Размышления об информации, или Информация к размышлению

1.2. Иерархическая структура сенсорной информации

За прошедшее столетие физика добилась впечатляющих успехов в понимании устройства доступной для наших наблюдений материальной Вселенной. И в основе этих достижений лежит понимание иерархического принципа строения материи.

Для информационной реальности иерархический принцип может оказаться столь же плодотворным, как и для реальности материальной. Однако подход при изучении информационной иерархии существенно отличается от подхода при исследовании иерархии материальных структур.

Действительно, основным способом изучения физических систем является последовательная редукция к элементам, составляющим систему. При этом предполагается, что такая редукция возможна вплоть до самых элементарных объектов, которыми на сегодняшний день представляются ненаблюдаемые гипотетические струны, существующие в 11-мерном пространстве. Такой путь – от высших уровней иерархии к низшим – можно назвать принципом нисходящего пути познания.

Однако в случае информационной реальности ситуация оказывается противоположной. Основополагающие информационные элементы – коды и символы – вполне наблюдаемы, и выстраивание иерархии можно вести от нижних уровней к высшим – вплоть до таких уровней, которые становятся ненаблюдаемыми, но для которых можно предлагать гипотетические модели, объясняющие реально наблюдаемые информационные феномены. Такой подход, связанный с конструированием высших уровней иерархии на основе элементов низших уровней, можно назвать принципом восходящего пути познания.

Итак, используя этот принцип, попытаемся выстроить восходящую информационную иерархию, существующую в самой сложной из наблюдаемых ИС – в человеческом социуме.

У большинства людей вопрос, а что же такое информация, не вызывает особенных затруднений. Обычно информация ассоциируется с такими привычными понятиями, как сигналы, коды, данные, сообщения, сведения, тексты, знания, программы. Правда, мало кто задумывается, что эти понятия не являются проявлением чего-то структурно единого, а отражают иерархию, на каждом уровне которой существуют обособленные информационные структуры, обладающие своими уникальными свойствами.

Информация, которая доступна человеку, может иметь разное происхождение. Так, это могут быть врождённые знания и программы, необходимые для организации процессов восприятия, обработки, интерпретации, хранения и передачи сенсорной информации. Также это могут быть знания, полученные интуитивным путём и не основанные на восприятии окружающей реальности. Происхождение этих видов информации остаётся до сих пор неясным. Однако уже вполне понятно происхождение сенсорной информации, иерархическую структуру которой можно проследить от её возникновения и до обретения ею сложных высокоуровневых форм.

Основная задача, решаемая сенсорными органами любой ИС, – это генерация информации путём отображения окружающей реальности в форме символов, имеющих значения отображаемых событий и связанных пространственно-временными отношениями. При этом сами символы представляют собой последовательности кодов, которые могут реализовываться на любых различениях, существующих в физической реальности.

Значения символов и связывающие их отношения образуют структуры, имеющие смысл символьных семантических сетей. Из множества символов по некоторым изначально заданным правилам, которые можно рассматривать как символьное мышление, образуются подмножества баз данных, помечаемых внутрисистемными именами. Примером таких баз данных могут служить цифровые фотографии. Подобные базы данных представляют собой первичную сенсорную информацию в виде последовательности кодов, которые доступны ИС для интерпретации и последующего использования.

В зависимости от вида рецепторов, используемых в сенсорных органах, первичная информация может иметь разную модальность – зрительную, слуховую, вкусовую, обонятельную, осязательную и термическую. Такая информация может преобразовываться, перемещаться, храниться, анализироваться, копироваться и уничтожаться. При этом способ и характер анализа первичной информации во многом определяется индивидуальными свойствами конкретной ИС, и в первую очередь её тезаурусом.

Живые организмы способны воспринимать окружающую реальность уже с самого момента рождения. А это значит, что они обладают изначальным тезаурусом, то есть базой знаний, в соответствии с которой символам ставятся в соответствие определённые значения, а первичная информация структурируется и используется в ИС.

Врождённый тезаурус должен быть достаточен, но не избыточен для существования и приспособления организма к окружающей реальности. В частности, четырёхмерное пространственно-временное восприятие нашей Вселенной, данное человеку от рождения, означает только то, что другие измерения, если они имеются, несущественны для приспособления в тех пространственно-временных масштабах, в которых существует человек.

Итак, символьное отображение реальности и создание в соответствии с изначальным тезаурусом ИС кодированных баз данных образует первичный иерархический информационный уровень. Уже на этом уровне первичная информация может использоваться простейшими организмами для координации совместного поведения в виде коммуникативной сигнальной системы и для приспособления к окружающей среде.

Второй иерархический информационный уровень возникает в результате повторного символьного отображения, когда подмножества первичных баз данных объединяются по некоторым изначально заданным критериям и получают внутрисистемные имена в виде уникальных символов. Значения этих имён определяются существующей в ИС первичной информацией и применёнными критериями отбора. В результате возникает некая новая информационная общность, которую можно назвать образом. В зависимости от совокупности используемых критериев, образы могут иметь фиксированную модальность или быть полимодальными, сочетающими в себе разные модальности первичной информации. В качестве примера полимодального образа можно представить образ моря, который содержит в себе и простирающуюся до горизонта гладь воды, и её солёный вкус, и шум набегающих волн, и запах выброшенных на берег водорослей.

Значения образов связаны пространственно-временными, логическими, функциональными, количественными, каузальными (причинно-следственными) и другими изначально заложенными в ИС отношениями, которые порождают образную семантическую сеть. В рамках этой сети существуют врождённые правила оперирования образами, которые можно назвать образным мышлением, или воображением. Воображение позволяет не только воспроизводить информационные аналоги воспринимаемой реальности, но и создавать собственные воображаемые реальности или образные тексты, возможно, никогда не реализуемые в действительности. Такие тексты могут существовать в виде внутренних переживаний последовательностей звуков или визуальных образов индивидуальными организмами. Но эти тексты остаются недоступны для восприятия внешними ИС.

Результатом работы образного мышления могут стать творческие образы, расширяющие исходную образную семантическую сеть. К ним принадлежат, например, «образы-кентавры», представляющие собой компиляции из фрагментов других образов. Творческими являются также абстрактные, в том числе и математические, образы.

Второму – образному – иерархическому уровню присущи более развитые, чем у сигнальной системы, коммуникативные возможности. На этом уровне возникает специфическая образная речь, использующая язык поз, мимики, движений, звуков и запахов. Примером такой речи могут служить брачные танцы и песни животных. А в человеческой культуре образная речь является частью театрального искусства. При этом разнообразные запоминающие и воспроизводящие устройства позволяют создать даже образную письменность, фиксирующую образные тексты, рождённые воображением индивида.

В отличие от первого иерархического уровня, на котором происходит только отражение окружающей реальности, образный уровень уже можно рассматривать как субъективную модель мира, позволяющую биологическим организмам осуществлять адаптивное поведение, используя прогноз развития ситуации.

Следующий иерархический уровень информации возникает в результате очередного – третьего – символьного отображения. При этом отображении на множестве образов по заданным совокупностям признаков выделяются в общем случае пересекающиеся подмножества, которые обозначаются некоторыми символами или, в человеческой культуре, словами. Значения слов представляют уже другую – более высокую по сравнению с образным уровнем – информационную общность, определяемую теми критериями, по которым отбирались образы, и тем фактическим набором образов, которым располагает конкретная ИС.

Возникшее в результате нового символьного отображения множество значений слов, связанных определёнными отношениями, образует вербальную семантическую сеть, или язык. Но связи и отношения в такой сети также находятся на новом уровне общности и не могут быть полностью выстроены только на основе образного восприятия окружающей действительности. Поэтому, как показал ещё в 1957 году американский лингвист Ноам Хомский, анализируя грамматику многих языков, базовая вербальная семантическая сеть так же, как и сети нижних иерархических уровней, носит врождённый характер и, следовательно, является частью врождённого тезауруса.

Первичное заполнение вербальной сети словами – символами вербального уровня – происходит только в социальных структурах и только в ранние периоды жизни, когда у человека существует возможность активировать все аспекты врождённого тезауруса. Если же по каким-либо причинам активация базовой вербальной семантической сети не была востребована, то восприятие реальности индивидом останется на образном уровне. Однако активированная сеть остаётся открытой и способной к развитию в течение всей жизни.

На основе вербальной семантической сети по определённым, изначально заданным в ИС логическим правилам можно выстраивать последовательности слов, обладающих смыслами и выражающих мысли. При этом используются не только слова, имеющие значения и называемые в лингвистике знаменательными, но и служебные слова, определяющие отношения между значениями слов. Образующиеся в результате осмысленные тексты являются продуктом вербального мышления.

Отношения, которые связывают знаменательные слова в текстах, выделяют лишь некоторые аспекты их значений, что делает возможным использование одних и тех же слов в разных контекстах для выражения разных смыслов. Нужно также отметить, что контекст следует понимать шире, чем простую последовательность слов. В устной речи вербальная составляющая дополняется образной речью в виде мимики, жестов и интонаций, что существенно влияет на смыслы вербальных текстов. Поэтому в письменности образную составляющую речи частично передаёт пунктуация.

Для конкретного индивида текст может считаться осмысленным только в той мере, в какой он моделирует представления о действительности, существующие в его тезаурусе. Поэтому понимание смысла текста является индивидуальным и может меняться в результате развития базы знаний конкретной личности.

В социальной среде могут использоваться тексты разного вида. К первому виду можно отнести внутренние тексты, содержащиеся в памяти индивида. Ко второму – коммуникативные тексты, выполняющие функции социального общения в форме устной и письменной речи. И наконец, к третьему виду относятся внешние тексты, существующие на независимых носителях информации и, в принципе, доступные любому члену социума.

Совокупность внутренних текстов, которыми располагает индивид, образует его личную вербальную базу знаний. Совокупность внешних текстов образует вербальную базу знаний социума. При этом внешние тексты основываются как на семантической сети, общей для всего социума, так и на достаточно изолированных фрагментах сети – семантических кластерах, присущих отдельным социальным группам. Такие группы могут быть выделены по географическим, профессиональным, религиозным, возрастным или иным признакам. Этот факт ограничивает понимание внешних текстов индивидом и его доступ к вербальной базе знаний социума, так как его семантическая сеть заведомо уже сети социума.

Вербальный информационный уровень, обладая большей общностью по сравнению с образным, содержит не только слова, значения которых определяются совокупностью образов, но и абстрактные понятия, не имеющие аналогов на образном уровне. Такие понятия обозначаются терминами, значения которых извлекаются из текстов, а не из образов. Термины являются продуктом социальной деятельности и поэтому не встроены во врождённую индивидуальную вербальную семантическую сеть. Из этого следует, что раскрытие значений абстрактных понятий происходит только в процессе социального обучения.

Итак, мы рассмотрели три наблюдаемых иерархических уровня существования сенсорной информации.

Это уровень первичной информации, порождаемый сенсорными органами ИС в результате отображения реальности в символьной форме. Возникающие при этом структурированные совокупности символов преобразуются в соответствии с врождёнными правилами в первичные кодированные базы данных, доступные ИС для интерпретации и использования.

Второй иерархический уровень связан с образной информацией. На этом уровне подмножества первичных баз данных, объединённых по некоторым врождённым критериям, отображаются уникальными символами, являющимися внутрисистемными именами образов. Совокупность критериев, выделяющих конкретный образ из множества возможных, определяет его значение. Между именами образов изначально установлены разнообразные отношения, создающие образную семантическую сеть. На образном уровне существует врождённая способность к воображению – образному мышлению, порождающему воображаемые реальности, не все из которых имеют отношение к действительности.

Третий, вербальный уровень информационной иерархии образуется в результате очередного символьного отображения подмножеств образов, выделенных по каким-либо признакам. Такие подмножества, обозначенные словами, обладают значениями, определяемыми совокупностями критериев, образовавших эти подмножества. Между словами существуют разнообразные отношения, образующие вербальную семантическую сеть. На вербальном уровне, также как и на образном, возможно врождённое мышление, представляющее собой способность к созданию разнообразных вербальных конструкций – текстовых, табличных, математических, программных и многих других, называемых слотами.

Все три описанных иерархических уровня сенсорной информации используются в человеческом социуме и являются реально наблюдаемыми. Все они имеют сходную структуру и каждый иерархический уровень включает:

• «Слова» соответствующего уровня, имеющие определённые значения. Это могут быть первичные символы, образы или слова вербального уровня.

• «Семантические сети», связывающие значения слов с присущими данному иерархическому уровню отношениями.

• «Тексты» – подмножества слов, организованных по определённым правилам и имеющих самостоятельные значения и смыслы, определяемые совокупностью знаний, доступных ИС.

• «Мышление», представляющее систему правил, по которым образуются осмысленные тексты.

Переход на каждый следующий иерархический уровень происходит в результате символьного отображения подмножеств слов и текстов предыдущего уровня, отбираемых по совокупности критериев, задающих значения слов нового иерархического уровня.

На всех рассмотренных уровнях возможные значения слов и отношения между ними, а также правила мышления, по которым создаются тексты, являются изначально заданными, или врождёнными, в случае биологических организмов.

Описанное представление об алгоритме формирования очередного иерархического уровня позволяет рассмотреть процесс становления нового – четвёртого уровня, происходящий в настоящее время. На этом уровне словами являются поименованные подмножества слотов, называемые фреймами, значения которых, по существу, представляют обособленные части глобальной базы знаний. Находясь на четвёртом уровне информационной иерархии, фреймы, в свою очередь, могут также иметь сложную структуру, в том числе и иерархическую.

Безусловно, между фреймами существуют определённые отношения, но они не являются изначально определёнными в человеческом социуме. Поэтому возникновение фреймовой семантической сети, также как и процесс формирования глобального научного знания, может осуществляться только на основе вербального мышления отдельных представителей социума. Однако на индивидуальном уровне такая задача невыполнима, так как значение каждого фрейма открывается только в процессе изучения составляющих его слотов, и индивидуальной жизни может не хватить даже на один сложный фрейм, такой как, например, физика.

Но на социальном уровне эта задача может оказаться вполне осуществимой в результате интегрирования в социум искусственных ИС и современных коммуникативных сетей, способных аккумулировать индивидуальный опыт и использовать его как изначально заданный. И если фреймовая семантическая сеть будет сформирована, возникнет возможность создания фреймового мышления – той системы правил, по которым могут формироваться фреймовые тексты, описывающие на метауровне законы и взаимосвязи на всей глобальной базе знаний.

Рассматривая иерархическую структуру информации, следует иметь в виду, что доступность для организма каждого информационного уровня определяется иерархическим уровнем ИС, представляющей организм.

Так, первичный информационный уровень доступен для простейших организмов, способных отображать реальность в символьной форме. Образный – для многоклеточных, обладающих нервной системой. Вербальный уровень используется социальными организмами, способными создавать и накапливать знания в среде социального общения. По-видимому, четвёртый – фреймовый – информационный уровень потребует и нового иерархического уровня ИС. Есть все основания полагать, что таким новым уровнем может стать симбиотический биокибернетический социальный организм. При этом фреймовый язык такого организма окажется недоступным для человеческого индивида, информационная система которого останется на предыдущем уровне. В таком случае обмен информацией в виде фреймовой речи и письменности будет происходить только в кибернетических структурах социума, а биологические организмы смогут воспринимать подобную информацию лишь в виде интуитивных знаний, источник которых останется неизвестным.

На рис. 1 приведена схема иерархической структуры сенсорной информации. На этой схеме показано, как работает единый алгоритм образования информационных структур на каждом иерархическом уровне (ИУ) и какие ИС способны реализовывать и использовать каждый из четырёх описанных иерархических уровней информации.

Рис. 1. Схема иерархической структуры сенсорной информации

Итак, мы рассмотрели движение и функционирование информации от первичных баз данных, отображающих конкретные события окружающей реальности, к вербальным текстам и базам знаний, аккумулирующим наиболее общие законы и принципы существования действительности. При этом важно, что на всех наблюдаемых иерархических уровнях семантика информации поддерживалась тезаурусом ИС, базовая часть которого является врождённой, то есть закладывается в систему материнским организмом. В случае искусственных ИС таким материнским организмом является человеческий социум.

С точки зрения современной науки, в биологических ИС врождённые знания и программы поведения должны содержаться в кодовых последовательностях молекул ДНК. Но в настоящее время нет даже понимания того, как на основе информации, существующей в ДНК, решается проблема морфогенеза – проблема создания органов и форм многоклеточных организмов. И уж тем более не ясно, какой путь физических и химических преобразований символов и их значений проходят знания от уровня ДНК до своей представленности в нервной системе организма.

При этом, конечно, должен существовать и обратный процесс – знания и программы поведения, освоенные во время жизнедеятельности организма и необходимые для эволюционного прогресса, должны быть встроены и закреплены в геноме организма. А то, что в природе такие задачи в принципе решаемы, показывает стремительная эволюция искусственных ИС, не прибегающая к случайным мутациям и принципам естественного отбора.

Следует подчеркнуть, что в данном разделе мы рассмотрели иерархию только одного типа информации – информации, моделирующей внешнюю реальность на основе первичных сенсорных баз данных. Наблюдаемые проявления этого типа информации – данные, сообщения, сведения, знания – часто фигурируют в «определениях» информации, реальное содержание которых заключается только в том, чтобы обозначить явления, не сводимые к материальным процессам.

Но в информационных системах существуют и другие типы информации. Это генетическая информация, ответственная за существование и функционирование конкретных ИС, и управляющая информация, реализующая согласованное поведение отдельных частей и всей ИС в целом.

В следующем разделе мы рассмотрим эти типы информации более подробно.