«Рассматривать предметы с разных точек зрения так же хорошо, как и рассматривать их под одним углом зрения, или даже еще лучше, ибо такое рассмотрение шире и полезнее»
М. Монтень. Опыты.
«…Так выпьем же за кибернетику!»
Из к/ф «Кавказская пленница»
1. ПЕРВЫЕ АВТОМАТЫ
«Твои уши всегда указывают тебе правильное направление, но ты всегда должен знать, зачем тебе туда надо»
Антон Ван Вебер
С древних времен люди для облегчения своей жизни придумывали не только орудия труда, но и автоматические приспособления – такие устройства, которые меняют свое состояние в различных условиях.
Примитивным примером автомата может служить захлопывающиеся ловушки, которые дошли и до наших времен почти в первозданном виде и используются для отлова диких животных. Капкан и мышеловка – миниатюрные аналоги этих устройств. В этих устройствах в зачаточной форме есть все элементы автоматической системы. В них есть «объект» (скобы капкана или собственно ловушка), «датчик», который воспринимает изменения ситуации, в данном случае появление животного (это педаль капкана или крючок с наживкой), и «регулятор», который изменяет состояние устройства (в данном случае взведенная пружина).
В древних храмах использовались автоматические приспособления, скрытые от глаз прихожан, они помогали жрецам делать предсказания или просто наглядно «подтверждали» контакты жреца с божеством. Например, в одном из античных храмов после зажигания жертвенного огня распахивались двери храма. Секрет дверей состоял в том, что огонь заставлял испаряться воду, которая конденсировалась в другом сосуде, нарушенное равновесие приводило в действие механизм открывания дверей, работающий под действием маховиков, раскручивающихся от тросов, на которые подвешивался груз. В другом храме символ плодородия поднимался в случае влажной погоды и опускался в засуху, чему способствовало изменение веса гигроскопичного вещества на чаше, приводившей его в движение: в сухую погоду это вещество высыхало, и вес его уменьшался. Всевозможные плачущие иконы и завывающие по ночам трубы – это тоже пример устройств, самостоятельно (без участия человека), но вовсе не самопроизвольно изменяющих свое состояние при определенных внешних условиях.
Благодаря развитию технических средств и орудий труда, в том числе и автоматических устройств, человечество вошло в эпоху развитых технологий. При этом значение автоматических устройств для жизни человека столь сильно возросло, что сегодня мы уже просто не мыслим своей жизни без таких устройств, которые кажутся нам обыденными. Все они используют основной принцип автоматики: использование информации о состоянии объекта для управления им, то есть так называемый контур обратной связи с выхода объекта на его вход.
2. АВТОМАТИКА КАК ТАКОВАЯ
«Нет ничего более практичного, чем хорошая теория»
Густав Роберт Кирхгоф
Отличительной чертой автоматических устройств является использование отрицательной обратной связи, то есть такой связи, когда ответное воздействие управляющего устройства на объект противоположно по знаку причине, его вызвавшей. Устройства с однократным действием обратной связи, такие как капканы, ловушки, охранные системы и т.п., собственно к автоматике как к науке относятся весьма отдаленно, поскольку для их разработки не требуется специальный математический аппарат. Более сложные устройства, регулирующие или стабилизирующие одну или несколько величин с высокой точностью, требуют для своей разработки применения специальных областей прикладной математики, которые и составляют предмет науки «Автоматика», или, как ее раньше называли «Кибернетика». Теория автоматического управления (ТАУ) или регулирования имеет приложения практически во всех отраслях науки и техники, но этого мало: она применима и к анализу экономических, биологических, экологических объектов, живых организмов и их объединений (сообществ, роев, экосистем, биоценозов). Она же необходима для понимания и описания многих химических реакций, физических процессов, климатических, геологических, океанографических и многих других явлений. Многие непонятные (и даже «невозможные») на первый взгляд явления становятся понятными и прогнозируемыми с применением ТАУ. Ядерный реактор и лазер, система кровообращения и одна-единственная клетка, устойчивость экосистемы и совместная эволюция (коэволюция) животного мира – все эти процессы таят в себе много загадок, и разгадать их без ТАУ невозможно. Математический аппарат ТАУ универсален, как универсален в природе принцип динамической обратной связи (то есть обратной связи, действующей не мгновенно, а с некоторым реальным темпом).
«Неустойчивость» некоторых процессов движения к равновесному состоянию – это вместе с тем и замечательная «устойчивость» периодических колебаний около этого равновесного состояния. Именно ей мы обязаны тому, что мир не превратился в одну большую «черную дыру», все атомы не слетелись воедино, электроны не упали на ядра своих атомов, мир движется, развивается и существует, а энергия в процессах, его составляющих, переходит из одной формы в другую. Если бы этого не было, все процессы завершились бы в своих окончательных равновесных состояниях, всякому движению пришел бы конец. Но этого не происходит: электроны не прекращают свой бег вокруг ядер, расстояние между атомами в веществе неизменно вследствие равновесия динамических и потенциальных сил притяжения и отталкивания, все живые и неживые системы вовлечены в круговорот. Если в одном месте вода испаряется, то в другом месте она выпадает в виде дождя или снега, если где-то размываются берега, то где-то они намываются, если где-то горы разрушаются, то где-то растут. Все находится в движении, отдельные компоненты этого движения уравновешивают друг друга, и в этом – причина относительной стабильности мира. Понять и описать эти движения помогает ТАУ.
И все же основная область применения ТАУ – проектирование замкнутых систем управления для науки, техники, производства, быта и иных применений. Без этой теории даже правильно рассчитанные и изготовленные элементы соединенные воедино не смогут образовать систему с требуемым качеством. Применение же ТАУ позволяет даже с неустойчивыми объектами, даже с недостаточно качественными датчиками и даже с недостаточно надежными регуляторами разработать и изготовить надежные, точные и одновременно быстродействующие системы.
Есть такая еще наука – «Проектирование надежных систем из ненадежных элементов». Одно только название – и то уже завораживает. Эта наука многими разделами пересекается с ТАУ, то есть с Кибернетикой.
3. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ
«Там где заканчивается телескоп, начинается микроскоп. Какой из этих приборов имеет больший обзор?»
Виктор Гюго
Системный подход зачастую определяют просто как «учет всех связей объекта с внешним миром». Это определение не достаточно. В противоположность «классическому подходу», который состоит в мысленном разделении исследуемого объекта на составляющие компоненты для понимания объекта в целом, «системный подход» предполагает применение аппарата теории замкнутых динамических систем, то есть ТАУ. Дело в том, что просто «учет» внешних связей предполагает всего лишь принятие к сведению совокупность входных и выходных сигналов объекта. Под «сигналами» мы тут понимает все, что передается от одного элемента к другому. Но даже учет быстродействия прохождения этих сигналов только в пределах рассматриваемого объекта еще не дает системного подхода. При таком подходе интуитивно можно предположить, что чем выше такое быстродействие, тем, вроде бы, лучше. При системном же подходе зачастую быстродействие какого-то элемента целесообразно снижать (хотя бы частично в области каких-то частот), чтобы получить в итоге лучшую систему – даже и более быстродействующую!
Например, если рассмотреть взаимодействие растения с внешней средой, то под учетом внешних условий мы бы вправе были понимать учет климатических условий, в которых данное растение произрастает, а под влиянием его на среду – то, что данное растение производит. Если действие растения на среду столь несущественно, что среда может рассматриваться вне зависимости от деятельности растения, то системный подход не требуется.
Совсем иная ситуация возникла бы, если, например, рассматривать такие объекты, как тайга, савана, тундра. В данном случае не только климат влияет на состояние такого объекта, но и объект влияет на климат. При этом важно, насколько быстро объект откликается на изменения в климате, и насколько быстро новые изменения в климате возникнут в результате изменения объекта. При определенных соотношениях этих быстродействий система является устойчивой, саморегулирующейся. При других соотношениях система может стать неустойчивой, саморазрушающейся.
Поэтому системный подход предполагает отыскание в системах петлей взаимного влияния, определение динамических свойств элементов в этих петлях и с помощью ТАУ анализ устойчивости и качества переходных процессов в этих системах, и чаще всего корректирование динамических свойств одного из элементов для получения требуемых свойств системы в целом. Элемент, динамические свойства которого мы можем легко корректировать в любую сторону, как раз и называют «регулятором».
4. ЗАДАЧИ ПСИХОЛОГИИ
«Иногда стоит узнать человека поближе, как хочется послать его подальше»
По К.С. Мелихану
«И не следует ставить мне в укор…»
М. Монтень. Опыты
Не так уж много в мире объектов, которые бы не имели никакого отношения к замкнутым динамическим системам.
Оказывается, что наша жизнь просто напичкана замкнутыми динамическими системами! Одной из таких систем являемся мы сами, но наряду с этим наш организм содержит множество подсистем, работающих на этом же принципе. При общении с внешним миром мы является элементами таких же систем, и зачастую наше поведение определяется именно этой нашей ролью в системе значительно сильнее, чем нашей собственной волей. Так два человека могут образовать систему, свойства которой будет определяться не свойствами каждого человека в отдельности, а именно сочетанием этих свойств этих людей как элементов замкнутой динамической системы.
У Станислава Лема в романе «Голос неба» есть такая фраза: «…По существу никто из специалистов не мог примириться с тем, что великую Тайну Человека, необъяснимые черты его натуры можно вывести из общей теории автоматического регулирования». Слова великого писателя-фантаста оказались пророческими. Конечно, не в том смысле, что всякое поведение человека может быть выведено однозначно из ТАУ. Но поведение человека, когда он является частью замкнутой динамической системы, а также в том случае, когда речь идёт о его функциях, которые реализуются внутри такой системы, эти слова полностью подтверждает.
Рассмотрим общение двух человек. Все произносимые нами фразы и выполняемые (или не выполняемые) нами действия можно по степени воздействия на настроение другого человека (партнера) разделить на три группы: отрицательные, нейтральные и положительные. Если хотя бы один партнер не может ответно воздействовать на настроение другого, то контура с обратной связью не возникает. Препятствия могут быть дистанционные или иерархические. Например, в случае восприятия другого человека по телевизору, или в качестве непререкаемого руководителя контура обратной связи нет, а есть только причинно-следственная связь в единственном направлении.
Если же партнеры оба могут воздействовать на настроение друг друга, то это воздействие, разумеется, зависит от полученного со стороны партнера предшествующего воздействия, и оно же повлияет на последующее воздействие. Налицо контур обратной связи «действие» - «реакция» - «последействие». Этот замкнутый контур, который может передавать как положительное, так и отрицательное воздействие. Термин «положительная обратная связь» или «отрицательная обратная связь» указывает отнюдь не на характер воздействия (т.е. не на улучшение или ухудшение настроения) а на совпадение или несовпадение знаков приращений действия и последействия.
В межличностных отношениях обратная связь чаще всего имеет положительный знак, то есть характер воздействия совпадает с характером реакции. Если нам настроение подняли, то и мы стремимся его ответно поднять, если же нам его испортили, то испортим и мы. Из ТАУ известно, что системы с положительной обратной связью устойчивы только в том случае, если общий коэффициент усиления воздействия по всему контуру меньше единицы. То есть результат от воздействия, внесенного в контур, слабее, чем это само воздействие. Именно поэтому мы чаще всего не ссоримся с малознакомыми или малоинтересными для нас людьми. А если и ссоримся, то не сильно: «Гав!» - «Гав!» - и разошлись. Если же коэффициент будет больше единицы, то система с положительной обратной связью всегда неустойчива. Действие такой системы состоит в лавинообразно нарастающей приязни или неприязни. Коль любить – так до могилы, коль воевать, так уж насмерть!
Кстати, само слово «лавинообразно» также указывает на одно из неустойчивых систем с положительной обратной связью – на снежную лавину. В снежной лавине также сдвиг небольшого количества снега вызывает изменения условий, которые приводят к еще большему сдвигу еще большей массы снега. Коэффициент больше единицы, обратная связь положительна, такая система неустойчива.
Неустойчивость психологической системы из двух человек не всегда вызывает ссору этих людей. Неустойчивость означает лишь движение в одну сторону в эмоциональном восприятии личностями друг друга. Такое движение может реализоваться не только как возрастание неприязни, но и как нарастание положительных эмоций, в частности, возникновении дружбы или любви.
Психологические условия в заданном сочетании двух людей одинаково неблагоприятны или благоприятны как для дружбы или любви, так и для ненависти. Одна и та же пара может достичь обожания или ненависти по тем же самым причинам. Не даром говорят: «От любви до ненависти – один шаг». Так Кукушка и Петух из одноименной басни И.А. Крылова мгновенно достигают насыщения поощрениями, так как в ответ на похвалу стараются похвалить друг друга еще сильнее. Гоголевские Иван Иванович и Иван Никифорович, напротив, от пустяка доходят до смертельной ненависти, поскольку каждый раз в ответ на обиду каждый из них стремится нанести обиду еще более сильную.
Если же реакция двух партнеров различна, то система может оставаться устойчивой. Поэтому пара холерика и флегматика во взаимоотношениях не подвергается таким стрессам, в такой паре не возникает ни обожания, ни ненависти. Не даром известно, что иногда противоположные черты характера являются причиной длительных отношений. Из двоих ссорящихся кто-то один должен быть спокойней, выдержанней, умнее. Тогда есть шанс, что ссора затихнет скорее. Если же выдержанным окажутся оба в равной степени, то просто ссора растянется во времени надолго, а по сути это также будет неустойчивая система, как и в том случае, когда оба в равной степени невыдержанны.
5. ЗАДАЧИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
«Если вы все время будете двигаться только в одном направлении, мы всегда сможем оттеснить вас туда, где весь ваш здравый смысл не будет иметь никакого значения».
Из речи Юлия Цезаря к своим сенаторам
«…Где можно жертвовать другими, Зачем нам жертвовать собой?»
В. Соловьев. Победителей судят
В биологических процессах теория автоматического управления проявляется очень часто. Кто-то умный отметил, что вся эволюция – это решение вопроса, кто кого съест. Добавлю, что этот вопрос никогда не решается в чью-либо пользу окончательно.
Всем известен пример, для чего «нужны» хищники. Утверждается, что если хищники перестанут существовать, то начнут размножаться травоядные животные, которые съедят всю траву и, наконец, сами вымрут. Но в таком примитивном понимании в природе процессы идут очень редко – это катастрофа. Стабилизирующие обратные связи действуют постоянно, а не время от времени. Действие их проявляется в том, что небольшое увеличение количества хищников приводит к небольшому снижению количества травоядных животных, в результате возрастает конкуренция за пищу, и количество хищников стабилизируется на том уровне, который необходим для стабильного существования на данном ареале данного биоценоза.
Аналогично небольшое уменьшение количества хищников приведет к увеличению травоядных, что будет способствовать росту количества хищников. По отношению к траве и другим кормам травоядные задействованы в аналогичной петле авторегулирования, и играют роль хищников. Трава играет сходную роль по отношению к первичным ресурсам почвы. А почва, со своей стороны, поглощает и траву, и травоядных, и хищников. Таким образом, имеют место множество петель, множество контуров, в которых отдельные параметры стабилизируются.
Неустойчивость этих контуров приводит к экологическим катастрофам. Здесь слово «катастрофа» принято не в качестве показателя масштаба бедствия, а в качестве граничного состояния системы автоматического регулирования, в которое она попадает при нарушении устойчивости.
Но и сами катастрофы могут являться частью устойчивого контура в более глобальном смысле. Так, например, лесной пожар, несомненно, является катастрофой, но с позиции общей эволюции пожар леса может явиться необходимой частью преобразования лиственного леса в хвойную тайгу, поскольку хвойные деревья меньше страдают от пожара, более приспособлены к преодолению его последствий.
Неожиданно резкие изменения животного мира происходят на исторических отрезках так «быстро», что ученые постоянно ищут внешнюю причину. Американские ученые широко рекламируют теорию катастрофического вымирания динозавров вследствие падения метеорита. Но при ближайшем рассмотрении выясняется, что отрезок времени, на протяжении которого вымирали динозавры, хотя и кажется мгновением на интервале в 150 миллионов лет, все же слишком длинен для того, чтобы быть объясненным падением единственного метеорита – это многие тысячи лет. Да и вымирали динозавры не все скопом, а вид за видом, последовательно. Некоторые животные, являющиеся современниками динозавров, не вымерли вовсе. Следует ли это объяснять целой серией падений метеоритов, с завидной регулярностью падающих на Землю именно в те моменты, когда подходит пора для вымирания тех или иных видов динозавров, поскольку уже подготовилась почва для новых видов животных? Выходит, не упади эти метеориты очень нужной величины и в очень нужное время, чтобы с одной стороны не уничтожить все живое, а с другой стороны – устранить динозавров и расчистить путь млекопитающим, так и не было бы эволюции вовсе? От такого предположения недалеко и до идеи о Боге, который очень своевременно устраивает на Земле катастрофы, чтобы развитие жизни на ней шло правильным путем.
Причина таких резких перемен, видимо, тоже кроется вовсе не в метеоритах, упавших в нужном месте и в нужное время, а в положительной обратной связи при протекании этих процессов. Для этого надо рассматривать всю пищевую цепочку и всю цепочку утилизации туш, а ведь от этих цепочек сохранились только отдельные фрагменты отдельных звеньев! Остальное надо достраивать мысленно, чтобы понять эти процессы. Разумеется, крупные хищники питались более мелкими животными (а многие ученые достаточно основательно полагают, что самые крупные хищники вообще были не хищниками, а питались падалью). Более мелкие животные питались еще более мелкими, а те в свою очередь – растительной пищей и насекомыми. В основании травоядных животных тоже лежит растительная пища. Следовательно, с одной стороны, история динозавров существенно зависит от истории растительного покрова и насекомых. Но ведь и растения и насекомые тоже развивались не на пустом месте! Для растений условия формируются жизнью животных и насекомых, для насекомых – жизнью растений, животных, птиц. Есть еще морские животные, микроорганизмы и прочее, прочее – все, что влияет на почвообразование, на состав атмосферы, и так далее. Имеет место и конкуренция отдельных видов, занимающих сходное место в пищевых цепях. У млекопитающих и птиц было преимущество: теплокровные животные лучше охотятся ночью и в холодное время года. Появление цветковых растений должно было резко преобразовать мир насекомых, следовательно, это должно было вызвать резкую перестановку сил и во всех остальных пищевых цепочках. То же самое относится и к изменениям в «подстилке» - слою опавших листьев и хвои, из которого насекомые извлекают пищу, превращая его в почву, то есть пищу для растений. Все так сложно, хотя каждый элемент интуитивно понятен. Привлечение ТАУ дает основания утверждать: в животном мире имеют место не только плавные эволюционные изменения, но и резкие, революционные. Именно в эти периоды, видимо, происходит видообразование. Разумеется, упавший метеорит может ускорить или стимулировать какой-то процесс, но не более того. Считать метеорит причиной скачка эволюции – столь же наивно, как считать крик животного или человека или падение какого-то камня причиной лавины, селя, обвала. Метеорит или крик – это лишь спусковой крючок, случайная помеха в неустойчивой системе, а причина неустойчивости – накопление в виде потенциала положительных обратных связей, которые реализуются в виде резкого изменения динамического состояния системы.
6. ФИЛОСОФСКИЙ АСПЕКТ
«Непризнание не есть незнание»
Жан Лакан (фр).
«Эти методы пригодны лишь для решения относительно простых задач, которые часто
могут быть сформулированы лишь благодаря далеко идущей идеализации, иногда настолько далекой, что фактически вместо поставленной задачи решается совсем иная».
Цыпкин Я. З. Адаптация и обучение в автоматических системах
Материалисты учили, что материальное является причиной, а духовное – следствием. В этом они противопоставляли свою позицию идеализму, утверждавшему обратное, считающему духовное начало причиной, а материальные явления – следствием.
Философам следовало бы обратиться к примерам из практики, из жизни и из науки. Этот спор именно потому и затянулся, что подтверждающие примеры для своих взглядов находили без труда и материалисты, и идеалисты. И при этом ни те, ни другие не могли свою теорию подвести под все известные явления: слишком узкой оказывалось любое из этих односторонних утверждений.
На самом же деле имеют место оба влияния, как материального начала на духовное, так и наоборот. Не только бытие определяет сознание, но и сознание определяет бытие. Не только история творит личности, но и личности творят историю. Не только «в здоровом теле здоровый дух» (точнее, у человека с больным телом меньше шансов на здоровые эмоции), но и здоровый дух может оздоровить тело (как в случае с А.В. Суворовым), а слабый духом человек доведет себя до состояния немощи простой праздностью.
В вопросах о божественном или эволюционном происхождении видов споры не умолкают до сих пор. Как бы ни была привлекательна теория эволюции Ч. Дарвина материалистам, слишком много нестыковок имеет место. Невозможно простым перебором и действием природы методом проб и ошибок объяснить столь быстрое видообразование и практически полное отсутствие побочных, неудачных ветвей. Ведь если бы природа действовала перебором, то наряду с существами, приспособленными к изменившимся условиям существования, возникало бы во столько же раз больше неприспособленных существ, во сколько раз больше неудачных комбинаций генов по сравнению с удачными комбинациями. Этого не происходило, видимо, потому, что не только на стадии выбраковки природные условия участвовали в видообразовании, но и на всех стадиях эволюции живых организмов, и сами организмы эволюционировали не изолированно, каждый отдельно, а все вместе как единый биоценоз. Только так можно объяснить существование совершенно далеких видов, не могущих обходиться друг без друга, как, например, некоторые виду муравьев не могут обходиться без некоторых растений, а эти растения не могут обходиться без этих видов муравьев. Примеры такого удивительного содружества находим и в лишайниках, и во многих других группах живых организмов и целых экосистемах. По-видимому, практически ни один вид не может успешно существовать изолированно от того экологического и биологического окружения, которое вокруг него сложилось, но и ни один вид не существует без обратного влияния на это окружение. Все взаимосвязано, и именно взаимно, а не в одном направлении.
Поэтому и в основном вопросе философии давно следует отказаться как от идеализма, так и от материализма, признавая, что как материальная основа влияет на духовную сущность любого предмета и любой данности, так и обратное влияние обязательно имеет место. Даже на стадии возникновения нет необходимости выделять что-то одно как причину, а другое – как следствие. Ведь материя никогда не возникала и никуда не исчезнет (вопреки мнению некоторых ортодоксальных поклонников теории большого взрыва), но материя не могла существовать ни мгновения в отрыве от законов ее существования и взаимодействия, поэтому законы материального мира столь же фундаментальны, как и сама материя. Без материи законы – ничто, но и материя без законов ее существования невозможна. Если же говорить о предметах, возникших когда-то, скажем, в результате эволюции, то и тут имело по всей вероятности место именно одновременное проявление влияния материальной и духовной основы (под духовной основой не имеется в виду ничего божественного, и лишь законы существования и поведения материальной субстанции). Бессмысленно обсуждать, что произошло раньше – человек стал разумным или его мозг увеличился. Эти процессы происходили одновременно и влияли друг на друга. Поэтому на символический (шуточный) вопрос: «Что было раньше, курица или [куриное] яйцо?» следует, видимо, ответить: «Они возникли практически одновременно в сравнении с интервалом движения к этому состоянию. Пока яйцо сносила не курица, он было не куриное, курица только тогда стала курицей в полном смысле, когда начала нести куриные яйца».
7. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
«Я больше ниспровергал старых истин, чем утверждал новых».
Станислав Лем. Глас неба.
«Они, кажется, не столько заботились о достоверности, сколько хотели поупражнять свой ум на трудном предмете»
М. Монтень. Опыты
В отсутствии ТАУ многие вопросы физики были для самих физиков камнем преткновения, и многие из них остаются и до сих пор таковыми, поскольку физики не изучают ТАУ. Эта теория способна объяснить, почему электрон в атоме, который испытывает только силу электрического притяжения и, казалось бы, должен неминуемо упасть на ядро, все же не только в некоторых случаях не падает, а не падает вообще практически никогда. То есть движение, которое должно закончиться раз и навсегда падением электрона, вместо этого происходит бесконечно, причем без потери энергии. Эта проблема поставила в тупик абсолютно всех физиков, размышляющих над этим вопросом, самые известные из них – Нильс Бор и Макс Планк. Нильс Бор так и не нашел удовлетворительной модели, описывающий траекторию движения электрона под действием сил притяжения ядра даже для атома водорода, то есть когда электрон всего один. Макс Планк оригинально поступил – он и не стал находить такую модель, а по совету Эйнштейна попросту принял как один из постулатов утверждение, что электрон в атоме не падает на его ядро, а совершает движения по устойчивой стационарной орбите. Таким образом, вместо ответа на вопрос «Почему?» был дан тезис «Так есть!». И хотя все понимают, что не может электрон перестать быть электроном вблизи ядра атома, все его поведение должно описываться на основе элементарных законов электродинамики, тем не менее, эта задача теперь не решается, и, видимо, не будет решаться никогда и никем. Однако с позиции ТАУ эта задача элементарна, и решение ее, соответствующее реальной действительности, практически лежит на поверхности! Изюминка в том, что при движении электрона к ядру скорость его растет по мере приближения неимоверно, и достигает скорости света (или скажем для скептиков мягче – становится соизмеримой с ней). А в этом случае запаздывание взаимодействия двух частиц становится существенным. А при существенном запаздывании устойчивость движения неминуемо нарушается. Поэтому если электрон способен разогнаться до релятивистских скоростей, то он неминуемо не упадет на ядро, а будет колебаться около этой конечной цели с некоторой постоянной амплитудой и постоянной частотой – именно с постоянной, поскольку система не линейна. Это называется автоколебаниями и каждому специалисту по ТАУ не надо разъяснять, чем отличаются линейные колебания, амплитуда и частота которых зависит от начальных условий, от нелинейных, которые от начальных условий не зависят. Любой физик, рассуждая о планетарной модели атома, которую предлагал Нильс Бор, скажет, что эта модель не адекватна действительности, поскольку при такой модели размеры атома должны были бы зависеть от начальной скорости электрона, и не были бы одинаковыми для одинаковых атомов. Нелинейная же модель, учитывающая квадратичную зависимость силы от расстояния и зависимость силы от скорости (что тоже вполне естественно для взаимодействия, распространяющегося с конечной скоростью) решение лежит на поверхности, оно очевидно, и оно именно таково, каково в реальности – стационарная колебательная система.
Укажем еще на одно важнейшее отличие круговой орбиты от автоколебательной траектории. В круговой орбите потенциальная энергия объекта приблизительно остается постоянной, и кинетическая – тоже. Действительно, любой естественный или искусственный спутник летит примерно с постоянной скоростью и на примерно одном и том же расстоянии. При автоколебаниях объект «на полной скорости проходит равновесное состояние» и вследствие инерции не остается там, а летит дальше. В момент прохождения этого равновесного состояния потенциальная энергия равна нулю, ведь в этом состоянии все силы уравновесили бы друг друга. Скорость же в этот самый момент максимальна, следовательно, кинетическая энергия тоже максимальна. Далее объект удаляется от равновесного состояния и теряет скорость, поскольку возникают силы, возвращающие его в это состояние. Следовательно, потенциальная энергия растет, а кинетическая – падает. В момент максимального удаления от равновесного состояния потенциальная энергия максимальна, кинетическая же равна нулю, так как скорость объекта падает на мгновение до нуля. Итак, потенциальная энергия при автоколебаниях регулярно переходит в кинетическую, а кинетическая затем обратно в потенциальную. Поскольку потери энергии в таких колебаниях отсутствуют (можно указать и на причины этого и на следствия – отсутствие излучения), то такое колебание может происходить вечно. Любой атом отличает от «вечного двигателя» только то, что он не производит никакой работы, а, следовательно, двигателем не является.
Очень многие физические явления стали бы понятны, если бы были привлечены весьма строгие и математически обоснованные результаты ТАУ к некоторым моделям физических процессов. Достаточным основанием для привлечения ТАУ к анализу любой системы, и даже необходимым условиям применения этого аппарата является обратная связь в динамических системах. То есть, нужны два факта: обратная связь и существенность ее динамических свойств. Обратная связь - это взаимное влияние одной величины на другую (и обратно – «другой» на «одну»). Обратная связь имеет место: ведь положение электрона влияет на силу, сила влияет на ускорение, ускорение влияет на скорость, а скорость влияет на положение. То есть: какую величину не измени – изменятся и все другие в едином контуре взаимовлияния. Наличие существенной зависимости от динамических свойств тоже не подлежит сомнению. Ведь возрастание скорости электрона почти ничем не ограничено, так как возрастание силы притяжения происходит почти до «бесконечности» с уменьшением расстояния «до нуля». А если бы даже и принимать в расчет ограничение скорости, скажем, постулатом теории относительности (есть основания сомневаться, что он справедлив), то даже и в этом случае скорость, пусть она составляет всего лишь часть от скорости света, она начнет весьма сильно влиять на силы взаимодействия и на результат этого взаимодействия. Вообще говоря, для того, чтобы назвать систему динамической, достаточно признания, что ее быстродействие не бесконечно. Поэтому, строго говоря, все системы – динамические. Исключением можно считать лишь те системы, в которых изменение одной группы величин во времени столь медленно происходит, что их изменением на коротких интервалах времени можно пренебречь, и поэтому систему можно рассчитывать по приращениям величин в цикле. К таким системам относятся модели движения астрономических тел. Но если и туда привнести учет динамики, то получим в результате уравнения прецессий, которые имеют место, так что, строго говоря, и эти системы – динамические.
Среди явлений, которые физики до сих пор не могут объяснить, особое место занимает шаровая молния. Привлечение ТАУ позволяет утверждать, что если бы сгусток вещества в плазменном состоянии мог бы быть преобразован в диполь, и одна из его компонент под действием электромагнитных сил притяжения была бы разогнана до релятивистских скоростей, то этот сгусток мог образовать квазиустойчивое образование, аналогичное макромодели атома водорода. То есть можно указать условия, при которых, например, капля парафина может превратиться в подобие светящегося шара. Если это образование будет квазиустойчивым, то есть не долговечным, но существующим на некотором конечном интервале времени, то в момент образования, жизни и (особенно) распада оно будет излучать высокочастотные электромагнитное излучение в очень широком спектре частот. Приблизительно это и происходит при наблюдении шаровой молнии. То есть имеется возможность не только объяснить природу шаровой молнии, но и указать, каким образом ее можно воспроизвести. Для этого необходимо осуществить сильный разряд электрического поля через какое-то количество вещества, легко переходящего в плазменное состояние – это может быть природный или искусственный парафин. Разряд должен ионизировать отдельные компоненты вещества и достаточно сильно разнести их дистанционно, чтобы при движении к рекомбинации они могли достаточно сильно разогнаться. Кто знает, может быть тут скрыт потенциал для новых научных открытий?
8. ОСНОВЫ ТЕОРИИ
«Интересы науки так же мало для меня значат, как для науки – мои интересы»
Амброз Бирс. Гипнотизер.
Давайте обсудим несколько вопросов: «Что называют замкнутой динамической системой? Что называют неустойчивостью (устойчивостью) системы? Каковы основные причины неустойчивости замкнутых динамических систем?»
Прежде всего, динамическая система – это система из динамических элементов.
Динамическим элементом мы назовем любой элемент, имеющий отклик на входное воздействие, который зависит от времени. Практически, под это понятие подпадает любой элемент, способный давать какой-либо отклик на входное воздействие. В частности, утверждение Козьмы Пруткова: «Щелкни кобылу по носу – она махнет хвостом» - это тоже одна из форм описания динамического элемента. Удобнее всего описывать их именно по соотношению между выходным сигналом и входным воздействием, которое этот выходной сигнал вызвало. Когда структура элемента не известна, такой элемент порой называют «черным ящиком», если же известно соотношение между входным и выходным воздействием, то этот элемент называют динамическим звеном. Как правило, наряду с зависимостью выходного сигнала от входного сигнала, он зависит еще от некоторых условий, которые не известны и не измеримы. Поэтому уже не важно, известна эта дополнительная зависимость, или нет – в любом случае рассчитать ее нельзя, коль скоро сама величина не измеряется. Поэтому все отличие выходного сигнала от идеального, т.е. от такого выходного сигнала, который был бы в отсутствии этих дополнительных воздействий, сводят воедино и называют помехой. Именно для противодействия помехе организуют систему автоматического управления. Если бы помехи не было, для управления объектом контура обратной связи не требовалось бы, но при наличии помехи управление без обратной связи немыслимо.
Динамические элементы могут быть линейными или нелинейными. Идеальных линейных динамических элементов в природе не существует, но большой класс объектов можно свести к таким элементам, если осуществить линеаризацию отношения выходного сигнала к входному воздействию вблизи точки равновесного состояния.
Равновесное состояние – это такое состояние покоя элемента, при котором входное воздействие принято равным нулю (или все они равны нулю, если их несколько). В ТАУ говорят лишь об изменениях воздействий, то есть о сигналах на входе и выходе в отклонениях от равновесного состояния. Поэтому, скажем, равновесное состояние системы терморегуляции живого организма при нулевых условиях не означает температуру, равную абсолютному нулю, а означает лишь, что температура такова, при которой в системе устанавливается равновесие, допустим, 36,6 градусов Цельсия. Отклонение от этой температуры – есть сигнал для системы терморегуляции, а отклонение концентрации каких-то биологических веществ или ферментов – это отклик системы, управляющее воздействие, осуществляющее стабилизацию.
Любое входное воздействие можно представить как приращение некоторого воздействия. Любое изменение выходного состояния – приращение выходного сигнала или просто «выходной сигнал». Приращение выходного сигнала, отнесенное к приращению входного сигнала, может описываться всего лишь коэффициентом, но чаще и правильнее описывать его функциональной зависимостью, содержащей также зависимость от времени.
Если это был бы всего лишь коэффициент, то не было бы необходимости употреблять слово «динамический». Поскольку все реальные объекты характеризуются конечным быстродействием, строго говоря, объектов, которые не были бы динамическими, в природе не существует.
Следовательно, описание кобылы надо уточнить: «Щелкни кобылу по носу – через четверть секунды она махнет хвостом». А если бы еще было сказано «А не щелкнешь – так никогда и не махнет», то из этого мы могли бы заключить, что кобыла – полностью управляемый объект: количество взмахов хвоста может строго контролироваться через входные воздействия – щелчки по носу.
Но на любой объект управления, как сказано выше, всегда действуют еще и неизвестные возмущающие величины, которые невозможно измерить непосредственно, результат действия которых, однако, накладывается на общий результат. В примере Козьмы Пруткова таким возмущающим воздействием могло бы быть воздействие слепней и иные побудительные мотивы, в связи с которыми кобыла бы махала хвостом и в том случае, когда никто ее не щелкал по носу, или не махнуть хвостом даже в случае, когда ее щелкнули по носу.
Итак, динамический элемент – это объект или часть объекта, который может быть описан зависимостью выходного сигнала от входного сигнала и времени, а также от некоторых неизвестных факторов, называемых помехой.
Системой называется цепь из нескольких динамических элементов, при условии, что в этой цепи имеется хотя бы одна петля.
Замкнутая динамическая система – это такая система, в которой замкнута имеющаяся петля обратной связи. Разомкнутой системой называют ту же самую систему при условии, что связь с одним из элементов искусственно мысленно прерывается, для того, чтобы осуществить анализ (а в реальности она все равно замкнута). Если в системе обратная связь прерывается не мысленно, но и фактически, то это уже не система, а цепь динамических элементов.
Замкнутость петли используется для управления. Объект должен быть управляемым и наблюдаемым, и тогда даже в том случае, если на объект действует помеха и заставляет его изменять свое состояние в нежелательном направлении, контур обратной связи позволяет достигать предписанного состояния объекта. Если вследствие укуса слепнями кобыла произвольно может махнуть хвостом от сорока до ста раз в час, то, подсчитывая количество таких взмахов (наблюдая) и добавляя требуемое количество щелчков (управляя), мы можем вручную стабилизировать эту величину, скажем, на уровне 200 взмахов в час. Это будет автоматизированная система управления, то есть система, действующая с участием человека в контуре обратной связи. Автоматическая система управления сделала бы это без нашего участия, если бы нам в голову пришло сконструировать такое «дощелкиватель кобыл». При этом если бы мы вручную устанавливали требуемое количество взмахов в час, система была бы все равно автоматической, а не автоматизированной, потому что в контуре управления человек не присутствует, а его участие сводится только к формированию предписанной величины. Быстродействие реакции человека не влияет на динамические свойства системы – в этом особенность любой автоматической системы и в этом ее отличие от автоматизированной системы.
Сама кобыла в этом отношении также является системой, которая устанавливает оптимальное равновесие по самочувствию - она не столь рьяно трясет хвостом, чтобы вконец утомиться, но и не столь редко, чтобы ее закусали слепни.
Итак, мы ответили на вопрос, что называют замкнутой динамической системой.
В динамической системе (ДС) обратная связь, как отмечалось, может быть как отрицательной, так и положительной. Отрицательная обратная связь (ОС) – это такая связь, при которой всякое отклонение от равновесного состояния вызывает возникновение сигнала, приводящего к уменьшению этого отклонения. Если на всех частотах в системе действует отрицательная ОС, то система стремится возвратиться в исходное состояние.
Положительная обратная связь – это такая связь, при которой всякое отклонение от равновесного состояния вызывает возникновение сигнала, приводящего к увеличению этого отклонения. Если хотя бы на некоторых частотах в системе действует положительная ОС, то помеха на этих частотах усиливается в сравнении с помехой на других частотах. Если же при этом коэффициент усиления всего контура, условно разомкнутого, на этих частотах больше единицы, то система не может возвратиться в исходное состояние, поскольку это её стремление к равновесному состоянию становится неустойчивым.
Причина неустойчивости лежит в том, что на некоторых частотах отрицательная ОС переходит в положительную ОС. Системы с положительной ОС могут оставаться устойчивыми только в том случае, если эта ОС имеет коэффициент по всему контуру меньше единицы. Это логично: добавление к случайному возмущению какой-то доли от этого возмущения еще не приводит к лавинообразному нарастанию итогового отклонения от равновесного состояния. Если же случайное возмущение порождает добавку с этим же знаком и с усилением (т.е. с коэффициентом больше единицы), то произойдет лавинообразное отклонение от равновесного состояния. Итак, положительная обратная связь не нарушит устойчивости только тогда, когда она возникает для частот, на которых коэффициент усиления контура меньше единицы.
Откуда же возникает положительная ОС, если в целом сигнал обратной связи подается с таким расчетом, чтобы ее знак был отрицательный? Если сигналы, воздействующие на объект, разложить на гармонические компоненты и рассмотреть их отдельно, то каждая компонента получает индивидуальный сдвиг фазы, проходя через объект. Чем выше частота, тем, как правило, больше сдвиг фазы. Сдвиг фазы на 180 градусов равнозначен инвертированию сигнала, и именно в этом случае отрицательная ОС превращается в положительную. Следовательно, те частоты, которые задерживаются на 180 градусов и больше, не должны усиливаться в контуре с коэффициентом, большим единицы.
9. ИНЕРЦИОННОСТЬ ВСЯКОГО ОБЪЕКТА
«Тот, кто полагает, что нельзя ничего знать, не знает и того, можно ли знать,
почему он утверждает, что он ничего не знает»
М. Монтень. Опыты
Ничто не откликается на воздействие мгновенно.
Любой объект, который может быть описан откликом на входное воздействие, обязательно характеризуется некоторыми динамическими свойствами.
Поэтому же любой физический закон в его математическом выражении представляет лишь асимптотическое приближение к действительности. Так, например, закон о том, что действие равно противодействию, справедлив лишь в среднем, либо в предположении о бесконечной скорости распространения сил, которое, конечно же, если говорить строго, не соответствует действительности. Фильтром первого порядка называют звено, затухание частотного отклика которого обратно пропорционально частоте в первой степени. Такой фильтр в области затухания вносит сдвиг фаз только 90 градусов. Следовательно, если контур замкнутой системы описывается звеном первого порядка, такая система устойчива при любых коэффициентах усиления. Но звенья первого порядка существуют лишь теоретически или приближенно – в сравнении с пренебрежимо малыми звеньями более высоких порядков, которые входят в систему, но не влияют на ее устойчивость в силу малого коэффициента усиления системы на тех частотах, на которых эти высшие порядки объекта проявляются. На практике ни одна система не может сохранять устойчивость при сколь угодно большом коэффициенте усиления, в теории же такие системы существуют – это системы первого порядка.
Если в системе имеется два фильтра, то сдвиг фаз постепенно переходит от 90 градусов к 180 градусов (при этом в области пропускания фильтров сдвиг фаз равен нулю). Такая система может быть устойчивой или неустойчивой, в зависимости от коэффициента усиления контура. Если единичное усиление соответствует суммарному сдвигу частот менее 180 градусов, система будет оставаться устойчивой. Повышением коэффициента усиления такую систему можно довести до возбуждения.
Отметим некоторый почти парадокс: устойчивое движение к равновесному состоянию породило бы неустойчивость вселенной как таковой: движение в ней прекратилось бы. И наоборот: неустойчивое движение к равновесному состоянию означает устойчивость колебательного движения около этого равновесного состояния.
И в итоге – устойчивость вселенной, как вечно движущейся системы – движущейся во всех своих проявлениях и сущностях, с ее движением галактик и метагалактик, звезд и планет, в вечных кругах, спиралях и эллиптических орбитах с прецессией, с круговоротом веществ и организмов, биоценозов и биосистем, биологических содружеств и противоборств, с движением в молекулах, атомах, элементарных частиц и того, из чего они составлены.
Сама материя – это лишь движение её точечных различий.
И все эти движения порой устойчивы благодаря лишь неустойчивому стремлению к покою!
10. СИСТЕМА ИЗ ДВУХ ИДЕНТИЧНЫХ ОБЪЕКТОВ ВСЕГДА НЕУСТОЙЧИВА (НА ПРАКТИКЕ)
«Если с вами во всем соглашаются, проверьте, слушают ли вас».
По К.С. Мелихану
Если в контуре задействованы два идентичных объекта, то общий сдвиг фаз будет удваиваться. Следовательно, даже если эти объекты описываются фильтрами первого порядка (в первом приближении), то в итоге сдвиг фаз будет равен 180 градусов или более (за счет дополнительных звеньев).
(Формально система с запаздыванием на 180 градусов находится "на границе устойчивости" при бесконечно большом усилении, то есть при любом конечном усилении является устойчивой, но переходный процесс состоит при этом из большого количества колебаний около равновесного состояния, амплитуда которых не слишком быстро затухает. Практически же приведенное выше утверждение почти верно, поскольку в любом практическом объекте наряду с явно проявляющимися амплитудно-частотными зависимостями выходного сигнала от входного имеют всегда место и неявные явления высших порядков. Они всегда лишь увеличивают запаздывание сигналов. Поэтому далее мы с указанной оговоркой будем считать систему из двух одинаковых звеньев с достаточно большим коэффициентом неустойчивой не в терминах "устойчивости по Ляпунову" в терминах более близким к бытовому понятию - то есть движение к равновесному состоянию будет иметь характер многих (более десятка) колебаний. Данное примечание добавлено вследствие справедливой поправки автора под псевдонимом I.Pismenny).
Итак, из ТАУ следует, что система будет неустойчивой не только при положительной обратной связи с коэффициентом больше единицы, а также при отрицательной обратной связи и большом коэффициенте в случае, если темпы реагирования двух объектов будут приблизительно одинаковы. Система из двух идентичных объектов всегда не устойчива. Такая система возникает, например, когда два человека идут навстречу друг другу по узкой тропинке. Каждый стремится уступить дорогу другому, но в результате зачастую возникают метания из стороны в сторону. Если один из прохожих отягощен коляской, санками или большой ношей, или если он более медлителен вследствие возраста, то метаний не возникнет, и это также можно вывести из общих положений ТАУ.
Казалось бы, рассмотренный пример несерьезен, однако те же самые причины вызывают не только метания прохожих на узкой тропинке, но и метания испуганного пешехода перед движущимся транспортом (что намного опаснее), а также могут привести к столкновению самолетов и такие примеры, к сожалению, были. Если бы проектировщики автопилотов и специалисты, разрабатывающие должностные инструкции авиадиспетчеров, знали эту проблему более детально, возможно, в каких-то случаях трагедии удалось бы избежать.
11. ЭКОНОМИКА СОЦИАЛИЗМА И РЫНОЧНАЯ ЭКОНОМИКА
«Злоупотреблять можно только хорошими вещами».
М. Монтень. Опыты
Всем известны кризисы, сокрушающие рыночную и плановую экономику. Эти кризисы называют «кризисом перепроизводства», но в реальности имеются колебания в обе стороны – как в область перепроизводства продукта, так и в область его же дефицита.
Объяснение этого явления простое. Быстродействие отклика производителя на ситуацию приблизительно совпадает с быстродействием отклика потребителя. Производитель стремится стабилизировать ситуацию, то есть по структуре в системе имеется отрицательная обратная связь: чем больше произведено товаров, тем легче удовлетворяется спрос, следовательно, тем ниже цена и меньше потребность в дополнительном производстве; чем меньше товаров, тем они дефицитнее, тем больше в них потребность, и тем больше их производят. Следовательно, количество любых товаров должно в принципе уменьшатся при его перепроизводстве, и увеличиваться при его недостатке. Откуда же берутся кризисы? Население тоже реагирует на количество товаров. Чем больше их предложено, тем меньше население торопится их купить, следовательно, тем больше их остается на прилавках. Чем меньше их предложено, тем активнее население их покупает, опасаясь, что они совсем исчезнут, следовательно, тем меньше их будет оставаться.
Итак, потребитель имеет положительный коэффициент передачи по приращению количества товаров, производитель – отрицательный, общий коэффициент передачи в контуре отрицателен и больше единицы.
Помните, как директриса в фильме «Служебный роман» распекала своего подчиненного: «Откуда у нас в стране еще возникают перебои с некоторыми отдельными товарами? Это потому что некоторые нерадивые сотрудники в нашем статистическом бюро вовремя не планируют производство этих самых товаров!». Она ошибалась. Дефицит товара нельзя не заметить, когда он возникает производство этого товара невозможно не запланировать. Проблема в том, что пока этот товар будет запланирован и пока наладится дополнительный выпуск, пока товар дойдет до производства, пройдет много времени. Элемент «промышленность - торговая сеть» вносит одну задержку, элемент «торговая сеть – потребитель» вносит другую задержку, в итоге для некоторой очень низкой частоты эта задержка становится равной 180 градусов, а коэффициент усиления все еще больше единицы. Вот на этой-то частоте и возникнут колебания: то товара нет, и выпуск его снижается, то товар имеется, а выпуск его необоснованно наращивается. Система идет в разнос, то есть становится неустойчивой.
Если один из этих элементов искусственно ускорить или замедлить, систему можно сделать устойчивой. Замедлить систему можно, например, разъясняя, что рост потребности на данный товар – ажиотажный, не имеющий никакого отношения к реальной потребности. Действительно, иногда мы покупаем мыло, соль, спички, крупу и так далее не потому, что они у нас кончились, а потому, что опасаемся, что они закончатся в торговых точках.
Способ ускорить один из рассмотренных элементов – замкнуть цепь обратной связи не через инерционную систему государственного контроля производства продуктов массового потребления (включающую в себя постановления партии и правительства, строительство новых заводов, организации программ по решению вопроса), а через мелкого товарного производителя. Мелкие производители реагируют на требования рынка более оперативно, чем сам рынок меняет свои требования, и поэтому система становится устойчивой. Отсюда у наших бывших партийно-хозяйственных лидеров так неожиданно возникла любовь к «рыночной экономике». Но поскольку товары товарам рознь, то и рыночная экономика может спасать в области производства не самых значимых товаров массового производства, но она может оказаться несостоятельной в области других товаров и привести к инфляции – другому неустойчивому процессу, порожденному также положительной обратной связью в области спроса на особый «товар» - на деньги.
12. ПОЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
«Началось всё с раздоров между министрами: уж если собирались вместе три министра, то лишь для того, чтобы сговориться, как половчее изгнать четвертого»
А. Решильё. Мемуары.
«О, на что только люди не отваживаются! Что только они могут сделать! А что люди делают ежедневно, не осознавая, что они творят!»
В. Шекспир. Много шума из ничего
«В своем «Государстве» он [Платон] прямо заявляет, что для пользы людей часто бывает необходимо их обманывать».
М. Монтень. Опыты.
Политические процессы порой приводят к катастрофическим последствиям, которых никто не ждал и не планировал – к кризисам, включая военные конфликты. Здесь тоже может причиной быть неустойчивость системы дипломатических уступок и нажимов. Обе стороны могут одновременно начать терять контроль ситуации, и это тем более вероятно, чем более похожи страны, вступившие в дипломатический контакт. Если одна из стран реагирует более медленно, чем другая, вероятность устойчивой политики выше. Поскольку личность лидера страны также играет большую роль в темпах и силе ответных дипломатических шагов, равновесие между противостоящими державами держится не только на объективном раскладе сил, но и на личных качествах первых лиц в стране.
При диктатуре обратная связь между властью и народом минимальна. Поэтому диктатура редко разваливается по причине чисто субъективной, для ее краха нужны объективные причины – катастрофы в экономике или внешней политике. Демократия же может развалиться и без всяких объективных экономических или политических причин, поскольку демократия предполагает не только влияние правительства на народ, но и обратное влияние народа на правительство. Если этот контур взаимного управления, который должен строиться как устойчивый, вдруг в силу особых динамических свойств, то есть в силу соотношения быстродействия отдельных элементов, вдруг станет неустойчивым, то произойдет революция. Причем, эта революция не будет обусловлена ни войной, ни неурожаем, ни внешней агрессией, никакими иными объективными факторами, вызвавшими неустойчивость, либо такие факторы могут всего лишь сыграть роль внешнего возмущения, спускового крючка, который привел в действие систему с положительной обратной связью, обрушил лавину, накопившую неустойчивый потенциал.
Общеизвестно, что ни в одной из революций ни одна из сторон, инициировавших ее, никогда не достигала поставленных целей. И это естественно, поскольку революционные процессы никогда не контролируются полностью ни одной стороной, они развиваются по своим законам – по законам катастроф, то есть по законам систем с положительными обратными связями и с усилением отклика в контуре. Если бы преобразование управлялось со стороны тех, кто его затеял, это были бы уже не революции, а реформы. Реформы могут перейти в революции, если система утрачивает свойства, которые делали ее устойчивой. Для того же, чтобы революция вернулась на стадию реформ, необходимо менять так много элементов в системе, что эти процессы всегда болезненны и длительны. К тому же эта ситуация осложняется отсутствием какой-либо силы, которая могла бы целеустремленно исправлять связи в общественной системе. Да это и естественно: всякая сила, руководящая общественной системой, не стремится сделать ее устойчивой и самоорганизующейся, а стремится максимально подчинить ее себе. В этом кроется ловушка и парадокс: максимальное воздействие отнюдь не является наилучшим управлением! Так же, как объект, «наилучшим образом» откликающийся на управляющие сигналы – не самый лучший объект для управления. В таких случаях простая борьба с пьянством оборачивается тотальным уничтожением виноградников, дисциплина понимается лишь как полное повиновение вплоть до муштры и безынициативности, а свобода трактуется как вседозволенность – «перегибы на местах».
В системах с такими объектами регулятор выполняет функции демпфирующего устройства, сглаживает управляющий сигнал.
На этих примерах мы видим, что для того, чтобы успешно управлять общественной системой, не достаточно иметь просто хороший руководящий орган, его качества должны соответствовать качествам управляемого объекта, и это соответствие должно осуществляться с позиции системного подхода. Простое копирование «регулятора», успешно действующего в совершено других условиях, никогда не даст желаемого результата, ведь объект-то другой.
13. СТОЙКОСТЬ СУЕВЕРИЙ
«Именно эта его беспощадность в выска¬зывании мыслей, в равной степени непри¬емлемых и для науки, и для религии, его безграничный еретизм, эта его универ¬сальная кощунственность, проистека¬ющая из интеллектуальной отваги, должно быть, и оттолкнули от него всех читателей».
С. Лем. Новая космогония.
«Мозг здорового бодрствующего человека – предельно неустойчивая хаотическая система».
Пригожин И.Р., Стенгерс И. Время, хаос, квант
Различные суеверия (куда я отношу и религию) очень стойко держатся в сознании людей. Одной из причин этого я усматриваю положительную обратную связь в процессе усвоения этих суеверий. Чем больше мы в них верим, тем больше внимания обращаем на различные приметы и признаки грядущих несчастий, тем дольше держим их в памяти. Неприятности случаются достаточно регулярно, у всех и всегда, независимо ни от возраста, ни от пола, ни от погоды, ведь не будь неприятностей, мы бы стали называть неприятностями даже такие мелкие события, на которые в нормальной жизни не обратили бы внимания. Адаптация человеческой психики к фактическим событиям жизни приводит к тому, что почти каждый человек считает, что в его жизни имеются и радостные события, и неприятности, хотя если бы имелся стандарт на неприятности и на радости, то оказалось бы, что кто-то лишен неприятностей, а кто-то радостей. Это – действие отрицательной обратной связи, которая подстраивает наше ощущение того, что является неприятностью, а что – удачей к тому, что в действительности с нами происходит.
Другой контур обратной связи, на этот раз положительной, таков: если отмечена примета, то следует ждать неприятностей, а кто ждет неприятностей, тот всегда их дождется (аксиома). Кто дождался неприятности и сопоставил ее с ложной причиной – приметой – тот еще более уверовал во взаимосвязь этой приметы и воспоследовавшей неприятности.
Существует две взаимоисключающие жизненные позиции: «Все люди – волки» и «Все люди – братья». Как отметил Николай Козлов (современный психолог), обе они обладают организующей силой. Эти мировоззрения заставляют нас относиться к людям именно так, что они в ответ будут к нам относиться в точности так, как мы от них ожидаем, и тем самым будут утверждать нас в изначальной точке зрения. Относитесь к людям по-братски, и они будут своим поведением убеждать вас в том, что такое отношение обоснованно. Относитесь к ним по-скотски, и они докажут вам, что они этого заслуживают. Налицо положительная обратная связь, причем с коэффициентом намного больше единицы.
14. ГИПОТЕЗЫ
«То, как мы пытаемся описать Природу, обычно является непонятным для нас самих».
Ричард П. Фейнман.
Странная теория света и вещества
«Если, рассуждая о природе богов и происхождении вселенной, мы не достигнем желанной нашему уму цели, то в этом нет ничего удивительного. Ведь следует помнить, что и я, говорящий, и вы, судьи – всего лишь люди; так что, если наши соображения будут правдоподобны, не следует стремиться ни к чему большему».
М. Монтень. Опыты.
«Гипотез не измышляю»
Исаак Ньютон
В природе мы наблюдаем множество отрицательных обратных связей – они стабилизируют всевозможные процессы. Встречаются и положительные обратные связи, дестабилизирующие другие процессы.
Лавина, срывающаяся с гор, ядерный взрыв, землетрясение, эпидемии и вспышки численности отдельных видов – все это примеры действия положительных обратных связей. Примеров действия отрицательных связей всех не перечислить! Это и круговорот воды в природе, и стабильность численности животных и растений в биоценозе, сотрудничество различных видов и паразитизм – тоже! Мы видели, что некоторые явления в физике принципиально не понятны, если не привлекать аппарат ТАУ, но они же оказываются вполне объяснимыми с этих позиций.
В биологии есть тоже много загадок, которые кажутся неразрешимыми. Одна из таких загадок – эволюция. Нет, я не ставлю под сомнение эволюционную теорию Дарвина, но кое-какие цифры никак не сходятся.
Согласно представлению Ч. Дарвина, природа действовала методом проб и ошибок, но при этом пробы были абсолютно случайны, а качество этих проб определял лишь естественный отбор. То есть все неудачные пробы природы были отвергнуты неудачными итогами введения их в жизнь, а удачные – закреплялись. Чисто теоретически эта теория очень красива. На практике она полностью опровергается. Если бы природа реализовывала все свои «пробы», то мир был бы завален трупами от этих неудач. Ведь к неудачам следует относить не только нежизнеспособные особи, но и такие, которые способны не только родиться, но и вырасти до взрослого состояния, хотя и не участвовать в размножении вида, и не только по причинам неудачности данной «конструкции», а также и по причинам ее неуместности в данном климатическом и биологическом окружении. Ведь для того чтобы чисто случайно наткнуться на единственно правильное решение, надо перепробовать чрезвычайно много вариантов, что природа просто не могла бы себе позволить. Среди них – даже и удачные в смысле отрыва от новой среды, от новых внешних условий, а неудачные они лишь по отношению к изменившейся окружающей среде. То есть, допустим, если в сложившейся ситуации животному нужны оперенные крылья, то природа должна перепробовать и рога, и ласты, крылья, покрытые шерстью, и покрытые чешуей, и панцирь, и прочие новые приспособления, а среди них также и крылья. И где же эти самые «пробы»? Не говоря о том, что между бескрылым животным и крылатым стоит очень много промежуточных форм (как крылья не того размера или силы), мы все же приходим к выводу, что поиск должен носить признаки осмысленности, направленности, далеко не все тупиковые варианты проходят апробацию. И вообще летающее животное от нелетающего отличает отнюдь не один новый признак, а целый набор из сотни-другой отличительных свойств, включая и форму тела, и особую структуру абсолютно всех других органов (даже глаз). Между этими отличиями «дистанции огромного размера». В принципе они определены разными наборами генов, но и сами гены – это величайшая загадка природы. Ведь они хранят не только ту информацию, каким должен быть организм взрослой особи (как раз эту-то информацию они, видимо, не хранят), а хранят они информацию о том, как должен развиваться организм, начиная с оплодотворенной клетки, как должен формироваться каждый орган и на каждой ступени своего развития. Причем, не в большом объеме этой информации тут самая большая загадка, хотя и в этом тоже – ведь самая первая оплодотворенная клетка является не только хранилищем этой информации, как ей предстоит развиваться и в какую особь следует развиться, она еще содержит и считыватель этой информации, и завод по воплощению этой информации в жизнь. Достаточно убрать хотя бы одно звено, и организм не вырастет. И как тут говорить о случайном переборе всех вариантов? Все эти случайные варианты попросту нежизнеспособны, и они вообще практически никогда не реализуются.
В тех редких случаях, когда в генном наборе происходят мутации, никогда не возникает нового вида или животного с хотя бы одним новым признаком, который бы мог давать какое-то новое свойство (не обязательно положительное), закрепляться наследственно и не препятствовать живучести организма. Но даже если бы это и было (а этого нет), то надо было бы признать, что природа ставит целенаправленные эксперименты, а не случайные. И вот тут-то объяснение может крыться в наличии положительных обратных связей. То есть на стадии видообразования природа не просто столь же случайно, как и в обычных ситуациях, осуществляет изменчивость во всех направлениях сразу (авось, повезет), а делает эту изменчивость в нужном направлении, с прогнозируемыми результатами (именно так!). Следовательно, в генетической информации видов содержится также и информация о том, как должны мутировать виды в критической ситуации, подобно тому, как в механизме роста дерева содержится информация о том, как должен искривляться ствол, чтобы обойти неожиданно возникшее на пути его роста препятствие. Дерево, встречая препятствие, не расщепляется и не прекращает рост, а начинает изгибать ствол в единственном направлении – как будто кто-то мудрый руководит этим процессом огибания. Точно также и птицы, развиваясь изолированно в отсутствии естественных врагов, теряют способность летать и приобретают новые качества, идентичные в идентичных условиях. Так страусы эму и нанду весьма схожи по строению и по образу жизни, и при этом совершенно не являются родственниками. Следовательно, имеется некоторая генетическая информация на уровне птиц вообще о том, как приспосабливаться к этим новым условиям.
Другой вопрос, примыкающий к этому – как эта информация могла возникнуть и как она передается. Многие решают его привлечением Бога. Наука по этому пути не должна идти.
Сейчас уже достоверно известны два факта.
Первый: вирусы способны жить в космическом пространстве, вирусы могут находиться в льдистых структурах, например, комет, то есть кометы могут переносить вирусы от одних небесных тел к другим.
Второй: на Земле практически везде, где есть вода, там есть и жизнь, даже в подземных пещерах, где, казалось бы, бактериям и вирусам нечем питаться, тем не менее, есть жизнь в зародышевой форме, и ей для жизни достаточно лишь воды и природных материалов из недр планеты.
Из этого можно предположить, что вовсе не земная жизнь, а жизнь вселенская – итог эволюции в космическом масштабе. В соответствии с теорией панспермии, планета Земля заражена жизнью тотально и космос, вероятно, тоже.
С другой стороны, время существования Земли столь мало с позиции необходимого времени для того, чтобы создать то богатейшее разнообразие животного мира, которое существует, простым методом перебора и отбраковки. Любой специалист по информатике с этим согласится при наличии правильных исходных данных. Этими правильными исходными данными являются, во-первых, количество отличий одного вида от другого – так называемое кодовое расстояние. То есть, если бы всю генетическую информацию, скажем, о человеке закодировать двоичным кодом, и также поступить с кодовой информацией о ближайшем родственнике, не о горилле, а о предке человека, то количество несовпадающих бит (элементарных единиц информации) будет кодовым расстоянием между человеком и этим предком. При этом какая-то часть бит будет не столь важной, ибо она отличается и у различных людей, а другая часть бит будет принципиально важной, ибо она отвечает за отличия человека от человекообразного предка. Любопытно, что те биты, которые отличают одного человека от другого, меняются всегда – нет двух одинаковых людей. Те же биты, которые отличают человека от всех остальных животных, изменяются чрезвычайно редко. Это происходит в силу различных природных процессов, приводящих к изменениям тех и других особенностей наследственности. Итак, если принять возможным случайное изменение одного бита за некоторую константу, которую можно оценить частотой появления уродцев – но оценить лишь приближенно, ибо нам не известен ни один факт появления нового вида на протяжении истории человека – то можно представить лишь нижнюю границу времени, которое необходимо, чтобы от предка человека возник человек.
А ведь это – лишь крохотная ступенька в эволюции! Вспомним теперь, чем отличается человек, скажем, от черепахи, от рыбы, от медузы – да что там говорить, от амебы, от вируса! И где было природе на Земле получить достаточный запас времени для экспериментов с вирусами и бациллами, пока не возникнет человек? Проблема тут же перестает быть проблемой, если мы допускаем, что эволюция происходила не только и не столько на Земле, сколько во Вселенной вообще и во времени – бесконечно.
Поскольку далеко не все ученые современности являются сторонниками «теории большого взрыва» (таковым не был и Эйнштейн) и возникновения Вселенной из ничего, все эти чисто теоретические и не проверяемые гипотезы не соответствуют критериям научности. Причиной этих теорий явилась ошибка при трактовке эффекта Хаббла. Поэтому мы можем оставить разговоры о сроке существования Вселенной. Со строго научной позиции она существует вечно, и будет существовать вечно. В этих простых и естественных предположениях любая даже самая немыслимая эволюция имела достаточно времени, чтобы осуществиться до конца. На Земле же попросту развернулась ее частная реализация для данных частных условий.
В этом случае мы можем (или должны) предположить, что даже самый ничтожный вирус несет в себе информацию не только о себе самом, но и о том, как он должен существовать и развиваться. Он может также нести в себе информацию и о том, как он способен мутировать, чтобы развиться да чего-то большего, чем вирус, до одноклеточного существа, и далее до многоклеточного, и далее, далее, далее.
Фантастика? В каком-то смысле да, но достаточно обоснованная фантастика на базе понимания, насколько сильно отличаются по сути системы без обратных связей от систем с таковыми связями. Эта фантастика – гораздо более научная гипотеза, чем теория о возможности путешествий во времени, о расширяющейся Вселенной и об ее возникновении в результате взрыва.
В природе все охвачено обратными связями – это факт, не нуждающийся в доказательствах. И если мы где-то не замечаем этой связи, то это характеризует не природу, а нашу недостаточную наблюдательность или праздность ума. И вот если на нас, на людей, влияют другие живые организмы, вызывающие у нас болезни (кстати, некоторые живые организмы нам просто необходимы и болезни у нас возникнут при отсутствии этих организмов), то и мы тоже на эти организмы влияем. И вирусные болезни не только губят отдельные особи, они к тому же и считывают генетическую информацию у этих самых особей. Этот факт доказан тем, что вирусы приспосабливаются к лекарствам, предназначенным для борьбы с ними, что и снижает действенность противовирусных препаратов.
Чем более распространена та или иная вирусная болезнь, тем, видимо, сильнее эта обратная связь, ведь тем быстрее происходят мутации этих вирусов, их приспособляемость к новым достижениям медицины.
Случайные и неслучайные мутации происходят в организме человека, мутации происходят в вирусах, по-видимому, при заражении организма вирусами эти процессы могут взаимодействовать или взаимно «считываться». Вирусами, видимо, заражаются все живые существа в той или иной форме. Это – еще неизученная генетическая связь не только между особями одного вида, но даже между особями разных видов, родов, классов.
Итак, вирус гриппа – возможно, один из основных факторов эволюции видов. Если бы человечество перестало болеть вирусными болезнями, может быть, оно бы перестало обмениваться генетической информацией со всем остальным биоценозом, и, нельзя исключать, что в этом случае оно вымерло бы. А может быть, оно и не возникло бы.
Вирус уходит в космос и несет в другие миры информацию, и не только о гриппе, но и о человеке. Так что когда в другом мире где-то зародится новая жизнь, на ее качество, возможно, окажет влияние не только вирус, выросший на земле, но и все остальные виды, передавшие этому вирусу свою генетическую информацию.
Как знать, может быть, чем больше гениальных людей болеет гриппом, тем больше генов гениальности будет передано на другие планеты? И лучше будет та новая жизнь, которая возникнет где-нибудь в далеком созвездии? Конечно, последний абзац данного раздела – исключительно гипотетический.
Однако и это «предсказание» уже сбылось. По сообщению журнала «Мир науки» [7], не только в некоторых вирусах, но и во многих высших организмах происходит не только прямой синтез ДНК по РНК, но и обратный необычный синтез РНК по ДНК. Таким образом, найдено место замыкания обратной связи в петле саморазвития и эволюции всего живого на Земле, а само предсказание сделано было совершенно без использований фактических биологических сведений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теория автоматического регулирования содержит огромный потенциал для новых подходов во многих отраслях науки. Это касается и фундаментальной науки, и прикладной, технических и гуманитарных наук, исторических и философских. В силу этого получение высшего образования в области автоматики полезно в любом случае, не зависимо от сферы дальнейшей профессиональной деятельности.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Патент на полезную модель № 107346. Интерферометр. Правообладатель: Учреждение Российской академии наук Сибирское отделение РАН Институт лазерной физики (Ru), Автор: Жмудь Вадим Аркадьевич (Ru), Заявка № 2011100243, приоритет полезной модели от 11 января 2011 г., зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской федерации 10 августа 2011 г., срок действия истекает 11 января 2021 г. Опубликовано в бюллетене №22, 10.08.2011. Класс МПК G01 B 9/02 (2006.01).
[2] Zhmud V.A., Bugrov S.V. The modeling of the electron movements inside the atom on the base of the non-quantum physics. // Proceedings of the 18th IASTED International Conference “Applied Simulation and Modeling” (ASM 2009). Sept. 7-9, 2009. Palma de Mallorka, Spain. P.17 – 23.
[3] V.A. Zhmud. On the Relativist Corrections of Processed Data from the Global Cosmic Systems GPS and GLONASS // Proceedings of DST-RFBR-Sponsored Second Indo-Russian Joint Workshop on Computational Intelligence and Modern Heuristics in Automation and Robotics. NSTU, Novosibirsk, Russia. 9th – 12th September 2011. Новосибирск, НГТУ. pp. 251–255.
[4] V.A. Zhmud. About the essence of the Relativist concept to the Corrections of Processed Data from the Global Cosmic Systems GPS and GLONASS// Proceedings of RFBR and DST Sponsored “The 2-nd Russian-Indian Joint Workshop on Computational Intelligence and Modern Heuristics in Automation and Robotics”, 10 – 13 September, 2011, Additional volume, pp.74–101.
[5] Бугров С.В., Жмудь В.А. Моделирование нелинейных движений в динамических задачах физики // Сборник научных трудов НГТУ. Новосибирск. 2009. 1(55). С. 121 – 126.
[6] Жмудь В.А. Обоснование нерелятивистского неквантового подхода к моделированию движения электрона в атоме водорода // Сборник научных трудов НГТУ. Новосибирск. 2009. 3(57). С. 141 – 156.