книги из ГПНТБ / Теплов Л. Очерки о кибернетике

Кибернетика — так Винер назвал эту обобщающую науку — получи­ ла свое имя от древнегреческого слова «кибернетес», что в переводе озна­ чает «управляющий», «рулевой», «кормчий». В трудах древних писате­ лей, в частности в диалогах Платона, упоминается «кибернетика» — наука об административном управлении провинциями, более узкая, чем политика. В 1840 г., классифицируя науки, Ампер вспомнил о ней и ввел ее в перечень общественных наук. Однако современная кибернетика относится к области точных, опытных наук, как физика или химия. Само, название определяет кибернетику, как науку об управлении и контро­ ле — особых свойствах таких систем, которые мы называем высокоорга­ низованными.

Хотя физика изучает самые общие свойства вещества и энергии, давно уже стало ясно, что из физических законов нельзя вывести законы всех явлений мира и поэтому физика не является «наукой всех наук». По мере роста сложности явлений в них проявляются свои, не сводимые к физическим, особые законы, которые иногда называют «эмерджентными».

Впоследствии мы убедимся, что законы управления и контроля, изу­ чаемые кибернетикой, также не являются общими, пригодными для ис­ следования и обоснования всех других закономерностей мира. Есть яв­ ления, где нет управления, и кибернетика не приложима к ним, она тоже не является «наукой всех наук». Чтобы отличить управляемое от неуп­ равляемого, мы обычно прибегаем к понятию «целесообразность», по­ этому кибернетику можно определить также как науку о целесообраз­ ности или целесообразно действующих системах.

Управление может быть внесено извне: стол с его целесообразным устройством придумал и сделал столяр, а упорядоченные движения авто­ мобиля зависят от водителя. Но управление может быть свойственно- и самому существу или предмету. Тогда мы говорим о самоуправлении или автоматизме, а данную систему называем автоматом. С этой точки зрения мозг и электронная счетная машина, предназначенные для воз­ можно более широкого осуществления одной и той же функции само­ управления, — одинаково органы автоматизма.

С таким употреблением термина «автоматизм» кто-нибудь, возмож­ но, не захочет согласиться, поскольку к автоматам причисляются живые существа и даже люди. Ведь обычно считают, что автомат — это нечтокосное, «бездушное», неспособное к разнообразным действиям. Но в слове «автомат» (по-гречески — «самодействующий») не содержится ничего больше, кроме указания, что данная система действует сама, без постороннего вмешательства. Без научного анализа нельзя сказать: вот это автоматы могут сделать, а вот этого не могут и никогда не смогут. Но чтобы исследовать, надо как-то назвать все, что управляется само, выделить и объединить предмет изучения. Чтобы не выдумывать новых слов, мы и берем старое, знакомое слово «автомат» в его буквальном’ значении.

9

/ /

Американский математик Норберт Винер выдвинул идею единого теоретического основания для наук, изучающих природу автома­

тизма и автоматизм в природе.

Если данная система, например автомобиль, управляется не сама, то ею управляет другая система, например человек. Для кибернетики не представляет особого интереса анализ работы системы управления обычного автомобиля (без человека), так как не в ней лежит источник целесообразности. И вообще: сколько бы ни было связанных между ■собою управляющихся систем, по крайней мере одна из них (и все они, рассматриваемые воедино) является самоуправляющейся, то есть ав-

10

томатом. Поэтому кибернетику можно определить также как науку о природе автоматизма и об автоматизме в природе, как теорию автома­ тов.

Итак, кибернетика — это наука, исследующая целесообразность и самоуправление (автоматизм) в природе и технике с помощью мате­ матического аппарата и опыта.

Когда мы рассматриваем кибернетику как науку о целесообразности, мы выделяем ту ее сторону, которая примыкает к философии. Действи­ тельно, о категориях цели и целесообразности с древнейших времен ве­ дется яростный, не прекращающийся спор между материализмом и идеа лизмом, и всякая попытка примирить религию с наукой начинается с жонглирования понятием «цель».

Рассматривая кибернетику как теорию автоматизма, мы выделяем другую ее сторону, примыкающую к практике. Создание автоматических машин сейчас уже невозможно без стройной теории. Прошли времена,

•когда изобретатель-одиночка мог рассмотреть весь технологический про цесс и выдумать автомат для исполнения его.

Сейчас появились первые управляющие машины, которые стали со­ ветчиками человека и надсмотрщиками над другими машинами. Можно создать машины, обладающие памятью и логикой, способные обучаться на своих достижениях и ошибках, предвидеть будущее, —следовательно, планировать свои действия так, чтобы они привели к заданному резуль­ тату. Принципы устройства и действия этих машин не связаны с какойнибудь отраслью технологии: они могут руководить и бурением сква­ жин, и выделкой резины, и работой электрической станции.

Кибернетика показывает, что такие машины можно построить, уточ­ няет направление инженерной мысли. Сила теории в том, что она, свя­ зывая прошлое, настоящее и будущее, открывает нам контуры грядущих решений. Она находит общее в автоматах, предназначенных для самых разных целей, и избавляет нас от труда находить снова уже однажды найденное. Она показывает пределы возможного, оберегая от напрасной траты сил и средств.

Кроме того, кибернетика открыла инженерам массу готовых авто­ матов высочайшей степени совершенства. Это — растения, животные и сами люди. В анатомических препаратах, в протоколах наблюдений за подопытными животными, даже в законах наследственности открывают­ ся образцы для творческого подражания и источники плодотворнейших технических идей.

Иногда говорят, что кибернетика изучает аналогии между машиной и живым существом, а поскольку аналогии всегда неточны, она не мо­ жет быть вполне строгой наукой. Это неверно. Такие объекты изучения, как информация и ее законы, память, логика и другие, — те же самые, а не аналогичные явления, хотя они могут встречаться в самых разных -автоматических системах. Кислород воздуха и кислород, искусственно

11

ската — один и тот же вид энергии. Законы рычага, изучаемые физи­ кой, равно применимы к сочлененным металлическим штангам и к кост­

но-мышечной системе руки.

Фактически дело происходит так. Когда мы наблюдаем строение и действие живого существа, мы догадываемся о законах автоматизма, которые в нем воплощены. Мы формулируем эти законы в абстрактных понятиях, относящихся ко всем подобным системам, и в формуле исче­ зает упоминание о живом или неживом. Чтобы убедиться в правильно­ сти закона, мы строим предельно упрощенную модель автомата, осуще­ ствляющую только этот закон и свободную от мешающих нам подроб­ ностей.

Исследование развивается по двум направлениям. Во-первых, мож­ но взять существующий автомат, разобраться в его устройстве, взаимо­ действии его частей, математически описать его — это будет анализ. Вовторых, можно воспроизвести автомат, построить его и проверить, как он станет действовать, — такой метод называется синтезом. Только со­ вместное применение анализа и синтеза позволяет получить полные и надежные сведения об изучаемом явлении.

Анализ только тогда точен, когда он описывает явления качествен­ но и количественно, в логически безупречных выводах и достоверных, числах, проверенных на опыте — синтезе.

Важно правильно определить пределы анализа и синтеза. О чем бы мы ни разговаривали — о картине Рембрандта или удобстве кресла, — в конце концов можно дойти до молекул и атомов, из которых эти пред­ меты состоят. Это будет вполне точно, но совершенно бесполезно. Для математика, изучающего шар, безразлично, из чего он сделан: все ша­ ры — костяные, железные, деревянные, мыльные пузыри — для него изоморфны (одинаковы) и могут быть описаны при помощи одинаковых математических терминов и формул. Автоматы и их главные составные части иногда тоже изоморфны, взаимозаменимы в системах управления, даже если они имеют разную физическую природу. Их можно описывать математически, без уточнения деталей строения. При синтезе вместо’ одного автомата можно построить другой, изоморфный ему, и, исследуя свойства такого автомата, получать такие же результаты, как если бы полностью воспроизводился первый. В этом случае второй автомат будет математической моделью первого.

Этот метод не является специальным изобретением кибернетики — он одинаков для всех точных наук. Физик, формулируя законы движения маятника, описывает не настоящий железный маятник, а некую изоморф­ ную ему математическую модель. «Реальный маятник, — пишет выдаю­ щийся английский кибернетик У. Р. Эшби, — имеет не только длину и- положение, он имеет также массу, температуру, электропроводность, кристаллическую структуру, химические примеси, некоторую радиоактив­ ность, скорость, отражательную способность, прочность на разрыв, плен­ ку влаги на поверхности, зараженность бактериями, оптическое погло­ щение, упругость, контур, удельный вес и т. д. Требование изучить «всех-

12

\

эти факты не осуществимо, и в действительности никто никогда не пред­ принимал таких попыток. Нам необходимо выбрать и изучить лишь факты, представляющие для нас интерес с точки зрения определенной, заранее указанной цели»

Опыт подтверждает или отрицает найденную формулу закона, а так­ же помогает нам, вернувшись к исходному наблюдению, уточнить и по­ нять его до конца.

Конечно, изучая электронную вычислительную машину, нельзя от­ крыть те особенности работы мозга, которые заранее в этой машине не присутствуют, как нельзя найти конкретные особенности строения серд­ ца Кая на препарате сердца Мария или в обобщенном описании сердца человека в курсе анатомии. Но, фиксируя все внимание на конкретных ■особенностях, мы никогда не поймем, как и для чего работает сердце Кая, Мария и человека вообще. Электронная черепаха и живая чере­ паха во многом различны, больше того, у них нет ни одного одинаково устроенного органа. И все же электронная черепаха помогает при изу­ чении живой, так как она позволяет проверить те же принципы самоуп­ равления, которые воплощены в живой черепахе. И наоборот, если мы правильно оценили все существенные стороны работы мозга — мышле­ ния, то его электрическая или механическая модель, воплощающая все эти стороны, безусловно будет думать, хотя бы она была построена из совершенно других материалов.

Иногда требуют, чтобы достижения кибернетики выражались в по­ строении более или менее практичных машин-автоматов для промыш­ ленности, транспорта и сельского хозяйства, говорят о «применении» ки­ бернетики в технике. Вряд ли следует ставить вопрос так решительно. Кибернетику нельзя «применить» к автомату или управляемой машине хотя бы потому, что ее законы безусловно присутствуют во всякой, даже самой простой автоматической системе, например мышеловке. Можно ли говорить о чем-либо в природе как о явлении, где «физика не применяет­ ся»? А кибернетика — это специальная «физика» всяких целесообразных автоматов, каковы бы они ни были — простые и сложные, полезные, бесполезные или даже вредные.

Поэтому кибернетический эксперимент (например, сочинение маши­ ной стихов или музыки) имеет одну цель — проверить выводы теории относительно сущности этого процесса. На основе кибернетических вы­ водов и приборов, несомненно, появятся — и уже появляются — полезней­ шие машины, но создание их — дело практики, промышленной и бытовой автоматики.

Факты для своих выводов о законах автоматизма кибернетика чер­ пает из самых разнообразных, иногда очень сложных явлений, таких, как зарождение и эволюция жизни, существование организма в преде­ лах жизненного цикла, поведение животных, поведение человека и его1

1 У. Росс Эшби. Введение в кибернетику. М., 1959, стр. 64.

13

НЕ В ЕРОЯТНОСТЬ

математическая мера труда и знания

Первобытная телеология. * Древний спор о глазе: он — причина или след­ ствие! * Телеология служит мракобесию. Ж От паровых машин к законам множества независимых движений. * Энтропия и наоборот. & Киномеха­ ник шутя крушит основы физики. * Эффектное появление демона! * Демонопоклонники вчера и сегодня. $ Но демон тоже хочет есть... $ И вот

перед нами не демонология, а теория умных, очень важных машин.

Потребность в анализе различия между управляемыми и неуправ­ ляемыми явлениями возникла в глубочайшей древности. Изучая при­ роду, люди обнаружили, что осе в ней причинно: о каждом явлении можно спросить «почему?» Но некоторые явления причинны и целесо­ образны: о них можно спросить не только «почему?», но и «зачем?».

Первобытный человек полагал, что в мире все целесообразно, все имеет прямую цель: помочь ему либо навредить. Солнце существует для того, чтобы светить ему днем, а Луна — ночью; деревья растут, цветут и плодоносят, чтобы дать человеку плоды, а мыши сотворены, чтобы эти плоды красть.

Человек наблюдал падение камня, подкинутого в воздух, и делал вывод, что камень стремится вернуться туда, где он лежал, так как он к этому месту привык. Из того, что камень падает все быстрее и быстрее, он заключал, что камень радуется своему возвращению к зем­ ле и поэтому торопится...

15

По мере того как человек ставил себе все более сложные и возвы­ шенные цели, он убеждался, что природа к ним совершенно равнодуш­ на: когда дождь нужен, его может и не быть, а когда он не нужен и даже вреден, он идет. Звезды, как будто пришпиленные к небосводу и существующие для облегчения учета людских судеб, оказались светила­ ми, неизмеримо большими, чем наша планета, и удаленными от нее на невообразимые расстояния. Среди предметов нашлось очень мало та­ ких, в которых обнаруживались бы радость и печаль, внутренние стрем­

в ряду сосуществующих созданий природы. Мир и все, что есть в нем, не создан для них (или для какой-то другой цели), а извечно сущест­ вует сам по себе; Солнце, Луна и звезды, горы и реки, атомы и моле­ кулы — весь неорганический мир движется и изменяется, подчиняясь только неизбежным законам природы, а не какой-то цели.

И все же целесообразность в мире — не выдумка. В растениях, жи­ вотных и в созданиях человеческих рук, несомненно, целесообразны устройство и действие. Нельзя спросить, зачем Волга впадает в Каспий­ ское море, с какой целью идет дождь, для чего планеты движутся во­

круг Солнца по эллиптическим орбитам или зачем на Земле есть рас­ тения и люди.

Но мы можем сказать, зачем липе листья и цветы, человеку — зубы

ируки, зачем у дома окна, а у самолета крылья.

Вдревнегреческой науке сложилось представление о том, что в мире действуют два вида причин: «начальные» или «деятельные», ко­ торые предшествуют событию, вызывают его, и «конечные» — как-то су­ ществующие после события, обусловливающие направление событий ю будущему определенному следствию.

Между «начальными» и «конечными» причинами разницу усматри­ вали только в том, что обычные причины существуют во времени до след­

ствий, а конечные — после, они «существуют в будущем». В данный же момент не существует ни прошлого, ни будущего, так что в этом смысле прошлое и будущее действительно равноправны, симметричны. Но если легко понять, как прошлое состояние всевозможных систем может определять их состояние сейчас, то поверить, что оно так же просто может определяться их будущим состоянием, невозможно. Это противо­

речит здравому смыслу, самым общим представлениям о мире, в кото­ ром мы живем.

Античные философы резко разошлись во взглядах на «конечные» причины. Материалисты — Демокрит, Эпикур, Лукреций — учили, что никаких «конечных» причин в природе нет и быть не может, что они только видимость, самообман человеческого разума.

Мир, говорили они, — сочетание бесчисленного количества атомов,

16

которое ныне находится в одном из многих вероятных состояний, а завтра перейдет в другое. Нам же, людям, в силу особенностей нашего разума кажется, что это состояние кем-то устроено.

Для применения нам ничего не рождается в теле,

То, что родится, само порождает свое примененье, —

писал Лукреций в знаменитой поэме «О природе вещей». Глаза не предназначены для видения, но мы видим потому, что имеем глаза, утверждал он. Это была ограниченная, шаткая позиция. Ведь все де­ тали строения глаза даже в зародыше, когда он еще не видит, приспо­ соблены для будущего процесса зрения. Кроме того, раз никто не мо­

Идеалисты античного мира — Сократ, Платон — подходили к «ко­ нечным» причинам с прямо противоположных позиций. Они утвержда­ ли, что существует некая высшая воля, которая и устраивает весь мир целесообразно, — это был, по их мнению, бог.

Впоследствии представление, что «конечные» причины действуют в мире наравне с «деятельными», развилось в особое реакционное уче­ ние — финализм или т е л е о л о г и ю (от греческого «телеос» — «цель», «конец»), Телеологи все в мире «объясняли» самыми фантастиче­ скими, «свыше» предопределенными целями. Французский писатель XVIII века Бернарден де Сен-Пьер всерьез утверждал, например, что собаки пятнисты для того, чтобы хозяева не могли их перепутать; дыня имеет доли, чтобы члены семьи без хлопот могли разделить ее между собой, а блохи прыгают на белое, чтобы человеку легче было их ловить.

Телеология тормозила развитие науки. Когда в 1780 г. были откры­ ты двойные звезды, телеолог Фусс с пеной у рта опровергал их суще­ ствование. Он был уверен, что звезды (солнца других планетных сис­ тем) существуют для того, чтобы обогревать свои планеты и делать их удобными для жилья. «Зачем же там двойные солнца?— вопрошал Фусс. — Ведь от них у жителей тамошних планет перепутаются день и ночь!»

Телеологи боролись против учения Коперника, против громоотво­ дов и прививки оспы, против хирургических операций, против револю­ ционного преобразования общества, заявляя: «Не трогайте того, чья цель для вас сокрыта!». «Бог или слепой случай, третьего не дано», — говорили они.

Как это похоже на рассуждение самодовольного, тупого «ученого соседа» из юморески А. Чехова: «Для чего на Солнце пятны, ежели и без них можно обойтиться?»

У многих ныне уважаемых и заслуженных наук были придуркова­ тые предки. Астрологи, составлявшие по звездам предсказания люд­ ских судеб, положили начало изучению звездного неба и современной астрономии. Химия выросла на развалинах алхимии с ее бесплодными попытками получать золото и «волшебные» средства при изменениях веществ. Ранняя медицина не брезговала заклинаниями.

Теории управления — кибернетике еще менее повезло с ее пред­ ком — телеологией, так как это учение было чисто умозрительным, не­ способным даже к простому накоплению фактов, чем все же занима­ лись астрологи, алхимики и знахари-врачеватели.

Телеологи были близки к истине, когда утверждали, что во всех

Фрэнсис Бэкон (1561—1626) исключил всякие понятия цели и «конеч­ ной» причины из рассмотрения точных наук, как не поддающиеся опыту

и численной мере.

Но впоследствии науке пришлось убедиться, что целесообразность в мире все-таки требует особого принципиального объяснения.

Еще двести лет назад задачей естествознания считалось перечис­ ление веществ, составляющих мир, и определение их свойств. Химия изучала свойства конкретных веществ, а физика оперировала «веще­ ством» вообще и разными проявлениями его главного свойства — дви­ жения. Техника придавала веществу разные полезные формы или пре­ вращала вещества, для чего были созданы всевозможные инструменты, машины и аппараты.

Тогда физики свободно оперировали такими «веществами» или «субстанциями», как тепло, электричество, свет, магнетизм, которые на самом деле представляют собой различные формы движения материи.

Но вот загромыхали на шахтах и заводах окутанные клубами пара металлические чудовища — первые паровые машины. Раньше инжене­ ры знали машины, п е р ед а ю щ и е д в и ж е н и е (например, от течения реки к пушечному сверлу). Теперь появились машины, с о з д а ю щ и е д в и ж е н и е . Из чего? Из тепла. Но тепло считалось невесомым веще­ ством. Как же из одного вещества получается свойство других?

Паровые машины, сделанные руками инженеров и техников, были известны до последнего винтика. Тем не менее оставалось тайной для науки, на что они способны, каковы возможные пределы их совершен­ ствования, принципы конструирования.

В 1824 г. мемуар молодого офицера Сади Карно (1796—1832) «Раз­ мышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» положил начало научному исследованию процессов превращения сил. В 40-х годах прошлого столетия было введено общее понятие «энер-

18