Человек и информация в материальном мире
Объекты и явления материального мира. Энергетический обмен
Мы живем в материальном мире. Все объекты, которые нас окружают, являются материальными. Материя существует в двух формах: в виде материальных тел и в виде энергетических полей. Вещество и энергия — это два фундаментальных понятия, изучением которых занимаются естественные науки. Носителями вещества являются материальные тела, а носителями энергии — энергетические поля.
Поля и тела непрерывно взаимодействуют друг с другом. Материя существует только в состоянии непрерывного движения. Под движением понимается как перемещение тел, так и непрерывное изменение их состояния в результате энергетического обмена между частицами. Этот обмен сопровождается непрерывным изменением свойств как самих тел, так и окружающих их полей.
Кроме объектов материального мира мы наблюдаем также и процессы их взаимодействия. Эти процессы мы воспринимаем как явления природы. В основе любого природного явления, будь то горение веществ, испарение жидкостей, смена дня и ночи, извержения вулканов и землетрясения, лежит взаимодействие материальных тел и энергетических полей.
Жизнь — это тоже явление природы, хотя до сих пор и малоизученное. Одной из характерных особенностей организмов живой природы является происходящий в них непрерывный обмен веществ. Этот обмен тоже имеет энергетическую природу и происходит на уровне клеток и их структурных элементов. При прекращении обмена веществ прекращаются и жизненные процессы.
Человек, с одной стороны, это обычный материальный объект, и потому ему свойственно непрерывное энергетическое взаимодействие с другими объектами материального мира. В то же время он является организмом живой природы и в этом качестве обладает непрерывным внутренним обменом веществ. Эти два процесса могут взаимодействовать между собой. Результат такого взаимодействия мы воспринимаем как информационный обмен между живой и неживой природой.
Рис. 1.1. Информационный обмен в природе
Рассмотрим пример, известный из курса биологии.
Если через органы чувств животное воспринимает окружающую среду как угрожающую, это приводит к изменению обмена веществ. В частности, в кровь выделяются специальные вещества, повышающие частоту дыхания, усиливающие сердцебиение и приводящие органы опорно-двигательной системы в состояние готовности к отражению угрозы. Иные по содержанию, но похожие по механизму процессы происходят в среде, которая воспринимается как успокаивающая. Все это результат информационного обмена, инициированного внешней средой.
Но информационный обмен не обязательно инициируется только внешней средой. Человеку достаточно лишь представить опасность (или иное состояние), чтобы в его организме начались физиологические реакции, связанные с изменением процесса обмена веществ. Здесь проявляется реакция на ранее зарегистрированные результаты предшествующего взаимодействия. На этом основаны механизмы вспоминания, воображения, логического мышления и другие. С их проявлениями мы сталкиваемся, например, в процессе творчества. То есть, в основе логического мышления и творчества тоже лежит информационный обмен.
Информационный обмен может не иметь материальную природу, но он с ней неразрывно связан. Он является промежуточным звеном между энергетическим обменом, свойственным материальным объектам, и обменом веществ, свойственным живым организмам. Информационный обмен развивается в виде информационных процессов. Если проследить информационный процесс от начала до конца, то на отдельных его этапах можно и не увидеть объектов живой природы, но в его начале или конце объект живой природы присутствует обязательно. Забегая вперед, укажем, что свойство отдельных этапов информационного процесса обходиться без объектов живой природы ныне широко используется в информационных технологиях. Оно лежит в основе функционирования автоматических систем обработки информации.
Сигналы
Любое взаимодействие материальных объектов имеет энергетическую природу. Космические тела взаимодействуют друг с другом через гравитационные поля.
Взаимодействие заряженных частиц осуществляется через электрическое поле. Даже механическое взаимодействие твердых тел можно рассматривать как взаимодействие их кристаллических или молекулярных структур, в основе которого лежат электромагнитные взаимодействия между частицами, составляющими тела.
С точки зрения физики, любые изменения, происходящие во внутренней структуре вещества или в энергетических полях, сопровождаются образованием сигналов. Сигналы обладают способностью распространяться во времени и пространстве. Они затухают в результате взаимодействия с веществом.
Сигналы окружают нас на каждом шагу. Солнечный свет — это сигналы, образовавшиеся в результате термоядерных реакций, происходящих в веществе Солнца. Радиосигналы — результат электромагнитных процессов, происходящих в материале излучающей антенны передатчика. Сигналы, регистрируемые сейсмографом, — результаты сложнейших геофизических процессов, происходящих в веществе земной коры и в более глубоких областях планеты.
Регистрация сигналов
Как и все объекты материальной природы, сигналы не возникают из ничего и не исчезают бесследно. Их распространение в пространстве всегда завершается взаимодействием с веществом физических тел. Такое взаимодействие в информатике рассматривается как регистрация сигналов.
Сигналы разной физической природы взаимодействуют с веществом по-разному. Например, мы знаем, что свет может оказывать давление на вещество и может выбивать электроны вещества. Световые сигналы могут вызывать долговременные химические изменения в составе вещества — в растительных организмах на этом основано явление фотосинтеза, а в технике — фотографические процессы.
Изменения магнитного поля могут быть зарегистрированы на ферромагнитном покрытии. На этом явлении основана магнитофонная звукозапись и видеозапись на магнитной пленке. Сигналы регистрируются и при механическом взаимодействии двух тел. Эта регистрация может происходить как деформация тел, как продолжительные упругие колебания и даже в виде образования поверхностного электрического заряда.
Понятие данных
В информатике подход к сигналам не совсем такой, как в других естественных науках. Так, например, для физики природа энергетических сигналов чрезвычайно важна, поскольку они по-разному распространяются и затухают. Для биологии важны свойства электромагнитных волн, поскольку одни волны вызывают фотосинтез растений, а другие — нет. Информатика не изучает природу сигналов — ее интересует факт их регистрации. Результат регистрации сигналов информатика рассматривает как данные. Если сигнал, зарегистрирован четко и легко различим на фоне регистрации побочных сигналов, то он может стать источником для получения информации о событиях, которые имели место, или источником информации о предполагаемых событиях (при прогнозировании).
Таким образом, в информатике данные — это зарегистрированные сигналы.
