История кибернетики
После второй мировой войны я работал над многими разделами теории сообщения (the theory of messages). Помимо электротехнической теории передачи сигналов, существует более обширная область, включающая в себя не только исследование языка, но и исследование сигналов (messages) как средств, управляющих машинами и обществом; сюда же относятся усовершенствование вычислительных машин и других подобных автоматов, размышления о психологии и нервной системе и сравнительно новая теория научного метода. Эта более широкая теория информации представляет собой вероятностную теорию и является неразрывной частью научного течения, обязанного своим происхождением Вилларду Гиббсу и описанного мною в предисловии.
До недавнего времени не существовало слова для выражения этого комплекса идей, и, стремясь охватить всю область одним термином, я почувствовал себя вынужденным изобрести его. Отсюда термин “кибернетика”, который я произвел от греческого слова kubernetes, или “рулевой”, “кормчий”,– то же самое греческое слово, от которого мы в конечном счете производим слово “governor” (“правитель”). Между прочим впоследствии я обнаружил, что этот термин был уже употреблен Андре Ампером в отношении политической науки и был введен в другом контексте одним польским ученым, причем оба этих употребления относятся к первой половине XIX века.
Я написал более или менее специальную книгу под заглавием “Кибернетика”, которая была опубликована в 1948 году. Отвечая на высказанные пожелания сделать ее идеи доступными для неспециалистов, я опубликовал в 1950 году первое издание книги “The Human Use of Human Beings”. С тех пор эти идеи, разделяемые Клодом Шенноном, Уорреном Уивером и мною, разрослись в целую область исследования. Поэтому я воспользовался предоставившейся [c.30] мне возможностью переиздания этой книги, для того чтобы приблизить ее к уровню современных требований и устранить известные недостатки и непоследовательность в ее первоначальной структуре.
Когда я давал определение кибернетики в первой своей книге, я отождествлял понятия “коммуникация” и “управление”.
Почему я так поступал? Устанавливая связь с другим лицом, я сообщаю ему сигнал, а когда это лицо в свою очередь устанавливает связь со мной, оно возвращает подобный сигнал, содержащий информацию, первоначально доступную для него, а не для меня. Управляя действиями другого лица, я сообщаю ему сигнал, и, хотя этот сигнал дан в императивной форме, техника коммуникации в данном случае не отличается от техники коммуникации при сообщении сигнала факта. Более того, чтобы мое управление было действенным, я должен следить за любыми поступающими от него сигналами, которые могут указывать, что приказ понят и выполняется.
В этой книге доказывается, что понимание общества возможно только на пути исследования сигналов и относящихся к нему средств связи и что в будущем развитию этих сигналов и средств связи, развитию обмена информацией между человеком и машиной, между машиной и человеком и между машиной и машиной суждено играть все возрастающую роль.
Когда я отдаю приказ машине, то возникающая в данном случае ситуация, по существу, не отличается от ситуации, возникающей в том случае, когда я отдаю приказ какому-либо лицу. Иначе говоря, что касается моего сознания, то я осознаю отданный приказ и возвратившийся сигнал повиновения. Лично для меня тот факт, что сигнал в своих промежуточных стадиях прошел через машину, а не через какое-либо лицо, не имеет никакого значения и ни в коей мере существенно не изменяет моего отношения к сигналу. Таким образом, теория управления в человеческой, животной или механической технике является частью теории информации.
Естественно, что не только между живыми организмами и машинами, но в каждом более узком классе существ имеются детальные различия в обмене информацией и в проблемах управления. Задачей кибернетики является выработать язык и технические приемы, позволяющие на деле добиться решения проблем управления и связи вообще, а также найти [c.30] надлежащий набор идей и технических приемов, для того чтобы подвести их специфические проявления под определенные понятия.
Команды, с помощью которых мы осуществляем управление нашей средой, являются видом информации, передаваемой нами этой среде. Как и любая форма информации, эти команды подвержены дезорганизации во время передачи. Обычно они доходят в менее ясном виде и, конечно, не в более ясном, чем были посланы. В управлении и связи мы всегда боремся против тенденции природы к нарушению организованного и разрушению имеющего смысл – против тенденции, как показал Гиббс, к возрастанию энтропии.
Большое место в этой книге отводится пределам связи между индивидуумами и внутри индивидуума. Человек погружен в мир, который он воспринимает своими органами чувств. Получаемая им информация координируется его мозгом и нервной системой, пока после соответствующего процесса накопления, сличения и отбора она не поступает в эффекторы, обычно в мышцы. Они в свою очередь воздействуют на внешний мир, а также взаимодействуют с центральной нервной системой через рецепторы, такие, например, как чувствительные окончания мышц и сухожилий, а получаемая последними информация присоединяется к уже накопленному запасу информации, оказывая влияние на будущее действие.
Информация – это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспосабливания к нему наших чувств. Процесс получения и использования информации является процессом нашего приспособления к случайностям внешней среды и нашей жизнедеятельности в этой среде. Потребности и сложность современной жизни предъявляют гораздо большие, чем когда-либо раньше, требования к этому процессу информации, и наша пресса, наши музеи, научные лаборатории, университеты, библиотеки и учебники должны удовлетворить потребности этого процесса, так как в противном случае они не выполнят своего назначения. Действенно жить – это значит жить, располагая правильной информацией. Таким образом, сообщение и управление точно так же связаны с самой сущностью человеческого существования, как и с жизнью человека в обществе.
Задача изучения связи в истории науки ее является ни простым, ни случайным, ни новым делом.
Даже до Ньютона [c.31] подобные проблемы стояли перед физикой, особенно в работах Пьера Ферма, Христиана Гюйгенса и Готфрида Вильгельма Лейбница. Каждый из этих ученых проявлял интерес к физике, в центре внимания которой находилась не механика, а оптика – связь видимых образов.
Пьер Ферма внес вклад в изучение оптики, выдвинув принцип, известный как пришит Ферма, согласно которому свет проходит в кратчайший промежуток времени любой достаточно короткий отрезок пути. Гюйгенс развил в первоначальной форме принцип, известный в настоящее время как “принцип Гюйгенса”, указав, что свет распространяется от источника, образуя вокруг этого источника нечто подобное небольшой сфере, состоящей из вторичных источников, которые в свою очередь распространяют свет точно так же, как и первичные источники. В то же время Лейбниц рассматривал весь мир как совокупность существ, называемых “монадами”, деятельность которых заключается в восприятии друг друга на основе предустановленной богом гармонии. И совершенно ясно, что он мыслил это взаимодействие главным образом в понятиях оптики. Кроме этого восприятия, монады не имели никаких “окон”, и, таким образом, с точки зрения Лейбница, все механическое взаимодействие фактически становится не чем иным, как неуловимым следствием оптического взаимодействия.
Преобладание интереса к оптике и обмену информацией, проявляющееся в этой части философии Лейбница, проходит через всю систему его философии. Оно играет большую роль в двух его наиболее оригинальных положениях: в characteristica universalis, или в положении об универсальном научном языке, и в calculus ratiocinator, или в положении о логическом исчислении. При всей своей несовершенности это логическое исчисление было прямым предшественником современной математической логики.
Лейбниц, всецело поглощенный идеями связи, не только в этом отношении является интеллектуальным предшественником идей, развиваемых в этой книге. Он интересовался также вычислением при помощи машин и автоматами. Мои взгляды очень далеки от философских взглядов Лейбница.
Однако проблемы, которыми я занимаюсь, вполне определенно являются лейбницианскими. Счетные машины Лейбница были только одним из проявлений его интереса к языку вычислений, к логическому исчислению, в свою очередь представлявшему собой, на его взгляд, лишь [с.32] конкретизацию его идеи о совершенно искусственном языке. Таким образом, даже в своей счетной машине Лейбниц отдавал предпочтение главным образом лингвистике и сообщению.
К середине прошлого века работы Максвелла и его предшественника Фарадея вновь привлекли внимание физиков к оптике, к науке о свете. Свет теперь стали рассматривать как форму электричества, которая могла быть сведена к механике необычной плотной, хотя и незримой среды, которую называли эфиром. Эфир, как полагали в то время, пропитывал атмосферу, межзвездное пространство и все прозрачные вещества. Работы Максвелла по оптике представляли собой математическое развитие идей, убедительно, но в нематематической форме изложенных ранее Фарадеем. Изучение эфира подняло ряд вопросов, на которые не было дано вразумительных ответов, как, например, вопрос о движении материи через эфир. Знаменитый эксперимент Майкельсона – Морли в 90-х годах был проделан для решения этой проблемы, и он дал совершенно неожиданный ответ, а именно, что просто-напросто не существует способа определения движения материи через эфир.
Первое удовлетворительное разрешение проблем, поставленных этим экспериментом, дал Лоренц. Он указал, что если силы сцепления материи представить как электрические или оптические по своей природе, то следует ожидать отрицательного результата от эксперимента Майкельсона – Морли. Однако Эйнштейн в 1905 году придал этим идеям Лоренца форму, где невозможность наблюдения абсолютного движения выступала скорее постулатом физики, чем результатом какой-либо особой структуры материи. Для нас важно, что в работе Эйнштейна свет и материя покоятся на одинаковом основании, как это было до Ньютона, без ньютоновского подчинения всего веществу и механике.
Разъясняя свои взгляды, Эйнштейн разносторонне использует наблюдателя, который может находиться в покое или в движении.
В теории относительности Эйнштейна невозможно ввести наблюдателя без одновременного введения идеи обмена информацией и фактически без того, чтобы вновь не заострить внимания физики на квазилейбницианском состоянии, тенденция которого является опять-таки оптической. Теория относительности Эйнштейна и статистическая механика Гиббса находятся в резком контрасте, поскольку Эйнштейн, подобно Ньютону, оперирует прежде всего [с.33] понятиями абсолютно строгой динамики, не вводя идеи вероятности. Напротив, работы Гиббса являются вероятностными с самого начала. Тем не менее оба этих направления исследований представляют сдвиг в воззрениях физики, где рассмотрение мира как действительно существующего заменено рассмотрением в том или ином смысле мира, каким его случается обозревать, и старый, наивный реализм физики уступает место чему-то такому, с чем мог бы охотно согласиться епископ Беркли.
Здесь уместно рассмотреть некоторые связанные с энтропией положения, о которых уже говорилось в предисловии. Как мы сказали, идея энтропии выражает несколько наиболее важных отклонений механики Гиббса от механики Ньютона. На взгляд Гиббса, физическая величина относится не к внешнему миру как таковому, а к некоторым рядам возможных внешних миров, и, следовательно, она относится к области ответов на некоторые специфические вопросы, которые мы можем задать о внешнем мире. Физика становится теперь не рассмотрением внешней вселенной, которую можно принять в качестве общего ответа на все вопросы о ней, а сводом ответов на гораздо более ограниченные вопросы. Действительно, мы теперь интересуемся уже не исследованием всех возможных выходящих и входящих сигналов, которые возможно получить и послать, а теорией гораздо более специфических входящих и выходящих сигналов, а это влечет за собой измерение уже далеко не безграничного объема информации, которую способны дать сигналы.
Сигналы являются сами формой модели (pattern) и организации. В самом деле, группы сигналов, подобно группам состояний внешнего мира, возможно трактовать как группы, обладающие энтропией.
Как энтропия есть мера дезорганизации, так и передаваемая рядом сигналов информация является мерой организации. Действительно, передаваемую сигналом информацию возможно толковать, по существу, как отрицание ее энтропии и как отрицательный логарифм ее вероятности. То ,есть чем более вероятно сообщение, тем меньше оно содержит информации. Клише, например, имеют меньше смысла, чем великолепные стихи.
Я уже упоминал, что Лейбниц интересовался автоматами. Между прочим этот интерес разделял его современник Блез Паскаль, внесший действительный вклад в создание современного настольного арифмометра. В согласном ходе часов, [с.34] установленных на одно и то же время, Лейбниц усматривал образец предустановленной гармонии своих монад. Ибо техника, воплощенная в автоматах его времени, была техникой часовых мастеров. Рассмотрим движение маленьких танцующих фигурок на крышке музыкальной шкатулки. Они движутся по моделям, однако эта модель была установлена заранее, и здесь прошлое движение фигурок практически не имеет никакого отношения к образцу их будущего движения. Вероятность отклонения их движения от этой модели равна нулю. Здесь действительно имеет место передача сигнала, но этот сигнал поступает от механизма музыкальной шкатулки к фигуркам и остается там. Кроме этой односторонней линии связи с настроенным заранее механизмом музыкальной шкатулки, сами фигурки не имеют других связей с внешним миром. Они слепы, глухи и немы и ничуть не могут отойти в своем движении от обусловленной модели.
Сравните с этими фигурками поведение человека или любого обладающего в какой-то мере смышленостью животного, как, например, котенка. Я зову котенка, и он поднимает голову. Я послал ему сигнал, который он принял своими органами чувств и выражает в действии. Котенок голоден и издает жалобное мяуканье. На этот раз он источник сигнала. Котенок играет с клубочком ниток. Клубочек придвинулся слева к котенку, и котенок ловит его своей левой лапой. На этот раз в нервной системе котенка через известные нервные окончания его суставов, мускулов и сухожилий отдаются и принимаются сигналы очень сложной природы, и с помощью посылаемых этими органами нервных сигналов животное осознает свое действительное положение и напряжение своих тканей.
Только благодаря этим органам возможно что-либо подобное физической ловкости.
Я сравнил предопределенное поведение маленьких фигурок в музыкальной шкатулке, с одной стороны, и произвольное поведение людей и животных – с другой. Однако не следует полагать, что музыкальная шкатулка является типичным образцом для поведения всех машин.
Старые машины действительно функционировали на основе закрытого часового механизма. Так же обстояло дело, в частности, и с прежними попытками изготовления автоматов. Однако современные автоматические машины, как, например, управляемые снаряды, радиовзрыватель, автоматическое устройство для открывания дверей, аппараты управления на химических заводах и другой современный [с.35] арсенал автоматических машин, выполняющих военные или промышленные функции, обладают органами чувств, то есть имеют рецепторы поступающих извне сигналов. Эти рецепторы могут быть такими простыми, как фотоэлектрические элементы, у которых изменяются электрические свойства, когда на них падает свет, и которые способны отличать свет от тьмы; или они могут быть такими сложными, как телевизионная установка. Они могут измерять напряжение благодаря изменениям, вызываемым в электропроводности подвергнутого его действию провода, или они могут измерять температуру посредством термоэлемента, представляющего собой прибор, состоящий из двух различных соединенных друг с другом металлов, через которые проходит ток, когда один из концов контакта нагревается. Всякий прибор в арсенале конструктора научных приборов представляет собой возможный орган чувств, и его при помощи соответствующих электрических аппаратов можно приспособить для записи показаний приборов на расстоянии. Таким образом, у нас есть машина, работа которой обусловлена ее зависимостью от внешнего мира и от происходящих там событий, и мы располагаем этой машиной уже в течение известного времени.
Машина, воздействующая на внешний мир посредством сигналов, также хорошо нам знакома. Автоматическое фотоэлектрическое устройство, открывающее двери лифта, известно каждому, кто проезжал через Пенсильванскую станцию в Нью-Йорке.
Это устройство используется также и во многих зданиях. Когда сигнал, состоящий в прерывании пучка света, посылается в аппарат, этот сигнал действует на дверь и открывает ее, позволяя пассажиру пройти.
Операции между приведением органами чувств в движение машины этого типа и выполнением этой машиной задачи могут быть столь же простыми, как в примере с электрической дверью, или они могут быть какой угодно степени сложности в пределах нашей инженерной техники. Сложное действие – это такое действие, когда вводные данные (которые мы называем вводом – input), для того чтобы оказать воздействие на внешний мир (это воздействие мы называем выводом – output), могут вызвать большое число комбинаций. Эти комбинации вызываются как вводимыми в настоящий момент данными, так и взятыми из накопленных в прошлом данных, которые мы называем памятью. Эти данные записаны в машине. Наиболее сложная из изготовленных [с.36] до сих пор машина, преобразующая вводные данные в выводные, – это быстродействующая электронная вычислительная машина, о которой я расскажу ниже более подробно. Режим работы этих машин определяется при помощи особого рода ввода, который часто состоит из перфорированных карт, лент или намагниченных проволок. Эти перфорированные ленты или намагниченные проволоки определяют способ выполнения этой машиной одной операции в отличие от способа, каким она могла бы выполнить другую операцию. Вследствие частого использования в управлении машиной перфорированных или магнитных лент нанесенные на них данные, предписывающие режим работы одной из этих машин, предназначенных для комбинированной информации, называются программной катушкой (taping).
Я отмечал, что человек и животное обладают кинестетическим чувством, с помощью которого регистрируют положение и напряжение своих мускулов. Для эффективности работы любой машины, подверженной воздействию разнообразной внешней среды, необходимо, чтобы информация о результатах ее собственных действий передавалась ей как часть той информации, в соответствии с которой она должна продолжать функционировать.
Например, если мы управляем лифтом, то недостаточно просто открыть дверь шахты, ибо отданные нами приказы должны еще поставить лифт против двери п момент ее открытия. Необходимо, чтобы работа реле для открывания двери зависела от того факта, что лифт действительно находится против двери, иначе вследствие какой-нибудь задержки лифта пассажир мог бы ступить в пустую шахту. Это управление машиной на основе действительного выполнения ею приказов, а не ожидаемого их выполнения называется обратной связью и включает в себя чувствительные элементы, которые приводятся в движение моторными элементами и которые выполняют функцию предупреждающих сигнальных приспособлений, или мониторов, то есть устройств, показывающих выполнение приказов. Функция этих механизмов состоит в управлении механической тенденцией к дезорганизации, иначе говоря, в том, чтобы вызывать временную и местную перемену обычного направления энтропии.
Я только что упомянул о лифте как о примере обратной связи. В других случаях важность обратной связи еще более очевидна. Например, наводчик орудия получает информацию от своих приборов наблюдения и передает ее орудию [с.37] для установки его таким образом, чтобы снаряд поразил движущуюся цель в. определенное время. Орудие должно быть использовано при любых условиях погоды. При одних условиях погоды смазочное вещество теплое – и орудие передвигается легко и быстро. При других условиях смазка, скажем, замерзает или смешивается с песком – и орудие с запозданием отвечает на данные ему приказы. Если в условиях, когда орудие не реагирует легко на приказы и запаздывает выполнять их, эти приказы усилить дополнительным толчком, то ошибка наводчика будет уменьшаться. Для того чтобы добиться возможно более однородного выполнения приказов, обычно к орудию присоединяют управляющий элемент обратной связи, который регистрирует отставание орудия от заданного положения и, учитывая это различие, дает орудию дополнительный толчок.
Правда, следует принять меры предосторожности, чтобы толчок не был слишком сильным, в противном случае орудие пройдет заданное положение и его нужно будет вновь поставить в правильное положение посредством ряда последовательных толчков, которые могут стать весьма значительными и привести к гибельной нестабильности.
Этого не случится, если системой обратной связи в свою очередь управляют, то есть, иначе говоря, ее собственные энтропические тенденции сдерживаются и достаточно строго держатся в рамках еще одним управляющим механизмом; в этом случае наличие обратной связи увеличит стабильность выполнения приказов орудием. Иначе говоря, выполнение приказов станет менее зависимым от трения, или, что то же самое, от созданного загустением смазки торможения.
Нечто весьма подобное этому происходит в человеческих действиях. Когда я беру сигару, я не намереваюсь приводить в движение какие-либо определенные мускулы. В самом деле, во многих случаях я не знаю, что это за мускулы. Я просто привожу в действие известный механизм обратной связи, именно рефлекс, где совокупность сигналов о том, что я все еще не взял сигару, превращается в новый и усиливающийся приказ запаздывающим мускулам, каковы бы они ни были. Таким же образом весьма единообразная произвольно отдаваемая команда обеспечивает выполнение тон же задачи от самых разнообразных первоначальных положений и независимо от расслабления мускулов, вызванного утомлением. Подобно этому, когда я веду машину, я не слежу за серией команд, зависящих просто от мысленных образов [с.38] дороги и моей задачи. Если я вижу, что машина слишком сильно отклоняется вправо, то это заставляет меня выровнять ее. Это зависит от действительного выполнения приказов машиной, а не просто от дороги; и это позволяет мне примерно с равной эффективностью вести легкий “остин” или тяжелый грузовик, не вырабатывая отдельных навыков для ведения каждой из этих машин. Об этом я еще скажу подробнее в главе, посвященной специальным машинам, где мы рассмотрим ту услугу, какая может быть оказана невропатологии путем исследования неисправно выполняющих свои функции машин, что аналогично расстройствам, происходящим в человеческом организме.
Я утверждаю, что физическое функционирование живых индивидуумов и работа некоторых из новейших информационных машин совершенно параллельны друг другу в своих аналогичных попытках управлять энтропией путем обратной связи.
Как те, так и другие в качестве одной из ступеней цикла своей работы имеют действие сенсорных рецепторов, то есть как в тех, так и в других существуют специальные аппараты, служащие для собирания информации из внешнего мира на низких энергетических уровнях и для преобразования информации в форму, пригодную для работы индивидуума или машины. В обоих случаях эти внешние сигналы не принимаются в чистом виде, а проходят через преобразующую силу аппаратов – живых или искусственно созданных. Информация затем преобразуется в новую форму, пригодную для дальнейших ступеней выполнения приказов. Как в животном, так и в машине это выполнение приказов имеет своей целью оказание воздействия на внешний мир. И в том и другом случае их осуществленное воздействие на внешний мир, а не просто их предполагаемое действие возвращается в центральный регулирующий аппарат. Этот комплекс поведения обычно игнорируется, и в частности он не играет той роли, которую должен был бы играть в нашем анализе общества, хотя с этой точки зрения можно рассматривать как физическое реагирование личности, так и органическое реагирование самого общества. Я не считаю, что социолог не знает о существовании связей в обществе и их сложной природы, однако до последнего времени он склонен был не замечать, до какой степени они являются цементом, связывающим общество воедино.
В этой главе мы наблюдали основное единство комплекса идей, которые до последнего времени не были в достаточной [с.39] мере связаны друг с другом, а именно вероятностной точки зрения в физике, введенной Гиббсом в качестве модификации традиционных ньютоновских воззрений, взглядов св. Августина на порядок и вытекающих из них поведения и теории сообщения между людьми, машинами и в обществе как временной последовательности событий, которая, хотя сама в известной степени случайна, стремится сдержать тенденцию природы к нарушению порядка, приспосабливая части ее к различным преднамеренным целям. [с.40]
