Книга Как информация управляет миром - Сесар Идальго Сезар

Для простоты будем считать, что Эбби и Брайан используют «алфавит» из тридцати двух символов: строчных латинских букв и таких дополнительных символов, как пробел (), косая черта (/), запятая (,), точка (.), а также «собака» (@) и решетка (#). Кроме того, будем считать, что у Эбби и Брайана есть таблицы, в которых каждый символ соответствует числу (a = 1, b = 2, […], @ = 31, # = 32).

Лучшим способом угадывания твита Эбби является использование Брайаном каждого вопроса для разделения пространства поиска возможных твитов пополам. Брайан может сделать это, отгадывая сообщение Эбби символ за символом. Если Брайан решит использовать данную стратегию, то его первым вопросом типа «да/нет» будет: «Число, соответствующее первому символу, больше 16?» Если Эбби ответит отрицательно, то Брайан будет знать, что первый символ в твите Эбби расположен между буквами a и p. Имея это в виду, Брайан должен будет задать второй вопрос, который разделяет пополам оставшийся набор символов: «Число, соответствующее первому символу, больше 8?» Если Эбби ответит утвердительно, то Брайан будет знать, что первый символ сообщения Эбби расположен между числами 9 и 16 (то есть между буквами i и p). Теперь вы уже можете догадаться, что следующим вопросом Брайана будет: «Число, соответствующее первому символу, больше 12?»

Каждый заданный вопрос позволяет Брайану сократить количество возможных символов в два раза. Поскольку существует тридцать два возможных символа, Брайану потребуется задать только пять вопросов, чтобы угадать каждый символ (вам нужно разделить 32 на 2 пять раз, чтобы получить только один вариант). Наконец, поскольку твит состоит из 140 символов, Брайану потребуется 140 × 5 = 700 вопросов типа «да/нет», или битов, чтобы угадать сообщение Эбби.[21]

Теория Шеннона говорит, что нам требуется 700 бит, или вопросов типа «да/нет», для передачи твита, написанного с использованием алфавита, включающего тридцать два символа. Кроме того, теория Шеннона является основой современных систем связи. Путем количественного определения числа битов, необходимых для кодирования сообщений, он помог разработать технологии цифровой связи. Тем не менее во время разработки своей формулы Шеннон не знал о том, что его формула была идентична той, которую вывел Больцман почти за полвека до него. Прислушавшись к предложению известного венгерского математика Джона фон Неймана, Шеннон решил назвать свою меру «энтропией», поскольку формула Шеннона была эквивалентна формуле энтропии, используемой в статистической физике. (Кроме того, согласно легенде, фон Нейман сказал Шеннону, что если тот назовет свою меру энтропией, то это гарантирует его победу в любом споре, поскольку никто точно не знает, что такое энтропия.)

Однако интерпретацию понятий «энтропия» и «информация», которые появились в результате работы Шеннона, было трудно примирить с традиционным толкованием слов «информация» и «энтропия», возникшим в работе Больцмана. Конфликт между определением слова «информация», используемым Шенноном, и его разговорным значением, которое широко распространено и сегодня, легко понять, используя в качестве примера компьютеры. Подумайте о своем персональном компьютере. Будь то настольный компьютер, ноутбук или смартфон, вы используете его для хранения фотографий, документов и программного обеспечения. Вы считаете эти фотографии и документы «информацией» и, конечно, хорошо понимаете то, что эта информация хранится на жестком диске вашего устройства. Тем не менее, согласно Шеннону, если бы мы случайным образом перемешали все биты на жестком диске, удалив таким образом все ваши фотографии и документы, мы бы увеличили количество информации на жестком диске. Как это может быть? Дело в том, что определение термина «информация», предложенное Шенноном, учитывает только количество битов, необходимое для передачи сообщения о состоянии системы (в данном случае речь идет о последовательности битов, которые хранятся на вашем жестком диске). Поскольку нам требуется больше битов для создания сообщения о состоянии жесткого диска, полного случайных данных, чем о состоянии жесткого диска с фотографиями и документами, содержащими корреляции, позволяющие сжимать последовательности, определение Шеннона подразумевает то, что после перемешивания битов в случайном порядке на вашем жестком диске станет больше информации. Технически Шеннон прав, говоря о том, что нам необходимо большее количество битов для передачи сообщения о содержимом жесткого диска, наполненного случайными данными, чем о содержимом жесткого диска с фотографиями и документами. Однако теорию информации Шеннона, которая, по сути, представляет собой теорию коммуникативного инжиниринга, следует расширить, чтобы примирить ее с разговорным смыслом слова «информация» и работой Больцмана. В дополнение к работе Шеннона мне сначала нужно будет объяснить определение энтропии, которое возникло из работы Больцмана, а затем вывести определение, которое мы могли бы использовать для описания информационно насыщенных состояний, ассоциирующихся с компьютером, наполненным фотографиями и документами.

Чтобы понять разницу между определениями энтропии, используемыми Больцманом и Шенноном, рассмотрим наполовину заполненный стадион.[22] Одной важной характеристикой такого стадиона является то, что существует множество способов наполнить его наполовину, и путем исследования этих способов мы можем объяснить понятие энтропии.

Сначала мы рассмотрим случай, в котором люди могут беспрепятственно передвигаться по стадиону. При этом один из способов наполовину наполнить стадион сводится к тому, чтобы рассадить людей как можно ближе к полю, оставив все верхние ряды свободными. Другой способ предполагает размещение людей на дальних рядах (при этом нижние ряды останутся незанятыми). Тем не менее люди также могут заполнить полстадиона, заняв места случайным образом.

Теперь чтобы использовать пример со стадионом для объяснения понятия энтропии, мне нужно ввести еще две идеи. Во-первых, я буду называть каждую комбинацию из сидящих на стадионе людей состоянием системы (или, выражаясь технически, микросостоянием). Во-вторых, я буду исходить из того, что мы можем определить эквивалентные конфигурации, используя некоторый критерий, который для целей данной иллюстрации может быть просто средним заполненным рядом.