История информации.
Сегодня я расскажу вам об информации, этапах её зарождения и эволюции. После прочтения моей статьи вы сможете посмотреть на эту вещь под совершенно другим углом и осознать, что всё не так просто, как кажется на первый взгляд.
Нас окружает упорядоченный мир. За последние 300 лет люди освоили удивительные способы добычи энергии с помощью которой стала меняться наша среда обитания. Все сооружения вокруг нас представляют тип порядка, который мы создали на планете Земля, но есть и другой, невидимый и столь сложный мир, что мы только сейчас начинаем его понимать. Природа же использует его уже миллиарды лет. Мы называем его информацией. Информация это очень странное и сложное понятие, его не так-то просто осознать. Информация это фундаментальная часть нашего мира.
Сегодня я хочу рассказать вам историю информации и невероятной власти, которую даёт владение ей. Сегодня я расскажу вам о том, как человечество открыло мощь символов и как письменность, кодирование и компьютеры привели к прорыву в понимании мироустройства. Я расскажу вам как в мире со всё больше растущей энтропией, информацию можно использовать для создания упорядоченных структур.
На первый взгляд идея информации кажется очень простой. Информация встречается в нашем мире повсюду, а наш мозг заполнен ей. Мы постоянно ей обмениваемся. Но на самом деле информация, это одно из самых тонких и сложных понятий. Чтобы понять и научиться использовать её, человечеству понадобилось пройти долгий и сложный путь. Впервые понимание скрытой силы информации появилось на горизонте около 5 тысяч лет назад, когда возникла революционная технология. Эта технология положила начало современному миру. За время своего существования человечество придумало множество замечательных вещей, но среди всех его изобретений, одно из них занимает исключительное место, оно самое революционное и в тоже время одно из самых простых. Это изобретение - письменность.
По своей сути письменность это способ передачи и хранения информации. Слова позволяют идеям переживать века. Письменность кажется нам настолько естественной, что несложно забыть о том, что её когда-то изобрели. Самые древние известные образцы письменности это глиняные таблички. Изначально люди создавали такие таблички с пектограммами для выражения идей и так продолжалось довольно долго. Но в один момент кто-то догадался, что можно подобными символами обозначить не только те физические предметы, на которые внешне эти символы похожи, а даже звуки, которые люди произносят. Это был огромный шаг для человечества. Соединяя значки для разных звуков, древние люди смогли выразить любую мысль. Суть их прорыва заключалась в том, что изображение глаза или оленя, вовсе не обязаны обозначать оленя и глаз. Они додумались, что изображениями можно обозначать произносимые людьми звуки. Изобретение такой системы означало, что всё, что могло быть сказано, даже самые странные или абстрактные мысли, могли быть записаны в виде символов. Теперь информация могла жить вне человеческого мозга, а значит существовать долгое время.
Превратив звуки в символы, древние люди также обнаружили что информация может переходить из одной формы в другую. Информация, существовавшая в звуке, превращалась в записанные символы на глине. Но это было только начало, людям ещё только предстояло узнать подлинную мощь символов.
Четыре тысячи лет, письменность была единственной известной людям информационной технологией, но в 19-м веке, во время промышленной революции, положение дел изменилось. В водовороте идей и изобретений возник ряд никак несвязанных технологий, которые стали указывать на огромную силу скрытую в информации. Эти технологии были абсолютно практическими, а не теоретическими, но благодаря им стало понятно, что информация значительно более могущественная и сложная вещь, чем представлялось ранее. Одна из первых таких технологий была изобретена во Франции, в городе Лионе в конце 18 века. Лион был Европейским центром производства шёлка, почти треть жителей города была занята на производстве шёлка, а всего здесь работало более 14-ти тысяч ткацких станков. Это парча, ткань, которая прославила город Лион:
Представьте себе, какая невероятная работа стоит за созданием этой красивой и очень сложно сплетённой ткани. Без устали, работая весь день, один человек мог в лучшем случая изготовить 2 сантиметра. Спрос на такую ткань был огромным, а процесс ткания медленным. Но благодаря ткачу, по имени Жозеф Мари Жаккар, появилась машина, которая ускорила процесс. При этом, данная машина, раскрыла человечеству фундаментальные свойства информации. Основываясь на предыдущих наработках, в 1804 году Жаккар запантентовал своё изобретение. На тот момент его ткацкий станок был самым сложным механизмом созданным человеком. Это было гениальное изобретение. Это была машина, которая без внесения каких-либо изменений в конструкцию, могла быть запрограммирована для создания ткани с любым узором. На ней можно было выткать множество разных узоров практически не останавливаясь. А секрет машины оказался прост - перфорированная карта:
Перфорированная карта содержала основную информацию об узоре, который должен быть выткан на станке. Когда её вставляют в станок, то она позволяет подниматься или опускаться только определённым нитям. Таким образом создаётся узор на шёлке. Любой узор, который придумает ваша фантазия, можно перевести в серию прорезей на карте, по которым будет работать ткацкий станок. Информация переводится с картинки через перфокарту на ткань. Такого было предназначение ткацкого станка, но ничем не было определено, какую именно ткань он создаст. Это зависит от информации закодированной на перфокартах. То есть, карты программируют станок, дают инструкцию, это очень сильно перекликается с тем, что появилось позднее.
Жаккаровый станок совершил революцию в производстве шёлка, но в этой машине было нечто более глубокое и универсальное, чем просто возможность ускорить работу ткачей. Этот станок продемонстрировал силу чистой информации. Оказалось что можно взять суть чего-то, извлечь ключевую информацию и представить её в другой форме.
Письменность показала, что можно использовать набор символов для записи устной речи, а Жаккар продемонстрировал как с помощью всего лишь двух составляющих - отверстий и гладкой поверхности, можно зашифровать информацию о любом изображении:
Посмотрите теперь на портрет Жаккара, который полностью был выткан шёлком на его машине:
Он очень детализированный. Это сотни тысяч стежков и вся информация для создания этого портрета была собрана на 24 тысячах перфокарт.
Это фантастический пример воплощения далеко идущей идеи. Доказательство того, что самая простая система, в данном случае карточки с отверстиями, может служить для описания чего-то значительно более сложного.
Если с помощью 24 тысячей карточек можно создать такое изображение, то что выйдет если взять 24 миллиона?
Какие новые типы сложной информации могут быть представлены в таком виде?
Жаккар натолкнулся на невероятно глубокую и открывающую большие перспективы идею. Пока у вас хватает перфокарт, то с помощью простых символов можно описать что угодно в мире.
Перевод информации в абстрактные символы, для хранения и обработки, оказался чрезвычайно мощной идеей. Но способ, которым информация передавалась, не менялся несколько тысяч лет. До появления телекоммуникационных технологий мир был совершенно другим, потому что сообщения передавались с той скоростью, с какой перемещались предметы. Вы писали сообщение на бумаге и отдавали его тому, кто умел быстро бегать, ездить верхом или садился на корабль, но суть одна, вы не могли передать сообщение быстрее, чем перемещался физический объект. Но в 19-м веке скорость передачи информации резко возрасла благодаря появлению нового поразительного инструмента - электричества.
Вскоре после того, как электричество было открыто, идея использовать его для передачи информации стала вызывать всё больший интерес. Представлялось, что электричество станет идеальным инструментом, ведь его можно контролировать и получать по желанию. Электричество имело множество преимуществ как средство передачи информации. Оно распространяется по проводам, то есть, может попасть фактически куда угодно. На него не влияют погодные условия, а самое главное оно очень быстрое. Но перед теми, кто хотел использовать электричество для коммуникации вначале 19-го века, стояла одна большая проблема - "Как приспособить такой простой сигнал передачи для сложных сообщений?".
И в 1809 году Самуэль Зёммеринг из Баварии изобрёл пузырьковый телеграф:
Если отправитель хочет передать букву A, то он подаёт ток по соответствующему проводу, а на другом конце находится ёмкость с жидкостью, ток вызывает в ней химическую реакцию и над буквой A образуются пузырьки. Гениально, хотя и весьма трудоёмко, но самое главное, отправителю нужно было как-то дать получателю знать, что он собирается переслать сообщение. Для этого также была придумана хитрость, существовал специальный сигнал, который вызывал очень много пузырьков, которые из-за своего количества выталкивали вверх рычаг, тот ронял шарик и включал звонок:
Как вы уже догадались, это была не самая быстрая система. После этого проблему ускоренной передачи информации с помощью электричества пытались решить самыми разными путями, но главной трудностью была слишком сложная система кодирования. Но прежде, чем я расскажу вам об усовершенствовании телеграфа, стоит упомянуть ещё об одном придуманном средстве передачи информации - фотоаппарате.
В 1825 году француский учёный Нисифор Ньепс добавил в ранее созданную камеру обскура систему линз и раздвижную трубку. Эти нововведения позволили обработать падающий свет асфальтовым лаком и зафиксировать изображение на стеклянной пластине. Именно этот изобретатель является автором первого сохранённого снимка в истории, ему удалось запечатлеть вид из своего окна:
Чуть позже, французским учёным, Этьеном-Жулем Маре, в 1878 году был разработан первый прототип видеокамеры, быстрый фотоаппарат. Он мог снимать 12 изображений в секунду. Чтобы вы понимали, когда вы смотрите телевизор или в экран компьютера, то вам показывается не видео, как вы привыкли думать, а просто очень быстрые фотографии, наверняка вы слышали про такую вещь как фпс (количество кадров в секунду). Ваш мозг из этих кадров уже складывает видео. Далее фотокамеры развивались, а качество изображений и количество фотографии в секунду увеличивалось. Позже, в 1925 году, шотландский инженер Джон Бэрд смог создать устройство, которое могло передавать изображения. Так появился первый электронный телевизор.
Но вернёмся к телеграфу. В 1838-м году появился способ пересылки сигналов, который затмил все предыдущие настолько, что дожил до наших дней. Его придумал художник и предприниматель Сэмюэл Морзе вместе с коллегой Альфредом Вейлом. Особенностью их идеи была не технология передачи сообщений, а невероятно простой и эффективный способ кодирования, который они использовали. Как и в случае с перфокартами Жаккара, гениальность кода Морзе заключалась в его простоте. Используя набор коротких и длинных импульсов электрического тока, можно записать весь алфавит. Вейл предложил, чтобы самые часто используемые в английском языке буквы имели самые короткие обозначения. Это позволило отправлять сообщения быстро и эффективно. В итоге появился проволочный телеграф. Телеграф снова продемонстрировал эффект перехода от одного средства передачи информации к другому.
Сперва информация фиксировалась у людей в памяти, затем на символах в глине или бумаге, позднее на перфокартах. Теперь же, информацию стало переносить электричество, это сделало процесс передачи информации значительно более лёгким и быстрым. Всего за несколько лет телеграфные сети охватили весь земной шар и заложили основы нынешней информационной эпохи.
Жаккар и Морзе обнаружили принципиально новые способы создавать, обрабатывать и передавать информацию. То, что началось несколько тысяч лет назад с изобретением письменности, достигло кульминации, когда вся планета оказалась опутана проводами передающими абстрактную информацию с огромной скоростью. Людям из 19-го века могло показаться, что способность человечества манипулировать информацией и передавать её достигла своего пика, но на самом деле информации ещё только предстояло оказаться значительно более важным и фундаментальным понятием, чем могли предположить люди той эпохи.
Люди уже придумали средства связи, чтобы собеседник на большом расстоянии смог получить информацию, но теперь люди захотели как-то передать звук. Первым своими наработками с миром поделился итальянский учёный Антонио Меуччи в 1860 году. Именно ему принадлежит создание первого телефона, а не кому-то другому. Бедный инженер приехал в Нью-Йорк и изобрёл здесь устройство - телектрофон.
Антонио утверждал, что с его помощью звук может бегать по проводам и он не ошибся, благодаря чему новинкой очень многие заинтересовались. Одними из таких заинтересованных оказались представители компании Western Union, они купили права, чертежи и все наработки учёного очень дёшево и уехали с ними оставив изобретателя ждать их ответа. Антонио так и не получил ответ. Он решил самостоятельно запантентовать своё устройство в 1871 году, но из-за своего финансового положения не смог заплатить даже пошлину за эту услугу. В 1876 году к нему в руки попала газета, в которой было продемонстрировано его устройство, но вот причин для радости тут совсем не было. В заголовке значилось, что автором этого чуда стал Александр Белл, а помогла ему в этом компания Western Union. Именно Белл запатентовал своё устройство как первый настоящий телефон.
10 марта 1876 году состоялся первый звонок по нему. Белл позвонил своему коллеге Томасу Уотсону, который находился в соседней комнате. Первыми словами сказанными по телефону стали: "Уотсон, приходи. Ты мне нужен здесь". Тогда телефон не мог похвастаться своими выдающимися характеристиками, многие упрекали его за короткую дистанцию передачи сигнала, потому что дальше 10 километров дозвониться было просто невозможно.
Поэтому в 1878 году свою версию телефона представил электротехник Павел Голубицкий. Его телефон отличался от аналогов, потому что имел очень необычный вид.
В его устройстве начали использоваться постоянные магниты, которые делали связь более надёжной. Он догадался, что качество связи страдает из-за воздействия магнитного поля на центр телефонной мембраны. Голубицкий значительно усовершенствовал микрофон и добавил туда две токопроводящие пластины, разделенные угольным порошком. Так, расстояние для передачи сигнала перестало быть существенной помехой. Модернизировал Павел Михайлович и сам аппарат - он объединил микрофон, наушник и телефон в единое целое. В таком виде стационарными телефонами пользуются до сих пор, хоть они и мало где остались, потому что мобильная связь их вытесняет.
А позже открыли и передачу информации по воздуху. Первым догадавшимся промодулировать радиосигнал звуковым сигналом был канадский изобретатель Реджинальд Фессенден, который включил угольный микрофон в разрыв провода антенны искрового передатчика. Таким способом 23 декабря 1900 года Фессенден осуществил передачу звукового сигнала на расстояние в 1 милю. Но это позволило принимать волны созданные не только людьми.
Вскоре после этого стало ясно, что информация возникает не только в процессе человеческого общения, а это гораздо более масштабное явление. Первые намёки на понимание подлинной природы информации появились благодаря странной задаче, придуманной блестящим шотландским физиком, который размышлял вроде бы совершенно о другом.
Джеймс Клерк Максвелл был одним из ярчайших умов 19-го века. Среди множества его интересов была термодинамика, наука о тепле и движении, позволившая создать паровой двигатель. Максвелл одним из первых понял, что тепло это результат движения молекул. Чем быстрее они движутся, тем выше температура объекта. Эта идея привела Максвелла к причудливому мысленному эксперименту, в котором важнейшую роль играла информация. Максвелл преположил, что только благодаря знанию о том, что происходит внутри коробки с воздухом, можно сделать одну половину коробки горячей, а другую половину холодной. Это как построить печь рядом с холодильником не используя источник энергии.
Звучит безумно, но аргументы Максвелла выглядели весьма убедительно. Представьте себе сидящего на коробке маленького воображаемого демона, обладающего таким острым зрением, что он может точно видеть движение всех молекул воздуха внутри. А самое главное, этот демон контролирует перегородку, которая разделяет коробку на две половины. Каждый раз, когда демон видит быстро движующуюся молекулу, которая подлетает к перегородке справа, то он пропускает её на левую сторону. И каждый раз, когда демон видит медленную молекулу подлетающую слева, то он пропускает её на правую половину. Через какое-то время все быстрые и горячие молекулы соберутся в левой части коробки, а все холодные и медленные молекулы в правой. А самое главное, демон рассортирует их, опираясь только лишь на информацию о скорости их движения.
Демон Максвелла словно говорит, что просто обладая информацией о молекулах, можно создать порядок из хаоса. Это шло в разрез с мышлением 19-го века. Термодинамика определённо утверждала, что со временем энтропия, то есть мера хаоса во Вселенной, постоянно возрастает, предметы обречены на разрушение. Но мысленный эксперимент с демоном Максвелла предполагает, что можно собрать всё обратно, при этом не затратив никакой энергии, просто используя информацию можно создать порядок. В тот момент это оказалось невероятно сложной проблемой, потому что Максвелл намного опередил своё время. Его влияние на развитие физики поражает и он выдвинул очень интересную концепцию, как бы предчувствуя то понимание информации, которого на тот момент просто не существовало. У него не было решения, он поднял это как проблему и оставил её открытой. Потребовалось примерно 100 лет крайне напряжённых споров и открытий, чтобы придти к её решению.
Это может показаться чересчур смелым и фантастическим, но представьте, что если бы мы могли построить в реальном мире машину, которая бы действовала как демон Максвелла. Она могла бы варить кофе, заводить двигатель, обеспечивать электричеством город, при этом работая исключительно на чистой информации. Мы могли бы создать порядок во Вселенной не расходуя на это энергию. Учёные интуитивно чувствовали, что тут что-то не так, вот только на решение этой задачи потребовалось более 100 лет. И пока над загадкой демона Максвелла ломали голову, случилось нечто неожиданное, появилось новое устройство, способное выполнять невероятно сложные задания обрабатывая информацию. И это устройство в самом деле можно было построить, оно стало известно в мире, как компьютер. Его идея пришла в голову выдающемуся и смелому учёному.
Алан Тьюринг стал человеком придумавшим современный компьютер. Машину, чья единственная функция - это обрабатывать информацию, которая работает с абстрактными символами, машину, благодаря которой существует современный мир. Невероятная идея Тьюринга впервые была опубликована в легендарной математической статье в 1936 году. За свою короткую жизнь, Тьюринг выдвинул свежие открывающие новые горизонты идеи в целом ряде наук, от криптографии до биологии. Чёткость и широта его мышления завораживают. Но с точки зрения большинства учёных, по настоящему выделяет его среди других одна из концепций. Опубликованная Тьюрингом статья об исчисляемых числах и проблеме разрешимости касается основ математической логики. Идея современного компьютера возникла просто как следствие блестящих рассуждений Тьюринга. Он думал совсем о другом, он не ставил перед собой задачу изобрести компьютер, он думал о совершенно абстрактной проблеме базовой математики, а идея компьютера появилась среди его рассуждений совершенно спонтанно. Никто не мог предположить, что заумная абстрактная статья может породить машину, которая изменит жизнь каждого человека на планете. Тьюринг хотел понять могут ли определённые математические операции быть выполненены путём следования набору правил. Это привело его к мысли о компьютере.
В 1936 году, слово Computer имело в английском языке совсем другое значение, оно обозначало человека с карандашом и бумагой, который занимается арифметическими вычислениями. Банки нанимали множество таких людей, чаще женщин, для расчёта платежей по процентам. Они расчитывали сумму налогов для службы внутренних доходов, а в обсерваториях навигационные данные. Такие вычислители были необходимы современному миру, ведь обрабатывать огромное количество информации производимой наукой и промышленностью становилось всё сложнее.
В 1936 году Тьюринг задал очень простой, но важный вопрос: "Что происходит в голове человека, который занимается вычислениями?". В первую очередь ему понадобилось убрать все лишние детали, чтобы оставить только саму сущность процесса вычислений. Ручка, чернильница, карандаш, арифметическая линейка и стопка бумаги, все эти вещи упрощают работу, но не являются необходимыми для человека производящего вычисления. Затем Тьюринг задумался: "Что же происходит в мозге вычислителя?" Это невероятно сложная биологическая система способная на сознательную работу, мысли и озарения, но с точки зрения Тьюринга, ничто из этого не было критически важно для вычислений. Тьюринг понял, что для совершения вычислений требуется чётко следовать набору правил и больше ничего. Он берёт интеллект, который изначально предполагался необходимым для вычислений, как мыслительного процесса и показывает что можно создать механический процесс, который не будет включать мышление, но воспроизводить теже самые действия. Таким образом, участие человека с его высшими функциями сознания оказываются не нужны. Это была настоящая революция мысли. Блестящий ум Тьюринга обнаружил, что в любом вычислений присутствуют два элемента:
Это стало ключом к озарению. Далее Тьюрингу захотелось понять, как объяснить машине такие операции как сложение, вычитание, умножение, деление, которые легко выполняются человеком. Ему требовалось перевести подобные инструкции на понятный для машины язык. И он сделал это с безупречной логикой.
Это может показаться случайным набором нулей и единиц, но для вычислительной машины это перечень инструкций, которые можно прочесть и выполнить шаг за шагом. Если человек-вычислитель мог посмотреть на какой-то символ и понять какое действие необходимо, то машине приходилось это объяснять. Была придумана бумажная лента компьютера:
Но Тьюринг на этом не остановился. Он понял, что выдача машине инструкций открывает большие перспективы, ведь таким образом для выполнений любого задания требуется всего одна машина. Это простая и изящная идея. Если машина должна сделать что-то новое, то достаточно ей дать просто новый набор инструкций, новую информацию. Эта идея стала известна под названием "Универсальная машина Тьюринга". Чем более объёмное задание вы хотите дать машине, тем длиннее должна быть лента. Большая память может содержать сложные и многоуровневые инструкции по обработке и упорядочиванию любой информации. Имея достаточный объём памяти, компьютер может решить практически неограниченное количество задач. Идея, что множество различных заданий может быть выполнено путём выдачи вычислительной машине длинной последовательности инструкций, это величайшее наследие Тьюринга. После выхода его статьи, задумка Тьюринга была реализована. Вычисления, звонки, запись видео, написание писем, проигрывание музыки, для всего этого уже не нужны специальные средства, а всё это может делать одно устройство - вычислительная машина, современный ПК, ноутбук или смартфон. Внутри современных вычислительных машин множество инструкций, мы называем их программами и приложениями, но всё это не более чем последовательность нулей и единиц, который указывают устройствам, что нужно делать.
В идеи Тьюринга поражает широта её возможного преминения, набор выдаваемых компьютеру инструкций может объяснить как выполнять функции, но кроме того, этот набор может описать законы природы, физики и процессы во Вселенной. Перевод инструкций на понятной машине язык даёт возможность воссоздать не просто изображение или звук, а процесс, систему, нечто изменчивое и развивающееся. Манипулируя простыми символами, компьютер способен ухватить суть, порядок основы окружающего нас мира. Задумавшись о том, как человеческий мозг обрабатывает вычислительную информацию, Алан Тьюринг сформулировал одну из важнейших идей 20-го века. Потенциал информации стал раскрываться.
Легко предположить, что когда идеи Тьюринга были реализованы, то подлинный потенциал информации наконец вырвался на свободу, но это была только половина пути. Для рождения информационной эры понадобилась ещё одна идея. Она объяснила природу информации и её связь с упорядоченностью и хаосом во Вселенной. Эту идею выдвинул талантливый эксцентричный математик и инженер Клод Шеннон. Склонность браться за необычные задачи привела его к новой революционной идее, которая вскрыла фундаментальную природу информации и процессы коммуникации во всех разнообразных формах. Он написал статью "Математическая теория связи". Название звучит суховато, но это одна из важнейших научных статей 20-го века. Она не только заложила фундамент современной глобальной коммуникационной сети, но и дала нам новое понимание человеческого языка, таких интуитивных понятий как устная и письменная речь. Статья была опубликована в 1948 году, когда Шеннон работал в исследовательской лаборатории корпарации Bell Labs в Нью Джерси. Эта организация славилась своей прогрессивной и свободной атмосферой. Математики там были вольны работать над любой интересовавшей их проблемой. Клод Шеннон имел возможность заниматься на работе чем ему угодно. Несмотря на всё свободомыслие, компания Bell столкнулась с большой проблемой. Каждый день она передавала огромный объём электронной информации по всему миру, но не было ни малейшей идеи как измерять количество этой информации. Весь бизнес был построен на чём-то никому непонятном. И именно Клод Шеннон выдал то, что компании было нужно. В своей статье Шеннон смог сделать невероятное, он взял размытое и загадочное понятие "информация" и сумел разъяснить его. Он не дал ему точно сформулированного философского определения, но он нашёл способ измерить количество информации в сообщении. Шеннон обнаружил, что количество информации в сообщении никак не связано с его смыслом. Он доказал, что на самом деле оно связано только с тем, насколько сообщение нетипично.
Информация связана с неожиданностью. Новость это новость, потому что мы не ожидаем её. Чем меньше мы её ожидаем, тем больше её новизна. Если сегодня новости такие же как вчера, то никаких новостей нет, содержание информации в них нулевое. Возникает соотношение между неожиданностью и информацией. Шеннон пошёл ещё дальше и дал информации собственную единицу измерения. Он показал, что абсолютно любое сообщение из реального мира может быть быть переведено в двоичный код, длинную последовательность нулей и единиц. За основу он взял нули и единицы Тьюринга, которые на тот момент ещё были сырыми и могли делать лишь простые математические вычисления. Далее Шеннон передал систему Тьюринга. Шеннон понял, что превращение информации в бинарный код может иметь большое значение, это делает информацию управляемой, контролируемой и завершённой. В своей статье Шеннон продемонстрировал, что простой двоичный символ, ноль или единица, является базовой единицей информации, можно даже сказать атомом информации, мельчайшей возможной частью. Описав эту базовую единицу, он даже дал ей имя хорошо знакомое нам сегодня - бит, сокращённо от binary digit (двоичный символ). Как выяснилось позже, бит оказался невероятно важной идеей. Бит это мельчашая единица информации, это очень важно, потому что это фундаментальная частица, минимальное количество информации, которое позволяет осуществить коммуникацию в принципе. Сила бита в его универсальности. Любая система имеющая два состояния, как монета с орлом и решкой, может содержать один бит информации. Единица или ноль. Отверстие или ровное место (вспомните станок Жаккара). Включить или выключить. Все эти системы содержат один бит информации. Благодаря Шеннону бит стал универсальным языком для любой информации. Всё, звуки, изображения, тексты, видео, может быть превращено в биты и передано через любую систему с двумя состояниями. Шеннон заложил основы новой теории, его идеи стали краеуголным камнем того, что сегодня известно как "Теория информации". Он взял абстрактную идею и превратил её в нечто осязаемое. То, что было смутным представлением, стало измеримым и реальным. Идея перевода чего угодно в цифровой вид, в биты, стала основой радикальной перестройки многих аспектов жизни современного общества.
Но информация не производится исключительно людьми. Мы начинаем понимать, что это явление лежит в основе не только человечесткого общества 21-го века, но и физического мира вокруг нас. Вся информация, которую мы когда-либо создали, каждая книга, фильм, всё содержимое интернета - всё это сущая ерунда по сравнению с количеством информации в природе. Представьте взаимодействие сотен триллионов в n степени атомов. Количества битов для описания этого события невозможно даже представить. Но поразительным образом, благодаря достижениям Тьюринга и Шеннона, сегодня мы способны описывать, моделировать и симулировать природные процессы всё более детально. Но и это ещё не всё. Информация это не только способ описания, но и неотъемлимая часть физического мира. Эту идею очень сложно уложить в голове, но абсолютно любая информация должна быть воплощена в некой физической системе. Как ни странно, но понять реальную взаимосвязь между информацией и реальностью, нам помог воображаемый демон Максвелла.
Демон может использовать информацию, чтобы создать порядок в коробке с воздухом, которая изначально пребывает в неупорядоченном состоянии. Более того, он предположительно может сделать это не расходуя энергию. Вы можете подумать что информация тогда нарушала бы законы физики. Это не так, но есть один нюанс. Причина, по которой демон не может получать энергию даром, кроется в его голове. Обнаружилось, что демон в самом деле использует только информацию для получения полезной энергии, но это не значит, что он получает что-то из ничего. Вспомните как демон действует, он замечает быстро движующуюся молекулу в одной части коробки, открывает перегородку и пропускает молекулу на другую сторону, но каждый раз при этом ему приходится сохранять информацию о скорости молекул в памяти. Вскоре его память заполнится и чтобы продолжить ему придётся очистить её, а на это потребуется затратить энергию. Демону приходится вести записи в своей голове о движении молекул и если для хранения этих данных есть конечная ёмкость, то в какой-то момент демону придётся очистить её, это необратимый процесс и он увеличивает количество энтропии. Удаление информации раз и навсегда увеличивает энтропию. Обнаружилось, что существует минимальное количество энергии необходимой для удаления одного бита информации, так называемый предел Ландауэра. Этот предел ничтожен, триллионная триллионных долей энергии, но он существует. Это часть фундаментальной ткани реальности.
Поразительно, но сегодня мы способны проводить реальные эксперименты для проверки отдельных аспектов идеи Максвелла. Используя лазеры и крошечные частицы пыли, учёные по всему миру с невероятной точностью исследуют соотношения между информацией и энергией. Мысленный эксперимент Максвелла придуманный в эпоху пара, остаётся на переднем крае науки в наше время. Демон Максвелла объединяет два самых важных понятия в науке, энергию и информацию, а также он демонстрирует как они связаны в реальности. Теперь мы знаем что информация далеко не абстрактная вещь и подчиняется тем же физическим законам, что и вся остальная Вселенная. Информация это не какая-то математическая абстракция или формула на бумаге, она чем-то переносится, а значит должна быть в чём-то закодирована, в камне, диске, на флешке. В любом случае информация находится на этом носителе и ведёт себя в соответствии с законами физики, она не может нарушить эти законы.
За последние несколько тысяч лет человечество узнало что информацию невозможно отделить от физического мира. Но это не помеха, такую силу информации придаёт тот факт, что она может быть сохранена в любой физической системе. Камни и глина позволяют сохранить информацию на века, а электричество и свет мгновенно передавать её. Каждый носитель информации придаёт ей уникальные свойства. Сегодня учёные исследуют новые способы обработки информации с помощью множества носителей, от ДНК до квантовых частиц. Они надеются, что это приведёт нас к новой информационной эпохе, такой же революционной, как и предыдущая. Теперь мы знаем, что мы только начали путь к осознанию потенциала информации.
Всегда было понятно, что создание физического порядка, упорядоченных структур вокруг нас, имеет свою цену, требуется выполнить работу и потратить энергию чтобы что-нибудь построить. За последние годы мы узнали, что упорядочивание информации и создании структуры цифрового мира также имеет свою цену. Какой бы абстрактной и эфемерной не казалась информация, мы знаем, что она всегда воплощена в некой физической системе. Мне это кажется совершенно потрясающей идеей. Взгляните на это так, кусок глины можно использовать чтобы записать на нём поэму, молекулы воздуха могут нести звуки симфонии, фотон может служить кистью художника. Таким образом, о любом элементе во Вселенной можно думать как о холсте, на котором мы можем создать то, что захотим.