Напечатать документ Послать нам письмо Сохранить документ Форумы сайта Вернуться к предыдущей
АКАДЕМИЯ ТРИНИТАРИЗМА На главную страницу
Институт Ноосферного Естествознания - Электронные публикации

Кобозев Н.И.
Исследование в области термодинамики
процессов информации и мышления.
Введение
Oб авторе

Содержание
Введение 3
Глава I.
Теория векторно-броуновских процессов и ее связь с термодинамикой информации и мышления
9
Равновесие векторно-броуновских элементов явления 10
Объем состояния и обобщенная энтропия явления 15
Изоэнергетичность процесса векторизации в Ψ-поле 19
Энтропия информации и энтропия поведения 20
Роль векторной и броуновской компонент явления 29
Изоморфизм векторно-броуновских процессов 31
Глава II.
Обобщение принципов термодинамики
36
Об обратимости термодинамических процессов 36
Векторное преобразование термодинамических функций 43
Векторное изображение термодинамических функций 45
Формы векторизации энергии 54
Глава III.
Термодинамика процесса информации
63
Общая термодинамика информации 66
Первая термодинамическая модель информации 70
Вторая термодинамическая модель информации 74
Типы информационных систем 76
Термодинамика не шенноновской информации и парадокс Гиббса 79
Глава IV.
Термодинамика процесса мышления на молекулярном уровне
85
Глава V.
Молекулярно-системные процессы и типы их отображения
105
Глава VI.
Термодинамика процесса мышления на молекулярно-системном уровне
116
Глава VII.
Полный термодинамический путь процесса информации и мышления
127
Постановка задачи 127
Термодинамический путь информации 136
Термодинамический путь мышления 138
Об интуиции 141
Характер работы мозга и сознания на постоянном термодинамическом уровне 142
Глава VIII.
Термодинамика символа
148
Глава IX.
Об алгоритмическом истолковании отрицательной энтропии (антиэнтропии)
160
Глава X (дополнительная)
О "физике мышления"
173
Заключение 185

Введение

После сформирования теории информации и кибернетики, т. е. около 20 лет тому назад, появилось много работ и книг, посвященных этой проблеме. В них был высказан ряд важных суждений, касающихся основного вопроса — о передаче автомату интеллектуальных функций человека. Амплитуда этих суждений весьма велика по характеру и мотивировке.

При этом нужно отчетливо разделять два русла. С одной стороны — математическая и техническая сторона теории информации и кибернетики, которая является высшей формой инженерной науки о построении автоматов. Эта область чужда крайним мнениям и держится в рамках существующих рациональных возможностей.

Наряду с этим возникла большая литература научного и научно-популярного характера, включая различные молодежные журналы, где проводятся далекие экстраполяции возможностей кибернетического синтеза «интеллектуальных машин». Ряд талантливых писателей посвятил этому свои научно-фантастические рассказы.

Можно понять психологическое сопротивление самой возможности передать машине высшие функции нашего интеллекта. Но развитие кибернетики пройдет мимо таких мотивов. Вопрос стоит иначе — какие принципы и в чем ограничивают моделирование человеческого разума и психики в целом?-

Задача о таком естественном ограничении со стороны фундаментальных законов природы, в первую очередь законов термодинамики, еще ждет своей постановки и разработки. Новые области науки обычно, и это понятно, не склонны себя ограничивать.

Вспомним, однако, что многие из основных законов природы носят именно ограничительный характер, и без них наука не имела бы необходимых ориентиров. Таковы оба закона термодинамики о невозможности построения перпетуум-мобиле 1-го и 2-го рода; все законы сохранения (энергии, материи, импульса, количества движения и т. п.); принцип неопределенности (невозможность одновременной фиксации импульса и координат частицы), принцип относительности (невозможность достижения материальным телом скорости света); принцип недостижимости абсолютного нуля (теорема Нернста — Планка); теоремы Геделя о неполноте (невозможность полной формализации содержательных математических систем) и т. п. Все эти ограничивающие законы не есть законы отрицательные, они просто предупреждают о том, чего заведомо не стоит добиваться, и этим оказывают огромное экономизирующее и вместе с тем направляющее влияние на нашу деятельность.

Этого пока не имеется в области моделирования функций человеческой психики. Видимо, в первую очередь этим и объясняется разнообразие мнений по вопросам такого моделирования 1. Некоторые авторы считают, что существуют лишь частные ограничения, другие — что нет никаких ограничений, третьи — что эти ограничения принципиальны и непреодолимы.

С появлением и развитием теории информации и кибернетики возможности моделирования биопсихических функций чрезвычайно расширились. Несомненно, здесь можно сделать многое. Но знать, в чем заключаются принципиальные ограничения, значит лучше понять путь к тому, что действительно возможно.

Центральной задачей этой работы является определение общего термодинамического условия для осуществления информационной и мыслительной деятельности мозга с помощью молекулярных и системных физико-химических механизмов.

Проведенный анализ показывает, что это условие не тривиально и ведет к необходимости ввести новый термодинамический параметр для возможности организованного мышления.

На фоне огромных успехов молекулярной биологии понятно стремление некоторых авторов (Полинга, Эшби и др.) искать объяснения процесса мышления целиком на основе молекулярных механизмов. Вопрос, где кончаются возможности такого молекулярного моделирования и возникает необходимость введения нового параметра, представляется важным во всех отношениях и заслуживает всестороннего анализа.

В основе научного анализа достаточно широкого плана всегда лежат те или иные фундаментальные законы природы. В основу этой монографии положены два таких закона.

1. Закон энтропии для всех физико-химических систем, т. е. молекулярных множеств любого уровня:

2. Закон тождества для мышления:

Информация лежит между этими двумя законами: как физический «сигнал», она примыкает к закону энтропии, т. е. к исчислению вероятностей; как точно кодируемое «сообщение», она подчиняется закону тождества.

Закон энтропии утверждает, что всякому молекулярному множеству присуща положительная энтропия, т. е. некоторая неопределенность состояния (так как условие недостижимо), и хотя существуют множества с очень малой энтропией (например, вырожденный электронный газ), но безэнтропийные множества неизвестны и не допускаются статистикой. А так как статистика распространяется на весь мир вещей, то второе начало термодинамики в обобщенной статистической форме является здесь высшим арбитром.

За свою столетнюю жизнь понятие энтропии существенно изменилось и, главное, обобщилось. Если в исходной форме, данной Клаузиусом, энтропия имела «тепловой» (точнее теплоемкостный)

характер и выражалась интегралом , то в трудах Больцмана она уже получила вероятностное истолкование, причем Я-функция Больцмана, имеющая обратный знак с энтропией, вообще не имеет размерности. Это примечательно в том отношении, что, следовательно, понятие энтропии не обязательно связано именно с тепловым хаосом и может быть естественно обобщено на любую неупорядоченность элементов. Привычный для нас вид энтропии придал ей Планк, введя константу Больцмана k, которая сообщила энтропии размерность Сам Больцман никогда не писал этого уравнения, хотя оно и начертано на его надгробной плите.

Введение Гиббсом понятия о многомерном фазовом пространстве дало энтропии новую форму и соответственно новый смысл, совместимый, но не вполне совпадающий с прежними двумя.

Сейчас энтропия — это обязательный элемент соответствующих учебных курсов, и научная мысль лишь ищет пути ее вычисления и обобщения. Но для тех, кто читал научные мемуары М. Планка, должно быть ясно, как нелегко понятие энтропии внедрялось в науку, которая еще в конце прошлого века имела своим идеалом чисто механическое понимание природы. Сейчас сложилось четвертое, еще более общее представление об энтропии как о мере неупорядоченности и неопределенности состояния любой системы, которое тоже встречает свои трудности. При этом энтропия уже окончательно утратила свою размерность. Было бы трудно отыскать автора такого определения. В качестве одного из источников этого представления нужно указать на классические работы Шеннона (1948 г.) по теории информации, где используется обобщенная энтропия.

Одновременно и независимо (1948 г.) мною была развита теория векторно-броуновских процессов и применена к кинематике живых организмов, где также использовалась безразмерная обобщенная энтропия, составляющая неустранимую компоненту их поведения.

Таким образом, сейчас можно говорить по меньшей мере о четырех формах энтропии. Во-первых, об энтропии молекулярного множества; во-вторых, об энтропии или неопределенности состоя-

чия любой не вполне упорядоченной системы вплоть до макроскопических множеств; в-третьих, об энтропии или неопределенности информации, т. е. сведений о некоторой системе; в-четвертых, об энтропии или неопределенности поведения системы, включая сюда живые организмы и их функции.

Фактор энтропии обнаруживает такую всеобщность, что, если, например, конструктор оперирует с макроэлементами своей модели, биолог с живыми организмами, нейрофизиолог с нейронными сетями, им неизбежно приходится считаться с наличием энтропии в виде хаотических, шумовых и неупорядоченных факторов в самих элементах, в их взаимодействии и поведении. Ни одна молекулярная система не изъята из ведения второго начала термодинамики, взятого в его обобщенной форме. Какое бы дискретное множество мы ни брали, в нем всегда существуют черты порядка и хаоса, определенности и неопределенности, а следовательно, и энтропии.

Греческая философия уже около 2,5 тыс. лет тому назад ввела в свою систему понятие хаоса и порядка (Гезиод, Анаксимен, Фа-лес, ионийская школа), но с течением времени и с доминированием логики Аристотеля в средних веках эти понятия в форме естественного симбиоза практически ушли из мышления. Им не нашлось места и в науке вплоть до середины XIX в. Высшей формой научного метода долгое время считалась ньютоновская механика, а для нее понятие порядка уже предполагалось заранее как основа самой возможности научного анализа: беспорядок являлся побочным, неинтересным осложнением или артефактом. Само понятие вероятности появилось в науке только в XVII в. в трудах Паскаля, Ферма, Гюйгенса и долго заслонялось господствующей ролью механики с ее ньютоновским детерминизмом.

Но такие явления, как броуновское движение и флюктуации, которые принципиально неустранимы даже для макрообъектов и макронаблюдений, как, например, броуновское колебание нитей в гальванометрах или флюктуация слабых электрических токов в сетях, связанные с корпускулярной природой вещества и электричества — эти явления, открытые во второй половине XIX в. и в начале XX в., показали, что мы живем в мире не только молекулярной неупорядоченности, но и в мире макронеупорядоченности и должны принять обобщенную энтропию в качестве универсального параметра.

В связи с этим первые две главы монографии посвящены проблеме хаоса и порядка, теории векторно-броуновских процессов и обобщению понятия энтропии и свободной энергии.

Второй фундаментальный закон — закон тождества — является основным законом логики и необходимым условием упорядоченного мышления. Он был сформулирован Аристотелем примерно за 350 лет до нашей эры. Не следует, однако, думать, что закон этот, кажущийся теперь самоочевидным, дался человеку легко. Сейчас дети 7—8 лет идут в школу с уже готовым законом тождества в голове, так как их мышление воспитывается на этом законе. Но даже для современных первобытных людей он совсем не имеет обязательной силы, так как само понятие тождества чуждо первобытному мышлению. Многочисленные примеры этого собраны в антропологической литературе в виде отождествления предмета и его изображения, человека и его тени и проч.

Со времени Аристотеля закон тождества дополнился диалектическим содержанием, но в формально-логическом смысле он остался неизменным и в таком виде перешел в математику и во все математизированные области знания. В такой форме он используется и в этой работе.

Главной проблемой в термодинамике мышления является несовместимость закона энтропии для молекулярных множеств, в том числе для молекулярного аппарата мозга, и закона тождества для мышления. Вывод: молекулярное множество не способно к функции мышления. Эта антиномия, на которую до сих пор не обращали внимания, практически снимается операционной логической деятельностью сознания и, следовательно, требует фактора, способного компенсировать энтропию молекулярного аппарата мозга.

Это направляет мысль в сторону идеи Шредингера об отрицательной энтропии, использованной здесь, как увидим, в видоизмененной форме, принципиально отличной от негэнтропии Бриллюэна. Этому вопросу уделено значительное место в монографии.

Наряду с общей теорией информации в основу монографии положены теоретические работы автора за последнее десятилетие, посвященные вопросам, лежащим на границе термодинамики, биофизики, физико-химического моделирования процессов информации и мышления. Сюда относятся работы по проблеме обратимости в термодинамике, по упорядоченности и неупорядоченности энергии, по роли энтропии в кинетике размножения, по векторно-броунов-ским процессам, цикл статей по термодинамике процесса информации и мышления.

Мозг как таковой, как нейрофизиологическая система, в монографии почти не затрагивается, частично только в последней главе и в некоторых примечаниях. Однако термодинамический анализ информационно-мыслительного процесса настойчиво наводит на мысль, что рассматривать мозг только как биохимическую, клеточную и нейрофизиологическую систему недостаточно для объяснения фундаментальных свойств сознания — способности ставить задачи, однозначно их решать, создавать символику этих решений, кодировать информацию — словом, мыслить и обеспечивать информационно-мыслительный обмен между людьми. Для всех этих функций необходима столь низкая энтропия, а иногда даже полная безэнтро-пийность механизмов мозга, которую не может обеспечить биохимический материал мозга и нейронная сеть, построенная из этого материала. Для этого нужны особые частицы с очень малой массой и источник отрицательной энтропии для полного упорядочивания некоторых видов мыслительной продукции — логических выводов, однозначной символической записи и т. п.

Постановка этого вопроса и поиски путей его решения составляют одну из задач этой работы. Не приходится говорить, что труд по этой теме сталкивает исследователя с рядом неустоявшихся дискуссионных вопросов и требует абстрагирования от многих частных особенностей информаиионно-мыслительской деятельности сознания.

Но «от живого созерцания к абстрактному мышлению и от него — к практике...» 2 таков естественный путь исследования.

Автор выражает благодарность своим товарищам по кафедре физической химии МГУ и другим ученым, проявившим интерес к этим работам и поддержавшим в авторе намерение написать эту монографию, а также сотруднице лаборатории катализа и газовой электрохимии 3. А. Терентьевой за активную помощь в подготовке работы к печати.

Издательство Московского Университета
1971

  •  1)  Довольно полно эти различные взгляды отражены в сборнике статей «Кибернетика ожидаемая и кибернетика неожиданная» (М., «Наука», 1968), где освещена также точка зрения автора монографии на процесс мышления (статья А. Мицкевича «Термодинамика информация, мышление»). Подробней эта точка зрения изложена в книге А. А. Братко «Моделирование психики» (М., «Наука>, Ш69). О предмете и методе кибернетики см. статью А. А. Ляпунова и С. В. Яблонского в сб. «Кибернетика, мышление, жизнь». М., «Мысль», 1964.
  •  2) В. И. Лениин. Поли. собр. соч., т. 29, стр. 152—153.

Кобозев Н.И. Исследование в области термодинамики процессов информации и мышления. Введение // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.12378, 24.08.2005

[Обсуждение на форуме «Наука»]

В начало документа

© Академия Тринитаризма
info@trinitas.ru