Η επιστημονική ανάλυση της Πληροφορίας

Στα μαθηματικά αντιλαμβανόμαστε την Πληροφορία σαν μια αλληλουχία συμβόλων που αποτυπώνουν ή μεταδίδουν κάποιο μήνυμα.









Η πληροφορία είναι απαραίτητη για την ίδια τη ζωή. Το DNA περιέχει την πληροφορία που οργανώνει την ύλη σε οργανισμούς και μετατρέπει τις ανόργανες ενώσεις σε οργανικές και κατ' επέκταση σε οργανική ύλη. Ουσιαστικά αποτελεί το μέτρο της τάξης και της οργάνωσης της ζωής

Η φυσική σχετίζει την πληροφορία με τις σημαντικές έννοιες της εντροπίας και της ενέργειας. Η πληροφορία ορίζεται ως η αντίστροφη έννοια της εντροπίας, του μέτρου δηλαδή της αταξίας. Η αύξηση της πληροφορίας συνεπάγεται αύξηση της οργάνωσης (ή ελάττωση της αταξίας), ενώ όταν καταστρέφεται πληροφορία, αυξάνεται η εντροπία του συστήματος και παράγεται θερμότητα.

Ένα διάσημο πείραμα που εξερευνά τη σχέση αυτή είναι ο δαίμονας του Μάξγουελ. Εκεί φαίνεται πως η πληροφορία σχετίζεται άμεσα με την εντροπία και οι διακυμάνσεις της συνοδεύονται πάντα από μεταβολή της ενέργειας. Ως εφαρμογή στις λογικές πύλες, μια λογική πύλη «AND» ελευθερώνει περισσότερη θερμική ενέργεια σε σχέση με μια πύλη «NOT», μετά από μία πράξη, καθώς στην πύλη AND έχουμε καταστροφή πληροφορίας ενώ στην NOT η πληροφορία απλά μετασχηματίζεται.

 

Πληροφορία και αυτοοργάνωση

Η αυτοοργάνωση είναι ένας αντιεντροπικός μηχανισμός ο οποίος υπό κατάλληλες συνθήκες προκύπτει αυθόρμητα λόγω των φυσικών νόμων. Προκαλεί την εμφάνιση αυτοοργανούμενων συστημάτων τα οποία εισάγουν στο εσωτερικό τους ενέργεια, τη μετασχηματίζουν και εξάγουν στο περιβάλλον τους εντροπία, συνήθως υπό μορφή θερμότητας, παράλληλα διατηρώντας μία περίπλοκη εσωτερική δομή.
Έτσι με την αυτοοργάνωση ένα σύστημα παράγει πληροφορία που περιγράφει τον εαυτό του. Προκειμένου να μην αντιβαίνει το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, η αυτοοργάνωση είναι αυστηρά τοπικό και χρονικά περιορισμένο φαινόμενο, ενώ συνοδεύεται από αύξηση της εντροπίας στο περιβάλλον του συστήματος.

 

Πληροφορία και δεδομένα

Η πληροφορία είναι το μέγεθος που, αυξανόμενο, προσδίδει σημασία στα δεδομένα και παράγει γνώση. Η έννοια της πληροφορίας ορίζεται συχνά σε σχέση με την έννοια των δεδομένων. Οι δύο έννοιες πολλές φορές συγχέονται ακριβώς γιατί αποκτώντας τα δεδομένα σημασία μεταπίπτουν σε πληροφορία.
Τα δεδομένα δεν είναι πληροφορία, όταν δεν έχουν λάβει από τη νόηση συγκεκριμένη σημασία, ενώ η πληροφορία είναι δεδομένα με σημασία, δεδομένα που έχουν «ουσιαστικό» περιεχόμενο. Η μετάβαση από τα δεδομένα στην πληροφορία μπορεί να αφορά την επίλυση κάποιου συγκεκριμένου ζητήματος, την απάντηση κάποιου συγκεκριμένου ερωτήματος και γενικότερα παραπέμπει σε καινούριο στοιχείο γνώσης για κάτι. Σε απλοποιημένη ή σχηματική μορφή έχουμε:  

Δεδομένα + Σημασία = Πληροφορία.

 

Πληροφορία και Πληροφορική

Στην Πληροφορική η πληροφορία σηματοδοτείται από την ποιοτική αξία του bit (0 ή 1). Η πρωταρχική νοηματική αξία για έναν ψηφιακό Η/Υ είναι η διαφοροποίηση του 0 από το 1. Οι συνδυασμοί από σειρές των 0 και 1 παράγουν μεγαλύτερες νοηματικές αξίες τις οποίες μπορεί και διαχειρίζεται ο υπολογιστής, σύμφωνα με τον προγραμματισμό του από τον άνθρωπο. Ο υπολογιστής με τον τρόπο αυτό λέμε πως «επεξεργάζεται δεδομένα» και «παράγει πληροφορία». Ο άνθρωπος έπειτα προσδίδει νόημα στα επεξεργασμένα δεδομένα μετατρέποντας την πληροφορία σε γνώση.

 

Πληροφορία και Κβαντομηχανική

Η πληροφορία δεν είναι καθαρά μαθηματική υπόθεση. Πάντα έχει και ένα φυσικό περιεχόμενο. Στη παραδοσιακή επιστήμη της πληροφορίας, το φυσικό περιεχόμενο ακολουθεί την κλασσική μη κβαντική φυσική. Η επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας βάζει την πληροφορία σε κβαντική αντιμετώπιση. Η βασική πηγή της κλασσικής πληροφορίας είναι το μπιτ, το οποίο είναι πάντα είτε 0 είτε 1. Η κβαντική πληροφορία έρχεται πάντα σε κβαντικά μπιτς ή qubits. Τα qubits μπορούν να υπάρχουν σε υπερθέσεις που περιέχουν συγχρόνως το 0 και το 1

Ένα bit μπορεί να έχει μόνο μια εκ των δύο τιμών: 0 ή 1. Μπορεί δε να παριστάνεται αφηρημένα από ένα βέλος που κοιτάζει επάνω ή κάτω ή να αντιπροσωπεύεται από ένα διακόπτη τρανζίστορ που μπορεί να είναι ανοικτός ή κλειστός.

Ένα qubit έχει πολλές περισσότερες καταστάσεις. Οι καταστάσεις μπορούν να παρασταθούν με ένα βέλος που δείχνει προς μια τοποθεσία επί της σφαίρας. Ο Βόρειος πόλος ισοδυναμεί με την κατάσταση 1, ο Νότιος πόλος με το 0. Οι άλλες τοποθεσίες είναι κβαντικές υπερθέσεις του 0 και του 1.

Ένα qubit μπορεί να φαίνεται ότι περιέχει άπειρο ποσό πληροφορίας γιατί οι συντεταγμένες του μπορούν να κωδικοποιήσουν μια άπειρη ακολουθία ψηφίων. Αλλά η πληροφορία από ένα qubit πρέπει να εξαχθεί με κάποια μέτρηση. Όταν το qubit μετρηθεί, η κβαντομηχανική απαιτεί ότι το αποτέλεσμα θα είναι πάντα ένα συνηθισμένο 0 ή 1. Η πιθανότητα για κάθε αποτέλεσμα από τα δύο εξαρτάται από το «γεωγραφικό πλάτος» του qubit πάνω στη σφαίρα αναπαράστασης.

 

Πληροφορία και αβεβαιότητα

Η εντροπία στη θεωρία πληροφορίας είναι το «μέτρο αβεβαιότητας» που διακατέχει ένα σύστημα. Ο όρος εντροπία χρησιμοποιήθηκε αρχικά στη θερμοδυναμική. Στη θεωρία πληροφορίας εισήχθη από τον Κλωντ Σάνον το 1948 και γι' αυτό ονομάζεται και εντροπία του Σάνον. Η χρήση του ίδιου όρου με τη θερμοδυναμική εντροπία, παρότι μπορεί να προκαλέσει σύγχυση, υιοθετήθηκε από τον Σάνον μετά και από παρότρυνση ενός άλλου σπουδαίου μαθηματικού, του Τζον φον Νόιμαν, ο οποίος φέρεται ότι είχε πει στον Σάνον:

 

«Πρέπει να το ονομάσεις εντροπία για δύο λόγους: Πρώτον, η συνάρτηση αυτή χρησιμοποιείται ήδη στη θερμοδυναμική με το ίδιο όνομα. Δεύτερο, και σημαντικότερο, ο περισσότερος κόσμος δεν γνωρίζει τι πραγματικά είναι η εντροπία, και αν χρησιμοποιείς τον όρο εντροπία σε μια λογομαχία θα κερδίζεις πάντα...»

                                                                                                              John von Neumann