Элементарная структура сложных систем: вещество, энергия, информация.

Элементарная структура сложных систем: вещество, энергия, информация.

В соответствии с представлениями общей теории систем и кибернетики любая сложная система может быть представлена в виде совокупности минимум трех составных элементов (частей), принципиально отличающихся друг от друга: вещественного, энергетического и информационного. Все эти элементы связаны друг с другом.

Вещественный план - материальная структура как низший уровень системы, носитель энергии и информации или "косная" часть системы. Физическую материю условно принято подразделять на поле и вещество. Под веществом понимают частицы и тела, имеющие массу покоя. Поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией и импульсом. Вещество и поле тесно взаимосвязаны друг с другом. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет заполнено полями, а на долю собственно частиц приходится ничтожно малая часть общего объема системы. То есть поля входят в структуру вещества. С другой стороны, квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. Совокупность взаимодействий частей системы отражается в понятии силового поля воздействий. Количественно этот аспект может быть учтен как энергия взаимодействий или энергия поля.
Энергетический план (энергетический уровень) - совокупность взаимосвязей частей системы и управления ею, носитель информации, реализуется через поле электромагнитной или иной природы.
Энергия, являясь мерой взаимодействия, имеет следующие виды: внутренняя и внешняя, свободная и связанная. В природе действует закон сохранения и преобразования энергии. Существует эквивалентность массы и энергии, утверждаемая соотношением E = mc2 . Например, уменьшение массы на 1 миллиграмм сопровождается выделением энергии при сжигании 2,5 тонн нефти. Внутренняя энергия связи имеет различные значения в зависимости от характера сил, объединяющих тела в системы. С переходом от космических систем к макроскопическим телам, молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные, более значимые, чем первые. В атомных ядрах действует еще более сильные ядерные силы. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы. При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей возрастает до величин сопоставимых с их собственной энергией. В принципе нет различия между уменьшением массы на долю 10в степени -9 при химических реакциях, на один процент при синтезе ядер из нуклонов и на 95% при соединении кварков в протоны.
Информационный план, выполняет функцию управления системой через энергетический уровень.
Информация (от лат. informatio - ознакомление, разъяснение) как мера организованности системы противоположна понятию энтропии как меры неорганизованности; обозначение содержания, полученного от внешнего мира в процессе приспособления к нему; отрицание энтропии; коммуникация и связь, в процессе которой устраняется неопределенность; передача разнообразия (Эшби); оригинальность, новизна; мера сложности структур ; вероятность выбора (Яглом).
Информационный уровень выполняет функцию управления системой, т. е. формирования управляющих сигналов, которые посредством энергетического плана воздействуют на вещественный, с другой стороны изменения вещественного плана через энергетический отражаются на информационном.
Эти два фундаментальных уровня (информационный и энергетический) относительно обособлены друг от друга. Количество информации не зависит от количества энергии, которая используется для передачи сигнала, а только от информационных свойств энергетического поля.
С передачей и обработкой информации связаны действия любой сложной системы: живого существа, творческой деятельности человека, общества. Существует закон Шеннона, утверждающий, что количество информации (изменяющееся от одной системы к другой и от одного канала к другому), которое может передаваться и приобретаться, всегда ограниченно известным пределом, пропорциональным прошедшему промежутку времени DI <=kDt. Время и информация связаны этим соотношением (жить значит увеличивать информацию.

Энергоинформационный обмен во Вселенной.

Закономерно возникает вопрос об источнике энергии во Вселенной. Возможно центром энергоснабжения является Метагалактика, питающая галактики, а те обеспечивают энергией звезды и планеты. Светимость плотного ядра галактик с активными ядрами доходит до 10в степени39-10в степени40 Вт, что в десятки тысяч раз больше светимости самих галактик, причем эта энергия исходит из областей с размером 10в степени14-10в степени16 м, что в десятки и сотни тысяч раз меньше размера галактик. Светимость всех звезд нашей Галактики составляет 3*10в степени37 Вт, что приблизительно в 100 млрд. раз больше светимости Солнца (4*10в степени26 Вт).

"Откуда берется энергия звезд? Во-первых, в результате реакций ядерного синтеза. Но не только. Многие явления лишь с натяжкой объясняются теорией термоядерного происхождения звездной энергии, другие и вовсе не входят в ее рамки. Но вот другие механизмы происхождения энергии пока не очень ясны." (В.А.Амбурцамян).

Нисходя по иерархии галактических структур энергия излучения понижается по частоте (как бы ретранслируясь и детектируясь). Вращение центра Галактик (черной дыры) увлекают за собой и Солнечную систему. Каждому излучению соответствует своя частота, следовательно, "цвет" точнее энергоцвет. В итоге Космос является "цветным".

Физические поля, связывающие элементы систем в целое, являются переносчиками информации. Их изменения, несущие сообщения, воспринимаются подсистемами в виде сигналов. Высококачественная энергия поля (электрическая, световая, механическая, химическая) в результате считывания информации превращается в низкокачественную тепловую, в хаотическое колебание молекул среды. Одновременно в системе происходят два процесса: введение информации, повышающей негэнтронию системы, и превращение различных видов энергии в тепловую, означающее повышение энтропии.

Взаимодействия между тремя уровнями: вещественным, энергетическим и информационным могут существовать по вертикали снизу вверх - эволютивный путь, отражающий получение и обработку информации, а сверху вниз - инволютивный путь реализации идей через влияние на энергетический уровень закономерностей влияний. Задачи для каждого пути различны. Человеку приписывают в плане Вселенной эволютивную функцию.

Важно отметить, что каждый уровень может быть описан и может, соответственно, рассматриваться и функционировать самостоятельно, с другой стороны, это три аспекта, взгляда, на рассмотрение единой целостной системы.

Приведем пример, наглядно демонстрирующий, как может быть определено количество информации.



Информация может иметь дискретную или аналоговую форму. При передаче или запоминании сигнала в дискретной форме передаваемый сигнал должен быть предварительно разбит на равные простейшие части, например, единицы измерения (грамм, миллиметр и т.д.) и сигнал передается или запоминается в виде количества этих элементарных сигналов. Процесс разбивки сигнала на элементарные сигналы называется квантованием, а сам элементарный сигнал - шагом квантования. Чем меньше шаг квантования, тем с большей точностью можно передать сигнал. Но при передаче дискретного сигнала он всегда передается с некоторой ошибкой, она называется шумом квантования и обычно не превышает половины шага квантования.

Количество информации определяет подобие исследуемых объектов, ведь чем больше этот объем, тем больше будет подобие. это иллюстрируется рис. . В рамке помещено контурное изображение круга. Чтобы его передать, а затем воспроизвести, предварительно рамка должна быть проквантована по горизонтали и вертикали, т. е. на рисунок должна быть наложена сетка, состоящая из квадратов, равных шагу квантования.

На рис. 1 показаны три варианта такой сетки с шагом квантования 4 мм, 2 мм и 1 мм, и рамка соответственно разбита на 156, 650 и 2500 клеток, и каждая клетка может рассматриваться как бит информации. Из рисунка следует, что чем меньше шаг квантования, тем больше квадратов можно разместить на той же площади и тем точнее копируется рисунок. В нашем случае изображение черно-белое, однотонное, поэтому каждая клетка эквивалентна одному биту информации, если же изображение дополнить оттенками и цветом, то объем информации значительно увеличится. Для сопоставления укажем, что информационная возможность современного цветного телевизора без звукового сопровождения составляет около 10 миллиардов бит в секунду или 10 в 10 степени вне зависимости от размера экрана. Правда мы воспринимаем не всю эту информацию, а только ее небольшую часть (5-10%).

При оценке различных биологических процессов необходимо задаться некоторым исходным шагом квантования, т. е. тем пределом, который определяет качественное состояние материи, В качестве такого шага, элементарной единицы для биологических систем, следует принять атом, т. е. такую элементарную частицу, которая остается неизменной как в живой так и в неживой материи. Атомы углерода одинаковы как в человеческом организме, так и в куске графита. То же самое можно сказать о всех элементах таблицы Менделеева, которые формируют живую и неживую материю.