17.2 Cibernética, Shannon y teoría de la información

Introducción

La cibernética y la teoría de la información representan dos pilares fundamentales en la historia universal de la ciencia, cuya consolidación tuvo lugar durante la década de 1940 y principios de los años 50 del siglo XX. Estos campos nacen en un contexto de innovación tecnológica acelerada, motivada por la Segunda Guerra Mundial y el posterior auge de la era electrónica. Mientras la cibernética, liderada por Norbert Wiener, se centra en el control y la retroalimentación en sistemas naturales y artificiales, la teoría de la información, propuesta por Claude E. Shannon, desarrolla un marco matemático para cuantificar la transmisión de datos a través de canales ruidosos. Ambos enfoques han influido decisivamente en la informática, las telecomunicaciones, la biología, la robótica y, en general, en todo lo referido al procesamiento, almacenamiento y transmisión de información.

Orígenes de la cibernética

El término “cibernética” proviene del griego kybernḗtēs, que significa “timonel” o “el que gobierna”. En 1948 Norbert Wiener publica su obra seminal Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine, donde define la disciplina como “la ciencia del control y la comunicación en el hombre y la máquina”. Sin embargo, los antecedentes prácticos de la cibernética surgen durante la Segunda Guerra Mundial (1939–1945), en el desarrollo de sistemas de defensa antiaérea, torres de control que empleaban servomecanismos y sistemas de radar capaces de ajustar automáticamente la trayectoria de proyectiles.

El proyecto de seguimiento de aviones británico “Metrovick F.4” (1944) fue uno de los primeros ejemplos de servomecanismo avanzado. Al mismo tiempo, en Estados Unidos, Wieners colaboración con el matemático Arturo Rosenblueth y el fisiólogo Julian Bigelow documentó en 1943 la importancia de los bucles de realimentación (feedback) en la regulación de sistemas biológicos y mecánicos.

Claude E. Shannon y la teoría de la información

Claude Elwood Shannon (1916–2001), ingeniero eléctrico y matemático del Laboratorio de Investigación de los Laboratorios Bell, publica en 1948 su artículo revolucionario A Mathematical Theory of Communication. En esta obra Shannon introduce los conceptos de bit como unidad básica de información y de entropía como medida cuantitativa del contenido informativo y de la incertidumbre en una fuente de datos.

Shannon modela el proceso de comunicación en cinco componentes: fuente de información, transmisor, canal, receptor y destino. Además, desarrolla la idea de capacidad del canal y establece que, incluso en presencia de ruido, es posible transmitir datos con una tasa arbitrariamente cercana a la capacidad teórica del canal, minimizando la probabilidad de error mediante codificación adecuada.

Conceptos fundamentales de Shannon

• Bit: Unidad mínima de información, equivalente a la resolución de una dicotomía (sí/no, 0/1).
• Entropía (H): Definida por Shannon como H = –∑ p_i log₂ p_i, donde p_i es la probabilidad de cada símbolo emitido por la fuente. Cuanto mayor es la entropía, mayor es la incertidumbre o impredecibilidad de la señal.
• Redundancia: Parte del mensaje que no aporta información nueva y sirve para combatir errores en presencia de ruido.
• Capacidad del canal (C): Determinada por el teorema de Shannon-Hartley (1949), que en canales de banda ancha y ruido gaussiano establece C = B · log₂(1 S/N), donde B es la anchura de banda, S la potencia de la señal y N la potencia del ruido.
• Códigos de corrección de errores: Mecanismos matemáticos que añaden redundancia estructurada para detectar y corregir errores en la recepción.

Ejemplos y datos históricos

1. Proyectos militares en la Segunda Guerra Mundial (1939–1945): El desarrollo de sistemas antiaéreos automáticos en Estados Unidos y Reino Unido impulsó estudios de control de retroalimentación que luego Wiener formalizaría.
2. Publicación clave (1948): Tanto Wiener como Shannon publican en ese año sus obras fundacionales: Cybernetics y A Mathematical Theory of Communication, marcando el nacimiento formal de ambas disciplinas.
3. Desarrollo de la modulación digital: En los años 50, la telefonía digital adoptó conceptos de la teoría de la información para la compresión de voz y la detección de errores.
4. Sonda espacial Voyager (1977): Utiliza códigos Reed–Solomon y modulación de fase impulsional (PSK) basados en principios de Shannon para enviar datos desde los confines del Sistema Solar.
5. Internet y redes de área local: En la década de 1980, los protocolos TCP/IP incorporan algoritmos de corrección de errores y control de flujo inspirados en la cibernética de retroalimentación.

Impacto en la ciencia y la tecnología

La fusión de la cibernética y la teoría de la información ha generado una revolución interdisciplinar:

• En informática, motivó el diseño de arquitecturas de computación digital, algoritmos de compresión de datos (ZIP, JPEG) y técnicas de criptografía.
• En biología, el concepto de información genética (ADN como código digital de 4 símbolos) bebe directamente de la formalización de Shannon sobre codificación y entropía.
• En ingeniería de control, se desarrollaron sistemas automáticos de pilotaje, robótica industrial y control de procesos mediante bucles de retroalimentación.
• En economía y sociología, la teoría de redes y la modelización de flujos de información inspiran estudios de mercados, difusión de innovaciones y comportamiento colectivo.

Desarrollos posteriores en cibernética

A partir de finales de los años 60 surgen corrientes de “cibernética de segundo orden” que incorporan la participación del observador en el sistema. Heinz von Foerster, Humberto Maturana y Francisco Varela proponen en 1972 el concepto de autopoiesis para definir la capacidad de un sistema vivo de autoorganizarse y mantenerse mediante redes de producción circular.

En 1961 Norbert Wiener publica Human Use of Human Beings, donde reflexiona sobre la interacción entre humanos y máquinas, advirtiendo sobre los riesgos éticos y sociales de la automatización y la manipulación de la información.

La cibernética y la teoría de la información hoy

En la actualidad, la convergencia de ambas corrientes se aprecia en áreas como:

• Inteligencia artificial y aprendizaje automático: Aplican principios de codificación, transmisión y retroalimentación para optimizar redes neuronales.
• Telemedicina y sistemas biomédicos: Emplean sensores y algoritmos de control para monitorizar signos vitales y administrar tratamientos de manera automática.
• Ciberseguridad: Utiliza teoría de la información para diseñar protocolos seguros y detectar anomalías en el tráfico de datos.
• Internet de las cosas (IoT): Integración de dispositivos interconectados que intercambian información según principios de Shannon y mecanismos de control cibernético.

Conclusión

La cibernética de Norbert Wiener y la teoría de la información de Claude E. Shannon constituyen dos ramas científicas íntimamente ligadas que transformaron el modo de entender y gestionar la comunicación, el control y la organización de sistemas tanto naturales como artificiales. Desde sus orígenes en los proyectos militares de los años 40 hasta las aplicaciones contemporáneas en inteligencia artificial, biomedicina y redes globales, ambas disciplinas han demostrado ser esenciales para el progreso tecnológico y científico. La herencia de Wiener y Shannon perdura en cada bit transmitido, en cada sistema de control automático y en cada modelo interdisciplinar que concibe la información como el punto de partida y de llegada de un universo cada vez más interconectado.

Obras clásicas

• Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine
  Norbert Wiener (1948). Fundamento de la cibernética, establece conceptos clave de retroalimentación y regulación.
  Más información
• A Mathematical Theory of Communication
  Claude E. Shannon Warren Weaver (1949). Artículo fundacional de la teoría de la información, introduce la noción de entropía.
  Texto original

Monografías históricas y críticas

• The Cybernetics Moment: Or Why We Call Our Age the Information Age
  Ronald R. Kline (2015). Contextualiza el surgimiento de la cibernética y su impacto cultural y científico.
• From Counterculture to Cyberculture: Stewart Brand, the Whole Earth Network, and the Rise of Digital Utopianism
  Fred Turner (2006). Explora el vínculo entre cibernética, contracultura y la formación de la era digital.
• Cybernetics and Society
  Andrew Pickering (2010). Estudio de las implicaciones sociales y epistemológicas de la cibernética.

Divulgación y síntesis

• The Information: A History, a Theory, a Flood
  James Gleick (2011). Recorrido accesible por la historia de la información, desde la invención de la escritura hasta Internet.
  Ficha en Wikipedia
• Out of Control: The New Biology of Machines, Social Systems and the Economic World
  Kevin Kelly (1994). Reflexión divulgativa sobre sistemas complejos, autoorganización y principios cibernéticos.

Complementos académicos

• Shannon’s Way: A Historical and Technical Account of the Theory of Information Transmission
  Horst M. Enders (1986). Análisis detallado de la vida de Shannon y la génesis de su teoría.
• Encyclopedia of Cybernetics and Control
  R. Kent Dybvig (2001). Recurso de consulta con artículos sobre conceptos y protagonistas de la cibernética y la teoría de la información.