Кибернетика

Источник: журнал «Наука и жизнь», №6, 1957 год. Автор: В. В. Солодовников, доктор технических наук, профессор.

За последнее время на страницах технических, естественнонаучных и популярных журналов всё чаще и чаще встречается слово «кибернетика». О кибернетике пишут книги, читают лекции, ей посвящают работу научные сессии, семинары, международные конгрессы учёных. Проблемы кибернетики обсуждают математики и физики, биологи и физиологи, медики, филологи, философы, инженеры самых различных специальностей. Поэтому, естественно, у многих возникает вопрос: что такое кибернетика?

В довольно значительном количестве популярных статей главным образом излагается прикладная сторона вопроса. Это, конечно, очень важно и интересно. Однако, чтобы представить себе возможности кибернетики, её значение для прогресса науки и техники, недостаточно сведений только об этой стороне проблемы. Для этого нужно ознакомиться с некоторыми основными понятиями кибернетики, её идеями, их научным и практическим значением, а также с границами применимости.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И КОНЕЧНАЯ НАУЧНАЯ ЦЕЛЬ КИБЕРНЕТИКИ

Рождение кибернетики было подготовлено всем предшествовавшим развитием ряда наук и в первую очередь таких, как физика, математика, электроника, автоматика, физиология. Кибернетике, как новой области знаний, всего около десяти лет, хотя сам термин «кибернетика» был известен давно.

Слово «кибернетика» – в смысле науки о кораблевождении – применял ещё Платон. Затем оно мыло использовано французским физиком и математиком Ампером, заимствовавшим это слово из греческого языка, в котором «кибернетес» означает кормчий, рулевой. Но этот термин не получил распространения и по существу, был забыт. Снова он был введён недавно профессором математики Массачусетского технологического института Норбертом Винером (в 1948 году он опубликовал книгу под названием «Кибернетика, или управление и связь в живых организмах и машинах»).

Для того, чтобы сформулировать конечную научную цель кибернетики, необходимо предварительно вкратце остановиться на понятии энтропии.

Энтропия в термодинамике – это мера такого перехода одной формы энергии в другую, когда она не может самопроизвольно перейти в те первоначальные формы, из которых возникла. Например, при соприкосновении двух нагретых тел энергия всегда переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Когда замкнутая система оказывается в таком состоянии, что она уже больше не способна к самопроизвольному переходу в другое состояние, то говорят, что энтропия достигла максимума.

Начало XX столетия характеризуется признанием существенной роли, которую играют вероятностные, статистические представления для изучения физических явлений. Введение такого рода представлений привело к интересным толкованиям ряда физических законов и, в частности, второго закона термодинамики, неразрывно связанного с понятием энтропии.

В современной физике под энтропией понимается величина, характеризующая вероятность того или иного состояния замкнутой системы. Согласно второму закону термодинамики энтропии замкнутой конечной макросистемы всегда стремится возрастать.

Это означает, что все замкнутые системы стремятся от менее вероятных к более вероятным состояниям, от состояний, характеризуемых высокой степенью дифференциации или организованности, к состоянию дезорганизации, одинаковости. Самым простым примером процесса возрастания энтропии может служить выравнивание температуры по всему объёму неодинаково нагретого тела.

Второй закон термодинамики применим лишь к замкнутым системам. Кроме того, будучи статистическим, он, как и вероятностные законы, верен лишь в среднем. Поэтому от него возможны хотя бы временные и хотя бы местные отступления, которые, в частности, наблюдаются там, где имеют место явления жизни и степень организованности материи возрастает. Живые существа не являются изолированными, замкнутыми системами. Они принимают из внешнего мира пищу, которая служит для них источником энергии, и информацию, которая управляет их действиями. Именно в связи с этим обстоятельством, имея в виду открыть общие законы, по которым происходит местное убывание энтропии, снизанное с явлениями жизни, и возникла кибернетика.

ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИИ И ПРЕДМЕТ КИБЕРНЕТИКИ

Очевидно, что изучение законов, согласно которым может происходить местное убывание энтропии в связи с явлениями жизни, требует исследования взаимодействия между живыми организмами и внешним миром. Это взаимодействие, конечно, исключительно многообразно и может поэтому рассматриваться с разных точек зрения, но среди них можно выделить одни очень важный и, очевидно, общий аспект, который заключается в следующем.

Воздействие внешнего мира на человека осуществляется через его органы чувств, которые дают ему сведения или информацию об окружающей его обстановке. Получаемая информация преобразуется нервной системой и затем после соответствующего накопления, переработки и отбора используется для обратного воздействия человека на внешний мир. Таким образом, взаимодействие с окружающим нас внешним миром осуществляется на основе передачи, преобразования и использования соответствующей информации.

Одна из основных идей кибернетики заключается в возможности проведения аналогии между информацией и энтропией. Смысл этой аналогии состоит о том, что образование информации должно препятствовать возрастанию энтропии, то есть, с некоторой точки зрения, информацию можно рассматривать как величину, обратную по знаку энтропии! (понимая под энтропией меру вероятности того или иного состояния). Грубо говоря, если энтропия есть мера дезорганизации, неупорядоченности, то информация есть мера организации, упорядоченности. Предметом кибернетики является установление общих принципов и законов, согласно которым происходят процессы управления и связи для выполнения целеустремлённых действий на основе передачи, преобразования и использования информации как в живых организмах, так и в машинах.

Назовём для краткости такие процессы информационными процессами. В кибернетике принято считать, что информационный процесс изучен, если установлен его алгоритм, то есть если процесс может быть расчленён на последовательные, связанные друг с другом математические и логические операции. Из сказанного ясно, что кибернетика прежде всего интересуется логической структурой, формализацией информационных процессов, а не их природой. Такое абстрагирование придаёт кибернетике общность, но одновременно и ограничивает область её применения рассмотрением лишь таких процессов, которые вне зависимости от того, к какой категории явлений они относятся (биологическим, физиологическим, техническим и т. д.), могут быть формализованы; иначе говоря, для которых может быть построен алгоритм. До тех пор пока нет алгоритма, нет и возможности строгого применения понятий и принципов кибернетики.

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

Рассмотрим ещё одно очень важное понятие кибернетики (широко применяемое и в теории автоматического регулирования), а именно понятие обратной связи, которому можно дать следующее широкое толкование. Всякий организм влияет на внешние условия, а внешние условия влияют на организм; такое взаимодействие называется обратной связью.

Можно также сказать, что обратная связь характеризует способность какого-либо организма или объекта приспосабливать своё будущее поведение в зависимости oт поведения в прошлом: благодаря обратной связи объект получает информацию о том, достигнута или нет поставленная цель.

Хорошим примером применения принципа обратной связи в технике может служить самолёт, оборудованный автопилотом. Как известно, автопилот предназначен для того, чтобы автоматически поддерживать требуемый режим полёта. Если, например, вследствие порыва ветра, самолёт отклонится от требуемого направления, то автопилот «почувствует» это отклонение и повернёт руль так, чтобы возвратить самолёт к заданному курсу. Здесь мы имеем типичную систему с обратной связью, или систему автоматического регулирования, – автопилот воздействует на самолёт через рули управления, а самолёт на автопилота – через гироскоп.

Заметим, что всякая система с обратной связью, если не принять соответствующих мер, склонна к самопроизвольным колебаниям, или, как говорят, к автоколебаниям, возникновение которых можно пояснить на том же примере самолёта с автопилотом.

Предположим, что автопилот повернул руль влево. Если до тех пор, пока самолёт не возвратится к заданному курсу, руль будет оставаться повёрнутым, то вследствие инерции самолёт проскочит требуемое положение. Тогда автопилот отклонит руль вправо. Самолёт начнёт приближаться к требуемому курсу уже с другой стороны, опять его проскочит и т. д. В результате возникнут автоколебании. Для устранения их автопилот обычно снабжается ещё одной обратной связью, которая предваряет, то есть как бы «предчувствует» приближение самолёта к заданному курсу. Благодаря этому перекладка руля происходит заблаговременно.

Теперь остановимся на действии обратных связей в живых организмах.

Рассмотрим, например, один из видов расстройств нервной системы, называемый в медицине атаксией. Это заболевание имеет, по крайней мере, внешнее сходство с явлением автоколебаний, возникающих в системе регулирования, например, при неотлаженной цепи обратной связи.

Перед вами человек. Он не парализован и может передвигать ноги, когда получает приказание, но передвигается неуверенно, причём его глаза смотрят вниз, на землю и на ноги. Каждый его шаг сопровождается выбрасыванием ноги вперёд. Если ему закрыть глаза, то он не может стоять и валится ни землю. Что с ним? Мускулы его сильны, но они не могут управлять действиями ног, так как повреждён спинной мозг, получающий сигналы от органов чувств. Рецепторы в суставах, мускулах, подошвах, которые должны указывать положение и состояние движения ног, не посылают центральной нервной системе обратных сигналов. Поэтому для получения информации о своём положении он вынужден полагаться на глаза и органы равновесия внутреннего уха.

Таким образом, мы видим, что существенно не только обладать здоровыми конечностями, но нужно ещё, чтобы их действие вызывало обратную реакцию на центральную нервную систему, то есть чтобы между ними существовала обратная связь.

ЖИВОЙ ОРГАНИЗМ И ИНФОРМАЦИОННАЯ МАШИНА

В основе кибернетики лежит тезис о возможности проведения аналогии (поскольку вопрос касается информационных процессов) между живыми организмами и информационными машинами, то есть машинами, в которых имеют место информационные процессы.

Действительно, только в этом случае можно ставить себе задачу изучения общих законов управления и связи, справедливых как для тех, так и для других объектов. Но из этого, конечно, вовсе не следует, что в кибернетике процессы, происходящие в живых организмах, отождествляются с процессами в информационных машинах.

Эта аналогия отнюдь не требует, чтобы специфические биофизические, биохимические и мыслительные процессы совпадали или хотя бы имели место в машинах; она касается лишь того вопроса, что как живые организмы, так и машины могут участвовать в процессах, ведущих не к убыванию, а к возрастанию степени организованности материи.

Чтобы полнее представить себе, какой смысл придаётся аналогии между живыми организмами и машинами, необходимо рассмотреть пример системы автоматического управления, то есть систему, состоящую из объекта и управляющей информационной машины.

В качестве примера рассмотрим радиолокационную систему управления зенитным огнём. Такая система автоматического управления состоит из следующих основных элементов: радиолокатора, счётно-решающего устройства и орудия с силовым следящим приводом.

Задача радиолокатора сводится к непрерывному определению координат движущейся цели, то есть к получению первичной информации о внешних условиях, в соответствии с которыми должна происходить работа системы. Эта информация содержится в электрических импульсах, возникающих при отражении от цели электромагнитной энергии, излучаемой антенной радиолокатора.

Счётно-решающее устройство на основании информации о движении цели в прошлом и дополнительной информации о внешних условиях работы системы (например, влажность, ветер, начальная скорость снаряда и т. д.) должно определять вероятную траекторию движения цели в будущем и формировать соответствующий сигнал управления орудием.

Задача силового следящего привода орудия состоит в усилении сигнала управления, вырабатываемого счётно-решающим прибором, и в возможно более точном управлении положением орудия в соответствии с этим сигналом.

В системе имеется несколько обратных связей. В радиолокаторе (кроме ряда вспомогательных обратных связей) имеются обратные связи в следящих системах, управляющих движениями антенны. Эти обратные связи приспосабливают движение антенны в последующие моменты времени в зависимости от её движений в прошлом, определяемых перемещениями цели. Счётно-решающий прибор при помощи целой системы имеющихся в нем обратных связей определяет на основании доставляемой ему радиолокатором информации о движении цели в прошлом вероятным закон движения цели в будущем. Точно так же обратные связи н силовых следящих системах управляют движениями орудия и последующие моменты времени на основании его движений, определяемых сигналами управления в прошлом.

Сравнивая такую систему автоматического управления с любым живым организмом, легко видеть, что как в живых организмах, так и в автоматически управляемых машинах должны быть чувствительные органы, осуществляющие их связь с внешним миром и служащие для собирания информации об окружающей среде, необходимой для работы машины или индивидуума.

Как и тех, так и в других первоначальная информация, принятая чувствительными органами, преобразуется внутри организма или машины в форму, пригодную для её дальнейшего использования. Как в тех, так и в других чувствительные органы служат не только для получения информации о внешнем мире, но и для регистрации выполнения или невыполнения ими их собственных задач, осуществляя функции обратной связи. Как в тех, так и в других имеется центральный орган управления (мозг у человека, счётно-решающий прибор у машины), определяющий, что должна делать система на основе информации, накапливаемой ею в памяти или запоминающем устройстве.

Таким образом, живые организмы и автоматически управляемые машины аналогичны друг другу в том смысле, что они действуют на основе принятой в прошедшем информации об окружающей их обстановке.

Пользуясь аналогией между человеческим мозгом и машиной, не следует, конечно, думать, будто процессы в мозгу и в машине тождественны друг другу, и делать, например, такие далеко идущие выводы, что раз человек обладает способностью сознания и мышления, то, значит, такой же способностью обладает и машина.

Принципиальное различие между человеческим мозгом и машиной заключается в том, что всякая машина, какой бы совершенной она ни была, является и будет являться продуктом человеческого мозга, человеческого общества, а мозг и общество никогда не будут представлять собой продукта машины.

Информационные машины будут непрерывно совершенствоваться, имитировать всё более и более сложные функции человеческого мозга, но всё же никогда не смогут заменить его.

Мышление связано со специфическими биохимическими и физиологическими процессами, происходящими в человеческом мозге. Поэтому объектом исследования при изучении психической деятельности, её сущности, различных расстройств и т. д. должна являться высшая нервная деятельность мозга человека.

Исследование сущности сознания, мышления только при помощи вычислительных машин невозможно по той простой причине, что при таком исследовании отсутствует одна «маленькая деталь», а именно – сам объект исследования. Но в то же время это не означает, что аналогия, имеющийся между функционированием человеческого организма и систем автоматического управления, не может служить вспомогательным средством, средством моделирования тех или иных сторон деятельности человеческого организма. Это не означает также того, что нельзя подвергнуть работающий мозг, а следовательно, и связанные с ним процессы мышления, объективным методам исследования, как и любые другие явления природы.

О ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКЕ

Если предметом обшей кибернетики является рассмотрение информационных процессов как в живых организмах, так и в машинах, то предметом технической кибернетики является рассмотрение этих процессов лишь в машинах. Очевидно, что не во всякой машине, если даже она является автоматом, имеют место информационные процессы.

Возьмём в качестве примера часы с фигурками, выполняющими при бое те или иные движения. Эти фигурки движутся в соответствии с заранее заданной программой, причём перемещение их в будущем никоим образом не зависит от движения в прошлом. Они не имеют «чувствительных» органов и связи с внешним миром, которая влияла бы на их поведение. Ясно, что автоматы такого рода кибернетику не интересуют.

В предмет рассмотрения технической кибернетики входят лишь те машины, которые изменяют своё поведение на основании прошлого опыта, то есть обладают обратной связью. При этом изучением простейших случаев обратной связи, например, вызывающей зажигание лампочки, когда лифт достиг своей цели и его можно вызывать вниз, кибернетика не занимается. Такие виды обратных связей, а также несколько более сложные, успешно рассматриваются в теории регулирования и имеют лишь косвенное отношение к технической кибернетике. Последнюю в основном интересуют более сложные виды обратных связей, которые при помощи соответствующего преобразования и накопления получаемой информации приводят к тому, что система приобретает свойство приспосабливаться к окружающей обстановке.

Сравнительно простым примером может служить следующий вид телефонной связи.

Число людей, с которыми обычно говорит каждый из нас, ограничено. Но процесс вызова абонента, с которым мы разговариваем по телефону каждый день, не отличается от процесса вызова абонента, с которым мы, может быть, будем говорить раз в жизни или вообще не будем говорить. Следовательно, невыгодно, чтобы процесс соединения с абонентом А, с которым я говорю ежедневно, и с абонентом В, который для меня существует лишь постольку, поскольку он имеется в телефонном справочнике, был одинаков. Если бы мне были предоставлены несколько более простые средства соединения с А за счёт, скажем, удвоения времени вызова В, то я был бы более чем доволен.

Такого рода принцип, заключающийся и том, что лёгкость вызова того или иного абонента зависит от числа предыдущих вызовов, и осуществлён в телефонном аппарате одной из зарубежных фирм, «самонастраивающемся» на основе собственного опыта.

Одной из основных задач технической кибернетики является создание информационных машин, имитирующих способность человека приспосабливаться к окружающей обстановке и самосовершенствоваться на основе приобретаемого омыта.

☆ ☆ ☆

В заключение следует ещё раз подчеркнуть то прогрессивное влияние, которое уже оказала и будет иметь в дальнейшем кибернетика на развитие уровня наших знаний, конечно, при правильном использовании содержащихся в ней идей, понятий и аналогий.

Одной из наиболее интересных, хотя ещё и не до конца ясных, идей кибернетики, несомненно, является мысль о возможности проведения аналогии между энтропией и информацией. Другой важнейшей идеей кибернетики является идея о наличии аналогии (поскольку вопрос касается передачи, преобразования и использования информации) между живыми организмами и информационными машинами.

Для изучения живых организмов эта аналогия плодотворна, ибо она привлекает внимание биологов, физиологов и психологов к возможностям использования достижений современной техники и математики для моделирования, анализа и изучения тех или иных сторон явлений, происходящих в живых организмах.

Для техники эта аналогия полезна прежде всего потому, что она содействует разработке новых совершенных информационных машин, способных выполнять ряд функций человеческого мозга на основе воплощения в них тех совершенных принципов передачи, преобразования и использования информации, которые заложены в живых организмах.