книги из ГПНТБ / Теплов Л. Очерки о кибернетике

Можно модулировать интенсивность электронного луча в соответ­ ствии с полученной ранее разверткой изображения, и у нас получится

любое место экрана. Мы получим электронно-лучевую пишущую трубку.

Такая трубка — карактрон — появилась в 1953 г. и после ряда усовершенствований показала неслыханно быструю скорость письма — около 4 тысяч знаков в секунду.

Объединив кинескоп с карактроном, инженеры, работающие в об­ ласти радиолокации, построили трубку, рисующую схемы и карты для летчиков и наблюдателей за воздухом. Эта трубка по радиолокацион­ ным сигналам составляет изображение и снабжает его меняющимися пояснительными надписями.

Соединение кинескопа с электронным коммутатором позволило со­ здать электронно-лучевой локатор, который был применен, в частно­ сти, как «телевизор мозга».

Обычный электронный осциллограф позволил исследовать харак­ тер возбуждения клеток в нервных цепях. Подтвердилось, что всякое возбуждение сопровождается изменением электрического потенциала

клетки, т. е. оно имеет действительно ионный характер. Осциллограм­ мы-графики подтвердили, что возбуждение протекает в соответствии с законом экстремальности. Но только электронно-лучевой локатор по­ зволил впервые, хотя и в общих чертах, наблюдать работу мозга в целом.

Вот как это делается. Человеку, на голове у которого установлены датчики, предлагают решать математическую или логическую задачу. Гаснет свет, и на зеленоватом экране локатора тускло вырисовывают­

ся очертания мозга. Вот на нем вспыхивают яркие зеленые точки: в этом месте датчик отметил возбуждение. Возбуждение перемещается, точка вспыхивает рядом. Оно распространяется. Вот уже целая груп­ па вспыхивающих зеленых точек указывает на то место мозга, которое сейчас занято умственной работой...

Наконец, электронно-лучевой принцип позволил усовершенство­ вать «электрический глаз» и создать высокочувствительные трубки — датчики кодов для телевидения, трубки памяти, о которых будет речь впереди, и трубки для перекодирования информации.

229

Эта пишущая трубка карактрон похожа на электроглаз и на осциллоскоп. На фото­ катод здесь отбрасывается изображение всего алфавита. Одна система выбирает нуж­ ную букву и проводит ее сквозь диафрагму, вторая — ставит на нужное место в строке. Если изображение на экране исчезает не сразу, мы можем увидеть и сфотографировать целый текст.

Для того чтобы получить трубку-перекодировщик, установим, что центральной точке экрана соответствует определенный сигнал. Легко подключить сигнальную систему к управляющим системам трубки так. что луч при подаче определенного сигнала окажется в этой точке Свет, исходящий из точки, можно собрать конденсором и отбросить на высокочувствительный фотоэлемент. Теперь сигнал последует дальше по цепям, как будто он не испытывал никаких преобразований.

230

Если приложить к отклоняющим пластинам другой сигнал, луч окажется в другой точке экрана. Для всего множества возможных сигналов экран будет картой, на которую можно наложить маску из пятен разной плотности. Тогда каждый сигнал будет систематически «преобразовываться в соответствии с данной маской.

Аналогичная трубка может быть использована для превращения непрерывного кода в дискретный или двоичный. Рассмотрим второй вид преобразования. Представим, что на горизонтальные отклоняющие пластины подаются периодические сигналы, раскачивающие луч по( горизонтали. Если теперь на вертикальные пластины подавать непре­ рывное изменение потенциала, несущее код, каждому дискретному зна­ чению его будет соответствовать определенная строка на экране. Разо­ бьем эту строку непрозрачными пятнами краски на несколько участков, так, чтобы каждой строке соответствовала своя комбинация пятен. Тогда фотоэлемент при каждом из дискретных значений сигнала будет получать серии вспышек и затуханий светящейся точки, соответствую­ щих той строке, которую точка проходит, например:

0-000000000000

1—000000000001

2— 00000000001о 3— 000000000011

4— 000000000100 и т. д.

. Нулям в этой записи соответствуют затемненные места, а едини­ цам — прозрачные. Но можно было бы записать и наоборот.

Одной из существеннейших задач сигнальных систем является устранение избыточности или, наоборот, введение ее в код, а избыточ­ ность находится, как мы знаем, в прямой зависимости от повторяемости (относительной частоты) сигналов.

В 1952 г. Б. М. Оливер предложил сравнивать на входе управляю щей системы трубки-перекодировщика ряд сигналов, составляющих код, и, в зависимости от частотных отношений между ними, отклонять луч в момент передачи очередного сигнала на разные места экрана. В этих местах он предложил устанавливать маски разной плотности, так что выходной сигнал изменяется в соответствии с частотой входных сиг­ налов.

Вакуумная трубка, экран которой представляет собой карту всех возможных комбинаций сигналов, получая повторяющиеся комбинации, накапливает заряд в местах экрана, соответствующих наиболее частым из них. Такая трубка-накопитель может служить фильтром, отсеиваю­ щим помехи. Ведь слабый, уже неразличимый на фоне помех сигнал отличается регулярностью повторений, тогда как помехи имеют случай­ ное распределение.

При многократном наложении одного слабого сигнала на другой потенциал его места на экране может стать вполне отличимым от потен­ циалов мест, соответствующих помехам.

231

Кроме того, учет повторяемости или частоты различных комбина­ ций сигналов лежит в основе других операций над сигналами, и ваку­ умная трубка-накопитель может быть главной частью разнообразных «статистических» машин, с удивительными свойствами которых чита­ тель познакомится в следующих главах.

Используя быстродействие вакуумных электронных и электронно­ лучевых приборов, удалось моделировать многие порознь взятые каче­ ства сигнальных элементов живых управляющих систем, не прибегая к точному воспроизведению тех ионных процессов, которые происходят в клетках, и даже превзойти некоторые естественные процессы в скорости и четкости.

Но нетрудно заметить, что природа оставалась пока недостижимо экономной. Например, электронный ламповый триггер несравнимо больше клетки по размерам и потребляет большое количество энергии Кроме того, он выходит из строя от ударов и сотрясений.

Когда вакуумные приборы были хорошо освоены и изучены, техни­ ка вернулась к электронным процессам в полупроводниках, чтобы пос­ тепенно заменять ими вакуумные приборы.

Перекодировщик непрерывных сигналов в дельта квантованные (двоичные) выполняет свою работу подобно осциллоскопу. Каждому смещению линиина экране (по вертикали) соответствует свое со­ четание прорезей в маске: они-то и превращаются фотоэлементом в двоичные электрические сигналы.

232

Наиболее простые случаи применения полупроводников связаны как раз с их способностью изменять количество свободных электронов под влиянием внешних воздействий. Нагретый или освещенный полу­ проводник уменьшает сопротивление электрическому току и может слу­ жить датчиком информации, заменить термометр или вакуумный фото­ элемент. Сопротивление полупроводника электрическому току меняет­ ся с увеличением тока по особому закону, не совпадающему с законом, по которому изменяется ток в проводе. Сравнивая полупроводниковое сопротивление с обычным, можно сказать, что оно имеет как бы пере­ менную длину или сечение. Этот принцип используется для преобразо­ вания кодов, например результатов измерения, в приборах «варисторах».

Более сложные явления, происходящие в полупроводниках, не раз ставили в тупик самых проницательных исследователей. Так, в 1879 г. физик Холл обнаружил, что магнитное поле отклоняет поток электронов в твердом теле примерно так же, как электронный луч в вакууме, но с меньшим эффектом. В некоторых случаях в полупроводниках наблю­ далось смещение носителей электричества, обратное тому, какое пред­ сказывает теория для элементарных отрицательных зарядов — элект­ ронов. Внешне получалось так, будто в полупроводнике появлялись «по­ ложительные электроны».

Всякой частице соответствует античастица, и, в частности, электро­ ну действительно соответствует позитрон — аналогичная частица с поло­ жительным зарядом. Но существование позитронов в полупроводнике было совершенно невероятным, так как, встречаясь с электронами, они должны были бы взаимно уничтожаться с выделением энергии. Между тем самопроизвольного выделения энергии из полупроводника никто не

наблюдал.

Исследования показали, что малейшая примесь посторонних ве­ ществ совершенно меняет свойства полупроводника и почти каждый из них после такого «загрязнения» резко повышает свою проводимость, но в разных направлениях, зависящих от состава примеси. Если подмеши­ ваются вещества, у которых на внешних орбитах атомов больше элект­ ронов, чем у самого полупроводника, то освобождающиеся по разным причинам электроны действительно становятся свободными, как в ме­ талле. Если же примесь имеет меньше внешних электронов, то освобож­ дающиеся электроны полупроводника быстро захватываются соседни­ ми атомами и не могут свободно передвигаться. Передвигаются же и являются носителями тока так называемые «дырки», т. е. места, остав­ шиеся после ухода электронов; эти места стали условно считать как бы частицами с положительным зарядом.

Полупроводниковые приборы состоят обычно из двух или более слоев вещества, различающихся между собой характером проводимости.

Первыми появились и нашли широкое применение полупроводни­ ковые диоды-выпрямители. В 1948 г. физики Бардин и Браттейн созда­

233

играет роль катода, создает первичные носители тока и называется «эмиттером»; другой выполняет функции анода, воспринимая ток, —он называется «коллектором»; наконец, последний электрод играет роль сетки, и его называют «базой» или «основанием» транзистора.

Поскольку имеется общая база, в транзисторе возникает взаимо­ действие между цепями,, равносильное обратной связи: увеличение то­ ка в одной цепи сказывается на увеличении тока в другой, а это уве­ личение шире открывает дорогу току первой цепи. В результате управ­ ляющий импульс вызывает лавинообразное нарастание перехода тран­ зистора из непроводящего состояния в проводящее, и прибор работает,

новые многочисленные соперники полупроводниковых усилителей, в ча­ стности, «криотрон», молекулярные усилители и «солион».

Криотрон представляет собой проводник, окруженный тонкой об­ моткой и охлажденный до температуры, близкой к абсолютному нулю.

В полупроводнике электрический ток так же легко поддается управлению, как и в вакууме. Носителями тока — в зависимости от вещества полупро­ водника— могут быть либо электроны, как в вакууме (см. вверху), либо «дырки», т. е. места, где в кристаллической решетке вещества отсутствуют электроны (см. внизу).

234

приборы особенно интересны, потому что в них осуществляются про­ цессы той же физической природы, что и в живых нейронах.

Представим себе капсулу, наполненную раствором йода и йоди­ стого натрия, с тремя металлическими электродами, причем средний из них сделан пористым, так что он может пропускать ионы из одной половины капсулы в другую. Это и есть солион. Крайние электроды — анод и катод, средний играет роль сетки вакуумного триода. Как из­ вестно, концентрация ионов в растворе зависит от температуры и ра­ диации. С увеличением температуры или освещенности проводимость

раствора увеличивается — солион может служить термодатчиком и фотоэлементом. Если к гибкой стенке солиона приложить усилие, она вминается, раствор продавливается сквозь пористый электрод, прово­ димость прибора изменяется, и солион работает, как датчик давления (тензодатчик), а также может служить микрофоном.

Потенциал, приложенный к среднему электроду, управляет про­ хождением ионов от катода к аноду, и прибор усиливает сигналы, вы­ раженные в изменениях этого потенциала. Так, он выполняет роль усилителя и реле.

235

Больше того, увеличивая потенциал на среднем электроде, мы мо­ жем перемещать раствор из одной половины прибора в другую. При этом одна гибкая стенка его втягивается, а другая вытягивается — про­ исходит превращение электрической энергии в механическую, ■солион становится двигателем.

Можно представить себе конструкцию типа электронной черепахи Грея Уолтера, составленную только из солионов, имеющих десяток конструктивных разновидностей. Она может получать питание от галь­ ванических элементов или аккумуляторов, по устройству опять-таки очень похожих на солионы. Если это будут гальванические элементы,

ществлять обмен веществ. Если питающие элементы смогут работать,, как аккумуляторы, ее потребности обеспечит только обмен энергией: она будет получать электрическую полноценную энергию и превращать ее в бросовое, обесцененное тепло при всяких движениях. Для того чтобы добывать необходимые вещества или энергию, солионная чере­ паха сможет двигаться, воспринимать давления, звук, свет, тепло или

такие же по физической сущности процессы, какие происходят у полу­ проницаемых клеточных стенок живого организма, позволительно спро­ сить: нельзя ли назвать ее живой?

По-видимому, нет, так как солионы не обладают, например, спо­ собностью к самовоспроизведению и наследственностью. Чем ближе мы подходим к экспериментальному воспроизведению разных сторон жизни, тем больше у нас оснований называть «живой» только такую систему, где имеются все без исключения качества живого организма.

В то же время солионная черепаха по поведению может ничем не отличаться от живой, и в ее устройстве будет воплощен очень высокий уровень организации вещества. Странными и непоследовательными поэтому выглядят утверждения о том, что заимствованные из техники элементы — преобразователи сигналов, например электронные или ионные, «никогда» не смогут образовать сколько-нибудь совершенной сигнальной системы типа мозга. Вот как недавно писал один уважае­

мый автор (П. Гуляев):

«Мы должны отметить принципиальную разницу между корой моз­ га человека и всяким техническим устройством, в том числе и телеви зором. Во всяком техническом устройстве все процессы на входе, про­ межуточных устройствах и на выходе всегда являются физическими процессами, подчиненными физическим закономерностям... В коре же мозга возникает психический процесс, подчиняющийся качественно' другим законам» '.1

1 «Применение математических методов в биологии». Л., 1960, стр. 184.

236

Это размышление в высшей степени ха­ рактерно для «обоснования» категорическо­ го ограничения возможности моделирования психических процессов. Такие взгляды — а они до сих пор время от времени появляют­ ся в печати — ведут свое начало от очень древних и совершенно неверных представле­ ний о том, что все более сложные и высокие закономерности возникают не от усложняю­ щихся сочетаний обычных, простых взаимо­ действий между элементарными процессами в природе, а от того, что на каждом новом этапе усложнения в явления добавляется особая «субстанция», особое вещество или особая энергия.

Работа каждой из ламп, каждого сопротивления и конденсатора в телевизоре, безусловно, подчиняется фи­ зическим законам электро­ динамики. Но ни из одного закона электродинамики не вытекает устройство телеви­ зора в целом, последова­ тельность связей от антенны на каскады усилителей, а за­ тем — на иконоскоп и дина­ мики. Одна радиолампа, безусловно, не может ни по­ казать нам, что происходит на Шаболовке, в студии те­ левидения, ни перевести от­ рывок английского текста на русский язык. Двести и две тысячи ламп, если они про­ сто поставлены в ряд, этих удивительных качеств тоже не имеют. Но если они опре­ деленным способом органи­ зованы, составляют телеви­ зор или электронную вычис­ лительную машину, они об­

наруживают новые качества, которые, если не насиловать грубо смысла понятий, уже невозможно вывести из . старых, чисто физических зако­ нов или «свести» к ним. Переводя с одного языка на другой, элек­ тронная машина действуетне по законам электродинамики, а по законам

237

языка, и если она неспособна руководиться этими законами, она ничего не переведет.

В элементах неисправного или расстроенного телевизора все фи­ зические процессы столь же аккуратно подчинены закономерностям фи зики, как и в исправном, ни одна из них не нарушается, но согласован­ ности между элементами нет — и телевизор не работает, законы пере­ дачи изображения в нем не осуществляются.

До сих пор иногда встречается странное представление, что «хи­ мические элементы, входящие в состав живого, находятся в качествен­ но ином состоянии, чем в неорганической природе» *. Это, конечно, не­ верно, и «неживой» кислород или азот ничем не отличается от азота или кислорода, связанного в тканях организма. Дело опять-таки не в свойствах или состояниях элементов, а в свойствах систем, их объеди­ няющих. Еще античные материалисты отчетливо понимали это. Лукре­ ций писал:

...И без начал смеющихся можно смеяться, И разуметь, и в ученых словах излагать рассужденья,

Не состоя из семян и разумных, и красноречивых.

Клетка головного мозга не обладает ни разумом, ни красноречием, клетка головного мозга не подчиняется законам психики, а наоборот — законы эти возникают только в результате взаимодействия множества клеток между собой, и не только между собой, но и с внешним миром. Законы психики не вытекают из свойств отдельно взятой клетки и не «сводятся» к ним. Фридрих Энгельс говорил:

«Мы, несомненно, сведем когда-нибудь экспериментальным путем мышление к молекулярным и химическим движениям в мозгу, но раз­ ве этим исчерпывается сущность мышления?»

Сущность мышления, этого высшего из наблюдаемых нами процес­ сов переработки информации, равно как и сущность более элементар­ ных актов автоматизма, определяется не физической природой сигналь­ ных элементов, а принципами их организации в единую систему.1

1 В. Маховко, П. Макаров. Общая биология. М., 1956, стр. 14,