Книга: ЧЕЛОВЕК И НООСФЕРА

О понятиях «информация» и «память»

О понятиях «информация» и «память»

Всеобщий процесс развития может рассматриваться в самых разных ракурсах, и каждый из них открывает нам его особенности, позволяет более отчетливо понять действие механизмов самоорганизации. Один из таких ракурсов — информационный.

Выше мы уже обсуждали различные формы памяти и их влияние на течение общего эволюционного процесса. Я постарался обратить внимание на то, что появление новых принципов (механизмов) хранения и передачи информации способно качественно изменить весь характер процессов развития, саму структуру «алгоритмов эволюции». Теперь я постараюсь рассмотреть проблему информации с более общих позиций и выяснить место информации в общем процессе развития Природы и общества.

Само понятие «информация» крайне дискуссионно. Заметим, например, что до сих пор не существует его общеупотребительного определения, и оно используется главным образом на интуитивном уровне.

За последнюю четверть века появилось огромное количество сочинений, посвященных обсуждению понятия «информация», сфер его применения, его соотношению с другими научными понятиями, его месту в научных исследованиях.

И тем не менее очень многие вопросы, да и само толкование понятия «информация» представляются весьма спорными. Так, например, несмотря на все то важнейшее значение, которое имеет информация в общем описании единого процесса развития материи, я не могу согласиться с мнением тех ученых — философов, математиков, физиков, биологов и особенно кибернетиков, которые считают информацию всеобщим свойством материального мира.

Во-первых, я полагаю, что строгого и достаточно универсального определения информации не только нет, но оно и вряд ли возможно. Во-вторых, это понятие мне представляется в некотором смысле «историческим». Необходимость его введения возникает лишь при описании довольно поздних этапов развития материального мира, лишь тогда, когда в нем зарождается жизнь.

Если описывать последовательное развитие материального мира, опираясь на принцип «лезвия Оккама», то информация появится в нем лишь тогда, когда мы начнем изучать системы с целеполаганием, то есть объекты, способные к целенаправленным действиям. Именно только такие системы порождают необходимость использования термина «информация», без которого нельзя описать процедуры принятия решений, то есть целенаправленного поведения, и изучать зависимость характера принимаемых решений от изменений внешних условий.

Во всех остальных случаях вполне можно обойтись без использования термина «информация». Действительно, ведь все процессы, протекающие в неживой природе, подчиняются законам физики и химии. И только им! Это значит, что все явления, протекающие в неживой природе, могут быть объяснены и поняты без привлечения этого термина.

Отсюда следует, в частности, что и описание подобных явлений не нуждается также и в использовании понятия обратной связи, которое приобретает смысл лишь при изучении процессов, связанных с переработкой информации. Вскользь мы об этом уже упоминали в одной из предшествующих глав. И мне кажется, что термины «информация» и «обратная связь» употребляются в настоящее время гораздо шире и чаще, чем это требует необходимость адекватного описания изучаемых явлений.

Употребляя термин «информация», важно также помнить и об этимологии этого слова. В обычном, то есть житейском смысле оно означает сумму сведений, которую получает некоторый субъект — человек или группа людей (или животных) — об окружающем мире, о самом себе, о другом субъекте или изучаемом явлении — сведений, с помощью которых он может точнее прогнозировать результаты своих действий и отбирать способы использования своих возможностей для обеспечения собственных интересов и для достижения поставленных целей. В этой трактовке информации центральной фигурой оказывается субъект (человек), который использует полученные сведения по своему усмотрению. Понятие «субъект» можно и обобщить, распространив его на все живые существа, а не только на человека, а также на организмы (надорганизменные системы — по определению биологов), обладающие целеполаганием.

Подобная позиция отражает то представление об информации, которое сложилось в теории эффективности и исследовании операций еще в предвоенные годы к середине 30-х годов. В этой книге я буду придерживаться именно этой позиции. Из нее вытекает, в частности, что термин «информация» целесообразно использовать только в тех случаях, когда для объяснения изучаемого феномена невозможно ограничиться языком традиционной физики.

Языком физики можно описать с достаточной полнотой и точностью все те процессы, которые протекают в неживой природе. Но для описания процессов биологической, а тем более социальной природы этого языка уже недостаточно. Правда, и для таких процессов часто удается дать физикоподобное описание. Так бывает всякий раз, когда нам удается параметризировать все поведенческие особенности и процессы передачи и использования информации, а описание самого процесса представить, например, в форме законов сохранения (балансовых соотношений).

Теория Лотки — Вольтерра — Костицина в популяционной динамике, балансовые и оптимизационные модели в экономике дают нам примеры физического описания некоторых процессов в биологии и экономике. Однако такой подход далеко не всегда «работает». Тогда приходится создавать специальные классы моделей, в которых важную роль играет информация, процессы ее передачи и получения. Как правило, это модели принятия решений с использованием процедур человеко-машинного диалога.

Таким образом, не следует умножать сущность без меры — принцип «лезвия Оккама»: не следует вводить термин «информация», если в этом нет необходимости, если без этого можно обойтись. И тем не менее в современной литературе широко распространена противоположная тенденция: «информация» превратилась прямо-таки в модное слово, которое используется не только тогда, когда без него вполне можно и обойтись, но даже и тогда, когда его употребление лишь усложняет объяснение феномена.

Это касается прежде всего попыток распространения информационного языка на явления мира неживой природы. Так, на одной публичной лекции лектор, стремясь продемонстрировать универсальность понятия «информация», провел следующее рассуждение. Рассмотрим движение материальной точки в гравитационном поле. Четкое и простое объяснение особенностей этого явления, как известно, дается ньютоновской механикой. Но лектор решил поступить по-другому, он сказал примерно следующее: пусть материальная точка, находящаяся в заданный момент времени в некоторой точке гравитационного поля, обладает ненулевой скоростью. В силу этого обстоятельства в следующий момент времени она окажется уже в другой точке этого поля, где его напряженность будет иной. Получив эту информацию, точка изменит свою скорость, следуя закону Ньютона.

Логических ошибок в приведенном рассуждении вроде бы и нет, если, конечно, не считать того, что физические объекты не являются субъектами, способными воспринимать и изменять по своей воле те параметры движения, которые предопределены законами физики. Приведенное рассуждение не упрощает и не уточняет паши представления о движении тел под действием сил тяготения.

Точно так же и термин «обратная связь» часто используется в тех случаях, когда в физических и химических системах возникают компенсационные эффекты, аналогичные проявлению свойств устойчивости. При желании и принцип Ле-Шателье можно трактовать как проявление обратной связи, хотя он является следствием законов неживой природы. А вот еще один пример использования понятия «обратная связь», когда его использование только усложняет изложение; этот пример заимствован из солидных изданий.

Предположим, что в силу каких-то причин произошло некоторое потепление климата. Оно приведет, очевидно, к уменьшению площади, покрытой ледниками и снегом. В результате альбедо земной поверхности несколько уменьшится, то есть поверхность планеты станет усваивать большее количество солнечной энергии. Это означает, что средние температуры атмосферы снова несколько повысятся. Последнее приведет, очевидно, к дополнительному сокращению ледников, что вновь несколько уменьшит альбедо. Отсюда делается вывод, что система «климат — ледники» характеризуется положительной обратной связью. Такой вывод, однако, излишен, ибо весь описанный процесс полностью объясняется законами физики, а принцип обратной связи, как его понимают в теории управления, не есть их следствие.

Используя термин «обратная связь», часто забывают о том, что он возник в теории регулирования при создании систем управления техническими объектами. Эти системы проектируются с таким расчетом, чтобы движение объектов, управляемых с их помощью, обладало бы определенными свойствами, например, устойчивостью. В этом процессе проектирования всегда присутствует субъект, то есть человек, проектирующий объект и наделяющий его определенными свойствами.

Чувствительный элемент, если угодно, рецептор системы управления самолетом — это гироскоп. Он физически реагирует на поведение самолета, определяя тем самым его положение в пространстве. Субъект, то есть конструктор, проектирующий систему управления, ставит в соответствие реакцию автопилота с вполне определенным изменением движения проектируемого самолета. Этот способ выбирается конструктором по его усмотрению. Он, конечно, не противоречит законам физики, но и не является их следствием.

Итак, выбранное соответствие, связывающее настоящее состояние движения объекта управления с его последующим движением, и носит название принципа обратной связи.

Еще раз подчеркну: этот принцип согласуется с законами физики, но не исчерпывается ими, ибо указанное выше соответствие определяется целями субъекта, его выбором. Поэтому-то принцип обратной связи и является новым принципом отбора, который формируется только субъектом, получающим информацию о состоянии и поведении управляемого объекта.

Что же касается применения термина «обратная связь» для объяснения явлений, подпадающих под действие принципа Ле-Шателье, или аналогичных ситуаций, которые являются прямым следствием законов сохранения, законов кинетики и т. д., то такое использование этого термина я считаю просто удобным жаргоном.

Итак, в задачах, возникающих при изучении неживой природы, термины «информация» и «обратная связь» излишни, если, конечно, речь не идет об отношениях субъект — объект. Именно в силу последнего обстоятельства строго указать границу, когда этот термин приобретает фундаментальное значение, непросто. Эта непростота заставляет нас вспомнить о сложности проведения границы между живым и неживым веществом.

Примечание. В моей работе важное место занимает гипотеза о существовании переходных процессов между различными квазистационарными состояниями, в частности, об отсутствии четкой границы между живой природой, формирующей механизмы обратной связи, и природой неживой, развитие которой описывается с помощью одних только законов физики и химии.

Эту гипотезу биологи, как правило, не приемлют, ссылаясь на принцип Пастера — Редди: все живое происходит только от живого. Возражения биологов имеют под собой прочный экспериментальный фундамент — отсутствие материала, подтверждающего возможность существования вещества, которое нельзя было бы идентифицировать как живое или неживое.

Но если принять эту традиционную для биологов точку зрения, мы окажемся вынужденными отрицать единство процессов саморазвития материи. Не лучше ли великий принцип «живое только от живого» дополнить словами: в современных земных условиях. Тогда предположим, что однажды жизнь возникла из неживого вещества скачкообразным переходом. Такая позиция лишена логических противоречий.

Кроме того, она может опереться на существование механизмов бифуркационного типа со скачкообразными переходами. Но любая бифуркация в сложных системах всегда происходит не мгновенно — она протяженна во времени, а переход в новое квазистационарное состояние всегда происходит через ряд промежуточных состояний, образующих фазовую траекторию системы.

Резюмирую: мне представляется предпочтительнее гипотеза о том, что переходные формы от неживого к живому существовали, но были весьма неустойчивыми. Обнаружить их следы на общем фоне земной эволюции практически невозможно. Вряд ли биологи будут утверждать, что эукариоты возникли независимо от прокариотов, тем не менее в нашем распоряжении нет никаких данных о существовании переходных форм.

Итак, я высказался достаточно категорически о смысле термина «информация» и его месте при описании процессов развития. Теперь я хочу признать, что и для описания явлений, происходящих в неживой природе, иногда бывает удобным употреблять этот термин. Его использование позволяет иногда компактнее описать и нагляднее интерпретировать наблюдаемые явления.

Так, например, М. Эйген в своих исследованиях динамики и редупликации биологических макромолекул, то есть для анализа предбиологической стадии развития неживого вещества, широко использует этот термин. Он говорит о записи информации, ее кодировании теми или иными белками и нуклеиновыми кислотами, о передаче и сохранении информации и т. д.

Но это лишь удачный способ выражения того факта, что в известных условиях создается возможность точного и многократного повторения одного и того же процесса, каким, по существу, и является механизм передачи наследственной информации. Его действие происходит, как это и показано работами М. Эйгена, на том уровне организации, на котором еще нет оснований говорить о субъекте и целесообразности.

Из этих работ вытекает возможность описания работы генетического кода без использования понятий «информация», в рамках языка физики и химии. Поэтому, когда мы говорим о механизме запоминания и передачи наследственной информации, действующем на уровне биологических макромолекул, то есть на «преджизненном» уровне, мы допускаем метафорический способ выражения. Ради удобства и краткости изложения мы вводим определенный язык, отступая от изначального смысла используемых слов. Ведь то, что мы иногда называем кодированием информации и редупликацией, необязательно относится к живому веществу. В этих случаях возникает ситуация, подобная той, которую мы описали, говоря о принципе Ле-Шателье. И там и тут возможны объяснения, опирающиеся на терминологию, принятую в физике и химии.

Совсем по-иному дело обстоит, когда мы хотим описать причины того, почему в земных условиях передача наследственной информации стала необходимостью «прогрессивной» эволюции и на Земле утвердился один-единственный генетический код. Здесь уже присутствует целенаправленный отбор, возможно и не выводимый из законов, управляющих развитием неживого вещества, которые нам известны. Ответить на вопрос о том, как возник этот код, мы пока не можем.

Информация сама по себе ничего не стоит и не означает ничего. Бессмысленно говорить о ценности информации как о некоторой ее абсолютной характеристике. Информация нужна субъекту для обеспечения возможности успеха некоторых целенаправленных действий. Поэтому, если мы начинаем изучать деятельность живого организма, стремящегося сохранить и упрочить свой гомеостазис и формирующего для этого петли обратной связи, без понятия «информация» обойтись уже нельзя — нельзя в принципе!

Прыгая с ветки на ветку, белка должна знать, как далеко от нее следующая ветка, приблизит ли она ее к преследуемой цели, способна ли, наконец, удержать ее эта следующая ветка. И вообще — нужна ли ей эта ветка? Качество же информации зависит от того, насколько белка способна оценить положение ветки, ее соответствие программе своих действий.

Таким образом, качество информации зависит также и от субъекта, его способности воспринять и обработать информацию. Если белка окажется, например, близорукой, то информация о положении ветки может оказаться для нее не только бесполезной, но и вредной или даже смертельной. Значит, качество информации оценивается прежде всего тем, насколько знания, полученные о предмете или окружающей обстановке, помогают в принятии решений. Только тогда, когда существует цель, полностью раскрывается значение, ценность и смысл информации.

Понятие ценности информации трудно еще и потому, что информация — это не просто некое возмущение, внешний сигнал, действующий на систему, но и внутренняя оценка этого возмущения (сигнала), обусловленная активностью сознания. Иными словами, информация и ее оценка возникают и могут быть понятыми лишь в контексте отношений субъект — объект.

На развитие утвердившегося в широких кругах понимания смысла информации и па развитие соответствующей теории оказали большое влияние работы Н. Винера и К. Шеннона. Для оценки качества информации К. Шеннон ввел энтропийные меры — функционалы, по форме совпадающие с выражением для энтропии.

Эта связь информации и энтропии была затем рядом авторов абсолютизирована (и гипертрофирована). Сам же К. Шеннон изучал довольно узкий круг вопросов, касающихся передачи сигналов с помощью технических устройств — по радио, по телефону и т. д. При этом преследовалась вполне определенная цель: оценить качество передающих технических устройств, их способность не искажать сигналы на фоне помех, то есть не терять информацию в ходе ее передачи.

В таких случаях оценки энтропийного типа вполне уместны. Это те простейшие ситуации, когда качество информации может быть оценено скалярной характеристикой. Но в общем случае оценка информации всегда носит векторный характер, и поэтому универсальная скалярная оценка качества информации в принципе невозможна!

Теперь, после того как я подробно объяснил свое понимание термина «информация», уместно снова вернуться к обсуждению памяти, которая, как мы это видели, играет столь фундаментальную роль в развитии живого вещества. До сих пор я избегал подробного обсуждения смысла понятия «память», ограничиваясь ее определением как некоторого механизма, способного накапливать, хранить и извлекать информацию.

Поскольку понятие «информации» необходимо лишь тогда, когда речь идет о процессах, в которых возникает возможность выбора (поведения, реакции), не вытекающего непосредственно из законов физики или химии, постольку и понятие «память» естественным образом связывается с представлением о субъекте, совершающем этот выбор.

И в то же время в последнее десятилетие термин «память» стал очень широко употребляться. Его используют и в биологии, и геологии, в физике и гуманитарных науках. Особое распространение он получил в технике в связи с созданием электронных вычислительных комплексов. И это понятие употребляется так, как будто бы речь идет о некоторой объективной категории, присущей любой материальной системе.

«Система помнит свои предшествующие состояния» — выражение, достаточно часто встречающееся в специальной литературе. Даже недавно открытое реликтовое излучение истолковано как одно из проявлений памяти Вселенной о начальной эпохе своего существования. Кажется, что здесь мы сталкиваемся с представлением о памяти, отличным от того, которое было использовано в этой книге. В примере с реликтовым излучением «память» выступает как некоторый процесс или его характеристика. С этой противоречивостью трактовки понятия «память» нам придется теперь разобраться.

Если речь идет о живых существах, то они всегда обладают хотя бы зачатком целеполагания — стремлением к сохранению собственного гомеостазиса. Это значит, что в рассматриваемом случае применимо и представление о памяти как о механизме хранения, накопления и извлечения информации в интересах данного организма — живого существа. Задача науки — изучать эти механизмы, понять, каким образом живое способно распознать и оценивать окружающую обстановку.

Существуют ситуации, такие, например, как в системе обучения по принципу «делай, как я!», когда механизмы памяти нам более или менее понятны. В других же случаях науке еще предстоит проделать немалый путь для их познания.

Таким образом, в мире живой материи память выступает в качестве некоторого элемента информационной службы организма, без которой не могут быть раскрыты те потенциальные возможности достижения цели, которыми этот организм обладает.

Теперь обсудим вопрос об использовании понятия «память» в тех случаях, когда речь идет о процессах, протекающих в неживой природе. Здесь нам предстоит многое пересмотреть, ибо ни о каком целеполагании в мире неживой природы не может идти речь. Попробуем сначала дать описание памяти применительно к миру неживого вещества независимо от сказанного ранее. Для этого прежде всего свяжем память с некоторым процессом, развивающимся во времени, и будем рассматривать ее в контексте изучения временных характеристик этого процесса.

Необратимость времени и необратимость процессов развития, протекающих в природе, по-видимому, теснейшим образом переплетены между собой. Поэтому, используя понятие «память системы» при обсуждении процессов, протекающих в мире неживой материи, мы так или иначе характеризуем «степень обратимости», или, если угодно, «скорость течения времени» в изучаемом процессе. Попытаемся аргументировать подобное утверждение.

Предположим, что мы изучаем вполне детерминированный процесс, который может быть описан системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Условимся считать, что их правые части таковы, что обеспечивают нелокальную разрешимость задачи Коши, — например, эти уравнения описывают движение тяжелой точки в гравитационном поле. В этом случае можно сказать, что система обладает «абсолютной памятью». Это означает, что мы (то есть исследователи) способны восстановить всю историю ее движения, если, конечно, знаем ее состояние в данный момент времени.

Заметим, что здесь, говоря о «памяти системы», в действительности мы говорим о способности исследователя восстановить характер движения или предсказать его развитие. Данная система является обратимой — и в этом все дело! Значит, «абсолютной памятью» могут обладать лишь обратимые системы. А реальные системы такой памятью обладать не могут. В принципе!

В самом деле, достаточно вмешаться в течение процесса стохастическим факторам, чтобы описанное выше потеряло всякий смысл. Стохастические процессы необратимы, и мы уже в принципе не можем говорить о точном воспроизведении состояний системы в предшествующие моменты времени. Теперь речь идет лишь о приближенном описании ее предыстории или определении характеристик системы.

В шестидесятых годах известный американский метеоролог Лоренц, изучая особенности циркуляции атмосферы, установил, что атмосфера быстро «забывает» свое начальное состояние. Он оценил глубину ее памяти двумя неделями. Предельная ситуация в этом отношении — развитая турбулентность. В этом случае мы уже ничего не можем сказать о предшествующем характере движения жидкости, о том, из какого состояния возникло наблюдаемое течение. В случаях, подобных развитой турбулентности, можно говорить, что система полностью лишена памяти.

Приведенное выражение — это, конечно, своеобразный жаргон. Но оно часто употребляется. Поэтому мы должны придать ему такой смысл, чтобы оно не противоречило сказанному ранее. Сделать это нетрудно. Действительно, говоря о «памяти системы», на самом деле мы имеем в виду нашу способность познавать прошлое, восстанавливать те или иные детали некоторого необратимого процесса.

Значит, понятие «память», когда речь идет о неживой природе, означает возможность субъекта (например, исследователя) построить некоторый обратимый (или, точнее, необратимый, но с очень «медленным» ходом времени) процесс, который с определенной степенью точности мог бы воспроизводить изучаемую реальность.

Развитие любого процесса в неживой материи — это проявление ее самоорганизации, саморазвития. И для описания таких процессов нам нет необходимости использовать понятие «информация». Но если речь идет о человеке, которому нужно в силу тех или иных причин воспроизвести процесс в принципе необратимый, изучить его характеристики или сохранить о нем информацию, то он (субъект) использует для этого некоторый другой процесс, который более консервативен, «время которого течет более медленно». Так создаются книги, несущие сквозь бездну лет сведения, изобретается магнитная память и т. д. И наконец, существует система «Учитель», основная цель которой — накопление, сохранение и передача информации. О ней мы подробно будем говорить во второй части этой книги.

Вот в таком понимании термина «память» уже нет противоречия с тем определением, которое было дано выше, и он приобретает достаточную универсальность. Понятие «память» тесно сопряжено с понятием «информация» и вполне «субъективизировано». Говоря о памяти системы или организма, теперь мы уже не будем делать различия между ними — мы всегда будем иметь в виду способность системы сохранять в той или иной степени свои параметры и делать доступной для субъекта (исследователя) возможность использовать информацию о ее прошлом.