Информация и информатика

Лекция 1. Информация и информатика

Информация есть информация, а не материя и не энергия

Норберт Винер

1. Общее определение информации

Учебный курс «Информатика» имеет целью изложить студентам методы работы с информацией в современном обществе. Но первое, что нужно выяснить, это сам смысл понятия «информация». Предварительно следует сказать, что основное содержание нашего курса будет посвящено главным образом лишь одному специфическому виду информации – социальной информации, но замысел университетского образования состоит в получении широкого взгляда на вещи, который позволяет профессионально решать задачи не только своей узкой профессии, но и задачи, предлагаемые окружающим миром в целом.

С общефилософской точки зрения на мир информация является одной из фундаментальных сущностей бытия. Материалистическая естество­ведческая наука предполагает, что всё наблюдаемое в мире есть единая сущность – материя.

Материи присущи три стороны (три явления), без которых материи не бывает, – вещество – движение – форма.

Эти стороны материи проявляются во взаимодействиях материальных объектов и воспринимаются наблюдателем по мере воздействия на него своими динамическими качествами как – масса – энергия – информация – соответственно.

Соотношение этих понятий можно отразить следующей таблицей:

Таким образом, информация – это динамическая мера формы материи. Она есть та сторона, которая проявляется во взаимодействиях, совершенно подобно тому, как масса – это динамическая мера вещества, а энергия – динамическая мера движения. Массой мы характеризуем вещество, энергией характеризуем движение, а информацией характеризуем форму материи. Масса проявляется во взаимодействии как «инертность», «вес», «тяжесть» вещества. Энергия проявляется во взаимодействии как «сила», «интенсивность» движения. А информация проявляется во взаимодействии как «значение», «ценность» формы. Три стороны материи неразрывны, именно как разные стороны одного объекта. Не бывает ничего материального, которое не было бы наделено веществом, движением и формой. Не бывает ничего, что бы могло явиться нам без массы или без энергии или без информации. Так что информация – это явление формы, являющаяся нам форма. Более точного общего определения информации дать невозможно, поскольку это одно из самых базовых понятий, на основе которых строятся все другие представления. Базовые понятия устанавливаются не их сведением путём формального определения к другим более базовым понятиям, а соотношениями, связями базовых понятий друг с другом. Это свойственно не только понятию информации в информатике. Аналогично нет определений жизни в биологии, языка – в лингвистике, числа – в математике. Определение базисных понятий через систему их отношений в математике доведено до совершенства. Базисные понятия математики определяются через системы аксиом, то есть через более или менее очевидные (принимаемые как данное) утверждения об отношениях между этими понятиями. Пример – всем знакомые из школьного курса геометрии аксиомы Евклида.

Из данного выше описания сущности информации становится ясно, почему она именно так называется. Это латинское слово содержит корень -form-, выражающий представление именно о форме, и приставку in-, выражающую представление о движении внутрь, в совокупности с суффиксом имени действия -atia. Иными словами внутренняя структура слова «информация» свидетельствует о его таком значении: «введение формы внутрь». Действительно, при любом взаимодействии с материей внутрь наблюдателя вводится некая «форма», соответствующая форме взаимодействующей материи. То есть наблюдатель получает при взаимодействии не только массу вещества, не только энергию движения этой материи, но и соответствующую форму. Эта форма может быть в разных случаях различной природы: то ли в виде грубого отпечатка на теле наблюдателя взаимо­действовавшей материи, то ли в виде научной теории данного материального явления в голове исследователя.

Ещё раз нужно подчеркнуть, что никакого взаимодействия материальных объектов не бывает без каждой из трёх компонент – передачи вещества (массы), передачи движения (энергии) и передачи формы (информации). Различные взаимодействия различаются только значимостью каждой из компонент для взаимодействующих субъектов. Именно по этой значимости (а не по собственным внутренним свойствам) мы в практической жизни отличаем информационные взаимодействия от энерге­тических или «материальных» (обмен веществом). Зачастую невозможно отнести какой-нибудь определённый процесс к одной из этих категорий. Так если кузнец куёт какое-либо сложное изделие (хоть подкову, или ажурную решётку), он несомненно действует на объект «энергетически» (ударами кувалды) и материально (добавляя вещества в изделие). Но при этом его цель информационная – создать форму, которая вполне может содержать и «информацию» в бытовом смысле слова (если на изделии будет выкована надпись или символ).

2. Виды «досоциальной» информации

Из общего определения информации следует, что информация вездесуща и неотделима от прочих явлений природы. Она разлита как в живой, так и в неживой природе. При любом взаимодействии можно указать на факт передачи информации. Так если даже взять такой простой механический процесс как взаимодействие стола с полом, то можно видеть, что пол воспринимает информацию о форме стола в виде следов от четырёх его ножек. Такие процессы можно назвать физической, или механической информацией.

Явления жизни замечательны тем, что для них информационная сторона взаимодействий становится определя­ющей. Именно «определяющей», а не «преобладающей». Преобладает в жи­вой природе, пожалуй, именно материальная сторона – накопление и рост вещества (массы тела, массы и численности популяции). А удаётся нарастить массу именно за счёт специфического использования информации. Речь прежде всего идёт о способности живых существ сохранять полезную информацию, тиражировать её и передавать по наследству в процессе размножения. Эта информация представлена в живых организмах в виде формы (не состава!) белковых молекул. Это – так называемая генетическая информация. Именно эта информация определяет форму организма, то есть – его строение и поведение. Здесь прослеживается уже довольно сложная последовательность информационных процессов преобразования одной формы в другую. Сначала форма внешних воздействий на организмы превращается в форму их внутреннего устройства. Эта форма закрепляется в специальном механизме хранения (генетическом аппарате). Он в свою очередь воз­действует на процессы внутри организма. Форма, хранящаяся внутри генетического аппарата, передаётся другим частям организма и тем самым поддерживает и развивает достигнутую им внешнюю форму организма. Затем генетический аппарат копируется, дублируется, и его форма передаётся другому, новому организму (это – типичный процесс размножения и распространения информации). Рассмотрение генетической информации однако выходит за рамки нашего курса, являясь одним из предметов «биоинформатики».

Другая особенность живых существ состоит в том, что на некотором этапе развития жизни у них появляются специализированные части тела, органы, воспринимающие главным образом информационную сторону внешних воздействий. Эти органы чувств позволяют организму отвечать на внешние воздействия не только вслед за физическим воздействием и пропорционально силе физического воздействия (под действием соответствующей массы и энергии воздействия), но действовать на опережение природе. Организм получает способность избегать сильного действия неблагоприятных факторов (уходя от действующей массы и энергии) и усиливать благоприятные воздействия (приближая себя к необходимой массе и полезной энергии). Это происходит в силу того, что органы чувств выявляют значимость внешних воздействий независимо от их материальной и энергетической стороны, т. е. на основе информационной составляющей. Очевидно, что информационные процессы, включающие выявление значимости формы сигнала и преобразование её в форму поведения, весьма не просты. Этой биологической информацией в нашем курсе мы также заниматься не будем.

Для осуществления весьма непростых преобразований информации органов чувств в формы поведения внутри организмов формируется специ­альная система – психика. В ней формы внешнего воздействия преобразуются в известные психические формы – чувства, образы, понятия, представления, идеалы, стремления, решения и т. д. Процесс выработки этих психических форм и вывод из них действий организма называется мышлением. Эта совокупность информационных процессов – психи­ческая информация – обычно не относится к информатике и мы ею также не будем заниматься.

Теперь обратим внимание на то, что в природе организмы существуют обычно не сами по себе в окружении неживой материи, а составляют коллективы особей одного или разных видов. При этом организмы не могут избежать взаимодействия друг с другом. Это взаимодействие, как мы знаем, содержит всегда и информационную компоненту (а также и материальную и энергетическую). Организмы, обладающие органами чувств, пользуются информационной компонентой взаимодействия друг с другом для организации своего поведения. Следующим этапом в информационной эволюции жизни является появление у организмов специальных методов и приспособлений (органов) для умышленного воздействия на своих живых соседей не силою, но информацией, заключённой в их поведении. Так, уже некоторые насекомые выделяют в среду определённые химические вещества, которые воздействуют на партнёров не в том смысле, что вступают в прямые химические реакции, изменяющие обмен веществ у партнёра, а являются сигналами, привлекающими или отпугивающими партнёров друг от друга.

Классическим примером информационных взаимодействий являются «танцы пчёл». Пчела, прилетевшая с медосбора, исполняет в улье серию определённых движений, ползая и взлетая разнообразными петлями и поворотами. При этом не происходит никакого видимого физического взаимодействия между членами улья, но другие пчёлы, наблюдая этот «танец», получают сведения о местонахождении и качестве медоносов, от которых прилетела танцующая особь. Разнообразие методов информационного воздействия наблюдается и у высших животных. Собаки, чтобы засвидетельствовать о себе, поднимают лапку у столбиков, кошки трутся мордой, медведи царапают деревья… Но универсальным методом информационного воздействия у млекопитающих и птиц, который специально развился именно в информационной функции, является использование звука, издаваемого голосовым аппаратом. Однако на дочеловеческом уровне жизни разнообразие информации, которой обмени­ваются друг с другом живые организмы, остаётся довольно ограниченным. Тем не менее писатели неоднократно рассказывали, что северные народы якобы могут, прислушиваясь к вою волков, получать сведения о том, кто и куда едет по тундре, сколько человек и хорошие ли то люди… Коммуникации в коллективах животных обычно относят к сфере биологической информации и исключают из рассмотрения в курсах социальной информатики.

3. Социальная информация

Принципиальным этапом «информатизации» природы является развитие у человека механизмов речи. Именно становление речи и может свидетельствовать о выделении человечества из животного мира. Речь для человека служит специализированным универсальным способом информационного воздействия на себе подобных. Очевидно, что действие речи не пропорционально её материальной и энергетической составляющей. Хотя часто для усиления действия своих слов «повышают голос» и достигают этим успеха… Менее очевидно то, что смысл речевого взаимодействия состоит в передаче некоторых форм. Но обычно не вызывает возражений утверждение, что речь передаёт мысли от говорящего слушающему. Но мысль – это и есть форма каких-то физиологических процессов психической деятельности. Следовательно, говорящий формирует в психике слушающего свою мысль, то есть переносит форму из своей головы в голову слушающего, информирует психику слушающего. Человеческая речь именно в силу своих специфических материальных свойств смогла стать всеобъемлющим способом информирования в популяции людей. А в силу свойства «всеобъемлющности» речь позволила выразить весь индивидуальный опыт информационного взаимодействия со средой, полученный каждым индивидом в отдельности. Она позволила передавать этот опыт другим индивидам, обобщить его для всего коллектива, сделать коллективным опытом популяции. И это придало человеку колоссальные преимущества в конкурентной борьбе с другими формами жизни. Механизмы функционирования речи изучает специальная наука – языковедение, языкознание, лингвистика. Но и эта сфера информационных процессов, которую можно определить как языковая информация, не включается в объект науки «информатика», а остаётся за языкознанием. Однако почти вся работа с информацией в современном обществе происходит на языковóм уровне. Искусственные информационные системы несут в себе по этой причине отпечаток особенностей представления информации в естественном языке. Они во многом моделируют языковые структуры и функции, но не достигают при этом универсальности естественного языка.

Особенностью человеческой речи как носителя информации является то, что она как бы совершенно лишена других сторон материи – вещества и энергии. Это, конечно, не так, но факт состоит в том, что в человеческой речи материально-энергетическая сторона представлена в минимальной форме. Вещество и энергия речи – это акустические волны в воздушной среде. И этот материальный носитель информации обладает существенным недостатком: он недостаточно материален, и его существование ограничивается моментом произнесения речи. У слушателя речевое высказывание откладывается в памяти и может быть повторено как непосредственно вслед за услышанным, так и в любой момент впоследствии, пока та форма сознания, которая возникла в результате услышанного, сохраняется у слушателя в психической системе. Именно так и происходило долговременное хранение и распространение информации в первоначальном человеческом обществе – путём повторного озвучивания – сказок, мифов, молитв, заветов…