9. Подведем итог сказанному.

Основные положения термодинамики информационных процессов мы можем свести к следующим.

• При данном распределении вероятностей состояний системы сумма информации и энтропии постоянна и равна максимальной информации, получаемой о системе (полной информации), либо полной энтропии. Увеличение информации всегда сопровождается снижением энтропии или наоборот.

• Всякий информационный процесс всегда связан с энергетическим процессом. Вследствие этого при любом информационном процессе получение информации требует строго определенных энергетических затрат, эквивалентных рассеянию энергии равному . Побочным результатом этого вывода является следующий: нельзя получить информацию о состоянии адиабатически изолированной системы, поскольку для ее получения необходимы затраты энергии, которая может быть введена только внешним агентом.

• Приведенный численный результат энергозатрат на получение информации в размере на одну двоичную единицу есть предел, при котором вероятность правильной идентификации интересующего нас объекта равна 0,5 (то есть имеем 50% шансов, что наблюдение правильно и 50% шансов за то, что наблюдаемое отклонение обусловлено шумом физической природы, который принципиально неустраним). Точная идентификация требует энергозатрат равных , или почти в шесть раз больших.

• Поскольку любое наблюдение требует затрат энергии, получение информации о какой-либо системе или отдельной ее части, то есть снижение энтропии этой системы или ее части ведет к повышению энтропии в окружении системы или в другой ее части.

• Увеличение энтропии окружения системы или ее части всегда равно, либо больше получаемого количества информации. Другими словами, информация всегда должна оплачиваться негэнтропией и оплата, как минимум, равна или больше полученной информации.

• Исследования показывают, что поскольку всякое наблюдение сопровождается увеличением энтропии, оно всегда связано с необратимым процессом. То есть процессы восприятия информации чрезвычайно неравновесны и всегда необратимы.

• Следствием чрезвычайной неравновесности процессов рецепции является то обстоятельство, что очень малое количество информации, порядка нескольких бит вызывает, порой значительные макроскопические изменения. Так, например, один бит информации – замена красного сигнала светофора на зеленый, вызывает переключения интенсивных транспортных потоков, по своей энергетической мощности не сопоставимых с энергией сигнала.

3.4.4. Информационные процессы в управлении.

1) Сигналы и сообщения: общие понятия.

1. В наиболее общем виде мы можем выделить три основных типа движения информации и, соответственно, три типа работы, которые мы можем производить над информацией⁴⁸.

1) Хранение (то есть транспортировка во времени) информации заданного вида в заданном месте;

2) Передача информации заданного вида по заданному направлению (транспортировка в пространстве).

3) Селекция, то есть разделение информационных потоков, выделение потока информации заданного вида и ее изоляция от потоков информации других видов.

Эта типология является, на наш взгляд, хорошей основой последовательного решения целого ряда задач, связанных с более глубоким уяснением сущности информации и информационных процессов.

Эти работы можно характеризовать как с чисто информационной точки зрения, рассматривая такие параметры как количество информации, ее точность и другие, так и с точки зрения термодинамики, исследуя такие явления, как энергетические затраты на получение данного количества информации, энтропийные эффекты и т.д. Мы рассматриваем оба аспекта, поскольку они имеют непосредственное отношение к исследуемой нами проблематике – анализу организационных процессов. В данном разделе остановимся на чисто информационной стороне процессов.

2. Возможность накопления материальными системами структурной информации, как это указывалось выше, заключается в свойстве всех материальных систем запечатлевать и сохранять в своей структуре следы воздействия других систем, накапливать их.

В процессе взаимодействия материальных систем всегда происходят определенные изменения одной или нескольких структур взаимодействующих объектов⁴⁹. Так, например, при сохранении информации на бумажных носителях мы изменяем поверхностную структуру бумаги, нанося на нее определенные красители; в ходе грамзаписи – изменяется поверхностная структура (рельеф) пластинки; при записи на магнитных носителях - изменяется структура магнитного слоя и т.д.

Именно структурная неоднородность материальных систем, пластичность их структур и позволяет им накапливать информацию. Причем, информация может сохраняться в этих случаях достаточно продолжительное время.

Преобразование структурной информации в оперативную информацию происходит в ходе дальнейшего взаимодействия систем.

3. В процессе передачи, восприятия и вообще – движения информации происходит передача некоторого содержания, первичным элементом которого, вслед за М.Мазуром мы будем считать сообщение.

Поскольку проблема сообщений достаточно детально рассмотрена в указанной работе М.Мазура⁵⁰, изложим только основные моменты, дополнив их положениями, сформулированными другими авторами.

Суть этих положений сводится к следующему.

Всякое физическое состояние М.Мазур рассматривает двояко:

• с энергоматериальной точки зрения, то есть как состояние, описываемое количеством энергии и массы (количеством вещества);

• со структурной точки зрения, то есть с позиций распределения энергии и вещества в пространстве и во времени.

Если некоторая система должна выполнить определенную работу, то необходимый для этого процесс должен быть основан на энергоматериальных изменениях, то есть на использовании определенного количества энергии и вещества.

Но в процессе управления всегда происходят структурные изменения в управляющей системе, которые обеспечивают требуемые изменения в управляемой системе.

При этом, в рабочем процессе существенно наличие сил, изменяющих определенное физическое состояние. В процессе управления, основанном на структурных изменениях важно существование различий между определенными физическими состояниями, То есть на первый план выдвигается возможность различения состояний разных систем или одной и той же системы. То же самое относится и к передаче информации.

Из этих соображений автор выдвигает следующее определение.

Сообщение (коммуникат) есть физическое состояние, определенным образом отличающееся от других физических состояний в цепи управления.

Можно сказать: воздействие цепи управления состоит из определенного числа сообщений. Это число зависит от детальности различения физических состояний, представленных сообщениями.

Сообщением может быть все, что в какой-то мере можно отличать от чего-то другого в процессе передачи информации или управления.

В частности, в качестве сообщений могут выступать значения измеряемой величины, отличающиеся от других значений этой же величины; цвет (или оттенок цвета), отличающийся от других цветов или оттенков; положение какой-либо точки, отличающееся от положения других точек и так далее.

Говоря о сообщении, всегда следует иметь в виду, что поскольку информация есть сторона отражения, образ реально существующих объектов, явлений, процессов – понятие информации всегда связано с некоторыми моделями реальных вещей.

Поэтому под информацией в ее оперативной форме мы понимаем не сами предметы, явления, процессы, а их представительные характеристики, данные нам в той или иной форме.

Следовательно, любое сообщение о событии всегда беднее, чем само событие, поскольку сообщение описывает только некоторые стороны события, существенные для кибернетической системы.

«Информация, - пишет И.А.Полетаев - это то, что несет на себе след какого-то факта, события, которое уже произошло или должно произойти, все то, что доставляет нам об этом факте сведения или сообщения. Создание, передача, хранение использование и, главным образом преобразование информации происходит в машинах и живых организмах по определенным и строгим законам»⁵¹.

Поскольку сообщения есть некоторая модель реальных вещей и событий, то в силу изоморфизма явлений природы, сообщения не обязательно принадлежат к одному и тому же множеству одного и того же рода. К примеру, в разведке – газета может означать «Не подходи, за мной следят», снятая шляпа – «Все в порядке» и т.д.

Весьма интересный и пример подобного рода приводит У.Эшби.

«Заключенного должна посетить жена, однако ей не разрешается передавать ему никаких сообщений, даже самых простых. Можно подозревать, что они заранее, еще до ареста договорились о каком-то простом коде. При посещении она просит послать мужу чашку кофе. Если передача напитков не запрещена, как может тюремщик добиться того, что с помощью этой чашки не будет передано никакого закодированного сообщения? Он знает, что жена хочет сообщить мужу, захвачен ли или нет один из его сообщников. Тюремщик может рассуждать примерно следующим образом: «Может быть, она условилась сообщить ему об этом послав либо сладкий, либо несладкий кофе, - тогда я могу помешать им, добавив в кофе побольше сахару и сказав об этом заключенному. Может быть, она условилась сообщить ему об этом, послав или не послав ложку, - тогда я могу помешать им, изъявши ложку и сообщив ему, что передача ложек воспрещается правилами. Она может сообщить ему об этом, послав чай вместо кофе…- нет, не может! Они знают, что в это время в столовой выдается только кофе». Так он рассуждает и дальше; здесь примечательно то, что интуитивно он стремится пресечь всякую возможность связи, сводя все возможности к одной – всегда с сахаром, всегда без ложки, только кофе и т.д. Коль скоро все возможности сведены к одной, связь прервана, и посылаемый напиток лишен способности передавать информацию»⁵².

Таким образом, формы сообщений могут быть весьма многообразны.

Второй момент, который весьма существенен в концепции М.Мазура – разделение сообщений на активные и пассивные.

Под активными сообщениями автор понимает явления, которые могут существовать до тех пор, пока поступает энергия и которые могут создавать в цепи управления другие сообщения. Таким образом, активные сообщения как следует из контекста определения, всегда относятся в оперативной информации и процессам ее передачи.

Под термином «пассивные сообщения» понимаются следы явлений, которые существуют без притока энергии и не могут создавать новые сообщения. Поскольку такие «следы явлений» могут сохраняться только в структуре объекта – пассивные сообщения, суть не что иное, как структурная информация.

Чтобы множество пассивных сообщений преобразовать во множество активных сообщений, необходим приток энергии не только от источника сообщений (то есть той системы, которая порождает эти сообщения), но и от приемника (то есть системы воспринимающей информацию). При этом автор подчеркивает, что если параметры энергии приемника отличаются от параметров энергии, поступающей от источника воздействий, то при преобразовании пассивных сообщений в активные может произойти их искажение. Искажение может произойти и в процессе управления, основанном исключительно на преобразовании активных сообщений, если какое-то множество активных промежуточных сообщений претерпело усиление от притока энергии из приемника воздействий. Пример – воспроизведение грамзаписи, когда скорость вращения пластинки отличается от скорости, при которой осуществлялась запись.

4. Информация может проявляться только в материально-энергетической форме, в виде сигналов, порождаемых тем или иным способом физическими оригиналами (источниками информации).

Под термином «сигнал» здесь и далее мы будем понимать любой физический процесс, являющийся носителем информации. Так, например А.А.Ляпунов, рассматривая системы управления, пишет:

«... возможны потоки информации весьма разнообразной природы. Наиболее характерными являются два типа потоков: 1) потоки информации в собственном смысле этого слова, то есть системы сигналов, которые могут преобразовываться одни в другие, передаваться по различным каналам связи и для которых характерно лишь то, что после уничтожения они не могут быть восстановлены; 2) потоки материи, которые удовлетворяют законам сохранения, и, следовательно, не могут размножаться, но допускают акты взаимной замены.

С общей точки зрения, как то, так и другое, при описании УС (управляющих систем – Е.К.) рассматривается как информация»⁵³.

5. Таким образом, в качестве сигнала мы можем рассматривать процесс любой природы. Но что делает этот процесс сигналом?

Во-первых: наличие определенной структуры данного процесса. По этому поводу И.А.Полетаев пишет:

«Существенным в природе сигнала является не сам физический объект, в котором сигнал воплощен, а лишь тот факт, что сигнал представляет собой множество различных состояний физического объекта или процесса»⁵⁴. И далее: «…для сигнала существенным является не наличие энергии, а изменение ее поступления, то есть различие состояний (выделено мною – Е.К.)»⁵⁵.

Во-вторых: наличие конкретной системы, которая может воспринимать данный процесс как сигнал. Вновь приведем высказывание по этому поводу И.А.Полетаева:

«...сигнал как физический процесс, несущий на себе информацию, то есть сохраняющий соответствие с тем или иным событием, всегда существует только в пределах некоторой организованной системы. Эта система в силу своих свойств позволяет реализовать все свойства сигнала, из которых главным является то, что сигнал используется для управления, то есть для создания реакции или ответа на изменение внешней обстановки. Вне организованной системы сигнал может существовать и сохранять свои физические свойства, но теряет все свойства сигнала, утрачивается информация, связь с событием и реакция, утрачивается возможность понять сигнал, использовать его для выработки реакции. Кибернетическая система, в пределах которой существует данный сигнал и которая, таким образом обеспечивает условия его существования, должна быть заранее организована, то есть, построена по некоторому плану, и иметь определенную степень сложности. Иначе говоря, структура системы уже заключает в себе некоторую информацию, которую мы назовем предварительной по отношению к текущей информации, которую несет на себе сигнал, существующий в данной системе»⁵⁶.

Третье условие восприятия данного процесса как сигнала – наличие в системе некоторого количества структурной информации, позволяющего, как мы увидим в дальнейшем, обеспечить понимание содержания поступающей информации

Остановимся на этих моментах подробнее.

Рассматривая проблемы взаимосвязи информации и энергии, М.И.Сетров пишет:

«Свойство информационности то или иное материальное воздействие приобретает лишь при особом отношении энергии воздействия к энергии отражения. И все информационные процессы суть реализация этого энергетического отношения систем. Представление о не силовом воздействии информации, о независимости информации от массы и энергии взаимодействующих тел всегда было (и остается по сей день) одной из основных причин мистификации духовной деятельности человека вообще и сугубо информационных процессов в частности. Этот своеобразный «информационный фетишизм» чрезвычайно широко распространен. Причем аргумент в пользу такого взгляда совершенно типичный: проявлением независимости информации от массы и энергии является то, что одна и та же информация может быть передана различными телами с различной массой и энергией.

Такой довод внешне кажется неоспоримым. Однако анализ сущности информационного процесса делает его несостоятельным. Для передачи того или иного сообщения необходим совершенно определенный минимум энергии сигнала.

Максимум необходимой энергии сообщения, хотя и менее строго, также можно определить.

Сказанное выше относится к количественной стороне информационного процесса. Качественная сторона процесса связана с трансформацией одних видов энергии в другие. Верно отмечается, что одна и та же информация может быть передана различными по качеству энергии носителями, но неверным является мнение, что информация может быть воспринята в виде различных видов энергии. Электрическая (или электронная машина может воспринять информацию только в виде электрических сигналов, механическая - в виде механических ....Для того, чтобы электрическая машина среагировала на механическое или световое воздействие, последние должны быть преобразованы в электрические сигналы. Наличие соответствующих преобразователей .... снимает различие между отдельными видами энергии сигналов, является причиной сведения всех форм воздействия в один, соответствующий специфике данной системы вид энергии.

…Сигнал - это энергетическое воздействие, способное переводить воспринимающую систему в новое состояние скачком. Информация есть соответствие по силе и сродству энергетических состояний воздействующей и отражающей систем, определяющее сигнальный характер воздействия. Любая система испытывает действие огромного числа различного рода сил, однако, сигнальный характер для нее приобретают лишь такие влияния, которые оказываются по силе достаточными и по роду соответствующими степени возбужденности и виду свободной энергии этой системы»⁵⁷.

Приведенные положения во многом перекликаются с теми, которые выдвигает И.А.Полетаев, причем существенно дополняя их. Со многими из них нельзя не согласиться.

Но основная, на наш взгляд, ошибка автора в том, что, пытаясь уйти от информационного фетишизма, он впадает в другую крайность: полное отрицание информации как самостоятельного и несводимого к другим атрибута материи, сведение информационных процессов - к энергетическим.

Что значит, например, «соответствие по силе и сродству энергетических состояний»? Если судить по контексту, речь идет о соответствии вида энергии и мощности энергетического сигнала. Но любой процесс, и мы об этом говорили, обладает и своей структурой, делающей его индивидуальным и неповторимым. Это видно уже на примере элементарных частиц, в поведении которых мы наблюдаем и корпускулярные и волновые свойства: частица при своем движении характеризуется не только количественными параметрами (энергией , например), но и структурными – длиной волны или частотой ( ). Причем имеем строгое соотношение этих параметров: . ( - постоянная Планка). Чтобы какой-либо процесс передавал информацию, требуется, чтобы этот процесс не только нес энергию данного конкретного вида и необходимой мощности, но и обладал соответствующей структурой. При этом, по-видимому, именно взаимодействие структурных характеристик процесса, несущего сигнал о характеристиках структурной информации системы и порождает реакцию системы на информационное воздействие.

Например. Чтобы передавать информацию с помощью электромагнитных волн требуется не только определенная частота волны и мощность сигнала, но и ее модуляция, то есть преобразование структуры потока электромагнитных волн как целого, во-первых, а, во-вторых, на приемном конце канала требуется и соответствующий процесс демодуляции.

Подобные, хотя и более сложные, соотношения между структурой и энергетикой характерны и для любого процесса и любой системы.