کلود شانون  چگونه آینده را اختراع کرد

ارتباطات یکی از اساسی‌ترین نیازهای انسان از گذشته تابه‌حال بوده است. آن ها با استفاده از دود گرفته تا کبوترهای نامه‌رسان و تلگراف و تلفن، همیشه به دنبال روش‌های بودند تا به آن‌ها امکان ارتباط‌ات دورتر، سریع‌تر و قابل‌اطمینان‌تر را بدهد. اما این هدف به این آسانی ها میسر نبود چرا که مهندسی دستگاه‌های ارتباطی همیشه با منبع خاص و محیط‌های فیزیکی گره‌خورده بود و همین امر باعث محدودتر شدن و کوتاه برد شدن مقوله ارتباطات میشد. و این روند ادامه داشت تا اینکه یک مهندس ریاضیات به نام شانون با خود فکر کرد که آیا راه یکپارچه و کاملی برای ارتباط وجود دارد؟ شانون در همین مسیر به نظریه ای رسید که سیستم ارتباطی امروز وابسته به آن است. دوست دارید با این نظریه بیشتر آشنا شوید؟ پس در ادامه با مالتینا بلاگ همراه باشید.

سرآغازی برای اختراع آینده توسط کلود شانون

علم زیست شناسی همواره به دنبال قوانین اساسی طبیعت است. ریاضیات به دنبال روش‌های جدید برای ساخت فرضیات قدیمی است. مهندسی در پی ساخت دستگاه‌هایی برای رفع نیاز انسان‌ها است. هر سه این رشته ها در حین وابستگی که دارند با هم متمایز هستند. گاهی در دنیای علم به کسانی برمی خوریم که همزمان به هر سه این دانش ها دست پیدا کرده اند. اما حتی در بین این افراد هم کلود شانون نابغه ای منحصر به فرد بود. او هرگز جایزه نوبل نگرفت و مانند آلبرت انیشتن یا ریچارد فاینمن چه در زمان حیاتش و چه در زمان مرگش در سال ۲۰۰۱ مشهور نشد. بلکه شاهکار او از دغدغه اش برای ایجاد ارتباط یکپارچه و نامحدود در سراسر دنیا آغاز شد. شانون در نامه‌ای به استاد خود ونوار بوش در سال ۱۹۳۹ برخی از ایده‌های اولیه خود را در مورد ویژگی‌های اساس دستگاه‌های عمومی برای انتقال اطلاعات عنوان کرد. سپس بعد از یک دهه تلاش بر روی این مسئله شاهکار خود را در سال ۱۹۴۸ منتشر نمود. او چند دهه پیش یک مقاله نوشت که پایه و اساس کل زیرساخت‌های ارتباطی و زیربنای عصر اطلاعات مدرن شد. زیرساخت هایی که در نهایت ما را به سیستم به هم پیوسته دهکده جهانی رسانده است.

کلود شانون که بود؟

کلود شانون در ۳۰ آوریل ۱۹۱۶ در پتوسکی میشیگان به دنیا آمد. پدر شانون یک تاجر مهاجر بود که به نیوجرسی آمده بود و مادرش به عنوان معلم زبان در دبیرستان کار می‌کرد. شانون در همان شهر به دبیرستان رفت.  او از دوران نوجوانی به علوم و ریاضیات علاقه مند شد و البته به وضوح استعدادش را در این زمینه‌ها نشان می‌داد.

شانون در خانه به ساختن وسایل مختلفی مثل هواپیما یا قایق کنترلی می‌پرداخت و برای یادگیری مفاهیم بیشتر در این زمینه همیشه مشتاق بود. وی در سال ۱۹۳۲ به دانشگاه شهر میشیگان راه پیدا کرد و در همان سال‌های نخستین با یافته‌ها و پژوهش های جورج بول آشنا شد. در سال ۱۹۳۶ شانون با دو مدرک مهندسی برق و ریاضیات، از دانشگاه فارق التحصیل شد.

وی در مقطع کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق به ادامه تحصیل پرداخت. در همان دوران بود که با دستگاه تحلیل دیفرانسیلی ساخته ونیوار بوش به عنوان اولین دستگاه نسبتا کامپیوتری آشنا شد. شانون در حین بررسی دستگاه و مطالعه مدارهای ad hoc مدارهای سوئیچینگ را هم بر اساس یافته‌های خود بول برایش طراحی کرد.

پس از این همکاری، مطالعه در زمینه مدارهای سوئیچینگ و رله‌های کامپیوتری، به زمینه اصلی مطالعات شانون تبدیل شد. او در سال‌های بعد به پیشرفت‌های چشمگیری در این زمینه دست یافت و در سال ۱۹۳۷ از همین دستاوردها برای تحلیل پایان نامه خود استفاده کرد.

پایان نامه شانون با نام A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits  در سال ۱۹۳۸ منتشر شد. شانون در مقاله حاصل از پایان نامه‌اش توضیح داد که از مدارهای سوئیچینگ می‌توان برای ساده سازی ترکیب رله‌های الکترومکانیکی در شبکه‌های تلفن کمک گرفت. در ادامه مقاله مدارهای مد نظر شانون به عنوان راهکاری برای حل مسائل جبر بولی معرفی شدند. در فصل پایانی هم دیاگرام‌هایی از مدارهای سوئیچینگ به صورت مثال ذکر شدند.

 پایه گذار عصر دیجیتال

ما از آنجا کلود شانون را مخترع آینده می‌دانیم که یافته های او که در پایان‌نامه‌اش عنوان شده‌اند، تاثیر زیادی بر توسعه دنیای الکترونیک و ارتباطات داشته است. مفاهیمی که شانون در در پایان نامه‌اش عنوان کرد، درواقع پایه‌های تمام کامپیوترهای دیجیتالی و الکترونیکی را شکل داد. کارهایی که شانون در آن دوره انجام داد، پایه گذار طراحی مدارهای دیجیتالی شد و به خاطر استفاده از این مدارها در دوران جنگ جهانی دوم، شانون و یافته‌هایش بیش از پیش شناخته شدند.

پایه‌های نظری کارهای شانون روش ad hoc را منسوخ نمود. بعد از فارغ التحصیلی، وینوار بوش به او پیشنهاد داد که در آزمایشگاه کلد اسپرینگ مشغول به کار شود. بوش سعی داشت شانون را به فرمول‌سازی ریاضیات در حوزه ژنتیک تشویق کند و که در نهایت سبب شد شانون پایان نامه دکتری خود را هم در همین زمینه بنویسد. پایان نامه دکتری شانون با نام An Algebra for Theoretical Genetics به رشته تحریر درآمد.

جنگ جهانی دوم و رمزنگاری

در سال‌های جنگ جهان دوم، شانون در آزمایشگاه بل تحقیقاتش را ادامه داد. او در زمینه سیستم‌های کنترل آتش و رمزنگاری فعالیت می‌کرد. وی در سال ۱۹۴۲ مفهومی به نام نمودار گذر سیگنال را معرفی نمود.

در همین حین بود که شانون با آلن تورینگ ملاقات کرد. تورینگ که عاشق رمزنگاری مکالمات زبانی بود، سعی داشت برای شکستن رمزهای استفاده شده توسط نازی‌ها به دولت کمک کند. وی با همین هدف به واشنگتن رفت تا با بخش رمزنگاری نیروی دریایی آمریکا دیدار کند. و در این سفر چند ساعت هم در آزمایشگاه بل سپری کرد. در همین دیدار بود که تورینگ مقاله‌ خود در زمینه شرح ماشین‌های محاسبه‌ای تورینگ را به شانون نشان داد. این مقاله همخوانی زیادی با نظریات خود شانون داشت و توانست در پیشبرد اهدافش به او کمک کند.

نزدیک پایان جنگ جهانی دوم بود که شانون نتایج تحقیقاتش را در کنار دانشمندان و محققان دیگر به کمیته تحقیقات دفاعی آمریکا ارائه کرد. در این تحقیقات اشاراتی به بهینه سازی داده در سیستم‌های کنترل آتش شده بود و ایده‌هایی برای جداسازی سیگنال‌های مفهومی از نویز در سیستم‌های ارتباطی بیان شده بود. همین ایده‌ها به نوعی شروع کننده عصر اطلاعات شدند.

بعد از جنگ شانون فعالیت‌های خودش را در این حوزه ادامه داد و نظریه‌هایش را کامل‌تر کرد. او بعدها مطالعاتش را تحت یک مقاله طبقه بندی نشده، در مجله آزمایشگاه بل منتشر نمود. این مقاله حاوی مفاهیم و فرمول‌‌سازی‌های ریاضی بود که در مقاله نظریه ارتباطات شانون هم مشابه آن‌ها به چشم می‌خورد.

نظریه اطلاعات

در سال ۱۹۴۸ مقاله مشهور شانون با نام A Mathematical Theory of Communication  منتشر شد. شانون در این مقاله سعی داشت روشی برای کدگذاری اطلاعات فرستنده فرضی پیدا کند. شانون در مطالعاتی که در این زمینه در مقاله “احتمالات نوبرت وینر” منتشر شده بود، استفاده کرد. وی در مقاله نظریه اطلاعات، یک مفهوم جدید به نام انتروپی اطلاعات را عنوان نمود که برای اندازه گیری قطعیت نداشتن پیام‌ها ابداع شده بود.

این مفهوم پایه گذار نظریه اطلاعات شد. در سال بعد شانون و رابرت فانو یک راهکار سیستمی برای رمزگذاری حروف و کلمات ابداع کردند. این سیستم که با نام روش کد گذاری شانون فانو مشهور شد، پیش از این به طور خلاصه در مقاله نظریه شانون مطرح شده بود.

در سال‌های آتی وارن ویور نظریه اطلاعات شانون را به بیان ساده‌تر در کتاب خود منتشر کرد. هدف او از این کار این بود که افرادی که در این زمینه تخصص ندارند هم بتوانند ابداعات شانون را درک کنند.

شانون معتقد بود چیزی که به رد کردن مشکل نویز و رسیدن به پیام‌های مطمئن و پایدار کمک می‌کند، در داخل خود پیام‌ها نهفته است. وی در یادداشت‌های خودش نوشته بود که معنای هر پیام ربطی به روش انتقال آن ندارد. به عبارتی پیام را باید یک دنباله با مشخصات آماری دانست. همین دنباله باید جمع آوری شده و بعد از کوتاه سازی و کد گذاری انتقال آن را بهینه کرد. در نتیجه هر چقدر که آنتروپی یک پیام بیشتر باشد، زمان و انرژی مورد نیاز برای انتقالش هم متفاوت خواهد بود.

شانون از مفهوم بیت که توسط جان توکی ابداع شده بود، استفاده کرد و معتقد بود که اطلاعات هر پیام باید به صورت بیت اندازه گیری شود. در ادامه فعالیت‌ها او محدودیت پیام رسانی را با ظرفیت کانال ارتباطی و بیت‌های اطلاعات پیام‌ها ربط داد. در سال‌های بعد مهندسان ارتباطات از دستاوردهای پایانی شانون به عنوان محدوده شانون استفاده کردند.

نظریه ریاضی ارتباطات کلود شانون

قلب نظریه او یک مدل ارتباطی ساده اما بسیار کلی است: یک فرستنده، اطلاعات را به‌صورت سیگنال رمزگذاری می‌کند که به شکل نویز ارسال می‌شوند و در مرحله بعد این اطلاعات توسط گیرنده رمزگشایی و خوانده می‌شوند. باوجود سادگی، مدل کلود شانون شامل دو بینش کلیدی است:

  • جدا کردن منابع اطلاعات و نویز از سیستم ارتباطی که باید طراحی شود
  • مدل‌سازی هر دو منبع

او تصور می‌کرد که منبع اطلاعات یکی از بیشمار پیام‌های ممکن برای برقراری ارتباط را ایجاد می‌کند که هر یک از آن‌ها میزان خاصی از احتمال را دارد. نویز احتمالی نیز باعث بیشتر شدن پیش امدهای غیرقابل پیش بینی برای جدا شدن گیرنده می‌شود.

قبل از فرضیه شانون مسئله ارتباطات در درجه اول به‌عنوان یک مسئله قطعی بازسازی سیگنال دیده می‌شد: چگونه می‌توان سیگنال‌های دریافتی تحریف‌شده و رمزگذاری شده را تغییر داد تا نسخه اصلی را با دقت بیشتری بازسازی کرد؟ نبوغ شانون در مشاهداتش این بود که عنوان کرد کلید ارتباط عدم اطمینان است.

کلاد شانون

یک نمودار شماتیک از مدل ارتباطی شانون همان‌طور که از مقاله او گرفته‌شده است.

این مشاهده منفرد، مسئله ارتباطات را از حالت فیزیکی به حالت انتزاعی تغییر داد و به شانون اجازه داد تا با استفاده از احتمالات، عدم قطعیت را مدل کند. این کار کاملاً مهندسان ارتباطات آن روزها را شوکه کرد. شانون سعی داشت در مقاله خود با نگاهی به چهارچوب عدم اطمینان و احتمال، حدود اساسی ارتباطات را به طور سیستماتیک مشخص کند. ایده وی در سه بخش ارائه شد. ایفای نقش اصلی در هر سه مفهوم اطلاعات بر عهده بیت است که توسط شانون به‌عنوان واحد اصلی عدم قطعیت استفاده می‌شد. کلمه “بیت” درواقع یک کلمه مرکب شامل یک عدد دوتایی است که شامل هر یک از اعداد ۰ و ۱ است و مقاله کلود شانون اولین مقاله‌ای است که از این کلمه استفاده می‌کند (اگرچه وی گفته است که جان توکی ابتدا از آن‌ها در یادداشت‌های خود استفاده کرده است).

گرچه نظریه شانون درواقع ارتباطات است، اما در عین حال نظریه ای درباره نحوه تولید و انتقال اطلاعات هم هست. به این ترتیب نام این نظریه به مرور زمان به نظریه اطلاعات تغییر یافته است. بنابراین شانون اکنون به عنوان “پدر نظریه اطلاعات” شناخته می شود.

دانشمند، ریاضیدان و مهندس

نظریه عمومی شانون در مورد ارتباطات به اندازه ای منطبق بر واقعیت است که گویی قوانین ارتباطات جهان را، کشف کرده است، نه اینکه آنها را ابداع کند. نظریه او به اندازه قوانین فیزیکی طبیعت اساسی است. از این نظر شانون دانشمند بود.

شانون ریاضیات جدیدی را برای توصیف قوانین ارتباطات ابداع کرد. وی ایده های نوینی مانند نرخ آنتروپی مدل عدم قطعیت که در شاخه های مختلف ریاضیات مانند نظریه ارگودیک کاربرد دارد را ارائه نمود. از این نظر شانون یک ریاضیدان است.

اما بیش از همه اینها شانون یک مهندس بود. درواقع مشکلات عملی در زمینه مهندسی محرک ایده اطلاعات شانون بود. اگرچه نظریه شانون در دوران خودش خیلی گنگ و نامفهوم بود، اما امروزه به چهارچوب زیربنایی همه سیستم‌های ارتباطی مدرن تبدیل شده است. سیستم‌های نوری، زیر آب و حتی بین سیاره‌ای.

شانون بیش از ۷۰ سال پیش به تمام این یافته‌ها دست پیدا کرد. اما او چطور این کار را انجام داد؟ با تمرکز بی وقفه روی ویژگی اساسی یک مسئله ضمن نادیده گرفتن جوانب دیگر. سادگی مدل ارتباطی شانون، خود بیانگر این موضوع است. او همچنین سعی داشت به جای اینکه به دنبال یک نتیجه سریع و عملی باشد، به دنبال یک جواب درست و محتمل بگردد. شانون صبور بود و می‌دانست که برای حل بخش‌هایی از مسئله باید زمان بگذرد و دنیا به کشفیات و ابداعات جدیدتری دست پیدا کند.

کارهای شانون کمک زیادی به رشد علم در زمینه مرتبط با مطالعات او می‌کرد. یک جمله معرف وجود دارد که می‌گوید کار اصلی را کسی می‌کند که درخت دانش را هرس می‌کند و شاخه‌های بلااستفاده و اضافه را کنار می‌گذارد و یک ارتباط و همبستگی بین شاخه‌های باقی مانده ایجاد می‌کند. نه اینکه فقط به شاخه های آن اضافه کند.

زمانی که شانون مطالعات خودش را شروع کرد، مهندسان زیادی قبل از او به مجموعه بزرگی از دانش و کشفیات و ابداعات دست یافته بودند. اما شانون سعی کرد یک وحدت و ارتباط بین این کشفیات ایجاد کند و به نوعی آن‌ها را به کار ببرد. به این ترتیب توانست به نتایجی برسد که تا نسل‌های بعد یک مرجع برای دانشمندان ایجاد کند.

نظر شما چیست ؟

شما در مورد شانون چه فکر می کنید؟  آیا او را یک دانشمند افسانه ای می دانید که آنطور که باید شناخته نشده یا او را تنها یکی از هزاران مخترعی می بینید که در شکل گیری جهان حاضر نقش داشته اند. آیا دانشمند دیگری را شایسته تر برای عنوان مخترع آینده می دانید؟ نظر خود را در بخش نظرات با ما به اشتراک بگذارید.

منابع:

quantamagazine

مطالب پیشنهادی مالتینا بلاگ:

سینمای سایبر پانک چیست؟ در آینده فیلم ها چگونه ساخته می شوند؟

دیدگاه خود را بیان کنید :

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *