Игра разума. Как Клод Шеннон изобрел информационный век - Джимми Сони

понятие информации и эффективно решив проблему шума, ему мы должны быть благодарны за то, что он, соединив все нужные ниточки, создал новую науку. Следует отметить, что в «Лабораториях Белла» у Шеннона были важные предшественники – два инженера, которые формировали его мышление с тех пор, как он нашел их работу в Энн-Арборе. Они первыми задумались над тем, как придать информации научную основу. В своей знаковой научной работе Шеннон выделяет их как первопроходцев в этой области.

Одним из них был Гарри Найквист. Когда ему исполнилось восемнадцать лет, его семья оставила шведскую ферму и присоединилась к волне скандинавской иммиграции, поселившись на Среднем Западе Америки. В Швеции он четыре года работал на стройке, чтобы оплатить свой переезд. Спустя десять лет после прибытия в Америку он получил докторскую степень по физике в Йельском университете и должность научного сотрудника в «Лабораториях Белла». Долго проработав в «Лабораториях», Найквист стал одним из разработчиков первого прототипа факсового аппарата: еще в 1918 году он представил чертеж машины для осуществления «телефотографии». К 1924 году появилась работающая модель: машина, сканирующая фотографию, обеспечивала яркость тона каждого фрагмента, регулируя уровень тока и посылая его с определенной частотой импульсов в телефонные линии, где они ретранслировались в фотографический негатив, готовый к проявлению. Несмотря на впечатляющую демонстрацию машины, рынок не проявил к ней заметного интереса, особенно учитывая тот факт, что для передачи одного-единственного маленького фото требовалось семь минут. Однако работа Найквиста в такой менее яркой области, как телеграфия, была опубликована в том же году и имела заметный долгосрочный эффект.

К 1920-м годам телеграфия стала уже устаревшей технологией. В ней не происходило никаких заметных инноваций на протяжении нескольких десятилетий. Впечатляющие технические прорывы наблюдались в области телефонной связи и даже, как продемонстрировал Найквист, в телефотографии, эти устройства использовали продолжительные сигналы, в то время как телеграф мог говорить только точками и тире. И все же компания Белла продолжала оперировать обширной телеграфной сетью, а деньги и карьеры все еще строились на решении тех же проблем, с которыми боролся Томсон: как отправить сигналы по сети с максимальной скоростью и минимальным шумом.

Найквист продемонстрировал то, каким образом диапазон частот любого канала связи обеспечивает предел того количества «данных».

По воспоминаниям Найквиста, инженеры уже понимали, что электрические сигналы, передающие сообщения по сети – телеграфной, телефонной или фото, – могли сильно колебаться. Если изобразить их на бумаге, то они представали в виде волн: не спокойных, синусоидальных, а хаотичных, срезанных, лишенных какой-либо модели. И все же модель была. Даже самое беспорядочное колебание можно представить в виде большого множества спокойных, регулярных волн, захлестывающих друг друга и идущих каждая со своей частотой, пока все они не превратятся в пенящийся хаос. (Фактически это была та же самая математика, демонстрировавшая колебания приливов в виде суммы множества простых функций, что помогло создать первые аналоговые компьютеры.) В этом смысле коммуникационные сети могли передавать целый ряд, или «диапазон», частот. И похоже, что больший «диапазон частот» накладывался поверх другого. Бо́льшему «диапазону частот» необходимо было генерировать более интересные и сложные волны, которые могли бы переносить более содержательную информацию. Чтобы осуществить эффективный телефонной звонок, сетям «Лабораторий» требовались частоты, варьирующиеся примерно от 200 до 3200 герц, или диапазон частот в 3000 герц. Телеграф обходился меньшим; телевидение же потребует в будущем в 2000 раз больше.

Найквист продемонстрировал то, каким образом диапазон частот любого канала связи обеспечивает предел того количества «данных», который может проходить по нему с заданной скоростью. Но этот предел означал, что различие между продолжительными (сообщение, переданное по телефонной линии) и прерывистыми (точки и тире или множество из 0 и 1) сигналами было намного менее выраженным, чем это могло показаться. Продолжительный сигнал плавно варьировался по своей интенсивности, но его также можно было представить в виде серии импульсов или прерывистых интервалов, и в пределах определенного диапазона частот никто не сможет заметить разницу. Если говорить о практических результатах, данный вывод подсказал специалистам «Лабораторий Белла», как посылать телеграфные и телефонные сигналы по одной и той же линии, не смешивая их друг с другом. Если же касаться фундаментальных выводов, то, как писал один профессор в области электрической инженерии, «[мы поняли, что] мир технических коммуникаций по большей части дискретный, или «цифровой».

Если говорить о формировании понятия информации, то самый важный вклад Найквиста в этой области был сделан в его научной работе, внесенной в протокол технической конференции инженеров, которая состоялась в Филадельфии в 1924 году. Она представляла собой всего четыре коротких параграфа под малообещающим заголовком «Теоретические возможности использования кодов с разным количеством текущих значений». Те четыре параграфа были, как оказалось, первой серьезной попыткой объяснить взаимосвязь между физическими свойствами канала связи и скоростью, с которой он может передать данные или информацию. Найквист пошел дальше Томсона: электричество не было этой информацией.

Тогда что же ею было? По словам Найквиста, «под скоростью передачи информации подразумевается количество символов, обозначающих различные буквы, цифры и т. д., которые можно передать в заданный отрезок времени». Это было не до конца понятно, но впервые кто-то пытался нащупать эффективный способ оперировать сообщениями на научной основе. Ниже приведена формула Найквиста для расчета скорости, с которой телеграф может послать информацию:

W = k log m,

где W – скорость передачи информации, m – количество «текущих значений», которые система может передать. Текущее значение – это дискретный сигнал, который телеграфная система способна передать. Количество текущих значений – это что-то вроде количества возможных букв в алфавите. Если система может работать только в режиме «включено» или «выключено», у нее два текущих значения. Если она способна работать в режимах «отрицательный ток», «выключено» и «положительный ток», то у нее три текущих значения. Если же система работает в режимах «сильный отрицательный», «отрицательный», «выключено», «положительный» и «сильный положительный», у нее пять значений[1]. И, наконец, k – это количество текущих значений, которые система способна передавать каждую секунду.

Другими словами, Найквист показал, что скорость, с которой телеграф мог передавать информацию, зависела от двух факторов: скорости, с которой он мог посылать сигналы, и количества «букв» в своем словаре. Чем больше «букв» или текущих значений было возможно, тем меньшее их количество фактически пришлось бы посылать по сети. Представьте, в виде исключительного случая, что была бы только одна идеограмма, которая передавала бы весь смысл этого абзаца, и еще одна, которая передавала бы весь смысл предыдущего абзаца. В этом случае мы могли бы передать вам