Синергетика и информация

Обратимся сначала к физике. Второе начало термодинамики говорит нам, что  в замкнутых системах структуры  распадаются и системы становятся все более однородными, по крайней мере на макроскопическом уровне. На микроскопическом уровне может царить полный хаос. Именно по этим причинам информация не может порождаться системами в состоянии теплового равновесия; в замкнутых системах в конце концов устанавливается тепловое равновесие. Но система, находящаяся в состоянии теплового равновесия, не может и хранить информацию. Рассмотрим типичный пример - книгу. На первый взгляд может показаться, что она находится в тепловом равновесии - ведь мы даже можем измерить ее температуру. Однако полного теплового равновесия книга достигнет лишь после того, как типографская краска продиффундирует и, расплываясь по каждой странице все больше и больше, распространится по ней, но тогда текст исчезнет.

Этот  простой, но поучительный пример говорит  нам о том, что любая память, состоящая из замкнутой системы, никогда не находится в состоянии теплового равновесия, и в каждом конкретном случае неизменно следует задать вопрос о том, как долго может храниться информация. Рассмотрим теперь открытые системы, которые поддерживаются вдали от теплового равновесия подводимым к системе потоком энергии и/или материи. Как уже упоминалось, в открытых системах даже в неорганическом мире в результате самоорганизации могут возникнуть специфические пространственные или временные структуры. Примерами могут служить лазер, порождающий когерентное излучение, жидкости, образующие пространственные или временные структуры, или химические реакции, в которых наблюдаются периодические колебания, пространственные спирали или концентрические волны. Даже на этом уровне мы можем говорить о создании или хранении информации. С другой стороны, применительно к таким процессам вряд ли уместны такие слова, как целесообразность, цель и смысл.

Рассмотрим действие лазера несколько  подробнее, поскольку это позволит нам ввести терминологию, которая  окажется полезной при описании биологических  и других систем. В лазере большое  число атомов погружены в активную среду, например в такой кристалл, как рубин. После накачки извне атомы возбуждаются и могут испускать отдельные цуги световых волн (рис. 2.4.1). Таким образом, каждый атом испускает сигнал, т.е. создает информацию, переносимую световым полем. В полости лазера испущенные цуги волн могут столкнуться с другим возбужденным атомом, что приведет к усилению испускаемой им волны (рис. 2.4.2). Следовательно, информация может использоваться для усиления сигнала (рис. 2.4.3).

Рис. 2.4.1. Возбужденный атом испускает световую волну (сигнал).

Рис. 2.4.2. Когда световая волна падает на возбужденный атом, тот может усилить принятый сигнал.

Рис. 2.4.3. Каскад процессов усиления.

 

Но, когда  амплитуда сигнала становится достаточно большой, начинается совершенно новый  процесс. Атомы начинают когерентно осциллировать, и само поле становится когерентным, т.е. оно не состоит  более из отдельных некоррелированных  цугов волн, а превращается в одну практически бесконечно длинную синусоиду (рис. 2.4.4).

Рис. 2.4.4.   В лазере  амплитуда поля  имеет вид синусоиды с практически неизменной амплитудой и небольшими флуктуациями фазы.

 

Перед нами типичный пример самоорганизации: временная структура когерентной волны возникает без вмешательства извне. На смену хаосу приходит порядок. Подробная математическая теория показывает, что возникающая когерентная световая волна служит своего рода параметром порядка, вынуждающим атомы осциллировать когерентно, или, иначе говоря, подчиняет себе атомы (рис. 2.4.5). Мы имеем здесь дело с циклической причинностью: с одной стороны, параметр порядка подчиняет себе атомы, а, с другой стороны, сам оказывается порожденным совместным действием атомов (рис. 2.4.6).

 

Рис. 2.4.5 Пример действия принципа подчинения. Поле действует как управляющий параметр и задает характер движения электронов в атомах. Иначе говоря, движение электронов в атомах подчиняется полю.

Рис. 2.4.6 Пример круговой причинности. С одной стороны, поле, действуя как параметр порядка, подчиняет себе атомы. С другой стороны, атомы своим вынужденным излучением порождают поле.

 

С точки зрения информации параметр порядка играет двойную роль: он сообщает атомам о том, как им надлежит вести себя, и, кроме того, доводит  до сведения наблюдателя о макроскопически упорядоченном состоянии системы. Если для описания состояний отдельных атомов требуется огромное количество информации, то после установления упорядоченного состояния необходима лишь одна величина, а именно фаза общего светового поля, т. е. происходит сильное сокращение информации. Мы можем назвать параметр порядка информатором. В последние годы было показано, что эти понятия применимы к огромному числу совершенно различных физических, химических и биологических систем.

Чтобы уяснить  себе роль обмена информации на ныне рассматриваемом нами уровне, обратимся к примеру -миксомицету Dictiostelium discoideum. Обычно его клетки живут порознь на субстрате, но когда пищевой ресурс исчерпывается, клетки собираются к определенной точке. Механизм такого рода самосборки состоит в следующем.

Отдельные клетки начинают испускать  особое вещество-циклический аденозинмонофосфат (цАМФ); таким образом, клетки испускают сигнал, т. е. передают информацию. Когда молекулы цАМФ достигают других  клеток,   те   начинают   усиленно   вырабатывать цАМФ так же, как атомы в активной среде лазера усиливают приходящий сигнал. Совершенно ясно, что сами клетки «не сознают» смысл получаемой информации, но сложная игра испускания, увеличения концентрации и диффузии молекул цАМФ приводит к образованию спирального распределения концентрации цАМФ, т. е. к рождению информации на более высоком уровне. Поскольку эта информация порождается кооперативным действием системы, мы можем назвать ее синергетической информацией. Спиральные волны образуют своего рода градиентное поле (информатор), которое отдельные клетки могут изменять и двигаться в сторону наибольшей концентрации в поле. Ясно, что в этом случае мы отчетливо различаем производство информации, носителя информации и приемник информации - клетку, цАМФ и снова клетку. Однако, как нетрудно заметить, на следующем уровне возникает новый смысл, а именно структура распределения концентрации молекул, которая направляет клетки к центру скопления.

Полезно подвести некоторые итоги. Совершенно очевидно, что существует иерархия информационных уровней. На низшем уровне отдельные  части системы могут быть источниками  информации, которая передается другим частям системы. Передача такой информации может осуществляться между вполне определенными парами элементов или посредством некоторого общего носителя. Примером первого способа передачи информации могут служить аксоны - нервные волокна, соединяющие два нейрона; примерами второго - гормоны, выделяемые в кровь, или феромоны, выделяемые в воздух. [8]

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В основе рассматриваемой работы лежит понятие информации. Как было показано, термин «информация» может употребляться в различных смыслах, поэтому я начала с обсуждения различных определений этого термина. В частности, было показано, что понятие информации в смысле Шеннона в некоторых случаях оказывается более подходящим, чем понятие энтропии. Дело в том, что по крайней мере понятие энтропии имеет в физике вполне определенное значение и применимо к системам, находящимся в тепловом равновесии. Если рассматриваются физические системы, далекие от теплового равновесия, или биологические системы, то результаты необходимо интерпретировать заново, и для того чтобы максимизировать информацию или (статистическую) энтропию, приходится вводить новые ограничения.

В частности, как было показано, возникает  в некотором смысле новый тип  информации, связанный с коллективными  переменными или параметрами  порядка. Это навело нас на мысль  назвать ту часть информации, которая  относится к параметрам порядка  и отражает коллективные свойства системы, синергетической информацией. Что же касается самих параметров порядка, то они обретают новый смысл, превращаясь в носителей информации-«информаторов».

По моему мнению, представляет интерес исследование информации в биологических системах и в современном обществе, надлежащее функционирование которого основано на адекватном производстве, передаче и переработке информации. Возможно, наиболее важным аспектом, возникшим в последнее время, следует считать круговую причинность, приводящую к коллективному состоянию, которому в социологии могут соответствовать социальный климат, широкое общественное мнение, демократия или диктаторский режим.

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Р.Ф. Абдеев. Философия информационной цивилизации, М.: Наука, (1993).

2. К.Д. Бубенков. Философский смысл понятия "информация". Л.: Воен.акад.связи, 1977, Ч.I.34c.; Ч.II. 36с.

3. С. А. Лем. Сумма технологии: Собр. соч. Т.13. М.: Текст, 1996.

4. Чернавский В.Д. Синергетика и информация. Динамическая теория информации. - М.: Едиториал УРСС,2004.

5. Цымбал Л.А. Синергетика информационных процессов. - М.: Наука, 1995.

6. Динамика и информация, Б.Б. Кадомцев, Редакция журнала "Успехи физических наук", Год: 1999, Страниц: 396

7. Мелик-Гайказян И.В. Информационнные процессы и реальность. - М.: Физматлит 1997.

8. Г. Хакен. Информация и самоорганизация: Макроскопический подход к сложным системам. М.: Мир, 1991.

9. Коллендер Борис,  д-р, США статья «Информация об информации» electron's scientific seminar http://www.elektron2000.com/kollender_0225.html

10. Шауцукова Л.З. Информатика: Практика алгоритмизации и программирования.

11. А. Г. Кушниренко, Г. В. Лебедев, Р. А. Сворень. Основы информатики и вычислительной техники: Учебное пособие для 10-11-х кл. общеобразовательных учреждений. — М.: Просвещение, 1990.

12. Информация и информационные процессы. Социальная информатика: А. В. Могилев, Л. В. Листрова — Санкт-Петербург, БХВ-Петербург, 2006 г.- 240 с.