Связь сегодня не воспринимается как что-то выдающееся: мобильный телефон и скоростной интернет стали настолько доступны и распространены, что наличие постоянной связи кажется чем-то естественным.
И хотя Маслоу поставил общение – связь людей друг с другом – только на третью ступень своей знаменитой пирамиды, он сделал это лишь потому, что не имел смартфона. Современный человек с утра первым делом не завтракает или умывается, а проверяет уведомления на телефоне, подтверждая, что связь – она на уровне жажды и голода.
Именно связь, а не огонь или дубина, когда-то превратила людей в Людей. И именно связь в итоге способна превратить нас в нечто большее. Весьма вероятно, неорганическое, но лучше связываемое.
Обычно связь рассматривают как что-то второстепенное, как соус при главных блюдах: как элемент информационных систем, технологических комплексов, социальной сферы. В этой статье связь – главный персонаж. Статья о роли связи и тех наиболее важных принципах, которые лежат в ее основе.
Предупреждение: картинок и формул не будет; вся информация, изложенная далее, будет успешно передана в ваш мозг сугубо посредством текста.
Ab ovo или немного философии
Движение – жизнь. В том числе, жизнь человеческой цивилизации. Человек постоянно что-то перемещает: по земле, по воде и воздуху перевозит себя и всевозможные грузы, по трубопроводам перекачивает жидкости и газы, по линиям электропередач передает электроэнергию.
Есть еще один ресурс, который мы постоянно перемещаем. Он не имеет ни размеров, ни массы, но его ценность в современном мире превышает ценность материальных объектов. Это информация.
Информация – это нематериальный образ объекта, который может описывать его с любой необходимой точностью. В терминах философии – его отражение. Вообще, существует множество определений термина «информация». Это потому, что информация – одно из базовых, первичных понятий и чего-то более общего, элементарного для его формулировки просто нет; но у информации есть объективные свойства, через которые она себя проявляет и через которые её и описывают. Философская значимость информации в том, что это самостоятельное сущее, а не количественная мера, как например энергия (мера взаимодействия материи) или энтропия (мера её порядка). Её саму можно измерять.
Хотя информация сама по себе нематериальна, к ней применимы различные действия. В частности, информацию можно обрабатывать, хранить и – перемещать.
Процесс перемещения информации и есть связь.
Говоря «перемещение», обычно подразумевают изменение положения в пространстве. Но в рамках теории относительности пространственно-временной континуум един, в нём время равноправно с пространством – это лишь одна из четырех его координат. Поэтому хранение информации тоже можно считать связью – связью во времени. По сути, «хранение» и «перемещение» информации всегда сосуществуют, это один процесс: хранение имеет место во время перемещения (так как перемещение всегда занимает время), а перемещение – во время хранения (так материя, в которой информация хранится, всегда находится в движении).
Собственно, даже в чистом виде «хранение» информации часто устроено именно как процесс циклической связи, когда сохраняемая информация перемещается из одной ячейки памяти в другую, а затем обратно и далее процесс повторяется. Это так называемая динамическая память. Так устроена оперативная (то есть не долговременная) память и компьютеров, и человека.
Термин «перемещение» в русском языке обычно применяется к чему-то материальному, про информацию говорят – «передача». Далее так и поступаю.
Информация – это «рабочее тело» процесса связи. Информация не существует без обмена ею. Предназначение информации только в том, что её передадут и примут (в частности, сохранят в памяти и извлекут из неё). Да, на этом пути информацию еще можно изменять, например, обрабатывать, или она может быть подвержена действию помех. Но сама по себе эти процессы не могут существовать, они неотделимы от процесса передачи-приёма. Детерминированное (обработка) или случайное (шум) изменение информации – это часть процесса приема-передачи информации в общем виде.
Какова глобальная роль передачи информации – связи? Связь – это философская категория, определяющая взаимообусловленность объектов. Взаимообусловленность, обеспеченную их взаимодействием. Без самих связываемых объектов связь не существует. В этом плане связь не самодостаточна, она всегда – компонент систем. Но важнейший компонент, их ключевое свойство. Собственно, связь и образует из самостоятельных объектов – систему. Образует качественно новый, более сложный объект из менее сложных. Именно связь во многих случаях обеспечивает пресловутый синергетический эффект, когда свойства системы существенно превосходят простую сумму свойств её составляющих.
Связь – «информационный клей» систем. Клей не нужен сам по себе, нужна склеенная конструкция. Так и связь – необходимый компонент технических, социальных, политических, экономических и многих других систем.
Связь в терминах и термины в связи
Связь является только одним из вариантов взаимодействия объектов. Но в русском языке слово «связь» нередко используется и в широком смысле, как само взаимодействие (например, «внебрачная связь» явно предполагает не только разговоры). В современном лексиконе используют еще слово «коммуникация» и оно имеет более узкий информационный смысл. Чтобы подчеркнуть, что коммуникация осуществляется на расстоянии, в свое время был придуман термин «телекоммуникация».
Учитывая, что коммуникация всегда, по своей сути, происходит на расстоянии (большом или маленьком – это всё относительно), приставка «теле» – избыточна. Тем не менее, оба этих термина используют как синонимы «связи», хотя кажется, что в основном для псевдо-разнообразия или чтобы придать фразе мнимую научность. Стараясь избегать иностранных слов, если есть адекватный русский (или не русский, но уже укоренившийся в языке) термин, далее использую «связь», если это не имеет двусмысленности.
Любое перемещение имеет направление. Связь – не исключение, это направленный процесс: информация перемещается от её источника к её получателю. При этом, естественно, возможна не только односторонняя, но и двусторонняя связь, когда источник одновременно является и получателем, а получатель – источником. Но надо четко понимать, что в данном случае имеют место два процесса связи. Пример двусторонней связи – диалог двух людей. Пример односторонней связи – радиовещание и телевидение. Или чтение. Например, вот этой статьи. А когда в ответ вы напишете критические комментарии, то этим продемонстрируйте обратную связь – важнейшее явление кибернетики, основу автогенераторов и саморегулируемых систем.
Информацию, выраженную в той или иной форме, называют сообщением. Сама по себе информация – не только нематериальна, но и предельно абстрактна. Сообщение – это тоже нематериальная сущность, но уже конкретизированной формы. Например, функция времени, изображение, текст или последовательность цифр. Одна и та же информация может быть представлена различными сообщениями.
Объект-носитель сообщения называют сигналом. Сигнал — это материальное воплощение нематериального сообщения. В общем случае сигнал – это материя с определенной структурой, и эта структура так или иначе соответствует переносимой информации. Фактически, человек или другой источник или получатель информации передает и принимает именно сигналы. Одно и то же сообщение может быть реализовано в виде различных сигналов.
Рассмотрим пример соотношения информации, сообщения и сигнала. Предположим, информация – это температура воздуха за окном. Сообщение, которое способно отразить эту информацию, может быть в форме, например, непрерывной функции времени (моментальное значение которой соответствует температуре), числового значения (-7), текста («минус семь») или изображения градусника с красным столбиком соответствующей высоты на фоне шкалы. В свою очередь, эти сообщения могут быть физически представлены соответствующими сигналами. Например, число передано количеством вспышек света в оптическом телеграфе или неким кодом в цифровой линии передачи данных, текст отпечатан чернилами на листе бумаги или передан азбукой Морзе по телеграфу, изображение градусника увидено непосредственно или передано в виде фотографии на монитор, а непрерывная физическая величина представлена напряжением в электрической линии или, к примеру, тем или иным цветом индикатора.
Очевидно, формат необходимого сообщения и вид сигнала зависит от возможностей источника и приемника информации, а также от того, по какому каналу связи предстоит передавать информацию.
Канал связи – это среда между источником и получателем, в которой сигнал распространяется, вместе со средствами, которые обеспечивают это распространение.
Канал связи можно сравнить с полосой на автомобильной дороге: по каналу информация в виде сигнала движется в какую-то одну сторону. Соответственно, для двусторонней связи нужно либо два канала (две разнонаправленные полосы), либо один канал с поочередной передачей в разные стороны (реверсивное движение по одной полосе). Часто бывает, когда информация передается от одного источника одновременно до нескольких получателей (так называемое широковещательная передача) – в таком случае число каналов равно числу получателей.
Термин «канал связи» – один из наиболее важный и общих в теории связи. Он одинаково применим как к техническим, так и, например, биологическим или социальным системам. В области технических систем связи широко используется термины линия связи, система связи, сеть связи, узел связи.
Линия связи – это совокупность технических устройств и физической среды, обеспечивающая передачу сигналов от передатчика к приемнику. В одной линии связи может быть организован один или несколько каналов связи. С другой стороны, один канал связи может организован с использованием нескольких последовательных линий связи. Если продолжать автомобильную аналогию, линия связи — это дорога: с обочиной, разделительной полосой, разметкой и всей прочей необходимой инфраструктурой. Дороги бывают разные: узкие тропинки и широкие хайвеи; с одной или несколькими полосами; с односторонним, двусторонним и реверсивным движением; с грунтовым или асфальтобетонным покрытием и даже железные. Так вот, линии связи еще гораздо более разнообразны.
Сеть связи – это территориально распределенная группа приемопередатчиков, которые в данном контексте называются узлами связи, с линиями связи между ними. Очевидно, сеть связи представляет собой связный граф, то есть между любой парой узлов есть канал связи (прямой или транзитом через другие узлы).
Вид связи – это способ передачи и приема сигналов. Классификация очень разнообразная. Например, по назначению: голосовая или телефонная связь – это связь для передачи голоса, видеосвязь – для передачи изменяющегося изображения. Или по способу реализации: радиосвязь – по радио, проводная – по проводам. Или по способу представления информации: аналоговая или цифровая. Или даже по расстоянию: дальняя – ближняя. Естественно, все эти признаки могут комбинироваться в самых разных сочетаниях, например, в дальнюю аналоговую телефонную радиосвязь.
Система связи – это техническая система, предназначенная для обеспечения того или иного вида связи. Есть самодостаточные системы связи, но чаще всего связь присутствует как подсистема в других, «несвязевых» системах. Например, телевизор, автомобиль или эквайринг сами по себе не являются системами связи, но линии связи внутри них вы используйте ежедневно, управляя телевизором с пульта, заводя автомобиль с брелока и расплачиваясь беспроводной банковской картой.
Энергия, масса и скорость света. А где же связь?
Интересно посмотреть на роль связи с энергетических позиций. Любая система стремиться к самому низкоэнергетическому из доступных ей состояний. Если какой-то процесс может быть выполнен с одинаковым результатом при разных энергозатратах, преимущество будет иметь наименее затратный вариант. Исходя из этого связь – это энергетически выгодная (а значит, системно неизбежная) замена механического перемещения на «виртуальное».
Что такое транспорт? Это механическое перемещение какого-то материального ресурса из места, где он находится, в место, где он требуется. Но перемещение любого объекта, имеющего массу, в условиях действия внешних сил (то есть в реальности всегда) требует энергозатрат. Причем, тем больше, чем больше масса этого объекта и дальность перемещения.
Но что если ресурс в интересующей точке нужен не как сырье или энергия, а из-за его характеристик: свойств, выполняемых функций? Множество окружающих нас предметов ценны не тем, что их можно сжечь и извлечь из них тепло или переработать на какие-то полезные вещества. Вернемся к определению термина «информация»: это «нематериальный образ существующего объекта, который может описывать его с любой необходимой точностью». А раз так, можно, не перемещая сам материальный объект, «снять» только эти интересующие нас характеристики и передать их в виде информации, а на месте «реконструировать» исходный объект с точностью до требуемых характеристик. С любой необходимой точностью.
Таким образом, связь освобождает процесс транспорта от явной зависимости и от массы и габаритов объекта, и от расстояния до него.
Например, сегодня мы ежедневно разговариваем по телефону и нисколько не удивляемся тому, что маленькая коробочка в наших руках издает абсолютно живую человеческую речь. Хотя для людей всего пару-тройку поколений назад это показалось бы истинным чудом. Если нам нужно с кем-то поговорить, теперь нет необходимости этого человека привозить или ехать к нему самому – достаточно просто набрать номер. И не важно, сколько между вами километров. Потому что система телефонной связи в этой маленькой коробочке фактически воссоздала собеседника с точностью до его речевой аппарата.
Очевидно, в будущем связь предоставит человеку еще большую свободу от необходимости перемещать килограммы. Ведь перемещать килобиты значительно проще.
Хотя современные 3D-принтеры довольно примитивны, принтеры будущего наверняка смогут печатать гораздо более сложные структуры. Получил файл «конфигурации» какого-то нужного тебе объекта – значит, получил этот объект.
Дистанционная связь человека с человеком тоже будет всё подробнее эмулировать общение лицом к лицу. Еще совсем недавно мы могли воссоздавать только голос. Буквально за последние несколько лет в обиход вошла видеосвязь. С появлением доступных трехмерных мониторов, очевидно, распространится видеосвязь «объемная». Почему бы не передавать запахи? Уже давно существуют «электронные носы», есть и системы, синтезирующие запах. Тактильные ощущения? Несколько сложнее, но для отдельных, наиболее чувствительных участков нашего тела, такие гаджеты выпускаются уже сейчас.
Но, увы, это не предел возможностей связи. Связь человека с человеком будет все более «естественная» только до тех пор, пока сам человек сохранит свое естество. Футурологи прогнозируют, что если человечество не уничтожит себя ядерными ударами и не падет от какой-то новой суперинфекции, научно-техническая революция весьма вероятно приведет нас к неорганической, электронной жизни. Наши личности целиком или частично будут существовать в Интер- Скай- или каком-то-ещё- «нете» в виде неких информационных структур. Тогда сеть воистину станет нашим домом, а нашими новыми дорогами станут линии связи, по которым наши цифровые потомки будут перемещаться со скоростью света между континентами, серверами и приложениями. А зрение, слух, обоняние и другие органы чувств? Да кому будут нужны эти неточные низкоскоростные рудименты?..
Вещество VS Энергия
Как же осуществляется связь? Как передать то, что нематериально? Очевидно, без материального носителя не обойтись.
Таких носителей принципиально всего два: это вещество или энергия. И они порождают два принципиально разных способа связи: вещественно-предметный и энергетическо-полевой.
С вещественным носителем всё просто. Это какой-то предмет, некий объем вещества, в котором информацию можно в той или иной форме сохранить. Например, бумага с текстом или флешка с файлами. Впрочем, информация может быть сохранена тысячами различных способов: изображением, цветом, формой, весом, запахом, чем угодно – важно, чтобы на приемном конце знали, как эту информацию воспринимать.
Наиболее известный представитель вещественно-предметной связи это, конечно же, почта. Та, которая не-электронная. Но есть и другие интересные системы.
Например, эндокринная система – важнейшая система регуляции жизнедеятельности организма. В отличие от нервной системы, основанной на принципах электросвязи, в эндокринной используются химические сигналы. Информация передается переносом именно вещества: железа внутренней секреции выделяют специальные сигнальные вещества – гормоны, которые доставляются жидкостями организма до внутренних органов, а те воспринимают этот сигнал особыми клетками-мишенями и соответствующим образом меняют своё состояние.
Похожий принцип природа научилась использовать для передачи информации не только внутри организма, но и во внешней среде. Обоняние – одно из древнейших чувств и тоже является системой связи с вещественным носителем. Хотя у современного человека это чувство развито слабо, для многих животных оно важнее зрения и слуха. С помощью обоняния передается критическая, жизненно важная информация о свойствах пищи, о присутствии хищников, о настроении особей противоположного пола.
Еще один пример вещественно-предметной связи, из совсем другой области: система денежного обращения. Чем с точки зрения теории информации является купюра или монета, которую вы получаете за работу и отдаете за товар? Сигналом, то есть овеществленной информацией о том, что вы имеете право на тот или иной объем благ. Сама по себе купюра не имеет ценности как сырье, она лишь играет роль носителя сообщения.
Вещественный носитель обладает несомненными достоинствами: он надежен, может вместить практически любой объем информации в разнообразных формах, хранит информацию во времени. Но у него есть один принципиальный недостаток. Он имеет массу. И это сильно ограничивает потенциал вещественно-предметной связи. Потому что для перемещения физического тела надо использовать какой-то транспорт. А это значит, что скорость и дальность передачи информации будут ограничены возможностями этого транспорта.
На заре человеческой истории сообщения передавались единственным доступным в то время транспортом – самими людьми. Наиболее быстрые и выносливые использовались в качестве гонцов и на своих двух несли вести о войне и мире, подчас преодолевая марафонские расстояния. Однако, скорость марафонца не превышает 20 км/ч, и он не может преодолеть больше 50–100 км. И даже лошадь с её 12-15 км/ч на дальних дистанциях не помогала. В некоторых случаях выручали почтовые голуби, которые могли пролететь несколько сотен километров со скоростью до 100 км/ч, но надежность такой системы связи всё же была невысока.
Заметно помогло изобретение эстафетной передачи, и этот важнейший принцип используется в связи до сих пор. Пешего или конного гонца отправляли на максимальной скорости от одной почтовой станции до другой, которая находилась на сравнительно небольшом расстоянии, где он передавал сообщение следующему, свежему, гонцу.
На службе у современной почты реактивные самолеты, скоростные поезда и автомобили, но принципиально от почты античных времен она не отличается: всё равно время от момента отправления сообщения до момента его получения имеет порядок часов и дней.
В общем, перемещение вещества – это медленно. А жизнь требует гораздо больших скоростей. Поэтому с древнейших времен и по сей день, львиная доля всей информации человечества передается с использованием ее величества энергии.
Эта волнительная сила
Энергия! Она свободна от главного «недостатка» вещества – энергия не имеет массы. Мало того, она обладает еще двумя, поистине уникальными свойствами: может распространяться самостоятельно и с максимально возможными в природе скоростями.
Но что такое энергия? Строго говоря, энергия – это лишь мера различных форм движения и взаимодействия материи. Вот в процессе этого «движения и взаимодействия» материя и способна переносить информацию.
Как известно, в природе существуют четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное и два ядерных (сильное и слабое). Ядерное взаимодействие – короткодействующее, его влияние ограничено масштабами элементарных частиц. Гравитация, напротив, действует на любых расстояниях, на все тела, ей неподвластны никакие преграды. Но сколь-нибудь ощутимо этот тип взаимодействия проявляет себя только с телами космических масс. Земная наука пока не научилась использовать гравитацию для связи, но не исключено, что в будущем такие системы изобретут.
Что же остается нам, современному человечеству? Остается только одно взаимодействие – электромагнитное. Казалось бы, как мало!.. Но электромагнитное взаимодействие настолько многолико и многогранно, что жаловаться не приходится. Все технические системы связи (исключая, конечно, вещественно-предметные), а также самые совершенные «биологические» системы связи – слух и зрение – основаны именно на электромагнитном взаимодействии.
Электромагнитное взаимодействие проявляет себя во множестве форм. Наиболее важные для связи – это электромагнитные волны и электрический ток: то самое «движение материи», несущее энергию. Изменения электрического тока в проводнике вызывают электромагнитное поле в окружающем пространстве – электромагнитную волну. И наоборот: электромагнитная волна рядом с проводником вызывает в нем электрический ток. Эти явления лежат в основе наиболее актуальной и обширной области связи – электросвязи.
Здесь необходимо остановится на таком важном явлении, как волна. Волновые процессы имеют место не только в электромагнетизме, да и не только в природе. Например, волновой характер имеют автомобильные пробки, некоторые, экономические и социальные процессы. Волна – это изменения какой-либо физической величины, способные перемещаться, удаляясь от места возникновения. Волна как бы отрывается от своего источника и дальше путешествует сама. Эта способность – уникальное свойство волны.
11 февраля 2016 года было объявлено об экспериментальном открытии волн гравитационных – и это одно из величайших открытий последнего времени.
Но у большинства людей первая ассоциация при слове «волны» – это волны на море. Или красивые круги от бросания камушков в пруд. Как ни удивительно, эти волны – тоже одно из проявлений электромагнитных сил. Но довольно специфическое, поэтому их выделяют в отдельную категорию – упругие волны.
Упругие волны – это распространяющиеся в твердой, жидкой или газообразной среде колебания плотности этой среды. А еще упругие волны вы слышали. Потому что акустические волны – звук – это тоже одна из их разновидностей.
Как и электромагнитные, акустические волны используются для связи. Например, для связи с подводными лодками. Дело в том, что электромагнитной волне сложно «пробраться» вглубь океана: морская вода неплохой проводник электрического тока и радиосигнал в ней быстро затухает. Звуковая волна, напротив, в воде отлично распространяется. Причем, гораздо быстрее, чем в воздухе и с существенно меньшими потерями. Киты и дельфины обмениваются звуковыми сигналами со своими сородичами на расстоянии в сотни километров. Так и с подводными лодками удавалось поддерживать связь, устанавливая на дне специальные гидрофоны. Для дальней (хотя и односторонней) связи использовались даже взрывы подводных зарядов, подрываемые в закодированной последовательности. А из-за известных трагических событий многие узнали о единственно возможном способе связи для моряков на затонувшей лодке – постукивании по корпусу морзянкой.
Нельзя не упомянуть и о такой народной акустической линии связи, как стук по батарее. Очевидно, строительные нормы запрещают использовать пластиковые трубы для стояков именно для того, чтобы сохранить этот важный канал аварийной связи между соседями. Сигнал «Хватит шуметь!» передается надежно, хотя и не избирательно.
Homo «связь» sapiense
Для нас, людей, акустические волны имеют особую ценность, потому что на акустических волнах функционирует наша собственная, «встроенная» в организм, двусторонняя система связи «человек – человек».
Как и многим другим животным, природа дала людям способность воспринимать и генерировать акустические волны, наделив ушами и голосовыми связками. Биологическим системам связи на основе звука многие миллионы лет. Есть животные с уникально чувствительным слухом, есть животные с необычайно громким голосом, но только Homo sapiens – человек, впоследствии разумный – благодаря счастливой мутации генов или каким-то высшим силам примерно 70 тысяч лет тому назад получил бесценный дар, «сверхспособность»: создавать из звуков слова и использовать их для интеллектуального общения со своими сородичами.
Эта новая способность, на первый взгляд особо не примечательная, радикально изменила эволюцию. Homo sapiens стал хозяином мира: он не только поднялся на ступень выше всех животных, в ряду которых он стоял до того момента, но и вытеснил другие виды людей, населявших тогда планету. Homo erectus, Homo ergaster и другие Homo, даже Homo neanderthalensis – неандертальцы, более высокие и сильные, обладавшие более крупным мозгом и не менее способными руками, чем сапиенсы, в конечном итоге проиграли им в эволюционном отборе.
Важнейшую веху, с которой и началась история Человека, ученые назвали когнитивной революцией – внезапным и резким, в масштабах эволюции, ростом когнитивных способностей Homo sapiens: умения узнавать новое, запоминать и общаться. Эти новые качества не давали отдельному сапиенсу каких-то козырей перед саблезубым тигром или неандертальцем. Один человек, хотя и более головастый, оставался для тигра таким же вкусным и беззащитным. Реальное конкурентное преимущество проявило себя именно в системе, когда наши договороспособные предки стали действовать сообща. Группы сапиенсов стали невиданной ранее, грозной силой, благодаря двум новым способностям: во-первых, совместно действовать большой группой, а во-вторых – гибко и оперативно перестраивать деятельность группы сообразно обстоятельствам.
По отдельности схожими, хотя и не так сильно развитыми, способностями обладают и другие животные. Например, деятельность волчьей стаи достаточно интеллектуальна и организована: во время охоты волки используют различные приемы, у них есть свои разведчики, загонщики и, конечно, руководитель – вожак. Но численность стаи редко превышает 10–15 особей: вожак просто не способен управлять большей группой, он не может назначить себе помощников или договориться с другой стаей о совместной охоте, а если численность стаи по какой-то причине превышает максимальный порог, то она распадается на две отдельные стаи.
Очень большие организованные группы животных тоже не редкость. Например, в одной пчелиной семье до ста тысяч пчел, а в муравейнике могут жить и исправно трудиться несколько миллионов муравьев. Жизнь их представляется довольно сложной и организованной: есть разные роли, есть совместная деятельность, есть передача друг другу некоторой информации. Но эта сложность сугубо статична. Программа жизни пчелы жестко, раз и навсегда записана в её ДНК. Пчелы не в силах изменить заведенный природой порядок. Говоря техническим языком, пчелы действуют по детерминированному алгоритму, записанному в постоянной памяти.
И только людям была дана способность переписывать собственные алгоритмы.
Чтобы добраться до этих алгоритмов и «запрограммировать» поведение человека нужен интерфейс к его «процессору» и «памяти» – мозгу. И речь – то есть речевая система связи – стала таким интерфейсом. Сапиенсы стали общаться друг с другом существенно больше других животных и на качественно новом уровне. И этим программировали собственное поведение. Постепенное развитие языка сделало возможным передачу абсолютно любой информации: «оперативно-тактических» данных об окружающей обстановке, опыта прошлого, планов на будущее и, что принципиально, оценочных мнений о своих соплеменниках. Последнее крайне важно: популярна гипотеза, что развитие нашего мозга в наибольшей степени обязано как раз многочасовым пещерным сплетням. Обсуждение достоинств и недостатков друг друга формировало доверительные отношения внутри группы, а доверие является необходимым условием организации больших стабильных коллективов.
Кроме того, может быть именно благодаря сплетням человек научился говорить и мыслить не только о реально существующих вещах, но и, так скажем, фантазировать: сначала приукрашивать, преувеличивать, а в итоге – синтезировать мысли, за которыми вообще не стоит ничего реально существующего. Эта уникальная способность стала базой для еще более масштабного объединения людей на основе выдуманных, но общепризнанных идей. Так появились объекты массовой веры: объективно не существующие, но живущие в голове каждого, кто в них верит, так называемые интерсубъективные феномены – законы, религии, идеологии, деньги.
Речевая система связи стала предпосылкой создания и ключевым элементом первой в истории человечества социальной сети. Пока биологической, из-уст-в-уста, но наделенной всеми базовыми свойствами соцсети.
Социальная сеть является информационно-коммуникационной, то есть одновременно выполняет функции и сети связи, и распределенной системы хранения и обработки информации.
Как в сети связи в ней, в первую очередь по речевым каналам, друг другу передаются индивидуальные знания и опыт. Но важнейшее свойство информации в том, что если ты ей с кем-то поделился, то у тебя её не становится меньше, но у того, с кем поделился, информации становится больше. Поэтому постоянное взаимное общение преумножало общий объем знаний человеческих коллективов.
Социальная сеть – это и распределенная сеть долговременного хранения информации. В такой сети «выход из строя» отдельных членов не приводит к потере информации, так как она постоянно реплицируется и дублируется во многих людях. И срок хранения информации перестает быть ограничен сроком жизни отдельного человека: люди обучают друг друга и информация передается из поколения в поколение.
Социальная сеть обеспечила ее членов и существенно возросшим интеллектуальным ресурсом: возник феномен «коллективного разума», когда соплеменники могли советоваться по каким-то важным вопросам, сообща принимать решения, использовать способности наиболее интеллектуальных своих представителей.
Пожалуй, это самый яркий пример того, как связь образовала качественно новый объект, в данном случае – организованное человеческое сообщество. При этом связь изменила и связываемые, исходные объекты – самих людей. Это обоюдный, взаимообуславливающий процесс. Согласованная деятельность расширила круг задач, которые выполняли люди, что, в свою очередь, требовало дальше развивать коммуникативные способности. Так еще больше развивался мозг – главный компонент нашей речевой системы связи, «сигнальный процессор», который отвечает за «кодирование» и «декодирование» информации.
Наш мыслительный аппарат – это во многом, если не во всём, производная нашей речевой системы связи. Можно спорить, как о яйце или курице, что было раньше: скачок «мыслительных» или «разговорных» способностей, но представляется, что первым всё же было слово. Первична была практическая потребность обмениваться оперативной информацией с соплеменниками, чтобы можно было действовать сообща. Это заставляло человека структурировать звуки, анализировать, синтезировать и запоминать устойчивые на территории проживания выражения. Уже обладая запасом этих фраз-выражений, человек стал способен организовать «связь с самим собой»: вести внутренний диалог, мыслить, оперируя сложными абстрактными понятиями.
В чем качественное отличие человеческой речи от звуковой коммуникации других животных? Например, некоторые виды обезьян способны издавать различающиеся звуки, означающие «опасность с воздуха» и «опасность на земле». Звуковые сигналы, иллюстрирующие соответствующие эмоции, умеют издавать многие животные. Но во всех случаях это небольшой, ограниченный набор сигналов, который четко соответствует типовым жизненным ситуациям. Человек же научился передавать произвольную информацию, освоив язык, который является не чем иным, как способом кодирования информации.
Интересно, что люди, освоив новую для своего голосового аппарата функцию – речь, не утратили и его «базовые» возможности. А именно, гораздо более древнюю «технологию» звуковой связи – тоновую, характерную и для других высокоразвитых животных. Это те самые интонации, которыми мы окрашиваем свою высокоинтеллектуальную речь. Интонации не способны передать произвольную информацию, но они гораздо вернее сообщают собеседнику то, что словами-то и не всегда выразишь: наши эмоции, настроение, чувства. Особенно если им помогает мимика и жесты – элементы зрительной системы связи. Одно и то же слово, сказанное с разной интонацией, может иметь совсем разные смыслы. Важность интонационной компоненты звукового канала сложно недооценить, так как эмоции – это неотъемлемая (хотелось бы верить) часть человеческой натуры. Даже с изобретением письменности, перенеся речь на бумагу, люди попытались как могли сохранить этот канал, придумав восклицательный и вопросительный знаки и многоточие… Для книг этого достаточно: там, где нужно, талантливый писатель только словами сможет передать проявления чувств. С приходом Интернета текстовое общение широко распространилось на бытовом уровне: мы все чаще общаемся со своими друзьями и близкими через форумы, соцсети и мессенджеры. В общении со знакомыми потребность в передаче эмоций гораздо больше, да и формулировать изысканные обороты непросто и некогда: поэтому имитация эмоционального канала дополнилась смайликами и эмодзи 🙂
Сплошные аналогии
С позиции теории связи интонации – это старые добрые амплитудная и частотная модуляции сигнала: процессы, характерные для аналоговых систем связи. А словесное общение – это уже ни много ни мало цифровая связь. Разделение связи на аналоговую и цифровую – одно из самых важных среди множества классификаций, поскольку отражает принципиально разные способы представления информации, то есть разные способы «формирования» информации в сообщение.
Проиллюстрируем аналоговую систему таким примером. Представьте: захотел рыбак похвастаться приятелю, какого размера рыбу ему посчастливилось поймать. Как он может поступить? Самое простое и естественное – показать длину руками: «Смотри, во-о-от такая!». Здесь рыбак непосредственно демонстрирует размер рыбы, посылая в качестве сигнала некий аналог её размера (в данном случае в пропорции один к одному). Поэтому это – аналоговая связь.
По своей сути большая часть явлений в окружающем нас мире – это непрерывные, протекающие во времени процессы. Звук, изображение, температура, влажность, давление, скорость, координаты, вес, цена – все их можно представить в виде временной функции с непрерывно меняющимся значением. А этому значению поставить в пропорциональное соответствие («аналог») какой-то, такой же непрерывно меняющийся, параметр носителя информации. Например, амплитуду, частоту или силу тока, яркость света. Это очевидное и технически относительно легко реализуемое решение, поэтому все исторические первые системы связи, передающие информацию непрерывных процессов, были аналоговыми. Аналоговое радио до сих пор успешно излучает в эфир радиоволны, амплитуда или частота которых повторяет уровень звукового сигнала. Аналоговое телевидение тем же способом передает яркость и цветность каждой точки экрана. Аналоговые телефонные аппараты на вашем офисном столе исправно передают колебания тока, строго пропорциональные колебаниям звуковых волн, который вы произносите в трубку, и также пропорционально воспроизводят эти колебания в трубке вашего собеседника.
Аналоговые системы связи хороши простотой реализации. Так, и в приведенном выше примере с рыбаком простой «аналоговый» способ вполне достаточен. Другое их важнейшее достоинство – минимально возможная задержка обработки информации в приемнике. Именно поэтому, даже сейчас, в эпоху цифровой видеосвязи, в тех случаях, когда важна быстрая реакция (например, в гонках коптеров или квест-румах) используются не цифровые, а аналоговые системы. Поэтому аналоговая связь остаётся и будут оставаться востребованной. Более того, вполне возможно, что история сделает еще один оборот, и аналоговые системы связи возродятся в каком-то качественно новом виде. Но на сегодняшний день, если смотреть в целом, аналоговый способ представления и передачи информации драматически вытеснен своим цифровым конкурентом.
Всё потому, что у аналоговой связи есть один важный недостаток. И этот недостаток фундаментален и неустраним: аналоговый сигнал при передаче всегда искажается. В реальном канале связи, кроме собственно полезного сигнала, всегда присутствуют другие сигналы. Эти сигналы являются помехами, и они всегда в той или иной степени изменяют полезный сигнал. А поскольку информация в аналоговых системах хранится в моментальном значении сигнала, значит, что и эта информация всегда передается в той или иной степени недостоверной. Особенно искажения влияют тогда, когда аналоговое сообщение принимается и передается последовательно несколько раз. Если бы наш рыбак задумал сообщить размер рыбы способом «Во-о-от такая!» не непосредственно, а «транзитом», например, через пару человек, то итоговый размер рыбы мог бы разительно отличаться от оригинала, так как каждый из этой цепочки внес бы свои ошибки.
Сколько вешать в граммах?
Возможно сам того не зная, рыбак организует цифровую линию связи, если воспользуется рулеткой и измерит длину рыбины. Тогда он сможет передать не аналог, а цифровое значение её длины. По какой бы длинной цепочке не передавалась эта цифра, она способна дойти до получателя в первозданном, неизменном виде. Любой приятель рыбака, узнав эту цифру, будет иметь представление о размере рыбы с абсолютной точностью.
Цифровые и только цифровые системы позволяют реализовать кодирование информации и обеспечить один из наиболее важных принципов теории связи. Фундаментальность этого принципа можно сравнить с постулатами теории относительности, а формулируется он просто и коротко: информацию можно передать без потерь.
Благодаря этому принципу мы можем доверить цифровым системам связи передачу самых ценных данных, ошибки в которых недопустимы: банковских транзакций, сигнала от ядерного чемоданчика, переписки в соцсетях.
Возможность передачи информации без потерь далеко не самоочевидна, даже если кажется таковой на первый взгляд. Обычно в жизни всё наоборот: всегда присутствуют какие-то потери, накладные расходы.
Возьмем, например, вместо линии связи линию электропередач. Линии связи с линиями электропередач вообще похожи. А в случае, если для связи используется электрический ток, так это вообще братья-близнецы: и тут и там два провода от пункта А до пункта Б. У линий одинаковая конструкция, но разное назначение: энергетикам надо передать энергию, а связистам – информацию. Очевидно, и те, и другие хотят, чтобы то, что было отправлено, то и было получено, чтобы по пути из А в Б ничего не потерялось. И вот здесь коллег-энергетиков подстерегают коварные законы физики: в процессе передачи энергии её часть неизбежно теряется – на нагревание проводов, на паразитные токи, на излучение. И пока энергетика не научится использовать сверхпроводники, потери в линии электропередач всегда будут.
Совсем другое дело – линия связи. Информацию в цифровой линии связи можно передать а б с о л ю т н о б е з п о т е р ь. Да, при этом сам передаваемый сигнал по своей природе останется «аналоговым». Да, он также будет подвержен помехам и искажениям, будет терять свою мощность. Но цифровой приемник способен, несмотря на всё это, «отделить зерна от плевел» и безукоризненно точно распознать информацию, предназначенную ему. В чем фокус? За счет чего эта магия? Просто приемник подготовился: он заранее что-то знает про этот сигнал.
Вначале было слово
Вы можете прочитать это предложение потому, что в вашей голове, то есть в цифровом приемнике системы связи «Автор – Читатель» заранее, до «приема» имеется информация обо всех возможных сигналах, которые автор – цифровой передатчик – может вам передать. Вы знаете все 33 буквы русского алфавита и знаки препинания, знаете все слова и даже примерно представляете, какое слово за каким может следовать. Даже если ст р ть нес лько укв, NЛN NЗМ3НN7Ь Н3К070РЫ3 СNМ80ЛЫ, 70 8СЁ Р48Н0 8Ы СПР48N73СЬ С З4Д4НN3М. Но если ឃ្លានេះគឺជាសរសេរនៅក្នុងភាសាមិនស្គាល់អ្នក, то вы ничего, ничего не поймете (и даже не сможете произнести эту абракадабру у себя в голове).
Суть цифровых систем связи в том, что в них передаются некие условные символы, одинаково известные и передатчику, и приемнику. Совсем не обязательно цифры, но традиционно такие системы называются цифровыми. Сообщения в цифровых системах связи (а иногда, ошибочно, и саму информацию) называют данными.
Наша речевая система связи является аналоговой на уровне передачи звука, но цифровой на уровне передачи слов. Мы воспринимаем услышанное слово известного нам языка не просто как звук, мы четко ставим это слово в соответствие с образцом, имеющимся у нас в голове. Услышав «корона», наш «корреляционный приемник», расположенный в речевом отделе мозга, сопоставляет его со всеми известными ему и похожими по звучанию словообразами: № 1 «корова»? – 83%, № 2 «ворона»? – 83%, № 3 «корона»? – 100%. Ага, словообраз № 3 дает наибольшее соответствие, – значит это корона. Конечно, в реальности всё гораздо сложнее. Во многих случаях приходится задействовать более глубокую обработку. На уровне контекста: корона, которая на голове, или речь про вирус? На уровне интонационной окраски: обозначение вопроса, восклицания и пр. Так или иначе, если мы поняли фразу, мы запоминаем её не как звук (если такая задача не ставится специально), а как цифровую информацию. И, поэтому, можем передать ее другому человеку со 100% точностью. Так сказать, «буквально», а точнее – «слово в слово».
А если не слово в слово? Тогда получится типичная аналоговая система связи. Давайте проведем мысленный эксперимент. Если дать русскому (здесь и далее национальности условны) задание: выслушать фразу, сказанную китайцем, и передать её другому китайцу, то, в принципе, он способен с этим заданием справиться, даже если абсолютно не владеет китайским языком. Русский услышит, запомнит и воспроизведет китайскую фразу как некий звук (и тут он ничем не будет отличаться от попугая или магнитофона). И, скорее всего, второй китаец поймет эту фразу. Но надежность такой системы связи будет крайне низкой, особенно если в этой цепочке появится хотя бы еще один человек: какой-то неправильно воспроизведенный каждым ключевой звук, какие-то особенности дикции первого китайца (которую не знающие китайского, сами того не зная, вынуждены повторять) могут легко и быстро испортить такой «испорченный телефон».
В технических системах связи эффекты абсолютно те же. Многие еще помнят магнитофоны, в них звук на кассеты записывался в аналоговом виде: мгновенному уровню звука соответствует текущее значение намагниченности ленты. Каждая новая перезапись с кассеты на кассету заметно ухудшала качество аудиозаписи, так как каждый раз магнитофон вносил новые искажения и шумы. После нескольких перезаписей от оригинальной мелодии ничего хорошего не оставалось.
В цифровых системах информацию можно передавать и перезаписывать сколько угодно раз – она от этого не «портится». Потому что каждый раз цифровой приемник воссоздает информацию, как птицу Феникс, в исходном виде. Одно условие — количество ошибок при приеме должно быть ниже некоторого порогового значения, определяемого свойствами использованного кода.
Способность цифрового приемника верно распознать переданное ему сообщение зависит от количества условных сигналов, которыми с ним обменивается передатчик, и от того, насколько эти сигналы отличаются друг от друга. Очевидно, чем меньше сигналов и чем сильнее они отличаются друг от друга, тем приемнику проще принимать решение.
Предельный случай, когда сигналов всего два. Такой канал связи называется двоичным (или бинарным), в нем используется двоичный код. Программисты и другие IT-шники первым делом вспомнят, безусловно, компьютеры, вся логика которых основана на двоичном коде. В каждом компьютере или любом другом элементе современной информационно-телекоммуникационной техносферы (коммутаторе, маршрутизаторе, мультиплексоре, сервере, хранилище данных и т.п.) по сути имеется огромное число двоичных каналов связи между отдельными логическими элементами. Но, кроме IT, в мире есть еще немало двоичных каналов связи (потому что немало важнейших явлений имеют два ключевых состояния): помощник крановщика кричит «майна» или «вира», тест на беременность сообщает «одна полоска» – «две полоски», светофор показывает: «можно ехать» – зеленый, «нельзя ехать» – красный.
В двоичном канале связи за единичный временной интервал – такт – передается некое количество информации, которое в науке приняли за единицу и назвали битом. Почему именно в двоичном? Потому что в каналах большей разрядности за тот же такт передается больший объем информации. Например, в троичном – примерно 1,6 бита, а в четверичном – два бита.
Внимательный читатель спросит: а может ли объем информации быть меньше одного бита? Да, может. Строго говоря, количество информации определяется вероятностью приема данного сообщения среди всех возможных. Чем сообщение менее вероятно, тем больше информации это сообщение несет, и наоборот.
Когда мы бросаем идеальную монетку, вероятность выпадения орла равна 50% и равна вероятности выпадения решки. В таком случае сообщение о том, какой стороной упала монетка, несет ровно один бит информации, поскольку эти события равновероятны. Но что если бросить вместо монетки бутерброд с толстым слоем масла? Когда вы узнаете, что он упал маслом вниз, вы примете меньше одного бита информации. Потому что такое сообщение ожидаемо – вы прекрасно знаете, что все нормальные бутерброды так себя обычно и ведут. Говоря математическим языком, хотя падение бутерброда является случайным процессом, вероятность исхода «маслом вниз» значительно превышает 50%.
Но вдруг вам сообщают, что бутерброд упал не на масло, и даже не на обратную сторону. Как? На ребро! Крайне редкое событие – и объем информации значительно больше бита.
В последнем случае событие было неожиданным. А что мы делаем, когда узнаем что-то неожиданное? Правильно – удивляемся. Что значит «удивление» в контексте процесса приёма? Наш «цифровой приемник»–мозг получает сигнал, про который заранее знает, что он крайне маловероятен. Значит, думает мозг, это не какая-то рядовая ситуация, возможно я ошибся? или это даже какой-то совершенно новый сигнал, который нужно запомнить? Значит, надо усилить внимательность, поднять чувствительность своих рецепторов … то есть и запустить эмоцию удивления. Наш мозг так устроен, что «на эмоциях» лучше запоминает информацию (вы же прекрасно помните самые волнительные моменты своей жизни): вот он и зафиксирует, что бутерброды таки могут падать и на ребро. То есть несколько повысит вероятность такого сигнала в своём «приёмнике». В следующий раз, когда бутерброд упадет ребром, удивление будет уже меньше. Так работает принцип адаптивного приема, он применяется и в технических средствах связи.
Малое количество информации, передаваемое за единицу времени, является главным недостатком двоичного канала связи. Поэтому и в технике, и в жизни используются не только двоичные, но и троичные, или, например, десятичные коды. У того же светофора, строго говоря, кроме красного и зеленого сигнала, есть еще и желтый (и желтый мигающий, и одновременно включенные красный с желтым, и даже сигнал «светофор выключен»). Но двоичные нашли самое широкое применение по двум важным причинам.
Во-первых, двоичная система наиболее просто реализуется в электрических схемах. Все логические микросхемы работают с двумя уровнями сигнала: условным нулем и условной единицей.
Вторая причина заключается в том, что двоичные каналы обеспечивают максимально надежный прием. Приемнику приходится выбирать только из двух возможных вариантов: третьего не дано! Даже в густом тумане вы отличите красный цвет от зеленого; даже когда вокруг громыхает техника, крановщик не перепутает майну и виру. А теперь представьте, что вы используйте 50-ричный код: к примеру, вам надо передать один из пятидесяти оттенков серого. Хотя приемник, как и вы, имеет таблицу этих оттенков, ему придется выбирать из множества очень похожих вариантов! Надо ли говорить, что вероятность ошибки в таком случае существенно выше. Кроме того, с линейным ростом разрядности количество информации растет медленнее – логарифмически.
Поэтому даже в обычной жизни, когда нам нужен максимально надежный и безошибочный канал связи, мы намеренно или непроизвольно используем двоичные коды: «Любишь? Не любишь?», «Принимаем поправки к конституции, или не принимаем?».
Еще раз отметим ключевой момент цифровой связи: цифровой приемник точно знает, какие сигналы в принципе ему могут быть направлены. Поэтому его задача упрощается до выбора одного из вариантов. Это как тест на ЕГЭ: даже если не знаешь точно решение – ставь галочку напротив ответа, который, по сравнению с другими, кажется более правильным. Вообще не решая, можно угадать: например, в двоичных каналах вероятность правильного ответа просто огромна, не менее 50%.
Кроме того, знание «вариантов ответа» позволяет приемнику отсекать заведомо ошибочные сигналы. Например, в системе связи «Судья – футболист. Грубые нарушения» существует всего два сигнала: желтая и красная карточка. Их значение известно и судье, и футболисту. Если судья вдруг покажет карточку синего цвета, футболист растеряется. Скорее всего, он решит, что «передатчик сломался», и с судьей что-то не так.
Цифровые системы связи на такой случай имеют специальные алгоритмы обнаружения и коррекции ошибок. Когда ошибка обнаружена, у приемника есть два варианта. Если у него есть обратная связь с передатчиком, то он может его переспросить: «Послушай, передатчик, я не понял тебя, повтори!» – и этот способ вполне успешно применяется и в технических системах связи. Если обратной связи нет, как например в современном цифровом телевещании (стандарта DVB-T), то приемник честно признается, что он не может ничего разобрать. В этом важное отличие от аналоговых систем: цифровой телевизор нам напишет «Нет сигнала», а аналоговый SECAM всегда будет что-то показывать, даже если только шумы. Если в случае с телевизором это не критично, то в случае передачи, например, банковской транзакции, не заметить ошибку категорически недопустимо.
Другой распространённый способ повысить надежность цифрового канала связи – добавить избыточности в передаваемые данные. То есть добавить специальную вспомогательную информацию, которая поможет восстановить основное сообщение в случае его искажения.
Самый простой вариант, это повторить информацию несколько раз. Мы сами часто пользуемся таким способом, например, когда в важном разговоре повторяем одно и то же слово несколько раз или дополняем главную мысль фразами того же смысла. «Вы уверены в своем решении?» – «Да-да, конечно, я полностью уверен», «Можно?» – «Нет, нельзя ни в коем случае!». Это избыточность речи на уровне слов. Но все разговорные языки и сами по себе имеют избыточность, на уровне закономерности в звуках, в грамматике. Уровень избыточности различных языков примерно одинаков – 70‑80%. То есть, помимо сути, в разговоре передается еще почти столько же вспомогательной информации. Но эта информация ни в коем случае не передается зря: она предупреждает ошибки, облегчает прием информации на фоне помех.
Избыточность обязательно используется там, где нужен надежный канал и где вероятны ошибки приема. «Лишняя» информация увеличивает общий объем, который приходится передавать, снижает содержательность, но она позволяет восстанавливать данные даже при частичной потере сигнала. Можете провести простой эксперимент с QR-кодом (например, на старой платежке): сотрите, закройте или закрасьте какую-то небольшую часть этого кода – всё равно ваш смартфон прочитает его корректно. Потому что разработчики QR-кодов догадывались, что их творение будут использовать не в самых идеальных условиях, и заложили в сигнал, которым в данном случае является картинка из контрастных квадратиков, дополнительную информацию – заложили избыточность.
Наше электромагнитное всё
В результате эволюции животные получили разнообразные органы чувств – рецепторы, которые способны принимать различные сигналы, и органы, которые могут эти сигналы генерировать: с позиций теории связи – приемники и передатчики.
Вместе с эволюцией живых организмов от простейших до современных видов происходила эволюция их «средств связи». Естественный отбор оставлял тех, кто мог почувствовать пищу и опасность на максимальном расстоянии. Так органы чувств развились от самого древнего – осязания, которое работает только при непосредственном контакте, до обоняния – первой «системы ближней связи» животного. Но обоняние – это связь на основе переноса вещества, а значит относительно короткодействующее и медленное. Тогда природа придумала слух: немного модернизировала тактильные чувства, вынесла их рецептор в отдельный орган и снабдило «усилителями» – ушными раковинами. Появились и органы, которые способны генерировать звуки. Использование звука дало возможность воспринимать и передавать информацию, которая переносится на многие километры с огромной скоростью (в воздухе более 300 м/с, в воде – в пять раз быстрее). Но венцом творения эволюции стало зрение – способность воспринимать электромагнитные волны оптического диапазона.
Зрение позволило получать информацию вообще без задержек, в огромном объеме и с нужного направления. Именно по зрительному каналу современный человек получает более 80% информации. Такими уникальными свойствами зрение обязано возможностям электромагнитных волн, к которым и возвращаемся.
Электромагнитные волны – это распространяющиеся в пространстве возмущения электромагнитного поля. И эти «возмущения» – уникальное явление нашего мира. Электромагнитные волны движутся в пространстве с огромной скоростью – скоростью света, распространяются и в вакууме, и в веществе, преодолевают расстояния космического масштаба, могут свободно излучаться в окружающее пространство, а могут концентрироваться вдоль направляющих структур.
Основной параметр любой волны – её длина, то есть расстояние между двумя соседними максимумами или минимумами. Электромагнитные волны существуют в широчайшем диапазоне длин: от сверхдлинных радиоволн с длиной волны более 10 млн. километров, до гамма-излучения, длина волны которого менее 5 пм (один пикометр это одна миллиардная часть миллиметра). От миллионов «кило» до единиц «пико» –22 порядка! Как говориться, почувствуйте разницу.
Казалось бы, весь ресурс – это изменение лишь только одного параметра – длины волны. Но здесь ярчайшим образом проявляет себя известный философский постулат о переходе количественного в качественное. Потому что в каждом диапазоне электромагнитные волны проявляют себя совершенно по-разному, имеют разные способы генерации и детектирования, излучения и приема, принципиально различающиеся особенности распространения. Основываясь на этих отличиях, электромагнитные волны подразделяют на радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение и рентгеновское- и гамма-излучение.
Для связи используются радиоволны, видимый свет и инфракрасное излучение. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения ввиду их особенностей для связи практически не применяются. Хотя в 2019 году появились новости об испытаниях рентгеновской системы связи на МКС. Преимуществом рентгена является способность проникать не только сквозь мягкие ткани организма, но и сквозь слой плазмы, которая окружает спускаемый аппарат (или управляемую гиперзвуковую ракету типа «Авангарда»?).
Видимо — невидимо
Начнем с видимого света. Его главная ценность для человека, вот уж буквально, очевидна. В нас есть «встроенный приемник» электромагнитных волн данного диапазона. Причем, высокочувствительный приемник: как утверждают ученые, сетчатка глаза способна ощутить даже отдельные фотоны.
Не умея источать собственный свет, люди научились использовать для создания систем связи его природные источники. Еще в древние времена, подчинив себе огонь, человек принял на вооружение сигнальные костры. Это дало возможность передавать простейшие, но важные сигналы на километры, что для звука уже почти недостижимо. Идею световой сигнальной связи развили оптические телеграфы и семафоры. На специально построенных башнях устанавливались разнообразные устройства для формирования оптических сигналов: или источники света, или подвижные элементы, которые перестраивались в хорошо различимые символы. Принимающая сторона через подзорную трубу могла издалека читать такие сообщения. Историки высказывают мысль, что знаменитая Вавилонская башня могла служить для оптического телеграфирования.
А вдруг?
Интересно, что за миллионы лет эволюции никто из животных, и даже человек, так и не обзавелся «встроенным передатчиком» световых волн (светлячки не в счёт!). Действительно, для голосового обмена есть и приемник – уши, и передатчик – голосовой аппарат. Для обоняния есть нос, который ощущает запахи, и железы, которые их источают. И только по зрению некомплект: приемник есть, а передатчика – нет. А ведь потенциально это позволило бы обмениваться огромным объемом информации с непостижимой скоростью. Только представьте, что мысль, которую мы наговариваем собеседнику несколько минут, по световому каналу пронеслась бы мгновенно. Даже сама форма мышления могла бы развиться совершенно иначе: не словами, а некими образами.
Правда, если дать волю фантазии и воспринимать иконопись и другие божественные иллюстрации с прекрасными нимбами натурально, то можно предположить, что на земле носители таких способностей когда-то были? Ну, а для простых людей, с нашими примитивными мыслями и взаимоотношениями, посчитали достаточным речевого общения.
На сегодняшний день в технических системах связи диапазон видимого света практически не применяется. Все современные системы связи, переносящие десятки триллионов бит в секунду, построены на двух китах: радиоволнах и инфракрасном излучении.
Инфракрасное излучение простирается от света за границей красного спектра, который человеческий глаз уже не воспринимает, до тепла, излучаемого любым нагретым телом. Для связи используется ближний (коротковолновый) диапазон, который близок к видимому свету и может генерироваться светодиодами и лазерами. Всем известное бытовое применение инфракрасного излучения для связи – пульт дистанционного управления телевизором. Кстати, хотя наши глаза эти волны не видят, их «видит» камера любого смартфона, чем можно воспользоваться для проверки работоспособности пульта.
Но передача простеньких команд от пульта до телевизора на пару метров – это чрезвычайно простая работа для инфракрасного излучения. Оно способно на гораздо, гораздо большее. На полную возможности инфракрасного света раскрылись в волоконно-оптических линиях связи. ВОЛС – это нервы нашей современной цивилизации, главные переносчики информации в масштабах планеты. Миллионы километров оптического кабеля переплели все страны, связали между собой континенты, их пропускная способность на порядки превышает пропускную способность всех других линий связи, вместе взятых. Ранее мы сравнивали линии связи с дорогами. Если так, ВОЛС – это самая широкая и скоростная автомагистраль, что вы можете себе представить. ВОЛС – это базовая инфраструктура Интернета, это магистральные каналы для телефонии, телевидения, всех крупных сетей связи.
Сложно представить, но практически вся информация человечества, все эти миллиарды миллиардов бит в секунду, передаются по стеклянной нити толщиной с волос. Эта нить называется световодом. Если, очень упрощенно, описывать принцип действия волоконно-оптической линии, то можно представить световод в виде трубки с зеркальными стенками внутри. Передатчик светит в начало этой трубки, луч отражается от стенок и вот так, зигзагом, многократно отражаясь, доходит до её конца, где принимается приемником. Способ упаковки информации в сигнал по большому счету не отличается от индейского сигнального костра: передатчик кодирует информацию, включая и выключая свет в определенной последовательности.
Принцип работы оптического волокна, казалось бы, очень прост. Но дьявол в деталях. Главной сложностью было создание сверхчистого стекла, из которого состоит световод. Посмотрите в окно: кажется ли вам стекло в нем прозрачным? Только кажется. Если бы оптическое волокно делали из оконного стекла, его длина не превысила бы метра, настолько быстро сигнал бы в нем угас. Современные волокна делают из высококачественного кварцевого стекла. Представьте, насколько оно прозрачное, если сигнал в волоконных линиях без регенерации передают на десятки километров.
В плане пропускной способности, надежности, защищенности волоконно-оптической связи нет равных. Но до подвижных, или, например, космических объектов кабель не протянешь, да и между неподвижными объектами не всегда нужны такие скорости, да и кабель не всегда можно проложить. Нужно что-то, что передает информацию без каких бы то ни было кабелей. Это «что-то» – радиосвязь.
Излучающие информацию
Принцип работы радиосвязи кажется довольно простым. В нем всего четыре главных действующих лица: две антенны (приемная и передающая), переменный электрический ток и, собственно, радиоволны. Передатчик генерирует переменный ток в передающей антенне, переменный ток создает переменное электромагнитное поле – радиоволну, радиоволна распространяется в пространстве и достигает приемной антенны, в которой создает в точности такой же по форме переменный ток, как создал передатчик. Всё элементарно: вкладываем информацию в структуру тока передатчика (процесс называется модуляцией), забираем информацию из колебания тока приемника (демодулируем). Конечно, в реальности все гораздо сложнее.
Радиоволны находятся в самом начале диапазона электромагнитных волн – они самые длинные. Их относительно легко генерировать и принимать, и, начиная с исследований Ампера и Фарадея, теоретических изысканий Максвелла, опытов Герца, и практической реализации Попова и Маркони радиоволны нашли самое широкое применение в технических средствах связи.
По классификации международного союза электросвязи, к радиоволнам относят электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц, то есть с длинами волн от 10 млн. километров до 0,1 мм. Это огромный диапазон! В разных его областях радиоволны имеют свои особенности. Если бы мы существовали в сферическом вакууме, то волны ничем, кроме этой самой частоты, и не отличались. Но в реальности, с учетом распространения радиоволн в веществе, наличия эффектов поглощения, отражения и других, в каждом поддиапазоне волны ведут себя очень по-разному.
От частоты или длины волны зависят два важнейших практических свойства радиосвязи.
Во-первых, длина волны напрямую определяет габариты антенны. Чтобы эффективно излучать и принимать радиоволну, нужно иметь антенну с размерами порядка длины этой волны. Как ни удивительно, сейчас многие молодые люди не знают, что мобильный телефон – это радиопередатчик и радиоприемник. И у мобильного телефона тоже есть антенна. И даже не одна. В современном смартфоне их не менее четырех штук: собственно для GSM, для Wi-Fi, для Bluetooth и для NFC.
На заре сотовой связи GSM-телефоны работали в диапазоне 900 МГц, чему соответствует длина волны 33 см, и многие были с внешней антенной. Сейчас в городах больше распространен стандарт GSM1800, в котором частота сигнала в два раза выше – 1800 МГц, а значит и длина волны в два раза короче – 17 см. Поэтому современные телефоны могут обойтись компактной антенной внутри корпуса. А вот FM-радио в габаритах смартфона принять проблематично, потому что длина волны УКВ-радиостанций около трех метров. Как инженеры вышли из положения? Правильно, научились использовать в качестве антенны провода наушников.
Размеры современных гаджетов становятся всё меньше, и это одна из причин необходимости разработки всё более высокочастотных стандартов: чтобы разместить в корпусе более-менее эффективные антенны. Например, для связи с беспроводными наушниками или фитнес-браслетом используется стандарт Bluetooth, использующий диапазон частот 2400 МГц.
Другая крайность – это циклопические антенны сверхдлинноволновых передатчиков. Например, одну из самых больших в мире антенн можно увидеть в окрестностях нашего города Нижнего Новгорода – знаменитую передающую радиостанцию «Голиаф». Эта радиостанция предназначена для связи с подводными лодками. Радиоволны с большими потерями проникают сквозь толщу соленой воды, но коэффициент поглощения зависит от длины волны: чем волны длиннее, тем он меньше. Поэтому сверхдлинные волны (от 5 до 20 км) всё же способны добраться до подводных объектов.
Во-вторых, длина волны напрямую определяет то, какой объем информации можно передать по каналу связи за единицу времени. Чем выше частотный диапазон, тем более скоростной канал возможен. Чем частота меньше, тем меньше потенциальная скорость передачи данных: чтобы передать через «Голиаф» текст этой статьи на подводную лодку, потребовались бы многие часы. Этот важнейший параметр канала связи называется пропускной способностью.
Кроме частоты, пропускная способность зависит от мощности сигнала: чем мощнее передаваемый сигнал, тем она больше. Но увеличение мощности передатчика чревато двумя негативными эффектами. Во-первых, возрастает его энергопотребление, а для мобильных устройств это критический фактор. Во-вторых, строго говоря, пропускная способность канала зависит от отношения мощности полезного сигнала к мощности шума в этом канале. А в реальности в общем канале одновременно передаются сигналы несколько передатчиков. Но для конкретного приемника сигналы, излучаемые всеми передатчиками, кроме «своего», тоже являются шумом. Они мешают приему, и передатчику еще более приходится поднимать мощность своего сигнала. Как на базаре: в общем шуме и гаме приходится говорить всё громче, чтобы тебя услышали. Наука предложила несколько способов одновременной работы нескольких передатчиков и приемников в общем ресурсе, но эта интересная тема достойна отдельной статьи.
Далеко и быстро
«Встроенные» в человека системы связи имеют один важный недостаток – они короткодействующие. Десяток метров и всё. А неопределенность возрастает с увеличением дистанции. Возрастает неопределенность – возрастает и ценность информации. Информация о наступающем неприятеле, которого уже видно, имеет малую ценность. То ли дело, если узнаешь о нем на дальних подступах.
Это предопределило создание первых «технических» систем связи. Уже восемь тысяч лет назад грохот там-тамов эффективно оповещал об опасности африканское племя на обширной территории. В более поздние времена получили распространение сигнальные костры: ночью – огневые, днем – дымовые. Американские индейцы передавали своим соплеменникам различные сообщения, используя различные последовательности клубов дыма. На Руси для оповещения окрестных жителей о важных событиях использовался звон церковных колоколов. Даже сегодня, в XXI веке, некоторые африканские племена продолжают использовать сигнальные барабаны по их исходному назначению, так что это самая долгоживущая техническая система связи. Сейчас её бы классифицировали как систему аварийного оповещения и громкой связи.
Важнейшей особенностью электросвязи является огромная скорость распространения сигнала, которая, как известно, равна скорости света – в вакууме и воздухе примерно 300 тыс. км/с или 1 млрд км/ч. Поэтому практически для всех систем связи на Земле можно считать, что сигнал распространяется мгновенно. Но для систем связи межпланетного масштаба конечность скорости света уже приходится иметь ввиду. Пожалуй, одними из первых столкнулись с такой проблемой в СССР водители луноходов, которые должны были управлять ими в реальном времени по видеоизображению с луноходных камер. Расстояние 384 467 км от Земли до Луны видеосигнал преодолевает только за 1,3 с, плюс столько же на обратный сигнал управления. С учетом аппаратной задержки общая задержка в контуре управления превышала 4 секунды. Если принять во внимание еще совсем не совершенное качество телеизображения, можно только восхищаться профессионализмом инженеров-водителей, которые умудрялись объезжать лунные кратеры и камни.
Но что Луна! Это самое близкое к нам небесное тело. Планы человечества нацелены хотя бы на Марс. А до Марса в точке его ближайшего расположения ни много ни мало 56 млн. километров – а это уже трёхминутная задержка радиосигнала. При такой задержке даже телефонный диалог невозможен.
Может показаться, что расстояния в миллионы километров – это удел систем связи далекого будущего. Ведь даже неспециалист в радиосвязи осознает, что на такой дальности сигнал драматически ослабевает. Тем фантастичнее реальность, ведь самая дальняя связь в настоящее время установлена со знаменитым космическим зондом «Вояджер-1», который уже давно покинул пределы Солнечной системы и находится на расстоянии примерно 22 млрд. километров от Земли. Страшно даже представить, но радиоволна – гонец, быстрее которого в природе нет – достигает Вояджера только за 20 часов.
Кстати, «Вояджер-1» также является рекордсменом вещественно-предметной связи. Он несет на борту табличку с информацией о нас, землянах. Когда-нибудь инопланетяне обязательно получат эту посылку, в которой не только рисунок, но и закодированные аудио- и видеопослания.
В пределах Земли скорость передачи информации со скоростью света кажется более чем достаточной. Так ли это? В большинстве практических случаев – да. Но тем интереснее исключения. Где важна скорость принятия решения? Например, там, где это решение напрямую оборачивается деньгами. Поэтому в XXI веке самые высокие требования к задержкам передачи информации предъявляют биржевые трейдеры. А именно – так называемые высокочастотные трейдеры. Это не люди, а специальные роботы-алгоритмы, которые в автоматическом режиме следят за курсом акций и, в зависимости от трендов, продают их и покупают. И если робот-трейдер фирмы А в Европе узнает о подешевевшей в США акции на долю секунды раньше робота фирмы Б, то шансы А на выгодную сделку будут выше Б. Здесь счет идет на миллисекунды! Самый быстрый способ передачи информации между Европой и Америкой – трансатлантические волоконно-оптические кабели. По какому кабелю информацию быстрее доставят, ту линии связи бизнес и предпочтет. Как уверяет физика, время равно длине пути, деленной на скорость. Следовательно, чтобы уменьшить время, надо уменьшать путь и увеличивать скорость. Поэтому ради сверхскоростных финансовых спекуляций прокладывают новые кабели – по предельно коротким маршрутам, и экспериментируют с типом волокна, пытаясь увеличить скорость света. Куда уж выше? – возможно спросите вы. Но скорость света в веществе меньше скорости света в вакууме и зависит от свойств материала волокна, вот с материалом и экспериментируют.
Всё переплетено (с) или Сколько байтов нужно, чтобы стать счастливым?
«Форма общества определяется скорее природой средств человеческой коммуникации, нежели её содержанием» – Маршалл Маклюэн.
Несколько десятков тысяч лет назад связь превратила человека-просто-одного-из-животных в человека разумного. До этого знаменательного момента человек обменивался информацией с другим человеком не больше других собратьев по фауне. Но с тех пор объем данных, который передается между людьми, постоянно растет, и этот потенциал до недавнего времени определяли именно системы связи.
Средства массовой информации с функциональной точки зрения тоже являются системами связи. Исторически первым средством массовой информации стало книгопечатание. С помощью книг, а затем газет и журналов, идеи получили возможность распространяться по всей планете. Затем свой небольшой, но перспективный вклад в массовый обмен информацией дала телефонная связь. Далее к ней присоединилось проводное, а потом и эфирное радио. Но действительно много информации стало распространяться с изобретением телевидения. Телевидение за беспрецедентно короткое в масштабах истории время проникло в жилище каждого человека и впервые предоставило возможность практически неограниченного потребления информации.
Потребление информации для человека также важно, как и потребление пищи – это наша базовая потребность, взращенная эволюцией. Древних людей, которые не любили внимательно смотреть по сторонам, съели тигры, и им не удалось передать свои гены потомкам, в отличие от их более любознательных соплеменников. Если рассматривать потребление информации в аналогии с потреблением пищи, то эпоха до СМИ – эта эпоха охоты и собирательства. Спрос на информацию превышал предложение. Чтобы получить нужную информацию – ее нужно было добыть, обработать … и у вас еще оставалось время, чтобы её не торопясь переварить. Прочувствуйте: возможно, появление СМИ – это ключевой, если не переломный момент в истории человечества.
Телевидение организовало эдакую массовую информационную «столовую»: не всегда вкусные и не очень разнообразные блюда, но со всеми необходимыми питательными веществами и государственными витаминами, стали выдаваться всем желающим в любом объеме. Поначалу ограниченное меню постепенно расширилось, появились продукты для детей и взрослых, рабочего класса и интеллигенции, любителей спорта и развлечений. Предложение формировало новый спрос, спрос формировал новое предложение. Количество «контента» – так стали называть информацию, пригодную для потребления человеком, стремительно росло. Появилось множество «заводов» и «фабрик», которые в промышленном масштабе стали производить единственный продукт – информацию. Телевизионные каналы и киностудии стали новой индустрией: фабрики грез, цеха новостей, конвейеры развлечений с каждым годом увеличивали масштабы производства.
Но даже телевидение померкло перед новой суперсетью массовой информации – Интернетом. Объем данных, ежесекундно генерируемых, пересылаемых и потребляемых во Всемирной Сети, возрос на многие порядки. Телевидение, радио, газеты, журналы, телефония – стали всего лишь одними из многих сервисов Интернета, каплями в море информации.
В последние годы масштаб этого роста воистину грандиозен. К тысячам «фабрик» и «заводов», производящим информационный контент, добавились миллионы «индивидуальных предпринимателей» – разного рода блогеров, и миллиарды «рядовых» пользователей интернета. И если телевидение было бесплатной столовой, то интернет предоставил каждому личную скатерть-самобранку. Ешь что пожелаешь! Когда угодно, сколько угодно.
Казалось бы, живи и радуйся. Но если даже потребление пищи мы контролируем так себе: переедаем, торопимся, предпочитаем вкусное полезному, то в случае потребления информации наш самоконтроль работает из рук вон плохо.
Мозгоугодие не менее страшный грех, чем чревоугодие. Но пока большинство не видит в информационном обжорстве ничего страшного. Информационный фаст-фуд, глотание новостей на бегу, по заголовкам – стало нормой. Особенно, как и перед сладким, перед этим новым злом беспомощны дети. Ведь как пища бывает полезная и не очень, так и информация бывает разная по своей ценности для интеллектуального развития человека. Наш мозг чрезвычайно ленив (не потому, что он плохой, просто он старается минимизировать свои энергозатраты) и предпочитает получать информацию максимально простую, не требующую расхода энергии на ее «постобработку». Пример бородатый, но именно поэтому Живой Журнал с его длинными текстами потерял свою актуальность, уступив её Твиттеру с парой сотней символов на сообщение. А еще проще вообще не читать, а посмотреть картинку в Инстаграме. Для современных подростков даже видео Ютьюба кажутся слишком длинными, не то, что короткие ролики из ТикТока (тем более, как с этим конкурировать превратившимся в видеоролики учителям на удаленке, с их длинными скучными уроками?). Но проблема в том, что мы то, что мы потребляем. Упрощается контент – когнитивные функции мозга снижаются вслед за ним.
Информации стало слишком много. А, ещё раз напомним, информация не существует без её передачи и приема. Мы потребляем весь этот огромный объем, потому что теперь до каждого из нас тянется множество каналов связи.
И эти связи крепко-накрепко припаяны к нам. Через телевидение мы связаны с телеканалами и государством, от которых получаем новости, развлечения и пропаганду (что бы это ни значило). Через соцсети и Ютьюб мы связаны с «лидерами мнений» – разными популярными блогерами и селебрити, которые копируют в наш в мозг свое представление об этой жизни. В машине мы слушаем радио, на пробежке – музыку из плейера. На работе 8 часов в день внимаем информации с экрана компьютера.
Безусловно, главная линия связи современного человека – это смартфон. Мы не расстаемся с ним ни во время еды, ни во время противоположного процесса, спим зачастую рядом, а просыпаясь, первым делом проверяем уведомления. Через смартфон мы связаны Телеграмом, Вайбером, Ватсапом, Инстаграмом, Контактом, Фейсбуком, Одноклассниками, всякими банками и прочими соцсетями, мессенджерами и сервисами со всеми своими родственниками, друзьями и коллегами, бесчисленными «друзьями», множеством компаний и других виртуальных лиц.
Каждая такая связь – это отдельный канал между нами и тем, кто с нами связан. Получается, сейчас до нас, то есть до нашего мозга, протянуты тысячи каналов связи! Но пропускная способность мозга ограничена, и что бы не говорили о его безграничных возможностях, ограничены его способности по усвоению, обработке информации. Что мозгу остается, чтобы как-то с этим справится? Отдавать приоритет тем каналам, по которым информация поступает в самом простом виде, не требующем значительных ментальных усилий. Читать только заголовки, воспринимать сообщения поверхностно, не полностью «раскодировав» заложенную в них информацию. Очевидно, при неизменном ресурсе мозга, чем больше связей, тем каждая из них слабее.
Слово «связь» по смыслу противостоит слову «свобода». Связанные, мы сильны как система, но менее свободны как её элементы. Связь превратила сообщество людей в самую могущественную силу на планете, но ослабила каждого отдельного человека как самодостаточного индивида, если хотите, как особь. Наша цивилизация продолжает развиваться и человечество в целом пока усиливает свои позиции. Что в этом дивном новом – сверхсвязанном – человечестве ждет каждого отдельного человека – большой вопрос.
Связь делает из отдельных объектов систему. И сложность этой системы растет гораздо быстрее, чем увеличивается количество ее элементов и связей между ними. За какое-то мгновенье в масштабах истории общество стало невообразимо сложным: вряд ли хоть один институт, не говоря уже об отдельном человеке, может теперь понять законы его функционирования. И мир стал гораздо более нервным. Современная цивилизация, где информация распространяется по всей планете за мгновенье, при этом размножаясь миллиардами копий, не успевая «устаканится», и наоборот, усиливаясь и искажаясь (поскольку во всех этих каналах транзитом пока еще стоят люди), напоминает человека-невротика. Легко возбудим, боится собственных страхов, склонен к переоценке угроз. Всемирная эпидемия паники на фоне коронавируса тому яркое подтверждение.
Если когда-то человеку предстоит бороться с этой системой, то связь – её самое уязвимое место. Ресурсы и энергия могут быть использованы локально, и только информацию нельзя получить без ее доставки – без связи.
Highly likely, что какие-то ошибки ускользнули от меня и еще ожидают проницательного взгляда какого-нибудь критически настроенного читателя. Я надеюсь, что радость открытия ошибок и испытанное при этом чувство интеллектуального превосходства над автором в какой-то мере вознаградят счастливца за потерю времени и беспокойство, которое могло доставить ему внимательное чтение. Льюис Кэрролл
Как автор связан со связью
В третьем классе собрал первую свою систему связи – связал донышки двух консервных банок бечевкой. В старшей школе увлекся радиолюбительством: пожалуй, одних только УКВ-приемников на легендарной К174ХА34 собрал штук семь. После школы – Политех, «Радиосвязь, радиовещание и телевидение». Затем разработка радиочастотных усилителей во ФГУП. А потом началась эпоха сотовой связи, и я перешел на темную сторону силы – в эксплуатацию. Но это была интересная пора, когда сети активно росли, а стандарт GSM еще не был монополистом. Как могли, мы пытались развивать нашу сеть «Экофон», работающую в наикрутейшем стандарте CDMA-800. Технология CDMA тогда сильно увлекла нас с научным руководителем, да и в двухлетней в то время армии научные роты еще не появились. Так я написал и защитил кандидатскую диссертацию на тему оптимизации сотовой сети CDMA в условиях минимума доступных ресурсов. Жаль, стандарту CDMA в нашей стране не дали развиваться, и Экофон ушел в историю. А я ушел в проектный институт и последние 12 лет занимаюсь проектированием, но теперь уже самых разных систем связи.
На связи!
