Глава 16 Кибернетика

Значение кибернетики.

Кибернетика (от греч. kybernёtike — искусство управления) — это наука об управлении сложными системами с обратной связью. Она возникла на стыке математики, техники и нейрофизиологии. Предмет ее изучения — целый класс систем, как живых, так и неживых, в которых существует механизм обратной связи. Основателем кибернетики по праву считается американский математик Н. Винер (1894–1964), выпустивший в 1948 г. книгу, которая так и называлась «Кибернетика».

Оригинальность этой науки заключается в том, что она изучает не вещественный состав систем и не их структуру (строение), а результат работы данного класса систем. В кибернетике впервые было сформулировано понятие «черного ящика» как устройства, внутреннее строение которого нам не известно, но результат воздействия на который может быть отслежен.

Системы изучаются в кибернетике по их реакциям на внешние воздействия, другими словами, по тем функциям, которые они выполняют. Наряду с субстратным (вещественным) и структурным подходом кибернетика ввела в научный обиход функциональный подход как еще один вариант системного подхода в широком смысле слова.

«Если XVII столетие и начало XVIII столетия — век часов, а конец XVII и все XIX столетие — век паровых машин, то настоящее время есть век связи и управления»[157]. В изучение этих процессов кибернетика внесла значительный вклад. Она исследует способы связи и модели управления. В этом ей понадобилось еще одно понятие, которое было известно давно, но впервые получило фундаментальный статус в естествознании. Это понятие «информация» (от лат. informatio — ознакомление, разъяснение), обозначающее меру организованности системы в противоположность понятию «энтропия» как меры неорганизованности.

Чтобы значение информации стало яснее, рассмотрим деятельность идеального существа, получившего название «демон Максвелла». Идею такого существа, нарушающего второе начало термодинамики, Дж. Максвелл изложил в «Теории теплоты», вышедшей в 1871 г. «Когда частица со скоростью выше средней подходит к дверце из отделения А или частица со скоростью ниже средней подходит к дверце из отделения В, привратник открывает дверцу и частица проходит через отверстие; когда же частица со скоростью ниже средней подходит из отделения А или частица со скоростью выше средней подходит из отделения В, дверца закрывается. Таким образом, частицы большей скорости сосредоточиваются в отделении В, а в отделении А их концентрация уменьшается. Это вызывает очевидное уменьшение энтропии, и если соединить оба отделения тепловым двигателем, мы, как будто, получим вечный двигатель второго рода»[158].

Может ли действовать «демон Максвелла»? Да, если он получает от приближающихся частиц информацию об их скорости и точке удара о стенку. Это дает возможность связать информацию с энтропией. Возможно, в живых системах действуют аналоги таких «демонов». На это могут претендовать, к примеру, ферменты. Понятие информации имеет такое большое значение, что оно вошло в заглавие нового научного направления, возникшего на базе кибернетики, — информатики. Название этого направления произошло из соединения слов «информация» и «математика».

Кибернетика выявляет зависимости между информацией и другими характеристиками систем. Работа «демона Максвелла» позволяет установить обратно пропорциональную зависимость между информацией и энтропией. С повышением энтропии уменьшается и информация (поскольку все усредняется), и наоборот, понижение энтропии увеличивает информацию. Связь информации с энтропией свидетельствует и о связи информации с энергией.

Энергия (от греч. energeia — деятельность) характеризует общую меру различных видов движения и взаимодействия в механической, тепловой, электромагнитной, химической, гравитационной и ядерной формах. Информация характеризует меру разнообразия систем. Эти два фундаментальных параметра системы (наравне с ее вещественным составом) относительно обособлены друг от друга. Точность сигнала, передающего информацию, не зависит от количества энергии, которая используется для передачи сигнала. Тем не менее энергия и информация связаны между собой. Н. Винер приводит такой пример: «Кровь, оттекающая от мозга, на долю градуса теплее, чем кровь, притекающая к нему»[159].

Информация растет с повышением разнообразия системы, но на этом ее связь с разнообразием не кончается. Одним из основных законов кибернетики является закон «необходимого разнообразия». В соответствии с ним эффективное управление какой-либо системой возможно только в том случае, если разнообразие управляющей системы больше разнообразия управляемой системы. Учитывая связь между разнообразием и управлением, можно сказать, что чем больше мы имеем информации о системе, которой собираемся управлять, тем эффективнее будет этот процесс.

Значение кибернетики признано в разных сферах.

Она имеет философское значение, поскольку дает новое представление о мире, основанное на роли связи, управления, информации, организованности, обратной связи, целесообразности, вероятности.

Социальное значение кибернетики заключается в том, что она дает новое представление об обществе как организованном целом. О пользе кибернетики для изучения общества немало было сказано уже в момент возникновения этой науки.

Общенаучное значение кибернетика имеет, во-первых, потому, что дает общенаучные понятия, которые оказываются важными в других областях науки («управление», «сложнодинамическая система» и т. п.); во-вторых, потому, что дает науке новые методы исследования (вероятностные, стохастические, моделирования на ЭВМ и т. д.); в-третьих, потому, что на основе функционального подхода «сигнал-отклик» она формирует гипотезы о внутреннем составе и строении систем, которые затем могут быть проверены в процессе содержательного исследования. Например, в кибернетике выработано правило (впервые для технических систем), в соответствии с которым для того чтобы найти ошибку в работе системы, необходима проверка работы трех одинаковых систем. По работе двух находят ошибку в третьей. Возможно, так действует и мозг.

Методологическое значение кибернетики определяется тем обстоятельством, что изучение функционирования более простых технических систем используется для выдвижения гипотез о механизме работы качественно более сложных систем (живых организмов, мышления человека) с целью познания происходящих в них процессов — воспроизводства жизни, обучения и т. п. Подобное кибернетическое моделирование особенно важно в настоящее время во многих областях науки, поскольку отсутствуют математические теории процессов, протекающих в сложных системах, и приходится ограничиваться их простыми моделями.

Наиболее известно техническое значение кибернетики — на основе кибернетических принципов созданы электронно-вычислительные машины, роботы, персональные компьютеры, что породило тенденцию кибернетизации и информатизации не только научного познания, но и всех сфер жизни.

Понятие обратной связи.

Если ударить по бильярдному шару, то он полетит в том направлении, в котором его направили, и с той скоростью, с которой он послан. Полет брошенного камня тоже соответствует нашему желанию, если ничего не препятствует этому. Сам камень совершенно нейтрален по отношению к нам. Он не оказывает сопротивления, если не считать силу инерции.

Совсем иным будет поведение кошки, которая активно реагирует на воздействие. Если поведение объекта (поведением будем называть любое изменение объекта по отношению к окружающей среде) зависит от воздействия на него, то говорят, что в такой системе имеется обратная связь между воздействием и реакцией на него.

Когда поведение системы усиливает внешнее воздействие, говорят о положительной обратной связи, когда же оно уменьшает внешнее воздействие, говорят об отрицательной обратной связи. Особый случай представляют гомеостатические обратные связи, которые сводят внешнее воздействие к нулю (пример: температура тела человека, которая остается постоянной благодаря гомеостатическим обратным связям). Таких механизмов в живом теле огромное количество. Свойство системы, остающееся без изменений в потоке событий, называется инвариантом системы.

В широком смысле понятие обратной связи «означает, что часть выходной энергии аппарата или машины возвращается на вход… Положительная обратная связь прибавляется к входным сигналам, она не корректирует их. Термин „обратная связь“ применяется также в более узком смысле для обозначения того, что поведение объекта управляется величиной ошибки в положении объекта по отношению к некоторой специфической цели»[160].

В любом нашем движении с определенной целью участвуют механизмы обратной связи. Мы не замечаем их действия, потому что они включаются автоматически. Но иногда мы пользуемся ими сознательно. Скажем, один человек предлагает место встречи, а другой повторяет: да, мы встречаемся там-то и во столько-то. Это обратная связь, делающая договоренность более надежной. Механизм обратной связи призван сделать систему более устойчивой, надежной и эффективной. Он делает систему принципиально иной, повышая степень ее внутренней организованности и давая возможность говорить о самоорганизации в данной системе.

Итак, все системы можно разделить на системы с обратной связью и без обратной связи. Наличие механизма обратной связи позволяет сделать заключение о том, что система преследует какие-то цели, т. е. что ее поведение целесообразно.

Понятие целесообразности.

Активное поведение системы считается целесообразным, если «действие или поведение допускает истолкование как направленное на достижение некоторой цели, т. е. некоторого конечного состояния, при котором объект вступает в определенную связь в пространстве или во времени с некоторым другим объектом или событием. Нецеленаправленным (случайным) поведением является такое, которое нельзя истолковать подобным образом»[161].

Для обозначения машин с внутренне целенаправленным поведением был специально введен термин «сервомеханизмы». Примером такой машины служит торпеда, снабженная механизмом поиска цели. Всякое целенаправленное поведение требует отрицательной обратной связи. Оно может быть предсказывающим или непредсказывающим. Предсказание может быть 1-го, 2-го и последующих порядков в зависимости от того, на сколько параметров распространяется предсказание. Чем больше этих порядков, тем совершеннее система.

Понятие целесообразности претерпело длительную эволюцию в истории человеческой культуры. Во времена господства мифологического мышления деятельность любых, в том числе неживых, тел могла быть признана целесообразной на основе антропоморфизма, т. е. приписывания явлениям природы причин по аналогии с деятельностью человека. Философ Аристотель в числе причин функционирования мира наряду с материальной, формальной, действующей назвал и целевую. Религиозное понимание целесообразности основывается на представлении о том, что Бог создал мир с определенной целью, и, стало быть, мир в целом целесообразен.

Научное понимание целесообразности строилось на обнаружении в изучаемых предметах объективных механизмов целеполагания. В Новое время наука изучала простые системы, поэтому она скептически относилась к понятию цели. Положение изменилось в XX в., когда естествознание перешло к изучению сложных систем с обратной связью, так как именно в таких системах существует внутренний механизм целеполагания. Наука, которая первой начала исследование подобных систем, получила название кибернетики.

ЭВМ и персональные компьютеры.

Точно так же, как разнообразные машины и механизмы облегчают физический труд людей, ЭВМ (электронно-вычислительные машины) и персональные компьютеры облегчают их умственный труд, заменяя человеческий мозг при выполнении простых задач. ЭВМ действуют по принципу «да-нет». Они хотя и уступают человеческому мозгу в гибкости, но превосходят его по быстроте выполнения вычислительных операций. Аналогия между ЭВМ и мозгом человека дополняется тем, что ЭВМ как бы выполняют роль центральной нервной системы для устройств автоматического управления.

Понятие «самообучающиеся машины» аналогично воспроизводству живых систем. И то и другое есть созидание себя (в себе и в другом). Обучение онтогенетически есть то же, что и самовоспроизводство филогенетически.

Как бы ни протекал процесс воспроизводства, он является динамическим процессом, включающим какие-то силы или их эквиваленты. «Один из возможных способов представления этих сил состоит в том, чтобы поместить активный носитель специфики молекулы в частотном строении ее молекулярного излучения, значительная часть которого лежит, по-видимому, в области инфракрасных электромагнитных частот или даже ниже. Может оказаться, что специфические вещества вируса при некоторых обстоятельствах излучают инфракрасные колебания, которые обладают способностью содействовать формированию других молекул вируса из неопределенной магмы аминокислот и нуклеиновых кислот. Вполне возможно, что такое явление позволительно рассматривать как некоторое притягательное взаимодействие частот»[162].

Такова гипотеза воспроизводства Н. Винера, предлагающая единый механизм самовоспроизводства для живых и неживых систем.

Современные ЭВМ значительно превосходят те, которые появились на заре кибернетики. Еще 10 лет назад специалисты сомневались, что шахматный компьютер когда-нибудь сможет обыграть приличного шахматиста, но теперь он практически на равных сражается с чемпионом мира. Громадная скорость перебора вариантов (100 млн. в секунду против 2 вариантов в секунду у человека) остро ставит вопрос не только о возможностях ЭВМ, но и о том, что такое человеческий разум.

Предполагалось, что ЭВМ будут с годами все более мощными и массивными, но, вопреки прогнозам крупнейших ученых, были созданы персональные компьютеры, которые стали атрибутом нашей жизни. В перспективе нас ждет всеобщая компьютеризация и создание человекоподобных роботов.

Однако следует иметь в виду, что человек не только логически мыслящее, но и творческое существо. Способность творить — результат всей предшествующей эволюции. Если же будут построены человекоподобные роботы, превосходящие человека по уму, то это повод не только для радости, но и для беспокойства, связанного как с роботизацией самого человека, так и с проблемой возможного выхода роботов из-под контроля людей и даже порабощения ими человека. Конечно, пока это не более, чем далекая от реальности фантастика.

Модели мира.

Благодаря кибернетике и созданию ЭВМ одним из основных способов познания, наравне с наблюдением и экспериментом, стал метод моделирования. Применяемые модели становятся все более масштабными. Так, наряду с моделями функционирования предприятия и экономической отрасли появляются комплексные модели управления биогеоценозами, эколого-экономические модели рационального природопользования в пределах целых регионов, глобальные модели.

В 1972 г. на основе метода «системной динамики» Дж. Форрестера были построены первые так называемые «модели мира», нацеленные на выработку сценариев развития всего человечества в его взаимоотношении с биосферой. Их недостатки заключались в чрезмерно высокой степени обобщения переменных, характеризующих процессы, протекающие в мире, в отсутствии данных об особенностях и традициях различных культур и т. д. Однако это направление оказалось многообещающим. Постепенно указанные недостатки преодолевались в процессе создания последующих глобальных моделей, которые принимали все более конструктивный характер, ориентируясь на рассмотрение вопросов улучшения существующего эколого-экономического положения на планете.

М. Месаровичем и Э. Пестелем были построены глобальные модели на основе теории иерархических систем, а В. Леонтьевым — на основе разработанного им в экономике метода «затраты-выпуск». Дальнейший прогресс в глобальном моделировании ожидается на путях построения моделей, все более адекватных реальности, сочетающих в себе глобальный, региональный и локальный моменты.

Споры относительно эффективности применения кибернетических моделей в глобальных исследованиях не умолкают и поныне. Создатель метода системной динамики Дж. Форрестер выдвинул так называемый «контринтуитивный принцип», в соответствии с которым функционирование сложных систем принципиально противоречит человеческой интуиции, и, стало быть, машины могут дать более точный прогноз поведения этих систем, чем человек. Другие исследователи считают, что «контринтуитивное поведение» свойственно тем системам, которые находятся в критической ситуации.

Трудности формализации многих важных данных, необходимых для построения глобальных моделей, а также ряд других моментов свидетельствуют о том, что значение машинного моделирования не следует абсолютизировать. Моделирование может принести наибольшую пользу в том случае, если будет сочетаться с другими видами исследований.

Простираясь на изучение все более сложных систем, метод моделирования становится необходимым средством как познания, так и преобразования действительности. В настоящее время можно говорить о преобразовательной функции моделирования, позволяющей оптимизировать сложные системы.

Эта функция способствует уточнению целей и средств реконструкции реальности. Свойственная моделированию трансляционная функция способствует синтезу знаний — задаче, имеющей первостепенное значение на современном этапе изучения мира.

Прогресс в области моделирования следует ожидать не на пути противопоставления одних типов моделей другим, а на пути их синтеза. Универсальный характер моделирования на ЭВМ дает возможность синтеза самых разнообразных знаний, а свойственный этому виду моделирования функциональный подход служит целям управления сложными системами.

Вопросы для повторения.

1. Что изучает кибернетика?

2. Каково значение информации, слова?

3. Что такое положительная и отрицательная обратная связь?

4. Что такое функциональный подход и чем он отличается от вещественного и структурного?

5. Что такое «черный ящик» в кибернетике?

6. Каковы результаты исследований «моделей мира»?

7. Может ли машина мыслить?

8. Каково донаучное, научное и теологическое понимание целесообразности?

9. Есть ли цель у камня, животного, компьютера, человека, эволюции?

Задания к семинару.

I. Ответьте на вопросы.

1. В чем разница между целесообразной деятельностью человека и животных?

2. Каков критерий целесообразности с научной точки зрения?

3. Каково соотношение закона развития и целесообразности?

4. Что представляют собой целесообразные системы?

5. Солнце всходит и заходит целесообразно?

6. Каковы сходства и различия между созданными моделями мира?

7. Что такое объективная и субъективная информация?

8. Что такое прямая и обратная связь?

9. Что такое гомеостат, «черный ящик», функция и функциональный подход?

10. Что такое Интернет?

11. Почему будущее общество предлагают назвать информационным?

II. Прокомментируйте схему.

Схема управления.

Литература.

Винер Н. Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине. — М., 1968.

Винер Н. Я — математик. — М., 1967.

Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рэндерс Й., Берне В.В. Пределы роста. — М., 1991.

Эшби У.Р. Введение в кибернетику. — М., 1959.