НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

Библиотечка «За страницами учебника»

Сигнал. О некоторых понятиях кибернетики. Полетаев И. А. — 1958 г.

Игорь Андреевич Полетаев

Сигнал

О некоторых понятиях кибернетики

*** 1958 ***


DjVu


PEKЛAMA Заказать почтой 500 советских радиоспектаклей на 9-ти DVD. Подробности...


 


      ПРЕДИСЛОВИЕ ИЗДАТЕЛЯ
      Полетаевский «Сигнал» - особенная книга... Ее появление в 1958 году стало вехой на тернистом пути отечественной кибернетики. Странным образом, XX век ознаменовался не только великими научными достижениями, но и позорными преследованиями Знания и ученых. «Обезьяний» процесс в США, аризация наук в Германии, гонения на биологию, теорию относительности и кибернетику в СССР... Иррациональность этих явлений в нашей стране оттенялась тем, что «крамольные» направления - от радиобиологии до системотехники - все равно интенсивно развивались ради обеспечения обороноспособности. В результате, от ретроградов наиболее пострадало самое легальное и открытое для нападок звено, а именно - образование. «Оттепель» в образовании началась с публикации новых учебных пособий, написанных активно работающими учеными. Одним из таких пособий и стал «Сигнал». Характерно, что книга Игоря Андреевича Полетаева вышла в «Советском радио» - ведь аудитория именно этого издательства - огромная армия радиолюбителей - была особенно восприимчива к новым идеям.
      Если бы эта книга имела только исторический интерес, вряд ли стоило ее переиздавать. Она безусловна сохранилась, по крайней мере, в крупных библиотеках, и доступна специалистам. Дело в том, что теория информации и теория управления оказались в беспризорниках, и их основы выпали из школьных программ по физике и по естествознанию. Что же касается информатики, то этот курс ориентирован почти исключительно либо на обучение популярным алгоритмическим языкам и элементам программирования, либо на освоение текущих версий операционных систем и прикладных программ. Блестяще написанная книга И.А. Полетаева безусловно способна заполнить образовавшуюся лакуну и помочь молодежи получить из первых рук добротные знания о наиболее общих проблемах обращения с информацией и управления сложными системами.
      Это издание подготовлено учениками московской гимназии № 1543 Алексеем Алексеевым, Владимиром Марченко, Русланом Саркисяном и Михаилом Степановым при любезном содействии Андрея Игоревича Полетаева.


      СОДЕРЖАНИЕ
     
      Предисловие
      Глава 1. Энергетика и кибернетика 9
      Управление потоками энергии 11
      Информация 22
     
      Глава 2. Сигнал 25
      Изоморфизм 28
      Возникновение сигнала и реакция 34
      Сигналы порождают сигналы 36
      Полнота описания 37
      Дискретные и непрерывные сигналы 40
     
      Глава. 3. Случай 44
      Случайные события 44
      Вероятность 47
      Распределение вероятностей. Математическое ожидание и дисперсия 53
      Шум 58
      Вероятность в физике. Энтропия 62
     
      Глава 4. Количество информации 70
      Информационная емкость 70
      Мера количества информации 75
      Код 80
      Скорость передачи 84
      Самокорректирующиеся коды 89
      Теорема Шэннона 92
      Информационная и физическая энтропия. Организация 94
     
      Глава 5. Передача сигнала 102
      Модуляция 103
      Искажения 110
      Спектр и полоса пропускания 113
      Селекция 116
      Пример канала связи 119
      Работа нервного волокна 124
     
      Глава 6. Обратная связь. Регулирование 128
      Работа систем регулирования 137
      Обратная связь в живых организмах 141
      Рефлексы 150
     
      Глава 7. Сигнал в машине 162
      Вычислительные устройства непрерывного действия 164
      Дискретный счет 169
      Вычислительные устройства дискретного счета 172
      Счетно-аналитические машины 176
      Быстродействующие электронные вычислительные машины 180
      Управление и память 193
      Особенности электронных машин 203
      Теоретическая логика и алгебра релейных схем 206
      Релейные схемы 212
      Машины и мышление 218
     
      Глава 8. Робот 221
      Кибернетические игрушки 233
      Роботы и язык 245
      Автоматический перевод 258
      Другие роботы 267
     
      Глава 9. Мысль 275
      Человек у машины 277
      Строение нервной системы 233
      Работа мозга 293
      Эмоции 307
      Сигнальные процессы в мозге 309
      Чем не обладает машина? 315
     
      Глава 10. Игра 331
      Понятия теории игр 333
      Стратегия 334
      Функция пользы 336
      Смешанное расширение игры 342
      Случайные ходы 347
      Машины, играющие в стратегические игры 350
      Еще раз о неопределенных играх 354
     
      Глава 11. Робот» который мог бы быть умнее своего конструктора 360
      Самоорганизующиеся системы 362
      Осуществление самоорганизующихся систем 367
      Избыточность организации 376
     
      Глава 12. Большой робот 380
      Что же дальше? 380
      Возможности кибернетических систем 385
      Заключение 395
      Краткая библиография 401

     
      Узнать, понять и охватить гармонию научного здания с его недостроенными частями — значит получить такое наслаждение, какое даёт только высшая красота и правда.
      Д. И. МЕНДЕЛЕЕВ.
     

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      Кибернетика* есть наука о процессах управления и передачи сигналов в машинах и живых организмах, использующая математические методы.
      * От греческого корня, означающего «искусство рулевого».
      Сигнал, т. е. физический процесс, несущий информацию, является центральным понятием кибернетики, отсюда — название этой книги.
      Возникновение, передача и использование сигнала для управления представляет собой явление весьма общее для самых, на первый взгляд, различных объектов. Закономерности использования сигнала в системах управления и связи обширны, многообразны и отличны от законов преобразования энергии. Эта специфика нуждается в отдельном изучении и отдельной трактовке, достаточно общей и строгой.
      Задача данной книги не в том, чтобы дать исчерпывающие, точные и окончательные определения понятий кибернетики и изложить решения всех проблем. Такая задача сегодня вряд ли выполнима. Цель этой книги заключается лишь в том, чтобы дать читателю предварительное, по возможности понятное изложение общих идей, на которых строится учение об информации и управлении. Большой интерес к вопросам кибернетики, по-видимому, оправдывает такую попытку. Общее знакомство со всем кругом идей кибернетики в целом обычно вызывает большой интерес и помогает углубленному изучению какого-либо одного ее раздела.
      Широкое поле применений кибернетики — от теории связи до рефлексологии — создает большие трудности для тех, кто пытается охватить материал в целом. Однако большая часть ценности понятий кибернетики в том и состоит, что они позволяют усматривать общее в самых разнообразных явлениях и взаимно обогащать самые, казалось бы, отдаленные друг от друга области знаний. Поэтому ограничиваться рассмотрением каких-либо отдельных применений кибернетики означает наносить вред изложению. Признав нежелательным такое обеднение содержания и будучи убежденным в том, что опасность совершить мелкие ошибки в деталях является меньшим злом, чем выбрасывание из рассмотрения целых областей применения кибернетики, автор был вынужден, естественно, входить в те области знаний, которые далеки от его привычной узкой специальности. Разумеется, добиться исчерпывающей полноты изложения было затруднительно по многим причинам. К содержанию книги можно и, быть может, нужно многое добавить.
      Изложение понятий кибернетики в этой книге, в основном, преследует цель возбудить интерес к конкретным проблемам и привлечь к ним внимание. Нам представляется, что биолог и врач по-новому увидят тот живой материал, с которым они работают, получив общее представление об информации, связи и управлении в их технических применениях, а инженер сумеет увидеть новые перспективы, сравнив системы, им создаваемые, с естественными системами аналогичного назначения.
      Изложение понятий кибернетики в общедоступной форме и без больших упрощений представляется делом нелегким. Берясь за его выполнение, часто приходится жертвовать развлекательной стороной изложения, надеясь, что содержание самих понятий кибернетики не позволит читателю скучать.
      Кибернетике еще не исполнилось десяти лет со дня ее если не рождения, то «крещения»*.
      * Слово «кибернетика» вошло в обиход с 1948 года после выхода в свет книги Н. Винера под этим названием. Впервые слово «кибернетика» употребил французский физик Андре Мари Ампер для обозначения науки о государственном управлении.
      Количество проблем как принципиально-познавательного, так и утилитарноприкладного характера в области кибернетики поистине огромно, и большинство из них ожидает скорейшего разрешения. Поэтому задача направить силы ученых и техников на решение этих насущных проблем, создать единое понимание общих законов управляющих систем и систем связи, установить общую систему понятий и терминов для различных отраслей знаний представляется задачей чрезвычайно актуальной. Если настоящая книга хоть в незначительной степени послужит привлечению внимания различных специалистов к их общим интересам, задачу ее можно считать выполненной.
      Мы являемся свидетелями первых шагов кибернетики. Возможности, которые она сулит в перспективе, настолько велики, что самая смелая фантазия может оказаться бессильной их представить.
      Изложение в настоящей книге не копирует какой-либо источник или серию источников, хотя общие идеи почерпнуты из многих работ.
      Кибернетика сложилась впервые в США, Франции и Англии. Первые шаги кибернетики в СССР были омрачены возникшим по недоразумению предвзятым отношением к ней. К счастью, недоразумение сейчас рассеяно, и кибернетика заслуженно завоевывает все большее внимание советской интеллигенции. Сегодня уже невозможно огульное охаивание кибернетики; остались только споры принципиального характера, закономерные и необходимые на всех этапах развития науки.
      Спорных и нерешенных вопросов в кибернетике много. Это делает ее особенно интересной. В настоящей книге намеренно не обходятся спорные вопросы. Относительно будущих, не созданных еще устройств, нерешенных еще вопросов невозможно делать бесспорные утверждения. Широкое и свободное обсуждение проблем в научных спорах полезно для развития науки и поучительно для участников этих споров. Поэтому автор заранее благодарен всем, кто возьмет на себя труд добросовестной и аргументированной критики. Речь идет, разумеется, о научном обсуждении вопроса, а не о декларациях с предвзятых позиций, которыми изобиловали первые сообщения о кибернетике у нас.
      Из числа отрицательных суждений о кибернетике хочется отметить одно. Иногда работники узких прикладных специальностей, примыкающих к кибернетике, задают вопрос: «Зачем нужно называть «кибернетикой» то, что существует много лет без этого названия и чем мы с успехом занимаемся ежедневно? Нам это ни в чем не поможет!» Не хотелось бы резко возражать против подобных суждений. Можно много лет работать кочегаром и не иметь понятия об энергетике в целом. Можно всю жизнь говорить прозой и не подозревать об этом, без малейшего вреда для себя. Совершенно так же можно изо дня вдень занимаясь, например, следящими системами, не задумываться над связями понятий техники и биологии. И никто не будет вправе сказать, что такая деятельность в пределах одной узкой специальности не полезна. Но если бы мы занимались только деятельностью в пределах «узких специальностей», не выходя за их рамки, то мы не имели бы ни реактивных самолетов, ни меченых атомов, ни, быть может, атомной энергии, словом, ничего, что создано смелой мыслью, ломающей рамки «узких специальностей». Порой смелое объединение разнородных явлений общими понятиями приносит неизмеримо больше общественной пользы, чем движение по проторенным путям.
      Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность всем, оказавшим ему помощь в написании этой книги советами, указаниями и обсуждением грудных вопросов, и в первую очередь академику А. И. Бергу, без инициативы которого эта книга не увидела бы света, а также т.т. А. А. Ляпунову, А. И. Китову, Л. В. Крушинскому, М. О. Герцбергу и многим другим.
      Москва, 1956 г.
     
      ГЛАВА 1
      ЭНЕРГЕТИКА И КИБЕРНЕТИКА
      Нельзя представить себе современной культуры без использования огромных количеств энергии из естественных источников. Никакая отрасль современной индустрии не обходится без энергетических устройств значительной мощности. Огромные количества энергии расходуем мы при плавке чугуна в домнах или стали в мартеновских печах, обжимая многотонные болванки на прокатных станах, снимая стружку с миллионов металлических деталей на металлообрабатывающих станках, поднимая н перенося стройматериалы на стройплощадках, перемещая миллионы тонн грунта на строительствах гидросооружений, перевозя грузы и пассажиров из одного конца страны в другой по земле, воде и по воздуху, выполняя сельскохозяйственные работы. Энергия, дробясь на мелкие порции, проникает в наши жилища, освещает, согревает их, позволяет без затраты физического труда выполнять мелкие домашние работы. Энергия, преобразуемая машинами из одного вида в другой, послушно служит не только нашим материальным потребностям, но и помогает удовлетворять потребности духовные. Современная полиграфическая промышленность, телефон, телеграф, радио, телевидение, кино не могли бы существовать без умелого использования больших количеств энергии. Попытайтесь представить себе, как изменилась бы жизнь современного города, если бы были выключены все источники энергии и нам пришлось бы обходиться только силой собственных мышц, и вам станет ясно, как тесно н прочно связана жизнь современного общества с использованием энергии.
      Разнообразные и многочисленные применения энергии на пользу человека суть результат многолетнего развития различных отраслей науки и техники, которые объединяются общим названием энергетика. Электротехника, гидро- и аэродинамика, термодинамика, ядерная физика и многие другие отрасли науки и техники являются составными частями энергетики.
      Основные знания в области энергетики были заложены уже в девятнадцатом веке. Открытие основных законов преобразования энергии — первого и второго законов термодинамики — позволило подходить строго, с числом и мерой, к конструированию энергетических машин.
      Первый закон, закон сохранения энергии гласит: невозможно возникновение или уничтожение энергии. Этот закон устанавливает эквивалентность различных видов энергии при ее преобразованиях. Один киловаттчас электроэнергии может превратиться в 367 100 килограммометров механической работы, не больше и не меньше. Однако обычно не удается целиком использовать все количество энергии, участвующей в преобразовании. При работе машины часть энергии расходуется попусту, но она не исчезает, а переходит в такие виды энергии (чаще всего в тепло), которые уже нельзя полностью «собрать» и использовать. Использовать удается лишь часть энергии, участвующей в преобразовании. Эта часть (обычно выражаемая в процентах), называется коэффициентом полезного действия машины, преобразующей энергию. Одним из следствий закона сохранения энергии является следующее утверждение: «Коэффициент полезного действия (к. п. д.) машины не может быть больше 100%». Практически он всегда меньше 100%.
      Конкретные отрасли энергетики, занимающиеся преобразованием энергии, в качестве одной из основных задач имеют повышение к. п. д. В этом отношении остается еще многое сделать. Так, например, к. п. д. паровоза обычно не превышает нескольких процентов, и из всей энергии, полученной от сжигания угля в топке, лишь менее одной десятой расходуется на перемещение поезда, а остальные девять десятых бесполезно тратятся на нагревание окружающего воздуха.
      Энергию, израсходованную на нагревание воздуха, обычно уже невозможно использовать снова или же, если и возможно, то лишь частично. Если два резервуара тепла имеют одинаковую температуру, то, хотя в них запасено большое количество энергии, использовать ее невозможно, не привлекая на помощь резервуар с более высокой или более низкой температурой. Это утверждение является одним из следствий второго закона термодинамики. Второй закон может быть сформулирован так: невозможен процесс, единственным результатом которого явилось бы превращение тепла в работу.
      Первый и второй законы дают возможность ставить разумные требования к энергетическим системам и показывают, что от них можно требовать и чего нельзя.
      Правда, и до наших дней еще встречаются горе-нзо-бретатели вечных двигателей, пытающиеся обойти либо первый, либо второй закон и получить энергию из таких источников, из которых ее невозможно извлечь. Попытки «изобретения» вечных двигателей не приносят пользы.
      Энергетика еще не сказала своего последнего слова и продолжает неуклонно и быстро развиваться. Достаточно напомнить, что сейчас начата новая глава энергетики — использование атомной энергии. По этому пути сделаны только первые шаги, и в настоящее время еше трудно предсказать, насколько сильно использование энергии атома изменит облик энергетики. Ясно только, что эти изменения будут значительными и что в результате их «мышцы» человечества станут еще более могучими, чем в наши дни.
      Управление потоками энергии
      Всякое применение или использование энергии требует управления её потоком. Любую энергетическую машину нужно пускать в ход и останавливать, регулировать ее работу. Любой технологический процесс требует изменения количества подводимой энергии во времени.
      Самым существенным в процессе управления потоком энергии является то, что для осуществления управления необходимо всегда меньшее количество энергии, чем то, которым управляют, Если бы это было не так, то управление было бы невозможно. Любое управляющее устройство имеет в своем составе «клапан», который открывает или закрывает путь большому количеству энергии и который требует для своего «срабатывания» сравнительно малого усилия. Такого рода «клапанами» являются электронные лампы, реле, контакторы, выключатели, дроссельные заслонки двигателей внутреннего сгорания, золотники паровой машины, водопроводные краны и т. д. Все устройства подобного рода можно рассматривать как усилители, которые получают на «вход» слабое воздействие и дают на «выходе» соответствующее действие большой силы, для которого энергия черпается из постороннего источника. Усилие, которое прикладывается к рукояткам управления паровой машины локомотива, соизмеримо с силой мышц человека, и человек, стоящий у машины, движением своих рук управляет энергией, во много раз превышающей его собственные энергетические ресурсы.
      Первоначально, на заре энергетики, только человек-машинист стоял у рукояток управления машиной. В «атмосферической машине» Ньюкомена даже управление золотником для впуска пара в цилиндр при каждом ходе поршня осуществлялось машинистом, и скорость хода машины зависела, таким образом, от его расторопности. По преданию, мальчик-машинист Гемфри Поттер заставил машину самое дергать ручку золотника в нужный момент, привязав ручку веревочкой к шатуну машины. Это было одним из первых применений обратной связи в машине, которое сохранилось в принципе до наших дней и которое будет, вероятно, существовать еще долго. Изобретательный и ленивый мальчик передал свои обязанности по регулированию впуска пара самой машине, причем он разгрузил этим не только свои руки, но — что принципиально гораздо важнее — и свое внимание.
      Регулятор Джемса Уатта, часто приводимый как классический пример автомата регулирования, относится к тому же классу устройств, заменяющих деятельность человека при выполнении им одной операции. В данном случае эта операция заключается в поддержании скорости хода машины постоянной посредством регулировки подачи пара при изменениях нагрузки. Регулятор отводит небольшую часть энергии машины и направляет ее на приведение в действие регулирующего клапана — заслонки. Этого небольшого количества энергии достаточно для управления машиной потому, что заслонка, подобно другим устройствам «клапанного» типа, обладает свойством «усиления». Энергия, отводимая для регулирования, несет «сведения» об изменениях хода машины. Эти сведения регулятор использует для того, чтобы воздействием на заслонку регулировать ход. В сущности то же делал и человек, передавший свои функции регулятору.
      И сейчас еще человек продолжает управлять машиной непосредственно, находясь в будке крановщика или экскаваторщика, сидя за рулем автомашины или трактора, держа в руках штурвал корабля или ручку контроллера электропоезда. Однако со времен Уатта и Ньюкомена машины настолько «поумнели», что некоторые из них могут обходиться вовсе без помощи человека. Человек же в тех случаях, когда он присутствует, выполняет лишь операции, которые почему-либо еще не автоматизированы. Машина «сама» принимает меры предупреждения против вредных последствий невнимательности и ошибок человека.
      Решающую роль в развитии техники автоматического управления энергетическими устройствами сыграло появление электроники — техники применения приборов, использующих свойства электронных и ионных токов в вакууме и полупроводниках, а также достижения техники связи. Создание быстродействующих, надежных в эксплуатации усилителей и реле создало огромные возможности для автоматического управления и управления на расстоянии.
      Когда мы набираем с помощью диска номер телефона, мы получаем соединение с нужным абонентом — одним из нескольких десятков или сотен тысяч, причем ни один человек не участвует непосредственно в осуществлении соединения. Вращение наборного диска под нашими пальцами быстро и надежно управляет работающими телефонными искателями на АТС, расположенной за несколько километров от нашей квартиры.
      Стоящий у вас в комнате холодильник сам следит за постоянством температуры своего шкафа, не допуская ни нагрева, ни переохлаждения его содержимого. Он управляется автоматически.
      Сложные сообщения, приказы, распоряжения передаются по телефону, телеграфу, радио. Эти приказы управляют действиями людей — исполнителей. Рисунки, чертежи, фотографии передаются по фототелеграфу. Еще более сложные сообщения передаются по системе телевидения, доводя до зрителя движущееся изображение, серое или цветное, одновременно со звуковым сопровождением.
      Передача сообщений на расстояние, управление на расстоянии, автоматическое управление — все эти отрасли техники выросли в недрах энергетики, на основе ее технических достижений и для обслуживания ее нужд. Однако совершенно ясно, что управление не сводится к одним только преобразованиям энергии, у него есть специфические особенности, которые заслуживают отдельного изучения.
      Нужда в автоматах и управлении на расстоянии особенно возросла и стала насущной потребностью, когда родилась новая отрасль энергетики — использование ядер-ной энергии. Известно, что непосредственное соприкосновение человека с радиоактивными препаратами вызывает ожоги, лучевую болезнь и смерть. Только очень небольшие порции лучистой энергии переносятся живыми организмами без вреда. Поэтому управление ядерными реакциями, процессами изготовления и исследования радиоактивных препаратов не может производиться руками человека и под его непосредственным наблюдением.
      К счастью, к моменту появления ядерной энергетики руки у человека были уже достаточно «длинными» и глаза достаточно «дальнозоркими», чтобы справиться с новыми задачами. Техника автоматического и дистанционного управления появилась раньше ядерных реакторов. Большие и малые электросиловые станции, управляемые полностью автоматически, работали уже более двух десятков лет тому назад. На таких станциях все операции по регулированию напряжения в сети при изменениях нагрузки, аварийная защита, переключения агрегатов, регулирование их режима работы, словом, все текущие операции обслуживания производятся автоматически. Только в случае глубокого повреждения дежурный инженер вызывается автоматически действующей аварийной сигнализацией. Такая же станция, но с ручным управлением, требует для своего обслуживания непрерывного внимания и усилий более десятка работников.
      Автоматические метеорадиостанции сбрасываются с самолета на парашюте, сами (с помощью автомата) устанавливаются в рабочее вертикальное положение, включаются в работу и в течение долгого времени регулярно передают по радио результаты метеонаблюдений.
      Очевидно, что некоторый и притом не слишком узкий круг обязанностей человека, связанных с применением не мускульной силы, а внимания и сообразительности, полноценно выполняется без его присутствия устройствами автоматического управления. На наших глазах машины «отнимают» у человека все больше обязанностей по управлению энергией. Собственно, само понятие «машина» раздвоилось. Машиной мы называем и двигатель внутреннего сгорания и электронную счетную машину. Мы, во избежание путаницы, будем называть «энергетическими машинами» машины типа двигателя внутреннего сгорания или паровой, преобразующие один вид энергии в другой. Что же касается счетных машин и систем управления, то мы дадим им несколько позже другое название.
      Появление быстродействующих электронных цифровых машин, или — как их еще называют — машин дискретного счета, резко усилило «наступление» машин на область интеллектуальной человеческой деятельности или, проще говоря, позволило резко усложнить поручаемые машинам операции управления. Достаточно сказать, что автоматические устройства такого типа доказали на деле свою способность не только заменить труд многих десятков и
      сотен техников — вычислителей, но даже выполнять удивительным образом такие, казалось бы, неотъемлемо человеческие обязанности, как перевод текста с одного языка на другой, например, с английского на русский. Несколько лет назад предположение о возможности поручить перевод машине многим показалось бы плодом больной фантазии.
      Если машина и человек станут соревноваться в выполнении одной какой-либо операции, представляющей собой более или менее сложную реакцию на изменение внешней обстановки, то первое место, безусловно, останется за машиной. Машина работает во много раз быстрее и надежнее, чем человек, она не подвержена усталости, не отвлекается, ей не свойственны и другие человеческие слабости.
      Человек, призванный выполнять одну единственную операцию, например, вести по ровной, свободной от препятствий дороге автомашину, работает как автомат. Его работа тем лучше, чем точнее, своевременнее и автоматичнее его реакции. Всякое отвлечение внимания, всякий «выход из режима автомата», чреват для него и пассажиров неприятными последствиями. Его работа может быть точно описана в тех же терминах, что и работа автомата.
      Но слабость человека, призванного все внимание отдавать выполнению роли автомата, слабость, заключающаяся в том, что он может переключить свое внимание на нечто другое — отвлечься, она же является его главной силой, которой никакая машина ие может похвастаться. Человек может выполнять функции любого автомата, перестраиваясь с одной задачи на другую и обучаясь делать каждое дело наилучшим образом: вести любой экипаж в любых условиях, следить за ходом производственного процесса, вычислять, изобретать и т. д. Кроме того, он может выбрать, какую из задач ему нужно решать в настоящий момент, сформулировать эту задачу и найти методы ее решения. И хотя уже существует много автоматов, каждый из которых решает одну из задач, обычно решаемых человеком, и число типов таких автоматов непрерывно растет, до настоящего времени еще нет такого, который решал бы их в с е. Впрочем, мы не можем привести убедительных доводов, которые опровергали бы возможность существования и такого автомата.
      В теле животных, в том числе и человека, непрерывно протекает большое число процессов, которые вполне подобны работе технических автоматов, хотя они и протекают в совершенно иной физической среде и включают в себя работу живых тканей и клеток, которые по своей природе совершенно отличны от реле, радиолампы, рычага, потока пара. И тем не менее регулировка энергетического процесса нагрева и охлаждения и поддержание постоянства температуры тела теплокровных животных в принципе вполне подобны регулировке температуры в термостате. Это сходство можно проследить даже в деталях.
      Уместно, однако, спросить, не является ли грубой ошибкой проведение сравнений между живыми организмами и механизмами? Не впадаем ли мы при этом в «вульгарный механицизм»? По-видимому, подобные сравнения проводить можно, тем более что они проводились и проводятся уже давно. Мы давно изучаем химические превращения веществ в тканях живых организмов и многие реакции повторяем в пробирке. Мы изучаем обмен энергии в организме, подсчитываем теплотворную способность пищи, поглощаемой организмом, изучаем механизмы рычагов, образуемых костями скелета и скелетными мышцами, мало того, мы вмешиваемся и в механику н в химию организма, исправляя его недостатки на основе знаний механики, физики и химии, предпринимаем хирургическое и медикаментозное лечение и при этом не задаемся никакими вопросами о «вульгарном механицизме» или «вульгарном химизме». Если и другие законы природы, законы управления посредством сигналов, оказываются применимыми равно как для живой, так и для мертвой материи, то вряд ли что-либо, кроме, разве, предрассудков, может запретить рассматривать и использовать и эти законы. Было время, когда из-за тех же предрассудков строжайше запрещалось вскрытие трупов. Правда, это было очень давно. Сегодня мы можем и должны рассматривать факты без предубеждений, четко устанавливая как сходство, так и различия в явлениях природы.
      Автоматизмы наблюдаются не только в деятельности внутренних органов, но и в поведении животных. Это так называемые «отраженные движения», нли рефлексы, которые появляются с «машинной» регулярностью и всегда одинаково при одинаковых раздражениях. По их изменениям судят об отклонениях от нормы в работе организма. Значит, не только деятельность внутренних органов тела животного, но и его поведение, можно поставить, конечно, с должной осторожностью, s один ряд с работой технических автоматических устройств, рассматривать их, хотя бы отчасти, с единой точки зрения, применяя общую методику, одинаковые критерии оценки и т. д.
      Несомненно, что обобщение сведений и методов как технических, так и биологических наук на основе строгого математического подхода приведет к взаимному обогащению естественных наук. Поэтому объединение точек зрения следует считать весьма желательным.
      Но возможно ли это в действительности? Не является ли все же живая природа глубоко качественно отличной от неживой? Не стоит ли меж ними непроходимая стена, которая не позволит установить единые взгляды и методы? И можно ли свести все поведение животных, их приспособление к условиям среды к автоматизмам, пусть даже очень сложным?
      И. М. Сеченов отвечал на этот вопрос утвердительно. Он писал в своей работе «Рефлексы головного мозга»: «... вопрос о полнейшей зависимости наипроизвольнейших из произвольных поступков от внешних условий человека решен утвердительно. Отсюда же роковым образом следует, что при одних и тех же внутренних и внешних условиях человека деятельность его должна быть одна и та же. Выбор между многими концами одного и того же психического рефлекса, следовательно, положительно невозможен, а кажущаяся возможность есть лишь обман сознания...»
      И. П. Павлов разделял это мнение. Он писал: «... Человек есть, конечно, система (грубее говоря — машина), как и всякая другая в природе, подчиняющаяся неизбежным и единым для всей природы законам, но система, в горизонте нашего современного научного видения, единственная по высочайшему саморегулированию. Разнообразно саморегулирующиеся машины мы уже достаточно знаем между изделиями человеческих рук. С этой точки зрения метод изучения системы — человека тот же, как и всякой другой системы: разложение на части, изучение значения каждой части, изучение связи частей, изучение соотношений с окружающей средой и в конце концов понимание, на основании всего -этого, ее общей работы и управление ею, если это в средствах человека...».
      Что касается различия и сходства живой и неживой природы вообще и возможности «объяснения» всех явлений с елиной точки зрения, то по этому поводу можно высказать некоторые общие соображения, хотя многие стороны процессов, протекающих в живых организмах, нам еще не совсем ясны.
      Всякое физическое тело больших размеров (или, как говорят, макроскопическое тело) состоит нз молекул (или микроскопических частиц), безразлично, принадлежит ли это тело живой или мертвой природе. Все свойства макроскопических тел определяются в конечном итоге свойствами микрочастиц и характером их взаимодействия. Однако для живых организмов эта зависимость проявляется, по-види-мому, иначе, чем для тел мертвой природы.
      Всякая молекула представляет собой устойчивое образование. Она не изменяет своей структуры или состояния до тех пор, пока на нее не будет оказано воздействие извне, обладающее достаточно большой энергией (тепловое соударение с другой молекулой, соударение с элементарной частицей, воздействие поля).
      Молекулы, собранные в большом количестве, образуют физическое тело, обладающее новыми свойствами, которых не было у единичной молекулы. Молекулы, входящие в состав тела, постоянно обмениваются энергией, обмениваются количеством движения, взаимно перемещаются. В теле непр€|рьгвно происходят изменения, даже при полном отсутствии внешних воздействий: выравнивается температура его частей, выравнивается концентрация различных веществ в объеме тела и т. д. В результате тело приходит в некоторое состояние равновесия. Физики говорят: «Трение, диффузия, теплопроводность приводят микроскопическую систему посредством термодинамически необратимых процессов в состояние с наибольшей энтропией в соответствии со вторым законом термодинамики». В этом состоянии равновесия микрочастицы — молекулы, из которых состоит тело, движутся, обмениваются местами, переносят энергию, но при этом в любом направлении происходят в среднем одинаковые перемещения. Поэтому макроскопически, т. е. в масштабе всего тела, не происходит ни переноса энергии, ни изменения концентраций. В этом и заключается сущность равновесного состояния или состояния с «наибольшей энтропией».
      Живые организмы, в отличие от тел неживой природы, будучи предоставлены самим себе, не приходят в состояние равновесия. В них непрерывно продолжаются многочисленные и разнообразные физико-химические процессы.
      Процесс «повышения энтропии», т. е. выравнивания температуры с окружающими телами и распадения устойчивых структур начинается только после смерти организма. Это не означает, впрочем, что второй закон термодинамики недействителен для живых организмов. Они поддерживают постоянство своей структуры за счет поглощения и разложения пищи и за счет поглощения энергии извне. Если рассматривать, в соответствии со вторым законом термодинамики, «замкнутую систему», т. е. систему, полностью разобщенную с остальным миром, состоящую из организма, пищи и отбросов, то в этой системе будет наблюдаться повышение энтропии. Однако энтропия самого живого тела остается приблизительно неизменной до момента смерти.
      Различие в свойствах живых и неживых тел, отмеченное нами выше, определяется тем, что в живом организме в целом и в каждой живой клетке протекают физико-химические процессы, направление и ход которых в конечном! итоге определяются молекулярными структурами ядра клетки. В живой клетке непрерывно происходит управление макроскопическими процессами со стороны микроскопических объектов. При этом устойчивость, неизменность, характерная для молекул как объектов микромира, проявляется в виде неизменности структур и постоянства процессов организма в макроскопических масштабах. Посредником являются процессы управления в живой клетке.
      Постепенно выясняется все больше деталей этих процессов управления. Возможно, что ближайшие годы при-несуг нам знание новых интересных подробностей, а может быть и разгадку «тайны жизни», разгадку, полученную путем изучения процессов управления и передачи информации в живой клетке. Ведь именно эти процессы и делают клетку живой, устойчивой, устойчиво и однообразно функционирующей в окружающей среде до момента смерти.
      Независимо от решения вопроса о том, существует ли непроходимая стена между живым и неживым миром и можно ли свести все поведение живых существ к сложным автоматизмам, мы можем утверждать, что сегодня иам известно большое число примеров, когда машина успешно выполняет сложные операции интеллектуального характера, заменяя человека в операциях управления энергетическими устройствами. Это обстоятельство породило общую систему взглядов на процессы связи и управления, которая включает в себя понятие информации.
      Для всех систем, в которых протекают процессы управления, будь то устройства регулирования или живые организмы, характерна одна весьма общая черта: отдельные части этих систем связаны друг с другом таким образом, что они передают друг другу некоторые сообщения о процессах, в них происходящих, с помощью сигналов. Именно по этому признаку можно проследить глубокое сходство и единство процессов управления. Энергетические процессы, сопровождающие сигнализацию, играют второстепенную и непринципиальную роль. Важна не энергия, а сигнал. Чтобы показать на примере справедливость последнего замечания, зададим себе вопрос: чему равен коэффициент полезного действия телевизора или радиолокатора? Ответить на этот вопрос невозможно (как, впрочем, и на всякий неправильно поставленный вопрос) уже потому, что на выходе телевизора, радиолокатора и им подобных систем энергия как таковая не представляет никакого интереса. Назначение радиолокатора состоит не в отдаче энергии в той или иной форме, как это свойственно энергетической машине, а в решении совершенно иной задачи. И радиолокатор и телевизор потребляют энергию, и даже в значительных количествах, но отдают они не энергию, а информацию, сведения в виде сигналов.
      Понятие информации очень широкое. Информацию переносят телеграф, телефон и радио. Информация записана на граммофонных пластинках, магнитных лентах, на фотоснимках и литографских оттисках. Информация передается с помощью человеческого языка устно или письменно, ее пересылают по почте, издают в виде книг, газет н журналов, хранят в библиотеках. Информация заключена в отсчете измерительного прибора, в результатах контроля продукции, в числовых подсчетах, в математических формулах и таблицах. Наше зрение, слух, осязание приносят нам информацию о внешних событиях, внутренние органы обмениваются информацией, координируя свою совместную работу. Ничтожные количества химических веществ доставляют нам посредством обоняния и вкуса информацию о качестве пищи. Изменения физических величин (электрического напряжения и тока, электромагнитного поля, давления), механические перемещения вводят информацию в автоматические устройства и позволяют получить из них новую информацию.
      Информация — это то, что несет на себе след какого-то факта или события, события, которое уже произошло или должно произойти, все то, что доставляет нам об этом факте сведения или сообщения. Создание, передача, хранение, использование и главным образом преобразование информации происходит и в машинах и в живых организмах по определенным строгим законам. Правила, по которым происходит преобразование информации, называют алгоритмами преобразования*.
      * Примером алгоритма может служить любая математическая Формула.
      Законы существования и преобразования информации объективны и доступны изучению. Они интенсивно изучаются. Собственно, определение этих законов, их точное описание, использование алгоритмов преобразования информации, в особенности алгоритмов управления, и составляет содержание кибернетики.
      Здесь уместно заметить, что точное определение содержания и границ таких наук, как кибернетика, затруднительно, и поэтому вокруг них до сих пор не затихает дискуссия. Точное определение границ любой науки обычно можно дать только после того, как эта наука вполне оформится. Этого пока нельзя сказать о совсем еще молодой кибернетике.
      Кибернетика выросла на основе изучения конкретных процессов передачи сигналов, процессов управления и обобщения законов, по которым протекают эти процессы. По мере накопления и обобщения фактов, естественно, расширяется область применения уже изученных законов. Обилие приложений кибернетики иногда заставляет задавать вопрос: а что же не относится к кибернетике? Подобные вопросы вызваны, конечно, только новизной ситуации, так как аналогичный вопрос в отношении, например, математики никому не пришло бы в голову задать, хотя математика имеет не меньше областей применения, чем кибернетика.
      Специалисты отдельных прикладных наук иногда отождествляют кибернетику со своей специальностью. Так, например, часто приходится слышать, что кибернетика — это теория автоматического регулирования (разумеется, сильно расширенная). Некоторые, увлекаясь наиболее эффектными перспективами, утверждают, что кибернетика — это наука о моделировании функций человеческого мозга. Подобные определения оказываются очень ограниченными.
      Вряд ли попытки дать точное и строгое определение кибернетики, которое оказалось бы верным раз и навсегда, могут сейчас оказаться плодотворными. Однако водораздел между кибернетикой и «не кибернетикой» всегда нетрудно провести, если помнить, что интересы кибернетики лежат в области общих законов передачи информации, ее преобразования и использования для управления.
      Можно сказать, что одной из основных задач кибернетики являются поиски строго формализованных алгоритмов преобразования информации и реализация этих алгоритмов.
      Системы нли устройства, имеющие дело с сигналами, воспринимающие, преобразующие, передающие, принимающие, хранящие, обрабатывающие или использующие информацию и работающие в соответствии с определенным алгоритмом, мы будем называть кибернетическими системами или устройствами.
      Таким образом, электронная счетная машина является кибернетической машиной в отличие от паровой машины — машины энергетической.
      Энергетические и кибернетические системы чаще всего существуют н работают совместно. Автоматическая энергоподстанция, беспилотный самолет, авторегулируемый производственный процесс могут служить тому примерами. В живом организме также сочетаются энергетическая и кибернетическая системы.
      Энергетика и кибернетика идут рука об руку. И как энергия не может использоваться без управления ею, так и управление не может осуществляться помимо материального, физического процесса, без энергии, пусть даже и самых малых количествах.
      Однако специфика и закономерности этих двух областей явлений природы различны, и это различие нужно очень четко видеть. Понятие информации сложилось позже, чем понятие энергии. И законы работы кибернетических систем познаны еще далеко недостаточно. В наши дни только закладываются основы их понимания.
      Широкое поле уже существующих применений и по-истине необъятные перспективы развития кибернетики требуют быстрого движения вперед в познании законов кибернетики и их использовании.
      Одним из основных понятий кибернетики является понятие сигнала. К разбору этого понятия мы и перейдем.
      KOHEЦ ГЛАВЫ И ФPAГMEHTA КНИГИ

 

 

НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

 

Яндекс.Метрика


Творческая студия БК-МТГК 2001-3001 гг. karlov@bk.ru