ФОТОН – МИНИМАЛЬНАЯ ОБРАБАТЫВАЕМАЯ ЕДИНИЦА ИНФОРМАЦИИ В ВЕЩЕСТВЕННОЙ ПРИРОДЕ

1.     Введение

В конце 19-о и начале 20-о века в истории естественной науки разразился кризис, спровоцированный открытием природных явлений, которые не могли быть объяснены знаниями, полученными ранее в классической физике. Несмотря на то, что причины этого кризиса, тогда же, были хорошо изучены и дана им строгая материалистическая оценка [10], он в традиционной физике до сих пор не преодолен. Интерес в разрешении его проявляли лучшие умы человечества, среди которых оказался и математик Д. Гильберт, который среди своих знаменитых 23-х математических проблем разместил и уже чисто физическую проблему под номером 6, предусматривающую математическое обоснование аксиом физики. То есть создание для физиков такой системы физических понятий в естествознании, обозначаемыми постулатами, с помощью которых можно объяснить любое явление в природе, аналогично тому, как система аксиом в математике допускает доказательства лемм и теорем, и тогда, судя по всему, для физики будут «не страшны» никакие кризисы. Оказалось, что такую систему создать можно [2,9], если каждый из постулатов в ней будет представлять познанный, в какой-то мере, закон. Кроме того, поскольку природа является бесконечной в любом виде ее существования, то и система должна быть открытой, т.е., допускающей ее пополнение новыми постулатами по мере познания мира.

Сегодня естествознание опирается на систему таких базовых понятий, как материальная точка, вещество, поле, масса тела, энергия и тому подобные атрибуты материального мира, содержание которых до сих пор не удалось раскрыть, т.е. они не познаны. К этим понятиям следует также присоединить и «информацию», поскольку, несмотря на усилия видных ученых [3,9], этот атрибут материи, при его использовании, получил неоднозначные суждения. В свое время известный академик Н.Н. Моисеев утверждал, что «информация», как понятие, «не может быть строго и достаточно универсально определено» [11]. На современном этапе развития, в попытках создания аппаратурных и программных средств, приближенным к естественному интеллекту, такая ситуация с пониманием «информации» просто недопустима.  Ведь в этом случае необходимо разобраться в информационных процессах, происходящих в живом организме. Для чего следует познать, адекватно природе, что такое «информация», что необходимо использовать в качестве единицы информации на уровне атомов и молекул, а это означает – «перешагнуть» через неверие Н.Н.Моисеева.

Первая попытка «проникнуть» на уровень существования материи, где зарождается интеллект (уровень атомов и молекул), с известной единицей информации q-битом встретила у разработчиков квантовых компьютеров практически непреодолимое сопротивление природы. Возникла проблема эту традиционно минимальную единицу рабочей информации (аналог бита) выделять (отфильтровывать) на фоне естественных помех, энергетический шум которых, как оказалось, соизмерим с энергией манипулирования q-битом в процессе его обработки.

В настоящей работе попытаемся разобраться в адекватном природе понимании «информации», и как его использовать при создании модели приближенной к интеллекту живого организма.

2. Традиционное понимание «информации»

К понятию «информация» особый интерес возник в двадцатом веке, когда человечество активно приступило к машинной обработке данных, получившее название автоматизации умственного труда, т.е. когда в нашем распоряжении появились электронные вычислительные машины. Сегодня понимание «информации», как атрибута материи, существенно выходит за пределы ее содержания, которое содержится в слове данное. И это объяснимо, поскольку его мы непосредственно связываем с деятельностью человека – классическим примером кибернетической системы, основным методом познания в которой есть принцип относительности [4,9]. Это когда понимание окружающего мира регламентируется способностями и знаниями кибернетической системы, т.е. каждый субъект – житель нашей Земли, участвуя в развитии ее цивилизации, и опираясь на знания, принадлежащие лично ему, оценивает внешнее окружение по-своему, в том числе и его отображение – информацию.

Публикации, в которых рассмотрено разнообразие определений термина «информация» исчисляются десятками. Для достижения цели, поставленной в настоящей работе, нет потребности в их детальном анализе, а достаточно лишь сосредоточиться на тех из них, в которых наиболее адекватно отражаются особенности природы сопровождать свое материальное существование информацией независимо от человека. Тем самым, исключая присущий ему, уже упомянутый ранее, принцип относительности в рассматриваемом нами понимании свойства материи, которое не зависит от субъекта исследователя, т.е. независимо от того регистрируется ли этот атрибут материи человеком, обрабатывается он им, или уясняется его содержание человеческим разумом.

С нашей точки зрения к такому адекватному природе пониманию термина «информация» ближе всего подошли видные ученые: Л. Бриллюэн, А. Моль и В.М. Глушков. У Л. Бриллюэна под «информацией» понимается отрицательная энтропия (негэнтропия), т.е. источником информации является результат действия законов термодинамики, основанных на тепловом (электромагнитном) [1] движении материи. Правда, в последние время исследования показали [5,9], что структурные изменения в природе окружающей среды подчиняются также и гравитационному воздействию, которое не «отвечает» за термодинамические проявления. Из чего следует, что атрибут материи «информация» в пространстве и во времени является следствием не только законов термодинамики, действиями которых ограничивает определение Л. Бриллюэна, но и законом всемирного тяготения, и эту особенность природы в данном случае необходимо учитывать.

Известный ученый А.Д. Урсул рассматривает «информацию», как меру сложности структур, как меру их упорядоченности в виде материальных систем [12]. Это определение исследуемого термина требует дополнительного уточнения в отношении «сложности структур» – ведь для разных пользователей оценка сложности разная, и тогда она неудобным образом (неоднозначно) влияет на понимание получаемой информации, препарировав относительно знаний ее пользователя (снова принцип относительности в кибернетике).

Известный ученый академик В.М. Глушков вначале шестидесятых годов прошлого столетия под понимание термина «информации» ввел следующее определение.

Определение 1

Информация это – мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и во времени [10].

Такое понимание «информации», с нашей точки зрения, как можно адекватнее природе отражает этот важнейший атрибут материи, ту его характеристику, которая необходима для эффективного использования в кибернетике для реализации ее законов при создании аппаратурно-программных приборов, приближенных по своим свойствам к живой природе в части естественного интеллекта. В тоже время, согласно современному этапу развития науки, можно, без ущерба, несколько упростить это определение. Исходя из того, что энергия не является отдельной субстанцией, наравне с материей, а есть скалярной ее характеристикой, а рассматриваемая неоднородность распределения материи нигде и ни в чем ином не существует, как в пространстве и во времени, то Определение 1 можно изложить следующим образом.

Определение 2

Информация это – мера неоднородности распределения материи.

Пользуясь именно таким пониманием «информации», попытаемся «осторожно» проникнуть в «царство» ее обработки, которое находится в природе и не зависит от внешнего вмешательства субъекта, которого представляет человек.

3. «Рождение» вещества это – «рождение» информации

Итак, согласно приведенному выше определению понятия «информации» ее источником являются неоднородные материальные структуры во времени и пространстве. В тоже время такая же неоднородность распределения материи характеризует и вещество [3,9], и это естественно – ведь она же, отражаясь в принятом нами атрибуте материи «информации», позволяет субъекту адекватно ориентироваться и пользоваться ее услугами. 

Поскольку на современном этапе развития наши познания природы ограничиваются только проявлением материальной субстанцией в виде вещества, то и понятие информации будем рассматривать, несколько уже, не по отношению к любой форме существования материи, а к ее вещественному варианту. Кроме того, еще раз обратим внимание на то, что, и для понимания информации, и для понимания вещества ключевым является неоднородность распределения материи. Тогда в случае с «информацией» воспользуемся моделью, которая нами была использована для понимания вещества – нарушение однородности вакуума (6,9).

Напомним, познание уже давно привело человечество к утверждению, что окружающий мир состоит из вещества и пустоты, т.е. материального вещественного образования и пространства, в котором это образование отсутствует. В свое время пустота – невещественное состояние природы была обозначена теоретиками эфиром, а практиками вакуумом. Термин эфир обозначает «чисто» абстрактное гипотетическое состояние природы, не связанное с результатами экспериментальных исследований. Что касается наших инженерных целей в исследованиях, то для них термин вакуум более предпочтителен, поскольку он отражает результаты опытов, которые привели к практическим новым технологиям.  Вакуум создается в специальной установке, позволяющей его достичь разной степени «чистоты». Иными словами, он получается в замкнутом пространстве с той или иной степенью «загрязненности» веществом. Более того, эксперименты показывают, что если даже удается создать «кажущийся» «чистый» вакуум, то спустя определенное время в нем обнаруживаются атомы водорода. Это последнее заставляет исследователя предположить, что в «абсолютно чистом» вакууме могут возникать условия появления вещества – ведь водород это одна из его разновидностей.  Допустим, что вакуум является нематериальной средой, и такое появление водорода в нем указывает на то, что вещество «рождается» из ничего, но ведь это противоречит материалистическому пониманию природы, из чего следует, что вакуум не может быть пустым пространством – он наполнен материальной субстанцией.

Исходя из такого вывода, приходится искать те явления, те законы, которые приводят к возникновению вещества в вакууме. В [6,9] рассмотрен закон природы, так называемое Первое Начало вещества, который следует из известного эффекта Черенкова-Вавилова, согласно которому совмещение (накопление) материального содержимого в определенном месте любой среды вызывает ее волновое состояние. В случае с вакуумом обеспечение действия этого закона приводит к появлению в нем первой элементарной частицы вещества, в качестве которой выступает фотон [7,9]. В той же работе рассматривается и закон (Второе Начало вещества), который совместно с законом Первого Начала вещества в природе формирует вещественные структуры материи. Поскольку эти структуры составлены из элементарных материальных единиц вещества, то приборы, их представляющие, ограничиваются в распознавании более мелких, чем они, материальных частиц вакуума. Иными словами, если в вакуумной среде не обеспечены условия для действия Первого Начала вещества, то такое вакуумное состояние материи вещественными приборами не регистрируется – вот почему вакуум мы не видим. Еще раз подчеркнем, что порог обнаружения материальных частиц вещественными приборами ограничивается уровнем существования его элементарных частиц, т.е. мельчайших «кирпичиков» вещества.

Итак, как уже отмечалось, проблема нахождения истоков в природе вещества – его элементарных частиц в физике, является общей с проблемой в кибернетике, где она уже относится к поискам минимальных единиц информации, с помощью которых природой «позволено» измерять вещественные структуры. Предполагая, что вакуумная среда является однородной, в [6,9] рассматривается материальная ее модель, в которой нарушение этой однородности вызывает, с одной стороны, появление элементарной частицы вещества, и, с другой, согласно нашим рассуждениям, одной из минимальных единиц информации, ориентированной на меру ее измерения, вместо бита или q-бита на нано уровне существования материи.

4. Информация = Данные + Знания

Прежде чем приступать к поиску новых информационных единиц, необходимо из диапазона всевозможных вариантов проявления в природе информации выбрать тот, который, прежде всего, представляет интерес для исследования информационных процессов, проявляемых при зарождении жизни из неживой материи. Подчеркнем, что вариантов проявления информации, по крайней мере, несколько, мы же остановимся на том варианте, который отображен в названии настоящего подраздела статьи. С материалистических позиций, известно, что окружающий мир бесконечен, а это означает, что и его вещественное (материальное) наполнение – бесконечно. Отсюда и его информационное отображение является тоже бесконечным, т.е. если измерять информацию в соответствующих единицах, то мир будет представлен бесконечной количественной величиной информации, и эта его бесконечность присуща любой зарегистрированной информации. В тоже время в широкой инженерной практике информация представляется данными, которые измеряются (регистрируются) приборами, и этих данных столько, сколько было выполнено измерений, а это, на практике, конечная величина. Возникает вопрос: «А откуда появляется, в ограниченном количестве измерений, бесконечная величина информации?» Дело в том, что в любом наборе данных (результатах измерений) присутствует еще и так называемая появившаяся информация, т.е. эмерджентная [3,9], которая и является бесконечной. Приведем простой пример. Координаты, по которым движется Меркурий вокруг Солнца, содержат в себе не только конкретные числовые значения, но также информацию, объединяющую их в единое целое – орбиту. То есть этой информации, казалось бы, и нет на выходе приборов, участвующих в рассматриваемом измерительном процессе, однако при общем анализе полученных координат появляется очень важная информация, согласно которой Меркурий движется вокруг Солнца по эллипсу. Продолжая исследование совокупности полученных координат, можно уточнять параметры этого эллипса, которые могут меняться и в течение времени. Более того, рассматриваемые координаты содержат в себе влияние других планет Солнечной системы на Меркурий, и это будет еще новая добавка к эмерджентной информации. Поскольку мир бесконечен, то рассматриваемые координаты «ощущают» на себе и его бесконечное влияние. Эту появившуюся информацию получаем в результате математической обработки указанных координат, и желаем мы того или нет, ее ассоциируем с таким понятием как знание. Итак, информацию, которую получает пользователь от измерительных приборов можно представить в виде суммы, содержащей слагаемые – конечные значения измерений, называемых данными, и бесконечной информацией эмерджентной, содержащейся в знаниях, полученных в результате их обработки.

Будем предполагать, что в рассматриваемом случае каждое из слагаемых может быть измерено в определенных единицах информации. Во всяком случае, ее разновидность данные в современной обработке измеряются в битах и кратным им более объемных единицах: байтах, кило, мега, и тому подобном увеличении элементарного бита. Такие единицы информации имеют в аппаратуре современных средств ее обработки аппаратурную поддержку, в качестве которой выступают, например, триггера. Возникает вопрос: «Какую единицу информации, аналог элементарной частицы вещества, может использовать живая материя в своем живом и неживом окружении природы?» На этот вопрос попытаемся дать ответ в следующем подразделе статьи.

5. Единица информации фотон и ее запоминание в природе

Как уже отмечалось, фотон, кроме элементарной частицы вещества представляет собой и минимальную единицу информации. То, что он несет в себе информацию, это очевидно. Ведь с помощью его мы своими глазами видим вокруг себя вещественные предметы, окружающую обстановку в земных условиях, небесные явления. Фотоны различаются друг от друга своими свойствами, которые мы можем наблюдать, исследуя разложение белого света по цветам, что позволяет воспринимать окружающую среду в богатом своем разнообразии. Известно, что фотоны в состоянии покоя не существуют – их мы можем наблюдать только в движении, которое измеряется очень большой скоростью – порядка 300 000 км/сек. Понятно, что для того чтобы эти информационные единицы обрабатывать природа должна «уметь» их запоминать. Следуя опыту специалистов, создающих компьютеры, напрашивается предложение: сначала фотон необходимо остановить, а затем, каким-то образом, его запомнить в элементарной ячейке памяти. Но ведь, как об этом уже упоминалось, остановив фотон, мы его просто потеряем, из чего следует, что природа в живой материи прибегает к другому способу его запоминать и обрабатывать. В настоящей работе попытаемся разобраться в том, каким образом это удается живой материи.

Исследования показали [7,9], что вторая самая элементарная вещественная частица получается из фотона путем обрыва в нем электромагнитного колебания. Этот обрыв в природе характеризуется тем, что кроме появления в нем отрицательного заряда электрического поля, электромагнитные колебания при нем остаются такими же, как они имеют место в фотоне. Отмеченная особенность второй элементарной частицы вещества, таким способом, «роднит» ее с фотоном, т.е. электрон, как и фотон в состоянии покоя отсутствует – его можно обнаружить, только в движущемся состоянии, скорость которого совпадает со скоростью света. При создании элементов Таблицы Менделеева природа «научилась» использовать электрон, поместив его на орбиту вращения вокруг ядра атома. Известно, что таких орбит у атома может быть несколько, среди которых имеется самая внешняя орбита, получившая название валентной. Одной из особенностей этой орбиты является то, что она, как правило, может быть не полностью заполнена электронами. Эта особенность атома природой «используется» в химии для формирования различных соединений между элементами Таблицы Менделеева, тем самым, обогащая вещественное представление материи в виде сложных молекул. Кроме того, в [12,13] показано, что свойства вещества могут изменяться, если на этой валентной орбите в общем вращении с электронами оказываются фотоны. Такое их посещение атома приводит к  изменению его плотности, объема и повышению температуры. Следуя именно этому способу «внедрения» фотонов на валентную орбиту вещества, природа научилась не только изменять его свойства, но и размещать в ней информацию, содержащуюся в них. Если учесть, что валентная орбита рассчитана на размещение восьми электронов, а у атома водорода на ней находится всего лишь один электрон, то  такой атом более всех остальных предрасположен к «приему» фотонов. Действительно вода, содержащая атомы водорода, предрасположена к приему самого большого количества фотонов, которые в ней играют роль носителя теплоты, и, таким образом, получается, что у воды самая высокая теплоемкость. Как уже отмечалось, фотоны, задержавшись на валентной орбите водорода, несут с собой в атоме и информацию. Поскольку вода состоит из того же водорода, то она способна к запоминанию информации, представленной фотонами. Эту ее особенность природа «использует» для формирования в ней живых организмов. Следует заметить, что это уникальное свойство воды присуще, также, и некоторым минералам.

6. Выводы

В настоящей работе показано, что информация, как и материя в природе представляет собой бесконечную величину. И эта бесконечность в ней обеспечивается появившейся, эмерджентной ее разновидностью, которая представляет собой знания. То есть информация в природе состоит из двух слагаемых данных и знаний. Кроме того, показано, что природа в организации живой материи использует в качестве единицы информации неоднородность распределения материи, содержащейся в фотоне, который в веществе – атоме располагается  на валентной орбите рядом с электроном. Таким образом, он во вращательном движении задерживается вокруг ядра атома и служит в последующем источником его обработки, элементы которой будут рассмотрены в последующих работах.

 

Список литературы:

1.      Бриллюэн Л. Наука и теория информации / Л. Бриллюэн. – М.: Изд. Физ.-мат. Литературы, 1960. – 392с.

2.      Вышинский В. Новая система постулатов (аксиом) – решение шестой проблемы Гильберта / В.Вышинский// «Единый всероссийский научный вестник» 2016, №2 часть 4. – С. 29-35.

3.      Vyshinskiy V.A. What is information/ V.A. Vyshinskiy//Science of Europe – 2019.№43(43) Vol1 – C.49 – 53.

4.      Vyshinskiy V.A.  Subject and method of research of cybernetics (Предмет и метод исследований кибернетики )/ V.A. Vyshinskiy // Sciences of Europe (Praha, Czech Republic) 2018, VOL 2, № 29, p.46-53

5.      Vyshinskiy V.A. "Correction" of the Law of universal gravitation  (Коррекция" закона всемирного тяготения.)/  V.A. Vyshinskiy // Sciences of Europe (Prahu, Crech Republic)  2018 Vol2 №29 , p. 22-31, p. 22-31

6.      Вышинский В. Вакуум – невещественная форма существования материи / В.Вышинский// «Единый всероссийский научный вестник» 2016, №4 часть 4. – С. 29-40.

7.      Вышинский В. Элементарные частицы вещества / В.Вышинский// «Единый всероссийский научный вестник» 2016, №8. – С. 21-29.

8.      Вышинский В.А. Роль фотонов в формировании свойств вещества / ВА Вышинский // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. 2017, №1, С.27-31

9.      Вышинский В.А. Личный сайт https://www.vva.kiev.ua/

10. Глушков В.М. О кибернетике как науке / В.М. Глушков // Кибернетика, мышление, жизнь. – 1964.

11. Ленин В.И. Материализм и эмпириокритицизм / В.И. Ленин. – М.: Изд. полит. лит. – 1965. – 381с.

12. Хургин В. Об определении понятия «информация» // Информационные Ресурсы России. — 2007. — № 3.

13. Урсул А.Д. Отражение и информация / М.: Мысль, 1973.

 

 

 

 

Работает на Drupal, система с открытым исходным кодом.