Аннотация: О подходах к определению понятия информация
А.Л.Шамис
Информация.
Что такое информация? По-моему, хороший ответ: информация это информация. Это слово просто, понятно и специального определения не требует. Точно также понятен и не требует никаких определений и глагол информировать. Правда, возможно и простое определение (толкование) на основе понятий сведения и знания. Информация это знания в какой-либо форме, предназначенной для запоминания, хранения, использования или передачи. Информировать, это передавать информацию, т.е. передавать сведения.
Однако, существует огромное количество самых разных определений.
Причина этого главным образом состоит в том, что формализация понятия информация с целью измерения ее количества произвела большое впечатление на представителей гуманитарных наук, что вызвало многочисленные попытки создания такого определения, которое подходило бы для практического использования в гуманитарных областях исследований.
Сразу после выхода классической работы Клода Шеннона у биологов, философов, филологов, психологов, историков и представителей других гуманитарных направлений исследований появилась надежда на то, что эти описательные эмпирические дисциплины, используя предложенную формализацию, станут науками точными и теоретическими. Этим надеждам не суждено было сбыться, поскольку теория информации Шеннона не имеет прямого отношения к проблемам, представляющим интерес для исследований, проводящихся в рамках гуманитарных наук.
Шеннон рассматривал схему, содержащую источник информации, передатчик, линию связи, приемник и адресат. Он предложил формулы для определения количества передаваемой информации и сформулировал теоремы о пропускной способности, помехоустойчивости, фильтрации, кодировании и т.п.
Основная формула Шеннона позволяет определить количество информации
в сообщении Х, вероятность которого P(X).
I(X)=-logP(X).
Другая формула Шеннона позволяет определить количество информации,
содержащейся в сообщении из N символов в зависимости от частоты их встречаемости:
I = -N PilogPi.
Еще одна формула Шеннона такова:
I(x,y) = log(P(x/y) / P(x)),
где I(x,y) -- информация, которую содержит событие y о событии x, P(x) вероятность события x до наступления события y, P(x/y) - вероятность события х при условии наступления события y.
Предложенную Шенноном формализацию правильно называть не теорией информации, а теорией передачи информации по линиям связи. При этом информация понимается как передающиеся сведения или описание. Основная работа Шеннона [5], вышедшая в 1949 году, называлась The mathematical theory of communication, т.е. математическая теория не информации, а коммуникаций (связи). Игнорирование Шенноном содержательной смысловой стороны информации послужило поводом для утверждений о недостаточности теории, хотя сама теория имела четко ограниченный предмет и первоначально ни на что другое не претендовала.
Выделяются два основных подхода к определению того, что такое информация. Согласно первому, идущему от основной шенноновской схемы, информация есть описание объекта, содержащееся в передаваемом сообщении. Количество информации в этом случае определяется как мера неопределенности, снимаемой полученным сообщением.
После Шеннона представителями математики, кибернетики и даже философии предпринимались многочисленные попытки формализации такого определения понятия "информация" при его более широкой или, наоборот, более узкой и в каком-либо смысле более полезной трактовке. Все это чаще всего делалось на основе какого-либо особого способа определения количества информации. Так предлагались алгоритмический, термодинамический, топологический, прагматический и др. подходы.
Для внесения семантической составляющей обычно в работах по определению количественной меры информации вводится какой-то дополнительный аспект путем постановки вопросов типа: как это используется (передающим объектом или принимающим субъектом) или что это дает (объекту или субъекту). Правда, на такие дополнительные вопросы не всегда возможен точный ответ. Например, количество информации может определяться как мера устранения неопределенности, имеющейся у субъекта, по выбору действий, ведущих к достижению субъектом каких-либо конкретных целей.
Такой подход к определению количественной меры информации типичен. Схема Шеннона, в центре которой между объектом и субъектом находится сообщение, по сути, сохраняется, но вводится определенная семантика. То есть для вычисления количества передаваемой от объекта к субъекту информации нужно вычислять вероятности или меры неопределенности или энтропии и тому подобное, но не вообще, а при некоторых дополнительных условиях, что в определенном смысле эквивалентно введению уровня рассмотрения.
Так, для того чтобы приведенное выше определение практически работало, для измерения количества информации нужно еще знать о возможных действиях субъекта и о способе их выбора, а также о целях субъекта, правилах постановки и выбора целей и о способах их достижения. Но и этого может быть недостаточно, поскольку на основе всей этой информации нужно еще определить способ вычисления вероятности достижения целей.
Итак, в идущей от Шеннона классической теории информации, так же как и в ее модификациях, на первое место ставится оценка количества информации, содержащейся в передаваемом или получаемом сообщении. Эти оценки обычно измеряются в битах и могут учитываться, например, при проектировании линии связи или памяти приемного устройства. В то же время, в подавляющем большинстве конкретных случаев, интересных для гуманитарных исследований, эти оценки либо невыполнимы, либо попросту не представляют интереса.
Конечно, можно пытаться создавать и какие-то другие теории информации, не имеющие отношения к теории Шеннона. Так часто и делают, вводя свои необходимые определения. (См., например, очень интересную работу Д.С.Чернавского [2]).
Распространен подход, при котором информация не связывается с передаваемым сообщением, а утверждается, что она относится к объекту, фиксирует его качественную определенность и измеряется разнообразием объекта. При этом считается, что информация является объективной характеристикой объекта, то есть информация заключена в самом объекте. Чем сложнее организован объект, тем больше он содержит информации.
Если принять не доказанный, но и не опровергнутый философский тезис о неисчерпаемости материи вглубь, то при таком подходе все объекты содержат одинаковое количество информации, равное бесконечности. В любом случае говорить о количестве заключенной в объекте информации можно только вводя информационный срез.
Часто считают, что информация имеет тот же статус, что вещество и энергия, и все в мире состоит из вещества, энергии и информации. Правда, с этим согласиться трудно. Если что-то и добавлять к веществу и энергии, то это естественней было бы назвать не информацией, а организацией, обеспечивающей качественную определенность и существование во времени материальных и не материальных объектов.
В некоторых теориях, сопоставляя статус вещества, энергии и информации, идут еще дальше, утверждая, что информация первична, а материя вторична. При этом часто ссылаются на Библию -- "В начале было Слово". Поскольку ссылка на библию весьма распространена, необходимо заметить следующее. Приводя цитату "в начале было слово", или, читая эту цитату, обычно думают, что речь идет о возникновении мира. Это неверно. В данном случае цитируется не книга бытия, а евангелие от Иоанна и речь идет не о сотворении мира, а о появлении в мире Христа.
Еще раз подчеркнем, что организацию объекта, определяющую его качественную индивидуальность и сохранение качеств во времени, отождествлять с информацией не только не обязательно, но и не нужно. Такое отождествление ничего не дает. Организация может быть (к сожалению, не всегда) записана на каком-то языке, передана или запомнена. Таким образом, организация, несет в себе лишь потенциальную информацию.
Итак, есть очень много различных трактовок и определений понятия "информация". В конце концов, это дело вкуса или удобства построения каких-либо теорий. К сожалению, общее, удовлетворяющее всех строгое определение в настоящее время, по-видимому, дать невозможно .
Попробуем приведенное простое толкование понятия информация, дополнить некоторыми качественными уточняющими представлениями. В мире есть взаимосвязанные и взаимодействующие материальные и нематериальные (придуманные) объекты, явления, ситуации и процессы, имеющие организацию, обеспечивающую их качественную определенность и существование во времени. Кроме того человек может оперировать абстрактными понятиями, например такими, как настроение, гнев, скука и др. Все это на самых разных уровнях рассмотрения может быть зафиксировано в виде информации четырех разных типов -- как описание, как алгоритм построения, как сенсорный образ или как модель. При этом, в случае описания информация может фиксироваться как в декларативным так и в процедурном виде.
Для создания описания нужен язык. Это может быть обычный язык общения, или специальный язык, в частности, язык математики. Эти же средства могут использоваться для фиксации алгоритма и, кроме того, в этих же целях могут использоваться языки программирования, либо, например, генный код. Для фиксации информации в виде модели, могут использоваться какие-то другие средства. Для формирования в мозге активной модели среды используются нейронные механизмы. Четвертый особый тип информации - сенсорный образ, служит для пространственной или контактной передачи сведений о среде в нервную систему.
Мне кажется, что информацию, понимаемую как описание или алгоритм, нужно (удобно) связывать с искусственным созданием, фиксацией, хранением или передачей и использованием, а следовательно, с создающим, фиксирующим, передающим, принимающим, считывающим, запоминающим или использующим информацию субъектом. (Классическая схема Шеннона).
Информация в виде активной модели проблемной среды или модели мира -- создается в мозге человека или в мозге животного в процессе обучения и приобретения жизненного опыта. Эта информация ориентирована, в первую очередь, на использование при восприятии, обучении и поведении. Слово использование не очень точно передает смысл дела. Создаваемая в мозге информационная модель это не пассивное хранилище используемых кем-то сведений, а активная система, принимающая ведущее участие в процессах обучения, восприятия и поведения.
Распространены представления о том, что создаваемая в мозге информационная модель является отражением действительности. Однако, модель проблемной среды человека или животного с развитой нервной системой не является ни зеркальным отражением, ни фотографией мира. Модель всегда субъективна. Используемая при ее построении информация о среде интерпретируется на основе уже имеющихся знаний. При построении модели всегда используется какой-то конкретный ограниченный информационный срез и целенаправленные познавательные гипотезы.
Информационная модель всегда неполна, поскольку относится лишь к части мира и к каким-то информационным срезам. Модель чаще всего неточна, являясь лишь некоторым приближением к действительности. Важной особенностью строящейся в мозге модели среды является ее иерархичность как по линии общее-частное, так и по линии часть-целое. Такое представление информации необходимо в первую очередь для решения многоэкстремальных задач поведения. Точно так же иерархическое построение модели необходимо для решения многих абстрактных в том числе и творческих задач [3]. Построение в модели обобщений и укрупнений это не отражение среды, а сложный процесс субъективной переработки информации, поступающей как непосредственно от органов чувств в виде сенсорных образов, так и в виде описаний.
Чем отличается активная модель от описания? Описание статично, пассивно и одномерно. Строящаяся в мозге модель среды динамична, активна и многомерна. В модели фиксируются сложные иерархически организованные знания об объектах среды и взаимосвязях между ними. На этой модели разворачивается активный процесс мышления, включающий активацию различных аспектов субъективной реальности - предвидение, умозрительное моделирование, умозрительное конструирование, ассоциации по сходству и по времени, интуицию, аналогии и другие процессы, в том числе и процессы творчества. В [3,4] предполагается, что в основе активности процесса мышления лежит возникновение в неустойчивых элементах нейронной модели очагов возбуждения и потребностей их гашения.
В построенной в мозге модели не просто актуализируется фрагмент субъективной реальности, соответствующий текущей непосредственно воспринимаемой или мысленно представляемой ситуации. По модели осуществляться расширение этого фрагмента, как в пространстве, так и во времени, ориентированное на существующую цель, доминанту, проблему или задачу. Происходит эмоционально окрашенное соотнесение себя со средой как субъекта восприятия и поведения в отношении прошлого, настоящего и будущего, в том числе не только в отношении предвидимых, но и в отношении умозрительно моделируемых как возможных, так и невозможных ситуаций.. Соотнесение себя со средой в процессе восприятия или поведения подразумевает возможное и предполагаемое взаимодействие. Возможно, что на этом основывается важная составляющая функции сознания. В то же время думаю, что главная функция сознания это непрерывное "высвечивание" и понимание актуального фрагмента модели.
Таким образом, результатом познания мира является строящаяся в мозгу человека информационная модель, не являющаяся прямым отражением мира. Содержание этой модели в какой-то форме и в каком-то объеме может быть переносимо на внешний носитель информации в виде описания. Это чаще всего очень не просто и неоднозначно. "Язык" активной нейронной модели и язык описания не имеют ничего общего. Примеры перевода фрагментов субъективной информационной модели мира писателя в субъективные текстовые описания дают литературные произведения. Формальный перевод модели в описание в общем случае невыполним. В нем чаще всего должны присутствовать элементы придумывания и творчества. Творческий перевод неоднозначен.
Обратный формальный перевод, т.е. построение активной модели мира, или какого-то ее фрагмента по описанию, тем более невыполним. Хотя бы потому, что мы не знаем как устроена модель мира человека. Частные модели мира отдельных людей могут как-то достраиваться и корректироваться по описаниям при обучении. При этом, построенные каким-то образом по одним и тем же книгам и учебникам субъективные модели разных людей могут сильно отличаться. Как реализуется процесс построения нейронной модели по описанию мы не знаем. На уровне существующих знаний о работе мозга эта задача пока еще решения не имеет.
В последнее время часто говорят о задаче расшифровки мозговых кодов психических явлений. Думаю, что постановка такой задачи применительно к более или менее сложным психическим явлениям неправомочна. Кодироваться и декодироваться естественным образом могут сообщения, т.е. описания или алгоритмы, зафиксированные на каком-то языке. Сообщения такого рода внутри мозга в процессе мышления не создаются. Кодов сложных психических явлений нет. Эти явления выражаются не кодами, а сложными взаимодействиями нейронных ансамблей в процессе их возбуждений. Эти взаимодействия рождают сознание и понимание. Как это делается нам не известно. Часто считается, что эти процессы неалгоритмичны и ставится под сомнение принципиальная возможность их формального выражения, а соответственно и возможность моделирования [1].
В плане расшифровки кодов психических явлений, по-видимому, можно решать лишь упрощенную задачу, а именно задачу установления причинно-следственных связей между возбуждениями каких-то ансамблей нейронов и действиями в пределах простой схемы стимул-реакция. Но даже и в этом случае установление такой связи вряд ли можно назвать кодом психического явления.
Обсуждая возможность моделирования мышления часто говорят, что информация инвариантна по отношению к физическим свойствам своего носителя. Это верно если имеется в виду информация в виде описания или алгоритма. Информация о среде, поступающая в нервную систему в виде сенсорного образа, полностью зависит от физических свойств своего носителя. В случае зрительного образа от света, при передаче по слуховому каналу от воздуха. Информация, образующая активную целостную модель среды, как бы "растворена" в своем носителе-мозге и вне его существовать не может.
Можно ли построить полностью аналогичную модель среды со всеми ее необходимыми свойствами мышления, и в том числе с такими, как активность, ощущения, сознание, воля, ассоциации, умозрительное моделирование, умозрительное конструирование, на другом физическом субстрате? Может быть, и можно, но это должна быть альтернативная небелковая жизнь. Может быть, в каком то объеме возможна и программная реализация. Но это, скорее всего, по своим свойствам будет сильно урезанный вариант. Все принципиальные свойства жизни основываются на биологическом типе движения материи, а именно на непрерывно и устойчиво поддерживаемом неравновесии. На этом же основываются принципиальные свойства мозга и мышления. Можно ли программно смоделировать устойчивое неравновесие? Может быть и можно, но, скорее всего, только в каком-то приближении.
Итак, единого, устраивающего всех определения информации не существует. Причина этого, во-первых, в том, что информацию часто неоправданно смешивают с организацией. Во многих таких работах можно заменить слово информация словом организация и по сути это ничего не изменит. Во-вторых, проблема, видимо, состоит в том, что информация может существовать в четырех разных видах -- в виде описания, в виде алгоритма, в виде сенсорного образа и в виде строящейся в мозге активной целостной модели среды. Дать определение информации, имеющей вид описания или алгоритма, проще. Дать строгое определение информации, существующей в виде сенсорного образа и тем более в виде активной многомерной модели среды, включающей объекты, ситуации, действия и процессы со всеми сложными взаимоотношениями между ними в процессе ее работы, не просто сложно, а пока еще невозможно. Может быть, так же сложно, как дать строгое конструктивное определение процессу мышления.
Иногда утверждают, что создание и увеличение количества информации является целью эволюции жизни. Все сказанное выше приводит к выводу, что это не так. Увеличение количества информации самоцелью эволюции жизни не является. Информация, содержащаяся в строящейся в мозге модели среды, необходима для восприятия, поведения и обучения. Наследуемый генетический код содержит информацию об организации живого организма. Эта информация, зафиксированная, по-видимому, преимущественно в процедурном виде, используется организмом для развития, а также для управления необходимой постоянной внутренней и внешней работой. Эта информация передается потомству при размножении.
Таким образом, информация необходима для поддержания, развития, продолжения и эволюции жизни. Жизнь без генетической информации об организации организма, записанной в ДНК его клеток невозможна. Кроме того, у живых организмов, в том числе и у простейших, должна быть информация о среде существования, фиксируемая не в генетическом коде, а в нервной системе, или в каком-то ее простейшем аналоге. Но при этом во всех случаях создание, т.е. получение и фиксация информации, как в генетическом коде, так и в нервной системе, является не самоцелью, а средством, необходимым для существования и развития жизни.
Литература
1. Пенроуз Р. Новый ум короля. Москва, УРСС, 2004.
2. Чернавский Д.С. Синергетика и информация. М., URSS, 2004.
3. Шамис А.Л. Модели поведения, восприятия и мышления. М.Интуит, 2010.