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Signal, bruit et l'unité des opposés
Par notre correspondant d'industrie pétrolière
Jeudi 8 juin 2006
Introduction
Marx et Engels ont pris un intérêt vif pour les développements scientifiques de leur temps et ont écrit un certain nombre d'articles sur des matières scientifiques. Marx lui-même a produit une analyse profonde des bases du calcul différentiel et intégral, non publiées pendant sa vie mais disponibles maintenant sur le Web [I], en lequel il a prévu les développements dans ce sujet qui a eu lieu plus tard au 19ème siècle. Engels dans la « dialectique de la nature » s'est impliqué de certaines des polémiques scientifiques du temps, plaçant ces derniers dans le contexte de la philosophie dialectale et de materialist que lui et Marx avaient développée. Son article « sur le rôle joué par le travail dans la transition de la singe à l'homme », par exemple, est une contribution importante au sujet et est reconnu en tant que tels par certains, sinon tous, anthropologues modernes.
La participation de Marx et d'Engels dans les développements scientifiques et technologiques de leur âge était pour eux une question très pratique. Ils ont vu le développement de la technologie en tant qu'une des clefs à finir la barbarie de la société de classes. Par la technologie il serait possible de soulever la productivité du travail d'humain au point où dans l'expression célèbre de Marx « de chacun selon sa capacité, à chacun selon leurs besoins » pourrait devenir la réalité vivante pour toute l'humanité. Il est une des contradictions les plus profondes du capitalisme, et l'une des indications les plus claires aux lesquelles ce système a complètement survécues lui-même, qui dans des développements techniques de mains privées sont maintenant employés pour abaisser des normes vivantes, jetant des millions sans emploi et laissant des milliards pour faire face à une vie continue de la pauvreté de meulage. En même temps que ses applications militaires, la nouvelle technologie sous le capitalisme maintenant n'augmente pas la vie mais la détruit à la place.
Il y avait également un côté théorique à l'intérêt de Marx et d'Engels pour la science. La politique est principalement une bataille des idées, même si aux points critiques ce peut devenir une bataille physique dans les usines, ou dans les oueds de désert. Elle est fondamentale à la philosophie du matérialisme dialectal que les idées ne tombent pas du ciel, mais est enracinée en réalité physique. C'était en particulier dans des écritures d'Engels sur la science qu'elles pouvaient prouver que les mêmes processus dialectaux du changement qui existent dans la société, des sciences économiques et de la politique existent également dans des processus normaux. Les changements quantitatifs, tels qu'une augmentation de la température d'un liquide, à un certain point deviennent qualitatifs, quand le liquide se transforme en gaz. Les choses qui sont pensées pour être des opposúx, une vague ou une particule par exemple, peuvent être identiques, comme dans la « onduler-particule » de la mécanique quantique. Ce qui est la cause peut également être effet - un ressort pousse mais est également poussé. Les processus répètent, pas comme cercle mais comme spirale. Une graine devient un arbre devient une graine encore, mais avec les changements génétiques fortuits qui peuvent mener à l'évolution et au développement. Le marxisme, matérialisme dialectal, est l'application de ces lois à la société, aux sciences économiques et à la politique, et à la nature.
Cet article regarde une petite part de la science moderne - signal et bruit dans retentir séismique pour l'exploration d'huile - et vise à prouver que les lois dialectales du mouvement peuvent également être vues ici comme dans d'autres parties de nature. Quoique ce soit assez une matière de spécialiste on l'espère que l'article sera d'intérêt non seulement aux lecteurs avec un fond scientifique mais également à n'importe qui qui a un intérêt général pour la science et dans la politique. Engels aussi a écrit parfois au sujet des matières très spécialisées ; en chapitre 4 des « dialectiques de nature » il y a par exemple une discussion détaillée sur la question de ce qui devrait être employé comme mesure de mouvement - élan ou énergie [II]. La présente partie du livre aurait été assez difficile lorsqu'on lui a écrit pendant qu'il traitait les idées qui étaient alors relativement nouvelles, et est probablement bien plus difficile maintenant beaucoup d'ans après quand la polémique est long passé. Autrefois, cependant, il est nécessaire d'obtenir près du détail, même si elle n'est pas complètement franche, afin d'obtenir près de la vérité ; la simplification peut mener à un mensonge.
L'article se concentre sur les aspects techniques de l'exploration séismique pour l'huile, et peu est dit au sujet des conséquences politiques et sociales de l'exploration d'huile. Cela prendrait beaucoup, beaucoup d'articles ; certains sont disponibles dans les sections de ce site Web sur l'Irak, le Nigéria ou le Venezuela. Ces scientifiques et techniciens qui travaillent dans l'industrie pétrolière savent très bien les activités des compagnies qu'elles fonctionnent pour et ses effets sur les pays elles actionnent le po. Ils également connaissent la nature de la gestion dans l'industrie pétrolière - bureaucratique et corrompent, au mieux inefficace, à plus mauvais brutal. Mais le salaire et les conditions qui sont donnés aux scientifiques et aux ingénieurs dans le moyen d'affaires d'huile que beaucoup choisissent de soutenir le statu quo - l'impérialisme occidental sous sa forme plus prédatrice - ou de regarder simplement l'autre manière.
La guerre de l'Irak a fait remettre en cause au moins une minorité de ces scientifiques et ingénieurs le rôle qu'ils jouent, qui ils fonctionnent pour, et ce qui est fait avec le produit de leur travail. Il y a juste le commencement d'une agitation du mécontentement. Cet article est principalement au sujet des matières scientifiques, et l'intention est de prouver qu'il y a des lois dialectales générales de mouvement ce qui peut être vu en nature. Quand ces lois sont appliquées à la société - un autre système complexe et chaotique - les conclusions sont révolutionnaires. Cet article est en particulier adressé à ces scientifiques honnêtes qui souhaitent employer leurs qualifications pour améliorer l'humanité et pour ne pas l'appauvrir. Lire d'autres articles sur cet emplacement, se familiariser avec l'étude scientifique des sciences économiques, de la politique et de la société qui est marxisme. Le capitalisme est incapable de prendre la société en avant. Il traînera l'humanité dans l'abîme sinon arrêté. Vous avez l'occasion de jouer un rôle en empêchant cela, et d'employer vos qualifications techniques pour le bien commun.
Signal et bruit
Dans presque tous les secteurs d'activité humaine il est difficile d'obtenir l'information qui est exempte du bruit. Les effets qui semblent être bidon aléatoire accablent les signaux faibles qu'un scientifique recherche - de la même manière ce bruit cache l'information qui montre la réalité de la société de classes. Le souci pratique de loin le plus grand des scientifiques et des ingénieurs travaillants est comment traiter ce problème - comment obtenir des résultats fiables, comment empêcher le signal accablant de bruit.
Des avances importantes ont été faites dans cette matière en trente dernières années ou ainsi avec l'arrivée des ordinateurs modernes et de la technologie numérique. Un nouveau secteur scientifique entier et la technologie - traitement des signaux - s'est développé que les objectifs pour comprendre les propriétés statistiques et physiques du bruit et du signal dans différentes circonstances et du ce apprennent comment séparer un de l'autre. C'est l'un des grands succès de la technologie numérique - comparer, par exemple, la qualité des images de télévision que nous pouvons recevoir aujourd'hui n'importe où dessus de la planète avec les images grenues faibles des premières émissions transatlantiques.
Souvent le bruit peut sembler être aléatoire, et c'est une idée qui peut être employée pour le déplacement de bruit. Les taches grenues du bruit sur une image photographique, par exemple, semblent être aléatoires comparées à la structure et à la forme du sujet photographique elle-même. Ainsi un programme machine peut détecter et enlever les taches en trouvant ces parties de l'image qui sont aléatoires comparées à leurs environnements.
Mais le bruit n'est jamais vraiment aléatoire. Rien ne se produit sans cause - un point que les défenseurs de la grande théorie de coup devraient penser dur environ. Les phénomènes physiques peuvent être complexes, avec beaucoup de dispositifs agissants l'un sur l'autre, au point que leur comportement devient imprévisible. Mais l'imprévisibilité n'est pas identique que manquant de la cause. Une plume qui est permise de tomber au plancher est déplacée par ce qui sont apparemment les courants d'air aléatoires, de sorte qu'il soit impossible de dire exactement quand ou où elle tombera. Tout au plus il pourrait être possible de décrire le mouvement de la plume par ses statistiques (le temps moyen pris à la chute, la diffusion des positions sur le plancher) et peu davantage. Mais il restent des lois physiques au travail même lorsqu'il y a un Web compliqué de cause et d'effet. La science moderne est commencement juste pour comprendre ce type de comportement que les systèmes complexes, bien que déterminé par des lois physiques causales, peuvent être imprévisibles. La science moderne a redécouvert en fait ce que Hegel a brillamment prévu. La nécessité est exprimée par la chance ; la loi physique est exprimée par des événements apparent aléatoires. Le bruit n'est pas aléatoire ; il peut être impossible difficile ou même à prévoir mais les lois physiques sont autant responsables du bruit que pour le signal.
De la même manière, le signal et le bruit sont habituellement considérés en tant qu'opposúx polaire. Le signal dans une transmission par radio contient l'information, le bruit obscurcit cette information. Le signal a été créé délibérément, le bruit est accidentel. Mais sur une recherche plus étroite la situation est moins claire. Pour un scientifique atmosphérique le bruit de fond entendu sur une radio pourrait contenir des informations utiles sur l'état de l'atmosphère supérieure de la terre. Ce qui est le bruit pour l'auditeur par radio est signal pour le scientifique ; la transmission par radio maintenant obtient de la manière et est bruit. Il y a des cas où le signal et le bruit sont équivalents, où le bruit est une forme de signal et contient l'information semblable à celle dans le signal. Dans un affichage de radar, par exemple, le fond « image de fond » sur l'écran est un pêle-mêle des réflexions qui ont été produites par le rayon de radar et qui ont été dispersées de nouveau au récepteur de radar. C'est bruit pour l'opérateur de radar mais est également une forme de signal, transformée en bruit, et dans quelques circonstances pourrait contenir l'information utile. La distinction entre le signal et le bruit, comme la distinction entre la cause et l'effet, est seulement relative et approximative.
Les systèmes électroniques et les processus physiques se composent en général de beaucoup de différentes mais agissantes l'un sur l'autre pièces. Elle est assez rarement de regarder chaque partie du processus en isolation de l'autre ; c'est utile en commençant pour étudier ce qui se produit mais est au mieux une approximation. Aller plus loin il devient nécessaire pour regarder le processus dans l'ensemble, en termes de ses raccordements et leurs contradictions. Souvent ses caractéristiques peuvent dériver autant de l'interaction entre ses différentes parties que des détails des lois physiques impliquées. « Le tout est plus grand que la somme de ses parties » est une idée familière à beaucoup de scientifiques modernes. Mais la loi dialectale plus générale dont ce rapport est un exemple, cette les changements quantitatifs à un certain point deviennent qualitative, est malheureusement moins bien connue. Tout récemment dans les sciences physiques, légèrement moins récemment en sciences biologiques, avoir les scientifiques commencés pour étudier des processus dans leur intégralité, leur changement et leur développement, pour voir ce qui unifie plutôt que ce qui sépare.
Seismic exploration for oil
Exploration séismique pour l'huile
Un des secteurs où il y a eu un développement significatif de technologie de traitement des signaux en 30 dernières années a été dans l'exploration d'huile, et en particulier dans examiner séismique. Les aperçus séismiques produisent des images qui sont des sections transversales par la structure de la terre, et les géologues de compagnie pétrolière emploient ces images pour décider le meilleur endroit pour forer un nouveau puits. L'information d'un aperçu séismique, ainsi que l'autre information géologique, aide le géologue à découvrir l'histoire géologique de la région, comment les roches ont été fixées et plus tard tordues, où l'huile pourrait avoir formé du matériel organique, comment elle pourrait s'être déplacée depuis lors et quelles roches pourraient avoir emprisonné l'huile pour former un réservoir. Il est ironique que plusieurs des adversaires les plus confirmés de l'évolution, le juste de chrétien en Amérique, soient l'une ou l'autre partie de ou sont près de l'industrie pétrolière - riz de Condoleeza, après le directeur du chevron ; Dick Cheney, après la tête de la compagnie de services de gisement de pétrole Halliburton ; Aîné de Bush et plus jeune, beaucoup et intérêts divers d'huile. D'où est-ce que ces personnes pensent l'huile viennent, et comment la pensent-elles y sont-elles arrivées ? Il est impossible de trouver l'huile sans adopter une approche évolutionnaire et dynamique - c.-à-d. une approche dialectale - à l'arrangement la géologie de la terre.
Un aperçu séismique moderne est une grande opération qui exige un investissement de capital d'équipement significatif, et les compagnies pétrolières contractent habituellement les opérations d'aperçu aux sous-traitants de spécialiste. En mer, un grand bateau d'aperçu remorque un choix d'airguns hydrauliques à haute pression, semblable dans la conception aux exercices pneumatiques, et ceux-ci sont mis le feu périodiquement et produisent les impulsions fortes du bruit qui peuvent pénétrer profondément dans la terre [III]. Les échos sont enregistrés par des milliers de microphones marins sensibles (hydrophones) qui sont remorqués en longs câbles derrière le bateau, et la source séismique est mise le feu à une grille dense des endroits dans tout le secteur d'aperçu.
Des aperçus séismiques ont été employés depuis les années 30 pour trouver l'huile, mais la possibilité d'enregistrement et de traiter les données séismiques digitalement qui sont devenues disponibles pendant les années 60 a mené à une amélioration dramatique de la qualité des images séismiques, semblable à l'amélioration de la qualité des images de télévision qui a été citée précédemment. Pendant les 40 dernières années les compagnies pétrolières et les entrepreneurs séismiques ont investi fortement dans la recherche et le développement séismiques, et il y a maintenant des techniques de traitement disponibles qui peuvent enlever les déformations sérieuses des images séismiques qui sont provoquées par des irrégularités dans les couches de la terre, et qui peuvent enlever plusieurs des différents types de bruit qui sont présents. La quantité de données qui sont enregistrées pendant un aperçu typique a également augmenté considérablement depuis les années 60 pendant que le coût de matériel électronique a diminué. Afin de traiter ces grandes quantités de données les entrepreneurs séismiques ont devenu des utilisateurs principaux de grands systèmes informatiques de puissance élevée, en second lieu seulement aux corps placés par gouvernement tels que les centres météorologiques ou aux militaires. Certaines des techniques se sont développées pour la formation image séismique en fait ont également eu des applications militaires ; il y a également eu une certaine application limitée à la formation image médicale (ultrasons balaye, par exemple) mais ceci s'est produit principalement dans le système médical privé aux Etats-Unis.
Les puits d'huile sont chers, et devenant des compagnies plus chères car des champs existants sont épuisés et plus pétrolières sont forcés de les explorer dans des secteurs plus difficiles. Une huile bien en Mer du Nord, un environnement difficile à travailler dans mais une où la mer est relativement peu profonde, pourrait coûter 10 à 15 millions de dollars d'USA au foret. Bien dans d'eau profonde dans le Golfe du Mexique, actuellement un domaine actif de l'exploration, pourrait coûter pas moins de 50 millions de dollars d'USA. (Le forage nouveaux des puits sur la terre, dans le Moyen-Orient par exemple, est beaucoup meilleur marché - peut-être 1/10th du coût de forage en mer.) la technologie qui améliore même marginalement la qualité des images séismiques employées pour localiser les puits peut être très rentable, même si le résultat de fin est juste un moins sec bien dans dix ou même cent. C'est la raison principale de la dépense significative de recherches et de développement pour le traitement des signaux qui a eu lieu dans l'industrie pétrolière. Les énormes ressources financières qui sont disponibles ici ont mené peut-être à un plus grand degré de dépense sur cette matière que dans beaucoup d'autres industries, excepté la recherche pour des applications militaires.
Dispersion des vagues séismiques
L'information d'un aperçu séismique du lequel le géologue de compagnie pétrolière a besoin est le bruit de la source séismique qui entre directement vers le bas dans la terre, se reflète de chaque couche de roche, et vient directement de nouveau à la surface. Mais les roches de la terre sont souvent très irrégulières et contiennent les dispositifs qui dispersent et tordent les vagues saines. L'exploration séismique est comme regarder par beaucoup de couches tordues de verre givré de différentes épaisseurs ; l'image est tordue, est faible, et est cachée par de nombreux événements apparent aléatoires. Seulement une petite proportion du bruit qui est enregistré pendant un aperçu peut être employée pour impliquer la géologie. C'est le signal, et le repos est le bruit. Le fait qu'il est encore possible d'obtenir les images utilisables qui représentent la géologie de la terre est l'un des meilleurs exemples là est de la puissance de la technologie numérique moderne.
Une grande partie du bruit de la source séismique ne revient jamais à la surface, et à la place est dispersé dans toutes les directions, rebondissant autour entre les différentes irrégularités dans les couches de roche. Finalement, pendant que les vagues saines deviennent de plus en plus désorganisées, elles deviennent complètement aléatoires, comme l'ondulation produite par la pluie sur un étang. De pouvoir les décrire par un processus physique causal - propagation de vague - nous sommes réduits à une description statistique - l'amplitude moyenne, la quantité de variation spatiale, le degré d'irrégularité. Le bruit devient chaotique dans le sens de la dynamique moderne - un processus imprévisible mais néanmoins déterministe. Une autre à étape, l'augmentation quantitative de la quantité de dispersion - l'augmentation du « ordre » de la dispersion en jargon - mène à un changement qualitatif. Au lieu des vagues saines il y a simplement une vibration aléatoire des atomes et des molécules qui composent les roches ; le bruit a été transformé en chaleur.
Les vagues saines qui arrivent en arrière à la surface peuvent être très compliquées. Elles contiennent beaucoup de dispositifs apparent aléatoires provoqués par la dispersion de la dispersion de la dispersion. Il y a une quantité d'uniformité légèrement plus grande dans certaines des vagues que d'autres, et ce sont les « réflexions » des frontières entre les roches. Les images séismiques montrent des couches et des frontières, mais la réalité d'exactement ce qui dans la terre a causé ces derniers n'est souvent pas claire. N'importe quel visage de falaise prouve que les couches de roche dans la terre peuvent avoir beaucoup de différentes épaisseurs et contenir beaucoup de différents dispositifs. Tout ce qui peut vraiment être dit est que les différentes roches ont habituellement un certain degré d'uniformité spatiale, et une partie des vagues séismiques détectées en arrière sur la surface a également un certain degré d'uniformité spatiale.
On l'a connu pendant beaucoup d'années en fait que les frontières d'isolement entre les roches produisent rarement les réflexions qui sont assez fortes pour être détectées, et que les réflexions qui sont vues réellement sont souvent une somme compliquée au-dessus de beaucoup de réflexions plus faibles [iv]. Mais c'est une matière interdite - aucun directeur d'exploration de compagnie pétrolière et aucun directeur de recherches à une compagnie séismique n'oseraient la mentionner l'en public. Suggérer que des millions de dollars soient dépensés quand les réflexions séismiques ne sont pas directement liées aux roches ? Impossible. Et ce serait un chercheur de braver à une université qui a risqué de suggérer ceci comme secteur pour l'étude, quand tous groupes de recherche significatifs sont placés par industrie. C'est comment des développements techniques de corruption d'obstacle bureaucratique de bidon ; un arrangement plus clair du mécanisme physique qui produit la réflexion séismique pourrait mener à différentes et nouvelles manières d'employer l'information dans des données séismiques. Mais dans la mesure où l'auteur se rend compte il y a peu de recherche courante dans cette matière [v].
Bruit dans des données séismiques marines
Les aperçus séismiques en mer souffrent un type très fort et grave de problème de bruit qui a été un souci pour l'exploration séismique marine de son commencement. Il ne reste aucune solution complète au problème et ce reste un domaine important pour la recherche et le développement.
Quand les échos sains viennent support de la terre ils voyagent jusqu'à la surface de la mer - et sont immédiatement reflétés en arrière vers le bas encore. Puisque la surface de mer est un réflecteur presque parfait, presque toute les énergie saine qui vient support retourne vers le bas. Elle produit alors plus d'échos, qui viennent support et sont de nouveau reflétés en arrière vers le bas par la surface de mer. Ceci va sur à plusieurs reprises et mène « aux réflexions multiples » très compliquées dans les images séismiques. Chaque écho a des échos additionnels ; il y a des réflexions de chaque réflexion. Le signal que le géologue veut est le bruit qui est simplement descendu et est revenu (ceux-ci s'appellent les réflexions) « primaires ». Mais le bruit continue rebondir à plusieurs reprises vers le bas dans la terre et le dos encore, produisant des arrivées multiples - le bruit - qui peut complètement obscurcir le signal.
Au cours des 30 dernières années ou il y a eu de nombreuses tentatives de trouver des moyens de traiter ce type de bruit, avec des degrés variables de succès. Presque toujours l'approche est de voir le bruit comme type d'interférence qui doit être soustrait de l'image séismique. Mais c'est bruit, comme l'image de fond de fond sur un écran de radar, qui est une forme de signal. Comme le signal, il a été produit par la source séismique. Le bruit et le signal sont reliés ensemble. Et à la différence du bruit dispersé mentionné ci-dessus, ce type de bruit n'est pas désorganisé au point qu'il est imprévisible. La mer-surface est lisse, ou lisser au moins asse'à la balance de la vague séismique, et ceci donne une certaine structure importante et utile au bruit.
Le signal, les réflexions primaires, est provoqué par le bruit de la source séismique qui descend un voyage par la terre et en arrière. Les réflexions multiples se produisent quand ce bruit se reflète sur la mer-surface et retourne vers le bas. Imaginer s'il était possible de façon ou d'autre d'arranger beaucoup de sources sonores sur la surface de mer et de créer exactement la même vague downgoing que quand le signal, le bruit d'un-voyage, a été reflété sur la surface de mer. Ceci recréerait alors exactement la situation qui produit les arrivées multiples. Si nous pourrions faire cette expérience puis nous enregistrerions seulement des multiples - seulement le bruit.
Mais nous pourrions décrire l'expérience d'un point de vue différent. Nous pourrions dire que nous ne faisons rien différent de ce qui se produit normalement pendant un aperçu séismique, sauf que nous avons changé la source séismique et l'avons rendue égale au signal. Bien qu'il soit difficile faire c'en réalité, s'il était possible le résultat serait une simplement autre version du disque séismique, contenant les réflexions primaires et multiples comme d'habitude, mais maintenant avec le signal lui-même que la source séismique. Ainsi nous avons le disque séismique original mais dans un certain sens ceci « a été multiplié » par le signal [vi].
De la première description de l'expérience nous avons décidé que nous obtiendrions seulement le bruit. Mais dans la deuxième description nous disons que nous obtiendrions le disque séismique multiplié par le signal. Ainsi les deux doivent être égaux :
...etc...
désolée, mais je peine à faire traduire la suite, texte trop grand...
De plus, la traduction ne semble pas très fiable ("séismic record "est traduit par "disque séismique" !?!) mais bon, cela donne une approche du texte...
Je ne savais pas que Marx avait à ce point une connaissance scientifique...