Kybernetika a změna paradigmatu

24. 11. 2008

 KYBERNETIKA  A ZMĚNA  PARADIGMATU 

Je zmíněna posloupnost nárůstu lidských poznatků o hmotě a energii. Poznání těchto fenoménů mělo hluboký vliv na paradigma své doby. Kybernetika zahájila proces poznání, že informace je, vedle hmoty a energie, třetí stavební prvek vesmíru. Je vysvětlen pojem „informace“ a uvedena jeho definice. Je vysloven teorém o informačním toku a ilustrován vztah mezi informací, energií a hmotou. Je zmíněn vztah mezi množstvím energie a informace při jejich transformaci na práci.

Klíčová slova: definice informace, informační pole, informační tok, kybernetika, význam informace,There is pointed out the sequence of increasing of men’s knowledge by understanding about mass and energy. Each of this stage of knowledge had deep influence to the paradigm of its period. Cybernetics has started the process of understanding information as a third basic element of universe (together with mass and energy). The meaning of the term „information“ is explained and the definition of information is stated. Relation between mass, energy and information is illustrated and a theorem of information flow has been expressed. Relation between quantity of  energy and information by their transformation to work is mentioned.

Úvod

Člověk se v celém svém vývoji, počítáno od prvních známých nálezů australopitéka až po dnešní dobu, snažil nevědomě a později vědomě a cíleně, poznávat prostředí, ve kterém žil a spolu s tím i zákonitosti, kterými se toto vše podřizuje. A to vše pochopitelně proto, aby zvýšil svoji šanci na přežití. Jeho poznávání světa se odehrávalo ve dvou rovinách.

 První rovina byla rovina hmotného světa, se kterou přicházel denně do styku a která byla jeho bezprostředním nástrojem pro přežití. Prohlubování poznání na základě zkušeností vedlo v této rovině  k postupnému ovládání technologií a vývoji techniky v tom nejširším slova smyslu. Vedlo to postupně ke stále jasnějšímu uvědomění si hmoty jakožto objektivní reality, ze které je okolní svět postaven. Např. Epikuros, již kolem roku 305 př. Kr., rozšířil učení  Demokrita o atomech (po r. 470 př. Kr.) v tom smyslu, že různé vlastnosti těles jsou způsobeny jen různými spojeními atomů. Úzký kontakt člověka s hmotou a jeho dennodenní praxe a tedy snadná ověřitelnost takovéhoto poznání pak vysvětluje náchylnost člověka k materialistickému chápání světa.

 Druhou rovinou poznání bylo tušení jakéhosi řádu a zákonitostí, kterými se svět kolem člověka řídil. Týkalo se to poznávání věcí nehmotných, které byly a jsou obtížně ověřitelné, pokud vůbec. Vedlo to ke vzniku náboženských představ a různých filozofií. Jelikož však stav poznání světa byl stále ještě velmi nízký a především v prostorově velmi omezeném rozsahu, mělo to za následek nesouhlasnost jednotlivých náboženství, popřípadě filozofií. Protože však člověk žil postupně ve větších a větších skupinách, které pro své přežití a optimální chod nutně potřebovaly pravidla vzájemného chování, začal vědomě takováto pravidla stanovovat - viz např. desatero božích přikázání a jejich rozpracování do celé řady zákonů u Židů (5. Kniha Mojžíšova) nebo Chammurapiho zákoník, aj. Postupně s růstem komunity, která se těmito pravidly měla řídit, však byla tato pravidla vzájemného chování doplňována i o pravidla potřebná k centrálnímu řízení společnosti. Ta však již byla zneužitelná k prosazování moci, kterou bylo třeba nějak zdůvodnit. Tím byla vytvořena potřeba ideologie.

Ať již dosažené technické a technologické znalosti, nebo potřeby mocenské, nebo často obojí, ať již v souhlase nebo v protikladu, vytvářely příslušné paradigma doby, respektive světový názor, který byl z počátku hybnou silou vývoje své doby, ve druhé fázi pak brzdou, neboť bránil nastolení nového paradigmatu vznikajícího jako výsledek lidské činnosti a rozvíjejícího se poznání.

1. Hmota

Ještě před dvěma stoletími viděla věda svůj konečný cíl ve vyjmenování a popisu látek a hmoty, z nichž je složen svět, a určení jejich vlastností. Zatím co chemie zkoumala strukturní vlastnosti látek a jejich vzájemné strukturní interakce, fyzika zkoumala „látku - hmotu“ v jejich mechanických vlastnostech, především pohybu. Technika zase dávala hmotě rozličné užitečné tvary, nebo přetvářela látky a k tomu byly sestrojeny všemožné nástroje, stroje a přístroje. Teprve v roce 1770 stanovil francouzský chemik A.L. Lavoisier zákon o zachování hmoty při chemických reakcích. Tehdejší vědci ještě považovali teplo, světlo, magnetizmus i elektřinu za „látky“ či „substance látky“, které jsou nevažitelné. Základní vědou tohoto úseku poznání je mechanika.

2. Energie

V roce 1824 vydal S. Carnot „Úvahy o hybné síle ohně a o strojích schopných ji vyvíjet“ a tím položil základy zkoumání procesu přeměny sil. Teprve ve čtyřicátých letech devatenáctého století byl zaveden obecný pojem energie, která je způsobilá přeměňovat se jedna v druhou bez ztráty a nevznikat z ničeho a mající schopnost konat práci. Zákon o zachování energie vypracovaný J. R. Mayerem roku 1842, a dále propracovaný J. P. Joulem a H. Helmholtzem podřizoval veškerý stav hmoty jednomu měřítku a stal se pevným základem fyziky a tedy i techniky až do dnešních dnů. Obsáhlá nauka o přeměnách energie se stala základem termodynamiky.

Ale již z Carnotových zkoumání vyplývala nemožnost založit termodynamiku jen na zákonu zachování energie. Aby mohl pracovat parní stroj, nestačí k tomu jen ohřátá látka - pára, ale je zapotřebí také chladiče (kondenzátoru), v němž se pára srazí. Musí existovat rozdíl teplot či teplotní spád. Jakmile se teploty vyrovnají, pohyb stroje se zastaví. Z této zákonitosti vyvodili čtyři velcí fyzikové, R. J. E. Clausius, W. Thompson, L. Boltzman a J. W. Gibbs, že je nezbytné vyslovit druhý princip termodynamiky, podle něhož se v přírodě vedle nekonečných přeměn energie (vratných procesů) děje i nevratná kvalitativní přeměna energie, tj. energie se „znehodnocuje“ a zmenšuje se její schopnost konat práci. Míra této kvalitativní přeměny byla nazvána entropie, proměnou energie „uvnitř sebe“, která ji znemožňuje vytvářet „vnější“ účinky - práci.

Na základě těchto poznání vznikly obavy z tzv. entropické smrti vesmíru. Nikdo si tehdy neuvědomil, že s procesem „znehodnocení energie“ (nárůstu entropie) provázeném současně procesem koncentrace hmoty (v extrému až na bílé trpaslíky a černé díry) na jedné straně, dochází současně  na straně druhé k akumulaci informace ve formě složitých struktur (pokles entropie), které jsou reprezentovány živou hmotou, která jako jediná má schopnost snižovat svou entropii. Že vlastně část našeho známého světa zvyšuje a druhá část snižuje svoji entropii.

Vztah mezi hmotou a energií stanovil teprve v roce 1905 Albert Einstein, v rámci teorie relativity, svou slavnou rovnicí  E  =  m×c2.

3. Vznik a vývoj kybernetiky

Kybernetika - toto slovo pochází ze starořeckého výrazu „kubernhthx“ - kybernétes = kormidelník. Ve spisech starověkých spisovatelů, zejména v Platónových „Dialozích“, se uvádí „kybernetika“ - nauka o správném řízení provincií, jako pojem mnohem širší než politika. Když ve třicátých letech minulého století prováděl francouzský fyzik A. M. Ampére třídění věd, vzpomněl si na onu nauku a zařadil ji do přehledu společenských věd.

Rozvinutím matematicky podložené teorie stabilních kmitavých pochodů v systémech se zpětnou vazbou položil v roce 1932 Harry Nyquist ze Švédska, aniž to tušil, vědecké základy pozdější kybernetiky. Zdánlivě nezávisle a bez souvislostí docházelo současně k vytváření a uvědomování si pojmu informace. Nejprve pouze intuitivnímu, později i vědeckému. Na počátku byl A. G. Bell se svým telefonem (1876), který umožnil sdělování zpráv a vyvolal tak pozdější vědní obor „Teorii informace“. U jeho kolébky stáli matematici a sdělovací inženýři jako byli mimo jiné Fisher, Küpfmüler, Hartley, Ashby a C. Shannon.

Otcem novodobé kybernetiky se stal americký matematik a filozof N. Wiener. Pracoval v oboru matematické analýzy, teorii pravděpodobnosti, elektronických obvodech a výpočetní technice. Za druhé světové války spolupracoval s dalšími odborníky především na vývoji počítačů. V roce 1948 vydal  knihu „Kybernetika čili řízení a sdělování v živých organismech a strojích“, ve které poprvé použil název kybernetika v novém, moderním slova smyslu.  Matematicky popsal přenos a zpracování signálu objektem, a to jak neživým, tak i živým, včetně zpětné vazby, kterou zhodnotil jako elementární a zároveň i univerzální princip, jehož soustavným užíváním může vzniknout diskrétní (nespojitá) signálová soustava, přenášející a přetvářející kód. Našel pro to také dvě výstižné  analogie: elektronické počítače a mozek, zvláště lidský.

Východiskem vzniku a rozvoje kybernetiky byla dosažená úroveň znalostí, zkušenosti se stavbou různých typů automatů a v neposlední řadě i určení míry či velikost zpráv a příkazů (povelů), definovaná jako bit, objevená Hartleyem a rozpracovaná C. Shannonem. Byl  objasněn vztah „informace - signál - kód“.

Kybernetika se zabývá strukturou systémů a tokem informací v rámci těchto struktur. Zabývá se tedy informací danou seskupením hmoty (strukturou) s cílem popsat statický i dynamický stav informačních toků těchto seskupení (struktur). Podstatné je, že se zabývá pouze tokem informací při úplné abstrakci, tj. „zanedbání“ hmoty. Zajímavé však je, že exaktní definice pojmu informace vznikla teprve nedávno.

4. Informace

Informace je jedno z nejpoužívanějších slov moderní doby, přesto však jeho přesný význam většině lidí uniká. Pojem informace je pojem vysoce abstraktní. Vývoj chápání tohoto pojmu je značně dlouhý a komplikovaný. Důležitým okamžikem v tomto vývoji byl vznik potřeby takovéhoto pojmu. Rozvoj přenosu zpráv na základě rozvoje telekomunikační techniky (po vynálezu telegrafu, telefonu a později i dalších sdělovacích technik) tím byl přímo podmíněn. To vše se odehrávalo v minulém a na počátku tohoto století. Završením úsilí mnoha inženýrů a vědců byla Shannonova definice míry informace (informační entropie H) jako záporně vzatého logaritmu pravděpodobnosti nějakého jevu. Tato definice je dnes většinou vědců a inženýrů vnímána jako konečná, ale již tenkrát bylo pociťováno, že pojem informace má širší význam. Proto se vědci dohodli, že pojem informace je možno chápat ve čtyřech základních významech:

význam „sémantický“ (sémantika je nauka o významu slov) - jedná se o absolutní zisk informace jak např. odpovídá významu jednotlivých slov,

význam „pragmatický“ (předchozí ovlivňuje následné) - jedná se o relativní zisk informace - příjemce rozlišuje zda již sdělovanou informaci má či ne - sdělení toho co už vím není podle tohoto pojetí ziskem informace,

význam idealizovaný - zisk informace záleží na jeho zhodnocení příjemcem a to na základě jeho předchozích zkušeností, minulých i momentálních citů a emocí, logika přitom hraje zanedbatelnou roli - např. stejný obraz nebo stejná hudba je různými příjemci vnímána a hodnocena odlišně, dokonce i jedním příjemcem může být vnímána odlišně v různých časových okamžicích,

význam inženýrský - zde se pomocí pravděpodobnosti, resp. informační entropie, definuje velikost informace tak, jak ji stanovil Shannon v roce 1948, tj.  (je-li základ logaritmu 2 dostaneme [bit]).  Takto stanovená velikost informace je však velmi často zaměňována s vlastní informací, tj. jako by se zaměňoval pojem kilogram a hmota.

V roce 1990 však vydal T. Stonier knihu s názvem „Informace a vnitřní struktura vesmíru“ [2], ve které zařadil informaci, vedle hmoty a energie, jako třetí základní stavební prvek vesmíru. Zároveň i informaci definuje :

D - informace je schopnost organizovat nebo v organizovaném stavu udržovat.

Tato definice platí univerzálně pro celý vesmír, jak je v knize doloženo na příkladech. Vzniká tím trojjediný systém HMOTA - ENERGIE - INFORMACE, který je možno znázornit graficky trojúhelníkem (obr. 1), kde vrcholy trojúhelníka představují jednotlivé složky, tj. informaci, hmotu a energii v jejich limitním stavu, bez účasti druhých dvou složek, což je stav ryze teoretický. Strany trojúhelníka představují  stav existence dvou složek, při kterém chybí složka protilehlého vrcholu trojúhelníka. Tyto stavy již mají známou realizaci. Obecný stav nějakého systému je pak dán bodem uvnitř tohoto trojúhelníku.

(Neumím vložit obrázek - omlouvám se - z kopie textu vypadl)

 Na základě Stonierovy definice můžeme snadno dojít k pojmu informačního pole se všemi aspekty pole energetického nebo hmotného. Můžeme tedy hovořit např. o jeho potenciálu, o rozdílu potenciálů atd.

Pro obecnou lidskou potřebu si můžeme informaci také definovat jednoduše jako produkt tázacího procesu [3]:

 D - informace je odpověď na otázku.

To sice na první pohled vypadá nevědecky a příliš jednoduše a jednostranně, ale když si uvědomíme, že např. zabudování čidla je chápáno také jako položení otázky, dostane tato definice hlubší význam. Tato definice je velmi důležitá z hlediska vybudování vnitřního postoje a názoru tvůrčích lidí a je vlastně návodem pro tvůrčí práci. Není v rozporu se žádnou jinou existující definicí informace ve vztahu k člověku a jeho činnosti. Každá vědecká práce je především nalézání správných otázek, které jsou pro postup práce často důležitější než pak již relativně snadno nalezitelná odpověď.

 Otázku tedy můžeme chápat jako zátěž (vodivost) vloženou mezi dvě různá informační pole o dvou různých informačních potenciálech. Lze tedy vyslovit i parafrázi Ohmova zákona pro informační tok: Informační tok je úměrný otázce (tj. zátěži) a rozdílu potenciálů informačních polí.

Závěr

Na první pohled se zdá, že poznání, že informace je třetím stavebním prvkem vesmíru, nemá žádný hlubší dopad, neboť neovlivňuje žádné vztahy přírodních zákonů, ani přírodní konstanty. Může jím však dát nový obsah nebo souvislosti. Přírodní konstanty jako např. Ludolfovo číslo p, Planckova konstanta h, Avogadrovo číslo, rychlost světla ve vakuu ve vztahu k dielektrické konstantě vakua e0 a permeabilitě vakua m0,, kde c2 = 1/e0×m0, atd., jsou vyjádřením organizační struktury vesmíru. Posledně jmenovaný vztah dosazený do Einsteinovy rovnice E = m/e0m0, přímo ukazuje na jednoznačný vztah mezi energií, hmotou a informací.

To, že energie i hmota mohou nést nějakou informaci je patrné z uvedeného obrázku i potvrzeno naší zkušeností a nic nového nepřináší. Zajímavá však již začne být úvaha o jejich vzájemném vztahu při transformaci energie na práci. Ukazuje se, že čím více informace obsahuje energie, kterou chceme transformovat na práci, tím jednodušší strukturu stroje (hmotného transformátoru) potřebujeme a naopak. Srovnejme např. parní stroj s třífázovým motorem. U spoušťových obvodů (např. pasti na myši) naopak složitostí hmotné struktury minimalizujeme velikost potřebné vstupní energie i informace. Ukazuje se, že potřebná hmotnost systému je nepřímo úměrná množství použité informace. Ukazuje se, že obchodovat s informacemi je podstatně efektivnější než s energií či dokonce hmotnými statky, atd.

T. Stonier se svou knihou snažil podnítit vznik nového vědního oboru - „Informační fyziky“. Je to nový  podnět, který teprve musí dozrát, aby přinesl ovoce.

Již Bible říká, že na počátku bylo slovo, tj. informace, řád. A za připomenutí na tomto místě stojí i významný vědec a filozof Pierre Theilard de Chardin, který ve svém díle „Vesmír a lidstvo“ [4] předpovídá spojení vědy a náboženství v jeden celek. Spojovacím článkem se jim stane pojem INFORMACE a nový pohled na příčiny a souvislosti dějů. A kybernetika v tomto směru sehraje podstatnou roli.

Literatura:

[1]  F. R. Paturi: Kronika techniky. Fortuna Print, Praha  1993,

[2]  T. Stonier: Information and the Internal Structure of the Universe. Springer Verlag, 1990,

[3]  P. Beneš, M. Valášek: Metody tvůrčí práce. Ediční středisko ČVUT, Praha 1995,

[4]  P. T. de Chardin: Vesmír a lidstvo. Vyšehrad, Praha 1990,

Líbil se vám článek?
Stáhnout článek v PDF

1 komentář

Obrázek uživatele Pavel Beneš

Děkuji panu Lorenzovi za ocenění článku. Je samozřejmě možné a také užitečné začít diskutovat nad touto tématikou. Jsem ryzí technik a tak některé interpretace z Vaší profese nemám zažité, ale v podstatě jde asi jen o uchopení pojmů a jejich upřesnění. Nemyslím, že by zde bylo něco v příkrém rozporu. V takto krátkém příspěvku nelze vystihnout a popsat vše. Podstatné je začít vnímat informaci skutečně jako třetí složku, která vytváří vesmír. Mnozí velcí autoři a vědci, jako byli T. de Chardin, F. Capra, Barrow a další postrádali k úplnosti vyjádření svých názorů pojem informace. Přesto ale nemířili vedle!

Budu rád, když si v diskusi budu moci rozšiřovat obzor.

Pavel Beneš

Přidat komentář

(If you're a human, don't change the following field)
Your first name.
(If you're a human, don't change the following field)
Your first name.

Přečtěte si také

Přihlášení Registrace
RSS Facebook Twitter YouTube
Zobrazit standardní verzi webu

Taky děláme

Feedback