Информационный Завет. Основы. Футурологическое исследование

Первая Информация родилась одновременно со Вселенной. Которая представляет собой самую большую (из известных нам) информационную систему. Её элементы (материя) обмениваются энергией и информацией. В то же время элементы могут объединяться в другие, менее масштабные, информационные системы. Жизнь и человек – примеры таких систем.

Человек – существо различающее (способное к различению).

Необходимым фактором индивидуального и видового существования человека является информационный обмен. Особенность человека, как информационной системы, заключается в способности осознавать свои действия, а, значит, управлять доступным ему объёмом информации. Морфо-функциональная основа данной способности – мозг. А её частные проявления – мышление (переработка поступающей информации, производство смыслов и знания) и речь (перекодировка и передача информации).

Информационная эпоха зовётся так не потому, что «стало много информации», а потому, что современный человек с помощью технических приспособлений научился извлекать и перерабатывать значительные объёмы информации.

Информационное общество – тип социума, который складывается в настоящем. Оно является следствием деятельности человека, перерабатывающего всё большие объёмы информации. Скорость переработки (человеком) информации увеличивается. Это явление называется информатизацией.

Научно-технический прогресс – сопутствующий информатизации процесс. Он имел первостепенное значение в индустриальную эпоху, но утратил его в Эру Информации. Техническое и технологическое совершенствование может ускоряться, замедляться или даже обратиться вспять. Но способность человека оперировать большими данными необратима. Компьютеры и информационные технологии в данном процессе играют, хоть и важную, но вспомогательную роль.

Внешнее воздействие информации на мозг человека и изменение среды под влиянием информации, произведенной им, – взаимообуславливающие процессы. Информатизация создает условия, при которых, впервые в истории человечества, возникает возможность для активации всего когнитивного потенциала. Отсюда – изменения в коммуникации, кросс-культурных отношениях, этическом поведении и психологическом облике человека. Эти изменения носят эволюционный характер. Однако не исключено, что могут стать исходной биосоциальной базой для революционного скачка. Т.е. для обретения человеком новых свойств и функций, предсказать которые не представляется возможным.

Откровенно говоря, здесь книгу можно закончить. Объяснение изложено, так что вам остаётся либо согласиться, либо предложить собственное. Нет? Хотите ещё? Нужны доказательства? Факты? Что ж… Факты добывают специалисты. Посмотрим, что скажут они.

Глава 2. Благая весть от математиков

Принцы и нищие

Что такое математика?

Это гаечный ключ. Инструмент, с помощью которого легко можно сделать то, что потребовало множество усилий и времени, если бы вы решили, например, закрутить гайку вручную.

В зависимости от назначения гаечные ключи бывают разными. Есть простые, есть громоздкие. Есть и такие, которые существуют только в воображении теоретика. Откручивающие или закручивающие, скажем, одиннадцатимерную гайку.

В любом случае, чтобы гаечный ключ появился и выполнял какую-нибудь полезную (пускай, воображаемую) функцию, необходимо интеллектуальное усилие. Нужно думать.

Устройствами, изобретение которых было бы невозможно без математики, мы пользуемся ежедневно. Сложные математические расчёты позволяют запускать космические корабли, придумывать новые лекарства, выращивать большие урожаи, автоматизировать и оптимизировать массовое производство бессчётного числа товаров, удовлетворяющих нашим растущим аппетитам.

Несмотря на это, многие люди не спешат приобщиться к математическим знаниям. Увы, наблюдаемый уровень практических умений в этой области редко превышает стандартные школьные навыки. Скромность познаний большинства людей подталкивает сравнить их со своеобразными «математическими нищими».

В информационном обществе получение и переработка значительных объёмов информации – не фактор успеха, а условие выживания. Недостаточно барахтаться в информационном водовороте – нужно уметь плавать. Это означает владение, хотя бы в минимальной степени, математическим инструментом.

Полагаю, роль прикладной математики в жизни массового человека будет возрастать. Речь не о науке. Имеются в виду вполне прозаичные дела. Постройка дома, ведение бизнеса, забота о собственном здоровье – любая творческая работа потребует изучения геометрии, логарифмического дифференцирования, теории вероятностей.

Производство всё более мощных компьютеров в данном случае мало облегчает жизнь. Не следует путать интеллектуальную работу с вычислениями. Решения останутся человеку. Т.е. придётся выделять главное, сравнивать, обобщать и делать выводы. Подспорьем станет не логика и не «здравый смысл», а математика.

Торжество информационного мира хорошо иллюстрируется положениями математической теории информации. Это именно научная теория, потому что предлагает внятное и глубокое объяснение происходящих процессов. Кроме того, следствия математической теории информации могут быть подвергнуты строгой проверке.

Почти каждый житель планеты слышал о смартфонах и Стиве Джобсе, но не имеет никакого представления о Джоне фон Неймане и Клоде Шенноне. Между тем, благодаря во многом этим учёным появились компьютеры, айфоны, айпады. Сначала потрудились математики, потом явились технологии.

Так было и прежде. В 1833 году (за 7 лет до создания аппарата Морзе) физик и инженер Вильгельм Вебер (Wilhelm Weber) сконструировал первый в Германии электромагнитный телеграф – устройство для передачи информации. Излишне говорить, насколько прорывной была эта технология в XIX веке.

Однако Вебер не добился бы успеха, если не сотрудничал с гениальным учёным Иоганном Гауссом (Johann Gauss). Его математические работы оценивались и тогда, и сейчас чрезвычайно высоко. Гаусса назвали Mathematicorum Princeps, «Принцем математики»

.

Математические теории и практика информационных технологий связаны неразрывно. Математика помогает прояснить сущность информации и позволяет регулировать информационный обмен. Технические устройства предоставляют вычислительные мощности для математических расчётов.

Желающим преуспеть в наши дни следует оставить навсегда пренебрежительное отношение к математике. Отказаться от сладкого бремени математического невежества. Знанием таблицы умножения и теоремы Пифагора отделаться, увы, не удастся. Придётся вникнуть, скажем, в комплексные числа и теорию хаоса.

В информационном обществе мало знать, что гаечные ключи существуют и их где-то можно достать. Надо представлять, как они выглядят и как именно применяются.

Дерзайте, и, возможно, именно вам суждено преобразиться, став новыми «математическими принцами».

Демон Максвелла

Учёные любят парадоксы. Это не игра на публику, а способ решить актуальную научную проблему. Не все научные парадоксы разгаданы, но в тех случаях, когда это удаётся, человечество делает ещё один шаг по пути познания.

В 1867 году физик и математик Джеймс Максвелл (James Maxwell) предложил знаменитый мысленный эксперимент с «демоном».

Допустим, резервуар наполнен газом, молекулы которого друг с другом не взаимодействуют. Тогда, согласно Второму началу термодинамики, следует ожидать, что более горячие молекулы со временем мигрируют в менее нагретую часть резервуара, и установится тепловое равновесие.

Однако, по мысли Максвелла, если в резервуаре окажется некий хитрый механизм или таинственное существо (тот самый демон), то всё пойдёт не так. Более того: случится нечто противоположное. Демон (исключительно из присущего ему от рождения вредного характера) начнёт сортировать пролетающие мимо молекулы. Горячие отправит к таким же горячим, а холодные – к холодным. В результате одна половина резервуара со временем будет нагреваться, а другая – охлаждаться. Очевидно, Второе начало термодинамики (фундаментальный закон Природы, как-никак) нарушается

.

Что хотел показать Максвелл этим парадоксом? Он привлёк внимание к вероятностной природе теплового обмена. Никакого демона, конечно, нет, зато есть вероятность того, что горячие молекулы соберутся в одной половине резервуара, а холодные – в другой. Расчёты показывают, что она ничтожна мала, но не является нулевой. Раз так – значит, вредный демон может существовать и нарушать законы мироздания.

Парадокс потребовал значительного интеллектуального напряжения. Лишь спустя 62 года он был успешно объяснен физиком Лео Силардом (Leo Szilard). Ключ к объяснению состоит в том, что демон рассматривается не как часть резервуара с газом, а как часть системы «резервуар – внешняя среда». При этом, чтобы выполнять свою работу, он должен что-то «кушать». Т.е. получать энергию из внешней среды. Тогда, увеличивая температуру внутри резервуара, демон уменьшает её за его пределами. Таким образом, действие Второго начала термодинамики сохраняется

.

«Демон Максвелла» обнажил ограниченность научных знаний. Гипотетический эксперимент показал, что значение информационного обмена в законах Природы следует переосмыслить.

Как вообще возможен демон Максвелла? Откуда берётся, пускай, бесконечно малая вероятность самопроизвольного (без внешнего подвода энергии) нагревания газа в резервуаре?

Совершенно не случайно для демонстрации парадокса Максвеллом был выбран образ демона. Демон – мыслящее существо. Или, как сказали бы мы сейчас, существо информационное.

Чтобы делать свою работу правильно, демон должен обладать информацией. Т.е. уметь определять, какие молекулы горячие, а какие – холодные. Молекул в газе много, и работы у демона много. Каждая операция сортировки, каждое вмешательство демона – новая порция информации для него. Когда работа демона будет окончена, температура в резервуаре станет максимально высокой, а сам он – переполнен максимальным количеством информации. Следовательно, между энергией и информацией есть какая-то связь.

Именно это имел в виду Максвелл, когда воображал своего демона. Мера информации связана с энергетическим обменом. Чем больше информации, тем больше энергии. И наоборот. Чтобы описать систему с высокой температурой (т.е. там, где молекулы движутся очень быстро), нужно создать много информации. Описание системы, содержащей мало энергии, требует минимального количества информации. В любом случае получается, что информация – это такая же фундаментальная сущность, как и энергия.

Максвелл был очень продуктивным учёным. Сегодня он больше известен своими фундаментальными работами по классической электродинамике. На разработку теории информации, где он мог достичь не меньших высот, вероятно, просто не хватило времени. Однако вывод о глубокой взаимосвязи информации и энергии – первый важный шаг в понимании истинной природы информации – не был забыт.

Демон Лошмидта и «больцмановский мозг»

Через девять лет после «демона Максвелла» мир побеспокоил «демон Лошмидта». Случилось это при следующих обстоятельствах.

Выдающийся учёный, профессор математики Людвиг Больцман (Ludwig Boltzmann) в 1872 году опубликовал свою знаменитую H-теорему. Её суть сводилась к тому, что в любой замкнутой системе со временем энтропия (неупорядоченность) возрастает и достигает максимума в состоянии равновесия. Строго говоря, теорема относилась к термодинамическим системам, т.е. описывала поведение материи и энергии на макро-уровне (например, объём любого газа или жидкости). Взаимодействие между элементами системы на микро-уровне (между атомами и молекулами газа или жидкости) не учитывалось. Это допущение было обозначено как гипотеза молекулярного хаоса

. Такое же предположение сделал Максвелл, когда придумывал своего демона.

Больцман обоснованно полагал, что вероятность того, что термодинамическая система будет вести себя так, как будто в неё вселился демон Максвелла, крайне мала. Поэтому его H-теорема вполне могла претендовать на некий универсальный закон Природы – закон возрастания энтропии

. Позже была предложена формула для этого закона:

S = k ? logP