Klodas Šenonas – žmogus, išradęs ateitį

Klodas Šenonas (1916-2001) suderino mokslininko, matematiko ir inžinieriaus veiklą. Tik jis niekad negavo Nobelio premijos, nebuvo toks garsus kaip A. Einšteinas ar R. Feinmanas, tačiau daugiau nei prieš 70 m. jo vienas vienintelis darbas padėjo pagrindus visai informacinių komunikacijų infrastruktūrai. Jam skirtas dokumentinis filmas „The Bit Player“ (2019).

Jis gimė Mičigano valstijoje esančiame Gaylord’e verslininko ir mokytojo šeimoje.

Tuo metu tebuvo keli mechaniniai analoginiai kompiuteriai, naudojami trajektorijų skaičiavimams ir potvynių lentelių sudarymams. 1930 m. MIT‘e Vaneveras Bušas sukūrė pažangiausią tam metui mechaninį šiuolaikinių kompiuterių mechaninį analogą. Techniškai jis buvo diferencialų skaičiuotuvas ir galėjo spręsti diferencialines lygtis. Tačiau jį galima buvo perkonfiguruoti, kad spręstų bet kokias lygtis, o taip pat naudojo kai kuriuos elektroninius komponentus – lempas ir reles.

V. Bušas pasiūlė K. Šenonui matematiškai pagrįsti tokių schemų principus. Tad jis MIT‘e parašo magistro darbą apie Bulio algebros taikymą elektros schemų perjungimams.

1941 m. jis įsidarbino „Bell Telephone Labs“. Telefonų kompanijso intensyviai naudojo reles. Čia Šenonas pademonstravo, kaip relės gali būti panaudotos skaičiavimo sistemų sukūrimui. Jo nedomino vien grynai aritmetinės operacijos – jį galima laikyti ir dirbtinio intelekto pradininku (1950 m. jis paskelbė straipsnį „Skaitmeninio kompiuterio programavimas šachmatų žaidimui“, iš esmės pradėjusį visą kompiuterinių žaidimų sritį. Vėliau jis plačiai visuomenei „Scientific American“ parašė straipsnį „Automatinis šachmatų žaidėjas“).

Tačiau vėliau jis dėmesį sutelkė komunikacijai. Jos poreikis žmonėms milžiniškas – žmonės praėjo kelią nuo dūmų signalų ir balandžių, iki telefono ir televizijos...

Ir jis klausė: „Ar yra bendra komunikacijų teorija?“ Po dešimtmečio darbo jis pagaliau paskelbė „Matematinę komunikacijos teoriją“ (1948). Jo teorijos esmė labai paprasta, bet kartu labai bendra: transmiteris informaciją užkoduoja į signalą, kurį pakeičia triukšmai, tačiau jį dekoduoja imtuvas. Šis paprastas modelis turi dvi svarbias įžvalgas: a) informacijos ir triukšmo šaltinių izoliavimas kuriamoje sistemoje; b) abiejų tų šaltinių modeliavimas tikimybiškai. Jis įsivaizdavo, kad generuojama keli galimi pranešimai su tam tikromis tikimybėmis. Atsitiktinius triukšmus po to atskiria imtuvas.

Iki K. Šenono komunikacijos problema daugiausia buvo kuo tiksliau atkurti iškraipytą signalą. Šenonas įžvelgė, kad esmė komunikacijoje yra neužtikrintumas. Jei žinotumėte tiksliai, ką toliau rašysiu, kokia būtų prasmė tai rašyti?!

Šenono komunikacijos modelio schema

Ta paprasta įžvalga stumtelėjo komunikacijos problemą iš fizikinės į abstrakčią sritį. Savo darbe jis apibrėžė fundamentalų komunikacijos apribojimą. Atsakymą sudarė trys dalys, kuriose esmine koncepcija buvo informacijos „bitas“ (0 arba 1), kaip pagrindinis neužtikrintumo vienetas. Būtent jis ir panaudojo pirmasis šį terminą (nors sakė, kad pirmasis jį panaudojo matematikas John Tukey).

Pirmiausia, Šenonas pateikė formulę apie minimalų bitų kiekį per sekundę informacijos pavaizdavimui (ką vadino „entropijos lygiu“ H). Tas skaičius įvertina netikrumą – kuo jis mažesnis, tuo mažesnis neužtikrintumas ir tuo lengviau suspausti pranešimą į trumpesnę formą. Pvz., teksto anglų kalba rinkimas 100 raidžių per minutę greičiu reiškia 26¹⁰⁰ galimų žinučių, kurių kiekvienos ilgis yra 100 raidžių, išsiuntimą per minutę. Visas šias galimybes galima užkoduoti 470 bitų, nes 26¹⁰⁰ apytiksliai lygu 2⁴⁷⁰. Jei raidžių sekos laikomos vienodai galimomis, tai Šenono formulė nurodo, kad entropijos lygis yra 470 bitų per sekundę. Tačiau tikrovėje kai kurios raidžių sekos yra labiau tikėtinos, ir entropijos lygis yra mažesnis, leidžiantis didesnį informacijos suspaudimą.

Antra, jis pateikė formulę maksimaliam bitų kiekiui per sekundę, kurie leidžia patikimai komunikuoti esant triukšmui (tai vadino „sistemos talpa“, C). Tai sparta, kuria imtuvas pajėgus atsijoti neužtikrintumą pranešime, apibrėžiant komunikacijos greitį.

Galiausiai, jis parodė, kad patikima informacijos komunikacija esant triukšmui yra įmanoma tik esant H < C. Tad informacija yra tarsi vanduo: jei srauto lygis mažesnis už vamzdžio pajėgumą, tada srautas teka patikimai.

Kadangi tai komunikacijos teorija, tai ji kartu yra ir apie tai, kaip informacija sukuriama ir perduodama. Todėl tai informacijos teorija.

Šenonas taip pat turėjo žaidybinę pusę, kurią dažnai atnešė į savo kūrybą. Čia jis pozuoja su labirintu, kurį pastatė elektroninei relės valdomai pelei, kurią pavadino „Theseus“. Taip pat užsiiminėjo kompiuteriniais šachmatais

Jo teoremos leido padaryti neintuityvias išvadas. Įsivaizduokime, kad kalbate labai triukšmingoje aplinkoje. Koks geriausias būdas, kad jūsų žodžiai būtų išgirsti? Galbūt, juos pakartoti keletą kartų? Tai tikrai instinktyviai darome triukšmingame vakarėlyje, tačiau tai nėra labai efektyvu. Jūs aukojate greitį vardan supratimo.

Kita nelaukta išvada – kas bebūtų, Šekspyro sonetas, Bethoveno 5-osios simfonijos įrašas ar Kurosavos^*) filmas, beveik visada efektyviausia prie perduodant užkoduoti į dvejetainį pavidalą. Net analoginio ryšio atveju, optimalu pradžioje skaitmenizuoti garsą į bitus, o tada juos atvaizduoti elektromagnetine banga.

1956 m. jis pradėjo dirbti MIT’e – iki pat 1978-ųjų. Tačiau jam išsivystė Alzheimerio liga ir jis kelis paskutinius metus praleido slaugos įstaigoje.

Be pagrindinės veiklos, jis užsiėmė žongliravimu, važinėjimu vienračiu ir šachmatais. Jis sukūrė kompiuterį su romėniškais skaičiais THROBAC, žongliravimo mašinas ir liepsnas skleidžiantį trimitą. Taip pat sukūrė įtaisą, galintį sudėlioti Rubiko kubą.

^*) Akira Kurosavas (Akira Kurosawa, 1910-1998) - japonų kino režisierius, prodiuseris, scenaristas. Kilęs iš samurajų giminės. Debiutavo filmu „Legenda apie didįjį dziudo meistrą“ (1943), kuriame du kovos meno meistrai kaunasi iki vieno iš jų mirties. Pirmajame pokario filme „Nesigailėk jaunystės“ Akira Kurosava kritikavo Japonijos režimą; filmas apie suimto kairiųjų pažiūrų disidento žmoną. „Rasiomonas“ (1951) išgarsino Akirą Kurosavą užsienyje. Istorinio filmo šedevru vadinamas jo „Septyni samurajai“ (1954), - jame Viduramžiais kaimas pasamdo 7 samurajus, kad apgintų nuo plėšikų. Kurosava pasižymėjo ir kaip literatūrinių ekranizacijų meistras. Po 1965 m. pasirodžiusio „Raudonbarzdžio“ prasidėjo sunkus Kurosavos gyvenimo periodas: buvo sustabdyti vienas kitą daug metų sekę projektai, o pirmasis po 5 m. pasirodęs filmas „Dundant tramvajaus ratams“ nesusilaukė finansinės sėkmės. Prislėgtas šių įvykių Akira Kurosava susirgo depresija ir bandė nusižudyti. 1982 m. Kurosava išleido atsiminimų knygą „Kažkas panašaus į autobiografiją“.

Kiti HOT.LT straipsniai:
Džonas fon Neimanas
Kompiuterių istorija
Programavimo paradigmos
Mažylis buvo pirmasis...
ABC – pirmasis kompiuteris?
Programavimo kalbų klegesys
Pirmasis interneto ryšys
Ar mašina kada nors mąstys?
Programavimo kalbų istorija
Džonas Bakas – FORTRAN tėvas
Styvo Džobso kelias į žvaigždes
V. Bušas: žmogus, kuris neišrado kompiuterio
Šriodingerio katinų dresiravimas: kvantiniai kompiuteriai
Danas Briklinas: skaičiuoklės autorius
Pirmoji programuotoja: Ada Lovelace
Bilas Geitsas: kol dar nebuvo garsus
Naujojo tipo mokslas
Seniausias pasaulyje analoginis kompiuteris
AWK kalba - sena ir nuolat aktuali
Visata kaip kompiuteris
Aukšto lygio programavimo kalbų evoliucija
Mūšis kibernetiniame pasaulyje
Kitoniškumas: dygios eilutės
Scenoje - paprastos grupės
Jau 50 m. „meinfreimams“
Kompiuterių ištakos
ARPANET istorija
Davidas Hilbertas
Kobolo motina