ОБ ОБРАБОТКЕ ДАННЫХ И УСТРОЙСТВЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

ОБ ОБРАБОТКЕ ДАННЫХ И УСТРОЙСТВЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

Летом 1940 г. я стал уделять много внимания разработке вычислительных машин для решения дифференциальных уравнений в частных производных Я давно интересовался этим, и у меня сложилось убеждение, что здесь, в отличие от обыкновенных дифференциальных уравнений, так хорошо решавшихся на дифференциальном анализаторе д-ра Буша, главной является проблема представления функций многих переменных. Я был убежден также, что процесс развертки, применяемый в телевидении, дает ответ на этот вопрос и что в действительности телевидение принесет технике больше пользы именно созданием таких новых процессов, чем само по себе, как особая отрасль.

Было ясно, что всякий процесс развертки должен значительно увеличить количество используемых данных по сравнению с тем, которое встречается в задачах, сводимых к обыкновенным дифференциальным уравнениям Поэтому для получения приемлемых результатов в приемлемое время необходимо довести до максимума скорость элементарных процессов и добиться, чтобы течение этих процессов не прерывалось существенно более медленными шагами. Необходимо также повысить точность выполнения элементарных процессов настолько, чтобы их частое повторение не приводило к накоплению слишком большой ошибки. В результате были сформулированы следующие требования:

1) Центральные суммирующие и множительные устройства должны быть цифровыми, как в обычном арифмометре, а не основываться на измерении, как в дифференциальном анализаторе Буша.

2) Эти устройства, являющиеся по существу переключа-телями, должны состоять из электронных ламп, а не из зубчатых передач или электромеханических реле. Это не-обходимо, чтобы обеспечить достаточное быстродействие.

3) В соответствии с принципами, принятыми для ряда существующих машин Белловских телефонных лабораторий, должна использоваться более экономичная двоичная, а не десятичная система счисления.

4) Последовательность действий должна планироваться самой машиной так, чтобы человек не вмешивался в процесс решения задачи с момента введения исходных данных до съема окончательных результатов. Все логические операции, необходимые для этого, должна выполнять сама машина.

5) Машина должна содержать устройство для запасания данных. Это устройство должно быстро их записывать, надежно хранить до стирания, быстро считывать, быстро стирать их и немедленно подготавливаться к запасанию нового материала.

Эти рекомендации, вместе с предложениями по их реализации, были направлены д-ру Ванневару Бушу для возможного применения их в случае войны. На той стадии подготовки к войне казалось, что они не столь важны, чтобы приступить к немедленной работе над ними. Тем не менее все эти рекомендации представляют собой идеи, положенные в основу современной сверхбыстрой вычислительной машины. Эти мысли почти носились тогда в воздухе, и я не хочу в данный момент заявлять какие-либо претензии на исключительный приоритет в их формулировке. Всё же указанные рекомендации оказались полезными, и я надеюсь, что они имели некоторое влияние на популяризацию этого круга идей среди инженеров. Во всяком случае, как мы увидим в основной части книги, такие идеи интересны в связи с изучением нервной системы.

 

ОБ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Мы с Бигелоу пришли к заключению, что исключительно важным фактором в сознательной деятельности служит явление, которое в технике получило название обратной связи. Этот вопрос освещен мной весьма подробно в соответствующих главах книги. Здесь я отмечу только одно обстоятельство. Когда мы хотим, чтобы некоторое устройство выполняло заданное движение, разница между заданным и фактическим движением используется как новый входной сигнал, заставляющий регулируемую часть устройства двигаться так, чтобы фактическое движение устройства все более приближалось к заданному.

Например, в одном из типов корабельной рулевой машины поворот штурвала воздействует на L-образное колено, присоединенное к румпелю. Это колено так регулирует клапаны рулевой машины, чтобы румпель двигался в положение, при котором эти клапаны закрыты. Поэтому румпель поворачивается так, чтобы привести другой конец названного колена на серединную, нейтральную линию, и тем самым угловое положение штурвала воспроизводится как угловое положение румпеля. Конечно, любое трение или другая задерживающая сила, тормозящая движение румпеля, будет увеличивать впуск пара в клапаны на одной стороне и уменьшать его на другой, чтобы увеличить вращающий момент, стремящийся привести румпель в требуемое положение. Таким образом, система с обратной связью стремится сделать работу рулевой машины относительно независимой от нагрузки.

Но при некоторых условиях, например, при наличии задержки по времени и т. п., обратная связь, осуществляемая слишком резко, заставит руль пройти за требуемое положение, а затем обратная связь, действующая в другом направлении, вызовет еще большее отклонение руля от требуемого положения. В результате рулевой механизм будет испытывать сильные колебания, или «рысканье», пока совсем не сломается.

Обратная связь – это явление, которое мы хорошо понимаем с количественной точки зрения.

Допустим теперь, что я поднимаю карандаш. Чтобы это сделать, я должен привести в движение определенные мышцы. Однако никто, за исключением специалистов- анатомов, не знает, какие это мышцы. Даже среди анатомов лишь немногие, да и то вряд ли, сумеют поднять карандаш путем сознательного акта последовательного сокращения отдельных мышц. Нами осознается лишь конечная цель – поднять карандаш. Когда мы решили это сделать, наше движение совершается так, что, грубо говоря, степень, в которой карандаш еще не взят, на каждом этапе уменьшается. Все движение мы выполняем почти бессознательно.

Чтобы действие выполнялось таким способом, на каждом этапе движения в нервную систему должны сознательно или бессознательно подаваться сведения о там, насколько положение нашей руки отличается от положения, при котором мы возьмем карандаш. Если мы смотрим на карандаш, то эти сведения могут быть зрительными, хотя бы частично; но обычно они бывают кинестетическими, или, употребляя термин, который сейчас в ходу, проприоцептивными. Если проприоцептивные ощущения отсутствуют и мы не заменим их зрительными или какими-либо другими, то мы не сможем поднять карандаш – состояние, называемое атаксией. Атаксия этого типа обычна при той форме сифилиса центральной нервной системы, которая называется tabes dorsalis (сухотка спинного мозга). При ней кинестетические ощущения, передаваемые спинномозговыми нервами, более или менее утрачиваются.

Но чрезмерная обратная связь, очевидно, должна быть столь же серьезным препятствием для организованной детельности, как и недостаточная обратная связь. Принимая во внимание эту возможность, мы с Бигелоу обратились к д-ру Розенблюту с одним специальным вопросом. Существует ли патологическое состояние, при котором больной, пытаясь выполнить сознательное действие, например, поднять карандаш, проскакивает мимо цели и совершает не поддающиеся контролю колебания? Д-р Розенблют ответил, что такое состояние существует и хорошо известно. Называется оно интенционным тремором и часто связано с повреждением мозжечка.

О КИБЕРНЕТИКЕ

Группа ученых, объединившихся вокруг д-ра Розенблюта и меня, уже понимала принципиальное единство ряда задач, в центре которых находились вопросы связи управления и статистической механики, и притом как в машине, так и в живой ткани. Но наша работа затруднялась отсутствием единства в литературе, где эти задачи трактовались, и отсутствием общей терминологии или хотя бы единого названия для этой области. После продолжительного обсуждения мы пришли к выводу, что вся существующая терминология так или иначе слишком однобока и не может способствовать в надлежащей степени развитию этой области По примеру других ученых нам пришлось придумать хотя бы одно искусственное неогреческое выражение для устранения пробела. Было решено назвать всю теорию управления и связи в машинах и живых организмах кибернетикой, от греческого слова , т. е. «кормчий».

 

СИСТЕМА СИМВОЛИКИ ЛЕЙБНИЦА

Философия Лейбница концентрируется вокруг двух основных идей, тесно связанных между собой: идеи универсальной символики и идеи логического исчисления.

Из этих двух идей возникли современный математический анализ и современная символическая логика. И как в арифметическом исчислении была заложена возможность развития его механизации от абака и арифмометра до современных сверхбыстрых вычислительных машин, так в calculus ratiocinator – исчислении умозаключений Лейбница – содержится в зародыше machina rationatrix – думающая машина. Сам Лейбниц, подобно своему предшественнику Паскалю, интересовался созданием вычислительных машин в металле. Поэтому совсем неудивительно, что тот же самый умственный толчок, который привел к развитию математической логики, одновременно привел к гипотетической или действительной механизации процессов мышления.

 

О НЕЙРОСИСТЕМАХ

Я [Н. Винер] показал ему [г-н Питтс] образцы современных вакуумных ламп и объяснил, что они являются идеальным средством для реализации в металле эквивалентов рассматриваемых им нейронных сетей и систем. С этого времени нам стало ясно, что сверхбыстрая вычислительная машина, поскольку вся она строится на последовательном соединении переключательных устройств, является идеальной моделью для решения задач, возникающих при изучении нервной системы. Возбуждение нейронов по принципу «все или ничего» в точности подобно однократному выбору, производимому при определении разряда двоичного числа; а двоичная система счисления уже признавалась не одним из нас за наиболее удовлетворительную основу для проектирования вычислительных машин. Синапс есть не что иное, как механизм, определяющий, будет ли некоторая комбинация выходных сигналов от данных предыдущих элементов служить подходящим стимулом для возбуждения следующего элемента или нет; тем самым синапс в точности подобен устройствам вычислительной машины Наконец, проблема объяснения природы и разновидностей памяти у животных находит параллель в задаче создания искусственных органов памяти для машин.

 

НЕВРОЛОГИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

На этот раз мы решили взять неврологическую задачу, связанную непосредственно с вопросами обратной связи, и посмотреть, чего здесь можно добиться экспериментальным путем. В качестве подопытного животного мы выбрали кошку и решили изучать у нее четырехглавую мышцу – разгибатель бедра. Мы перерезали место прикрепления мышцы, присоединяли ее под известным напряжением к рычагу и записывали ее сокращения в изометрических и в изотонических условиях. Для записи электрических изменений в самой мышце мы пользовались осциллографом. Обычно мы работали с кошкой, которая была сначала децеребрирована под эфирным наркозом, а затем превращена в спинномозговой препарат перерезкой спинного мозга на уровне груди. Во многих случаях для усиления рефлекторных реакций использовался стрихнин. Мышца нагружалась до тех пор, пока легкое надавливание не вызывало у нее периодических сокращений, которые на языке физиологов называются клонусом. Мы исследовали эти периодические сокращения с учетом физиологического состояния кошки, нагрузки мышцы, частоты колебаний, основного уровня, вокруг которого происходят колебания, и их амплитуды. Эти колебания мы пытались анализировать теми же методами, которыми мы анализировали бы механическую или электрическую систему, обнаруживающую рысканье такой же формы.

 

О ПРОТЕЗИРОВАНИИ

брусок, заменяющий утраченную конечность, не обладает собственными степенями свободы и кинестетический механизм культи вполне достаточен для регистрации положения и скорости протеза. Иное дело шарнирный протез с подвижным коленом и лодыжкой, который при ходьбе выбрасывается протезируемым вперед с помощью оставшейся мускулатуры. В этом случае у протезируемого нет достаточных сведений о положении и скорости частей протеза, и протезируемый ступает по неровному грунту неуверенно. Снабдить искусственные суставы и подошву искусственной ступни датчиками натяжения или давления, действующими электрически или как-либо иначе (например, через вибраторы) на нетронутые участки кожи, – это вряд ли непреодолимая трудность. Существующие протезы устраняют некоторые ограничения подвижности, вызванные ампутацией, но оставляют атаксию. Применение подходящих рецепторов позволило бы устранить в значительной степени и атаксию, так что протезируемый мог бы выработать, например, такие рефлексы, которыми все мы пользуемся при управлении автомобилем. Это позволило бы ему ходить гораздо увереннее. Все сказанное о ноге можно применить с еще большим основанием к руке. Рисунок человека в разрезе, знакомый всем читателям книг по неврологии, показывает, что сенсорная потеря при удалении одного только большого пальца руки намного больше, чем даже при удалении ноги до тазобедренного сустава.

 

ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ

мы стоим перед лицом другой социальной силы, несущей неслыханные возможности и для добра, и для зла. Заводы-автоматы, сборочные конвейеры без рабочих появятся так скоро, как только мы решим затратить на их создание столько же усилий, сколько мы, например, затратили на развитие техники радиолокации во время второй мировой войны.

Я сказал, что это новое развитие техники несет неограниченные возможности и для добра, и для зла. С одной стороны, оно делает метафорическое господство машин, о котором фантазировал Сэмьюэл Батлер, самой непосредственной и неметафорической проблемой. Оно дает человеческой расе новый, весьма эффективный набор механических рабов для выполнения ее работы Такой механический труд имеет много экономических качеств рабского труда, хотя в отличие от рабского труда он свободен от деморализующего влияния человеческой жестокости. С другой стороны, всякий труд, принимающий условия конкуренции с рабским трудом, принимает и условия рабского труда, а тем самым становится по существу рабским трудом. В этой формуле главным понятием является конкуренция. Быть может, для человечества было бы хорошо, если бы машины избавили его от необходимости выполнять грязные и неприятные работы А быть может, это было бы плохо – я не знаю. К этим новым возможностям нельзя подходить с точки зрения рынка, с точки зрения денег, сэкономленных с их помощью. Но как раз лозунг свободного рынка – «пятой свободы» – стал лозунгом того сектора американского общественного мнения, который представлен Национальной ассоциацией промышленников и журналом «Сатерди ивнинг ноет». Я говорю об американском общественном мнении потому, что, как американец, я знаком с ним лучше всего; но торгаши не знают национальных границ.

Быть может, исторические корни настоящего положения вещей станут яснее, если вспомнить, что первая промышленная революция – революция «темных сатанинских фабрик» – была обесценением человеческих рук вследствие конкуренции машин. Любая заработная плата, на которую мог бы прожить землекоп в Соединенных Штатах, будет слишком высока, чтобы ему конкурировать с экскаватором при выемке грунта. Современная промышленная революция должна обесценить человеческий мозг, по крайней мере в его наиболее простых и рутинных функциях. Разумеется, подобно тому как квалифицированный плотник, квалифицированный механик или квалифицированный портной пережили так или иначе первую промышленную революцию, квалифицированный ученый и квалифицированный администратор могут пережить и вторую. Но представим себе, что вторая революция завершена. Тогда средний человек со средними или еще меньшими способностями не сможет предложить для продажи ничего, за что стоило бы платить деньги.

Выход один – построить общество, основанное на человеческих ценностях, отличных от купли-продажи. Для построения такого общества потребуется большая подготовка и большая борьба, которая при благоприятных обстоятельствах может вестись в идейной плоскости, а в противном случае – кто знает как? Поэтому я счел своим долгом передать мои сведения и мое понимание положения тем, кто активно заинтересован условиями и будущим труда, т. е. профсоюзам. Я принял меры к установлению контактов с одним-двумя лицами из руководства Конгресса производственных профсоюзов. Они выслушали меня с большим пониманием и сочувствием. Более этого ни я, ни они не смогли сделать. По их мнению, как и по моим предыдущим наблюдениям и сведениям, профсоюзы и рабочее движение в Соединенных Штатах и в Англии находятся в руках группы весьма ограниченных лиц, хорошо разбирающихся в специальных вопросах деятельности цеховых старост и борьбы за заработную плату и условия работы, но совершенно не подготовленных для занятия большими политическими, техническими, социологическими и экономическими проблемами, касающимися самого существования труда. Причины этого ясны. Профсоюзный работник, переходя от напряженной жизни рабочего к напряженной жизни администратора, обычно лишен возможности получить широкое образование. Тех же, кто имеет такое образование, обычно не привлекает карьера профсоюзного деятеля. В свою очередь, профсоюзы, вполне, естественно, не заинтересованы в приеме таких людей.

Те из нас, кто способствовал развитию новой науки – кибернетики, находятся, мягко говоря, не в очень-то утешительном моральном положении. Эта новая наука, которой мы помогли возникнуть, ведет к техническим достижениям, создающим, как я уже указывал, огромные возможности и для добра, и для зла. Мы можем передать наши знания только в окружающий нас мир, а это – мир Бельзена и Хиросимы. Мы даже не имеем возможности задержать эти новые технические достижения. Они носятся в воздухе, и самое большое, чего мог бы достичь кто-либо из нас своим отказом от исследований по кибернетике, – это отдать развитие всего дела в руки самых безответственных и самых корыстных из наших инженеров. Самое лучшее, что мы можем сделать, – это позаботиться о том, чтобы широкая публика понимала общее направление и значение этой работы, и ограничиться в собственной деятельности такими далекими от войны и эксплуатации областями, как физиология и психология. Как указывалось выше, есть и такие, кто надеется, что польза от лучшего понимания человека и общества, которое дает эта новая отрасль науки, сможет предупредить и перевесить наше невольное содействие концентрации власти (которая всегда, по самым условиям своего существования, сосредоточивается в руках людей, наиболее неразборчивых в средствах). Но я пишу это в 1947 г. и должен заявить, что надежда на такой исход очень слаба.

 

О ПРЯМОМ И ОБРАТНОМ ВОСПРИЯТИИ
(на примере приходящего и уходящего света)

Мы воспринимаем приходящий свет при помощи глаза или фотографической пластинки. Мы подготовляем их для восприятия образов, изолируя их от прошлого в течение некоторого/Времени: мы смотрим предварительно в темноту, чтобы устранить следы предшествующих образов, и завертываем пластинки в черную бумагу во избежание засвечивания. Очевидно, только такие глаза и такие пластинки могут быть пригодны; сохранять предыдущие образы все равно, что быть слепым, и если бы нам нужно было завертывать пластинки в черную бумагу после их применения и проявлять их до применения, то фотография была бы очень трудным делом. Поэтому мы можем видеть звезды, испускающие свет для нас и для всей Вселенной; а если существуют звезды, развивающиеся в обратном направлении, они будут притягивать излучения от всех небесных светил. Но притяжение света, даже исходящего oт нас, никак нельзя будет заметить, потому что мы знаем свое прошлое, но не будущее.

ОБ УСТРОЙСТВЕ АВТОМАТОВ

Мы рассматриваем автоматы, эффективно связанные с внешним миром не только потоком энергии или метаболизмом, но также потоком впечатлений – приходящих сообщений – и действий – исходящих сообщений. Органы, воспринимающие впечатления, эквивалентны органам чувств человека и животных. Таковы фотоэлектрические элементы и другие световые приемники; радиолокационные системы, принимающие свои собственные короткие электромагнитные волны; приборы для регистрации потенциала водородных ионов, подобные органам осязания; термометры, манометры, различного рода микрофоны и т.д. Исполнительными органами могут быть электрические двигатели, соленоиды, нагревательные катушки и другие, самые разнообразные приборы. Между воспринимающими, или чувствительными, органами и исполнительными органами находится промежуточная группа элементов. Их функция – объединять приходящие впечатления таким образом, чтобы вызвать желательную реакцию в исполнительных органах. Это – центральная система управления. Информация, поступающая в эту центральную управляющую систему, очень часто содержит информацию о работе самих исполнительных органов. Дающие эту информацию элементы соответствуют, между прочим, кинестетическим органам и другим проприоцепторам нервной системы человека, ибо человек также имеет органы, регистрирующие положение сустава или степень сокращения мышцы и т. д. Кроме того, информация, принимаемая автоматом, не обязательно должна быть использована немедленно, но может быть задержана или запасена, чтобы ее можно было использовать когда-нибудь в будущем. Это свойство аналогично памяти. Наконец, пока автомат работает, самые правила его действия могут изменяться на основании данных, прошедших раньше через его воспринимающие органы. Это напоминает процесс обучения.

КОЛИЧЕСТВО ИНФОРМАЦИИ

Что же представляет собой эта информация и как она измеряется? Одной из простейших, наиболее элементарных форм информации является запись выбора между двумя равновероятными простыми возможностями, одна из которых обязательно должна осуществиться (например, запись выбора между гербом и решеткой при бросании монеты). Мы будем называть решением однократный выбор такого рода. Чтобы найти теперь количество информации при совершенно точном измерении величины, о которой известно, что она заключена между А и В и может с одинаковой априорной вероятностью лежать где угодно в этом интервале, мы положим А=0 в В=1 и представив эту величину в двоичной системе бесконечной двоичной дробью , где каждое  имеет значение 0 или 1. Тогда мы увидим, что число сделанных выборов и вытекающее отсюда количество информации бесконечны.

Здесь

Однако в действительности никакое измерение не производится совершенно точно. Если измерение имеет равномерно распределенную ошибку, лежащую в интервале длины ,, где есть первый разряд, не равный 0, то, очевидно, все решения от  до  и, возможно, до  будут значащими, а все последующие нет. Число принятых решений, очевидно, близко к

Мы примем это выражение за точную формулу количества информации и за его определение.

Это выражение можно понимать следующим образом: мы знаем априори, что некоторая переменная лежит между нулем и единицей, и знаем апостериори, что она лежит в интервале (а, Ь) внутри интервала (0, 1). Тогда количество информации, получаемое нами из апостериорного знания, равно

 

УПРАВЛЕНИЕ АВТОМОБИЛЕМ НА ПОКРЫТОЙ ЛЬДОМ ДОРОГЕ КАК ПРИМЕР СИСТЕМЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Интересный пример систем обратной связи – управление автомобилем на покрытой льдом дороге. Поведение водителя полностью определяется его знанием, что дорога скользкая, т. е. знанием рабочих характеристик системы автомобиль – дорога. Если он будет ждать, пока найдет эти характеристики, ведя автомобиль обычным способом, то машина забуксует, прежде чем водитель опомнится. Поэтому он дает рулю последовательные быстрые толчки – не такие сильные, чтобы вызвать большое скольжение, но достаточные, чтобы его кинестетические ощущения дали ему знать, не грозит ли автомобилю буксование; соответственно этому он и регулирует свое вождение.

Этот метод управления, который можно назвать управлением с помощью «информативной» обратной связи, нетрудно осуществить в виде механизма, и он может оказаться полезным на практике. У исполнительного органа имеется компенсатор, и некоторая характеристика компенсатора может меняться под внешним воздействием'. На приходящее сообщение накладывается слабый высокочастотный сигнал, и из выходного сигнала исполнительного органа при помощи соответствующего фильтра отделяется некоторая часть той же частоты. Исследуется амплитудно-фазовая зависимость между высокочастотными выходным и входным сигналами, чтобы найти рабочие характеристики исполнительного органа. На основании этого меняют соответственным образом характеристики компенсатора. Структурная схема системы имеет вид:

Этот вид обратной связи выгоден тем, что компенсатор можно отрегулировать так, чтобы обеспечить устойчивость при постоянной нагрузке любого вида; он выгоден также тем, что если характеристики нагрузки меняются медленно (мы назвали такие изменения вековыми) сравнительно с изменениями первоначального входного сигнала и нагрузка измеряется точно, то система не будет склонна к колебаниям. Имеется много случаев, когда изменение нагрузки является вековым в этом смысле. Например, трение орудийной башни зависит от вязкости смазки, которая в свою очередь зависит от температуры; но вязкость не изменяется заметным образом в течение нескольких поворотов башни

Конечно, такая информативная обратная связь будет хорошо действовать только в том случае, если характеристики нагрузки при высоких частотах такие же, как характеристики при низких частотах, или хорошо соответствуют им. Это часто выполняется, если нагрузка и, следовательно, исполнительный орган зависят от сравнительно небольшого числа переменных параметров.

 

О НЕЙРОНАХ

Достойно внимания, что нервные системы человека и животных, способные, как известно, совершать такие же действия, как и вычислительная система, содержат элементы, идеально приспособленные для того, чтобы действовать в качестве реле. Речь идет о так называемых нейронах, или нервных клетках. Хотя под действием электрических токов они обнаруживают довольно сложные свойства, их обычное физиологическое действие очень хорошо соответствует принципу «все или ничего», т. е. они либо находятся в покое, либо, будучи возбуждены, проходят через ряд изменений, природа и интенсивность которых почти не зависят от раздражителя. Сначала наступает активная фаза, передаваемая от одного до другого конца нейрона с определенной скоростью; затем следует рефрактерный период, когда нейрон не способен приходить в возбуждение, по крайней мере под действием нормального физиологического процесса. В конце этого эффективного рефрактерного периода нерв остается бездеятельным, но может быть снова приведен в возбуждение.

Таким образом, нерв можно уподобить реле с двумя основными состояниями активности: возбуждением и покоем. За исключением тех нейронов, к которым сообщения поступают от свободных нервных окончаний или чувствительных концевых органов, в каждый нейрон сообщения поступают от других нейронов через точки контакта, называемые синапсами. Число синапсов у отдельных нейронов может изменяться от нескольких единиц до нескольких сотен. Состояние входных импульсов в различных синапсах в сочетании с предшествующим состоянием самого нейрона определяет, будет ли он возбуждаться или нет. Если он не находится в состоянии возбуждения или рефрактерности и число входных синапсов, пришедших в возбуждение в течение определенного, очень короткого промежутка времени, превосходит определенный порог, то нейрон придет в возбуждение после некоторой, почти постоянной синаптической задержки.

 

О ПАМЯТИ

Весьма важной функцией нервной системы и, как мы уже сказали, столь же необходимой функцией для вычислительных машин является память, т.е. способность сохранять результаты прежних действий для. использования в будущем. Как мы увидим, назначение памяти весьма разнообразно, и потому представляется маловероятным, чтобы какой-либо один механизм мог удовлетворить всем требованиям. Во-первых, существует память, необходимая для выполнения текущих процессов, например, умножения; в этом случае промежуточные результаты не имеют ценности после того, как процесс завершен, и рабочий аппарат должен освобождаться для дальнейшего использования. Такая память должна позволять быструю запись, быстрое считывание и быстрое стирание. С другой стороны, существует память, предназначенная служить частью архива (или постоянной записи) машины или мозга и составлять основу всего будущего поведения, по крайней мере когда машина выполняет одну программу. Заметим между прочим, что между способами применения мозга и машины имеется существенное различие: машина предназначена для многих последовательных программ, не связанных одна с другой или имеющих минимальную, ограниченную связь, и может быть очищена при переходе от одной программы к другой, тогда как мозг при естественном ходе вещей никогда не очищается от своих прошлых записей. Поэтому мозг при нормальных условиях не является полным подобием вычислительной машины. Его деятельность можно скорее сравнить с выполнением вычислительной машиной какой-нибудь одной программы.

< …>

В фотографии и аналогичных процессах сообщение может запасаться в форме постоянного изменения некоторых запасающих элементов. При обратной подаче запасенной информации в систему эти изменения должны воздействовать на сообщения, проходящие через систему Один из простейших способов такого воздействия состоит в том, чтобы применять в качестве изменяющихся запасающих элементов такие элементы, которые нормально участвуют в передаче сообщений и в которых запасание информации изменяет способ передачи ими сообщений на все будущее время. В нервной системе нейроны и синапсы являются как раз такими элементами, и вполне правдоподобно, что информация сохраняется в мозгу долгое время благодаря изменениям порогов нейронов, или, другими словами, благодаря изменениям проницаемости каждого синапса для сообщений. Многие из нас полагают, за неимением лучшего объяснения, что запасание информации в мозгу действительно может происходить таким образом. Можно представить, что такое запасание осуществляется посредством открытия новых путей или разрыва старых. По-видимому, установлено вполне определенно, что после рождения в мозгу не образуется новых нейронов. Возможно, хотя и не доказано, что не образуется и новых синапсов. Вполне правдоподобно, что основные изменения порогов в процессе запоминания суть повышения порогов. Если это так, то вся наша жизнь построена по принципу «Шагреневой кожи» Бальзака, и самый процесс обучения и запоминания истощает наши способности обучения и запоминания, пока жизнь не расточит наш основной капитал жизнеспособности. Вполне возможно, что так оно и есть на самом деле. Этим, возможно, объясняются некоторые явления старения. Однако в целом старение – явление слишком сложное, чтобы его можно было объяснить только этим.

 

О ЛОГИКЕ

Мы уже говорили о вычислительной машине (и, соответственно, о мозге) как о логической машине. Полезно рассмотреть, какой свет проливают на логику такие машины, естественные и искусственные. В этом направлении основной является работа Тьюринга. Мы уже сказали раньше, что думающая машина (machina ratiocinatrix) есть не что иное как исчисление умозаключений (calculus ratiocinator) Лейбница, снабженное двигателем; и как это исчисление явилось началом современной математической логики, так и современные технические разработки неизбежно должны пролить новый свет на логику. Современная наука является операционной, т.е. она считает всякое утверждение по существу связанным с возможными экспериментами или наблюдаемыми процессами. Сообразно этому, изучение логики должно свестись к изучению логической машины, нервной или механической, со всеми ее неустранимыми ограничениями и несовершенствами.

Некоторые читатели могут возразить, что тем самым логика сводится к психологии, а эти науки явно различны. Последнее верно в том смысле, что многие психологические состояния и последовательности мыслей не сргласуются с законами логики. В психологии многое чуждо логике, но – и это очень важно – всякая логика, имеющая для нас смысл, не может содержать ничего такого, чего человеческий разум, а следовательно, и человеческая нервная система не были бы способны объять. Всякая логика ограничена вследствие ограничений человеческого разума, которые обнаруживаются при том виде его деятельности, который мы называем логическим мышлением.

Например, в математике мы посвящаем много времени рассуждениям, включающим понятие бесконечности, но эти рассуждения и сопровождающие их доказательства в действительности не бесконечны. Всякое допустимое доказательство содержит лишь конечное число шагов. Правда, доказательство посредством математической индукции кажется содержащем бесконечное число шагов; но это лишь видимость. На самом деле оно содержит лишь следующие шаги:

1)  есть предложение, связанное с числом ;

2)  доказано для ;

3) если  справедливо, то справедливо и ;

4) поэтому  справедливо для всякого положительного целого .

 

ОБ УСЛОВНЫХ РЕФЛЕКСАХ

Павлов работал гораздо больше над животными, чем над людьми, и занимался больше видимыми действиями, чем интроспективными состояниями ума. Он открыл, что наличие пищи вызывает у собак увеличенное выделение слюны и желудочного сока. Если собаке показывать какой-нибудь предмет вместе с пищей и только вместе с пищей, то вид этого предмета приобретает способность вызывать выделение слюны или желудочного сока даже в отсутствие пищи. Соединение по смежности, которое Локк наблюдал интроспективно для представлений, здесь соответствует аналогичному соединению типов поведения.

Однако есть существенное различие между точками зрения Павлова и Локка, обусловленное тем, что Локк рассматривает представления, а Павлов – типы поведения. Реакции, которые наблюдал Павлов, направлены к тому, чтобы довести процесс до успешного завершения или предотвратить катастрофу. Выделение слюны важно для глотания и переваривания пищи, а избегание болезненного раздражения предохраняет животное от телесного повреждения. Таким образом, в условном рефлексе участвует элемент, который можно назвать аффективным тонусом. Этот тонус не обязательно связан с ощущениями удовольствия и боли, и вообще он не обязательно должен быть связан с выгодой для животного. Существенно следующее: аффективный тонус пробегает некоторую шкалу от отрицательного значения – «боли» – до положительного значения – «удовольствия», и повышение аффективного тонуса, постоянное или в течение значительного времени, благоприятствует всем процессам, которые в это время совершаются в нервной системе, и дает им вторичную способность повышать еще больше аффективный тонус, а понижение аффективного тонуса стремится препятствовать всем процессам, происходящим в это время, и дает им вторичную способность понижать еще ниже аффективный тонус.

С биологической точки зрения, высокий аффективный тонус, конечно, должен иметь место в ситуациях, благоприятных для продолжения рода, хотя, быть может, и не для сохранения индивидуума, а низкий аффективный тонус– в ситуациях, неблагоприятных для продолжения рода, хотя, быть может, и не губительных для индивидуума. Всякий вид, не сообразующийся с этим требованием, раз-, делит участь «сдобной бабки» Льюиса Кэрролла и неизбежно вымрет. Тем не менее даже у обреченного вида может функционировать действенный механизм, пока вид еще продолжается. Другими словами, даже самое самоубийственное распределение аффективного тонуса будет вызывать определенный тип поведения.

 

ОБ УЗНАВАНИИ «ФОРМ»

Как мы узнаем индивидуальное человеческое лицо, когда видим его в разных положениях: в профиль, в три четверти или в анфас? Как мы узнаем круг как таковой, независимо от того, большой ли он или маленький, вблизи ли он или вдали, находится ли он в плоскости, перпендикулярной к линии, проведенной от глаза в центр круга, и представляется как круг или имеет какую-нибудь другую ориентацию и представляется как эллипс? Как мы видим лица, животных и географические карты в облаках или в кляксах тестов Роршаха? Все эти примеры относятся к зрению, но аналогичные вопросы можно поставить и для других чувств; некоторые из таких вопросов будут касаться связей между различными чувствами. Как мы перекладываем в слова крик птицы или стрекотание насекомого? Как мы узнаем осязанием, что монета круглая?

Ограничимся сейчас чувством зрения. Существенным фактором при сравнении форм различных предметов является, конечно, взаимодействие глаза и мышц–мышц, находящихся внутри глазного яблока, мышц, двигающих глазное яблоко, мышц, двигающих голову, и мышц, двигающих все тело. И эта система зрительно-мышечной обратной связи существует в какой-то форме уже на такой низкой ступени животного царства, как плоские черви. У плоских червей отрицательный фототропизм – стремление избегать свет – регулируется, по-видимому, балансом импульсов от двух глазных пятен. Соотношение этих импульсов действует на мышцы туловища, поворачивающие тело прочь от света, и в сочетании с общим импульсом поступательного движения приводит к тому, что животное переходит в наиболее темную область, ему доступную.

< …>

Пропуская все промежуточные стадии, переходим сразу к обратным связям между зрением и мышцами у человека. Некоторые из этих обратных связей имеют чисто гомеостатическую природу, например, в случае, когда зрачок расширяется в темноте и сокращается на свету, стремясь, таким образом, держать попадающий в глаз световой поток между более узкими границами, чем было бы возможно без этого. Другие из указанных обратных связей обусловлены тем, что человеческий глаз экономично ограничил свою способность наилучшего различения формы и цвета сравнительно небольшим желтым пятном сетчатки, а движение воспринимается лучше на периферии сетчатки. Когда периферическим зрением уловлен какой-нибудь предмет, заметный своей яркостью, или световым контрастом, или цветом, или – и прежде всего – движением, рефлекторная обратная связь переводит его на желтое пятно. Эта обратная связь сопровождается сложной системой взаимозависимых подчиненных обратных связей, которые стремятся свести направления обоих глаз в одну точку, чтобы предмет, привлекший внимание, был в одной и той же части поля зрения того и другого глаза, и фокусировать хрусталики, чтобы очертания предмета были возможно более четкими. Эти действия дополняются движениями тела и головы, при помощи которых мы переводим предмет в центр поля зрения, если этого трудно достичь движениями одних глаз, или переводим в поле зрения предмет, лежащий вне его и воспринятый^ каким-нибудь другим чувством. Если перед нами такие предметы, которые^ мы привыкли видеть в определенной угловой ориентации, – письмо, человеческие лица, пейзажи и т. п., – то при помощи, некоторого механизма мы стремимся привести их в надлежащую ориентацию.

Все эти процессы можно подытожить одной фразой: мы стремимся привести привлекший наше внимание предмет в нормальное положение и в нормальную ориентацию, чтобы создаваемой нами зрительный образ предмета менялся в возможно меньшем диапазоне. Это не исчерпывает процессов, связанных с восприятием формы и значения предмета, но, бесспорно, облегчает все дальнейшие процессы, направленные к этой цели. Эти последующие процессы происходят в глазу и в зрительной области коры. Имеется много данных, показывающих, что на многих стадиях этих процессов число нейронных каналов, участвующих в передаче зрительной информации, с каждым шагом уменьшается, причем информация становится на один шаг ближе к той форме, в которой она используется и хранится в памяти.

< …>

Одним из наиболее замечательных явлений в зрении следует считать нашу способность узнавать контурный рисунок. Несомненно, контур человеческого лица имеет очень небольшое сходство с самим лицом в отношении цвета и распределения светотени, и тем не менее в нем очень легко узнать портрет данного человека. Наиболее правдоподобно объясняется это тем, что где-то в зрительном процессе подчеркиваются контуры, а значение других сторон образа уменьшается. Указанные процессы начинаются в самом глазу. Подобно всем органам чувств, сетчатка подвержена аккомодации; иначе говоря, действие постоянного раздражения уменьшает ее способность воспринимать и передавать это раздражение. Аккомодация заметнее всего в рецепторах, воспринимающих внутреннюю часть большого скопления образов постоянного цвета и постоянной освещенности, так как даже неизбежные небольшие флюктуации фокуса и точки фиксации не меняют характера воспринимаемого изображения.

 

О ПСИХОПАТОЛОГИИ

Психопатология принесла разочарование инстинктивному материализму врачей, принимавших ту точку зрения, что всякое расстройство должно сопровождаться материальными повреждениями соответствующей ткани. Правда, такие специфические повреждения мозга, как ушибы, опухоли, тромбозы и т. п., могут сопровождаться психическими симптомами, и некоторые психические болезни, как парез, представляют собой последствия обшей болезни организма и связаны с патологическим состоянием ткани мозга; но не существует способа опознания мозга шизофреника, принадлежащего строго к одному из типов, описанных Крепелином, или мозга больного маниакально-депрессивным психозом, или мозга параноика.

Такие расстройства называются функциональными. Различие между функциональными и органическими расстройствами, по-видимому, противоречит догмату современного материализма, что всякое нарушение функции имеет какую-то физиологическую или анатомическую основу в соответствующих тканях.

Различие между функциональными и органическими расстройствами становится яснее при рассмотрении вычислительной машины. Как мы уже видели, мозгу – по крайней мере, мозгу взрослого – соответствует не голая физическая структура вычислительной машины, но сочетание этой структуры с инструкциями, заданными в начале цепочки операций, и со всей дополнительной информацией, запасаемой и приобретаемой извне во время выполнения этой цепочки. Указанная информация хранится в какой-то физической форме – или, говоря иначе, в форме воспоминаний; но часть этой информации хранится в форме циркулирующих воспоминаний, физическая основа которых исчезает, когда машина останавливается или когда мозг умирает, а часть – в форме долговременных воспоминаний. Последние сохраняются каким-то способом, о котором мы можем лишь строить догадки; однако они, вероятно, также хранятся в форме, физическая основа которой исчезает со смертью. Мы еще не умеем распознать по трупу, каким был порог данного синапса при жизни; и даже если бы мы это умели, у нас нет никакой возможности проследить цепь нейронов и синапсов, связанных с данным синапсом, и узнать, какое идейное содержание было записано в этой цепи.

Поэтому нет ничего неожиданного в том, чтобы рассматривать функциональные психические расстройства в основном как болезни памяти, а именно как нарушения циркулирующей информации, хранимой в мозгу в активном состоянии, и нарушения долговременной проницаемости синапсов. Даже при таких серьезных расстройствах, как парез, большинство болезненных явлений может быть вызвано не столько разрушением ткани, которое происходит при этих* болезнях, и не столько изменением синаптических порогов, сколько вторичными нарушениями связей, перегрузкой остальной части нервной системы и посылкой сигналов по другим путям; эти вторичные нарушения суть неизбежные следствия первичных повреждений.

О ПЕРЕГРУЗКАХ

Человек имеет наиболее развитую нервную систему из всех живых существ, и его поведение, вероятно, определяется наиболее длинными из эффективно действующих нейронных цепей. Если он надламывается глубоко и катастрофически, то это должно означать, что он выполнял сложные действия очень уж близко к грани перегрузки. Перегрузка может возникать различными способами: либо вследствие избытка поступающей нагрузки (из-за физического исключения каналов, переносящих потоки нагрузки), либо вследствие чрезмерного занятия каналов такими нежелательными видами нагрузки, как циркулирующие воспоминания, усилившиеся до превращения в навязчивые идеи. Во всех подобных случаях внезапно наступает момент, когда для нормальных видов нагрузки не будет хватать каналов, и тогда перед нами психическое расстройство, доходящее, весьма возможно, до помешательства.

 

О РЫНКЕ

Рынок – это игра, находящая свое подобие в семейной игре монополий. Она строго подчинена общей теории игр, которую разработали фон Нейман и Моргенштерн. Эта теория основана на допущении, что на любой стадии игры каждый игрок, исходя из доступной ему информации, играет согласно вполне разумной стратегии, которая в конце концов должна обеспечить ему наибольшее математическое ожидание выигрыша. Это– рыночная игра, в которую играют вполне разумные и совершенно беззастенчивые дельцы. Даже при двух игроках теория игры сложна, хотя она часто приводит к выбору определенного направления игры. Но при трех игроках во многих случаях, а при многих игроках в подавляющем большинстве случаев результат игры характеризуется крайней неопределенностью и неустойчивостью. Побуждаемые своей собственной алчностью, отдельные игроки образуют коалиции; но эти коалиции обычно не устанавливаются каким-нибудь одним определенным образом и обычно кончаются столпотворением измен, ренегатства и обманов. Это точная картина высшей деловой жизни и тесно связанной с ней политической, дипломатической и военной жизни. В конце концов даже самого блестящего и беспринципного маклера ждет разорение. Но допустим, что маклерам это надоело и они согласились жить в мире между собой. Тогда награда достанется тому, кто, выбрав удачный момент, нарушит соглашение и предаст своих партнеров. Здесь нет никакого гомеостаза. Мы должны проходить циклы бумов и спадов в деловой жизни, последовательную смену диктатуры и революции, войны, в которых все теряют и которые столь характерны для современности.

 

О ЧЕЛОВЕКЕ В ОБЩЕСТВЕ

Средний человек достаточно разумен по отношению к вещам, представляющимся его непосредственному вниманию, и достаточно альтруистичен там, где дело касается общественного блага или индивидуальных страданий, которые он видит собственными глазами. В небольшой сельской общине, существующей достаточно долго, чтобы в ней сложились более или менее одинаковые уровни понимания и поведения, существуют вполне достойные уважения нормы попечения об обездоленных, управления дорогами и другими общественными средствами, терпимости к тем, кто лишь один-два раза нарушил общественные законы. Как бы то ни было, нарушители находятся здесь, и остальная община должна и впредь жить с ними. С другой стороны, в такой общине человеку не годится быть выше своих соседей. Всегда есть средства заставить его почувствовать силу общественного мнения. С течением времени он обнаружит, что оно является столь вездесущим, непререкаемым, ограничивающим и давящим, что он вынужден будет оставить общину, чтобы защитить себя.

< …>

Лишь в большом сообществе, где «господа действительного положения вещей» предохраняют себя от голода своим богатством, от общественного мнения – тайной и анонимностью, от частной критики – законами против клеветы и тем, что средства связи находятся в их распоряжении, – лишь в таком сообществе беззастенчивость может достигнуть высшего уровня. Из всех этих антигомеостатических общественных факторов управление средствами связи является наиболее действенным и важным.

 

О СООТНЕСЕНИИ РАЗМЕРОВ

Все большие успехи точных наук были связаны с такими областями, в которых явление в довольно большой степени отделено от наблюдателя. Мы видели на примере астрономии, что это отделение может быть следствием огромного масштаба наблюдаемых явлений по сравнению с человеком, когда самые большие человеческие усилия, не говоря о простом созерцании, не могут произвести сколько-нибудь заметного впечатления на мир небесных светил. Правда, с другой стороны, в современной атомной физике науке о невыразимо малых-явлениях, все, что мы делаем, будет оказывать влияние на многие отдельные частицы и это влияние будет достаточно велико с тонки зрения такой частицы. Но мы не живем в масштабе изучаемых частиц ни во времени, ни в пространстве, и события, которые могут иметь величайшее значение с точки зрения наблюдателя, соответствующего масштабу существования частиц, представляются нам – хотя и с некоторыми исключениями, как, например, при опытах в камере Вильсона, – лишь как средние массовые эффекты, в которых участвуют огромные совокупности частиц. При исследовании этих эффектов те промежутки времени, с которыми мы имеем дело, весьма велики с точки зрения отдельной частицы и ее движений, и наши статистические теории имеют более чем достаточную основу. Итак, мы слишком малы, чтобы влиять на движение звезд, и настолько велики, что можем интересоваться лишь массовыми действиями молекул, атомов и электронов. В обоих случаях наша связь с изучаемыми явлениями настолько слаба, что мы можем учитывать ее лишь в общих чертах, хотя эта связь может быть и не столь слабой, чтобы ею совсем пренебрегать.

ОБ ОБРАБОТКЕ ДАННЫХ И УСТРОЙСТВЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

Летом 1940 г. я стал уделять много внимания разработке вычислительных машин для решения дифференциальных уравнений в частных производных Я давно интересовался этим, и у меня сложилось убеждение, что здесь, в отличие от обыкновенных дифференциальных уравнений, так хорошо решавшихся на дифференциальном анализаторе д-ра Буша, главной является проблема представления функций многих переменных. Я был убежден также, что процесс развертки, применяемый в телевидении, дает ответ на этот вопрос и что в действительности телевидение принесет технике больше пользы именно созданием таких новых процессов, чем само по себе, как особая отрасль.

Было ясно, что всякий процесс развертки должен значительно увеличить количество используемых данных по сравнению с тем, которое встречается в задачах, сводимых к обыкновенным дифференциальным уравнениям Поэтому для получения приемлемых результатов в приемлемое время необходимо довести до максимума скорость элементарных процессов и добиться, чтобы течение этих процессов не прерывалось существенно более медленными шагами. Необходимо также повысить точность выполнения элементарных процессов настолько, чтобы их частое повторение не приводило к накоплению слишком большой ошибки. В результате были сформулированы следующие требования:

1) Центральные суммирующие и множительные устройства должны быть цифровыми, как в обычном арифмометре, а не основываться на измерении, как в дифференциальном анализаторе Буша.

2) Эти устройства, являющиеся по существу переключа-телями, должны состоять из электронных ламп, а не из зубчатых передач или электромеханических реле. Это не-обходимо, чтобы обеспечить достаточное быстродействие.

3) В соответствии с принципами, принятыми для ряда существующих машин Белловских телефонных лабораторий, должна использоваться более экономичная двоичная, а не десятичная система счисления.

4) Последовательность действий должна планироваться самой машиной так, чтобы человек не вмешивался в процесс решения задачи с момента введения исходных данных до съема окончательных результатов. Все логические операции, необходимые для этого, должна выполнять сама машина.

5) Машина должна содержать устройство для запасания данных. Это устройство должно быстро их записывать, надежно хранить до стирания, быстро считывать, быстро стирать их и немедленно подготавливаться к запасанию нового материала.

Эти рекомендации, вместе с предложениями по их реализации, были направлены д-ру Ванневару Бушу для возможного применения их в случае войны. На той стадии подготовки к войне казалось, что они не столь важны, чтобы приступить к немедленной работе над ними. Тем не менее все эти рекомендации представляют собой идеи, положенные в основу современной сверхбыстрой вычислительной машины. Эти мысли почти носились тогда в воздухе, и я не хочу в данный момент заявлять какие-либо претензии на исключительный приоритет в их формулировке. Всё же указанные рекомендации оказались полезными, и я надеюсь, что они имели некоторое влияние на популяризацию этого круга идей среди инженеров. Во всяком случае, как мы увидим в основной части книги, такие идеи интересны в связи с изучением нервной системы.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: