Текст книги "Репортаж с ничейной земли. Рассказы об информации"

Автор книги: Е. Седов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 15 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

Седов Е.А.

Репортаж с ничейной земли

Рассказы об информации

Как измерить количество новостей, принятых по телеграфу? В каком виде передаются «записи» о наследственных признаках? Как возникает в природе живая материя? Как рождается мысль?

Чтобы найти ответы на эти вопросы, читатель должен пройти вместе с автором и героями киигн по улицам условного Нового Города и по просторам Ничейной земли. Эта книга поможет ему понять, почему методы, рожденные техникой связи, нашли применение в биологии и психологии и как удалось измерить одними и теми же единицами информацию в клетке, в кристалле н на страницах газет.

Обсуждаются также проблемы, которые еще предстоит решить современной науке с помощью теории информации.

Автор не обходит молчанием спорные вопросы. Читатель примет участие в горячих дискуссиях, познакомится с разными точками зрения и вооружится новыми знаниями, помогающими глубже понять окружающий нас материальный мир.

КАК ОТКРЫЛИ НИЧЕЙНУЮ ЗЕМЛЮ (Вместо предисловия)

Новая территория была завоевана для науки с появлением в недавнее время теории информации. Это открытие создало новую область, немедленно привлекшую разведчиков и исследователей... Как это случилось? Как далеко это идет? Означает ли это вторжение науки на территорию, принадлежавшую по традициям философии, или это есть открытие новой страны, своего рода «ничейной земли»?

Так начинает свою книгу «Наука и теория информации» известный физик Леон Бриллюэн. Откройте ее на любой странице, и вы увидите цифры и уравнения, таблицы и графики – в общем то же, что в сотнях других специальных книг. И не каждый способен в этих графиках и уравнениях уловить очертания Ничейной земли.

Бриллюэн говорит про Ничейную землю, а я вспоминаю любимые книги детства. Всплывают в памяти их герои, вымышленные и реальные: суровый Немо, предприимчивый Крузо, мужественный Амундсен, благородный Миклухо-Маклай. Это они исследовали новые земли. А мы во всем старались им подражать. Покоренные их отвагой, мы увлекались романтикой их приключений и не слишком охотно замечали трудности, через которые им приходилось пройти. Кто из нас не был в детстве уверен, что вырастет таким же сильным и смелым и тоже пройдет по нехоженым тропам, познавая повадки диких животных и изучая обычаи неизвестных племен?

Но вот мы становимся старше, и мир детских фантазий уступает место миру реальному. Мы с удивлением замечаем, что на нашей планете, испещренной сетью дорог, наземных и водных, подземных, подводных, воздушных и даже космических, уже не осталось нехоженых троп. Разве что безжизненные вершины, вселяющие в оптимистов веру в «снежного человека», да неизведанные глубины океана, где, по рассказам некоторых мореплавателей, будто бы (и опять только будто бы!) скрываются чудовища, сохранившие облик прошлых времен.

О какой же Ничейной земле вспомнил вдруг Леон Бриллюэн?

Достаточно взглянуть на название его книги, чтобы понять, что речь в ней идет о теории информации и о том, что дала эта молодая теория современной науке. А тому, кто внимательно изучит эту книгу, станет ясно, о какой Ничейной земле говорит ее автор. Появление теории информации открыло науке новые перспективы, указало ей новые цели и неизведанные пути.

«Как это случилось? Как далеко это идет?» До последнего времени в слово «информация» никто не пытался вкладывать строгий научный смысл.

Приобретение знаний; факты, новости, сведения, полученные путем наблюдения, – так определяли понятие «информация» авторы энциклопедий и словарей. Определение казалось исчерпывающим и логичным до тех пор, пока не нашлись исследователи, пожелавшие измерить количество новостей, сведений, знаний (!) с помощью новых, невиданных единиц. Единицы не были досужим домыслом кабинетных ученых. Сама жизнь, клокочущая потоком новостей и фактов, поставила перед наукой этот вопрос.

Наш век – век стремительного движения, и мы уже давно перестали удивляться тому, что весть о важном событии с быстротой молнии облетает весь земной шар. Получение информации с любых расстояний стало делом будничным и привычным. Имея приемник и передатчик, вы легко наладите связь с любым уголком земли.

Но вот в последние годы появились удивительные машины. Они могут получать информацию путем самостоятельных «наблюдений», хранить ее в своей «памяти», обрабатывать различные сведения и передавать их друг другу.

На страницах научных журналов стали обсуждаться поистине фантастические факты. Оказалось, что маленькая половая клетка несет в себе такое количество информации, которое нельзя уместить в сотнях огромных книг.

Странные сопоставления! Половая клетка – и книга. Что между ними общего? Казалось бы, ничего. А в сущности, они выполняют одну и ту же задачу: сохраняют информацию и передают ее следующим поколениям.

Не так-то легко привыкать к новым понятиям и новым взглядам. Книга доносит нам мысли и чувства автора. А какую информацию содержит в себе половая клетка? Может быть, мы просто называем одним и тем же словом совершенно разные вещи?

Нет, не разные. В любых явлениях информация имеет одни и те же неизменные свойства и может быть измерена с помощью одних и тех же единиц.

Кто же она, эта таинственная незнакомка? До нее все в мире было в общем понятно: мы знали, что в нем происходит много материальных явлений, но в конечном счете все они зависят от разных видов энергии и от различных веществ. И вдруг какая-то информация, понятие новое и непривычное: она существует вместе с веществом и энергией, но сама не энергия и не вещество. Так что же это такое?

Помните сказку о волшебном колечке? Катится оно по дорожке от леса к речке, через мостик и все дальше и дальше, туда, где за широкими морями, за дремучими лесами стоит высокий дворец, а в нем – хрустальный ларец, а в ларце – волшебный ключ. Нечто похожее происходит и с информацией. Отыскала наука «волшебное колечко», и покатилось оно по миру: от телеграфных текстов – к электронным машинам, от техники – к биологии, психологии, языкознанию, и вот уже слышатся голоса отважных, которые, следуя за колечком, впервые достигли Ничейной земли. И они принесли оттуда удивительнейшие вести: информация есть не только в книге, в машине и в клетке. Она есть и в кристалле, и в газе, и в молекуле, и в электроне – всюду, где в физические процессы вмешивается таинственная «сила» со странным именем «энтропия».

Все, как рассказано в старой сказке: шла, шла наука вслед за колечком и отыскала золотой ключик. Но дальше вышло уже не по сказке: там ключом отпирался ларец с кощеевой смертью, а здесь вдруг открылся путь к самому что ни на есть живому – оказалось, что без информации не мог бы родиться и жить на свете ни один живой организм.

Этим ключом наука теперь отпирает двери к сокровеннейшим тайнам природы. Она познает тайну жизни, разгадку которой тщетно искал человеческий разум в течение сотен и тысяч лет.

– Ну, кто там отважный? – зовет наука. – Кто рискнет побывать на Вершинах Знаний, переплыть через Море Вопросов, пробраться сквозь Дебри Противоречий и погрузиться в Глубины Неразгаданных Тайн?

И один за другим отправляются в путь отважные Магелланы, чтобы вновь посетить Ничейную землю и ценой огромных усилий найти новый ответ на новый вопрос.

А теперь ответь мне прямо, читатель: хочешь ли ты вслед за ними совершить этот путь? Но прежде всего учти, что на этом пути мы с тобой встретим не меньше трудностей, чем встречали их Колумб и Амундсен, Пржевальский и Миклухо-Маклай. Едва лишь вступим мы на Ничейную землю, как нас плотным кольцом окружат сомнения и вопросы, и нам придется усвоить множество новых понятий, прежде чем сделать хотя бы несколько первых шагов. И чем больше ответов, тем больше новых вопросов: тот, кто однажды вступил на Ничейную землю, навсегда теряет покой.

Подумай как следует, ведь остались считанные секунды: перевернется страница, и мы вступим на таинственный берег Ничейной земли.

Часть первая. В МИРЕ НОВЫХ ИДЕЙ

ГЛАВА 1. СООБЩЕНИЯ В УПАКОВКЕ

Начало пути

«Мы высадились на берег. Вокруг нас насколько хватает глаз простирается безжизненная пустыня. Сердце сжимается тоской и болью при виде редкой растительности, разбросанной среди нагроможденных скал».

Возможно, так или приблизительно так записал бы в дневник свои первые впечатления рожденный неистощимой фантазией Жюля Верна исследователь таинственных островов. А мы с вами не можем записать даже этого. Правда, мы тоже причалили к незнакомому берегу, но мы пока не имеем ни малейшего представления, как выглядит Ничейная земля. Ну что ж, будем считать, что наш воображаемый корабль пришел на Ничейную землю поздней ночью, когда, говоря словами тех же героев Жюля Верна, «кругом не видно ни зги». И вот мы стоим на этой земле, и кромешная тьма неведения мешает нам принять решение, с чего начать нелегкий путь. Шутка ли сказать – исследовать Ничейную землю! Ведь здесь даже опытные ученые не всегда находят пути. Правда, в руках у нас волшебное колечко, именуемое «информацией». Так давайте же бросим его на землю. Пусть катится, куда хочет, а мы пойдем следом за ним.

Информация... Кто впервые произнес это емкое слово? Ученый? Инженер? Нет. Оно вошло в науку и технику из обихода. Ведь раньше, чем оно появилось на страницах научных журналов, его можно было встретить в служебных отчетах, в художественных романах, на страницах газет.

Но было же и такое время, когда в человеческом языке вообше отсутствовало это слово. Значит, люди обходились без информации? Отнюдь нет. Они использовали информацию даже в те далекие эпохи, когда вообще не было слов.

Если у нашего древнего предка возникала необходимость предупредить своих соплеменников о приближении опасности, он использовал то «средство информации», которое было ему доступно, – пронзительный крик. Различными оттенками голоса ему удавалось разнообразить информацию, передать всевозможные чувства: боль или радость, гнев или страх.

Сложные понятия, возникавшие в процессе совместного труда первобытных людей, требовали более совершенных способов обмена информацией: на базе осознанных движений родился язык жестов, из ограниченного числа бессвязных звуков выросла членораздельная речь. С появлением письменности и системы счета был сделан решительный шаг в развитии духовной культуры и научной мысли человечества: люди приобрели универсальное средство, пригодное для накопления и обмена информацией о любых явлениях и процессах.

Вместе с тем совершенствовались и способы передачи информации – от быстроногих гонцов и сторожевых постов, подававших сигналы и огнем и дымом, до новейших средств телевидения, радиовещания и космических телеметрических систем. И чем больше развивалась техника, тем шире и многообразнее становился круг вопросов, связанных с передачей различных сообщений. С изучения этих вопросов мы, пожалуй, и начнем наш путь.

Правда, читатель вправе выразить недовольство. Ведь мы собирались исследовать Ничейную землю. И началось, казалось бы, все как положено: был корабль, был пустынный берег. Все как на острове Робинзона. И вдруг – радио, телевидение... Разве для того, чтобы рассказать об этом, нужно было плыть на край света, к берегам Ничейной земли? Может быть, мы попали сюда по ошибке?

Если будущему историку попадется в руки дневник нашего путешествия, он узнает, что сомнения и тревоги родились уже с первых шагов. Вот что прочтет он на первой странице: «Наступило утро, и земля, которая представлялась ночью пустынной и дикой, оказалась давно заселенной людьми. Куда же забросило нас провидение? Бриллюэн говорил про Ничейную землю, а здесь – здания, площади и проспекты. И названия их совсем не похожи на те, что встречаются в дневниках путешествий. Здесь нет мыса Надежды или бухты Печали, зато есть проспект Кибернетики, улица Необычных Понятий, площадь Новых Идей. Уж не зря ли мы доверились автору? Может быть, наш корабль уже давно сбился с курса, и мы никогда не достигнем Ничейной земли?»

С вашего разрешения, я отложу пока путевой дневник и попытаюсь внести некоторую ясность. Ничейная земля еще впереди. Это будет земля безлюдная, полная тайн и опасностей – именно такая, какой и положено быть Ничейной земле. Нам предстоит бродить там по нехоженым тропам, забираться в такие дебри, куда даже яркий свет науки проникает с большим трудом. Кто же поможет нам найти там правильную дорогу? Волшебное колечко? Но ведь мы материалисты и потому не можем верить в существование каких бы то ни было волшебных сил. Мы должны исследовлть это колечко, узнать его истинную природу, понять, почему оно катится и куда держит путь. А для этого надо идти в Новый Город. Это город, в котором все необычно. Даже хорошо знакомые вещи имеют здесь иную окраску, непривычный, зато более глубокий смысл. Нам предстоит изучить этот город, рожденный наукой в последние годы на самых подступах к Ничейной земле. И хотя его улицы широки и просторны, путь по ним не будет легкой прогулкой: мы будем останавливаться у каждого поворота до тех пор, пока не поймем окончательно, почему старое слово «информация» в последние годы обрело новый смысл.

Текст на экране

Неожиданности таятся даже в самых привычных вещах. Телеграф и телефон. Для чего существует и то и другое? Разве нельзя передать по телефону любой телеграфный текст? Было, конечно, такое время, когда телеграф был единственным средством, позволяющим передать срочное сообщение, а кабель, брошенный предприимчивым Сайрусом Филдом¹ на дно океана, был единственной «ниточкой», связавшей Старый и Новый Свет. Но время это давно прошло, и теперь земной шар, словно паутиной, опутан сетью кабелей и проводов. Существует сеть телеграфная и сеть телефонная. Может быть, уже давно пора вообще отказаться от телеграфной сети? Разве не могут работники связи передавать друг другу по телефону тексты любых телеграмм? Конечно, могут, но при этом скорость передачи информации будет значительно ниже.

Количество информации, передаваемой по телефону, ограничивается той скоростью, с которой человек способен разборчиво читать тексты – в минуту около 120 слов. Количество информации, передаваемой специально обученным телеграфистом с помощью буквопечатающего аппарата, составляет в каждую минуту уже целых 500 слов. Правда, такая дополнительная информация, как смысловые ударения в каждой передаваемой фразе, не может быть передана по телеграфу. Поэтому всякий раз, когда нам захочется поделиться своими чувствами с родными и близкими, мы, несомненно, предпочтем телефон.

Значит, избирая способ передачи каких-либо сообщений, необходимо учитывать количество передаваемой информации и оценивать скорость ее передачи. Современная техника позволяет достигать скорости передачи текста во много раз большей, чем обеспечивает телеграф. Так, если на экране телевизора вместо привычных нам телевизионных изображений будут, непрерывно сменяя друг друга, проектироваться страницы книги, то в течение каждой минуты на этом экране можно прочитать до 400 тысяч слов! Ясно, что такое «чтение» будет выглядеть не совсем обычно – успевать за такой скоростью передачи смогут лишь специальные автоматические устройства, которые тем или иным способом «запомнят» (например, сфотографируют) каждый переданный кадр... Однако подобное усложнение не играет существенной роли. Важно, что такое устройство может заменить 800 телеграфистов. А один телеграфист два года выстукивал бы на нескончаемой ленте точки-тире, чтобы передать те телеграммы, которые наше устройство принимает в течение одного дня!

Почему же такая, казалось бы, удобная и выгодная система передачи не нашла широкого применения и до сих пор не вытеснила телеграф? Вся беда в том, что скорость эта достигается слишком дорогой ценой, и определить эту цену можно только с помощью применяемого теорией информации своеобразного понятия «объема сигнала».

Невесомые грузы

Вот и первая остановка. «Объем сигнала». Встречали ли вы где-нибудь сигналы, имеющие объем? Нет? Ничего удивительного. Ведь вы впервые идете по городу, в котором есть улица Необычных Понятий. Там, на нашей земле, среди привычных для нас дел и предметов сигналы тоже играют немалую роль. Утром мы просыпаемся по сигналу будильника, сигнал телефона заставляет нас снимать трубку, на улицах родного города нам сигналят автомашины, а красные огоньки светофоров преграждают им путь. Так было там...

И здесь, в этом Новом Городе, на первый взгляд как будто все то же: улицы и машины, телевизор и телефон. Но стоит лишь осмотреться, и обнаруживаются удивительные вещи. Например, сигналы, имеющие объем. Жителю нашей земли это кажется невероятным. В самом деле, ведь не может же обладать объемом красный огонек светофора или телефонный звонок! Или в Новом Городе существуют какие-то иные сигналы? Нет, речь идет о тех же сигналах – звуковых, электрических и световых.

Один звуковой сигнал несет информации очень немного. В самом деле, о чем может «рассказать» вам телефонный звонок? Пока вы не снимете трубку, вы не узнаете, кто звонит вам по телефону и что вам хотят сообщить. Зато два различных звонка, например короткий и длинный, могут рассказать о многом. Из них вы можете построить целую азбуку, например азбуку Морзе: короткий звонок – точка, длинный – тире. То же самое можно сделать с помощью звонков разной силы: громкий – тире, тихий – точка. А можно сделать и так, чтобы звуки одинаковой силы звучали по-разному. Для этого надо использовать звуки, имеющие разную частоту. Колебаться окружающий воздух заставляет и басовитый гудок паровоза и тоненький голос дрезины. Но в первом случае частота колебаний будет значительно ниже, чем во втором.

Итак, для создания самой простой азбуки приходится изменять или длительность сигналов, или их силу (уровень), или их частоту. Но еще чаще приходится иметь дело с такими сигналами, у которых все изменяется одновременно. Например, при передаче музыки. Звук оркестра включает в себя огромное множество различных сигналов, имеющих разную длительность, громкость и частоту. А наша речь? Ведь это тоже набор звуков. И все они опять-таки отличаются друг от друга по частоте, длительности и силе. Вот и пришла мысль инженерам и математикам, создателям улицы Необычных Понятий, изображать различные сообщения в таком виде, чтобы все эти величины можно было сравнивать между собой.

Спичечная коробка имеет ширину, высоту и длину. И сигнал стал похожим на спичечную коробку: «длина» его зависит от длительности, «высота» – от пределов изменения его силы (уровня), а «ширина» – от диапазона содержащихся в нем частот.

Сообщение о прогнозе погоды гораздо короче газетной передовицы. Значит, сигнал, содержащий сводку погоды, обладает меньшей «длиной».

«Высота» упакованного сообщения определяется пределами изменения уровня. Так, например, громкость звучания симфонического оркестра изменяется в больших пределах, чем голос певца. Поэтому «симфония в упаковке» имеет большую высоту.

«Ширина» звукового сигнала определяется богатством окраски звука, зависящим от количества содержащихся в нем частот. Ударяя по одной клавише пианино, вы получите звук одной частоты. Аккорд на пяти клавишах дает 5 различных частот. И в звуке оркестра, рожденного одновременным звучанием множества инструментов, содержится целый спектр разнообразных частот.

Итак, становится ясным, почему всякий сигнал обладает определенным объемом.

Мы уже не будем выглядеть провинциалами в Новом Городе и можем смело продолжать путь по улице Необычных Понятий, где сигналы имеют разный объем. А впрочем... Кажется, мы слишком поторопились. Ведь мы условились не делать ни шагу, прежде чем не найдем ответа на каждый новый вопрос. А вопрос остался пока нерешенным: ведь мы так и не поняли, почему даже в Новом Городе наряду с телефоном и телевизором до сих пор существует и телеграф.

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте представим себе, каким объемом обладают телевизионный и телеграфный сигналы.

Известно, что рабочий диапазон частот, используемых в телевидении, превышает диапазон частот телеграфии в десятки тысяч раз. Кроме того, уровень телевизионного сигнала также колеблется в широких пределах – ведь яркость луча должна меняться от черного до белого свечения. А телеграф обходится всего двумя уровнями: отсутствие сигнала во время паузы или присутствие при передаче точки и тире. Чтобы сравнить эти способы передачи, инженеры связи учли «ширину», «высоту» и «длину» каждого из сигналов и подсчитали, какой объем занимает один и тот же текст. Объем телевизионного сигнала оказался больше почти в 60 раз.

Как объяснить такое различие? Ведь получатель этого «груза» прочтет на ленте и на экране одни и те же слова. А объем получается разный, потому что в одном случае груз «транспортировался» по телеграфу, а в другом – через телевизионный канал.

Работник транспорта, очевидно, развел бы руками: выходит, один и тот же груз будет обладать в вагоне одним объемом, а в самолете – другим? И разница получается весьма ощутимой: для отправки одного и того же словесного груза пришлось бы поднять в воздух 60 самолетов, вместо того чтобы отправить один вагон!

Здесь проявляются необычные свойства нашего «груза». Все дело в том, в какие сигналы мы превращаем текст. Можно превратить слова в три простейших сигнала: пауза, точка, тире. А можно сделать так, чтобы те же слова были видны на экране так же четко, как на страницах книг. Но передача изображений – дело сложное и дорогостоящее: чтобы они были достаточно четкими, надо заставить луч с огромной скоростью бегать по строчкам экрана, и чем больше букв умещается на этом экране, тем чаще меняется яркость луча, тем шире будет диапазон рабочих частот. Поэтому наш «груз» оказался в десятки тысяч раз «шире», когда мы направили его в телевизионный канал.

Вот теперь становится ясным, почему телевидение не может вытеснить телеграф. Конечно, телевизор может дать значительный выигрыш в скорости передачи текста. Зато теперь мы знаем, какой ценой достигается эта скорость: 60 самолетов заменяют один вагон! И было бы ошибкой думать, что в данном случае «самолет» (то есть телевизионный сигнал) достигнет цели раньше «вагона» – и в том и в другом случае несущие информацию сигналы любое расстояние преодолевают практически мгновенно. Скорость сигналов в проводе или эфире так велика, что за 1 секунду сигнал успеет обежать земной шар по экватору почти 8 раз. Поэтому, рассматривая вопрос о скорости передачи сообщений, теория информации не учитывает, сколько времени «груз» находился в дороге: скорость передачи текста определяется тем временем, которое приходится затратить на «погрузку» и «разгрузку» передаваемого словесного груза.

И все же есть у каналов связи несомненное сходство с обычными средствами транспорта.

И тут и там приходится решать одни и те же задачи: объем и скорость доставки груза – разве не эгими показателями оценивается качество работы транспорта? Даже задачи точности решаются и в системах связи и на железной дороге. В первом случае необходимо добиться передачи сигналов без искажений, во втором – доставки груза в целости и сохранности. Однако стоит ли удивляться такому сходству: ведь передача информации на расстояние – это тоже своего рода транспортировка. А мы и не подозревали, что всякий раз, когда из репродуктора доносится голос диктора или студия телевидения сообщает новости дня, мимо нас бесконечным потоком проносятся странные грузы. Они незримо проникают сквозь стены и не имеют веса. Зато имеют определенный объем. А жителям Нового Города приходится без конца загружать свой «транспорт» подобным грузом. Вот почему именно в этом городе впервые заметили, что сигналы имеют объем, и научились «упаковывать сообщения», используя различную «расфасовку».

Чудесное свойство

Размещать груз в таре можно по-разному: например, предназначенные для перевозки фрукты можно упаковать в несколько маленьких ящиков, а можно поместить в один большой. Большой ящик позволит лучше использовать объем вагона, зато создаст больше трудностей при погрузке или разгрузке. Каким же образом выгоднее «разместить» информацию?

Предположим, что с помощью автоматического устройства мы передаем на пульт управления информацию о скорости обработки каких-то деталей. В зависимости от характера операций скорость станка меняется много раз. Но изменения эти происходят не плавно, а так же, как и в автомашине, то есть тремя ступенями: 1-я, 2-я и 3-я. Если учесть к тому же, что в некоторые моменты времени может понадобиться остановка станка, то вся информация о его «поведении» может быть сведена к передаче четырех различных значений скорости: 0, 1, 2 и 3.

Сообщить об этом можно по-разному. Можно, например, вместе с изменением скорости изменять величину сигнала. А можно сделать так, чтобы каждому значению скорости соответствовало определенное количество сигналов (случай II). Какой из способов лучше?

В первом случае сообщение займет очень немного времени – ведь все сведения «уместились» в четырех сигналах (импульсах), которые следуют с большими перерывами. Что ж, свободное время не пропадет даром: в перерыве можно передавать другие сигналы, например дополнительные сведения о качестве обработки деталей. Однако выигранное время пришлось «оплатить» большим диапазоном уровней: уровень сигнала должен меняться вместе с изменением скорости. Другими словами, мы должны иметь в запасе четыре сигнала. Это могут быть световые сигналы различной яркости, звуки различной громкости, электрические импульсы, отличающиеся по напряжению или по силе тока.

Во втором случае уровень сигналов остается неизменным. Но при этом в три раза возрастает число импульсов, а следовательно, и время их передачи (случай II на рисунке).

Смотрите, что произошло с нашим невесомым «грузом»: он совершенно изменил свою форму, сохранив тот же объем. Как хорошо было бы, если бы все виды груза обладали таким же чудесным свойством: мы могли бы придавать им любую форму, чтобы, загружая тару, использовать каждый ее уголок. А инженеры-связисты и в самом деле имеют такую возможность. Своему «грузу» они придают такую форму, которая позволяет наилучшим образом использовать канал связи.

Любой канал связи обладает ограниченными возможностями: он способен передать лишь определенный диапазон изменения уровней и определенную полосу частот. Если каналом связи является телефонный кабель, связывающий двух абонентов, то полоса частот и уровень передаваемого сигнала ограничены и механической упругостью телефонной мембраны и теми усилителями, которые обычно включают в кабель.

Канал связи может включать в себя радиоприемник и радиопередатчик, настроенные на один и тот же диапазон частот. В этом канале нет связующего кабеля или специальной линии передачи – передатчик с приемником связаны через эфир. Но пропускная способность такого канала все равно ограничена – приемники и передатчики рассчитаны на определенный диапазон уровней и определенную полосу частот. Если сигнал не умещается в данном канале связи по диапазону частот или уровней, инженер имеет возможность уменьшить «ширину» или «высоту» передаваемого сигнала за счет увеличения времени передачи. Для этого надо применить соответствующий код.

Но чем дольше передается каждое сообщение, тем меньше пройдет информации через канал, – меньше окажется пропускная способность канала.

Может быть, для сокращения времени передачи сообщений следует укоротить каждый импульс? Упаковка от этого станет короче. Но объем груза останется прежним, потому что он станет одновременно и «шире»: возрастет диапазон содержащихся в сигнале частот (случай III). Эта особенность импульсов давно известна и инженерам-связистам и специалистам по радиолокации: чем короче импульс, тем больше диапазон содержащихся в нем частот. Для доказательства этого свойства инженер прибегает к помощи математики, использует сложные преобразования, известные под названием преобразований Фурье.

А мы с вами обратимся к простому примеру. Допустим, вам захотелось выиграть время, передав какую-то арию в два раза быстрее, чем ее исполняет певец. Сделать это несложно: надо записать арию на магнитную ленту, а затем прокрутить ленту с удвоенной скоростью. При этом бас будет звучать как сопрано, потому что произойдет удвоение всех звуковых частот².

Если нормальный голос певца содержит частоты от 500 до 5000 колебаний в секунду (то есть от 500 до 5000 герц), значит диапазон частот составляет 5000 – 500 = 4500 герц.

При удвоенной скорости все частоты увеличатся вдвое и диапазон станет вдвое шире:

10000 – 1000 = 9000 герц.

В нашем примере «импульс» (то есть время исполнения арии) длился минуты. Тем же свойством обладают импульсы, длящиеся тысячные или миллионные доли секунды. Значит, сигнал подобен несжимаемой жидкости: можно менять его «форму», используя разную «тару», но при любой форме «тары» сигнал сохраняет прежний «объем».

И все же нашелся способ, позволяющий «утрамбовать» предназначенный для транспортировки сигнал.

Вернемся к примеру передачи сообщения о четырех уровнях скорости. В первом случае величины импульсов соответствовали уровням скорости (случай I). Во втором случае число импульсов соответствовало скоростям (случай II).

А можно ступени скорости обозначить условно. Импульсы следуют друг за другом через равные промежутки времени. Давайте условимся так: появление каждого импульса будем отмечать цифрой «1». Если в следующий момент импульс не появился, значит передана цифра «О». Чередуясь в разной последовательности, цифры «О» и «1» передадут сообщения обо всех четырех скоростях:

Ступени

скорости

Комбинация

сигналов

0

00

1

01

2

10

3

11

Указанный способ соответствует IV графику, изображенному на рисунке, а при обозначении скоростей с помощью двух знаков (0 и 1) применен так называемый «двоичный код».

Сравним теперь объем сигнала для II и IV случаев, изображенных на нашем рисунке. Что получается? Уровень сигнала остался неизменным, зато число импульсов уменьшилось с трех до двух. Значит, нам удалось «упаковать» наши сообщения настолько удачно, что та же информация (информация о четырех возможных скоростях) уместилась в меньшем объеме сигнала.

А если бы скорость имела не 4, а 32 различные ступени, выигрыш был бы куда заметнее. Вместо 32 импульсов можно было послать только 6, потому что в обозначениях двоичного кода цифра 32 выглядит как 100 ООО. (Принцип двоичного кода рассмотрен подробно в главе 4 – раздел «Универсальный язык».)

В нашем примере изменения сигнала соответствовали изменению скорости. С помощью тех же сигналов можно передать на расстояние сообщение об изменениях давления или температуры, в других случаях каждый из рассмотренных нами сигналов может соответствовать значению какой-либо из букв. Любое из этих сообщений можно путем кодирования перевести на язык импульсов и тем самым «упаковать» содержавшуюся в нем информацию в определенный объем сигнала. С точки зрения теории информации, вопрос о том, каково содержание передаваемого сообщения, не играет существенной роли: в любом случае задача состоит в том, чтобы при передаче нужного количества различных значений (уровней, чисел, букв и т. п.) «груз» был как можно «компактней», то есть имел наименьший объем.