30.04.2010

Клод Элвуд Шеннон

Он навсегда останется в истории как один из создателей теории информации и кибернетики, но не как, например, теоретик и фанатик жонглирования, которому он отдал не меньше времени.

Клод Шеннон родился 30 апреля 1916 года и вырос в городе Гэйлорде штата Мичиган. Еще в детские годы Клод познакомился как с детальностью технических конструкций, так и с общностью математических принципов. Он постоянно возился с детекторными приемниками и радиоконструкторами, которые приносил ему отец, помощник судьи, и решал математические задачки и головоломки, которыми снабжала его старшая сестра Кэтрин, ставшая впоследствии профессором математики. Клод полюбил эти два мира, столь несхожие между собой, - технику и математику.

В 1932 году Шеннон был зачислен в Мичиганский университет.

Будучи студентом Мичиганского университета, который он окончил в 1936 году, Клод специализировался одновременно и в математике, и в электротехнике. Эта двусторонность интересов и образования определила первый крупный успех, которого Клод Шеннон достиг в свои аспирантские годы в Массачусетском технологическом институте.

В 1936 году Клод Шеннон стал аспирантом Массачусетского технологического института (MIT). Его руководитель Ванневар Буш, создатель дифференциального анализатора (аналогового компьютера) в качестве темы диссертации предложил описать логическую организацию анализатора.

Работая над диссертацией, Шеннон пришел к выводу, что булева алгебра может с успехом использоваться для анализа и синтеза переключателей и реле в электрических схемах. Шеннон писал: "Сложные математические операции возможно выполнить посредством релейных цепей. Числа могут быть представлены позициями реле и шаговыми переключателями. Соединив определенным образом наборы реле, можно производить различные математические операции". Таким образом, объяснял Шеннон, можно собрать релейную схему, выполняющую логические операции И, ИЛИ и НЕ. Также можно реализовать сравнения. С помощью таких цепей легко осуществить конструкцию "If… then…".

В 1937 году Шенноном написана диссертация под названием "Символический анализ релейных и переключательных цепей". Это была необычная диссертация, она расценивалась как одна из наиболее значимых во всей науке того времени: то, что сделал Шеннон, проложило путь к разработке цифровых компьютеров.

Работа Шеннона имела очень важное значение: теперь инженеры в своей повседневной практике, создавая аппаратуру и программы для компьютеров, сети телефонной связи и другие системы, постоянно пользуются булевой алгеброй.

По совету Буша Шеннон решил добиваться докторской степени по математике в MIT. Идея его будущей диссертации родилась у него летом 1939 года, когда он работал в Cold Spring Habor в Нью-Йорке. Буш был назначен президентом Carnegie Institution в округе Вашингтон и предложил Шеннону провести там немного времени: работа, которую делала Барбара Беркс по генетике, могла послужить предметом, для которого Шеннон применит свою алгебраическую теорию. Если Шеннон смог организовать переключение цепей, то почему он не сможет сделать то же в генетике? Докторская Диссертация Шеннона, получившая название "Алгебра для теоретической генетики", была завершена весной 1940 года. Шеннон получает Докторскую степень по математике и степень магистра по электротехнике.

В 1941 году 25-летний Клод Шеннон поступил на работу в Bell Laboratories. В годы войны он занимался разработкой криптографических систем, и позже это помогло ему открыть методы кодирования с коррекцией ошибок. А в свободное время он начал развивать идеи, которые потом вылились в теорию информации. Исходная цель Шеннона заключалась в улучшении передачи информации по телеграфному или телефонному каналу, находящемуся под воздействием электрических шумов. Он быстро пришел к выводу, что наилучшее решение проблемы заключается в более эффективной упаковке информации. Но что же такое информация? Чем измерять ее количество? Шеннону пришлось ответить на эти вопросы еще до того, как он приступил к исследованиям пропускной способности каналов связи.

Все свои мысли и идеи, связанные с новой наукой — теорией информации, Клод Шеннон изложил в монографии "Математическая теория связи", опубликованной в 1948 году.

Теория информации, помимо связи, проникла также и в другие области, в том числе в лингвистику, психологию, экономику, биологию и даже в искусство. В подтверждение приведем, например, факт: в начале 70-х годов в журнале "IEEE Transactions on Information Theory" была опубликована редакционная статья под названием "Теория информации, фотосинтез и религия". С точки зрения самого Шеннона применение информационной теории к биологическим системам вовсе не является таким уж неуместным, поскольку, по его мнению, в основе механических и живых систем лежат общие принципы. Когда его спрашивают, может ли машина мыслить, он отвечает: "Конечно, да. Я машина и вы машина, и мы оба мыслим, не так ли?"

В действительности Шеннон был одним из первых инженеров, высказавших мысль о том, что машины можно запрограммировать так, чтобы они могли играть в карты и решать другие сложные задачи.

В 1948 году он публикует работу "Программирование компьютера для игры в шахматы". Ранее подобных публикаций на эту тему не было, причем созданная Шенноном шахматная программа явилась основой для последующих разработок и первым достижением в области искусственного интеллекта. В 1950 году он изобрел механическую мышь Тесей, которая, будучи управляема магнитом и сложной электрической схемой, скрытой под полом, могла найти выход из лабиринта.

Он построил машину, "читающую мысли" и играющую в "монетку" — игру, в которой один из играющих пытается угадать, что выбрал другой играющий, "орел" или "решку". Коллега Шеннона, также работавший в Bell Laboratories, Дэвид У. Хейджелбарджер построил опытный образец; машина запоминала и анализировала последовательность прошлых выборов оппонента, пытаясь отыскать в них закономерность и на ее основе предсказать cледующий выбор.

Клод Шеннон был одним из организаторов первой конференции по искусственному интеллекту, состоявшейся в 1956 году в Дартмупте. В 1965 году он побывал по приглашению в Советском Союзе, где прочитал ряд лекций по искусственному интеллекту.

На прочном фундаменте своего определения количества информации Клод Шеннон доказал удивительную теорему о пропускной способности зашумленных каналов связи. Во всей полноте эта теорема была опубликована в его работах 1957-61 годов и теперь носит его имя. В чем суть теоремы Шеннона? Всякий зашумленный канал связи характеризуется своей предельной скоростью передачи информации, называемой пределом Шеннона. При скоростях передачи выше этого предела неизбежны ошибки в передаваемой информации. Зато снизу к этому пределу можно подойти сколь угодно близко, обеспечивая соответствующим кодированием информации сколь угодно малую вероятность ошибки при любой зашумленности канала. Эти идеи Шеннона оказались слишком провидческими и не смогли найти себе применения в годы медленной ламповой электроники. Но в наше время высокоскоростных микросхем они работают повсюду, где хранится, обрабатывается и передается информация: в компьютере и лазерном диске, в факсимильном аппарате и межпланетной станции. Мы не замечаем теорему Шеннона, как не замечаем воздух.

Если говорить только о вкладе Шеннона в теорию информации, то можно поставить точку. Много это или мало? Такой вопрос заставляет меня вспомнить слова Доктора, осматривающего живого Максима в "Обитаемом острове" Стругацких: "В молодом человеке семь дыр. И если эти дыры были действительно проделаны настоящими пистолетными пулями, то по крайней мере четыре из них - каждая в отдельности, заметьте! - были смертельными. Пуля в сердце, пуля в позвоночнике и две пули в печени. Массаракш, хватило бы и одной пули в сердце!" Читатель понимает, что я хочу сказать: массаракш, хватило бы и одной булевой алгебры, чтобы 24-летний Клод Элвуд Шеннон не только вошел в историю, но и ни в чем не нуждался до конца жизни - если бы мир был устроен по уму. Но нет этого - ни у нас, ни в США, нигде. Полезность большинства фундаментальных идей доходит до общества как до жирафа, да и покупать их оно не желает, а берет только даром. И на том спасибо, что вообще берет.

Кроме теории информации, неуемный Шеннон приложился во многих областях. Одним из первых он высказал мысль о том, что машины могут играть в игры и самообучаться. В 1950 году он сделал механическую мышку Тесей, дистанционно управляемую сложной электронной схемой. Эта мышка училась находить выход из лабиринта. В честь его изобретения IEEE учредил международный конкурс "микромышь", в котором до сих пор принимают участие тысячи студентов технических вузов. В 1956 году Шеннон покинул Bell Labs и со следующего года стал профессором Массачусетского технологического института, откуда ушел на пенсию в 1978 году. В МТИ и на пенсии им полностью завладело его давнее увлечение жонглированием. Шеннон построил несколько жонглирующих машин и даже создал общую теорию жонглирования, которая, впрочем, не помогла ему побить личный рекорд - жонглирование четырьмя мячиками. Еще он испытал свои силы в поэзии, а также разработал разнообразные модели биржи акций и опробовал их (по его словам - успешно) на собственных акциях.

Но с начала 60-х годов Шеннон не сделал в теории информации практически больше ничего. Это выглядело так, как будто ему всего за 20 лет надоела созданная им же теория. Такое явление - не редкость в мире науки, и в этом случае об ученом говорят одно слово: перегорел. Как лампочка, что ли? Мне кажется, более точным было бы сравнение ученых со звездами. Самые мощные звезды светят не долго, около ста миллионов лет, и кончают свою творческую жизнь вспышкой сверхновой, в процессе которой происходит нуклеосинтез: из водорода и гелия рождается вся таблица Менделеева. Мы с вами состоим из пепла этих звезд, и так же наша цивилизация состоит из продуктов быстрого сгорания самых мощных умов. Есть звезды второго типа: они горят ровно и долго и миллиарды лет дарят свет и тепло населенным планетам (по крайней мере, одной). Исследователи такого типа тоже очень нужны науке и человечеству: они сообщают цивилизации энергию развития. А звезды третьего сорта - красные и коричневые карлики - светят и греют чуть-чуть, лишь себе под нос. Таких ученых хватает, но в статье о Шенноне говорить о них просто неприлично.

В 1985 году Клод Шеннон и его жена Бетти неожиданно посетили Международный симпозиум по теории информации в английском городе Брайтоне. Почти целое поколение Шеннон не появлялся на конференциях, и поначалу его никто не узнал. Затем участники симпозиума начали перешептываться: вон тот скромный седой джентльмен - это Клод Элвуд Шеннон, тот самый! На банкете Шеннон сказал несколько слов, немного пожонглировал тремя (увы, только тремя) мячиками, а затем подписал сотни автографов ошеломленным инженерам и ученым, выстроившимся в длиннейшую очередь. Стоящие в очереди говорили, что испытывают такие же чувства, как физики, на чью конференцию заявился бы сам сэр Исаак Ньютон. Несомненно, за таким автографом в очередь станет даже тот, кто совсем не знаком со словом "дефицит".

В начале марта 2001 года, в возрасте 84 лет, после продолжительной болезни Клод Шеннон скончался. Как писали вездесущие журналисты — скончался человек, который придумал бит.

Источники:

1. chernykh.net
2. kv.by