2008/03/07

Science For All American -- Chap. 8 -- Communication and Information Processing

Science For All American -- Chap. 8 -- Communication and Information Processing

[8-1 .. 23]および[8-24 .. 34]に続いて、[Science For All Americans翻訳プロジェクト --Chapter 8: THE DESIGNED WORLD ... 8-35〜8-48]

ここは、通信および情報処理についての記述で、さすがに古色蒼然たる記載内容も見られる。しかし、大筋は現在でも有効。特に、シミュレーション(数値実験)については、科学を知る上で、必ず知っておくべき項目である。





Chapter 8: THE DESIGNED WORLD
第8章:設計された世界



AGRICULTURE ............................ 農業
MATERIALS AND MANUFACTURING ...... 材料と製造
ENERGY SOURCES AND USE ..エネルギー供給と利用
COMMUNICATION ............ コミュニケーション
INFORMATION PROCESSING ............. 情報処理

HEALTH TECHNOLOGY .................. 医療技術




COMMUNICATION
コミュニケーション



People communicate frequently, if not always well. Hundreds of different languages have evolved to fit the needs of the people who use them. Because languages vary widely in sound, structure, and vocabulary and because language is so culturally bound, it is not always easy to translate from one to another with precision. Written communications -- from personal letters to books and junk mail -- crisscross continents and reach the farthest outposts. Telephones, radio, television, satellites, sound and optical recordings, and other forms of electronic communication have increased the options and added to the flow of information.

いつもうまくいくわけではないが、人々はしょっちゅうコミュニケーションをとる。人々の必要性に応じて、幾百の異なる言語が進化した。これらの言語の発音や構造や語彙は大きく異なっており、言語は文化に拘束されているので、正確にひとつの言語から別の言語に翻訳するのは、容易というわけではない。個人の手紙から本まで、そしてジャンクメールなど、文字に記されたコミュニケーションは、大陸を縦横に動き、最辺境にも届く。電話やラジオやテレビや衛星や録音・録画や、その他の電子コミュニケーションは、選択の幅を広げ、情報の流れを増加させた。

Communication involves a means of representing information, a means of transmitting and receiving it, and some assurance of fidelity between what is sent and what is received. Representation requires coding information in some transmission medium. In human history, the natural media have been mechanical contact (touch), chemicals (smell), sound waves (speech and hearing), and visible light (vision). But reliability and permanence require a medium for recording information. The reliable medium that developed first was the marking of solid materials—wood, clay, stone, and eventually paper. Today, we also mark, microscopically, plastic disks and magnetic tape. These modified materials can endure for many years, and can be moved great distances with their encoded information intact.

コミュニケーションは、情報を表現する手段・それを送受信する手段・送受信の正確さについての何らかの保証などを必要とする。情報の表現は、伝達媒体への情報のコーディングを必要とする。人間の歴史において、天然媒体は、物理的な接触(感触)・化学(嗅覚)・音波(発声と聴覚)・可視光(視覚)であった。しかし、信頼性と永続性を実現するには、情報を記録する媒体が必要となる。最初に発達した信頼性のある媒体は、木材や粘土や石、そして最後は紙という固体だった。今日でも我々は、プラスティックのディスクや磁気テープにミクロ的にマークをつけている。これらの修正された媒体は長持ちできて、コード化された情報を無傷で長い距離を運べる。

With the invention of devices to generate and control electric current, information could be encoded as changes in current and could be conveyed over long distances by wire almost instantaneously. With the discovery of radio waves, the same information could be encoded as changes in wave pattern and distributed in all directions through the atmosphere without the need of connecting wires. Particularly important was the invention of electronic amplifiers, in which a weak electrical signal controls the flow of a much stronger electric current, impressing it with the same pattern of information. Recently, the efficient control of light waves in lasers has made possible the encoding and transmitting of information as pulses in light intensity over optical fibers.

電流を発生・制御するデバイスの発明により、情報を電流の変化としてコード化できるようになり、電線を伝って、ほぼ瞬間的に長距離に情報を伝達できるようになった。電波の発見で、同じ情報は波パターンの変化としてコード化できるようになり、有線でつながなくても、大気中を全方向に配信できるようになった。特に、弱い電気信号で、はるかに強い電流を制御し、同じパターンの情報を印加することができる、電子アンプの発明は重要である。近年では、レーザー光の効果的な制御により、光ファイバー上のパルスとしてコード化された情報が送れるようになった。

Information can be coded in analog or digital form. For example, originally both wired and wireless electric communication were only in the digital form of off-and-on bursts, requiring an artificial code to represent letters and numbers. A great advantage came with the invention of electronics -- devices to transform sound and light signals into electrical signals, and vice versa. Electronics made it possible to transmit analog signals that represent subtle variations in sound or light and to transcribe those signals as continuous variations in some medium. The ability to transcribe information microscopically and to transmit information at very high rates now makes possible the reduction of distortion and noise in processing analog signals by returning to the reliability of off-and-on digital signals. Analog signals of all sorts can now be sampled and represented as numbers, stored or transmitted in that form, and conveniently processed by computers, and perhaps returned to analog form for sound or graphic display.

情報はアナログやデジタル形式でコード化できる。たとえば、もともと有線通信も無線通信も、文字および数字を示す人為的コード化を必要とする、オンとオフのバーストというデジタル形式だった。音声信号および光信号を電気信号に変換し、逆に電気信号を音声信号および光信号に変換するデバイスであるエレクトロニクスの発明によって、コミュニケーションは大きく発展した。エレクトロニクスは、音や光の微妙な変化を記述するアナログ信号を伝送し、それらの信号を媒体上の連続変化として記録することを可能とした。ミクロに情報を転写し、超高速に情報を伝達する能力は、アナログ信号をオン・オフのデジタル信号に復調することで、歪とノイズを削減できる。今では、あらゆる種類のアナログ信号は、サンプリングや数値として記述やその形式での格納あるいは伝送やコンピュータでの処理が可能であり、おそらく音やグラフィックについてアナログ形式に復調することが可能である。

The basic technical challenge of communication is to keep the signal large compared to the noise, which always tends to increase when information is recorded, transformed, or transmitted. The ratio of signal to noise can be improved by boosting the signal or by reducing the noise. Signals can be kept strong by amplification or by preventing energy loss (as by focusing them in a narrow beam of waves). Noise can be limited by isolating the signal from external noise sources (as by shielding microphone cables) or by reducing internal sources of noise (as by cooling an amplifier). A very different way to minimize errors from noise in communication is by means of repetition or some other form of redundancy that allows comparison and detection of errors. Some redundancy is always desirable in communication, because otherwise a single error may completely change the meaning of a message.

情報が記録・変換・転送される際に大きくなるノイズに対して、シグナルを大きく保つことは、コミュニケーションの基本的テクノロジーの挑戦である。シグナルを強化したり、ノイズを削減することで、SN比を向上できる。シグナルの増幅あるいは、波を狭い幅のビームに集束させることによるエネルギーロスの抑止によって、シグナル強度を保てる。電話線をシールドして外部ノイズ源から保護したり、アンプを冷却して内部ノイズを削減することにより、ノイズが大きくならないように制限できる。コミュニケーションにおいてノイズによるエラーを最小化する、まったく異なる方法は、比較およびエラー検出を可能とする反復もしくは何らかの冗長性の利用である。コミュニケーションにおける冗長性は常に望ましいことである。というのは冗長性がなければ、ひとつのエラーでメッセージの意味がまったく変わってしまうかもしれないからである。

Communication sometimes requires security. Mail can be intercepted and copied, telephone wires can be tapped, over-the-air communications can be monitored. Privacy can be protected by preventing access to signals (for example, by using locks and passwords) or by preventing interpretation of them (such as by using secret codes). The creation of secret codes that are extremely difficult to figure out is an interesting application of number theory in mathematics. As the techniques of providing security improve, however, so do techniques for penetrating it.

コミュニケーションは時々セキュリティが必要である。メールは横取りしてコピーでき、電話線は張り替えられ、無線通信はモニターできる。ロックとパスワードを使ったりして信号にアクセスするのを阻止したり、暗号化して読み取れないようにすることで、プライバシーを保護可能である。解読困難な暗号の生成は、数学の数理論の興味ある応用である。しかし、セキュリティを保証するテクノロジーの発展に従って、それを突破するテクノロジーも発展している。


INFORMATION PROCESSING 情報処理



Technology has long played an important role in collecting, storing, and retrieving information, as well as in transporting it. The invention of writing, tables of data, diagrams, mathematical formulas, and filing systems have all increased the amount of information we can handle and the speed with which we can process it. Large amounts of information are essential for the operation of modern societies; indeed, the generation, processing, and transfer of information is becoming the most common occupation of workers in industrialized countries.

テクノロジーは情報の伝送とともに、情報の収集・格納・検索において重要な役割を長きにわたって果たしてきた。文章・表データ・図・数式・ファイリングシステムの発明は、すべて操作可能な情報量を増大させ、処理する速度を向上させてきた。大量データは現代社会の活動に不可欠である。たとえば、情報の生成・処理・転送は工業化社会における労働者の最も一般的な仕事になっている。

Information is most useful when it is organized and represented by orderly collections of symbols. People use tables, indexes, alphabetical lists, and hierarchical networks to organize large amounts of data. The best way to store information depends on what is to be done with it. Information stored with one purpose in mind may be very troublesome to retrieve for other purposes (for example, the alphabetical listing of telephone numbers is ideal if one knows a person's name, but not if one knows only the address). Multipurpose data bases enable the information to be located in several different ways (for example, books listed by author or title or subject). A typical feature of such information systems is attaching to each data entry a prescribed set of key words that a computer can search for matching items.

記号が規則正しく格納され、整理されていると、情報は最も利用しやすくなる。大量のデータを整理するために、表やインデックスやアルファベット順のリストや階層化されたネットワークなどを用いる。最良のデータ格納方法は、そのデータの用途によって異なる。ある目的で格納された情報は、別の目的では非常に取り出しにくくなる。たとえば名前がわかっていれば名前のアルファベット順の電話帳は理想的だが、住所がわかっているときには、それは役に立たない。多目的データベースは情報を異なる方法で配置できる。たとえば、本は著者と表題と内容でリストできる。そのような情報システムの典型的な特徴は、コンピュータがマッチした項目を検索できるように、各データエントリに複数のキーワードを付与していることである。

Mechanical devices to perform mathematical or logical operations have been around for centuries, but it was the invention of the electronic computer that revolutionized information processing. One aspect of mathematical logic is that any information whatsoever -- including numbers, letters, and logical propositions -- can be coded as a string of yes-or-no bits (for example, as dots and dashes, 1's and 0's, or on/off switches). Electronic computers are essentially very large arrays of on/off switches connected in ways that allow them to perform logical operations. New materials and techniques have made possible the extreme miniaturization and reliability of no-moving-parts switches, which enable very large numbers of connected switches to be fitted into a small space. Very small size also means very short connections, which in turn mean very brief travel time for signals; therefore, miniaturized electronic circuits can act very quickly. The very short times required for processing steps to occur, together with the very large number of connections that can be made, mean that computers can carry out extremely complicated or repetitive instructions millions of times more quickly than people can.

数学処理や論理処理を実行する機械式装置は幾世紀にもわたって存在してきたが、情報処理に革命をもたらしたのは電子計算機の発明であった。数理論理の一面は、数字・文字・論理命題を含む情報はすべて、yes-or-noのビット文字列としてコード化できることである。たとえば、ドットとダッシュ、"1"と"0"、スイッチのオンとオフなど。電子計算機は、基本的には、論理演算を行えるように結合された非常に多くのオン・オフスイッチである。新しい材料と新しいテクノロジーは、徹底した小型化し、稼動部のない信頼性の高いスイッチを可能にした。これにより、膨大な数のスイッチを小さなスペースに実装することを可能とした。サイズが非常に小さいことは、スイッチ間の接続も非常に短距離であることを意味する。それは、信号がスイッチ間を短時間に伝達できることを意味する。従って、小型化された電子回路は、高速処理が可能となる。コンピュータは、処理ステップの実行にはわずかの時間しか要せず、膨大量のコネクションを処理できる。従って、非常に複雑な処理や数百万回の反復処理を人間が行うよりも、ずっと高速に処理できる。

The activity of computers is controlled partly by how they are wired, partly by sets of coded instructions. In general-purpose computers, instructions for processing information are not wired in but are stored temporarily (like other information). This arrangement permits great flexibility in what computers can do. People give instructions to computers through previously programmed software or by means of original programs written in a programming language. Programming languages enable a programmer to compose instructions with something like English or algebra, or geometrical manipulation of diagrams. Those instructions are then translated by another program into machine language for the computer. Often, the program calls for other inputs in the form of data entered by keyboard, from an information-storage device, or from an automatic sensing device. The output of a computer may be symbolic (words, numbers) or graphic (charts, diagrams), or it may be the automatic control of some other machine (an alarm signal, an action of a robot) or a request to a human operator for more instructions.

コンピュータの動作の一部はハードワイヤードで、一部は命令コードセットで制御される。汎用コンピュータでは、情報を処理する命令はハードワイヤードではなく、他の情報と同様に一時的に格納される。このような配置にすることで、コンピュータの処理能力に柔軟性を持たせることができる。人間は、既にプログラムされたソフトウェアもしくは、プログラミング言語で記述されたオリジナルプログラムによって、コンピュータに命令する。プログラミング言語を用いることで、プログラマーは英語あるいは代数学のような記述、あるいは幾何学的図式で、操作を組み上げることが可能となる。それらの命令は、コンピュータで動作させるために、別のプログラムによって機械語に翻訳される。多くの場合、プログラムは、キーボードや情報記憶装置や自動検出装置からの入力を必要とする。コンピュータの出力はシンボル(単語や数字)であったり、グラフィック(チャートやダイアグラム)だったり、(アラームシグナルやロボットの動作など)他のマシンの自動制御だったり、人間のオペレータへの指示の要求だったりする。

An important role of computers is in modeling or simulating systems -- for example, the economy or the weather, a grid of traffic lights, a strategic game, or chemical interactions. In effect, the computer computes the logical consequences of a set of complicated instructions that represent how the system works. A computer program is written that specifies those instructions and is then run, beginning with data that describe an initial state of the system. The program also displays subsequent states of the system, which can be compared to how the systems actually behave to see how good our knowledge of the rules is and to help correct them. If we are sure we know all the rules well, we can use the consequence-deducing power of computers to aid us in the design of systems.

コンピュータの重要な役割はモデル化やシミュレーションである。たとえば、経済や天候や交通信号や戦略ゲームや化学反応など。実際には、コンピュータはそのシステムがいかに働くかを模擬させた複雑な命令セットの論理的帰結を計算する。コンピュータプログラムは、それらの命令を指示し、システムの初期状態を記述するデータから開始して実行させるように書かれている。プログラムはシステムの将来の状態を計算できて、それをシステムが実際にどう振る舞うかと比較可能である。その比較により、我々のシステムの規則性についての知識がどれくらい正しいかを評価し、誤りを修正することが可能となる。我々がシステムの規則性をすべて知っていると確信できれば、我々はコンピュータの帰結演繹力を使って、システムの設計を支援できる。

An important potential role for computer programs is to assist humans in problem solving and decision making. Computers already play a role in helping people think by running programs that amass, analyze, summarize, and display data. Pattern-searching programs help to extract meaning from large pools of data. An important area of research in computer science is the design of programs -- based on the principles of artificial intelligence -- that are intended to mimic human thought and possibly even improve on it. Most of human thought is not yet well understood, however. As is true for simulations of other complex systems such as the economy or the weather, comparison of the performance of programs with the phenomena they represent is a technique for learning more about how the system works.

コンピュータプログラムの重要な潜在的役割は、人間が問題解決および意思決定を行うことを支援することである。コンピュータは既に、データの蓄積・分析・要約・表示するプログラムを実行することで、人間の思考を支援する役割を果たしている。パターン検索プログラムは巨大なデータプールから、意味のあるデータの抽出するのを支援している。人間の思考を模倣し、さらにはそれを超えることを目指した、人工知能の原理に基づくプログラムのデザインが、コンピュータサイエンスの重要な研究分野となっている。しかし、人間の思考はまだ、十分には理解が進んでいない。経済や天候のような他の複雑なシステムのシミュレーションと同じく、プログラムの実行結果と現象の比較は、システムがどう働くかを学ぶためのテクニックである。

In mechanical systems that are well understood, computers can provide control that is as good as, or more precise and rapid than, deliberate human control. Thus, the operation of automobile engines, the flight control of aircraft and spacecraft, and the aiming and firing of weapons can be computerized to take account of more information and to respond much more rapidly than a human operator could. Yet, there are also risks that the instructions or the information entered may contain errors, the computer may have malfunctions in its hardware or software, and even that perfectly reliable computers, programs, and information may still give faulty results if some relevant factors are not included in the programs or if any values of included factors fall outside of their expected range. Even if the whole system is technically flawless, though, a very complex high-speed system may create problems because its speed of response may exceed human ability to monitor or judge the output.

よくわかっている機械システムでは、コンピュータは、慎重な人間の制御と同等もしくはそれ以上に正確かつ迅速に制御できる。従って、自動車のエンジンの制御や航空機や宇宙船の管制や兵器の照準・発射などは、人間のオペレータよりも多くの情報を考慮して、より迅速に反応するようにコンピュータ化できる。とはいえ、入力される指示やデータにエラーが含まれていたり、コンピュータのハードウェアやソフトウェアに故障があったりするかもしれない。たとえ完全に信頼できるコンピュータとプログラムと情報であっても、関連するファクターがプログラムで考慮されていなかったり、ファクターの値が想定外であれば、不完全な結果しか出せないかもしれない。たとえ全システムが技術的に完璧であったとしても、複雑で高速なシステムは、その速度が人間がその出力を監視・判断する能力を超えてしまうことで、何らかの問題を起こすかもしれない。

The complexity of control in today's world requires vast computer management of information. And as the amount of information increases, there is increasing need to keep track of, control, and interpret the information -- which involves still more information, and so on through more layers of information. This flood of information requires invention of ways to store it in less space, to categorize it more usefully, to retrieve it more quickly, to transmit it at a higher rate, to sort it and search it more efficiently, and to minimize errors -- that is, to check for them and to correct them when they are found. As for communication, information storage also involves issues of privacy and security. Computer-managed information systems require means for ensuring that information cannot be changed or lost accidentally and that it will be unintelligible if unauthorized access does occur.

今日の世界の制御の複雑さは、大量の情報のコンピュータ管理を必要とする。そして情報量の増大とともに、さらなる情報を内包した情報を、多層化された情報として、追跡・制御・解釈する必要性が高まる。この情報洪水により、より小さなスペースに、より多くの情報を格納し、より迅速に情報を取り出し、より高速に転送し、より効率的にソートおよび検索し、エラーを発見したら検査修正するようなエラーを最小化するテクノロジーの発明が必要となる。コミュニケーションについては、情報を格納することは、プライバシーおよびセキュリティ問題を伴う。コンピュータで管理された情報システムでは、情報が偶発的に改変されたり失われたりせず、不正アクセスされても有意味な情報を引き出されないことを保証する手段が必要である。
posted by Kumicit at 2008/03/07 01:11 | Comment(0) | TrackBack(0) | Public Documents | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
この記事へのコメント
コメントを書く
お名前:

メールアドレス:

ホームページアドレス:

コメント: [必須入力]


この記事へのトラックバック