Tại sao phát hiện ra lý thuyết thông tin lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?

Bất kể là bạn lên mạng lướt web, tải xuống các tập tin, in những dữ liệu có trong máy tính của bạn hay sử dụng máy điện thoại di động, xem DVD hay nghe đĩa CD đều nhờ vào khám phá của Claude Shannon. Cả cuộc cách mạng số đều được khởi nguồn và gắn liền với những đóng góp vĩ đại của ông: thông tin có thể chuyển hóa thành dữ liệu số và được xử lý giống như bất kỳ lưu lượng vật chất nào trong vật lý.

Claude Shannon đã vật lý hóa thông tin, giúp các nhà vật lý học và công trình học chuyển từ kỹ thuật tính toán mô phỏng sang kỹ thuật số, mở ra cánh cửa rộng lớn của thời đại số. Trong bài viết năm 1948 của ông đã miêu tả tính chất số của tin tức và điều này đã được gọi với cái tên “ đại hiến chương” của thời đại số.

Lý thuyết thông tin được phát hiện ra như thế nào?

Claude Shannon sinh năm 1916 tại vùng quê Chicago. Từ nhỏ ông đã là một thiên tài trong lĩnh vực điện tử. Từ một lưới thép gai sắc nhọn ông đã chế tạo ra hệ thống điện thoại cá nhân và sau đó ông kiếm tiền bằng cách cải tiến máy thu thanh. Ông đạt được học vị tiến sĩ toán học tại Viện công nghệ Massachusetts. Giáo sư học viện nói ông rất thông minh nhưng lại khá chểnh mảnh, ông dành toàn bộ thời gian để thiết kế đĩa bay trò chơi dạng động cơ tên lửa và máy tung hứng làm xiếc.

Năm 1938, luận văn thạc sĩ của ông (một phần trong nghiên cứu của ông) đã làm chấn động giới vật lý. Trong luận văn, ông đã chỉ ra một mạch điện tử đơn giản lại có thể hoàn thành toàn bộ những phép toán của logic ký hiệu Boolea, hơn nữa mạch điện tử này lại hoàn toàn khớp với những phép tính số học của thiên tài người Anh – George Boole ở thế kỷ XIX. Claude Shannon là người đầu tiên chứng minh phép tính số học phức tạp có thể được tính toán bằng các mạch điện tử. Luận văn của ông mở ra một kỷ nguyên máy tính số và mười năm sau đó máy tính số đã ra đời.

Sau thời tốt nghiệp, Claude Shannon được mời đến làm việc tại phòng thí nghiệm điện thoại Bell ở New Jersey. Khi đó các kiến trúc sư làm việc đây đang phải đối mặt với một vấn đề nan giải: làm sao để chèn càng nhiều “thông tin” vào trong hệ thống dây điện vốn rất ồn nhiễu hay trong các kênh sóng cực ngắn (sóng viba)? Họ đã giao vấn đề khó khăn này cho George Shannon giải quyết mặc dù ông được biết đến nhờ sự nổi tiếng chỉ là một người đi xe đạp một bánh quanh hành lang của phòng thí nghiệm.

Những người khác cố gắng tiến hành nghiên cứu đối với những thông tin đặc thù như văn bản, hình ảnh, âm thanh… nhưn Shannon lại không chú ý đến những thứ đó và quyết định không nghiên cứu về bất cứ một hình thức truyền tải thông tin đơn nhất nào ví dụ như dây điện, sóng âm xuyên qua không khí, máy thu thanh không dây, sóng viba… Ngược lại ông dồn tâm sức vào việc nghiên cứu một vấn đề cơ bản mà không một ai quan tâm tới đó là: thông tin là gì? Có những thay đổi gì khi thông tin được truyền đi từ vật phát đến vật thu?

Câu trả lời của Claude Shannon đó là: thông tin tiêu năng lượng, trong quá trình truyền đi nó sẽ giảm tính không xác định. Thông tin đã trả lời câu có hay không bằng hình thức đươn giản nhất của nó (một nguyên tử hay một lượng tử năng lượng). Câu trả lời này làm giảm (hoặc mất đi) tính không xác định. Điều này giống như khi ta tung một đồng tiền xu sẽ đặt ra câu hỏi đâu là mặt trên đâu là mặt dưới? Và câu trả lời mang tính không xác định. Nhưng khi đồng xu rơi xuống đất, bạn sẽ biết ngay đâu là mặt trên đâu là mặt dưới, tính không xác định đó đã bị mất đi. Và đó chính là thông tin.

Claude Shannon nhận ra có thể chuyển hóa tất cả thông tin thành một chuỗi dài những bit có hoặc không đơn giản (đơn vị thông tin), và mạch điện là công cụ lý tưởng để xử lý và truyền đi những thông tin số này. Phương pháp này có thể tiến hành bất kỳ dạng thông tin nào và ông đã chuyển hóa thông tin thành một chuỗi các con số biểu thị có hay không dạng số, tức là 1 và 0.

Tiếp đó Claude Shannon đã có thể ứng dụng những định luật vật lý để xử lý lưu lượng thông tin. Ông đã chứng minh rằng có giới hạn về lượng thông tin khi chúng thông qua bất kỳ kênh thông tin nào, điều này giống với một đường ống nước, cho dù áp lực có lớn thế nào đi chăng nữa thì lượng nước qua ống vẫn luôn có giới hạn. Ông còn đưa ra một phương trình toán học để mô tả mối quan hệ giữa phạm trù tuần suất dùng để mang theo thông tin và lượng thông tin được mang theo, mà ngày nay chúng ta gọi nó là “chiều rộng dải tần” hay “băng thông”.

Khám phá của Claude Shannon đã vật lý hóa thông tin, giúp việc xử lý thông tin trở nên dễ dàng hơn, phát hiện của ông cũng giống như nước chảy qua ống nước hay khí được bơm qua tuabin vậy. Và như vậy Claude Shannon đã khám phá ra thông tin là gì và mở ra cánh cửa tiến vào thời đại số hiện đại.

schoolnet