Claude Shannon: Der Vater der digitalen Zeit

Wie können alle Lieder, Filme, Nachrichten und Anrufe auf der Welt zu Reihen aus 0 und 1 werden?

Messen, was Information ist

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 kennt niemand sonst die zwei Bereiche: die binäre Algebra von Boole und elektrische Schaltkreise."

Die binäre Algebra heißt auch Boolesche Algebra. Der englische Mathematiker George Boole erfindet sie Mitte der 1800er Jahre. Es ist ein Mathe-System nur mit 0 und 1. Das bedeutet falsch/richtig oder aus/an.

Shannon wird 1916 in Gaylord in Michigan geboren. Er studiert an der Universität von Michigan Mathematik und Elektrotechnik. Im Jahr 1936 geht er an das MIT und arbeitet dort als Doktorand.

Dort spricht er mit einem Experten von Bell Labs über komplexe elektrische Steuerungssysteme. In seiner Masterarbeit zeigt Shannon: Die binäre Algebra kann elektrische Steuerungssysteme genau erklären. Denn elektrische Schalter haben auch nur zwei Zustände: an und aus. Deshalb kann man sie mit derselben Mathe-Sprache beschreiben.

Diese Arbeit ist die Basis für das Design von digitalen Schaltkreisen und später auch für das Design von Halbleiter-Chips.

Im Jahr 1948 veröffentlicht Shannon sein Meisterwerk "Eine mathematische Theorie der Information". Das ist einer der größten Artikel in der Geschichte der Technik. Er ist die wissenschaftliche Basis für die spätere Informationstechnologie. Zum ersten Mal zeigt er: Man kann den Inhalt von Information messen. Und man kann die maximale Geschwindigkeit messen, mit der man Information senden kann.

Zentral in der Theorie ist das Konzept "Bit". Das sind die Zahlen 0 und 1 in der binären Algebra. Das Bit wird die Basis-Einheit für Information. Man kann Bits zählen und messen. Früher haben die Menschen fast keine klare Idee von Information. Sie denken: Information ist abstrakt, man kann sie nicht messen.

So wie Newton die Bewegung von allen Dingen mit Mathe-Gleichungen erklärt, macht Shannon die "Information" messbar. Information ist nicht mehr vage. Man kann sie messen, berechnen und besser machen.

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

Das berühmte amerikanische Institut IEEE schreibt viel über Shannon. Es ehrt ihn als "einen der größten Ingenieure des 20. Jahrhunderts, aber die Person mit dem größten Beitrag für die Technik des 21. Jahrhunderts".

Diese Arbeit ist ein Schock. Denn Shannon baut fast aus Null eine ganz neue Wissenschaft. Und die Geburt ist überraschend. Viele Jahre lang spricht er mit fast niemandem über die Arbeit. Er arbeitet fast zehn Jahre daran.

Ein überraschendes Ergebnis von Shannons Informationstheorie ist: Es ist egal, was die Information ist - ein Gedicht, eine Symphonie oder ein Film. Der beste Weg ist immer: Man macht alles digital zu Bits "0 und 1". Dann macht man sie zu elektromagnetischen Signalen. Dann kann man sie senden, empfangen und verarbeiten.

Diese Theorie ist die Basis für die moderne Digitaltechnik. Das "Bit" kennt früher niemand. Jetzt wird es superwichtig. Es ist die universelle Einheit für alle Informationssysteme.

Manche Leute sagen: Diese Arbeit ist so wichtig wie Einsteins Relativitätstheorie. Aber Shannon selbst lehnt das ab. Anfang der 1950er Jahre schreibt er einen Brief vor einer Publikation. Er bittet einen Journalisten, jeden Vergleich seiner Theorie mit Einsteins Relativitätstheorie zu entfernen: "Ich wünsche, es wäre so", sagt er, "die Informationstheorie ist sicher nicht vergleichbar mit der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik."

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

Derselbe Shannon zeigt mit 21 Jahren in seiner "wichtigsten Masterarbeit in der Geschichte der Technik": Die binäre Algebra mit den Bits 0 und 1 kann die ganze Arbeit von Logik-Schaltkreisen genau erklären. So erfindet er Logik-Tore (AND, OR, NOT, CNOT...). Das sind die kleinsten Basis-Teile von allen digitalen elektrischen Schaltkreisen. Darauf ist das ganze Gebäude der Informatik gebaut.

Diese Arbeit ist auch die Basis für die Informatik. Sie wird der Start für den Boom der Informatik in den Jahren danach. Für viele Menschen, zum Beispiel für Professor Solomon Golomb, den alten Präsidenten der IEEE-Gesellschaft für Informationstheorie, ist Shannons Einfluss für die Informationstechnologie "wie der Einfluss der Person, die das Alphabet erfindet, für die Literatur".

Ein Wissenschaftler, der zu bescheiden ist, um über sich zu sprechen

Nach seiner Doktorarbeit am MIT geht Shannon im Jahr 1940 für ein Jahr an das Institut für Höhere Studien an der Universität Princeton. Shannon erinnert sich: Einmal spricht er in einer Sitzung. Plötzlich kommt der legendäre Wissenschaftler Einstein in den Raum. Einstein sieht Shannon an, flüstert etwas zu einem Wissenschaftler und geht weg.

Nach seinem Vortrag läuft Shannon schnell zu dem anderen Wissenschaftler. Er fragt: Was hat Einstein über mich gesagt? Der große Physiker fragt nur: "Wo ist der Tee?" Shannon erzählt das viele Jahre später mit Freude und lacht. Die Geschichte zeigt seinen Humor. Er nimmt sich selbst nicht zu wichtig.

Shannon kommt im Jahr 1941 zu Bell Labs. Im Zweiten Weltkrieg ist er Mitglied in einer Gruppe. Die Gruppe entwickelt digitale Verschlüsselungssysteme. Dazu gehört ein System, das Präsident Roosevelt für Telefongespräche über den Ozean mit Premierminister Churchill benutzt.

Shannon fasst seine Arbeit über geheime Kommunikation in einem 114 Seiten langen Dokument zusammen: "Eine mathematische Theorie der Kryptographie" im Jahr 1945. Der Artikel wird sofort streng geheim. Er ist zu sensibel für eine Publikation.

Shannon sagt: Genau diese Arbeit führt ihn zu seiner Informationstheorie. Aber erst in den 1970er Jahren - mit der Geburt von elektronischen integrierten Schaltkreisen und schnellen Halbleiter-Chips - beginnen Ingenieure, die Informationstheorie voll und komplett zu nutzen.

Shannons Ideen von damals formen fast alle heutigen Systeme für Verschlüsselung, Datenspeicherung, Verarbeitung oder Kommunikation von Information in digitaler Form.

Eine Vorhersage über künstliche Intelligenz

Im Jahr 1950 veröffentlicht Shannon in der Zeitschrift Scientific American eine Studie. Sie erklärt, wie man einen Computer für Schach programmiert. Er erklärt genau, wie man ein Computerprogramm designt mit Datenstrukturen im Speicher. Er schätzt, wie viele Bits man für den Speicher braucht. Und er teilt das Programm in kleine Teile. Er nennt sie Unterprogramme.