Вместо предисловия

Трудно представить себе занятие более неблагодарное, чем попытки отвечать на такие, например, вопросы: что такое кибернетика или что такое теория относительности? В течение довольно долгого времени мы ограничивались простейшим из возможных ответов, мол, кибернетика - это наука, считая, что любые дальнейшие уточнения только затемнят существо дела, Возможно, так продолжалось бы и дальше и тогда эта книга никогда не увидела бы света, если бы не одна история, которую мы расскажем здесь.

Все началось с того, что в нашем стареньком "Москвиче" отказали тормоза. Случилось это на даче в ста километрах от Москвы, Нехитрое обследование показало, что отремонтировать тормозную систему нашей колымаги можно только, сняв предварительно задний левый тормозной барабан. Эту операцию мы бы выполнили в течение двух минут, если бы в нашем распоряжении был "съемник" - простейшее приспособление, состоящее из винта и фигурной гайки с двумя нарезками. Но съемника у нас не было. Не оказалось его и на ближайшей автобазе и у всех доступных коллег-автомобилистов, а без съемника барабан сниматься не хотел. Не помогли никакие ухищрения, начиная от простейших - типа подковыривания отверткой - и кончая весьма хитроумным приспособлением, состоящим из домкрата, березового полена и стального троса. К слову сказать, в результате последних экспериментов домкрат оказался безнадежно испорченным.

Потратив день в бесплодных усилиях, мы отправились на почту и уже на другое утро с волнением встречали на станции знаменитого Николая Ивановича, аса-механика, спасшего на своем веку бесчисленное количество незадачливых автомобилистов-любителей"

По дороге со станции разговор шел, в основном, о погоде и о красотах окружающей местности. Николай Иванович бодро размахивал пустыми руками и глядел по сторонам, а нас все время мучил вопрос, где же прячет он драгоценный съемник, необходимость в котором стала нам к тому времени совершенно очевидной. Не прояснился этот вопрос и во время завтрака, когда обсуждались достоинства нашей речки как возможного рыболовного угодья.

Наконец, настал торжественный момент и мы подошли к "Москвичу", грустно опиравшемуся па три колеса и стопку сложенных кирпичей. Однако вместо того чтобы с ловкостью фокусника извлечь из недр своей старенькой спецовки вожделенный съемник, Николай Иванович взял молоток и с задумчивым видом начал похаживать вокруг машины. Походив так несколько минут, он нагнулся и начал легонько постукивать молотком по какому-то месту, которое, на наш взгляд, не могло иметь ни малейшего отношения к злополучному левому барабану.

И тут произошло чудо. Да, да, именно чудо! Никакое другое слово русского языка не годится для описания события, свидетелями которого мы стали. Тот самый барабан, для снятия которого, по нашему глубокому убеждению, не хватило бы никакой на свете силы, легонько шелохнулся и сам (именно сам, поскольку невозможно было уловить никакой разумной связи между тем, что происходило на наших глазах, и легкими постукиваниями где-то в области правой рессоры) стал постепенно сползать, пока не свалился на землю.

Трудно сказать теперь, что выражали наши лица - восхищение или суеверный ужас. Ясно одно, выражение это не оставило Николая Ивановича равнодушным, и начался фейерверк чудес. Сами собой открывались двери, отвинчивались гайки, причем одна из них, наиболее заржавевшая, не только отвинтилась, но и поползла по резьбе вверх, нарушая привычные нам представления о трении, а заодно и закон всемирного тяготения.

Что касается нас, то мы могли бы смотреть на эти чудеса еще очень долго, но Николаю Ивановичу скоро - все надоело. Не прошло и десяти минут, как он равнодушно присел на корточки у ворот гаража, закурил "Прибой" и небрежно бросил горящую спичку в стоящее поблизости ведро с бензином. Вряд ли нужно добавить, что спичка зашипела и погасла.

Собственно, миссия Николая Ивановича на этом была закончена, и он, прихватив удочку, отправился на речку. А мы, вырывая друг у друга молоток, ринулись к "Москвичу". Но не тут-то было! Наверное, не осталось такого квадратного миллиметра поверхности, по которой бы мы ни постукивали молотком - слабо и посильнее, пореже и почаще. Чары исчезли! Ни одна деталь, даже самая маленькая, так и не сдвинулась с места. Прошло довольно много времени, пока, поняв необоснованность своих претензий на звание чародеев, мы успокоились и занялись более скучным, но явно более полезным делом - стали промывать тормозной цилиндр и менять резиновые манжеты. Вечером мы катили в Москву на отремонтированном "Москвиче".

Скажем прямо, ни тогда, ни впоследствии мы так и не научились вызывать чудодейственный "эффект Николая Ивановича". Зато пережитое дало нам возможность, не задумываясь, отвечать на вопрос и кибернетике. Кибернетика - это наука о том, по какому месту надо постукивать молотком.

История развития и становления науки кибернетики весьма своеобразна. Обычно всякая новая научная теория либо принималась сразу и безоговорочно, либо (что происходило гораздо чаще) отвергалась и игнорировалась до тех пор, пока достаточное количество экспериментальных фактов и теоретических поверок не подтверждали ее справедливости. Кибернетику же не то чтобы не признали, но с самого начала стали толковать неправильно. Во всяком случае, количество таких неверных толкований намного больше, чем для любой другой физической теории.

Сам творец кибернетики Норберт Винер назвал этим словом теорию процессов управления и связи в животном и машине. По-видимому, слово "управление" виной тому, что в ведение кибернетики очень скоро были переданы такие обширные области, как автоматика и вычислительная техника. Появился даже специальный термин "техническая кибернетика". Остается только удивляться, почему в таком случае другое слово, "связь", также присутствующее в определении Винера, не заставило передать в ведение технической кибернетики также и телефонию, радиотехнику, телевидение, а заодно (почему бы и нет!) почтовую связь. Винер ставил перед собой значительно более скромную задачу - он претендовал всего лишь на исследование совершенно определенных процессов, а именно процессов управления и связи, и на демонстрацию общности этих процессов независимо от того, проявляются они в искусственно созданных или в естественных системах. Чтобы сделать более понятной сущность процессов управления, вернемся к "эффекту Николая Ивановича".

Конечно, в этом "эффекте" нет ничего чудесного. Более того, подобными приемами пользуется каждый маломальски опытный слесарь, совершенно не подозревая при этом, что тут он действительно имеет дело с кибернетикой. Для объяснения "эффекта Николая Ивановича" рассмотрим сначала очень простой пример. Тело лежит на наклонной плоскости. Как это хорошо известно всем, кто учился в седьмом классе, на тело действует сила веса, направленная вертикально вниз. Эта сила по правилу параллелограмма может быть разложена на две силы, одна из которых направлена перпендикулярно, а другая параллельно наклонной плоскости. Последняя вызывает соскальзывание тела вниз, но этому мешает сила трения, которая в свою очередь пропорциональна силе давления тела на наклонную плоскость. Если сила трения достаточно велика, тело на наклонной плоскости будет оставаться неподвижным.

Сила трения зависит от качества поверхности. Дело в том, что поверхность наклонной плоскости и поверхность лежащего на ней тела никогда не бывают идеально гладкими, даже если их хорошо отполировали. Соприкасающиеся друг с другом поверхности как бы цепляются друг за друга, что и вызывает появление силы трения. Такое сцепление тем больше, чем сильнее сдавлены поверхности.

Будем теперь легонько постукивать по какой-нибудь точке наклонной плоскости. Если плоскость выполнена из упругого материала, например из металла, то такое постукивание вызовет появление воли сжатия, распространяющихся вдоль плоскости. Если точка, по которой мы постукиваем, а также сила самих ударов и их частота выбраны правильно, то волна пройдет как раз в том месте, где находится тело, и это приведет к тому, что шероховатости двух соприкасающихся плоскостей выйдут из зацепления. Тело сдвинется, потеряет устойчивость и, начав двигаться, приобретет кинетическую энергию, которая будет способствовать его дальнейшему движению. Таким образом, постукивая по наклонной плоскости, можно заставить тело двигаться, а если делать это очень искусно, то даже в заданном направлении (конечно, вниз, а не вверх). Если вспомнить теперь, что нарезки винта и гайки представляют собой две сопряженные наклонные плоскости, роль веса в данном случае играет упругая сила винта, деформированного при завинчивании гайки, и эта сила может быть направлена не обязательно вниз, а в любом направлении, совпадающем с направлением оси винта, то объяснение "эффекта Николая Ивановича" можно считать завершенным.

Так что же - вся кибернетика сводится.только к движению тел по наклонным плоскостям и гаек по резьбам? Конечно, нет. Просто рассмотренные примеры удобны для выявления некоторых общих принципов. А принципы эти состоят в следующем. Процессы управления проявляются в системе, обладающей некоторым собственным запасом энергии. В нашем случае - это потенциальная энергия тела, лежащего на наклонной плоскости, или потенциальная энергия упругой деформации винта. Запас потенциальной энергии достаточен для того, чтобы в системе совершилось некоторое движение. Оно может совершиться и само собой без всякого влияния извне. Сущность процессов управления заключается в том, чтобы это движение совершилось некоторым нужным образом или, может быть, в нужный момент времени. И обязательное условие: на само управление (постукивание) должна быть затрачена энергия, значительно меньшая энергии, вызывающей движение.

Процессы управления исключительно многообразны. Они совершаются как в искусственно созданных системах - машинах, так и в естественных системах - животных и растениях.

Вот еще один пример. В ноябре 1780 г. жена профессора анатомии Луиджи Гальвани вошла в комнату, где ее муж занимался изучением нервной системы лягушки. Одну из препарированных лягушек Гальвани по рассеянности положил на стол электрической машины. Злые языки утверждают даже, что эта лягушка совсем не была предназначена для опытов - профессор решил сварить из нее и нескольких ее товарок бульон. Так или иначе, но жена с ужасом увидела, что в момент проскакивания искры между шариками электрической машины лапки лягушки судорожно подергиваются, и сообщила об этом мужу. Он провел серию экспериментов, и вскоре выяснилось, что если повесить препарированные лягушачьи лапки на медный крюк так, чтобы этот крюк касался спинного нерва, а сам крюк зацепить за железную решетку забора, то лапки будут подергиваться каждый раз, когда они коснутся любых частей этой решетки. Полная аналогия с "эффектом Николая Ивановича"! При этом не надо даже постукивать. Для того чтобы вызвать сокращение лягушачьих лапок, достаточно прикоснуться (мы теперь это хорошо знаем) к спинному нерву проводником, находящимся под напряжением.

Как раз то, что между "эффектом Николая Ивановича" и эффектом Гальвани имеется полная аналогия, и вызвало наиболее яростные споры вслед за выходом в свет книги Норберта Винера "Кибернетика". Причина этих споров чисто психологическая. Действительно, без малого через 200 лет после открытия Гальвани у нас не вызывает никаких сомнений тот факт, что мускулы, которые для того и созданы, чтобы сокращаться, сокращаются, - а сигналом к такому сокращению служит раздражение нерва, который для того и создан, чтобы передавать раздражения. Совсем иначе обстоит дело с тормозным барабаном "Москвича", который создан совсем не для того, чтобы сваливаться с оси, скорее совсем наоборот, а уже если ему и нужно быть снятым, то с помощью специального съемника, а не каких-то там постукиваний. Да и вообще, как можно сравнивать столь тонкую организацию, как мышцы и нервы (ведь и сам человек - царь природы - имеет ту же начинку), с какими-то там бездушными кусками железа.

И все же аналогия налицо. Во всяком случае, аналогия тех процессов, которые и являются сейчас предметом нашего рассмотрения. И в том и в другом случае перед нами система, обладающая собственным запасом энергии. У лягушачьих лапок - это энергия химическая и накоплена она в мышечных клетках. И в том и в другом случае энергия потенциальная превращается в энергию кинетическую (движение) не сама по себе, а в результате воздействия извне. Наконец, и в том и в другом случае энергия управляющего воздействия недостаточна, чтобы самостоятельно вызвать движение. Управляющее воздействие только создает условия для превращения накопленной системой потенциальной энергии в энергию кинетическую.

Если уж говорить об отличиях, то главное из них, на наш взгляд, состоит в том, что эффект Гальвани может вызвать любой, кто знает, где находится спинной нерв у лягушки. С "эффектом Николая Ивановича" дело обстоит значительно сложнее. Всей мощи современной науки недостаточно для того, чтобы чисто теоретическим путем определить точку, по которой надо стучать. Мы можем только объяснить наблюдаемое явление, что и было сделано выше. А чтобы вызвать его, нужно накопить огромный опыт, да и этого зачастую оказывается недостаточно. Распространение упругих колебаний в телах сложной формы, да еще, как это было в нашем случае, состоящих из нескольких сопряженных частей, - процесс исключительно сложный, и в настоящее время отсутствует теория, позволяющая точно предсказать его во всех деталях.

Говоря это, мы отнюдь не утверждаем, что задний мост автомобиля сложнее мышечной и нервной структуры лягушачьих лапок. Вообще сами понятия "сложнее" и "проще" бессмысленны, когда речь идет о столь различных вещах. Мы просто хотели подчеркнуть здесь то обстоятельство, что лапки лягушки, равно как и любые другие мышечные структуры, представляют собой механизм, специально сконструированный природой для того, чтобы в нем совершались процессы управления. Поэтому, однажды поняв принцип действия этого механизма, легко вызвать соответствующий эффект.

Задний мост автомобиля также представляет собой механизм, но конструкторы этого механизма не заложили в него способности самосъема тормозных барабанов. Поэтому "эффект Николая Ивановича" следует рассматривать как "эффект" побочный. Но важнейший вывод из двух рассмотренных примеров состоит именно в том, что процессы управления суть объективные процессы природы и проявляются не только тогда, когда они были заранее запланированы. Изучением общих законов протекания этих процессов и занимается наука кибернетика.

До сих пор мы говорили только о процессах управления и ничего не сказали о связи. Связь - это совокупность всевозможных средств, обеспечивающих передачу сигналов на расстояние. Управление немыслимо без связи. В наших примерах связь осуществлялась либо нервным волокном (явно), либо корпусом заднего моста, по которому распространялась упругая волна (менее явно). Очевидно, что процессы связи играли в обоих примерах столь же важную роль, как и процессы управления.

Эта книга имеет особенность - она написана двумя авторами. Вопрос о том, как пишут вдвоем, относится к категории вопросов, отмеченных выше. Ни братья Гонкуры, ни братья Стругацкие, а также Ильф и Петров и другие авторские пары не смогли дать на этот вопрос удовлетворительный ответ, во всяком случае публично. Но ясно одно, если пишешь книгу вдвоем, нужно хотя бы договориться, о чем писать. Результат этой нелегкой процедуры и нашел свое отражение в предыдущих строках. Это книга о кибернетике, иначе говоря, о том, по какому месту надо постукивать молотком. Но подобное определение содержит очевидный изъян: в нем ничего не говорится о том, зачем надо постукивать. Действительно, когда природа конструировала нервную систему лягушки, она ни в коей мере не предназначала эту систему для того, чтобы ее использовали в качестве электрического измерительного прибора. Аналогичным образом, конструктор заднего моста автомобиля, как мы уже указывали, не прилагал никаких усилий к тому, чтобы тормозные барабаны, а заодно и прикрепленные к ним колеса сваливались при случайном постукивании. Одним словом, вопрос о цели производимых действий остался за рамками всего проведенного до сих пор рассмотрения. А это одна из важнейших проблем кибернетики.

Чтобы как-то прояснить нашу мысль, рассмотрим еще один пример. Пусть на краю стола лежит металлический шарик. Если легонько подтолкнуть его в направлении к краю, шарик упадет вниз. Можно ли утверждать, что здесь мы снова имеем дело с процессом управления? На первый взгляд, положительный ответ напрашивается сам собой. Действительно, шарик, лежащий на краю стола, представляет собой физическую систему, обладающую определенным запасом потенциальной энергии. Ее даже легко подсчитать: потенциальная энергия шарика в данной конкретной системе численно равна весу шарика, умноженному на высоту стола. Подталкивая шарик, мы создаем условия для превращения потенциальной энергии в кинетическую, т. е. для совершения в системе определенного движения. Казалось бы, согласно всем сформулированным выше условиям, подталкивание шарика отвечает определению процесса управления. Но на самом деле это далеко не так. Повторяя эксперимент с шариком большое количество раз, мы убедимся, что шарик всегда будет падать на одно и то же место или, во всяком случае, в пределах достаточно небольшой области пола. Системы, в которых может совершаться только одно какое-либо действие, не относятся к кибернетическим системам, хотя бы по той простой причине, что в противном случае пришлось бы отнести к разряду кибернетических систем практически все окружающие нас предметы.

Принято считать, что система является кибернетической, если в ней может происходить большое разнообразие различных явлений(движений). Сущность процесса управления состоит именно в том, чтобы выбрать из этого разнообразия одно какое-либо движение или последовательность движений, причем имеется в виду, что подобный выбор отвечает некоторой наперед поставленной цели. Остается, правда, открытым вопрос: сколь велико должно быть подобное разнообразие, чтобы система могла быть отнесена к классу кибернетических? Ответить на этот вопрос весьма непросто, и попыткам дать такой ответ будет посвящена одна из глав книги. Заметим только, что если бы на рассмотренную нами систему с шариком мы наложили дополнительное условие, а именно, что шарик должен быть сброшен в некоторый строго определенный момент времени, то положение резко изменилось бы, поскольку здесь возникла бы проблема выбора среди большого разнообразия возможных моментов. Но пришлось бы усложнить и саму систему, добавив к ней, по меньшей мере, будильник.

Раз уж мы решили приоткрыть завесу, скрывающую секреты нашей творческой кухни, сделаем в заключение еще одно признание. Приступая к написанию научно-популярной книги, мы решили неукоснительно следовать всем установившимся для такого рода литературы канонам. Один из таких канонов, в частности, предписывает использовать как можно больше исторических фактов, причем чем древнее факт, тем с большим уважением он воспринимается. Насколько строгЪ мы следуем принятым решениям, читатель сможет убедиться, перевернув страницу.