогда лампочка с выключателем отвечает на взаимодействие с АБИ свечением. Другими словами, через выключатель поступил «приказ» лампочке светиться, без передачи ей энергии свечения от АБИ.

Рис. 1.4. Информационное взаимодействие: модель поведения «лампочка включена»

Итак, интуитивно очевидно, что налицо информационное взаимодействие – «приказ» светиться поступает от АБИ к НБИ и этот «приказ» не является, сам по себе, ни энергией, ни веществом, обеспечивающим характерное поведение лампочки, что есть кардинальный признак передачи информации. Перейдем теперь от интуитивного взгляда на передачу информацию к более формализованному, используя наше определение информации.

В отличие от первого примера с лампочкой, во втором лампочка включена в некоторую структуру, состоящую из трех элементов, которые связанных между собой проводниками энергии (проводами). Кроме того, источник энергии свечения переместился от человека в новую структуру с лампочкой. У новой структуры есть лишь два типа поведения – (а) свечение (рис. 1.4) и (б) отсутствие свечения (рис. 1.5). Каждый тип поведения прямо связан с характером связей между элементами структуры – (а) замкнутая электрическая сеть и (а) разомкнутая. Три элемента НБИ с их внутренними связями, представляют, в соответствии с нашим определением, модель поведения НБИ во внешней среде. Эта модель реализует два типа поведения НБИ во внешней среде – «а» или «б», в зависимости от двух возможных состояний модели – замкнутая или разомкнута электрическая цепь. Взаимодействие НБИ с АБИ осуществляется через специальный элемент – выключатель, который можно рассматривать как вход модели НБИ. Каждое взаимодействие с АБИ (нажатие выключателя) меняет поведение НБИ, которое проявляется состоянием лампочки – светит или нет.

Рис. 1.5. Информационное взаимодействие – модель поведения «лампочка выключена»

Итак, нажимая на выключатель, то есть, осуществляя чисто механическое взаимодействие с НБИ, мы одновременно активизируем модель поведения НБИ во внешней среде. Активизация модели запускает в НБИ процессы, которые определяются исключительно свойствами модели, а не характером взаимодействия объекта и субъекта в точке взаимодействия (давлением на выключатель). Внешне это сопровождается таким поведением НБИ, которое никак не может быть выведено из физического описания взаимодействия АБИ и НБИ в точке взаимодействия. Итак, все, что не вписывается в физику взаимодействия АБИ и НБИ, относится к информационному их взаимодействию.

Отсюда совершенно очевидно, что информация, как таковая, это исключительное свойство НБИ и нигде, кроме НБИ она не находится, несмотря на то, что проявляется только в процессе взаимодействия АБИ с НБИ. А раз так, то информация может быть охарактеризована лишь в терминах свойств НБИ. Можно, например, считать информацией, как мы уже определили выше, модель (модели) поведения НБИ во внешней среде и, исходя из этого определения, детализировать ее свойства, например, определяя число входов модели, ее элементы, состояния и т. п. Поскольку в нашем подходе информация это присущее НБИ внутреннее свойство, то она и не участвует в обмене энергией или веществом с АБИ, в случае информационного взаимодействия АБИ и НБИ. Фактически, информационное взаимодействие АБИ и НБИ, является односторонним – АБИ вызывает в НБИ информационные процессы (активизацию моделей поведения НБИ), в то время как сам АБИ не является элементом этих внутренних для НБИ информационных процессов, так как не есть материальный элемент модели НБИ. В противном случае, исчезает информационное взаимодействие АБИ и НБИ, как таковое (как в примере на рис. 1.3).

1.3. Отличие информационного от физического взаимодействия. Критерии важности информации

Продолжим рассмотрение примера с падающим деревом, чтобы вывести еще одно свойство информационного взаимодействия. Если бы падающее дерево придавило человека, то произошло бы не информационное взаимодействие человека и дерева, а физическое, даже если при этом человека отбросило бы от дерева в том же направление и на то же расстояние, когда ему удалось бы вовремя отпрыгнуть в сторону.

Итак, из вышеописанных примеров можно вывести признак информационного взаимодействия в противоположность физическому. Физическое взаимодействия между объектами нашего мира происходит по законам физики, в которых выполняется условие сохранения вещества и энергии. В нашем примере перемещение в пространстве тела человека после удара стволом дерева полностью описывается законами физики. Это и есть физическое взаимодействие дерева и человека, а точнее его тела. В случае информационного взаимодействия человека и дерева, когда ему удается отпрыгнуть в сторону, также наблюдаем перемещение в пространстве человека. Но в этом случае, энергия, полученная от дерева человеком (световые волны, воздействовавшие на сетчатку глаза), несравненно меньше той, которую он затратил на свое перемещение в пространстве. Отсюда признаком информационного взаимодействия каких-то объектов является невозможность объяснить их поведение обменом вещества и/или энергии, которое произошло при их контакте. То есть при информационном взаимодействии как бы не соблюдается принцип сохранения энергии и вещества.

Чтобы подсчитать разницу между полученной НБИ от АБИ энергией и энергией, затраченной НБИ на реализацию модели поведения, нужно иметь точное физическое описание активированной модели поведения НБИ. Например, в модели рефлекса отдергивания руки при прикосновении к горячей плите, следует рассчитать, сколько энергии получили от плиты холодовые рецепторы и сколько затрачено организмом энергии на отдергивание руки. Разница между полученной и затраченной человеком энергии и укажет на информационное, а не физическое взаимодействие.

Таким образом, информационное взаимодействие может наблюдаться только в том случае, если, по крайне мере, один из взаимодействующих объектов, содержит модели своего поведения, активирующиеся энергией и/или веществом, которые поступают от объекта на входы модели поведения. Следовательно, предложенная интерпретация информации, исключает какую-либо ее передачу между любыми объектами нашего мира и, более того, любое их информационное взаимодействие реализуется через передачу только энергии и вещества, точно так же как и при взаимодействии так называемых физических тел.

Критерием того, что поступившие к НБИ вещество или энергия оказали информационное воздействие (то есть были восприняты входами модели поведения), является расхождение в уровне поступившей энергии и затраченной НБИ энергии на изменение своего положения, например, в пространстве (быстрое, когда субъект мгновенно реагирует, например, отдергиванием руки, или отсроченное, например, отложив перемещение в пространстве на некоторое время, когда, к примеру, «получает информацию» о расписании движения поездов и отправляется в путь спустя несколько дней). Если происходит не информационное взаимодействие объектов, например, неожиданный удар, то перемещение объекта в пространстве будет точно соответствовать поступившей энергии.

Из вышеизложенного также вытекает, что мерой информации в НБИ может быть число входов моделей его поведения. Если считать, что каждый из входов модели может быть активирован в процессе взаимодействия АБИ и НБИ или оставаться в неактивном состоянии, тогда информация в НБИ может быть измерена, как обычно в информатике, двоичным логарифмом от числа входов моделей. В процессе информационного взаимодействия АБИ и НБИ, между поступившей к НБИ энергии, например, на зрительный анализатор, и затраченной НБИ энергией, например, на перемещение тела в пространстве, чтобы избежать замеченной опасности, имеется различие. Отсюда можно предложить новую информационную величину – меру важности поступившей от АБИ информации, как разницу между энергией, которую НБИ затратил в результате активности модели поведения и энергией полученной от АБИ.

Эту новую величину можно интерпретировать следующим образом: чем больше НБИ потратил энергии связанной с активностью его модели поведения (например, на перемещение в пространстве), тем более важна для него полученная информация.

Например, передвижение по квартире к звонящему телефону менее энергетически затратно, чем перемещение в другой конец города, вызванное информацией, «полученной» по телефону. Очевидно, что в последнем случае энергии тратится намного больше, чем в первом. А значит, информация, «полученная» по телефону более важна, чем сам телефонный звонок. В первом случае важность информации вычисляется как разность между энергией, поглощенной барабанной перепонкой, и энергией, затраченной на доставку телефонной трубки к уху, а во втором случае, энергией, затраченной на доставку своего тела в другой конец города. В последнем случае важность информации существенно выше, чем в первом. Также следует заметить, что важность информации может быть и критерием наличия информационного взаимодействия между АБИ и НБИ: если важность информации не равна нулю, то информационное взаимодействие состоялось.

Следует обратить внимание, что если положительная величина важности информации всегда свидетельствует об информационном взаимодействии, то равная нулю или даже меньше нуля его не исключает. Равную нулю важность информации при информационном взаимодействии можно наблюдать тогда, когда поступившая от АБИ к НБИ энергия в ходе такого взаимодействия активирует модель поведения, на которую тратится столько же внутренней энергии НБИ или даже меньше поступившей. То есть при равенстве поступившей и израсходованной энергии в процессе информационного взаимодействия между АБИ и НБИ как бы имитируется физическое взаимодействие субъекта и объекта, следующее закону сохранения. Для того чтобы различить в этом случае физическое взаимодействие от информационного, нужно выяснить, на что ушла поступившая к НБИ энергия, и откуда НБИ почерпнул энергию для реализации модели поведения. Если поведение НБИ реализуется за счет ранее накопленной в НБИ энергии, а не полученной в процессе актуального взаимодействия с АБИ, тогда это тоже информационное взаимодействие, но с равенством энергий поступившей и затраченной в процессе информационного взаимодействия.