Claude Shannon – der Vater des digitalen Zeitalters

Wie kann man alle Lieder, Filme, Nachrichten und Anrufe der Welt in Nullen und Einsen umwandeln?

Wie man den Inhalt und die Geschwindigkeit von Information misst

Claude Shannon schreibt mit 21 Jahren seine Masterarbeit über dieses Thema. Historiker sagen: Das ist vielleicht die wichtigste Masterarbeit in der Geschichte der Technik. Aber Shannon ist sehr bescheiden. Er sagt: "Damals kannte einfach niemand sonst die beiden Bereiche: die binäre Algebra von Boole und elektrische Schaltungen" [1].

Die binäre Algebra heißt auch Boolesche Algebra. Der englische Mathematiker George Boole erfindet sie Mitte der 1800er Jahre. Das System benutzt nur die Zahlen 0 und 1. Das bedeutet wahr/falsch oder an/aus.

Shannon wird 1916 in Gaylord, Michigan geboren. Er studiert an der University of Michigan zwei Fächer: Mathematik und Elektrotechnik. Im Jahr 1936 geht er an das Massachusetts Institute of Technology (MIT) als Doktorand.

Dort spricht er mit einem Experten von Bell Labs über komplexe elektrische Kontrollsysteme. In seiner Masterarbeit beweist Shannon dann: Man kann elektrische Kontrollsysteme genau mit binärer Algebra analysieren. Denn elektrische Schalter haben auch nur zwei Zustände: an und aus. Deshalb kann man sie mit der gleichen mathematischen Sprache beschreiben. Diese Arbeit ist die Grundlage für das Design von digitalen Schaltungen. Später ist sie auch die Grundlage für das Design von Halbleiter-Chips.

Im Jahr 1948 veröffentlicht Shannon sein Meisterwerk "A Mathematical Theory of Information" (Eine mathematische Theorie der Information). Viele halten das für einen der größten Artikel in der Geschichte der Technik. Er ist die wissenschaftliche Grundlage für die spätere Informationstechnologie. Zum ersten Mal zeigt er, wie man den Inhalt von Information misst. Und er zeigt die maximale Geschwindigkeit, mit der man Information senden kann.

Das Zentrum der Theorie ist das Konzept "Bit" (die Zahlen 0 und 1 aus der binären Algebra). Das Bit wird die Grundeinheit der Information. Man kann Bits zählen und messen. Vorher haben die Menschen fast keine klare Idee von Information. Sie denken: Information ist abstrakt. Man kann sie nicht mit Experimenten messen.

Es ist wie bei Newton: Newton beschreibt die Bewegung aller Objekte mit mathematischen Gleichungen. So macht Shannon die "Information" messbar. Vorher ist Information ein vager Begriff. Jetzt kann man sie messen, berechnen und optimieren.

Claude Shannon, der Vater der Informationstheorie und der Informatik. Foto: Wikimedia, CC BY 2.0

In der Geschichte der Wissenschaft und Technik gibt es nur wenige Menschen mit einer so besonderen Rolle wie Claude Shannon. Er schafft die Grundlage für ein neues Wissenschaftsgebiet. Und er hilft direkt bei der Entwicklung von Technologie.

Das berühmte amerikanische Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) schreibt viel über Shannon. In einem Text ehrt es ihn: Er ist einer der größten Ingenieure des 20. Jahrhunderts, aber er hat am meisten für die Technologie des 21. Jahrhunderts getan [2].

Seine Arbeit ist ein Schock. Warum? Er schafft fast aus dem Nichts eine ganz neue Wissenschaft. Und sie kommt sehr überraschend. Viele Jahre lang spricht er mit fast niemandem über diese Arbeit. Er forscht und verbessert sie fast ein Jahrzehnt lang.

Ein überraschendes Ergebnis seiner Informationstheorie ist: Es ist egal, was die Information ist - ein Gedicht, eine Symphonie oder ein Film. Der beste Weg zum Senden ist immer gleich: Man macht die Information digital. Man wandelt sie in Bits "0 und 1" um. Dann wandelt man die Bits in elektromagnetische Signale um. Dann kann man sie senden, empfangen und verarbeiten. Diese Theorie ist die Grundlage der modernen Digitaltechnik. Das Bit war vorher unbekannt. Jetzt wird es super wichtig und die universelle Einheit für alle Informationssysteme.

Manche Menschen sagen: Die Arbeit ist so wichtig wie die Relativitätstheorie von Einstein. Aber Shannon selbst lehnt das ab. Anfang der 1950er Jahre bittet er in einem Brief vor der Veröffentlichung einen Journalisten: Bitte löschen Sie jeden Vergleich meiner Theorie mit Einsteins Relativitätstheorie. Er schreibt: "Ich wünschte, es wäre so", sagt er traurig, "die Informationstheorie ist sicher nicht vergleichbar mit der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik."

Wenn die Informationstheorie die einzige Leistung von Shannon wäre, dann reicht das schon für einen Platz im Tempel der Wissenschaft und Technik. Aber er macht noch mehr.

Schon mit 21 Jahren zeigt er in seiner "wichtigsten Masterarbeit der Technikgeschichte": Mit binärer Algebra mit Bits 0 und 1 kann man alle Logik-Schaltungen genau analysieren. Er erfindet die Logik-Gatter (logic gates AND, OR, NOT, CNOT ...). Das sind die kleinsten Bausteine aller digitalen elektrischen Schaltungen. Auf ihnen ist das ganze Gebäude der Informatik gebaut. Diese Arbeit ist auch die Basis der Informatik und der Start für den großen Boom der Informationstechnologie in den späteren Jahren.

Für viele Menschen, wie zum Beispiel für Professor Solomon Golomb, den ehemaligen Präsidenten der Information Theory Society des IEEE, ist der Einfluss von Shannon auf die Informationstechnologie so groß: "Es ist wie über den Einfluss des Erfinders des Alphabets auf die Literatur zu sprechen" [3].

Ein sehr bescheidener Wissenschaftler, der schüchtern ist, wenn er über sich selbst sprechen muss

Nach seiner Doktorarbeit am MIT geht Shannon im Jahr 1940 für ein Jahr an das Institute for Advanced Study an der Universität Princeton. Shannon erinnert sich an eine Situation: Er hält gerade einen Vortrag. Plötzlich kommt der legendäre Wissenschaftler Einstein in den Raum. Einstein sieht Shannon an, flüstert etwas zu einem anderen Wissenschaftler und geht wieder weg. Danach bricht der Originaltext ab.