Наука и теория информации
- Понятие «информация» появилось в языке человека очень давно, но стало научным только в 20-м веке после работ и А. Колмогорова [16], Н. Винера [4]. К. Шэннона [29,32]. Но споры о том, что такое информация не утихают до сих пор. Некоторые ученые полагают, что информация – это не материальное явление, а только отображение материальных процессов в мозгу человека. Такой подход отражает примитивность взгляда на материальное и не материальное, сформировавшегося еще во времена Аристотеля и Платона и резко усилившего свое влияние под воздействием марксистких теорий, особенно, в их простейших интерпретациях.
- Современная наука однозначно связала понятие «информация» с понятием «энергия», которое исключает всяческие домыслы о не материальном характере информации. Информация передается от одного объекта другому, при этом затрачивается энергия, которая связана с количеством передаваемой информации и способом ее передачи. В последнем утверждении отражается связь затрачиваемой энергии со способом представления и тем носителем, с помощью которого информация передается от одного объекта к другому. Можно утверждать, что все объекты живой и неживой природы информационно взаимодействуют между собой. Также можно утверждать, что процесс информационного взаимодействия (связанного с передачей энергии) существует в природе вне зависимости от человека и его сознания.
- Но передать информацию не значит сообщить другому объекту что-то новое, что неизвестно ему до этого. Новая информация называется «сообщением» и передача сообщения является реальной целью процесса информационного взаимодействия. Получатель обрабатывает информационный поток, чтобы выделить сообщение, а, если не находит его, то параметры информационной модели получателя не изменяются, хотя некоторые энергетические процессы, связанные с обработкой, влияют на энтропию (достоверность оценки значений параметров снижается). Если сообщение обнаружено, то получатель использует свою память для хранения новых знаний, содержащихся в полученном сообщении. При этом, он кодирует сообщение, чтобы сэкономить ресурс памяти. Все указанные процессы могут быть описаны математически и позволяют рассматривать формирование научных знаний, как передачу, получение, обработку, хранение и дальнейшее использование хранимых сообщений для собственных нужд объекта или для передачи другому объекту в преобразованном виде.
- Цель обработки информации – удалить шумы, которые мешают восприятию и снижают достоверность и полноту сообщения и максимально сократить избыточность (следствие коррелированности содержащихся в принятом потоке данных) передаваемой информации для последующего хранения, так как ресурсы памяти не бесконечны. Можно отметить, что принцип сокращения информационного объема сообщения состоит в переходе от поэлементного описания к описанию связей, затем, к описанию аналогий между связями [8], а на самом высоком уровне — к описанию аналогий между аналогиями Человек, как один из объектов природы, начал с изучения отдельных фактов (поэлементное описание), потом стал заниматься связями между ними (классификация), а, затем, открыл законы природы, позволяющие, как сказал К.А. Гельвеций, через знания некоторых принципов легко возмещать незнание некоторых фактов.
- Человеческие взгляды на природу эволюционировали в соответствии с тем объемом данных, которые приходилось обрабатывать, хранить, передавать, использовать для управления жизненно важными процессами. Соответственно, требовалось больше ресурсов для обеспечения указанных информационных процессов. Для этого создавались новые средства связи (для передачи сообщений), новые носители (например, книги, для хранения), есть предположение, что и мозг человека развивался в соответствии с запросами, которые диктовала необходимость обрабатывать и хранить все бОльшие объемы данных (поочередно и постепенно увеличивался объем мозга и развивалась способность к обработке и хранению).
«Цифровое естествознание» — основные тезисы и понятия
- Объект – это некоторая философская категория, выражающая явление, существующее в природе и определяемое совокупностью (множеством) параметров (числовых наборов) и функциональными зависимостями, связывающими эти параметры (информационно-математическая модель объекта). Компактное описание объекта основывается на разложении в ряд по собственным функциям (векторам) [22] и основывается на теории гильбертовых пространств. Один из наиболее эффективных вариантов описания использование преобразования Карунена-Лоэва [31], которое позволяет сводить к более или менее простым описаниям пространственно-неоднородные модели объектов. Классификация объектов по типам рассмотрены в разделе 1 и 2.
- Информационное взаимодействие объектов в природе – это процесс, обеспечивающий передачу, получение и хранение информации о параметрах и моделях от одного объекта другому.
- Создание нового объекта – процесс образования существующими объектами новой совокупности (множества) параметров и математической модели, не повторяющими ни один из существующих. Объекты одного вида содержат одинаковые наборы параметров и описываются одинаковыми моделями («наследуемые знания»), но отличаются конкретными значениями. Объект может быть представлен точкой в многомерном пространстве параметров, система координат которого определяется собственными векторами [7] и фактически является видовым признаком.
- При полном совпадении всех параметров одной и той же модели описание одного из объектов становится, с точки зрения теории информации, избыточным, так как ни один внешний объект (наблюдатель) не сможет различить объекты с одинаковыми параметрами. Если параметры объектов отличаются незначительно, то для описания второго объекта можно использовать простые методы кодирования информации, основанные на разностях значений отличающихся параметров (дифференциальное кодирование). Но, принимая во внимание, что параметры не могут оцениваться с нулевой погрешностью (это следствие фундаментальных принципов теории информации, вытекающее из закона возрастания энтропии и хорошо известное в квантовой физике), можно утверждать, что одинаковость объектов — это условное понятие. Более того, с точки зрения наблюдателя, который всегда воздействует на наблюдаемый объект, один и тот же объект может для него выглядеть как находящийся одновременно (в вероятностном смысле) в разных точках многомерного пространства, в котором существуют наблюдатель и наблюдаемый. Таким образом, двух одинаковых объектов не бывает — всегда есть ненулевая вероятность, что хотя бы один из параметров модели не одинаков.
- Каждый объект «хранит» ограниченное описание других объектов, с которыми он взаимодействовал (история взаимодействий). Описание объекта у разных наблюдателей различно и отражает особенности знаний, имеющихся у самого объекта — наблюдателя. Эти «знания» учитываются объектом-наблюдателем при получении информации от наблюдаемого объекта и, в результате взаимодействия, формируется или не формируется сообщение, которое превращается в новые знания у наблюдателя (теоретически, как отмечалось выше, любое взаимодействие приводит к изменению энтропии за счет того, что уже сам факт приема информации был зафиксирован).
- Информация о других объектах – это приобретенная (в отличие от «наследственной», получаемой при создании — «рождении» объекта) информация, которая также становится отличительным признаком («приобретенным») объекта, но не меняет его принадлежности к определенному виду. Один объект может входить в неограниченное количество систем, которые являются «объектами более высокого уровня организации».
- Когда два объекта одного типа «сближаются», то наблюдатель (в соответствии с принципом минимизации ресурсов), начинает использовать для их описание дифференциальное кодирование (требующее меньшей памяти и энергетических ресурсов). Когда точность оценки становится такой, что расстояние между объектами в заданной метрике становится соизмеримой с погрешностью оценки, то происходит слияние объектов в глазах наблюдателя (он не может их различить имеющимися в его распоряжении измерительными средствами). При слиянии высвобождаются информационные ресурсы (память), которые могут быть использованы в других операциях.
- Расстояние между объектами может быть определено как математическое понятие, если пространство, в котором рассматриваются параметры – метрическое [1]. Расстояние может быть мерой близости объектов одного вида (которые описывается идентичными моделями). Разные модели определяют различные виды объектов. Классификация объектов по их информационно-математическим моделям может устанавливать различные «меры». Объекты могут переходить из одного типа в другой (преобразование объектов) путем непрерывного отображения и образовывать «связные» области по принципу топологической «близости».
- Различие объектов разного типа – масштабы пространства-времени, в котором происходит взаимодействие между ними и описание функциональных связей между параметрами отдельных объектов. 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.
- Информационное взаимодействие, с точки зрения теории информации, подразумевает, 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.
- 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).
- Каждый объект имеет собственный идентификатор, который отличает его от другого объекта (аутентификация). Математически идеальный идентификатор – это Хэш-функция описания модели (надежный, но, часто, избыточный и дорогой для авторизации) или закрепленный за данным объектом параметр с фиксированным значением, который записан на носителе, являющимся неотъемлемой частью объекта.
- Можно обобщенно представить все виды коммуникации как информационное поле, через которое осуществляется взаимодействие между объектами. Коммуникации осуществляются с помощью различных физических, химических, биологических, технических механизмов, образующих коммуникационные каналы.
- 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.
- В биологических объектах прием и передача информации другим биологическим объектам осуществляется через многочисленные физико-химические системы (зрительные, акустические, тепловые, хемо и другие рецептивные и излучающие механизмы). Внутри биологических организмов имеются нервные, эндокринные, наследственные, иммунные и другие системы информационного взаимодействия.
- Механизмы передачи с участием объектов неживой природы реализуются через физические процессы, связанные с созданием электромагнитного поля вокруг объектов, через химические процессы, реализуемые через реакции на уровне молекул, атомов и при их распаде или синтезе. Химические и физические процессы почти всегда действуют совместно и являются основой комплексных механизмов информационного взаимодействия объектов живой и неживой природы.
- Важно, что любое взаимодействие сможет быть рассмотрено как совокупность процессов приема и передачи сигналов, выделения сообщений, сжатия, хранения и т.п. и описано на языке теории информации.
Выводы
- «Цифровое естествознание» сформировалось как направление, объединяющее достижения математических наук с целью создания научного базиса для новых технологий, соответствующих требованиям современного этапа производственных, социальных, коммерческих отношений.
- Принципы цифрового естествознания используются в прикладных исследованиях и разработках и обеспечивают огромное сокращение ресурсных и временных затрат, что показано в следующих разделах настоящего издания.