Игра разума. Как Клод Шеннон изобрел информационный век
Именно инженерная ценность интересовала его в первую очередь, несмотря на его попытки определить само понятие информации. Какова природа связи? Что происходит, когда мы отправляем сообщение? Присутствует ли информация в сообщении, которое мы даже не понимаем? Это были сами по себе значимые вопросы. Но во всех поколениях, осуществлявших процесс связи, эти вопросы с настойчивостью и неумолимостью возникали уже потом, так как ответы на них становились вдруг исключительно ценными. Избалованные изобилием подводных кабелей, трансконтинентальных радиозвонков, снимков, отправленных по телефонной линии, и движущихся изображений, посылаемых по воздуху, мы приобрели отличные навыки того, как осуществлять процесс связи, но не успели разобраться в том, а что же такое связь как таковая. И за это незнание приходилось платить – либо аварией (перегоревшим кабелем), либо просто неудобством (мерцающая или размытая картинка на экранах первых телевизоров).
Хартли на тот момент ближе, чем кто бы то ни было, добрался до сути понятия информации. Более того, его работа говорила о том, что четкое понимание информации расширяло инженерные возможности. Так, к примеру, они могли «рубить» продолжительные сигналы, такие как человеческий голос, на цифровые шаблоны, и тогда информационный контент любого сообщения – продолжительного или дискретного – можно было подвести под единый стандарт. Сколько информации, к примеру, содержится в изображении? Сейчас мы можем воспринимать изображение так же, как мы воспринимаем телеграфную связь. Точно так же, как мы разбиваем телеграфное сообщение на дискретную последовательность из точек и тире, мы можем разбить изображение на дискретное количество клеток, которые Хартли называл «элементарными участками»: то, что позднее было названо элементами отображения или пикселями. Подобно тому, как операторы-телеграфисты выбирают из конечного набора символов, каждый элементарный участок определяется выбором из конечного набора яркости тона. Чем больше этот набор яркости и чем больше количество элементарных участков, тем больше информации содержит изображение. Это объясняет, почему цветные изображения включают больше информации, чем черно-белые – в первом случае выбор осуществляется из большего по объему словаря символов.
Итак, мы имеем клетки и степень яркости тона, а в виде изображения может выступать «Тайная Вечеря» или завтрак собаки – информация в обоих случаях будет беспристрастна. В идее о том, что даже изображение можно определить количественно, заключено понимание абсолютно утилитарных принципов информации. Это почти фаустовский обмен. Но когда мы принимаем эти принципы, то впервые начинаем догадываться о единстве, присутствующем в каждом сообщении.
И если некоторым людям требуются значительные усилия, чтобы достичь этого понимания, то машины «заточены» под эту беспристрастность. Поэтому универсальная мера информации может позволить нам определить лимиты действия наших машин и содержимое наших сообщений с помощью одинаковых формул, то есть как приводить наши машины и сообщения к единому знаменателю. Мера информации помогает нам обнаружить связи между диапазоном частот в определенной среде, информацией, содержащейся в сообщении, и временем, которое требуется для его отправки. Как показал Хартли, при работе с тремя этими параметрами всегда приходится идти на компромисс. Чтобы сообщение пошло быстрее, мы вынуждены выбрать больший диапазон частот или упростить сообщение. Если мы сэкономим на частотном диапазоне, то расплатимся за это меньшим объемом информации или более продолжительным временем ее передачи. Это объясняет, почему в 1920-х годах отправка фотографии по телефонным сетям занимала так много времени: телефонным сетям не хватало нужной частоты для столь сложного сообщения. Если воспринимать информацию, частотный диапазон и время, как три точных взаимозависимых параметра, это позволяет нам понять, какие идеи передачи сообщений «физически осуществимы», а за какие даже не стоит браться.
И последнее: ясность в отношении информации может привести к ясности в отношении шума. Шум может быть чем-то более точным, чем треск атмосферных помех или серия электрических импульсов, затерявшихся где-то в водах Атлантики. Шум тоже можно измерить. Хартли отважился лишь на часть пути к этой цели, но смог пролить свет на особый вид искажения связи, который он назвал «межсимвольной интерференцией». Если основной критерий для корректного сообщения – это его «читаемость» приемным устройством, тогда особенно тревожным признаком будет та неточность, когда символы станут размытыми, как, например, при наложении телеграфных импульсов, посылаемых слишком нетерпеливым оператором. Имея возможность измерить информацию, мы можем подсчитать не только время, требуемое для отправки любого сообщения по заданному частотному диапазону, но и количество символов, которые можно отправить за секунду так, чтобы их можно было разобрать.
То, что начиналось в девятнадцатом веке как осознание возможности осуществления более точной передачи сообщений на расстояния с помощью количественной оценки этих сообщений, в итоге превратилось в новую науку.
Вот как примерно обстояли дела с исследованиями в области информации, когда к этому вопросу подключился Клод Шеннон. То, что начиналось в девятнадцатом веке как осознание возможности осуществления более точной передачи сообщений на расстояния с помощью количественной оценки этих сообщений, в итоге превратилось в новую науку. Каждый шаг в этом направлении был шагом к большей абстракции. Информация была потоком электричества, идущего по проводам, числом знаков, отправленных по телеграфу, выбором символов. На каждой стадии что-то конкретное отпадало.
Пока Шеннон в течение десяти лет обдумывал все эти проблемы в холостяцкой берлоге в Вест-Виллидж или в своем кабинете в «Лабораториях Белла», наука об информации чуть было не зачахла. Сам Хартли все еще продолжал работать в «Лабораториях», но уже собирался уйти на покой, а Шеннон только поступил туда на службу. К сожалению, двое ученых расходились в принципиальных вопросах, что могло помешать их успешному сотрудничеству, если бы такая возможность представилась. Хартли, с которым Шеннон в итоге познакомился лично, показался ему слишком далеким от того человека, чьи идеи когда-то пленили его. Шеннон вспоминал о нем так:
«…очень талантливый человек в определенных областях; но застрявший в каких-то идеях. Он был сторонником той теории, что Эйнштейн ошибался в своих выводах. Что нужно восстановить классическую физику Ньютона, понимаете?
И все свое время он тратил на то, чтобы попытаться объяснить все те вещи, которые теория относительности объясняла через связь между пространством и временем, объяснить так, как это делали люди примерно в 1920-х годах. Но научное сообщество пришло в конечном счете к выводу, что Эйнштейн прав. Все научное сообщество, за исключением Хартли, я полагаю».
Так что в период «между Хартли и Шенноном», говорил Джон Пирс из «Лабораторий Белла», наука об информации «похоже, имела продолжительный и комфортный отдых».
Можно винить в этом зацикленность Хартли на идеях теории относительности или войну, во время которой тратились огромные средства на отслеживание и сбивание самолетов-снарядов и цифровую телефонию, а еще на шифрование, дешифровку и вычислительные машины, но в то время было мало ученых, у которых нашлись бы возможность или желание отвлечься от насущных проблем и задаться вопросом о связи в целом. А можно просто принять тот факт, что следующий ключевой шаг после Хартли мог быть осуществлен только гением и по прошествии какого-то времени. Теперь уже, оглядываясь назад, мы можем сказать, что если бы этот шаг был столь очевиден, то, во-первых, вряд ли бы пришлось ждать целых двадцать лет, чтобы сделать его, и во-вторых, он не вызвал бы такого потрясения.
«Он произвел эффект разорвавшейся бомбы», – сказал Пирс.
16. Бомба
«Фундаментальная проблема связи заключается в воспроизведении в одной точке либо точно, либо приблизительно сообщения, выбранного в другой точке. Чаще всего сообщения обладают смыслом… Эти семантические аспекты связи нельзя отнести к инженерной проблеме».