Любая наука начинается со строгих определений используемых ею понятий и терминов. Поэтому было бы вполне разумным начать изложение основ теории информации именно с ее точного определения. Определить какое-либо понятие - значит выразить его через другие понятия, уже определенные ранее. Сложность ситуации, однако, в том, что информация является одной из исходных категорий мироздания, и, следовательно, определение «информации вообще» невозможно свести к каким-то более простым, более «исходным» терминам. Что касается частных трактовок понятия «информация», то следует отметить значительное их расхождение в различных научных дисциплинах, в технике и на бытовом уровне. Такое положение не следует считать каким-то необычным - можно привести много аналогичных примеров, когда термин имеет и используется во множестве значений: движение, энергия, система, связь, язык и пр. Неоднозначность преодолевается тем, что в каждой «узкой» дисциплине дается свое определение термина - его следует считать частным - и именно оно используется. Но это, безусловно, не дает основания переносить такое определение и применять его вне рамок данной дисциплины. Например, в теоретической механике «связь» определяется как некое внешнее воздействие, ограничивающее возможности перемещения (степени свободы) тела; нет смысла такую трактовку пытаться применять, скажем, в телеграфии или социальных науках.
Аналогична ситуация и с термином «информация»: на бытовом уровне и во многих научных дисциплинах он ассоциируется с понятиями сведения, знания, данные, известие, сообщение, управление и др. Общим во всех перечисленных примерах является то, в них существенным и значимым для использования является содержательная сторона информации - с позиций «здравого смысла. Это представляется вполне естественным. Однако оценка смысла и ценности одной и той же информации различными людьми, вообще говоря, будет различной; объективная количественная мера смысловой стороны информации отсутствует. С другой стороны, можно привести примеры ситуаций, когда семантическая основа информации роли не играет, точнее, она принимается в виде атрибута (свойства, качества) информации, который не должен изменяться, а для этого следует обеспечить неизменность материального представления информации. По этой причине в ряде теоретических, технических и даже организационных приложений можно просто сосредоточиться на задаче обеспечения неизменности информации в процессах, с ней связанных (в первую очередь, это передача и хранение), а также поиске наилучших условий осуществления этих процессов безотносительно содержания самой информации. Например, задача библиотеки - обеспечить хранение, учет и доступ читателей к любым имеющимся в фонде книгам, независимо от их содержания; действия библиотекарей сводятся к тому, чтобы по формальным признакам - кодам, фамилии автора, названию - отыскать нужную книгу и выдать читателю; при этом содержание, полезность, новизну, значимость и т.п. книги оценивает именно читатель (т.е. лицо, использующее информацию), а не тот, кто ее хранит.
Отделив информацию от ее семантической основы, получаем возможность построить определение информации и параллельно ввести ее объективную количественную меру. Будет использован способ определения, который называется операционным и который состоит в описании метода измерения или нахождения значения определяемой величины - такому способу отдается предпочтение в научном знании, поскольку он обеспечивается однозначность и объективность, чего трудно добиться для категорий, не имеющих меры (например, попробуйте определить понятие «доброта»). Открытие такого способа определения информации является одной из главных заслуг теории информации.
Операционное определение информации будет нами рассмотрено в гл. 2, поскольку оно требует освоения ряда предшествующих и сопутствующих понятий. Пока же обсудим особенность, которой обладает любая информация, - это то, что информация -категория нематериальная. Следовательно, для существования и распространения в материальном мире она должна быть обязательно связана с какой-либо материальной основой - без нее информация не может проявиться, передаваться и сохраняться, например, восприниматься и запоминаться нами.
Введем определение:
Материальный объект или среду, которые служат для представления или передачи информации, будем называть ее материальным носителем.
Материальным носителем информации может быть бумага, воздух, лазерный диск, электромагнитное поле и пр. При этом хранение информации связано с некоторой характеристикой носителя, которая не меняется с течением времени, например намагниченные области поверхности диска или буква на бумаге, а передача информации - наоборот, с характеристикой, которая изменяется с течением времени, например амплитуда колебаний звуковой волны или напряжение в проводах. Другими словами, хранение информации связано с фиксацией состояния носителя, а распространение - с процессом, который протекает в носителе. Состояния и процессы могут иметь физическую, химическую, биологическую или иную основу - главное, что они материальны.
Однако не с любым процессом можно связать информацию. В частности, стационарный процесс, т.е. процесс с неизменными в течение времени характеристиками, информацию не переносит. Примером может служить постоянный электрический ток, ровное горение лампы, или равномерный гул - они содержат лишь ту информацию, что процесс идет, т.е. что-то функционирует. Иное дело, если будем лампу включать и выключать, т.е. изменять ее яркость, - чередованием вспышек и пауз можно представить и передать информацию (например, посредством азбуки Морзе). Таким образом, для передачи необходим нестационарный процесс, т.е. процесс, характеристики которого могут изменяться; при этом информация связывается не с существованием процесса, а именно с изменением какой-либо его характеристики.
Изменение характеристики носителя, которое используется для представления информации, называется сигналом,а значение этой характеристики,.отнесенное к некоторой шкале измерений, называется параметром сигнала.
В табл. 1.1 приведены примеры процессов, используемых для передачи информации, и связанных с ними сигналов.
Таблица 1.1.
Однако одиночный сигнал, как увидим в дальнейшем, не может содержать много информации. Поэтому для передачи информации используется ряд следующих друг за другом сигналов.
Последовательность сигналов называется сообщением.
Таким образом, от источника к приемнику информация передается в виде сообщений. Можно сказать, что сообщение выступает в качестве материальной оболочки для представления информации при передаче. Следовательно, сообщение служит переносчиком информации, а информация является содержанием сообщения.
Соответствие между сообщением и содержащейся в нем информацией называется правилом интерпретации сообщения.
Это соответствие может быть однозначным и неоднозначным. В первом случае сообщение имеет лишь одно правило интерпретации. Например, по последовательности точек, тире и пауз в азбуке Морзе однозначно восстанавливается переданная буква. Неоднозначность соответствия между сообщением и информацией возможна в двух вариантах:
· одна и та же информация может передаваться различными сообщениями (например, прогноз погоды может быть получен по радио, из газеты, по телефону и пр.);
· одно и то же сообщение может содержать различную информацию для разных приемников (примером может служить передача в 1936 г. по радио фразы «Над всей Испанией безоблачное небо», которое для непосвященных людей имело смысл прогноза погоды, а для знакомых с правилом интерпретации - сигналом к началу военных действий).
Обсудим следующее исходное понятие - информационный процесс. Вообще термин «процесс» применяется в тех случаях, когда некоторое качество, характеризующее систему или объект, меняется с течением времени в результате внешних воздействий или каких-то внутренних причин. Какие атрибуты могут изменяться с течением времени у нематериальной информации? Очевидно, только ее содержание и материальная оболочка, посредством которого информация представлена, т.е. сообщение. В связи с этим примем следующее определение:
Информационный процесс - это изменение с течением времени содержания информации или представляющего его сообщения.
Различных видов информационных процессов оказывается немного:
· порождение (создание) новой информации;
· преобразование информации (т.е. порождение новой информации в результате обработки имеющейся);
· уничтожение информации;
· передача информации (распространение в пространстве).
На самом деле все перечисленные события происходят не непосредственно с самой информацией, а с сообщением, т.е. ее материальной оболочкой. И с этих позиций возможны лишь два типа процессов: изменение сообщения с сохранением содержащейся в нем информации и изменение сообщения, сопровождающееся преобразованием информации. К процессам первого типа относятся передача информации без потерь и обратимая перекодировка; к процессам второго типа - создание-уничтожение, необратимая перекодировка, передача с потерями, обработка с появлением новой информации.
Отдельно следует остановиться на хранении информации. Как уже было сказано, хранение связывается с фиксацией параметра материального носителя, который далее с течением времени не меняется. Следовательно, запись информации на носитель (непосредственно момент фиксации параметра) и ее последующее считывание подпадают под определение информационного процесса, но само хранение - нет. Хранение следовало бы назвать информационным состоянием, однако, такое понятие в информатике не используется.
С передачей информации связана еще одна пара исходных сопряженных понятий - источник и приемник информации.
Источник информации - это субъект или объект, порождающий информацию и представляющий ее в виде сообщения.
Приемник информации - это субъект или объект, принимающий сообщение и способный правильно его интерпретировать.
В этих определениях сочетание «субъект или объект» означает, что источники и приемники информации могут быть одушевленными (человек, животные) или неодушевленными (технические устройства, природные явления). Для того чтобы объект (или субъект) считался источником информации, он должен не только ее породить, но и иметь возможность инициировать какой-то нестационарный процесс и связать информацию с его параметрами, т.е. создать сообщение. Например, если человек что-то придумал, но держит это в своем мозге, он не является источником информации; однако он им становится, как только свою идею изложит на бумаге (в виде текста, рисунка, схемы и пр.) или выскажет словами.
В определении приемника информации важным представляется то, что факт приема сообщения еще не означает получение информации; информация может считаться полученной только в том случае, если приемнику известно правило интерпретации сообщения. Другими словами, понятия «приемник сообщения» и «приемник информации» не тождественны. Например, слыша речь на незнакомом языке, человек оказывается приемником сообщения, но не приемником информации.
Для связи с внешним миром у человека, как известно, имеются пять органов чувств. Следовательно, воспринимать сообщение можно только посредством одного из них (или группой органов). Это не означает, однако, что человек не может использовать для передачи и приема информации какие-то иные процессы, им не . воспринимаемые, например радиоволны. В этом случае человек-источник использует промежуточное устройство, преобразующее его сообщение в радиоволны - радиопередатчик, а человек-приемник - другое промежуточное устройство - радиоприемник, преобразующий радиоволны в звук. Такой подход заметным образом расширяет возможности человека в осуществлении передачи и приема информации.
Промежуточные устройства-преобразователи получили название технические средства связи, а в совокупности с соединяющей их средой они называются линией связи. К ним относятся телеграф, телефон, радио и телевидение, компьютерные телекоммуникации и пр. При использовании таких средств возникает необходимость преобразования сообщения из одного вида в другой без существенной для получателя потери информации, а также увязки скорости передачи сообщения (т.е. интервала следования и величины отдельных сигналов) с возможностями линии связи и приемника. Обе эти проблемы оказываются центральными в теории информации.