Академик С. Л. Соболев, А. И. Китов, А. А. Ляпунов

Основные черты кибернетики*

1. Общенаучное значение кибернетики

Кибернетикой называется новое научное направление, возникшее в по­следние годы и представляющее собой совокупность теорий, гипотез и то­чек зрения, относящихся к общим вопросам управления и связи в автома­тических машинах и живых организмах.

Это направление в науке усиленно развивается и еще не представляет собой достаточно стройной и цельной научной дисциплины. В настоящее время в кибернетике определились три основных раздела, каждый из кото­рых имеет большое самостоятельное значение:

1. Теория информации, в основном статистическая теория обработки и передачи сообщений.

2. Теория автоматических быстродействующих электронных счетных машин как теория самоорганизующихся логических процессов, подобных процессам человеческого мышления.

3. Теория систем автоматического управления, главным образом теория обратной связи, включающая в себя изучение с функциональной точки зре­ния процессов работы нервной системы, органов чувств и других органов живых организмов.

Математический аппарат кибернетики весьма широк: сюда относятся, например, теория вероятностей, в частности теория случайных процессов, функциональный анализ, теория функций, математическая логика.

Значительное место в кибернетике занимает учение об информации. Ин­формацией называются сведения о результатах каких-либо событий, кото­рые заранее не были известны. Существенно при этом то, что фактически поступившие данные являются всегда одним из определенного числа воз­можных вариантов сообщений.

Понятию информации кибернетика придает очень широкий смысл, включая в него как всевозможные внешние данные, которые могут воспри­ниматься или передаваться какой-либо определенной системой, так и дан­ные, которые могут вырабатываться внутри системы. В последнем случае система будет служить источником сообщений.

Информацией могут являться, например, воздействия внешней среды на организм животного и человека; знания и сведения, получаемые человеком в процессе обучения; сообщения, предназначаемые для передачи с по­мощью какой-либо линии связи; исходные, промежуточные и окончатель­ные данные в вычислительных машинах и т. п.

Новая точка зрения возникла недавно на основании изучения процессов в автоматических устройствах. И это не случайно. Автоматические устрой­ства достаточно просты для того, чтобы не затемнять сути процессов оби­лием деталей, и, с другой стороны, сам характер функций, выполняемых ими, требует нового подхода. Энергетическая характеристика их работы, конечно, важная сама по себе, совершенно не касается сути выполняемых ими функций. Для того же, чтобы понять сущность их работы, нужно прежде всего исходить из понятия информации (сведений) о движении объ­ектов.

Подобно тому, как введение понятия энергии позволило рассматривать все явления природы с единой точки зрения и отбросило целый ряд ложных теорий (теория флогистона, вечных двигателей и др.), так и введение поня­тия информации, единой меры количества информации позволяет подойти с единой общей точки зрения к изучению самых различных процессов вза­имодействия тел в природе.

Рассматривая информацию, передаваемую воздействием, необходимо подчеркнуть, что ее характер зависит как от воздействия, так и от воспри­нимающего это воздействие тела. Воздействие от источника к восприни­мающему воздействие телу в общем происходит не непосредственно, но через целый ряд опосредствующих эту связь частных воздействий. (Инфор­мация при этом каждый раз перерабатывается.) Совокупность средств, по­зволяющих воздействию достигнуть воспринимающего тела, называется ка­налом передачи информации, или, короче, каналом связи.

Общим для всех видов информации является то, что сведения или сооб­щения всегда задаются в виде какой-либо временной последовательности, то есть в виде функции времени.

Количество переданной информации и тем более эффект воздействия информации на получателя не определяется количеством энергии, затра­ченной на передачу информации. Например, при помощи телефонного раз­говора можно остановить завод, вызвать пожарную команду, поздравить с праздником. Нервные импульсы, идущие от органов чувств к головному мозгу, могут нести с собой ощущения тепла или холода, удовольствия или опасности.

Сущность принципа управления заключается в том, что движение и дей­ствие больших масс или передача и преобразование больших количеств энергии направляются, контролируются при помощи небольших масс и не­больших количеств энергии, несущих информацию. Этот принцип управле­ния лежит в основе организации и действия любых управляемых систем: автоматических машин или живых организмов. Поэтому теория информа­ции, изучающая законы передачи и преобразования информации (сигна­лов), является основой кибернетики, изучающей общие принципы управле­ния и связей в автоматических машинах и живых организмах.

Любая автоматически управляемая система состоит из двух основных частей: управляемого объекта и системы управления (регулятора) — и ха­рактеризуется наличием замкнутой цепи передачи информации (рис. 1).

Управляющие сигналы

Регулятор                      ^У п р_о^а_б^в_ъ^л_е^я_к^е_т^м ы й

сигналы обратной связи

От регулятора к объекту информация передается в виде сигналов управ­ления; в управляемом объекте под воздействием управляющих сигналов осуществляется преобразование больших количеств энергии (сравнительно с энергией сигналов) в работу. Цепь передачи информации замыкается сиг­налами обратной связи, представляющими собой информацию о действи­тельном состоянии управляемого объекта, поступающую от объекта в регу­лятор. Назначение любого регулятора заключается в преобразовании ин­формации, характеризующей действительное состояние объекта, в инфор­мацию управления, то есть информацию, которая должна определять буду­щее поведение объекта. Таким образом, регулятор представляет собой устройство преобразования информации. Законы преобразования информа­ции определяются принципами действия и конструкцией регулятора.

В простейшем случае регулятор может быть просто линейным преобра­зователем, в котором сигнал обратной связи, показывающий отклонение регулируемого объекта от требуемого положения,— сигнал ошибки — ли­нейно преобразуется в управляющий сигнал. Сложнейший пример системы управления представляют нервные системы животных и человека. Решаю­щее значение и для этих систем имеет принцип обратной связи. При вы­полнении какого-либо действия управляющие сигналы в виде нервных им­пульсов передаются от головного мозга к исполнительным органам и вызы­вают в конечном счете мышечное движение. Линию обратной связи пред­ставляют сигналы от органов чувств, а также кинэстетические мышечные сигналы положений, передаваемые в головной мозг и характеризующие фактическое положение исполнительных органов.

Установлено (см. П. Гуляев «Что такое биофизика». Журнал «Наука и жизнь» № 1 за 1955 год), что процессы, происходящие в замкнутых цепях обратной связи живых организмов, поддаются математическому описанию и по своим характеристикам приближаются к процессам, происходящим в сложных нелинейных системах автоматического регулирования механичес­ких устройств.

Помимо многочисленных и сложных замкнутых цепей обратной связи, предназначенных для движения и действия организмов во внешнем мире, в любом живом организме имеется большое количество сложных и разно­образных внутренних цепей обратной связи, предназначенных для поддер­жания нормальных условий жизнедеятельности организмов (регулирование температуры, химического состава, кровяного давления и т. д.). Эта систе­ма внутреннего регулирования в живых организмах называется гомеоста­том.

Основной характеристикой любого регулятора как устройства перера­ботки информации является закон преобразования информации, реализуе­мый регулятором.

Эти законы в различных регуляторах могут значительно отличаться друг от друга: от линейного преобразования в простейших механических систе­мах до сложнейших законов мышления человека.

Одной из главных задач кибернетики является изучение принципов по­строения и действия различных регуляторов и создание общей теории управления, то есть общей теории преобразования информации в регулято­рах. Математической основой для создания такой теории преобразования информации служит математическая логика — наука, изучающая методами математики связи между посылками и следствиями. По существу матема­тическая логика дает теоретическое обоснование и методов преобразования информации, что обусловливает тесную связь математической логики с ки­бернетикой.

На базе математической логики появились и бурно развиваются в насто­ящее время многочисленные частные приложения этой науки к различным системам обработки информации: теория релейно-контактных схем, теория синтеза электронных вычислительных и управляющих схем, теория про­граммирования для электронных автоматических счетных машин и др.

Основная задача, которую приходится решать при разработке схемы того или иного устройства обработки информации, заключается в следую­щем: задан определенный набор возможных входных информаций и функция, определяющая зависимость выходной информации от входной, то есть задан объем информации, подлежащей обработке, и закон ее перера­ботки. Требуется построить оптимальную схему, которая обеспечила бы ре­ализацию этой зависимости, то есть переработку заданного количества ин­формации.

Можно представить такой характер решения этой задачи, когда для реа­лизации каждой зависимости, то есть для передачи каждого возможного ва­рианта информации, строится отдельная схема. Это наиболее простой и наименее выгодный путь решения. Задача теории заключается в том, чтобы путем комбинации таких отдельных цепей обеспечить передачу заданного количества информации при помощи минимального количества физических элементов, потребных для построения схем. При этом необходимо добиться надежности и помехоустойчивости работы систем.

Однако при практическом инженерном решении этих задач не представ­ляется возможным реализовать полностью оптимальные варианты. Необ­ходимо учитывать целесообразность построения машин из определенного количества стандартных узлов и деталей, не слишком увеличивая количест­во различных вариантов схем в погоне за оптимальностью.

Возникает задача компромисса между требованиями оптимального ре­шения и возможностями практического осуществления схем, задача оценки качества схем и узлов, получающихся из имеющихся стандартных деталей, с точки зрения того, в какой мере эти схемы приближаются к оптимальному решению или каким образом использовать имеющиеся стандартные узлы и блоки для того, чтобы как можно ближе подойти к оптимальному варианту.

Аналогичное положение имеет место и при составлении программ для решения математических задач на быстродействующих счетных машинах. Составление программы заключается в определении последовательности операций, выполняемых машиной, которая даст решение задачи. Подроб­нее этот вопрос будет пояснен ниже.

Требование оптимального программирования с точки зрения минималь­ного времени работы машины практически не выполняется, так как это свя­зано со слишком большой работой по составлению каждой программы. По­этому удовлетворяются вариантами программ, которые не слишком отхо­дят от оптимальных вариантов, но образуются более или менее стандарт­ными, известными приемами.

Рассмотренные задачи представляют собой частные случаи общей зада­чи, решаемой статистической теорией информации,— задачи об оптималь­ном способе передачи и преобразования информации.

Теория информации устанавливает возможность единым способом пред­ставлять любую информацию, независимо от ее конкретной физической природы (в том числе и информацию, заданную непрерывными функция­ми), в виде совокупности отдельных двоичных элементов — так называе­мых квантов информации, то есть элементов, каждый из которых может иметь только одно из двух возможных значений: «да» или «нет».

Теория информации изучает два основных вопроса: а) вопрос об измере­нии количества информации; б) вопрос о качестве информации, или ее до­стоверности. С первым связаны вопросы пропускной способности и емкос­ти различных систем, перерабатывающих информацию; со вторым — во­просы надежности и помехоустойчивости этих систем.

Количество информации, представленное каким-либо источником или переданное за определенное время по какому-либо каналу, измеряется ло­гарифмом общего числа (n) различных возможных равновероятных вариан­тов информации, которые могли быть представлены данным источником или переданы за данное время.

                                                                                                                         ⁽¹⁾

Логарифмическая мера принята, исходя из условий обеспечения пропор­циональности между количеством информации, которое может быть пере­дано за какой-либо отрезок времени, и величиной этого отрезка и между количеством информации, которое может быть запасено в какой-либо сис­теме, и количеством физических элементов (например, реле), потребных для построения этой системы. Выбор основания логарифмов определяется выбором единицы измерения количества информации. При основании, рав­ном двум, за единицу количества информации принимается наиболее про­стое, элементарное сообщение о результате выбора одной из двух равнове­роятных возможностей «да» или «нет». Для обозначения этой единицы ко­личества информации введено специальное название «бид» (от начальных букв термина «binary digit», что означает двоичная цифра).

Наиболее простым частным случаем определения количества информа­ции является случай, когда отдельные возможные варианты сообщения имеют одинаковую вероятность.

В связи с массовым характером информации вводится в рассмотрение ее статистическая структура. Отдельные варианты возможных данных, напри­мер, отдельные сообщения в теории связи, рассматриваются не как задан­ные функции времени, а как совокупность различных возможных вариан­тов, определенных вместе с вероятностями их появления.

В общем случае отдельные варианты данных имеют различную вероят­ность, и количество информации в сообщении зависит от распределения этих вероятностей.

Математическое определение понятия количества информации получа­ется в этом случае следующим образом. В теории вероятностей полной сис­темой событий называют такую группу событий А₁, А₂, ..., А_n, в которой при каждом испытании обязательно наступает одно и только одно из этих событий. Например, выпадение 1, 2, 3, 4, 5 или 6 при бросании игральной кости; выпадение герба или надписи при бросании монеты. В последнем случае имеется простая альтернатива, то есть пара противоположных собы­тий.

Конечной схемой называется полная система событий А₁, А₂, ..., А_n, за­данная вместе с их вероятностями: Р₁, Р₂, ..., Р_n.

                                                      ,                                                 ⁽²⁾

где

 ^и

Всякой конечной схеме свойственна некоторая неопределенность, то есть известны только вероятности возможных событий, но какое событие произойдет в действительности, является неопределенным.

Теория информации вводит следующую характеристику для оценки сте­пени неопределенности любой конечной схемы событий:

                                         ,                                     ⁽³⁾

где логарифмы могут браться при произвольном, но всегда одном и том же основании и где при Р_k = 0 принимается Р_klоgР_k = 0. Величина Н носит на­звание энтропии данной конечной схемы событий (см. К. Шэннон «Матема­тическая теория связи». Сборник переводов «Передача электрических сиг­налов при наличии помех». М., 1953; А. Я. Хинчин «Понятие энтропии в теории вероятностей». Журнал «Успехи математических наук». Т. 3. 1953). Она обладает следующими свойствами:

1. Величина Н(Р₁, Р₂, ..., Р_n) непрерывна относительно Р_k.

2. Величина Н(Р₁, Р₂, ..., P_n) = 0 в том и только в том случае, когда из чи­сел Р₁, Р₂, ..., Р_n одно какое-либо равно единице, а остальные равны нулю, т. е. энтропия равна нулю, когда отсутствует какая-либо неопределенность в конечной схеме.

3. Величина Н(Р₁, Р₂, ..., Р_n) имеет максимальное значение, когда все Р_k равны между собой, то есть когда конечная схема имеет наибольшую не­определенность. В этом случае, как нетрудно видеть,

                                .                           ⁽⁴⁾

Кроме того, энтропия обладает свойством аддитивности, то есть энтро­пия двух независимых конечных схем равна сумме энтропий этих конечных схем.

Таким образом, видно, что выбранное выражение энтропии достаточно удобно и полно характеризует степень неопределенности той или иной ко­нечной схемы событий.

В теории информации доказывается, что единственной формой, удовле­творяющей трем указанным свойствам, является принятая форма для выра­жения энтропии

Данные о результатах испытания, возможные исходы которого опреде­лялись заданной конечной схемой А, представляют собой некоторую ин­формацию, снимающую ту неопределенность, которая была до испытания. Причем, естественно, чем больше была неопределенность конечной схемы, тем большее количество информации мы получаем в результате проведения испытания и снятия этой неопределенности. Так как характеристикой сте­пени неопределенности любой конечной схемы является энтропия этой ко­нечной схемы, то количество информации, даваемое испытанием, целесо­образно измерять той же величиной.

Таким образом, в общем случае количество информации какой-либо сис­темы, имеющей различные вероятности возможных исходов, определяется энтропией конечной схемы, характеризующей поведение этой системы.

Так как за единицу количества информации принят наиболее простой и единый вид информации, а именно сообщение о результате выбора между двумя одинаково вероятными вариантами, то и основание логарифмов в выражении для энтропии принимается равным двум.

Как видно из (4), в случае конечной схемы с равновероятными события­ми формула (1) получается как частный случай из (3).

Теория информации дает весьма общий метод оценки качества информа­ции, ее надежности. Любая информация рассматривается как результат воз­действия двух процессов: закономерного процесса, предназначенного для передачи требуемой информации, и случайного процесса, вызванного дей­ствием помехи. Такой подход к оценке качества работы различных систем является общим для ряда наук: радиотехники, теории автоматического ре­гулирования, теории связи, теории математических машин и др.

Теория информации предлагает оценивать качество информации не по отношению уровней полезного сигнала к помехе, а статистическим мето­дом — по вероятности получения правильной информации.

Теория информации изучает зависимость между количеством и качест­вом информации; исследует методы преобразования информации с целью обеспечения максимальной эффективности работы различных систем пере­работки информации и выяснения оптимальных принципов построения та­ких систем.

Большое значение, например, в теории информации имеет положение о том, что количество информации может быть увеличено за счет ухудшения качества и, наоборот, качество информации может быть улучшено за счет уменьшения количества передаваемой информации.

Помимо широких научных обобщений и выработки нового, единого подхода к исследованию различных процессов взаимодействия тел, теория информации указывает и важные в практическом отношении пути развития техники связи. Чрезвычайно большое значение, например, имеют в настоя­щее время разработанные на основе теории информации методы приема слабых сигналов при наличии помех, значительно превышающих по своей мощности уровень принимаемых сигналов. Многообещающим является путь, указываемый теорией информации, повышения эффективности и на­дежности линий связи за счет перехода от приема отдельных, единичных сигналов к приему и анализу совокупностей этих сигналов и даже к приему сразу целых сообщений. Однако этот путь в настоящее время встречает еще серьезные практические трудности, связанные главным образом с необхо­димостью иметь в аппаратуре связи достаточно емкие и быстродействую­щие запоминающие устройства.

В учении об информации кибернетика объединяет общие элементы раз­личных областей науки: теории связи, теории фильтров и упреждения, тео­рии следящих систем, теории автоматического регулирования с обратной связью, теории электронных счетных машин, физиологии и др., рассматри­вая различные объекты этих наук с единой точки зрения как системы обра­ботки и передачи информации.

Несомненно, что создание общей теории автоматически управляемых систем и процессов, выяснение общих закономерностей управления и связи в различных организованных системах, в том числе и в живых организмах, будет иметь первостепенное значение для дальнейшего успешного развития комплекса наук. В постановке вопроса о создании общей теории управле­ния и связи, обобщающей достижения и методы различных частных облас­тей науки, заключается основное значение и ценность нового научного на­правления — кибернетики.

Объективными причинами, обусловившими возникновение в настоящее время такого направления в науке, как кибернетика, явились большие до­стижения в развитии целого комплекса теоретических дисциплин, таких, как теория автоматического регулирования и колебаний, теория электрон­ных счетных машин, теория связи и другие, и высокий уровень развития средств и методов автоматики, обеспечивший широкие практические воз­можности создания различных автоматических устройств.

Следует подчеркнуть большое методологическое значение вопроса, по­ставленного кибернетикой, о необходимости обобщения, объединения в широком плане результатов и достижений различных областей науки, раз­вивающихся в известном смысле изолированно друг от друга, например, таких областей, как физиология и автоматика, теория связи и статистичес­кая механика.

Эта изолированность, разобщенность отдельных областей науки, обу­словленная в первую очередь различием в конкретных физических объек­тах исследования, проявляется в различных методах исследования, в тер­минологии, чем создаются до некоторой степени искусственные перегород­ки между отдельными областями науки.

На определенных этапах развития науки взаимное проникновение раз­личных наук, обмен достижениями, опытом и их обобщение являются не­избежными, и это должно способствовать подъему науки на новую, более высокую ступень.

Высказываются мнения о необходимости ограничить рамки новой тео­рии в основном областью теории связи на том основании, что широкие обобщения могут привести в настоящее время к вредной путанице. Такой подход не может быть признан правильным. Уже сейчас определился ряд понятий (в чем немалую роль сыграла кибернетика), имеющих общетеоре­тическое значение. Сюда прежде всего следует отнести принцип обратной связи, играющий основную роль в теории автоматического регулирования и колебаний и имеющий большое значение для физиологии.

Общетеоретическое значение имеет идея рассмотрения статистической природы взаимодействия информации и системы. Например, понятие энт­ропии в теории вероятностей имеет общетеоретическое значение, а его частные приложения относятся как к области статистической термодина­мики, так и к области теории связи, а возможно, и к другим областям. Эти общие закономерности имеют объективный характер, и наука не может их игнорировать.

Новое научное направление еще находится в стадии становления, еще не определены четко даже рамки новой теории; новые данные поступают не­прерывным потоком. Ценность новой теории в широком обобщении до­стижений различных частных наук, в выработке общих принципов и мето­дов. Задача состоит в том, чтобы обеспечить успешное развитие новой на­учной дисциплины в нашей стране.

2. Электронные счетные машины и нервная система

Наряду с исследованием и физическим моделированием процессов, про­исходящих в живых существах, кибернетика занимается созданием более совершенных и сложных автоматов, способных выполнять отдельные функции, свойственные человеческому мышлению в его простейших фор­мах.

Следует заметить, что методы моделирования, методы аналогий посто­янно применялись в научных исследованиях как в области биологических наук, так и в точных науках и технике. В настоящее время благодаря разви­тию науки и техники появилась возможность глубже применить этот метод аналогий, глубже и полнее изучить законы деятельности нервной системы, мозга и других органов человека с помощью сложных электронных машин и приборов и, с другой стороны, использовать принципы и закономерности жизнедеятельности живых организмов для создания более совершенных ав­томатических устройств.

То, что кибернетика ставит перед собой такие задачи, является, несо­мненно, положительной стороной этого направления, имеющей большое научное и прикладное значение. Кибернетика отмечает общую аналогию между принципом работы нервной системы и принципом работы автомати­ческой счетной машины, заключающуюся в наличии самоорганизующихся процессов счета и логического мышления.

Основные принципы работы электронных счетных машин заключаются в следующем.

Машина может выполнять несколько определенных элементарных опе­раций: сложение двух чисел, вычитание, умножение, деление, сравнение чисел по величине, сравнение чисел с учетом знаков и некоторые другие. Каждая такая операция выполняется машиной под воздействием одной определенной команды, определяющей, какую операцию и над какими чис­лами должна выполнить машина и куда должен быть помещен результат операции.

Последовательность таких команд составляет программу работы маши­ны. Программа должна быть составлена человеком-математиком заранее и задана в машину перед решением задачи, после чего все решение задачи выполняется машиной автоматически, без участия человека. Для введения в машину каждая команда программы кодируется в виде условного числа, которое машиной в процессе решения задачи соответствующим образом расшифровывается, и необходимая команда выполняется.

Автоматическая счетная машина обладает способностью хранить — за­поминать большое количество чисел (сотни тысяч чисел), выдавать автома­тически в процессе решения необходимые для операции числа и снова за­писывать полученные результаты операций. Условные числа, обозначаю­щие программу, хранятся в машине в тех же запоминающих устройствах, что и обычные числа.

Очень важными с точки зрения принципа работы электронных счетных машин являются следующие две особенности.

1. Машина обладает способностью автоматически изменять ход вычис­лительного процесса в зависимости от получающихся текущих результатов вычислений. Обычно команды программы выполняются машиной в том порядке, как они записаны в программе. Однако часто и при ручных вычис­лениях необходимо изменять ход расчета (например, вид расчетной форму­лы, значение какой-нибудь константы и т. д.) в зависимости от того, какие результаты получаются в процессе вычислений. Это обеспечивается в ма­шине введением специальных операций перехода, позволяющих выбирать различные пути дальнейших вычислений в зависимости от предыдущих ре­зультатов.

2. Так как программа работы машины, представленная в виде последова­тельности условных чисел, хранится в том же запоминающем устройстве машины, что и обычные числа, то машина может производить операции не только над обычными числами, представляющими величины, участвующие в решении задачи, но и над условными числами, представляющими коман­ды программы. Это свойство машины служит для обеспечения возможнос­ти преобразования и многократного повторения всей программы или ее от­дельных участков в процессе вычислений, что обеспечивает значительное уменьшение объема первоначально вводимой в машину программы и резко сокращает трудоемкость процесса составления программы.

Отмеченные две принципиальные особенности электронных счетных машин являются основными для осуществления полностью автоматическо­го вычислительного процесса. Они позволяют машине оценивать по опре­деленным критериям получающиеся в процессе вычислений результаты и самой вырабатывать себе программу дальнейшей работы, основываясь только на некоторых общих исходных принципах, заложенных в первона­чально введенной в машину программе.

Эти особенности представляют собой основное и наиболее замечатель­ное свойство современных электронных счетных машин, которое обеспе­чивает широкие возможности использования машин и для решения логи­ческих задач, моделирования логических схем и процессов, моделирования различных вероятностных процессов и других применений. Эти возмож­ности сейчас еще далеко не все выяснены.

Таким образом, основным в принципе действий счетной машины являет­ся наличие всегда некоторого самоорганизующегося процесса, который определяется, с одной стороны, характером введенных исходных данных и исходными принципами первоначально введенной программы и, с другой стороны, логическими свойствами самой конструкции машины.

Теория таких самоорганизующихся процессов, в частности, процессов, подчиненных законам формальной логики, и составляет прежде всего ту часть теории электронных счетных машин, которой занимается кибернети­ка.

В этом отношении кибернетикой и проводится аналогия между работой счетной машины и работой человеческого мозга при решении логических задач.

Кибернетика отмечает не только аналогию между принципом работы нервной системы и принципом работы счетной машины, заключающуюся в наличии самоорганизующихся процессов счета и логического мышления, но и аналогию в самом механизме работы машины и нервной системы.

Весь процесс работы счетной машины при решении любой математичес­кой или логической задачи состоит из огромного числа последовательных двоичных выборов, причем возможности последующих выборов определя­ются результатами предыдущих выборов. Таким образом, работа счетной машины заключается в реализации длинной и непрерывной логической цепи, каждое звено которой может иметь только два значения: «да» или «нет».

Конкретные условия, имеющие место каждый раз в момент выполнения отдельного звена, обеспечивают всегда вполне определенный и однознач­ный выбор одного из двух состояний. Этот выбор определяется исходными данными задачи, программой решения и логическими принципами, зало­женными в конструкцию машины.

Особенно наглядно такой характер работы вычислительных машин ви­ден на примере машин, работающих по двоичной системе счисления.

В двоичной системе счисления в отличие от общепринятой десятичной системы счисления основанием системы является не число 10, а число 2. В двоичной системе счисления участвуют только две цифры: 0 и 1, и любое число представляется в виде суммы степеней двойки. Например, 25 = 1·2⁴ + 1·2³ + 0·2² + 0·2¹ + 1·2⁰ = 11001.

Все действия в двоичной арифметике сводятся к ряду двоичных выборов.

Нетрудно видеть, что любые операции с числами, написанными по дво­ичной системе, представляют собою операции по нахождению отдельных цифр результата, то есть по нахождению величин, принимающих лишь два значения 1 или 0, в зависимости от значений всех цифр каждого из исход­ных данных.

Следовательно, получение результата сводится к вычислению несколь­ких функций, принимающих два значения, от аргументов, принимающих два значения. Можно доказать, что любая такая функция представляется в виде некоторого многочлена от своих аргументов, то есть выражения, со­стоящего из комбинаций этих аргументов, соединенных посредством сло­жения и умножения. Умножение таких чисел очевидно; что касается сло­жения, то его надо понимать условно, принимая 1 + 1 = 0, т. е. считая двой­ку эквивалентной нулю.

Вместо сложения арифметического можно ввести другое, «логическое» сложение, в котором 1 + 1 = 1, и опять лишь комбинацией двух операций мы получим любую так называемую логическую функцию от многих пере­менных.

Это позволяет легко построить любую схему логической машины при помощи комбинаций двух простейших схем, осуществляющих порознь одна — сложение, а другая — умножение.

Логическая машина, таким образом, состоит из элементов, принимаю­щих два положения.

Другими словами, устройство машины представляет собой совокупность реле с двумя состояниями: «включено» и «выключено». На каждой стадии вычислений каждое реле принимает определенное положение, продикто­ванное положениями группы или всех реле на предыдущей стадии опера­ции.

Эти стадии операции могут быть определенно «синхронизированы» от центрального синхронизатора, или действие каждого реле может задержи­ваться до тех пор, пока все реле, которые должны были действовать ранее в этом процессе, не пройдут через все требуемые такты. Физически реле мо­гут быть различными: механическими, электромеханическими, электричес­кими, электронными и др.

Известно, что нервная система животного содержит элементы, которые по своему действию соответствуют работе реле. Это так называемые ней­роны, или нервные клетки. Хотя строение нейронов и их свойства довольно сложны, они в обычном физиологическом состоянии работают в соответст­вии с принципом «да» или «нет». Нейроны или отдыхают или возбуждены, причем во время возбуждения они проходят ряд стадий, почти независимых от характера и интенсивности возбудителя. Сначала наступает активная фа­за, передающаяся с одного конца нейрона на другой с определенной ско­ростью, затем следует рефракторный период, в течение которого нейрон невозбудим. В конце рефракторного периода нейрон остается неактивным, но уже может быть снова возбужден в активное состояние, то есть нейрон может рассматриваться как реле с двумя состояниями активности.

За исключением нейронов, которые получают возбуждение от свободных концов, или нервных окончаний, каждый нейрон получает возбуждение от других нейронов в точках соединения, называемых синапсами. Число таких точек соединения у различных нейронов бывает различным: от нескольких единиц до многих сотен.

Переход данного нейрона в возбужденное состояние будет зависеть от сочетания входящих импульсов возбуждения от всех его синапсов и от то­го, в каком состоянии до этого находился данный нейрон. Если нейрон на­ходится не в состоянии возбуждения и не в рефракторном состоянии и чис­ло синапсов от соседних нейронов, находящихся в возбужденном состоя­нии, в течение определенного, очень короткого периода времени совпаде­ния превосходит определенный предел, тогда этот нейрон будет возбужден после известной синаптической задержки. Такая картина возбуждения ней­рона является весьма упрощенной.

«Предел» может зависеть не просто от числа синапсов, но и от их «ожи­дания» и от их геометрического расположения. Кроме того, имеется доказа­тельство того, что существуют синапсы различного характера, так называе­мые «синапсы запрещения», которые или абсолютно предотвращают воз­буждение данного нейрона, или поднимают предел его возбуждения обыч­ными синапсами.

Однако ясно, что некоторые определенные комбинации импульсов от со­седних нейронов, находящихся в возбужденном состоянии и имеющих си­наптические связи с данным нейроном, будут приводить данный нейрон в возбужденное состояние, в то время как другие нейроны не будут влиять на его состояние.

Очень важной функцией нервной системы и вычислительных машин яв­ляется память.

В вычислительных машинах имеется несколько видов памяти. Опера­тивная память обеспечивает быстрое запоминание и выдачу данных, необ­ходимых в данный момент для использования в операции. После выполне­ния данной операции эта память может очищаться и подготавливаться тем самым к следующей операции. Оперативная память в машинах осуществля­ется с помощью электронных триггерных ячеек, электронно-лучевых тру­бок или электроакустических линий задержки и других электронных или магнитных приборов.

Кроме того, имеется постоянная память для длительного запоминания в машине всех данных, которые потребуются в будущих операциях. Посто­янная память осуществляется в машинах с помощью магнитной записи на ленту, барабан или проволоку, с помощью перфолент, перфокарт, фотогра­фии и других способов.

Заметим, что мозг в отношении функций памяти при нормальных усло­виях, конечно, не является полной аналогией вычислительной машины. Ма­шина, например, решение каждой новой задачи может производить с пол­ностью очищенной памятью, в то время как мозг всегда сохраняет в боль­шей или меньшей степени предыдущую информацию.

Таким образом, работа нервной системы, процесс мышления, включает в себя огромное число элементарных актов отдельных нервных клеток — нейронов. Каждый элементарный акт реакции нейрона на раздражение, раз­ряд нейрона, подобен элементарному акту работы счетной машины, имею­щей возможность в каждом отдельном случае сделать выбор только одного из двух вариантов.

Качественное отличие процесса мышления человека от мышления жи­вотных обеспечивается наличием так называемой второй сигнальной сис­темы, то есть системы, обусловленной развитием речи, языка человека. Че­ловек широко использует слова в процессе мышления, воспринимает слова как факторы раздражения; при помощи слов осуществляются процессы ана­лиза и синтеза, процессы абстрактного мышления.

Электронные счетные машины имеют некоторое весьма примитивное подобие языка — это их система команд, условных чисел, система адресов памяти и система различных сигналов, реализующих различные условные и безусловные переходы в программе, реализующих управление работой ма­шины. Наличие такого «языка» машины и позволяет реализовать на машине некоторые логические процессы, свойственные человеческому мышлению.

В общем плане кибернетика рассматривает электронные счетные маши­ны как системы обработки информации.

Для исследования эффективности и анализа целесообразных принципов работы, конструктивных форм электронных счетных машин кибернетика предлагает учитывать статистическую природу поступающей в машину и получающейся информации — математических задач, методов решения, исходных данных, результатов решений.

Это положение находит себе аналогию в принципах работы нервной сис­темы и мозга животных и человека, которые осуществляют взаимодействие с внешней средой путем выработки условных рефлексов и процесса обуче­ния, в конечном счете, путем статистического учета внешних воздействий.

Принципы работы электронных счетных машин вполне позволяют реа­лизовать на этих машинах логические процессы, подобные процессу выра­ботки условных рефлексов у животных и человека.

Для машины может быть составлена такая программа, которая будет обеспечивать определенный ответ машины при задании в машину некото­рого определенного сигнала, причем в зависимости от того, как часто будет задаваться этот сигнал, машина будет отвечать более или менее надежно. Если сигнал не подается длительное время, то машина может забыть ответ.

Таким образом, вычислительная машина в работе представляет собой больше, чем просто группу взаимосвязанных реле и накопителей. Машина в действии включает в себя и содержимое своих накопителей, которое нико­гда полностью не стирается в процессе вычислений.

Интересно в этом отношении следующее высказывание Н. Винера: «Ме­ханический мозг не секретирует мысль, как печень желчь, как писали об этом раньше, также он не выделяет ее в форме энергии, как выделяют свою энергию мускулы.

Информация есть информация, не материя и не энергия. Никакой мате­риализм, который не допускает этого, не может существовать в настоящее время». Винер подчеркивает в этом высказывании, что «мыслительные» способности вычислительной машины не являются органическим свойст­вом самой машины как конструкции, а определяются той информацией, в частности, программой, которая вводится в машину человеком.

Следует ясно представлять коренное, качественное отличие процессов мышления человека от работы счетной машины.

В связи с огромным количеством нервных клеток мозг человека заклю­чает в себе такое большое количество различных элементарных связей, условно-рефлекторных и безусловно-рефлекторных сочетаний, которые по­рождают неповторимые и самые причудливые формы творчества и аб­страктного мышления, неисчерпаемые по своему богатству вариантов, со­держанию и глубине. И. П. Павлов писал, что человеческий мозг содержит такое большое количество элементарных связей, что человек в течение всей своей жизни использует едва ли половину этих возможностей.

Однако машина может иметь преимущества перед человеком в узкой специализации своей работы. Эти преимущества в неутомимости, безоши­бочности, безукоризненно точном следовании заложенным принципам ра­боты, исходным аксиомам логических рассуждений при решении конкрет­ных задач, поставленных человеком. Электронные счетные машины могут моделировать, реализовать лишь отдельные, узко направленные процессы мышления человека.

Таким образом, машины не заменяют и, безусловно, никогда не заменят человеческого мозга подобно тому, как лопата или экскаватор не заменяют человеческих рук, а автомобили или самолеты не заменяют ног.

Электронные счетные машины представляют собой орудия человеческо­го мышления, подобно тому, как другие инструменты служат орудиями фи­зического труда человека. Эти орудия расширяют возможности человечес­кого мозга, освобождают его от наиболее примитивных и однообразных форм мышления, как, например, при выполнении счетной работы, при про­ведении рассуждений и доказательств формальной логики, наконец, при выполнении различных экономико-статистических работ (например, со­ставление расписаний поездов, планирование перевозок, снабжения, произ­водства и т. п.). И как орудия человеческого труда — мышления — элек­тронные счетные машины имеют безграничные перспективы развития. Все более сложные и новые процессы человеческого мышления будут реализо­ваться с помощью электронных счетных машин. Но замена мозга машина­ми, их равнозначность немыслима.

Качественно отличными являются структуры мозга и счетной машины. Мозг при общей строгой организации и специализации работы отдельных участков имеет локально случайное строение. Это значит, что при строгом распределении функций и связей между отдельными участками мозга в каждом отдельном участке могут изменяться как число нейронов, так и их взаимное расположение и связи, в известной мере случайно. В электронных счетных машинах в настоящее время исключается какая бы то ни была слу­чайность в схемах соединений, составе элементов и их работе.

В связи с этим отличием в организации мозга и машины стоит сущест­венное отличие и в другом — в надежности действия.

Мозг является исключительно надежно действующим органом. Выход из строя отдельных нервных клеток совершенно не сказывается на работоспо­собности мозга. В машине же выход из строя хотя бы одного элемента из сотни тысяч или нарушение хотя бы одного контакта из сотен тысяч кон­тактов может полностью вывести машину из строя.

Далее, человеческий мозг сам в процессе творчества непрерывно разви­вается, и именно эта способность к бесконечному саморазвитию является основной отличительной чертой человеческого мозга, которая никогда в полной мере не будет воплощена в машине.

Так же практически недостижима в полной мере для машины и способ­ность человеческого мозга к творчеству: широкой и гибкой классификации и поиску в памяти образов, установлению устойчивых обратных связей, анализу и синтезу понятий.

Человеческий мозг — творец всех самых сложных и совершенных ма­шин, которые при всей сложности и совершенстве являются не более чем орудиями человеческого труда, как физического, так и умственного.

Таким образом, электронные счетные машины могут представить собой только чрезвычайно грубую, упрощенную схему процессов мышления. Эта схема аналогична только отдельным, узко направленным процессам мыш­ления человека в его простейших формах, не содержащих элементов твор­чества.

Но, несмотря на наличие большой разницы между мозгом и счетной ма­шиной, создание и применение электронных счетных машин для моделиро­вания процессов высшей нервной деятельности должно иметь для физиоло­гии величайшее значение. До настоящего времени физиология могла толь­ко наблюдать за работой мозга. Сейчас появилась возможность экспери­ментировать, создавать модели, пусть самых грубых, самых примитивных процессов мышления и, исследуя работу этих моделей, глубже познавать законы высшей нервной деятельности. Это означает дальнейшее развитие объективного метода изучения высшей нервной деятельности, пред­ложенного И. П. Павловым.

Исследуя принцип работы нервной системы и электронных счетных ма­шин, принципы действия обратной связи в машинах и живых организмах, функции памяти в машинах и живых существах, кибернетика по-новому и обобщенно ставит вопрос об общем и различном в живом организме и ма­шине.

Эта постановка проблемы при строгом и глубоком прослеживании может дать далеко идущие результаты в области психопатологии, невропатологии, физиологии нервной системы.

Следует отметить, что в печати уже были опубликованы сообщения о разработке некоторых электронных физиологических моделей. Разработа­ны, например, модели для изучения работы сердца и его болезней. Разрабо­тан электронный счетный прибор, обеспечивающий возможность чтения обычного печатного текста слепым. Этот прибор читает буквы и передает их в виде звуковых сигналов различного тона. Интересно, что после разра­ботки этого прибора было обнаружено, что принципиальная схема прибора до некоторой степени напоминает совокупность связей в том участке коры головного мозга человека, который заведует зрительными восприятиями. Таким образом, методы электронного моделирования начинают практичес­ки применяться в физиологии. Задача состоит в том, чтобы, отбросив раз­говоры о «псевдонаучности» кибернетики, прикрывающие зачастую прос­тое невежество в науке, исследовать пределы допустимости подобного мо­делирования, выявлять те ограничения в работе электронных счетных уста­новок, которые являются наиболее существенными для правильного пред­ставления исследуемых процессов мышления, и ставить задачи конструкто­рам машин по созданию новых, более совершенных моделей.

3. Прикладное значение кибернетики

В настоящее время за границей уделяется большое внимание как теоре­тическим, так и экспериментальным исследованиям в области кибернетики. Практически разрабатываются и строятся сложные автоматы, выполняю­щие разнообразные логические функции, в частности, автоматы, способные учитывать сложную внешнюю обстановку и запоминать свои действия.

Разработка таких автоматов стала возможной с применением в системах автоматики электронных счетных машин с программным управлением. Применение электронных счетных машин для целей автоматического управления и регулирования знаменует собой новый этап в развитии авто­матики. До настоящего времени строились автоматы, зачастую весьма сложные, предназначенные для работы в определенных, заранее известных условиях. Эти автоматы обладали постоянными параметрами и работали в соответствии с постоянными правилами и законами регулирования или управления.

Введение электронных счетных машин в системы управления позволяет осуществлять так называемое оптимальное регулирование, или регулирова­ние с предварительной оценкой возможностей. При этом счетная машина в соответствии с поступающими в нее данными, характеризующими текущее состояние системы и внешнюю обстановку, просчитывает возможные вари­анты будущего поведения системы при различных способах регулирования с учетом будущих изменений внешних условий, полученных экстраполяци­ей.

Анализируя полученные решения на основе какого-нибудь критерия оп­тимального регулирования (например, по минимуму времени регулирова­ния), счетная машина выбирает оптимальный вариант, учитывая при этом прошлое поведение системы. При необходимости такая система регулиро­вания может изменять и параметры самой системы управления, обеспечи­вая оптимальный ход процесса регулирования. Разработка таких автоматов имеет большое экономическое и военное значение.

Особенно большое значение имеет проблема создания автоматических машин, выполняющих различные мыслительные функции человека.

Необходимым условием применения электронных счетных машин для механизации той или иной области умственной работы или для управления каким-либо процессом является математическая постановка задачи, нали­чие математического описания процесса или определенного логического алгорифма заданной работы. Несомненно, что такие невычислительные применения автоматических счетных машин имеют первостепенное значе­ние и необычайно широкие перспективы развития как средств для расши­рения познавательных возможностей человеческого мозга, для вооружения человека еще более совершенными орудиями труда, как физического, так и умственного.

В качестве примеров кибернетической техники можно привести: автома­тический перевод с одного языка на другой, осуществляемый с помощью электронной счетной машины; составление программ для вычислений на машинах с помощью самих машин; использование электронных счетных машин для проектирования сложных переключательных и управляющих схем, для управления автоматическими заводами, для планирования и управления железнодорожным и воздушным сообщением и т. п.; создание специальных автоматов для регулировки уличного движения, для чтения слепым и др.

Следует отметить, что разработка вопросов применения электронных счетных машин в автоматике имеет большое экономическое и военное зна­чение. Строя такие автоматы и исследуя их работу, можно изучить законы построения целого класса автоматических устройств, которые могут быть применены в промышленности и в военном деле. Например, в литературе (см. «Tele-Tech», 153, 12, № 8) приводится принципиальная схема полнос­тью автоматизированного завода, который благодаря атомной силовой установке может длительное время работать самостоятельно, а также схема устройства автоматического управления стрельбой с самолета по летящей цели.

* * *

Необходимо отметить, что до последнего времени в нашей популярной литературе имело место неправильное толкование кибернетики, замалчива­ние работ по кибернетике, игнорирование даже практических достижений в этой области. Кибернетику называли не иначе, как идеалистической лже­наукой.

Однако не подлежит сомнению, что идея исследования и моделирования процессов, происходящих в нервной системе человека, с помощью автома­тических электронных систем, сама по себе глубоко материалистична, и до­стижения в этой области могут только способствовать утверждению мате­риалистического мировоззрения на базе новейших достижений современ­ной техники.

Некоторые наши философы допустили серьезную ошибку: не разобрав­шись в существе вопросов, они стали отрицать значение нового направле­ния в науке в основном из-за того, что вокруг этого направления была под­нята за рубежом сенсационная шумиха, из-за того, что некоторые неве­жественные буржуазные журналисты занялись рекламой и дешевыми спе­куляциями вокруг кибернетики, а реакционные деятели сделали все воз­можное, чтобы использовать новое направление в науке в своих классовых, реакционных интересах. Не исключена возможность, что усиленное реак­ционное, идеалистическое толкование кибернетики в популярной реакци­онной литературе было специально организовано с целью дезориентации советских ученых и инженеров, с тем, чтобы затормозить развитие нового важного научного направления в нашей стране.

Необходимо заметить, что автору кибернетики Н. Винеру необоснованно приписывались в нашей печати высказывания о принципиальной враждеб­ности автоматики человеку, о необходимости заменить рабочих машинами, а также о необходимости распространить положения кибернетики на изучение законов общественного развития и истории человеческого об­щества.

В действительности Н. Винер в своей книге «Кибернетика» (N. Wiener «Cybernetics». N. Y. 1948) говорит о том, что в условиях капиталистическо­го общества, где все оценивается деньгами и господствует принцип купли-продажи, машины могут принести человеку не благо, а, наоборот, вред.

Далее, Винер пишет, что в условиях хаотичного капиталистического рынка развитие автоматики приведет к новой промышленной революции, которая сделает лишними людей со средними интеллектуальными возмож­ностями и обречет их на вымирание. И здесь же Винер пишет, что выход заключается в создании другого общества, такого общества, где бы челове­ческая жизнь ценилась сама по себе, а не как объект купли-продажи.

И, наконец, Винер весьма осторожно подходит к вопросу о возможности применения кибернетики к исследованию общественных явлений, утверж­дая, что, хотя целый ряд общественных явлений и процессов может быть исследован и объяснен с точки зрения теории информации, в человеческом обществе, помимо статистических факторов, действуют еще другие силы, не поддающиеся математическому анализу, и периоды жизни общества, в которые сохраняется относительное постоянство условий, необходимое для применения статистических методов исследования, слишком коротки и редки, чтобы можно было ожидать успеха от применения математических методов к исследованию законов общественного развития в исторические периоды.

Следует заметить, что в книге Н. Винера «Кибернетика» содержится ост­рая критика капиталистического общества, хотя автор и не указывает выхо­да из противоречий капитализма и не признает социальной революции.

Зарубежные реакционные философы и писатели стремятся использовать кибернетику, как и всякое новое научное направление, в своих классовых интересах. Усиленно рекламируя и зачастую преувеличивая высказывания отдельных ученых-кибернетиков о достижениях и перспективах развития автоматики, реакционные журналисты и писатели выполняют прямой заказ капиталистов внушить рядовым людям мысль об их неполноценности, о возможности замены рядовых работников механическими роботами и тем самым стремятся принизить активность трудящихся масс в борьбе против капиталистической эксплуатации.

Нам надлежит решительно разоблачать это проявление враждебной идеологии. Автоматика в социалистическом обществе служит для облегче­ния и повышения производительности труда человека.

Следует вести борьбу также и против вульгаризации метода аналогий в изучении процессов высшей нервной деятельности, отвергая упрощенную, механистическую трактовку этих вопросов, тщательно исследуя границы применимости электронных и механических моделей и схем для представ­ления процессов мышления.