Оптимизация процессов управления системами

Управляемые системы, тем более системы, которые имеют в своем составе специальный управляющий орган, должны обладать повышенным содержанием ОНГ. Они в своем развитии находятся на более высокой ступени по сравнению с другими, в т.ч. и с упорядоченными и орга­низованными. Каждый акт управления, т.е. принятие реше­ния, связан с выбором

Для осуществления оптимального выбора требуется достаточное количество информации. Этими вопросами давно занимается кибернетика и основное положение по управлению сфор­мулировал Эшби в виде ограничения - закона необходимого разнообразия. По этому закону для обеспечения эффективного управления управляющая система должна иметь не меньше количества разнообразия (по нашей тер­минологии - ОЭ), чем управляемая система. Закон Эшби прав относительно требуемой ОЭ, но для эффективного управления требуется ещё ОНГ.

Любая система может быть управляемой только в той мере, насколько сумма первоначальной и введенной управляющей системой ОНГ компенсирует её ОЭ_м и в полной мере система становится управляемой только в том случае, если общая ОНГ равняется ОЭ_м системы, т.е. ОНГ_н + ОНГ_у = ОЭ_м. Система является полностью управляемой, если степень управляемости равняется 1,0, т.е. если количество OНГ_мин системы равно количеству OЭ_макс

Поскольку в реальных сложных системах ОЭ велика и приближается к бесконечности, то полное управление реаль­ными системами представляет невыполнимую задачу.!!

Проблема резко усложняется при необходимости уп­равления сложными системами, в которых ОЭ > 10¹⁰ бит. Эти системы находятся в процессе непрерывного изменения и развития. Поэтому, для обеспечения полной управляемости, необходимо в эти системы ввести соответствующее на OЭ_ф количество ОНГ через каждый период времени, за который система существенно изменяется. Продолжительность пери­ода зависит от скорости изменений в системе.(непрерывное обучение!)

1. Реально существующие системы, обладающие формально большой сложностью (разнообразием, большим ОЭ, неопределённостью), содержат часто и большое ко­личество ОНГ (внутреннюю структуру), которая резко уменьшает требуемую для их управления ОНГ. Особенно много т.н. скрытую ОНГ содержат искусственно созданные человеком системы. В случае аэропорта к этим относятся ранее известные расписания полёта и технические ха­рактеристики самолётов, техническая оснащенность аэропорта и др.

2. Все системы имеют иерархическую структуру и это следует использовать при проектировании управляющих структур. Управляющие или поисковые воздействия на более высоком уровне имеют более высокую эффективность и влияют на большое количество систем. Можно элиминировать большие области поискового поля и тем самым упростить процессы выбора и управления.

То, что внешне похоже на информацию, в большой части представляет собой полуправду или субъективное, одностороннее мнение отдельных личностей, фирм или организаций. Хорошо, если эти личности честно хотят, не ошибаясь, передать правдоподобную информацию. Во многих случаях передаётся намеренно односторонняя информация с целью получения какой-то личной выгоды или введения в заблуждения конкурентов. В условиях ограниченности вре­мени становится всё труднее проверить, отсеять не­существенную информацию, точнее шум, от существенного и принять правильное решение. Тем более, что окружающая среда и сам развивающийся субъект находятся в процессе непрерывного изменения. В результате этого управляемость процессов в обществе не увеличивается, часто уменьшается. Причиной таких отрицательных тенденций является иллюзорность обилия и полноты информации и инфор­мированности (ОНГ). В действительности большинство пере­даваемых "сообщений" ничего общего с информацией не имеет. Они, как говорится, являются только "шумом", который только мешает процессам передачи настоящей информации. В настоящее время измеряется в передаваемых сообщениях формальное количество информации по битам. При этом часто отвлекаются от смыслового содержания ин­формации, от её ценности для получателя, от её эф­фективности и от существенности для цели системы, её принимающей. Поэтому очень трудно оценить начальную ОЭ системы, её рост по времени и количество ОНГ, вводимой управляющей системой в ходе управления. В результате этого часто невозможно определять степень управляемости сис­темы.

Если говорят, что управляют такими сложными системами, как государственные, экономические, научные и т.д., то в действительности управляют только их упро­щёнными моделями!!

Для любой сложной системы можно составлять упрощённую модель, при помощи которой обеспечивается частичная управляемость. Однако, управление упрощёнными моделями далеко не всегда даёт право говорить о полном управлении реальными сложными системами. Упрощённые модели не учитывают всех влияющих факторов, целевых критериев, ограничений и они не всегда дают возможность в широкой области прогнозировать поведение системы. Бо­лее того, упрощённые модели могут создать иллюзию, как будто процессы полностью управляемые. В действительности размерность реальной системы может быть намного больше модельного и неуправляемых факторов много, что уве­личивает неопределённость в функционировании системы и случайных элементов в её поведении. Именно интуитивная недооценка ОЭ систем и пере­оценка наличия в них ОНГ является главным источником ошибок при разработке схем управления, контроля и раз­вития сложных систем, многочисленных недоразумений и огромных дополнительных материальных затрат. Часто люди считают вымышленные, сильно упрощённые модели изо­морфными по сравнению с реальными объектами.

Каждый человек имеет свое мировоззрение (модель о мире) и самосознание (модель о самом себе). Беда в том, что модели только более или менее приближаются к реальной действительности и соот­ветственно человек только по мере имеющейся у него ОНГ может определить своё место в развивающемся мире. Чем ближе модели совпадают с действительностью, тем более эф­фективно человек может управлять своими действиями и действиями других. Таким образом, самым ответственным этапом при составлении системы управления любой сложной системой является составление её оптимальной модели!!!. Если удастся составить модель, которая соответствует влияниям всех су­щественных факторов на объективную систему и её реакци­ям относительно достижения целей системы, то можно надеяться на надёжную её управляемость.

По закону Марфи "Все системы, деятельность кото­рых основывается на доверие к людям, ненадёжны". Человек является очень сложной, многокритериальной сис­темой. Хотя для повышения своей надёжности он имеет ряд механизмов, он может предпринимать далеко не всегда опти­мальные, часто непредсказуемые решения и действия. При­чиной этого является недостаточная самокритичность чело­века. Он обычно думает, что он знает если не всё, то дос­таточно много, чтобы принимать решения по управлению сложными системами, например собой или организациями людей. На самом деле эти системы имеют намного больше ОЭ, чем человек обладает ОНГ по данному вопросу. Резуль­татом является неуправляемость, непредсказуемость поведе­ния системы и невыполнение цели.

Человек обычно не приз­нает свои ошибки, перекладывает вину на других. Неосознан­ный дефицит информации порождает у людей взрыв эмоций, переживаний, волнений, стресса, что сильно мешает им эф­фективно обработать информацию и объективно оценить все возможные альтернативные варианты при выборе и уп­равлении.

В состоянии стресса может вообще прекратиться инфообработка или, наоборот, усилиться. Эмоциональное сос­тояние имеет очень много вариантов, соответственно и под­сознательных методов инфообработки: страх, гнев, вражда, дружба, радость, тоска и др. Особенно резко на инфопотоки влияет конкурентная борьба, борьба за существование, конф­ликтные ситуации. В этих случаях стараются конкуренту передавать не только по возможности меньше информации, но даже передавать ложную информацию или дезинфор­мацию. Близко к этому наблюдаются случаи, когда допус­кается и даже поощряется маскировка: посылка сигналов с сознательной целью утаивания действительных замыслов их отправителя. Во всех перечисленных сферах качественная описательная сторона инфопередачи и инфопотоков в виде сообщений описаны подробно в разных произведениях по литературе, философии, религии и др. В то же время по вопросу количественной и смысловой характеристики инфо­передач и инфообработок имеется работ меньше и только по косвенным признакам, по отдельным узким разделам. На­пример, учение об условных и безусловных рефлексах, ме­ханизмы передачи зрительной информации в мозг, денежные балансы в экономических системах.

Действитель­ные потоки информации между людьми и в мозгу остались до сих пор семантически и количественно неопределёнными. Их можно определить только после определения ОНГ как в организмах в целом так и в его частях, в организациях лю­дей и в продуктах их деятельности (в том числе в результате умственной работы). Это даёт определить инфо­передачу по изменению ОНГ в разных частях системы.

Все системы организованы не только по иерар­хической (вертикально), но и по интерактивной схеме (го­ризонтально и наклонно). Кроме того, часто не существует одна иерархия, а комплекс иерархии, которые соединены между собой также множеством интерактивных уровней. Это делает исследование всех ветвей очень сложным.

Система моделей отличается уровнями (ступен­чатостью) обобщения. Над любой системой моделей можно составить более обобщённую модель. Каждый следующий уровень моделирует также предыдущий (первичные, вто­ричные и т.д.). В общественном сознании возникают следу­ющие уровни моделей и систем. 1. Реально существующие общество и организации людей. 2. Первичные модели. История. Литература. Искусство. Науки. 3.Вторичные модели. Общественное самосознание. Модели сознания. Обществоведение. Науковедение. Психология. 4. Третичные модели. Обобщающие модели, отража­ющие развитие всех уровней. Философия. Религия. Футурология.

Основным средством обмена многоразмерной инфор­мации в обществе останется человеческая речь, язык. Воз­никновение языка можно считать критерием превращения животного в человека, стада животных в человеческое об­щество. Слово - это одно из величайших изобретений чело­вечества. Можно ли определить ОЭ и ОНГ систем, обо­значаемых словом? Для самых общих понятий-систем это невозможно, их ОЭ и ОНГ трудно определяемы или прибли­жаются к бесконечности. Однако, каждое слово можно конкретизировать многими дополнительными словами и после достаточной конкретизации слово обозначает систему с дос­таточно узкими пределами. Такому слову можно определить ОЭ и ОНГ и превратить его в управляемое. Следовательно, каждое слово или комплекс слов обозначает определённую систему, но часть слов обозначают системы с ОЭ или ОНГ, приближающимися к бесконечности.

Например, слова: бес­конечность, вселенная, вечность. Многие слова обозначают системы без предела, фактически тоже обладающие беско­нечным многообразием (ОЭ). Например, свет, энергия, гра­витация, благородство, честность и т.д. Самым главным является то, что при помощи слов открылась возможность передавать намного больше и быстрее информацию в обобщённом виде, чем без них. Ведь каждое слово ограничивает большую область во вселенной. В книге Н.Винера приведена удачная дефиниция речи: речь является совместной игрой говорящего и слушателя против сил, вызывающих беспорядок. Во время беседы один или оба говорящих получают информацию о системах и их изме­нениях в мире и соответственно повышают свою ОНГ. Винер подчёркивает также, что собеседники играют (борются) не между собой, а против природы, т.е. в направ­лении повышения ОНГ. Это, конечно, в положительном слу­чае. Собеседники могут и ругаться между собой или стараться друг друга перехитрить, передавать одностороннюю или не­верную информацию. Как в случае многих достижений чело­вечества, слова, язык, можно применять как на благо, так и во вред прогрессу и эффективность словесной информации можно в каждом конкретном случае измерить только, опре­деляя повышение ОНГ.

Было бы наивно надеяться, что компьютеры решают все проблемы, связанные с потоком и обработкой информации и балансом ОНГ. Этому противо­действует второй закон термодинамики. ОЭ реального мира должна расти быстрее, чем ОНГ всех компьютерных систем. Ценой роста инфотехнологии должно быть большее уве­личение беспорядка и разнообразия (ОЭ) в реальном мире, в частности в человеческом обществе!!!. Это реализуется прежде всего в увеличении количества возможных путей развития общества, между которыми труднее найти оптимальный вариант при управлении.

При любом раз­витии компьютеры принципиально не могут достичь и мик­родоли разнообразия (ОЭ) всего универсума. Следовательно они не могут достичь необходимой ОНГ и полностью уп­равлять универсумом. Людям всегда останется задача мо­делирования неуправляемых компьютерами сложных систем, проверка гомоморфности моделей и управления сложными процессами в любых частях универсума в условиях неоп­ределённости.

БИОЛОГИЯ НАЧИНАЕТСЯ С ОПРЕДЕЛЕНИЯ СУЩНОСТИ ЖИЗНИ В зависимости от того, как сформулировано определение Жизни, в сферу биологии попадают те или другие объекты. Например, Советский Энциклопедический Словарь, 1988 г. определяет живую материю по таким признакам, как обмен веществ, раздражимость, способность к размножению, росту, развитию, по активной регуляции своего состава и функций, по различным формам движения, по приспособленности к среде и т.п. Легко заметить, что, скажем, вирус, находящийся вне клетки, под такое определение не подходит, и в сферу биологии не попадает (вне клетки у него нет размножения и т.п.). Подобно энциклопедическому варианту, большинство других определений тоже требует от живой материи соответствия нескольким признакам одновременно. Между тем, в пространстве признаков, содержащем лишь два класса объектов живые и неживые принципиальным может быть только одно различие между ними, а все остальные отличия должны вытекать из этого принципиального различия как следствия. Можно показать, что наиболее характерной особенностью живой материи является её информационная насыщенность. Хотя ХХ век наводнил мир компьютерами, радиостанциями, телевизионными системами, спутниками-ретрансляторами, полиграфией, кинематографией, телефонией и т.п., вся эта информационная индустрия, по сравнению с информацией внутри нас, выглядит не более, чем детским мячиком возле земного шара. Действительно, одинарный (гаплоидный) набор хромосом человека содержит около 3·10⁹ пар нуклеотидов, что эквивалентно 0,006 терабит информации. Ядро клетки имеет два таких набора, а в 1 мм³ нашего тела (если принять клетку за куб с ребром 21 мкм) содержится около 100000 клеток. Поэтому даже без остальных носителей информации (РНК, генов митохондрий и др.), плотность информации в нашем организме составляет около 1200 терабит/мм³. Для сравнения основная память современных персональных компьютеров (жёстких дисков или винчестеров) в среднем не более 1 терабита. Иначе говоря, для обеспечения нашей жизни Природе пришлось в каждом кубическом миллиметре тела создать только генетическую память, превышающую память 1 200 компьютеров. А в организме одного человека память приблизительно 10¹¹ компьютеров (т.е. в сотни раз больше, чем существует компьютеров на Земле)! Такая насыщенность информацией характерна и для любой травинки или мушки. Какие же невообразимые объёмы информации наполняют живой мир вокруг нас! Неимоверная информативность живой материи ещё не вполне осознана учёными. Одна из причин в том, что нынешние определения информации так же далеки от совершенства, как и определения Жизни. Формулировок много, каждое подвергается критике, все они недостаточно чётки. Делать серьёзные выводы на основе таких формулировок явно преждевременно. Прочтём, например, определение из упомянутого Словаря: Информация (от лат. informatio разъяснение, изложение), первоначально сведения, передаваемые людьми устным, письменным или другим способом (с помощью условных сигналов, технических средств и т.д.). С середины 20 в. общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом; обмен сигналами в животном и растительном мире; передачу сигналов от клетки к клетке, от организма к организму, одно из основных понятий кибернетики. Здесь информация мудро определена как сведения и сигналы, а о её сущности сообщено лишь, каким образом, откуда и куда она передаётся. Обычно понятие информации трактуется очень широко. Определение призвано очерчивать границы определяемого объекта, отделять его в нашем сознании от других объектов. Даже имея все требуемые формальные черты, определение является таковым лишь в той мере, в какой выполняет эту главную функцию. Известные определения информации недостаточно строго выделяют её среди других категорий естествознания. Сегодня информацию видят не только в электрических импульсах микросхем, в магнитных записях, книгах или других системах сигналов, но буквально во всём - от сочетаний кварков в элементарных частицах до расположения сверхскоплений галактик. Такую позицию, несколько утрируя, можно выразить словами: весь мир сплошная информация. Информацию находят как в последовательности импульсов, несущей полезные сигналы, так и в шумовой помехе, возникающей при неисправности, причём в помехе расчёты показывают даже большее количество информации, чем в наиполезнейшем сигнале! В такой широкой трактовке информации что-то явно неладно. Если придерживаться распространённой точки зрения, то каждый объект (например, любое материальное тело), обладает информацией. Но при подобной трактовке мы принципиально не можем узнать количество информации, содержащейся в объекте! Физики давно столкнулись с неопределённостью в квантовой механике. Оказалось, что пары так называемых дополнительных величин (координат и импульса частицы или протяжённости процесса во времени и его прироста энергии) принципиально не могут одновременно принимать точные значения. Произведение ошибок в такой паре величин принципиально нельзя уменьшить ниже постоянной Планка. Но неопределённость количества информации гораздо серьёзнее. В этом случае не удаётся установить даже возможный предел ошибки! По массе объекта можно судить о суммарном содержании в нём вещества и энергии. В принципе, возможно (с учётом квантовомеханических ограничений) узнать количество потенциальной и кинетической энергии объекта, его электрический и магнитный заряд, количество нуклонов и электронов. Принципиально возможно количественное определение даже таких экзотических характеристик, как лептонный заряд, изотопический спин, странность, очарование и др. Вот только выяснить объём содержащейся в объекте информации, при распространённой трактовке этой категории, невозможно! Невозможно потому, что новые уровни рассмотрения вещества дают новые порции информации о нём. Это понятно и не требует объяснений. Но, кроме того, количество информации зависит от техники измерений. Точность оценки физических характеристик объектов неминуемо ограничивается возможностями приборной базы. Это общий закон. Есть такая обусловленность и для информации. Но степень зависимости результатов от измерительной техники для физических характеристик и для информации принципиально различны. Пусть, например, взвешиваются образцы массой около 1 кг на цифровых весах двух типов с точностью 10 мг и 1 мг. Зарегистрированная величина массы может отличаться при разном типе весов на приемлемую погрешность 0,001%. Иное положение с информацией о массе, зависящей (как логарифм) от количества возможных дискретных результатов взвешивания, т.е. отстепени неопределённости. В нашем случае количество возможных результатовотличается, в зависимости от типа весов, не на доли процента, а в 10 раз или на 900%, что делает оценку бессмысленной! Количество информации, получаемойпри любом эксперименте, зависит не от объекта, в котором якобы содержится эта информация, а от точности измерительного прибора, не являющегося предметом исследований. Как же узнать содержание информации в объекте? Или другой пример. Спросим себя, какой объект должен содержать больше информации о массе - атом или галактика? Конечно, галактика хотя бы потому, что она состоит из баснословного количества атомов. Реально же, масса галактики может быть определена с точностью не выше 5-10% и, следовательно, информация о массе составит 4-5 бит, а масса, скажем, атома гелия измерена с точностью более девяти десятичных знаков, чему соответствует объём информации около тридцати бит! Сплошная фантастика - атом содержит почти на порядок больше информации о массе, чем галактика! Здесь впору усомниться а содержится ли вообще в атоме информация, и обладает ли информацией галактика? Не навязываем ли мы им эти характеристики? А нельзя ли выйти из тупика, оценивая количество информации о массе при нормированной относительной точности взвешивания? Не тут-то было! При одинаковой относительной точности взвешивания все объекты, от атома до галактики, содержат одинаковое количество информации о массе! Это количество будет зависеть не от взвешиваемого тела, а от точности взвешивания, т.е. будет характеризовать совсем не тот объект, каким мы интересуемся! Такая оценка количества информации лишена смысла. В результате, при сегодняшнем толковании сути информации, её количество в том или ином объекте, в отличие от остальных характеристик, принципиально неопределимо. Важное отличие живой материи (от неживой) в том, что содержащаяся в ней генетическая информация выражена при помощи некоего кода, и это резко отделяет её от океана других сведений об объектах, конкретизирует, чётко обозначает объём и т.д., и т.п. В генетической информации, как и вообще в закодированной информации, можно заметить явную предназначенность для какого-то использования. И, наоборот, в сведениях, существующих вне всяких кодов, никакой изначальной предназначенности увидеть не удаётся. Действительно, информация, функционирующая в мире живой материи, разительно отличается от того, что сегодня называют информацией, скажем, в луче от далёкой звезды. Принятый телескопом луч принципиально не содержит никаких условных обозначений. Он не претерпел никакого специального кодирования. Луч света лишь непосредственно передаёт, несёт в себе характеристики далёкого небесного тела и пронизанного лучом космического пространства. Таким образом, перед нами как бы два типа информации. Одна сплошь заполняющая весь мир живой и неживой материи, неопределённая по объёму, не имеющая предназначения, не связанная с кодированием. Другая существующая только в мире живой материи или возникшая благодаря живой материи, легко оцениваемая в количественном отношении, имеющая в каждом случае чёткое предназначение и, главное всегда использующая ту или иную систему кодирования. Поэтому можно сказать, что мир живой материи выработал для себя и использует в пределах своей досягаемости особый тип информации, резко отличающийся от всего, существующего в девственном мире неживой Природы. Главным отличием информации живого мира является использование кодирования. Это даёт основание уточнить существующее представление об информации, а именно разделить её, как одну из важнейших категорий естествознания, на две родственные, но не эквивалентные части. Автор предлагает называть одну часть сведениями или данными, а вторую собственно информацией, в соответствии со следующими формулировками. Данные или сведения это отражение характеристик реальных объектов. Информация это закодированное обозначение характеристик реальных или воображаемых объектов. Кодирование является установлением (системой кодирования-декодирования) определённого соответствия, из ряда возможных, между данными и их обозначениями. Можно заметить, что приведенное выше энциклопедическое определение информации тоже негласно склоняется к кодированным данным. В новой формулировке, устройства кодирования это устройства, воспринимающие некие характеристики реальных объектов и формирующие на выходах соответствующие обозначения: электрический сигнал, потемнение фотослоя, запись на бумаге или др. Раньше такие устройства рассматривали как различного типа преобразователи: звука в электрические сигналы (микрофон), света в электрические сигналы (фотоэлемент), спектра излучения в запись на фотоплёнке (спектрограф), зарядов и размеров молекул смеси в двумерное распределение их обозначений (хроматограф) и множество других. На вход устройства кодирования поступают данные или сведения, а на его выходе впервые возникает соответствующая им информация (в её новом понимании). Устройства декодирования это устройства, использующие информацию для реализации обозначенного ею объекта. Например, такой биологический декодер, как (молекулярная машина) рибосома, реализует информацию, заключённую в нити РНК, синтезируя на её основе строго определённые молекулы белка.В новом понимании, системы кодирования-декодирования принципиально отличаются от существующих кодеров и декодеров, которые теперь правильнее называть устройствами перекодирования, так как на их входы обычно поступает уже ранее закодированная информация. Всякое обозначение выполняется на основе некоторой системы обозначений, которую и принято называть кодом. Данный текст написан с помощью системы обозначений звуков нашей речи буквами русского алфавита. Каждый алфавит тоже является кодом. Новое определение систем кодирования-декодирования причисляет к ним и нервные системы животных, вместе с органами чувств и эффекторами. На их входы поступают характеристики окружающих объектов, а на выходе может формироваться информация в виде соответствующих кодовых обозначений (звуков, жестов). Поскольку при обработке входных данных мозг человека способен генерировать воображаемые объекты, он оказывается источником информации не только о реальных, но и о воображаемых категориях. Различие между информацией и данными (сведениями) в том, что информация неотделима от кодирования, с чем не связаны данные (сведения). Последние же ограничены отражением свойств только реальных объектов, тогда как информация не имеет такого ограничения. Данные или сведения, как правило, фигурируют в процессах контроля, измерений, восприятия. Данные или сведения могут относиться как к миру неживой, так и к миру живой материи, потому что оба этих мира содержат реальную составляющую (для мира неживой материи она является единственно возможной).Данные или сведения остаются самими собой только до тех пор, пока не подверглись кодированию после этого они превращаются в информацию. Количество полученной информации даёт косвенное представление об объёме сведений, подвергшихся кодированию. Как при старой трактовке был принципиально неопределённым объём информации, содержащейся в объекте, так теперь неопределимо количество информации, содержащейся в сведениях (данных) на входе устройства кодирования. Соответственно, во всех случаях неопределимо и количество данных или сведений, содержащихся в любом объекте, что можно признать одним из фундаментальных законов естествознания. Незакодированные сведения или данные всегда характеризуют лишь реально существующие объекты (живые или неживые) и могут быть получены только от них. Информацию же, кроме кодирования, роднит с миром живой материи то, что она способна описывать нереальные, воображаемые объекты плоды деятельности Разума. Авторы мистических романов описывают оттенки цветов привидений не хуже, чем минерологи фиксируют информацию об окраске вполне реальных камней. Информация, по её новому определению, не может возникать в мире неживой материи уже потому, что только живая материя вносит во Вселенную кодирование. Кодом может быть названо только такое соответствие между оригиналом и обозначением, которое способно иметь разные варианты. Генетический код назван кодом, в частности, потому, что могли бы существовать и другие варианты соответствий между триплетами нуклеотидов и кодируемыми аминокислотами. Свойства молекул соли, например, нельзя считать кодом структуры её кристаллов потому, что для конкретной соли эти свойства принципиально не могут иметь других вариантов. Возникает интереснейший вопрос. Живая материя не существует без информации, а информация без обозначений. Почему же столь велика роль обозначений? Живая материя составляет некую часть Вселенной, и выходит, что, не будучи обозначенной, эта часть Вселенной не способна существовать?! Для кого или для чего требуется обозначение если не говорить о Боге? Ответ очень любопытен и не содержит никакой мистики. Код, по определению, должен допускать разные варианты построения. Если бы обозначение являлось точной копией обозначаемого объекта (оригинала), то оно было бы однозначным, безвариантным. Поэтому для существования кода принципиально необходимы какие-то отличия обозначения от оригинала. Обычно обозначения отличаются от обозначаемого объекта, уже начиная с элементов. Элементы обозначений, как правило, более удобны (чем элементы обозначаемого объекта) для хранения, передачи, копирования и других операций. Очень часто в большой группе сходных объектов используется какая-то одна удобная, стандартная система обозначений (например, алфавит). К такому приёму прибегают и человек, и Природа. Но, при обязательном отличии обозначений от оригиналов, между ними всегда сохраняется соответствие! В этом и заключён смысл использования информации, смысл замены оригиналов обозначениями. Выигрыш от использования информации как для Природы, так и для техники в удобном отличии свойств обозначений от свойств оригиналов при сохранении принципиального соответствия между ними. Без выполнения этих двух требований замена оригиналов обозначениями была бы бесполезной, лишённой смысла. Итак, достоинство информации в том, что, при существовании соответствия между оригиналом и его обозначением, последнее всегда чем-то удобнее оригинала (обычно удобнее в хранении, передаче, математической обработке). Например, чертежи домны легче перевезти из одной страны в другую по сравнению с самой домной. Достоинство генетического кода проявляется, например, в его химической прочности в истлевших останках мамонта бесполезно искать хорошо сохранившиеся белки, но часто их код можно установить по сохранившейся ДНК. Мы ещё не можем послать за пределы Солнечной системы человека, но уже отправили пластину с информацией о нём и т.д. Вот чем полезна информация, вот почему она так широко используется Природой. На основе нового представления об информации, может быть предложено следующее определение Жизни: Жизнь это форма существования материи, отличающаяся информационным способом формирования сходных структур, с передачей им на молекулярном уровне информации для дальнейшего воспроизведения. Можно показать, что все свойства живой материи, отмеченные энциклопедическим Словарём, оказываются следствиями названного принципиального отличия. 1. Формирование структур невозможно без притока веществ, как строительных материалов и энергоносителей. Но химический состав формируемых структур диктуется не поступающими извне веществами, а наследственной информацией, отчего между составом получаемых и используемых веществ всегда есть некоторое расхождение, создающее неизбежные отходы. Кроме того, требуют удаления продукты сгорания энергоносителей. Принципиальным следствием информационного способа формирования структур является обмен веществ. 2. Необходимость обмена веществ делает живую материю более зависимой и уязвимой, более чувствительной к связям с окружающим миром, чем неживая материя. Следствием такой острой зависимости стал естественный отбор преимущественное размножение и сохранение лучше приспособленных к среде форм живой материи. 3. Естественный отбор обнаружил, что концентрация реагентов, например, путём окружения зоны реакций полупроницаемой оболочкой, сокращает средний пробег молекул и интенсифицирует реакции по сравнению с аналогичными процессами в неживой Природе. Это обусловило существование живой материи не в диффузном виде, а в обособленной форме в виде клеток, вирусов или многоклеточных организмов. 4. Генетическая фиксация удачных структур и процессов позволила естественному отбору вырабатывать в организмах системы автоматического регулирования для приспособления не только к стабильным, но и к изменчивым условиям среды. Для работы такой системы нужно чувствовать воздействия внешней среды, и отбор выработал у живой материи такую способность раздражимость. Параллельно выработана и способность реагировать на раздражения, осуществлять различные формы движения, например, перемещаться в более благоприятную, освещённую сторону. 5. Информационный способ формирования структур навязывает необходимость питания, инициирует размножение, вызывает общий рост массы живой материи, отчего ограничивающим фактором становятся ресурсы окружающей среды. Поэтому крупный организм не может появиться сразу, во всей красе. Сначала он должен сформироваться в виде малой, но целостной, приспособленной к жизни особи, а уж далее вырастать по мере питания. Но условия жизни детёныша и взрослого животного не идентичны. Практически, у них разные экологические ниши, отчего параллельно с ростом должна изменяться и организация, анатомия особи, её манера поведения, т.е. должно происходить общее развитие организма. Таким образом, все важные отличия живой материи, перечисленные энциклопедией, оказались следствием одного главного, принципиального свойства. Но если бы не было изменено определение информации, не была учтена роль кодирования, то, например, кристаллы соли, растущие в насыщенном растворе, по новой дефиниции тоже попали бы в категорию живой материи. Существенно, что новое определение показывает точку старта биологической эволюции, которая оставалась размытой при многофакторном определении Жизни. Моментом рождения Жизни во Вселенной является возникновение кодирования, связанное с появлением наследственной информации. Идея принципиальной важности процесса воспроизведения с использованием генетической памяти, идея важности генетического кодирования уже высказывалась другими авторами, анализировавшими отличие живого от неживого. Например, Джон Бернал писал:Молекулярное воспроизведение есть средство активного переноса информации, обеспечивающее сохранение отличительных черт отдельных организмов и видов. Именно воспроизведение как механизм, ответственный за продолжение и преемственность нормальных жизненных процессов, и является тем, что отличает живое от неживого. Постепенно стало ясно, что в проблеме возникновения жизни главное именно это точное воспроизведение молекулярных структур, основанное на сохранении соответствующей информации в самовоспроизводящихся последовательностях нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Позже, в работе [Ляпунов, 1984] предложено такое определение: "Жизнь можно охарактеризовать как высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул".

Солитоны, как правило, распространяются в нелинейных средах, что существенно влияет на их особенности. Во-первых, нелинейность среды определяет некоторую оптимальную амплитуду солитона, от которой ему, в отличие от синусоидальных колебаний, как правило, труднее отклоняться и в меньшую, и в большую стороны. Во-вторых, нелинейность среды создаёт для него некую возможность обмена одних параметров на другие, скажем, амплитуды на форму. Последнее придаёт солитону способность распространяться без заметных изменений амплитуды на гораздо большие расстояния, чем мы ожидали бы по опыту работы с синусоидальными волнами. Наконец, в-третьих, нелинейность среды распространения солитонов часто определяется активностью среды и это особенно характерно для биологических тканей. В таких случаях размах и форма проходящего солитона имеют повышенную стабильность, потому что по мере движения солитона среда подпитывает его своей энергией. Одним из наиболее существенных свойств солитонов, резко отличающим их от синусоидальных колебаний, является независимость друг от друга. У синусоиды нельзя отделить одну волну от других или сдвинуть относительно других, изменить размах. Это сразу превратит синусоиду определённой частоты в нечто иное – в сложную совокупность разночастотных синусоидальных колебаний. Ничего похожего не грозит солитонам. Каждый из них можно, например, смещать во времени и это нисколько не изменит ни его остальных параметров, ни параметров других солитонов. Соответственно, по отношению к солитонам нужно с большой осторожностью говорить о частоте. Они могут следовать на одинаковом расстоянии друг от друга (тогда обретает смысл частота следования), но могут от волны к волне резко изменять интервал или вовсе следовать через хаотически меняющиеся промежутки времени. В биологических процессах встречаются все эти случаи. Форма солитона может существенно изменяться в зависимости от природы процесса и параметров среды. Например, затухающие колебания за задним фронтом волны возникают только в случае, если среда распространения существенно ограничивает прохождение высоких частот. Часто солитоны обладают большой скважностью, т.е. расстояние (во времени) между соседними волнами оказывается во много раз больше длительности самой волны. Это характерно, например, для импульсов возбуждения отдельного нейрона. В таких случаях энергия колебаний сосредотачивается на гораздо более высоких частотах, чем частота следования волн. Способность солитонов следовать друг за другом через произвольные интервалы времени и изменяться независимо друг от друга открывает особые возможности для переноса информации. Кроме того, по сравнению с синусоидальными колебаниями, солитон очень устойчив против возмущений, вносимых неоднородностью среды распространения и внешними помехами. Эти свойства исключительно важны при переносе информации в такой неоднородной и слабо защищённой от внешних воздействий среде, как живой организм. Как переносчики информации, солитоны, иначе называемые уединёнными волнами, по сумме свойств резко превосходят синусоидальные колебания. Эти теоретические предпосылки оправдались в экспериментах по передаче данных по стекловолоконному кабелю, где использование солитонной формы лазерного импульса позволило получить намного более высокую скорость передачи, чем при синусоидальной форме колебаний. Есть основания полагать, что если заданы физические параметры волн, то максимальная скорость переноса информации достижима именно при солитонной форме колебаний. Симметричность отклонений синусоиды в положительном и отрицательном направлениях от оси координат предъявляет определённые требования к системе, использующей такие колебания. Если система пропускает лишь сигналы одной полярности (в электронике такая ситуация типична для маломощных усилителей), то для неискажённой передачи синусоидальных колебаний синусоида смещается от оси координат, например, в положительном направлении, т.е. суммируется с некоторой постоянной составляющей. Минимальный уровень постоянной составляющей, требуемый для неискажённой передачи синусоидального сигнала, теоретически равен половине (50%) размаха синусоиды от минимума до максимума. Эти соображения справедливы и для нервных тканей. Поэтому, если бы волны нервного возбуждения в тканях мозга имели синусоидальный профиль, то средний уровень импульсации нервной ткани в состоянии покоя должен был бы составлять не менее 50% от максимума. Фактически фоновая активность нейронов составляет 3-7% от максимума, что существенно экономит энергию, потребляемую мозгом. Можно сказать, что регистрируются волны повышения, но практически нет условий для формирования отрицательной полуволны. Этот факт однозначно говорит о солитонной форме волн нервного возбуждения. То, что в нервной ткани есть волны возбуждения, но нет волн торможения, давно отмечено рядом исследователей. При этом, хотя фоновая активность нейронов низка, всего единицы процентов, она всё же не равна нулю. Естественный отбор выработал как раз такой уровень фоновой активности нейронов, который без энергетических излишеств обеспечивает неискажённую передачу осцилляции за задним фронтом солитонной волны нервного возбуждения! Реальный уровень фоновой активности нервных тканей оказался идеально согласованным именно с особенностями солитонов. При регистрации энцефалограмм заметна также широкая вариабельность (изменчивость) интервалов между максимумами волн, независимость волн друг от друга во времени, что тоже отличает солитоны. Обычно передний и задний фронты солитона определяются разными процессами. Это справедливо и для отдельного нейрона. Общей закономерностью можно считать более высокую управляемость и определённость переднего фронта по сравнению с задним. Чаще всего задний фронт солитона вовсе неуправляем, что демонстрирует импульс возбуждения нейрона – если исследователь возбудил нейрон, вызвал передний фронт импульса, он уже никак не может ни ускорить, ни замедлить появление его заднего фронта. Вместе с тем, положение заднего фронта относительно переднего (длительность импульса) зависит от многих параметров состояния клетки и в этом смысле нестабильно. Преимущество в строгости и управляемости переднего фронта солитона определяет и его намного более высокую приспособленность к переносу информации, по сравнению с задним фронтом. Известной особенностью солитона, обычно распространяющегося в нелинейной среде, является относительное постоянство его амплитуды, что характерно и для нервных импульсов. Нейробиологи знают, что при прохождении импульса нервного возбуждения по длинному волокну его амплитуда остаётся практически неизменной. В таких условиях амплитудная модуляция сигнала затруднена. Поэтому в нервной системе для переноса информации более всего подходит модуляция временнóго положения переднего фронта. Если бы речь шла о периодических (например, синусоидальных) колебаниях и о переносе линейного потока информации, а не двумерных информационных массивов, то изменение времени прихода волнового фронта могло бы рассматриваться как частотная или фазовая модуляция. В данном же случае, при некотором сходстве, мы сталкиваемся с существенно иным явлением. Итак, интегральная волна нервного возбуждения, подобно потенциалу действия отдельного нейрона, имеет в сечении форму солитона (хотя и с другими параметрами). Иначе говоря, форму солитона приобретает кривая плотности импульсации нервной ткани по пути распространения волны. Передний фронт волны – это движущаяся в пространстве поверхность, отделяющая область преимущественно возбуждённых нейронов от области фоновой активности. Переносимый волной образ располагается на этой поверхности в виде узорного рельефа. Иначе говоря, модуляция волны нервного возбуждения сенсорной (или переработанной) информацией имеет вид сдвига по времени (по фазе) одних элементов переднего фронта солитона, перемещающегося в тканях мозга, по отношению к другим элементам переднего фронта. Именно особенности переднего фронта волны нервного возбуждения, как фронта солитона, объяснили кажущееся противоречие между высокой информативностью процессов мышления и низкой частотой следования волн. Передний фронт солитона всегда круче фронта синусоиды с таким же периодом следования. Энергия переднего фронта и энергия солитона в целом концентрируется на более высоких частотах, чем может ожидать исследователь, относящийся к колебанию как к синусоиде. Соответственно, и возможности солитона как носителя информации нужно оценивать не по частоте следования, а по более высокочастотному спектру концентрации энергии переднего фронта. Выводы: формой представления подавляющей части информации в мозге являются топологически организованные двумерные информационные массивы (образы, узоры); – носителем каждого информационного массива при его перемещении или выполнении математических операций является уединённая волна (солитон) плотности импульсации больших ансамблей нейронов; – формой нанесения двумерного информационного массива на солитон плотности импульсации нейронов является модуляция временнóго положения элементов переднего фронта волны. Солитон плотности импульсации ансамбля нейронов, промодулированный по переднему фронту топологически организованным двумерным информационным массивом (образом), в рамках данной концепции назван волной-образом. Энцефалографические исследования обнаруживают в мозге, кроме волн нервного возбуждения, несущих информационные массивы, подобные же волны со свойствами опорного пучка голографической системы (с немодулированным передним фронтом). Немодулированные волны являются исходными, они генерируются неспецифическими ядрами таламуса. Модуляция накладывается на них в результате воздействия сигналов сенсорных систем, либо при прохождении волн через область памяти. Волна может оказаться промодулированной конкретным информационным массивом также в ходе преобразования одной модулированной волны в другую при выполнении математических операций.

Принцип голографической памяти Пучок лучей, падающий на фотопластинку во время экспонирования, характеризуется не только пространственным распределением интенсивности световых волн, но и их фазовыми соотношениями. В обычной фотографии почернение фотоэмульсии фиксирует только интенсивность светового потока, т.е. не регистрирует фазу световых колебаний. Главное отличие голографического способа записи информации в том, что на светочувствительный слой одновременно направляются два пучка лучей – предметный (несущий регистрируемую информацию, т.е. промодулированный ею) и опорный немодулированный пучок. Биения между ними создают сложную картину интерференции, которая отображает не только распределение интенсивностей, но и фазовые характеристики предметного пучка, теряемые в обычной фотографии. Чтобы фазовые соотношения точно отображались в картине интерференции, оба пучка должны быть когерентными, и их взаимное положение должно строго сохраняться на время регистрации изображения.При считывании фотослой освещается таким же немодулированным когерентным пучком, как и опорный, но только теперь он называется считывающим. Считывающий пучок должен быть ориентирован по отношению к фотослою так же, как опорный. Если ориентировать считывающий пучок иначе, то воспроизвести (прочесть) записанное изображение, в общем случае, не удастся. Такая зависимость успеха считывания от направления считывающего пучка позволяет записывать на одном и том же фотослое несколько несмешивающихся изображений. Нужно лишь при записи и воспроизведении каждого из них устанавливать другое (но одинаковое при записи и воспроизведении) направление падения опорного немодулированного пучка на фотослой. Количество изображений (двумерных информационных массивов, образов), которые могут быть записаны на одном и том же участке фотослоя, увеличивается с увеличением толщины и разрешающей способности фотослоя. Одинаковые углы, под которыми должны быть ориентированы опорный и считывающий пучки относительно запоминающей среды для записи и воспроизведения конкретного изображения, играют роль его адреса в памяти.

Голографическая память мозга C войства голографической системы обнаруживались в свойствах нашей памяти. Действительно, и голографическая память (например, на основе толстослойной фотоэмульсии), и наш мозг имеют одни и те же особенности: – запись каждой порции информации происходит не на определённом участке запоминающей среды, размеры которого соответствовали бы ёмкости информационного пакета, а одновременно в обширной области, значительно превышающей нужные для этого пакета размеры; – запись и чтение информации происходят не поэлементно, а сразу в виде двумерных массивов, образов; – в одной и той же области запоминающей среды хранится множество различных не смешивающихся информационных массивов, образов; – в отличие от других способов запоминания информации, оказывается возможным практически мгновенное извлечение из памяти любого образа, независимо от его адреса; – характерно одинаковое реагирование на локальные повреждения памяти – не исчезновение какой-то конкретной информации, что свойственно другим системам, а лишь общее снижение отношения сигнал/шум; - высокая скорость запоминания и извлечения информации из памяти („быстрый, как мысль...”) при низкой скорости элементарных процессов, с помощью которых эти действия реализуются. Изучение клинической картины повреждений мозга позволило заключить, что вместилищем нашей памяти является кора больших полушарий. Именно её повреждения выявили перечисленные черты сходства с голографической памятью. Учёными проведено много исследований для выяснения физической, химической и биологической природы памяти мозга. Исследования далеко не завершены, но отдельные выводы уже могут быть сделаны. Ясно, что память мозга основана не на одном, а на нескольких биологических механизмах. Об этом говорят различия свойств кратковременной и долговременной памяти, множественность способов реагирования нейронов на характер стимуляции – биохимические изменения в протоплазме (среди них – синтез РНК и белков), изменения синапсов и их органелл, разрастание аксонных коллатералей, замена дегенерировавших синапсов окончаниями аксонов других систем и т.п. При стимуляции нейрона происходит перестройка его дыхания и ультраструктуры, набухание эндоплазматического ретикулума и митохондрий, сброс рибосом с мембран и т.п. Изменения, остающиеся после возбуждения нейрона, проявляются на уровне клетки в целом и на уровне синапсов. Поскольку на один нейрон мозга приходятся тысячи синапсов, можно предположить, что именно они определяют геометрическую разрешающую способность тканей мозга как запоминающей среды и, следовательно, определяют ёмкость памяти. Но и без этого, современная оценка числа нейронов в мозге человека – порядка 1000 миллиардов – позволяет говорить о среднем шаге расположения нейронов около 10 микрон, что сопоставимо с разрешающей способностью фотоэмульсий. Такие соображения позволяют считать ткани мозга высокоразрешающей запоминающей средой, где оставляют свои следы волны нервного возбуждения. Запоминающая способность разных тканей мозга неодинакова, в них заметна некоторая специализация. Как отмечалось выше, основным вместилищем памяти является кора больших полушарий. Если оценивать кору как запоминающую среду голографической системы, то ясно, что значительная толщина и высокая разрешающая способность говорят о возможности запоминания в одном и том же объёме нервной ткани очень большого количества независимых (несмешивающихся) образов.

В каком виде запоминается информация в коре мозга? Ответ даёт сопоставление нервной ткани коры с голографической запоминающей средой, например, систем голографического кинематографа. В результате взаимодействия (интерференции) опорного и предметного лучей, в слое фотографической эмульсии возникает сложное распределение участков концентрации световой энергии, которое после проявления и закрепления фотоматериала регистрируется в виде микроскопических участков потемнения фотослоя. При работе фотослоя „на отражение” эти участки модулируют (избирательно изменяют) степень отражения лучей, а при работе „на просвет” – модулируют степень поглощения лучей или прозрачность слоя. Увидеть простым глазом в совокупности потемневших участков зарегистрированное изображение невозможно. Но если направить на фотослой когерентные лучи лазера, то они подвергнутся дифракции на мельчайших потемневших участках эмульсии, и тогда в пространстве, в стороне от фотослоя, сформируется изображение зарегистрированных голограммой предметов. Для коры мозга „потемневшие” участки запоминающей среды – это микроскопические участки ткани, несколько хуже проводящие нервные импульсы, а значит, и волны нервного возбуждения. Картина интерференции опорной и предметной волн нервного возбуждения запоминается нервной тканью в виде сложного распределения мельчайших участков, более заторможенных, менее возбудимых, чем в среднем ткань коры полушарий. Важную роль должны играть не только „приторможенные” нейроны, но и отдельные синапсы, ставшие менее „прозрачными”, менее проводящими для нервных импульсов. Пытаться прочесть голографическую запись в коре мозга – бесполезно. Конкретная информация (например, рисунок самолёта) оказывается распределённой в многомиллиардном ансамбле нейронов и как бы зашифрованной. Ключом к шифру является считывающая волна нервного возбуждения, движущаяся точно в том же направлении, как при записи. Чем толще кора и выше её разрешающая способность (т.е. гуще расположены нейроны и синапсы), тем больше образов может быть запомнено на данном участке коры без помех друг другу, и значит, тем меньше отличаются друг от друга углы прохождения волн, записывающих и считывающих разные образы. Иначе говоря, тем точнее должны быть направлены эти волны. Вероятно, в ходе эволюции птиц естественный отбор работал на достижение особенно высокой плотности записи информации в мозге ради уменьшения его веса. Поэтому не следует удивляться, если окажется, что по интеллекту на единицу массы мозга птицы опережают других животных. Когда приходит считывающая волна нужного направления, она испытывает дифракцию на заторможенных нейронах и „непрозрачных” синапсах. При этом группы нейронов, устойчивая заторможенность которых возникла при запоминании множества других образов, ослабляют и несколько зашумливают считывающую волну, но не создают на выходе связного изображения. Целостное изображение на выходе памяти способны сформировать лишь нейроны, ставшие заторможенными в момент запоминания единственного образа, при записи которого опорная волна нервного возбуждения проходила строго под тем же углом, что и считывающая волна. Теория голографической записи информации к настоящему времени разработана хорошо, но разработана применительно к использованию синусоидальных волн. В мозге же действуют солитоны.