Охота на мамонтов (Глава первая) [1973 Шилейко А.В., Шилейко Т.И.

Твердо следуя принятым решениям, начнем с изложения истории кибернетики. До того как была вскрыта общность процессов управления и связи в животном и машине, считалось, что эти процессы проявляются только в так называемых автоматах. Подобное обстоятельство дает нам возможность вывести большими буквами заглавие Охота на мамонтов.

Автомат - слово не русское. Открываем словарь иностранных слов и читаем:

АВТОМАТ [гр. automates-самодействующий] - устройство (машина, аппарат, прибор, приспособление), позволяющее осуществлять производственный процесс без непосредственного участия че" ловека и лишь под его контролем.

Мы просмотрели много разных словарей и энциклопедий и выбрали это определение, потому что оно самое краткое. Короче написано, пожалуй, только в орфографическом словаре.

Первый автомат был изобретен в середине каменного века, т. е. примерно в 39500 г. до нашей эры. Дело происходило так. Некто, его имя не дошло до нас через толщу веков, потому что в те времена отсутствовала письменность, выделялся среди своих соплеменников как искусный охотник на мамонтов. Солнце еще не показывалось за краем горизонта, а он уже выходил на охоту, катя перед собой большой камень. Труднее всего было затащить камень на верщину скалы. Но, как мы скоро увидим, труд не пропадал даром. С одной стороны скала отвесно обрывалась вниз, а возле самого ее подножья проходила тропа, по которой мамонты обычно ходили на водопой.

Затащив камень, наш герой удобно располагался на вершине и начинал ждать (скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается). Все же рано или поздно треск кустов доносил ему о приближении стада. Дальше события развивались стремительно. Выбрав мамонта покрупнее, охотник лишь слегка подталкивал камень. Остальное завершала сила земного притяжения.

На шум потревоженного стада и предсмертные крики жертвы сбегалось племя. Тушу убитого мамонта растаскивали по кускам, не преминув оставить охотнику самую вкусную часть. Жить бы ему да поживать, греясь в .лучах своей славы, но, как говаривал Лис у Сент-Экзюпери: "Нет в мире совершенства!"

Причиной всему были комары, которые в те времена гигантских размеров никак не уступали ростом современному воробью. Согласитесь, что ждать мамонтов в такой компании - занятие не из приятных. Во всяком случае, оно наводит на размышления. И вот однажды, затащив свой камень на вершину, охотник неожиданно стал спускаться вниз. Спустившись, он выбрал в зарослях ствол молодого бамбука, срубил его каменным топором и подрезал верхушку так, чтобы конец получившегося шеста доставал как раз до вершины скалы. Охотник поставил шест точно посредине тропы, прислонил его к скале и снова полез наверх. Взобравшись, он подставил конец шеста под край камня и начал осторожно сдвигать его со скалы. В результате камень повис над обрывом, опираясь одним краем на шест, а другим - на скалу. Теперь снова оставалось только ждать.

Ожидание было вознаграждено - вожак стада, идущий впереди, толкнул лбом шест, шест выскочил из-под камня, камень обрушился на голову мамонта и огромное животное было повержено. Охотнику оставалось лишь установить свое хитроумное приспособление, после чего он спокойно отлеживался в пещере, а когда лежать становилось скучно, выбивал на каменных стенах свои "мемуары".

И снова нам придется вспомнить Лиса, потому что в природе действительно нет совершенства. Очень скоро мамонты стали осторожны. Вытолкнуть шест из-под тяжелого камня не так-то легко, и, почувствовав лбом сопротивление шеста, мамонт обходил его стороной. Попадались в ловушку только самые глупые, а их становилось все меньше и меньше.

Тогда охотник смазал верхушку шеста мылом... Своим внутренним взором авторы вдруг совершенно отчетливо увидели саркастические улыбки читателей, а один даже спросил строгим голосом:

- Простите, чем? Мылом? Это в каменном-то веке!

Один из неписанных законов научно-популярной литературы гласит, что автор во что бы то ни стало должен добиться безусловного доверия читателей. Поэтому, если он и хочет протащить какое-нибудь сомнительное утверждение, он обязательно должен замаскировать его под ворохом таких непреложных истин, как "дважды два - четыре" или "машина не может стать умнее человека": Поняв, что мы нарушили этот закон и ни о каком доверии дальше уже не может быть и речи, мы совсем было решили начать все сначала. Но беда в том, что сами-то мы искренне верим, что с мамонтами все обстояло именно так, как мы написали. Разве что за исключением злополучного мыла. При этом мы с благодарностью примем все возражения читателей, но предупреждаем сразу, что всерьез будем рассматривать только возражения тех, кто своими глазами видел, как падало яблоко Ньютона, или слышал, как Архимед кричал: "Эврика!" - вылезая из ванны.

Чем же нас все-таки привлекает история с мамонтами? Во-первых, тем, что конструкция ловушки очень проста и наверняка знакома любому мальчишке, который хоть раз в жизни ловил какую-нибудь живность. Во-вторых, потому что охота на мамонтов безусловно представляла собой в те времена производственный процесс, а в данном случае он совершался "без непосредственного участия человека и лишь под его контролем". Другими словами, описанное нами устройство (машина, аппарат, прибор, приспособление) действительно есть автомат. А коли ловушку можно считать автоматом, то очевидно, что первый автомат был изобретен человеком очень и очень давно.

Наконец, в-третьих, мы не могли удержаться от соблазна сообщить нашему повествованию некий элемент сенсационности. Ведь это тоже один из стандартных приемов научно-популярной литературы. Согласитесь, автоматика в каменном веке - это захватывает воображение. Можно было, правда, сказать еще сильнее, например, что в конструкции ловушки для мамонтов использовалась атомная энергия. А без нее-то дело уже наверняка не обошлось.

Да и как нам было иначе поступить? Предположим, что в первых же строках мы бы честно заявили, что собираемся посвятить нашу книгу кибернетике. "А, - сказал бы читатель, - машина играет в шахматы, машина заменяет тысячу математиков, одним словом, быстрее мысли!" - И, может быть, даже отложил бы книжку в сторону.

Первая глава "Кибернетики" Норберта Винера начинается с небольшого детского стихотворения:

Возможно, именно потому, что речь здесь идет о счете, авторы научно-популярных книг решили - писать о кибернетике, значит, писать о цифровых вычислительных (т. е. счетных) машинах. Но Винер имел в виду совсем не это. Первая глава его книги посвящена различию между временем Ньютона и временем Бергсона. В чем же состоит это различие?

С часами в руках мы наблюдаем за движением поезда, идущего, окажем, из Москвы в Симферополь. Поезд вышел из Москвы в 14.00. В точности следуя расписанию, в 15.40 он миновал Серпухов, в 18.00 - Тулу, в 20.00 - Орел. Стоп! Представим себе теперь, что время, а вместе с ним и наши часы, пошло в обратном направлении. После 20.00 стрелки показали 18.00, затем 15.40 и т. д. Что же мы наблюдали бы тогда? В 20.00 поезд был в Орле, в 18.00 оказался в Туле, в 15.40 - в Серпухове и, наконец, в 14.00 - в Москве. Возможно ли это? Сам факт перемены направления течения времени, конечно, невозможен. Во всяком случае, он еще никогда никем не наблюдался. Но все остальное (если не считать следования поезда точно по расписанию) не противоречит нашим привычным представлениям. Поезд, движущийся от Орла к Москве, столь же обычен, как и поезд, движущийся от Москвы к Орлу.

Говорят, что в ньютоновской физике время симметрично. Или иначе - если во всех уравнениях ньютоновской физики изменить знак перед буквой t, обозначающей переменную время, на противоположный, то эти уравнения останутся справедливыми и будут описывать процессы; которые могут совершаться в природе наравне с теми процессами, которые описываются уравнениями, где знак перед t положительный. Например, если некое уравнение описывает вращение шарика по часовой стрелке - то перемена знака у времени даст уравнение, описывающее вращение шарика против часовой стрелки. И то и другое, очевидно, вполне реально.

Почему же, в таком случае, мы все время подчеркиваем, что речь идет именно о ньютоновской физике? Вот почему. Представим себе, что мы написали уравнение, описывающее движение осколков чашки, выпавшей из рук неумелой хозяйки. Мы не станем писать здесь это уравнение и вообще постараемся вне крайней необходимости обходиться без уравнений. Достаточно знать, что такое уравнение может быть написано. Ясно, что произойдет, если в этом уравнении мы заменим знак перед буквой t (время) на противоположный. Переделанное уравнение будет описывать движение осколков чашки, которые движутся друг к другу и затем склеиваются все вместе, образуя целую чашку. Заметьте - без единой трещины и царапины.

С точки зрения физики Ньютона, оба уравнения справедливы и, более того, они совершенно равноправны. Но наблюдал ли кто-нибудь из вас, как осколки сами (не надо усматривать в этом слове намек на автоматику) собираются вместе и склеиваются в целую чашку? Такое бывает только в сказках. Но сказка ложь,, да в ней намек, и не будем относиться к смазкам пренебрежительно.

Пока что сделаем очень важный для нас вывод. Далеко не для каждого процесса, происходящего в природе, существует обратный процесс, т. е. такой, какой получился бы, если бы время начало течь в обратном направлении. Значит, время в природе, во всяком случае в той ее части, которая доступна нашим наблюдениям, может протекать только в сдном направлении. Такое несимметричное время Винер назвал бергсоновским по имени французского философа-идеалиста Андри Бергсона.

Причем же здесь детские стишки? Приводя их, Винер хотел только подчеркнуть ту мысль, что хотя и звезды и облака можно наблюдать на небе, на этом их сходство кончается. Если можно так выразиться, звезды существуют в ньютоновском времени. Из менить знак этого времени - звезды будут продолжать двигаться по своим привычным путям, хотя и в противоположном направлении, А вот с облаками все обстоит иначе. Никто еще никогда не видел, чтобы капли дождя вдруг начали подниматься вверх и, распылившись, образовали облако.

Один из наиболее общих законов природы, получивший название второго начала термодинамики, гласит: в изолированной системе процессы протекают в сторону возрастания энтропии. Почти каждое слово здесь требует пояснения. "Изолированной" называется система, которая не отдает накопленной в ней энергии и не получает энергии извне. Другими словами, это система, полностью отрезанная от внешнего мира. Гораздо труднее сказать, что значит "процессы протекают в сторону возрастания энтропии". Пожалуй, все дальнейшее изложение будет состоять из различных попыток ответить на этот вопрос. Пока ограничимся лишь весьма грубым толкованием. Энтропия возрастает тогда, когда относительный порядок сменяется беспорядком. В системе, где царит полнейший беспорядок, энтропия максимальна. Была чашка и разбилась - энтропия возросла. Сгорел кусок угля, стерлись подметки у ботинок - все это примеры процессов, направленных в сторону возрастания энтропии.

Второе начало термодинамики тоже имеет свою математическую формулировку или, иначе говоря, - уравнение. Достаточно заменить в этом уравнении один маленький плюс на еще более маленький минус, и мы получим мир, полный чудес. Столы в этом мире ломятся от свежайших, съеденных вчера (а также позавчера) кушаний, положенных в самосклеившиеся чашки и тарелки. Подметки у ботинок отрастают прямо на глазах, а протопив с вечера печку, мы находим ее утром полной отличных сухих дров. Возможны, правда, и менее приятные явления. Например, весь воздух в вашей комнате вдруг собирается в одном из углов и, конечно, не в том, где вы находитесь. Может быть, последняя картина примирит нас с тем, что время необратимо. А коли так - мир стремится к беспорядку.

Но у беспорядка есть еще одно весьма примечательное свойство - его нельзя описать Ведь если описать беспорядок, то он тут же перестанет быть беспорядком, так как будет соответствовать определенной схеме - своему описанию. Значит, любая наука может либо описывать явления, происходящие в данный момент, либо предсказывать явления, которые произойдут в недалеком будущем. Чем длительнее срок, тем менее точными становятся такие предсказания. А о том, что произойдет в весьма отдаленном будущем, мы не в силах сказать ничего определенного.

Достаточно задать точные координаты и скорости всех частиц, из которых состоит Вселенная, - говорил Лейбниц, - и, во всяком случае принципиально, можно предсказать поведение Вселенной на сколь угодно долгий срок вперед. Современная наука опровергает это утверждение. Как бы точно мы ни знали состояние системы в данный момент времени, утверждать что-либо о ее дальнейшем поведении можно, только имея в виду относительно близкое будущее.

Мы и не собирались заниматься предсказаниями. Невозможность предсказать поведение физических систем определяется не силой или слабостью науки. Иначе говоря, невозможность предсказания зависит не от того, кто предсказывает, будь это даже сам господь бог, подсчитавший, как мы установили выше, все звезды и все облака. Невозможность предсказания - это неотъемлемое свойство самой физической системы. Так уж устроен мир (ну, как еще раз. не вспомнить Лиса!), что будущие состояния в нем лишь частично зависят от того, что происходит в данный момент.

А если события не предопределены, на них можно воздействовать, ими можно управлять. И вообще, на самом ли деле все обстоит так грустно, как это могло показаться из предыдущих строк? Вспомним, что все сказанное выше относилось только к изолированной системе. Возьмем обыкновенное куриное яйцо. Достаточно продержать его некоторое время при повышенной температуре (в систему притекает энергия), как из яйца появляется цыпленок. Чисто интуитивно можно предполагать, что цыпленок - это все-таки больший порядок, чем яйцо. Правда, так происходит, только пока яйцо свежее. Стоит дать на время похозяйничать в нем второму началу термодинамики, как последующее нагревание приведет к совершенно противоположному эффекту - яйцо протухнет. Кроме того, еще, конечно, система неизолированная.

Теперь представим себе такой опыт. Поместим яйцо в непроницаемый ящик, где воздух нагрет до нужной температуры. Закроем ящик герметически. С этого момента все, что находится внутри ящика, представляет собой изолированную систему. В частности, поэтому температура не будет понижаться и есть все основания полагать, что через положенное время из яйца вылупится цыпленок. Изолированная система, состоявшая ранее из воздуха и яйца, превращается, таким образом, в изолированную систему, состоящую из воздуха и цыпленка. Беспорядок не только не увеличился, а скорее, уменьшился.

Не будем радоваться. Если продержать ящик закрытым еще некоторое время, второе начало термодинамики возьмет свое. И все еще, хотя бы на короткий промежуток времени и в искусственно созданной системе, нам удалось создать порядок из беспорядка. Секрет здесь в том, что вместе с яйцом мы внесли в систему еще что-то. Примерно то же самое происходит, когда в насыщенный и на вид совершенно однородный раствор какой-либо соли мы опускаем маленький кристаллик той же соли - в стакане возникает подчас чрезвычайно красивый горный пейзаж.

Вывод таков. Наряду с процессами, протекающими в сторону возрастания энтропии, в природе возможны и другие, противоположные им. Вызывать эти процессы искусственно и означает управлять природой.

Если процессы первого типа условно называть термодинамическими, то противоположные им процессы можно назвать процессами управления. Второе начало термодинамики сохраняет свою силу и здесь. Поэтому процессы управления могут происходить только в отдельных (локальных) частях Вселенной и только вне изолированных систем. Все же они существуют, и, что самое главное, их можно вызывать искусственно. Наука о процессах управления ? получила название кибернетики. Мы уже говорили, что так ее определил Норберт Винер, озаглавив свой классический труд "Кибернетика, или управление и связь в животном и машине". Системы, в которых процессы управления вызываются искусственно, получили название автоматических систем или, короче, автоматов.

Что такое процесс управления? Как его можно вызывать и как заставить его служить человеку? Вот главные вопросы, на которые мы попытаемся ответить в этой книге. Что же касается цифровых вычислительных машин, то, как это ни странно, они имеют к кибернетике достаточно отдаленное отношение. Слов нет, очень часто вычислительная машина используется как часть автоматической (т. е. кибернетической) системы. Однако не относим же мы к кибернетике, например, металлургию только на том основании, что автоматы чаще всего делают из металла.

Но вернемся к мамонтам. Заметим, что мы описали выше, по крайней мере, две различные конструкции ловушки для мамонтов. Каждая из них состояла из скалы с лежащим наверху камнем. Падая вниз, камень попадал в голову мамонта и убивал его. Иначе - потенциальная энергия, которой обладал камень на вершине горы, превращалась в кинетическую, а уж эта последняя совершала свое роковое дело. В момент соприкосновения камня с головой мамонта кинетической энергии было лишь ненамного меньше, чем первоначально накопленной потенциальной. А потенциальной энергией камень снабжал человек, втаскивая его на вершину скалы.

Возникает законный вопрос: зачем же в таком случае понадобились столь хитрые приспособления, если у человека и без того хватало энергии, чтобы убить мамонта? Ответ в том, что энергия - это еще не сила. Втаскивая камень на окалу, может быть, в течение нескольких часов, человек исподволь накапливал в камне потенциальную энергию, которая освобождалась потом почти мгновенно. Следовательно, скала и камень выступали в роли аккумулятора энергии.

Роль человека на вершине скалы или в дальнейшем бамбукового шеста состояла в том, чтобы точно определить момент времени, когда камень должен упасть. Образно говоря, кроме запаса энергии, камень должен был обладать еще знанием того, когда эту энергию использовать. В первом случае таким знанием обладал человек, а вот во втором дело обстояло несколько сложнее. В тот момент, когда лоб мамонта соприкасался с шестом, система получала сигнал - пора! Конец шеста выскакивал из-под камня, камень приходил в движение.

Схематически ловушку для мамонтов можно представить себе как состоящую из следующих основных частей:

ИСПОЛНИТЕЛЬ (сейчас говорят исполнительный механизм). Исполнителем здесь был, конечно, камень, потому что именно он выполнял то действие, ради которого было задумано все устройство.

АККУМУЛЯТОР (или в общем случае источник) ЭНЕРГИИ. Роль аккумулятора здесь играл тот же .камень. Однако легко представить себе ситуацию, когда камень, падающий с вершины скалы, увлекает за собой другие, но лишь один из них попадает в мамонта. Тогда функции исполнительного механизма и источника энергии выполняли бы различные физические объекты.

ИСТОЧНИК И ПРИЕМНИК СИГНАЛА. В данном случае лоб мамонта и бамбуковый шест.

СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА ОТ ИСТОЧНИКА К ИСПОЛНИТЕЛЮ. Функции этой системы выполнял все тот же бамбуковый шест, - на то он и длинный.

Поразительно, что любая современная сколь угодно сложная автоматическая система состоит из тех же самых составных частей. Их может быть значительно больше, а сами они могут быть значительно сложнее, что, к слову сказать, далеко не всегда приводит к положительным результатам. Но основная схема остается без изменение. Где же здесь управление? Где ньютоновское и бергсоновское время и зачем авторам понадобилось рассуждать о столь высоких материях, чтобы закончить описание простейших вещей, понять которые можно, абсолютно не зная второго начала термодинамики? Вопрос, законный и ответить на него не так-то просто. Заметим, однако, что, кроме двух описанных конструкций ловушки для мамонтов, можно представить себе еще и третью. Ведь камень со скалы может упасть и сам, без непосредственного участия человека и без всякого контроля с его стороны. Авторы категорически утверждают, что по крайней мере один мамонт окончил свой жизненный путь под ударом такого камня. Следовательно, третий возможный способ охоты па мамонтов - это просто подбирать животных, убитых камнями. Не станем обсуждать сейчас эффективность этого способа. Скажем только, что если бы люди каменного века пользовались этим способом как единственным источником питания, вряд ли авторы этой книжки встретились бы со своими читателями.

Камень лежит на вершине скалы. Если он находится достаточно близко к краю или даже наполовину свешивается над обрывом, рано или поздно он упадет вниз. В этом-то и проявляется второе начало - термодинамика не любит острых горных вершин и глубоких ущелий. А вот точно предсказать момент, когда это произойдет, не может никакая наука. Можно подсчитать только вероятность для камня упасть в течение заданного промежутка времени. Но одной вероятностью сыт не будешь. Камень нужно подтолкнуть или выдернуть из-под него опору. Конечно, чтобы подтолкнуть камень, надо затратить какое-то дополнительное количество энергии. В этом ли смысл? И вот теперь настала пора признаться, зачем нам понадобилось мыло. Намыленный шест гораздо легче вытолкнуть из-под камня, чем ненамыленный. Значит, если шест намылен, количество дополнительной энергии будет значительно меньше, а камень все равно упадет.

Можно ли точно предсказать, что мамонт будет убит, если заранее известно, что шест будет выдернут в нужный момент? Конечно, нет. Ведь камень может пролететь мимо или вообще не упасть, зацепившись за какой-нибудь выступ. Снова мы можем говорить только о вероятности, хотя теперь вероятность будет уже иной. Сложная система шест - камень понадобилась, следовательно, для того, чтобы изменить вероятность падения камня в данном месте и в течение данного промежутка времени. Чем выше эта вероятность, тем больше убитых мамонтов. Сущность процессов управления и состоит в том, что изменяются вероятности наступления событий. Изменение вероятности требует затраты энергии, но, как показывает пример с мылом, эти затраты могут быть очень малыми по сравнению с достигаемым эффектом.

Опишем теперь некоторые общие черты, роднящие ловушку для мамонтов с современными автоматическими системами или, проще говоря, автоматами. Всякий автомат обязательно содержит источник (аккумулятор) энергии и исполнительный механизм. Переходя от источника к исполнительному механизму, энергия заставляет последний совершать требуемые от него действия. Задача всех остальных частей системы в том, чтобы управлять этим потоком энергии. Для управления необходимо знание. Оно поступает извне в форме различных сигналов, а если надо, то и накапливается внутри автомата. Источники сигналов, средства их передачи, накопления, а иногда и преобразования - вот остальные составные части автомата.

Остается единственный вопрос: как же все-таки управлять потоком энергии? Попытаться ответить на него мы сможем лишь несколько позже, когда опишем более подробно конструкции перечисленных выше составных частей. Пока мы можем только намекнуть, что если камень в ловушке для мамонтов падал вниз, то конец намыленного шеста двигался в горизонтальном направлении, т. е. перпендикулярно направлению движения камня. Если читатель запомнит это обстоятельство, в дальнейшем наша задача в значительной мере будет облегчена.

Теперь мы уже совсем настроились на серьезный лад и поэтому начнем следующую главу с довольно грустной истории.