Для того чтобы облегчить восприятие материалов, которые мы объединяем в научное направление «Цифровое Естествознание», рассмотрим некоторые понятийные вопросы относящиеся к темам публикаций этого издания.
Базовые определения
- Объект – некоторая философская категория, выражающая явление, существующее в природе и определяемое совокупностью параметров (числовых наборов) и функциональными зависимостями, связывающими эти параметры (структура объектов).
- Информационное взаимодействие объектов в природе – процесс, обеспечивающий передачу, получение и хранение информации о параметрах и свойствах одного объекта другому.
- Система – сложный объект, состоящий из двух и более взаимодействующих объектов. Объект сам по себе является системой, поскольку состоит из внутренних объектов.
- Замкнутость объекта (системы) – условное понятие (но поддающееся математическому описанию), означающее, что данный объект не обменивается практически значимой информацией с другими объектами. Это понятие применяется для упрощения при рассмотрении моделей систем состоящих из множества взаимодействующих объектов. В принципе, понятие замкнутости – это приближение, которое возникает только при некоторых допущениях о пренебрежимой малости взаимодействия с другими объектами в конкретной задаче. Различается замкнутость по отношению к внешним объектам и замкнутость внутри. В обоих случаях это условность, упрощающая построение конкретных математических моделей.
- Простой объект – условное понятие, означающее, что структурой объекта в данном приложении можно пренебречь, так как она значимо не влияет на рассматриваемый процесс или модель.
- Физический объект – объект, описание которого состоит из наборов физических параметров (динамические и статические параметры, масса, температура, координата центра тяжести и др., а функциональные зависимости определяют форму, структуру, вязкость, упругость, прочность и др.).
- Биологический объект – объект, живой природы (человек, животные, растения и т.п.), описание которого определяет его состояние как системы взаимодействующих элементов биологического происхождения.
- Социальный объект – объект (отдельный человек или группа людей), который рассматривается с точки зрения участия в социальной системе (множество социальных объектов). Человек может одновременно рассматриваться и как биологический или физический объект, в зависимости от ролевой функции придаваемой ему в изучаемой модели.
- Космический (макро) объект ‑ основное информационное взаимодействие, происходит на уровне космических масштабов (то есть на волнах, длина которых существенно больше длин волн излучений, на которых происходит основное общение человека и других объектов природы.)
- Микрообъект – основное информационное взаимодействие, происходит на уровне микро масштабов (то есть на волнах, длина которых существенно меньше длин волн излучений, на которых происходит общение человека и других объектов природы)
- Язык взаимодействия – код (ключ), который позволяет взаимодействующим объектам понимать друг друга.
- Носитель сообщения – физическая материя, через которую переносится в пространстве энергия, необходимая для передачи сообщений от одного объекта к другому (электромагнитное, гравитационное, нейтронное, слабое и другие, даже возможно неизвестные сегодня, поля, которые для общности будем называть информационными полями).
- Равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными во времени макроскопические параметры этой системы (в первую очередь, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. В общем, эти величины не являются постоянными, они лишь колеблются возле своих средних значений. Если равновесной системе соответствует несколько состояний, в каждом из которых система может находиться неопределенно долго, то о системе говорят, что она находится в метастабильном равновесии.
- Устойчивость объекта или системы – ситуация, когда небольшие изменения входных информационных потоков не приводят к резкому изменению выходных.
- Информационное взаимодействие ‑ с точки зрения теории информации подразумевается, что информация передаётся в виде сигнала (носителя информации), который состоит из сообщения и шума. Выделение сообщения из сигнала заключается в процедуре фильтрации шума и рассматривается как статистический процесс, основанный на априорных знаниях о передаваемых сообщениях и шумах. То, что для одного объекта является сообщением, для другого может быть шумом. Это зависит от знания ключей, которые входят в априорную информацию, имеющуюся у объектов до момента взаимодействия.
Базовые принципы (с «математического» языка на «человеческий»)
- Принцип относительности понятий, для которого справедливы следующие утверждения:
- Объекты одновременно являются приемниками и получателями сообщений.
- Объекты одновременно могут относиться к нескольким типам (биологический объект является и социальным, физический объект может рассматриваться и как биологический и др.) и входить в более крупные объекты (системы).
- Объект ‑ это некоторый математический образ, описывающий распределение энергии в информационном поле Другими словами, объект – это некоторое «отображение» ограниченного набора параметров информационного поля в конкретную область, а поле – это множество взаимодействующих объектов (то есть, объект и поле две стороны одного понятия).
- Основное различие типов объектов – язык и масштабы пространства-времени, в котором происходит взаимодействие. Объекты живут в СВОЕМ МИРЕ (например, для макрообъекта микрообъекты неразличимы, физические и биологические объекты общаются на разных частотах и имеют различные коды для общения и т.п.).
- Отличие одного типа объектов от другого в основном количественное и определяется фактически языком взаимодействия.
Рисунок 1. Относительность понятий вытекает из сущности природы
- Принцип масштабирования. Это перенос аналогий с объектов одного масштаба на другой. Аналогия между атомом и Солнечной системой – один из самых наглядных примеров.
- Принцип экономичности. Энергия соответствующая единице информации, затрачиваемая на хранение, обработку, передачу и т.п.) – разная. Эффективность системы можно оценивать по минимизации затрат энергии на один бит. Современные квантовые технологии эффективнее электронных систем, которые, в свою очередь, эффективнее магнитострикционных и электромеханических. Эволюция идет по пути экономичности.
- Перевод технологии в микро и нано пространство на основе принципа масштабирования — это снижение затрат энергии. Человек, как биологический объект, работает в диапазоне от микроволн (зрение, связь внутри), до метровых (соизмеримы с размер сенсорных органов и всего тела). Технологические инструменты расширяют диапазон восприятия системы человек-машина-измерительный прибор.
- Принцип аннигиляция информации. Хорошо иллюстрируется на примере с папками для хранения в компьютере. При объединении папок одинаковые файлы предлагается стереть для повышения экономичности и, как следствие, эффективности работ ы компьютера.
- Передачи информации. Передаваемая информация содержит шум и сообщение. Шум ‑ это информация, которая не воспринимается наблюдателем. Шум + Сообщение = Энергии сигнала. Часть энергии используется для питания подсистемы передачи информации (то есть, на связь между объектами), другая часть на хранение, обработку данных и т.п. (то есть, обеспечение внутреннего функционирования замкнутых объектов). Полезной может быть и часть того, что мы называем шумом ‑ она идет на поддержание связей, которые формируют описание объекта.
- Передача информации в социальных системах — осуществляется через различные коммуникационные каналы с указанием адресов получателей и ограничением доступа (закрытая информация) и без указания получателей (открытая информация). Можно обобщенно представить все виды коммуникаторов как информационное поле, через которое осуществляется взаимодействие между объектами. На сегодня, наиболее эффективными каналами коммуникации между социальными объектами являются печатные и электронные СМИ, Интернет, телефон, личное и групповое общение, в том числе, в общественных местах, на митингах, на работе.
- Информационное взаимодействие формирует отношение объектов друг к другу. Данное утверждение означает, что каждая социальная система (и каждый объект) одновременно являются приемниками и источниками сигналов, в которых содержится сообщение (информация воспринимаемая другим объектом и называемая обычно полезной) и шум (не воспринимаемая и мешающая восприятию сообщения, составляющая сигнала). Важно подчеркнуть, что то, что для одного объекта является сообщением, для другого может оказаться шумом. Это зависит от априорной настройки объекта (предварительных знаний о воспринимаемых сообщениях). Это означает, что то, что является сообщением для одного объекта, может быть шумом для другого. Способность фильтрации шумов и накопления и обработки полезной информации, заключающейся в сообщениях, является важной характеристикой системы или объекта.
- Важно также определить некоторые смысловые и семантические аспекты информации, содержащейся в сообщении. На наш взгляд, это как раз связано с априорными знаниями (установками), которые используются для оценки полученного сообщения и генерации нового сообщения, включающего эту оценку. На основании полученной, а также имеющейся у получателя априорной информации, формируется (генерируется) новая информация, включающая, в том числе, и собственные оценки, сделанные объектом. Это новая информация используется для принятия решений, влияющих на поведение объектов и принятие решений для управления и воздействия на другие объекты.
- Социальная система характеризуется большим потоком информации передающейся между объектами (отдельными людьми и сообществами), имеющая все признаки классической системы с развитыми обратными связями.
- Событие, называемое информационным взаимодействием, изменяет параметры объектов. При этом именно изменения параметров (новая информация) и есть сообщение («полезная информация»).
- Изменение параметров в бытовом смысле можно ассоциировать с новостью, которую воспринял объект. Если он не выделил полезную информацию из сигнала и не запомнил ее, то можно утверждать, что он воспринял объект-отправитель как действующий (поток информации (сигнал) присутствует), но не дающий новостей. Если в априорном знании получателя зафиксировано, что стабильность объекта-источника (незначительность изменений его параметров взаимодействия с внешней средой) есть положительное свойство (это характерно для технических систем), то решение, которое принимается, на этом основании будет, скорей всего, продолжение эксплуатации этого объекта в текущем режиме. Наличие существенных изменений (новостей) в данном случае – сигнал тревоги о возможных неполадках и повод для принятия соответствующих решений (возможно о ремонте или остановке). Наоборот, отсутствие новостей объектом-получателем в социальных (также и в физических, если рассмотреть с этой точки зрения парадокс близнецов в теории относительности) системах интерпретируется как остановка или застой (стагнация) объекта отправителя, если априорная модель объекта – отправителя подразумевает, что его задача формировать новости.
- Полученная информация может приводить к различным последствиям для получателя:
- В зависимости от априорных знаний (модели) она может привести к увеличению знаний или их уменьшению (разрушить структуру модели, которая имелась до получения) и, как частный случай, существенно не изменить их. Реакция получателя в этих случаях также различна.
- Долговременное разрушение собственных представлений и знаний приводит к информационной деформации объекта, и он перестаёт воспринимать источник сигнала, как объект возможной полезной информации. Например, для человека, это может означать изменения в психике, которые будут влиять на поведение. Также как и в случае, когда получатель не выделяет сообщение, при негативной информации у него формируется модель источника, которую можно условно назвать «отрицательной».
- Рано или поздно, приемник сформирует фильтры, которые закроют для него любой сигнал от этого объекта. Этот сигнал станет шумом, на переработку и фильтрацию которого нужно затрачивать энергию, которую можно использовать гораздо более эффективно. Таким образом, он станет воспринимать его как априори не несущий позитивно воспринимаемых сообщений.
- Получатель, фактически, перестаёт слышать отправителя и начинает воспринимать его как надоедливый шум (другими словами, как просто «скучный источник»).
- Интересно, что, поскольку социальные объекты получают информацию от разных источников, то даже, если часть из них заблокирована, то они продолжают генерировать новую информацию, и создают новые информационные модели. Таким образом, собственная жизнь объектов не останавливается, когда они перестают получать от другого объекта информацию.
Базовые утверждения
Если Вам не надоели эти «скучные формулировки» (скучными они бывают в двух случаях: если они давно Вам известны и в них нет новизны, или непонятны, что также означает, что Вы не изменили свои априорные знания), то продолжим в том же духе….
- Как передается информация при взаимодействии объектов? Каждый из взаимодействующих объектов является наблюдателем и наблюдаемым одновременно. Причем за всеми доступными, его измерительного инструмента, объектами независимо от их типа и размеров.
- Параметры объектов могут рассматриваться только с позиции измерительного прибора, находящегося в «руках» наблюдателя (ей).
- В результате информационного взаимодействия происходит изменение значений базовых параметров, которые являются «базой знаний» объекта, это изменение и есть полученная объектом информация.
- Количество информации, которое было получено при взаимодействии пропорционально указанному изменению и зависит от погрешности оценки (которая возникает из-за того, что мы не можем учесть ряд случайных и возмущающих факторов). Фактически, мы получаем новые знания, но они ограничены точностью и достоверностью оценки входной информации, которые зависят, в том числе, от собственных возможностей наблюдателя правильно их интерпретировать. Например, наблюдатель может учесть некоторые искажения. Например, дисторсию оптического прибора при наблюдении звезд, но только, если он заранее откалибровал этот прибор.
- Получение и передача информации связаны с передачей энергии (обменом) между взаимодействующими объектами. Чем больше возможный диапазон изменения параметра и чем меньше погрешность измерения, тем больше объем информации, переданной при взаимодействии.
- Чем больше энергия взаимодействия, тем больше можно изменить значение параметра в пределах возможного динамического диапазона. Чем больше диапазон и чем больше шумов, влияющих на погрешность измерения, тем больше энергии надо для передачи информации от одного объекта к другому.
- Минимальное значение необходимой при взаимодействии энергии для изменения параметров объекта на минимально воспринимаемую величину (определяется погрешностью-чувствительностью-точностью) определяется функцией указанных параметров объектов и окружающей среды, если она учитывается как помеха (шум)
Базовые Методы
- Метод аналогий – кратчайший путь развития науки и технологий — вытекает из математической тождественности термодинамической и информационной энтропии, позволяет на основе существующих достижений ряда смежных наук (физики, математики, кибернетики и др.), сделать некоторые важные практические выводы и создать универсальные методы и алгоритмы контроля состояния и прогнозирования развития социальных и технических объектов.
- Мониторинг и прогнозирование состояния объектов на основании регулярных оценок динамики энтропии позволяет создать универсальный аналитический инструмент для очень далеких друг от друга отраслей (социально-экономических, технических, медицинско-биологических и др.). Становится возможным правильно выбирать направления для инвестиций в различные проекты и минимизировать риски потерь, отличить с высокой степенью достоверности «шарлатанов» от настоящих ученых, предсказать отклонения в состоянии здоровья человека, прогнозировать развитие социальных групп и систем и т.п.
Важные (и полезные) утверждения
- Набор чисел – это материальный объект (помните: «Бог играет числами!»). Сигнал, который передается через информационное поле, состоит из сообщения и шума. Приемник получает информацию и передает ее в систему обработки данных. При первичной обработке в периферийных устройствах системы (сенсорных подсистемах) происходит фильтрация, а затем, в центральном процессоре – формирование знаний и подготовка принятия решений. При взаимодействии параметры объектов (точнее данные хранящиеся в их «памяти») изменяются; другими словами событие, называемое взаимодействием, изменяет набор чисел, которые определяют параметры объектов. При этом именно изменения параметров и есть сообщение (несущее «полезную информацию»). Фактически, имеются значения параметров объекта до и после взаимодействия, которые могут быть оценены только в вероятностном смысле (то есть, с некоторой случайной погрешностью). Параметры объекта описываются числами, которые фактически и определяют совокупность параметров объекта, другими словами и объект. Поскольку числа – это материальные сущности, то в идеализме в этом месте никого обвинить нельзя.
- «Нет новостей – время останавливается». Если за единичный интервал времени принять промежуток между поступлениями новой информации, то можно интерпретировать отсутствие информации как остановку времени. Чем меньше информации поступает в приёмник, тем медленнее течёт время в его системе координат. Для источника информации течение времени определяется скоростью обновления информации у него, и она может отличаться от скорости приёмника, в частности, за счёт информации от других объектов. Таким образом, все объекты сложной системы, рассматриваются как источники и получатели одновременно и имеют собственную шкалу времени. Это кстати, очень хорошо согласуется с субъективным мнением, что если «ничего не происходит, то время замедляется», а если, наоборот, много событий, то «время течёт быстро». С точки зрения информационной теории, восприятия именно наличие «нового» в сообщении и есть полезная информация.
- Более строгая формулировка: полезная информация получается в результате опыта, и является разницей между априорными и апостериорными данными. Другими словами, если в сообщении содержится только предсказание события, которое должно состояться на основании априорных данных, с высокой вероятностью, то оно не несёт большое количество информации, а если предсказано неожиданное событие, то информации в сообщении много. Однако, точная оценка может быть произведена только после опыта).
Рисунок 2. Это сформулировали не математики, а журналисты! Похоже?
- Полезное и «нахальное» утверждение: «Отсутствие «новизны» порождает скуку».
- Ощущение того, что ничего не меняется, эквивалентно, в некотором смысле, «замедлению времени» (стагнации). Применительно к ощущениям отдельного человека можно утверждать, что отсутствие новизны приведёт к тому, что каждый новый сигнал будет все с большей вероятностью относиться к шумовым, а не полезным (сообщениям). Повышается вероятность пропуска цели, которая может привести к ошибочным решениям и действиям.
- Субъективно отсутствие новизны воспринимается как «скука». Скука убивает любовь и симпатии. Скука «заразна» так как передается от «объекта к объекту (человека к человеку)».
Рисунок 3. Фазиль Искандер согласился бы с нашим определением «скуки»
Полезные выводы
Из всего сказанного вытекают некоторые советы, на которые стоит обратить внимание, тем, кто хочет продлить жизненный цикл системы, в которой он существует, и повысить качество жизни:
- Не скучайте и не давайте скучать другим! Для этого нужно все время быть наблюдателем!
- Не забывайте, что Вы тоже объект наблюдения! Информационное взаимодействие поддерживает равновесие в окружающем пространстве.
- Принимайте решения быстро, как только возможно, если Вы обнаружили, что теряете равновесие! Не торопитесь, если Ваше состояние и окружающая система – стабильны.
- Если чувствуете, что восстановить равновесное состояние или найти новое невозможно, а ситуация выходит из под контроля, то не бойтесь «прыгнуть выше головы», другими словами, переходите от длительного обсуждения и плавных корректировок к быстрым решениям и мгновенному их исполнению. Шанс выжить для системы в этом случае повышается.
- Верьте в знания, которые приходят от настоящей науки! Сочетание хорошей теории и практического опыта может обеспечить успешную конкуренцию в любых делах! От математики до любви – один шаг!