Энтропия. Теория информации

Энтропия. Теория информации

Содержание.

1.    Введение.

2.    Что измерил Клод Шеннон?

3.    Пределы эволюционной изменчивости информационных систем.

4.    Ограниченность адаптации биологических видов.

5.    Этапы развития теории энтропии.

6.    Методы исчисления количества структурной информации и информационной энтропии текстов.

7.    Информационно-энтропийные соотношения процессов адаптации и развития.

8.    Информация и энергия.

9.    Заключение.

10.       Список литературы.

ВВЕДЕНИЕ

Во второй половине XX века произошли два события, которые, на наш взгляд, в значительной мере определяют дальнейшие пути научного постижения мира. Речь идет о создании теории ин­формации и о начале исследований механизмов антиэнтропийных процессов, для изучения которых синергетика привлекает все новейшие достижения неравновесной термодинамики, теории ин­формации и общей теории систем.

Принципиальное отличие данного этапа развития науки от предшествующих этапов заключается в том, что до создания перечисленных направлений исследований наука способна была объяснить лишь механизмы процессов, приводящих к увеличению хаоса и возрастанию энтропии. Что касается разрабатываемых со времен Ламарка и Дарвина биологических и эволюционных концепций, то они и по сей день не имеют строгих научных обоснований и противоречат Второму началу термодинамики, согласно которому сопровождающее все протекающие в мире процессы возрас­тание энтропии есть непременный физический закон.

Заслуга неравновесной термодинамики заключается в том, что она сумела выявить механизмы антиэнтропийных процессов, не противоречащих Второму началу термодинамики, поскольку локаль­ное уменьшение энтропии внутри самоорганизующейся системы всегда оплачивается большим по абсолютной величине возрас­танием энтропии внешней среды.

Важнейшим шагом на пути постижения природы и механизмов антиэнтропийных процессов следует введение количественной меры информации. Первоначально эта мера предназначалась лишь для решения сугубо прикладных задач техники связи. Однако последующие исследования в области физики и биологии позво­лили выявить универсальные меры, предложенные К.Шен­ноном, позволяющие установить взаимосвязь между количеством информации и физической энтропией и в конечном счете определить сущность новой научной интерпретации понятия «ин­формация» как меры структурной упорядоченности самых разнообразных по своей природе систем .

Используя метафору, можно сказать, что до введения в науку единой информационной количественной меры представленный в естественно-научных понятиях мир как бы «опирался на двух китов»: энергию и вещество. «Третьим китом» оказалась теперь информация, участвующая во всех протекающих в мире процессах, начиная от микрочастиц, атомов и молекул и кончая функциониро­ванием сложнейших биологических и социальных систем.

Естественно, возникает вопрос: подтверждают или опровергают эволюционную парадигму происхождения жизни и биологических видов новейшие данные современной науки?

Для ответа на этот вопрос необходимо прежде всего уяснить, какие именно свойства и стороны многогранного понятия «ин­формация» отражает та количественная мера, которую ввел в науку К.Шеннон.

Использование меры количества информации позволяет анализировать общие механизмы информационно-энтропийных взаимодействий, лежащих в основе всех самопроизвольно протекающих в окружающем мире процессов накопления информации, которые приводят к самоорганизации структуры систем.

Вместе с тем информационно-энтропийный анализ позволяет выявить и пробелы эволюционных концепций, представляющих собой не более чем несостоятельные попытки сведения к простым механизмам самоорганизации проблему происхождения жизни и биологических видов без учета того обстоятельства, что системы такого уровня сложности могут быть созданы лишь на основе той информации, которая изначально заложена в предшествующий их сотворению план.

Проводимые современной наукой ис­следования свойств информационных систем дают все основания утверждать, что все системы могут формироваться только сог­ласно спускаемым с верхних иерархических уровней правилами, причем сами эти правила существовали раньше самих систем в форме изначального плана (идеи творения).

ЧТО ИЗМЕРИЛ КЛОД ШЕННОН?

В основу теории информации положен предложенный К.Шенноном метод исчислений количества новой (непредска­зуемой) и избыточной (предсказуемой) информации, содержащейся в сообщениях, передаваемых по каналам техничес­кой связи.

Предложенный Шенноном метод измерения количества ин­формации оказался настолько универсальным, что его применение не ограничивается теперь узкими рамками чисто технических приложений.

Вопреки мнению самого К.Шеннона, предостерегавшего ученых против поспешного распространения предложенного им метода за пределы прикладных задач техники связи, этот метод стал находить все более широкое примение в исследованиях и фи­зических, и биологических, и социальных систем .

Ключом к новому пониманию сущности феномена информации и механизма информационных процессов послужила установленная Л.Бриллюэном взаимосвязь информации и физической энтропии. Эта взаимосвязь была первоначально заложена в самый фунда­мент теории информации, поскольку для исчисления количества информации Шеннон предложил использовать заимствованную из статистической термодинамики вероятную функцию энтропии.

Многие ученые (начиная с самого К.Шеннона) склонны были рассматривать такое заимствование как чисто формальный прием. Л.Бриллюэн показал, что между вычисленным согласно Шеннону количеством информации и физической энтропии существует не формальная, а содержательная связь.

В статистической физике с помощью вероятностной функции энтропии исследуются процессы, приводящие к термодинамическому равновесию, при котором все состояния молекул (их энергии, скорости) приближаются к равновероятным, а энтропия при этом стремится к макси­мальной величине.

Благодаря теории информации стало очевидно, что с помощью той же самой функции можно исследовать и такие далекие от сос­тояния максимальной энтропии системы, как, например, пись­менный текст.

Еще один важный вывод заключается в том, что

с помощью вероятностной функции энтропии можно анализировать все стадии перехода системы от состояния полного хаоса, которому соответствуют равные значения вероятностей и максимальное значение энтропии, к состоянию предельной упорядоченности (жесткой детерминации), которому соответствует единственно возможное состояние ее элементов.

Данный вывод оказывается в равной мере справедливым для таких несходных по своей природе систем, как газы, кристаллы, письменные тексты, биологические организмы или сообщества и др.

При этом, если для газа или кристалла при вычислении энтропии сравнивается только микросостояние (т.е. состояние атомов и мо­лекул) и макросостояние этих систем (т.е. газа или кристалла как целого), то для систем иной природы (биологических, интеллекту­альных, социальных) вычисление энтропии может производится на том или ином произвольно выбранном уровне. При этом вычис­ляемое значение энтропии рассматриваемой системы и количество информации, характеризующей степень упорядоченности данной системы и равное разности между максимальным и реальным зна­чением энтропии, будет зависеть от распределения вероятности состояний элементов нижележащего уровня, т.е. тех элементов, ко­торые в своей совокупности образуют эти системы.

Другими словами,

количество сохраняемой в структуре системы ин­формации пропорционально степени отклонения системы от состояния равновесия, обусловленного сохраняемым в структуре системы порядком.

Сам того не подозревая, Шеннон вооружил науку универсальной мерой, пригодной в принципе (при условии выявления значенй всех вероятностей) для оценки степени упорядоченности всех существующих в мире систем.

Опредеделив введенную Шеноном информационную меру как меру упорядоченности движения, можно установить взаимосвязь информации и энергии, считая энергию мерой интенсивности движения. При этом ко­личество сохраняемой в структуре систем информации пропорционально суммарной энергии внутренних связей этих систем.

Одновременно с выявлением общих свойств информации как феномена обнаруживаются и принципиальные различия отно­сящихся к различным уровням сложности информационных систем.

Так, например, все физические объекты, в отличие от биологических, не обладают специальными органами памяти, пере­кодировки поступающих из внешнего мира сигналов, информаци­онными каналами связи. Хранимая в них информация как бы «размазана» по всей их структуре. Вместе с тем, если бы кристаллы не способны были сохранять информацию в определяющих их упо­рядоченность внутренних связях, не было бы возможности создавать искусственную память и предназначенные для обработки информации технические устройства на основе кристаллических структур.

Вместе с тем необходимо учитывать, что создание подобных устройств стало возможным лишь благодаря разуму человека, су­мевшего использовать элементарные информационные свойства кристаллов для построения сложных информационных систем.

Простейшая биологическая система превосходит по своей сложности самую совершенную из созданных человеком ин­формационных систем. Уже на уровне простейших одноклеточных организмов задействован необходимый для их размножения сложнейший информационный генетический механизм. В многокле­точных организмах помимо информационной системы наследствен­ности действуют специализированные органы хранения ин­формации и ее обработки (например, системы, осуществляющие перекодирование поступающих из внешнего мира зрительных и слу­ховых сигналов перед отправкой их в головной мозг, системы обработки этих сигналов в головном мозге). Сложнейшая сеть информационных коммуникаций (нервная система) пронизывает и превращает в целое весь многоклеточный организм.

Уже на уровне биологических систем возникают проблемы учета ценности и смысла используемой этими системами информации. Еще в большей мере такой учет необходим для ананлиза функци­онирования интеллектуальных информационных систем.

Глубокое осознание специфики биологических и интеллекту­альных систем позволяет выявить те границы, за пределами ко­торых утрачивает свою компетентность разработанный современной наукой информационно-энтропийный подход.

Определить эти границы Шеннону пришлось на самом началь­ном этапе создания теории информации, поскольку без этого нель­зя было использовать количественную меру информации для оценки письменных текстов и других созданных разумом человека информационных систем. Именно с этой целью Шеннон делает ого­ворку о том, что предложенный им метод исчисления информации письменных текстов игнорирует такие же их неотъемлемые свой­ства, как смысл и ценность содержащихся в них сообщений.

Так, например, при подсчете количества информации, содержащейся в таких двух сообщениях, как «очередную партию Каспаров играет белыми» и «у гражданина Белова родился сын» получится одна и та же величина – 1 бит. Нет сомнения, что два этих сообщения несут разный смысл и имеют далеко не равнозначную ценность для гражданина Белова. Однако, как было отмечено выше, оценка смысла и ценности информации находится  за пределами компетенции теории информации и по­этому не влияет на подсчитываемое с помощью формулы Шеннона количество бит.

Игнорирование смысла и ценности информации не помешало Шеннону решать прикладные задачи, для которых предназначалась первоначально его теория: инженеру по технике связи вовсе не обязательно вникать в суть сообщений, передаваемых по линии связи. Его задача заключается в том, чтобы любое подобное сообщение передавать как можно скорее, с наименьшими затра­тами средств (энергии, диапазона используемых частот) и, по возможности, безо всяких потерь. И пусть тот, кому предназначена данная информация (получатель сообщений), вникает в смысл, определяет ценность, решает, как использовать ту информацию, которую он получил.

Такой сугубо прагматичный подход позволил Шеннону ввести единую, не зависящую от смысла и ценности, меру количества информации, которая оказалась пригодной для анализа всех облада­ющих той или иной степенью упорядоченности систем.

После основополагающих работ Шеннона начали разрабатываться основы смысловой (семантической) и ценностной (прагматической, аксиологической) информационных теорий .

Однако ни одной из этих теорий и предлагаемых их авторами единиц измерения ценности или смысла не суждено было приобрести такую же степень универсальности, какой обладает мера, которую ввел в науку Шеннон.

Дело в том, что количественные оценки смысла и ценности информации могут производится только после предварительного соглашения о том, что же именно в каждом конкретном случае имеет для рассматриваемых явлений ценность и смысл. Нельзя одними и теми же единицами  измерить  ценность  информации, содержащейся, скажем, в законе Ома и в признании любви. Иными словами, критерии смысла и ценности всегда субъективны, а потому применимость их ограни­чена, в то время как мера, предложенная Шенноном, полностью исключает субъективизм при оценке степени упорядоченности структуры исследуемых систем.

Так что же характеризует подсчитанная по формуле Шеннона величина энтропии текста, выражаемая количеством бит? Только лишь одно свойство этого текста - степень его упорядо­ченности или , иными словами, степень его отклонения от состояния полного хаоса, при котором все буквы имели бы равную вероят­ность, а текст превратился бы в бессмысленный набор букв.

Упорядоченность текста (или любой другой исследуемой сис­темы) будет тем больше, чем больше различие вероятностей и чем больше вероятность последующего события будет зависеть от вероятностей предыдущих событий[1]. При этом,

согласно негэнтропийному принципу информации ко­личество информации, выражающее этот порядок, будет равно уменьшению энтропии системы по сравнению с мак­симально   возможной   величиной   энтропии, соответствующей отсутствию упорядоченности и наиболее хаотичному состоянию систем.

Методы исчисления информации, предложенные Шенноном, позволяют выявить соотношение количества предсказуемой (то есть формируемой по определенным правилам) информации и количес­тва той неожиданной информации, которую нельзя заранее пред­сказать.

Содержащуюся в правилах информацию Шеннон определил как избыточную, потому что знание правил построения сообщений позволяет предсказывать появление букв (или других символов) раньше, чем они будут сообщены по линии связи.

Таким способом удается в той или иной степени «разгрузить» предназначенный для передачи сообщений канал. Проведенный Шенноном анализ английских текстов показал, что содержащаяся в них избыточная информация составляет около 80% от общего ко­личества информации, которое заключает в себе письменный текст. Остальные 20% - это та самая энтропия, благодаря которой текст может служить источником непредсказуемой энергии [2].

Если бы текстовые, устные или зрительные (в частности телевизионные) сообщения были полностью лишены энтропии, они не приносили бы получателям сообщений никаких новостей.

Если бы письменный текст строился только на основании за­ранее сформулированных правил , то, установив эти правила по тексту первой страницы, можно было бы заранее предсказать, что будет написано на страницах 50, 265, 521 и т.д.

ПРЕДЕЛЫ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Наиболее наглядной иллюстрацией информационно-энтро­пийных закономерностей и ограничений эволюционных процессов может служить письменный текст. А поскольку текст есть не что иное, как закодированное отражение устной речи, имеет смысл в дальнейшем вести речь об эволюции языка.

Примерами эволюционных изменений языка могут служить, в частности, образование неологизмов, заимствование иностранных слов и др.

Приобщение бывших социалистических стран к междуна­родному рынку сопровождалось ассимиляцией таких терминов, как «менеджмент», «маркетинг», «дилер» и т.п. С переходом к парла­ментским формам управления государством в бывших социалис­тических странах приобрели популярность такие понятия, как «кон­сенсус» и «плюрализм».

Процесс вовлечения в лексикон новых слов имеет ряд сущес­твенных ограничений. Необходимым условием ассимиляции ино­странных слов оказывается адаптация этих слов к новой языковой среде. При включении иностранного слова в лексикон нового языка, слово это должно подчиняться действующим в этом языке пра­вилам согласования слов (т.е. правилам склонения, сопряжения и др.). Подобная адаптация аналогична процессам обучения живых организмов правилам поведения в необычной для них среде.

В свою очередь правила согласования слов подчиняются требованиям, возникающим на еще более высоких уровнях языко­вой структуры.

Эти требования зависят прежде всего от смыслового содержания текста, от стиля, присущего составителю, данного текста и, наконец, от всего набора грамматических и фонетических правил данного языка.

Например, слово спутник было введено в русский язык Достоевским. Из бытовой сферы («спутник жизни») это слово распространилось в область астрономии («Луна – спутник Земли») и стало международным словом после того, как в Советском Союзе был запущен первый искусственный спутник Земли. Однако, при всех трансформациях смысла форма этого слова определялась правилами грамматики, ус­тановленными вместе с возникновением языка. Об этом свиде­тельствует совпадение структуры слова с-пут-ник с такими аналогами, как со-рат-ник и со-племен-ник, образо­ванными от корней древних слов племя и рать.

С биологическим и видами тоже могут происходить аналогичные метаморфозы. В результате мутаций может родиться заяц, у ко­торого уши будут короче, чем у собратьев, или его шерстяной поркров приобретет необычный цвет. Эти признаки он передаст по наследству, быть может, они закрепятся в потомстве, но при этом потомки нашего зайца тоже останутся зайцами, но ни в коем случае не превратятся в волка или лисицу и, уж тем более, не примкнут к отряду приматов. Подобно тому, как структура нового слова «спут­ник» совпадает со структурой древних слов «соратник» и «сопле­менник», внутренняя и внешняя структура организма современного зайца повторяет структуру зайца, появившегося в результате акта творения на нашей Земле.

Мутациям могут подвергаться только второстепенные признаки, а основные признаки вида остаются неизменными, подобно тому, как в приведенных выше примерах словообразований неизменными остаются определяющие смысловое значение каждого слова корни путь, племя и рать. При этом могут меняться второстепенные признаки слова (префиксы, суффиксы, окончания), превращая путь в спутник, попутчик, путевой, путевка, распутица, беспутный, путеводный и т.п.

Изначальный смысл слова путь при этом всюду останется неизменным, а основанные на коренном слове словообразования могут приобретать те или иные оттенки в процессе последующей эволюции языка.

Каждое новое слово подчиняется правилам, сохраняемым на высоких иерархических уровнях информационно-энтропической спирали и действующим сверху вниз и на уровне слов, и на уровне букв.

Подобным образом мог быть сформирован и живой организм. Правила, которым подчиняются все его со­гласованно функционирующие органы, ткани и клетки, могли быть «сформулированы» только на самых высоких, не доступных нашему разуму уровнях информационно-энтропической спирали.

Приведенная в таблице 1 «фраза», полученная в результате случайного комбинирования 8-и буквенных сочетаний, имеет формальные признаки осмысленных фраз. В ней можно раз­личить глагольные формы (враться), наречия (непо и корко), форму прилагательного (весел) и даже уловить некий опенок смысла (ка­кого-то бодрого действия, движения).

В свое время академик Щерба тоже приводил пример формализированной фразы, из которой можно было бы понять, что некая Глокая куздра штекобуданула (читай: «оттолкнула») некого «бокра» и кудрячит (читай: «приласкивает») бокренка. Означают ли две рассмотренные «фразы», что при движении снизу вверх по рассматриваемой нами спирали, можно путем случайных комбинаций букв и слогов получить осмысленный текст? Такой вывод был бы ошибочным. Формальное сходство с грамма­тическими конструкциями порождает всего лишь иллюзию смысла, потому что не смысл рождается из грамматики, а грамматика строится таким образом, чтобы с ее помощью можно было передать (т.е. закодировать) содержащийся в той или иной фразе смысл.

Таким образом, эти примеры еще раз убеждают нас в том, что план построения сложной информационной системы может формироваться только на верхних иерархических уров­нях и оттуда спускаться на нижележащие уровни, задавая на них тот или иной порядок чередования элементов.

Сказанное выше имеет самое непосредственное отношение к проблеме возникновения и функционирования биологических сис­тем.

Страницы: 1, 2, 3, 4