§ 7. Информация в неживой природе и кибернетических системах

В нашей философской литературе довольно широко распро­странена точка зрения, согласно которой информация присуща лишь системам живой природы, общества и кибернетическим уст­ройствам, т.

Нам представляется, что эта концепция уязвима в естест­венно-научном и философском отношении. Прежде всего обра­тим внимание на весьма плодотворные попытки применения теории информации в науках о неживой природе, в частности в физике и химии. Уместно здесь привести мнение ученых, рабо­тающих в области применения теории информации в физике.

Так, Д. С. Лебедев и Л. В. Левитин пишут: «Еще Л. Больцман и позднее Л. Сцилард придавали термодинамическому понятию энтропии информационный смысл. Однако теория информации, начиная с основополагающих работ К. Шеннона, развивалась вначале как чисто математическая дисциплина. Создавалось впе­чатление, что закономерности передачи и переработки информа­ции не являются физическими и понятия теории информации не могут быть определены на основе физических понятий. Оши­бочность таких взглядов была отмечена еще в 1950 г. Д. Габо - ром [48], подчеркнувшим, что «теория информации должна рас­сматриваться как ветвь физики». Но лишь в классической работе Л. Бриллюэна [49] был сформулирован в общем виде негэнтропий- ный принцип информации и установлена глубокая связь между физической энтропией и информацией. С точки зрения этого принципа, в его последовательной и положительной форме вся­кая информация представляется некоторым состоянием физиче­ской системы и связана с отклонением ее от термодинамического равновесия. Таким образом, информационные свойства реаль­ных систем могут быть описаны чисто физически и открывается путь для построения последовательной физической теории ин­формации ^[50].

Конечно, вряд ли можно согласиться с Д. Г абором, что тео­рия информации - ветвь физики. Это преувеличение. Теоретико­информационные методы могут быть применены, во всяком слу­чае везде, где применяются теоретико-вероятностные методы. С развитием невероятностных подходов к определению количества информации перспективы их применения еще более расширяют­ся. Методами теории информации будут изучаться свойства про­странства и времени, чем до сих пор занимались в основном фи­зические теории (например, специальная и общая теории отно­сительности А. Эйнштейна). Итак, физика и теория информации взаимно проникают друг в друга, что в общем ведет к созданию двух основных синтетических дисциплин - особой прикладной физической теории информации (а скорее всего, ряда ее ветвей - термодинамической, квантовой) и информационной физики.

Аналогичный вывод справедлив и для ряда других наук о неживой природе, например для химии. В сфере химических ре­акций также действуют термодинамические законы, а значит, и здесь приложимы теоретико-информационные методы. При этом их применение не ограничивается рамками тепловых эффектов химических реакций, они позволяют более глубоко изучить и другие стороны химического разнообразия (например, явления изомерии, симметрию и асимметрию химических соединений, процессы химической эволюции на земле и т. д.).

Уже исходя из того, что понятие информации и связанные с ним методы исследования применяются в науках о неживой при­роде, можно сделать вывод, что информация присуща и систе-

^ [51] мам неживой природы .

Здесь возникает аналогия с понятием энергии, которым пользуются ученые-естественники: она отражает определенное свойство физических, химических, биологических и других сис­тем. Почему же в таком случае нельзя полагать, что понятие ин­формации, которое также применяют физики, химики, не отра­жает объективных свойств систем неживой природы?

Может быть, потому что неживые тела не используют ин­формацию? Но ведь неживые тела не используют и энергию, в том смысле, в каком ее используют живые существа и человек.

Положение о том, что информация присуща и неживой природе, естественным образом вытекает из концепции разнооб­разия. Ведь разнообразие свойственно и объектам неорганиче­ским, оно существовало до появления жизни и до человека. Ин­формация как таковая тоже никогда не возникает, она является, по-видимому, таким же неотъемлемым свойством материи, как и пространство, время, движение и т. д. Однако можно говорить о возникновении способности использования информации, т. е.

управления. Использование информации (а отсюда и такие ее

_*

свойства, как ценность , а затем и смысл) действительно возни­кает впервые с появлением живых существ как генетически пер­вичных кибернетических систем (хотя элементы, прообразы это­го использования можно обнаружить и в неживой природе).

Таким образом, информация в определенном (генетиче- ском) аспекте первична по отношению к управлению.

Исторически сложилось так, что понятие количества ин­формации математически оформилось в связи с понятием энтро­пии. Энтропия - традиционное понятие наук о неживой природе, и уже это в определенной степени служит аргументом в пользу всеобщности информации. Понятие управления же возникло как результат обобщения некоторых закономерностей живой приро­ды, общества и техники. Специалисты в области кибернетики не раз подчеркивали неприменимость понятия управления к нежи­вой природе (тогда как они же указывают на всеобщность ин­формации).

«Управление не существовало до появлении жизни, - пи­шет академик В. А. Трапезников, - оно возникло вместе с ее за­рождением. Этот отличительный признак можно считать более характерной чертой живых организмов, чем наличие обмена с окружающей средой, который может наблюдаться и в неживой природе, или чем материал, из которого построены живые орга­низмы на земле. Ведь никем не доказано, что в иных мирах не­возможны иные физико-химические основы живых организмов.

г- [52]

управления не мог бы существовать ни один живой организм» .

Из того, что управление впервые возникает на уровне жиз­ни, еще не следует, что неживой природе не присущи элементы управления. Там существуют механизмы, подобные механизму управления по принципу обратной связи ^[53]. Такие прообразы управления с обратной связью можно найти в физических, хи­мических, геологических и ряде других явлений. Этот прообраз, предпосылку управления предлагается называть квазиуправле­нием, или авторегуляцией. Авторегуляция - это способность системы возвращаться к прежнему, нарушенному возмущениями состоянию.

Управление есть, конечно, частный случай движения, изме­нения (а в определенном аспекте и отражения), и понятно, что отдельные признаки, элементы его должны существовать и в не­живой природе. С другой стороны, управление есть функцио­нальное свойство определенного уровня организации, структуры материи. В чем же заключается качественное отличие управле­ния от его элементов, признаков, предпосылок (например, таких как авторегуляция и т. п.), которые мы можем обнаружить и в неживой природе?

Известны четыре основных вида движения информации: восприятие, хранение, передача и переработка. Характерным от­личием неживой природы от живой является то, что в ней отсут­ствует весьма важный вид движения информации - ее перера­ботка. Объекты неживой природы могут воспринимать, хранить и передавать информацию в процессе их взаимодействия с дру­гими объектами. Всякое взаимодействие кроме энергетического аспекта имеет и информационный. Любое взаимодействие осу­ществляется благодаря каким-то материальным носителям - ве­ществу или полю. Движущееся вещество или поле всегда харак­теризуется каким-либо типом разнообразия, а потому объектив­но обладает информацией. Информация, которая заключена в структуре, организации объекта, может быть названа структур­ной, или связанной (этот термин употребляет Л.

Поскольку любые объекты неживой природы всегда взаи­модействуют, то в результате они обмениваются информацией с другими объектами, причем включение информации в структуру можно назвать ее восприятием, а отделение элементов от данной структуры и пересылку другим объектам - передачей. Таким об­разом, можно четко выделить существование трех видов движе­ния информации в неживой природе. Хранение соответствует связанной информации, восприятие и передача - так называемой свободной информации.

В неживой природе информационные процессы «затемне­ны» энергетическими, в той или иной степени не выделены из них. Любая система неживой природы участвует в информаци­онном процессе как бы «всем телом», всей структурой. У нее нет специального органа, отдела, который специализировался бы преимущественно на одном свойстве - информации. В отличие от этого, системы живой природы обладают такой структурой, благодаря которой они способны выделять, использовать инфор­мационный аспект взаимодействия (например, нервные клетки, тот или иной тип нервной системы и т. д.).

Способность использования, преобразования информации возникает, по-видимому, уже на стадии раздражимости (возбу­димости), т. е. уже у простейших живых существ.

Как отмечают М. Ф. Веденов и В. И. Кремянский, развитие

раздражимости «в ходе эволюции связано с появлением способов

усиления и преобразования сравнительно слабых воздействий из­ 44 55

вне и воздействий со стороны компонентов на верхние ярусы или на весь организм, а также усиления собственных реакций компонентов. Этим обусловлена чрезвычайно повышенная “чув-

55 44

ствительность живой системы как целого к воздействиям раз­дражителей”... Конечно, такие явления возможны только при на­личии определенной структуры целого и частей, обеспечивающей легкое высвобождение энергии, накопленной за счет среды»^[54].

Возможность преобразования информации возникла в связи с появлением особой структуры живого вещества, причем эта особая структура является синтезом, результатом развития структур неживой природы. Отдельные элементы переработки информации, регулирования есть и в объектах неживой природы (например, различного рода цепные реакции: ливни космических лучей в атмосфере, лавины в горах и т. п.). Но они существуют там раздельно друг от друга, порознь, а в живой природе они встречаются в совокупности, что и придает новое специфическое качество биологическим структурам.

Характерно, что кибернетика интересуется преимуществен­но переработкой информации. B. М. Глушков отмечает, что «ки­бернетика изучает управляющие системы с точки зрения преобра-

_*

зования информации» . А. А. Ляпунов и C. В. Яблонский под­черкивают, что «очень важной областью кибернетики, по сути де­ла центральным звеном теоретической кибернетики, является теория управляющих систем, т. е. теория устройств, которые

осуществляют переработку информации в соответствии с задан­**

ным алгоритмом» ^[55].

Таким образом, кибернетика преимущественно занимается специальной частью информационных процессов - переработ­кой информации, которая тесно связана с управлением. Поэтому, говоря об информации и управлении, следует прежде всего под­черкивать взаимосвязь переработки информации и управления.

Как известно, предмет кибернетики обычно определяется через понятие управления. Но если управление связано с пере­работкой информации и представляет собой особое свойство информационных процессов, то отсюда следует, что кибернети­ку можно определить также на основе понятия информации. Та­кое определение было дано А. Н. Колмогоровым: «Кибернетика изучает машины, живые организмы и их объединения исключи­тельно с точки зрения их способности воспринимать опреде­ленную “информацию”, сохранять эту информацию в “памяти”, передавать ее по “каналам связи” и перерабатывать ее в “сигна­лы”, направляющие их деятельность в соответствующую сторо­ну. Процессы восприятия информации, ее хранения и передачи называются в кибернетике связью, переработка воспринятой информации в сигналы, направляющие деятельность машин и организмов, - управлением. ...Кибернетику определяют также как науку о способах восприятия, хранения, переработки и ис­пользования информации в машинах, живых организмах и их объединениях»^[56].

Правда, вопрос о том, можно или нельзя давать определе­ние кибернетики через понятие информации, - дискуссионный. Высказывают мнение, что кибернетика, в частности, включает в себя такие относительно самостоятельные разделы, как теория информации, теория программирования, теория игр и теория ав­томатов. Теория информации в этом случае предстает как со­ставная часть кибернетики. В то же время еще никем не доказа­но, что задачи, решаемые теорией программирования, теорией игр и теорией автоматов, в принципе не могут быть решены тео­ретико-информационными методами. Не исключено, что в каж­дой из этих областей можно дать свое определение количества и других характеристик информации.

Можно предположить, что все дело еще в недостаточном развитии теории информации. Поэтому исторически сложилось так, что часть задач кибернетики изучается теориями програм­мирования, игр и автоматов. Если бы было показано, что основ­ные методы кибернетики - теоретико-информационные, а другие в принципе не столь существенны, то кибернетика представляла бы собой только часть теории информации.

Но даже если это и не удастся доказать, то и тогда теория информации оказывается в определенном аспекте шире кибер­нетики, ибо теоретико-информационные методы применимы и к изучению неживой природы, а кибернетика связана с изучением некоторых технических устройств, живых организмов и обще­ства. Современная кибернетика не занимается исследованием процессов, протекающих в неживой природе, так как там нет управления.

Графически современное соотношение между теорией ин­формации и кибернетикой можно представить в виде двух пересекающихся окружностей.

Обе теории имеют некото­рую общую часть. Совместятся ли эти окружности в дальнейшем? Включит ли теория информации в себя кибернетику? Ответ на этот вопрос может быть получен в хо­де дальнейшего развития науки. А сейчас можно лишь отметить, что обе теории взаимосвязаны, но ни одна из них не является только частью другой. Из сказан­ного следует, что нельзя информацию считать только кибернети­ческой категорией: она носит более широкий, можно сказать об­щенаучный, характер.

Остановимся несколько подробнее на характеристике про­цессов регулирования и управления в кибернетических систе­мах. Кибернетические системы используют для регулирования и управления объективно существующее разнообразие. Поэтому исходным понятием для анализа процесса управления может служить понятие информации как разнообразия.

Выше уже упоминалось, что на систему могут действовать возмущения. Что же такое возмущение? Эшби определяет его как то, что переводит систему из одного состояния в другое. По­скольку состояние системы характеризуется определенным раз­нообразием (информационным содержанием), то перевод систе­мы из одного состояния в другое есть изменение ее разнообра­зия. Однако не всякое изменение состояния системы совместимо с ее существованием. Так, кошка может поймать мышь и съесть ее. Такое возмущение системы мышь ведет к ее уничтожению. Это пример внешнего возмущения, но существуют и внутренние возмущения, например, нарушение функционирования какого- либо органа внутри системы, которые также могут оказаться причиной ее гибели.

Поэтому существование системы возможно лишь в опреде­ленном диапазоне изменения ее состояний. Так, из множества возможных состояний системы «мышь» лишь те совместимы с ее существованием, которые находятся в пределах допустимых. По­этому для сохранения своего существования мышь должна огра­ничивать разнообразие своих состояний - убегать от кошки и т. д.

Если состояние системы находится в пределах допустимых состояний, будем говорить, что она устойчива (или замкнута) от­носительно данных возмущений. Устойчивость системы может быть достигнута, во-первых, если на пути разнообразия возму­щений ставится пассивная преграда, во-вторых, если возможна активная защита от него.

Первый способ защиты от возмущений применяется живы­ми существами: примером может служить панцирь черепахи или раковина рака-отшельника. Однако основным способом сохра­нения устойчивости кибернетических систем является активная защита, состоящая в том, что между системой и возмущениями ставится регулятор. Основная функция регулятора - ограничение возмущений, действующих на систему. Степень ограничения разнообразия возмущений определяет степень регулирования.

Предположим, что на некоторую систему действует возму­щение, разнообразие которого равно четырем, а среди множества состояний системы лишь одно является допустимым. Для обес­печения устойчивости системы, то есть сохранения лишь допус­тимого состояния, необходим регулятор, ограничивающий раз­нообразие возмущений и не пропускающий их к системе. По­скольку регулятор - это не пассивная преграда, то он должен из­меняться под действием возмущений. Для того чтобы парировать действия возмущений, разнообразие которых равно четырем, сам регулятор тоже должен обладать разнообразием состояний, рав­ным четырем.

Нет надобности в этом случае использовать регулятор с большим разнообразием - это только усложнит его, но не улуч - шит регулирование. Если регулятор будет обладать меньшим разнообразием, то он не сможет справляться с возмущениями. Так, если в приведенном нами примере регулятор будет иметь разнообразие состояний, равное двум, то число состояний сис­темы увеличится и превысит число допустимых состояний.

Управление отличается от регулирования тем, что дает воз­можность изменять состояния системы, например, по некоторой программе. Если регулирование обеспечивает заданную устой­чивость системы, то управление может изменять состояния сис­темы, но обязательно посредством совершенного регулятора. Управление возможно только на базе регулирования - последнее является необходимым элементом управления.

Рассуждая о регулировании, мы исходили из того, что раз­нообразие возмущений известно. Однако в действительности это разнообразие часто бывает неизвестным. Даже если бы каждая кибернетическая система была бы снабжена устройством типа сверхразума (демона) Лапласа, то и в этом случае она не могла бы «знать» всех возмущений, которые могут на нее подейство­вать. Причина такой «неосведомленности» заключается в объек­тивном существовании случайных явлений, возмущений. Поэто­му в большинстве случаев о возмущениях кибернетическая сис­тема узнает лишь после их действия, т. е. тогда, когда система переведена из устойчивого, заданного состояния в другое, от­личное от него.

Различие между заданным и действительным разнообрази­ем состояний системы (между целью и результатом) оказывается сигналом для приведения в действие регулятора. Использование этого сигнала возможно лишь при наличии обратной связи меж­ду регулятором и системой управления. При этом обратная связь является отрицательной, если различие между заданным и дей­ствительным состоянием уменьшается, и положительной, если такое различие увеличивается. Кибернетическая обратная связь всегда неотделима, таким образом, от регулирующего воздейст­вия, которое обусловлено передачей информации (в виде сигнала о различии между заданным и действительным состоянием сис­темы). Суть принципа обратной связи, как отмечает Л. А. Пет- рушенко[57], заключается в том, что любое отклонение системы управления от заданного состояния служит источником возник­новения в системе нового движения, всегда направленного таким образом, чтобы поддерживать систему в заданном состоянии. Управление, основанное на принципе обратной связи, фактиче­ски является самым фундаментальным типом управления.

Управление в кибернетических системах можно разделить в определенном отношении на три типа: 1) самосохранение; 2) са­моразвитие (самосовершенствование); 3) самовоспроизведение. Все упомянутые типы управления связаны с различными клас­сами разнообразия и с различными видами генетического тожде­ства (имеется в виду тождество сохраняющихся сторон киберне­тических систем, между которыми существует генетическая, ис­торическая связь).

Если конечная цель управления заключается только в со­хранении целостности, качественной определенности киберне­тической системы, то такое управление есть управление самосо­хранения (или гомеостатическое). Примером этого типа управ­ления может служить самосохранение любого нормального ор­ганизма в его зрелом возрасте, нормальное функционирование большинства кибернетических устройств, имеющих управление по принципу обратной связи. Характерная черта этого типа управления - сохранение информационного содержания (т. е. ко - личества информации) структуры кибернетической системы и постоянство цели управления. Поскольку при самосохранении кибернетическая система остается тождественной самой себе лишь в структурном аспекте, назовем этот тип тождества генети­ческим тождеством первого рода.

Саморазвитие - более сложный тип управления. С точки зрения самосохранения, необязательно совершенствование, про­гресс кибернетической системы, накопление структурной ин­формации. Для самосохраняющихся систем вполне достаточно, чтобы с течением времени их структура не изменялась. Требова­ние же накопления структурной информации предполагает пере­ход к более высокому типу тождества, включающему в себя больше различий, нежели предыдущий тип генетического тож­дества. Кибернетическая система, саморазвиваясь, прогрессируя, может уже изменять свой конкретный тип целостности, качест­венной определенности, в то же время в генетическом аспекте оставаясь самой собой. Этот тип тождества можно назвать гене­тическим тождеством второго рода. Примером саморазвиваю- щихся кибернетических систем является эмбриогенез (процесс зародышевого развития любого организма), прогрессивная фи­логенетическая эволюция животных, кибернетические устройст­ва, обладающие способностью к самообучению.

Еще более сложный тип управления - самовоспроизведе­ние. Наиболее полно он изучен в биологии, хотя свойствен и об­ществу (экономике, науке, культуре и т. д.). Самовоспроизведе­нием не обладают современные кибернетические устройства, так как у них нет такой степени организации, которая присуща био­логическим и социальным системам. Хотя процессы самовос­произведения имеют различные формы, общим для них является то, что при сохранении или даже увеличении структурной ин­формации одной системы ею порождается другая система, при­чем эта последняя генетически тождественна первой и обладает способностью саморазвития. Упомянутый тип тождества следует назвать генетическим тождеством третьего рода.

Во всех рассмотренных выше процессах управления прояв­ляется диалектическая взаимосвязь тождества и различия. Во- первых, сама классификация тождеств, связанных с различными типами управления, может быть основана на наличии в них тех или иных различий. Во-вторых, поскольку рассматриваются оп­ределенные тождества информационных содержаний структур, то это не что иное, как тождество определенных различий. В-третьих, тождество различий (информационных содержаний структур) отнюдь не предполагает статического сохранения эле­ментов, связей, отношений структуры, а, наоборот, их изменение и замену. Здесь сохранение обязательно предполагает изменение, а тождество структуры в одном отношении есть ее изменение в других отношениях.

Общий вывод, который можно сделать, свидетельствует о том, что управление всегда связано или с сохранением, или с увеличением структурной информации системы. Однако этот вывод нельзя абсолютизировать и считать, что если данная ки­бернетическая система имеет управление по принципу обратной связи, то ее информационное содержание не может уменьшаться. Дело в том, что управление в системе обычно осуществляется лишь в отношении определенных возмущений, а другие возму­щения не устраняются. В результате, несмотря на наличие управления, общее информационное содержание системы может снижаться. Так, современные кибернетические устройства, имеющие управление по принципу обратной связи, настроены лишь на определенные возмущения, тогда как многие другие возмущения выводят их из строя, и их ремонтом занимается че­ловек. Аналогичные примеры можно привести из области живой природы - приспособление к паразитическому образу жизни ве­дет к общему снижению информационного содержания организ­ма, хотя в ряде отношений организм функционирует нормально. Таким образом, управление связано с сохранением или повыше­нием количества информации лишь в определенном отношении.

Для того чтобы система увеличивала или сохраняла свое информационное содержание по отношению ко все большему количеству возмущений, необходимо все большее число управ­ляющих систем. Но возрастание в кибернетической системе чис­ла управляющих систем ведет к увеличению структурной ин­формации, а это требует появления новых управляющих систем и т. д. Именно так происходит эволюция таких кибернетических систем, как живые организмы.