Кибернетика и общество (сборник)

Повторяю, обратная связь есть метод управления системой через внедрение в нее результатов предшествующей деятельности. Если эти результаты используются всего лишь как цифровые параметры регулирования системы, налицо простая обратная связь, которую контролируют инженеры. Но если информация, поступающая по итогам деятельности машины, способна изменять общий метод и форму ее деятельности, перед нами процесс, который мы вправе называть обучением.

Другой пример процесса обучения возьмем из области конструирования устройств, определяющих упреждение цели. В начале Второй мировой войны сравнительная неэффективность огня зенитной артиллерии поставила вопрос о насущной необходимости внедрения устройств, которые следили бы за положением самолета в воздухе, определяли расстояние до него, вычисляли продолжительность времени, которое понадобится снаряду на достижение цели, и прогнозировали, где самолет окажется к истечению этого срока. Если бы самолет мог предпринимать сугубо произвольные маневры уклонения, никакая степень мастерства не позволила бы нам воспроизвести пока еще не известное движение самолета в течение промежутка времени между выстрелом и моментом, когда снаряд приблизительно должен достигнуть цели. Впрочем, при многих обстоятельствах летчик либо не предпринимает, либо не может предпринять произвольных действий уклонения. Его сдерживает тот факт, что, выполни он резкий поворот, центробежная сила может лишить его сознания, а также тот факт, что механизм управления самолетом и набор полученных инструкций практически навязывают летчику некоторые постоянные навыки управления, что проявляются в том числе в маневрах уклонения. Эти закономерности не абсолютны, они суть, скорее, статистические предпочтения, проявляющиеся регулярно. Они могут различаться от летчика к летчику и наверняка различаются для разных типов самолетов. Вспомним, что при отслеживании столь быстро движущейся цели, как самолет, у наводчика попросту нет времени прибегать к помощи приборов и определять, где будет находиться самолет. Наводка должна быть встроена в систему управления зенитным орудием. Она должна включать статистику наших прошлых опытов взаимодействия с самолетами данного типа в разнообразных полетных условиях. Современная система ведения зенитного огня предусматривает применение устройства, которое либо использует фиксированный набор данных такого рода, либо производит выборку по ограниченному количеству таких постоянных данных. Выбор правильных данных может выполняться за счет сознательного вмешательства наводчика.

Впрочем, имеется другая проблема управления огнем, которую можно попытаться разрешить механически. Задача составления полетной статистики самолета на основе фактического наблюдения за ним и последующего преобразования данных наблюдения в правила наведения является конкретной математической задачей. В сравнении с фактическим отслеживанием самолета в соответствии с заданными правилами это относительно медленная операция, которая подразумевает внимательный анализ предшествовавших полетов этого самолета. Но все же вполне возможно механизировать не только кратковременное, но и продолжительное действие. Следовательно, можно сконструировать зенитное орудие, которое само накапливает статистику перемещений самолета-мишени, затем передает их системе управления огнем и, наконец, адаптирует эту систему управления как быстрый способ изменения положения ствола по отношению к зафиксированному местоположению и курсу самолета.

Насколько мне известно, такого устройства еще не существует, однако такая задача вполне укладывается в рамки исследования, которое мы ведем, и ее решение может быть использовано для решения других прогностических задач. Регулировка общей схемы наводки и выстрела в соответствии с особой системой движения летящей цели представляет собой, по существу, акт обучения. Это изменение тейпинга вычислительного механизма орудия, причем изменяются не столько цифровые параметры, сколько процесс их обработки. Перед нами фактически весьма общая схема обратной связи, воздействующая на сам метод поведения устройства.

Усовершенствованный процесс обучения, который мы рассматриваем, по-прежнему ограничен механическими условиями используемой системы и очевидно не соответствует обычному процессу обучения человека. Но на основании этого процесса мы можем вывести совершенно различные способы механизации обучения разной степени сложности. В этом нам помогут соответственно локковская теория ассоциаций и павловская теория условных рефлексов. Впрочем, прежде чем обратиться к их рассмотрению, я хотел бы сделать несколько замечаний общего свойства, заблаговременно отвечая на неизбежную критику моих положений.

Разрешите напомнить те основы, на которых возможно развивать теорию обучения. В значительной степени работа нейрофизиолога Павлова сводилась к изучению способов передачи импульсов нервными волокнами, или нейронами; данный процесс описывается как явление разряда «все или ничего». То есть если стимул достигает той точки, или порога, с которого он вообще способен распространяться по нервному волокну и не угаснуть на относительно короткой дистанции, воздействие этого стимула на сравнительно отдаленную точку нервного волокна будет во многом независимым от его первоначальной силы.

Упомянутые нервные импульсы распространяются от нейрона к нейрону через точки контакта между ними, называемые синапсами, где одно «входящее» волокно может контактировать со многими «выходящими» волокнами, а одно «выходящее» волокно – со многими «входящими». В этих синапсах импульса, посылаемого одним входящим нервным волокном, часто недостаточно для получения эффективного исходящего импульса. Вообще, если импульсы, поступающие на конкретное «выходящее» волокно от входящих синапсических сочленений, немногочисленны, то «выходящее» волокно может не отреагировать. Под словом «немногочисленны» я не обязательно имею в виду то, что все входящие нейроны действуют одинаково – или даже то, что применительно к любому набору входящих активных синапсических сочленений можно раз и навсегда решить, будут ли возбуждаться «выходящие» волокна. Также я отнюдь не намерен игнорировать то обстоятельство, что некоторые «входящие» волокна не стремятся создать стимул для связанных с ними «выходящих» волокон, а вместо этого препятствуют указанным волокнам принимать новые стимулы.

Так или иначе, задачу прохождения импульсов по волокнам можно описать довольно простым способом как явление «все или ничего», а вот передача импульса через слой синапсических сочленений обусловливается сложной моделью реагирования, когда ряд комбинаций входящих нейронов, возбуждающихся на протяжении конкретного отрезка времени, побуждают пересылать сообщение дальше, зато ряд других комбинаций этого не делают. Такие комбинации не являются жестко зафиксированными, вдобавок они зависят не только исключительно от прошлых сообщений, поступивших в синапсический слой. Известно, что они изменяются под влиянием температуры и могут изменяться под влиянием многих других факторов.

Изложенное представление о нервной системе соответствует теории машин, которые состоят из последовательности переключающих устройств, где включение последующего переключателя зависит от определенных комбинаций более ранних переключателей в цепи, включаемых одновременно с ним. Эта машина, действующая по принципу «все или ничего», называется цифровой машиной. Она обладает немалыми преимуществами в решении разнообразных задач управления и коммуникации. Например, строгость выбора между «да» и «нет» позволяет ей накапливать информацию таким образом, чтобы у нас появилась возможность выявлять малые различия в очень больших числах.

Кроме этих машин, работающих по принципу «да – нет», существуют другие вычислительные и контрольные машины, которые не столько считают, сколько измеряют. Эти машины называются аналоговыми машинами, потому что они работают на аналоговых связях между измеряемыми величинами и цифровыми параметрами, которые призваны характеризовать эти величины. Примером аналоговой машины является логарифмическая линейка, противопоставляемая, скажем, настольному арифмометру, который оперирует цифрами. Те, кто пользовался логарифмической линейкой, знают, что шкала, на которой нанесены деления, и острота нашего зрения ставят жесткие ограничения на точность чтения показаний линейки. Эти ограничения не так просто раздвинуть, как может показаться, за счет увеличения размеров линейки. Логарифмическая линейка длиной в 10 футов даст решение точнее всего на один десятичный разряд по сравнению с логарифмической линейкой в один фут, причем для достижения такой точности необходимо не только отмерить каждое деление на большой линейке столь же тщательно, как на малой, но и ориентировать эти последовательные деления в соответствии с разметкой логарифмической линейки длиной в один фут. Более того, сохранение жесткости линейки большего размера куда актуальнее, чем для линеек меньшего размера, и это обстоятельство ограничивает увеличение точности при увеличении размеров линейки. Иными словами, на практике машины, которые измеряют, в противоположность счетным устройствам, весьма ограничены в своей точности. Прибавим сюда приверженность физиолога принципу «все или ничего» – и мы поймем, почему значительная часть исследований в области конструирования механических подобий мозга была посвящена машинам, действующим в большей или меньшей степени на цифровой основе.

Однако если слишком упорно настаивать на том, что мозг является идеальной цифровой машиной, мы рискуем вызвать вполне обоснованную критику, частично со стороны физиологов, а частично со стороны до некоторой степени противоположного лагеря тех психологов, которые предпочитают не прибегать к сравнениям с машинами. Я уже сказал, что для цифровых машин используется тейпинг, который определяет последовательность выполняемых операций, и что изменение тейпинга на основании предыдущего опыта соответствует процессу обучения. В человеческом мозге ближайшую аналогию тейпингу составляет определенность синапсических порогов, то есть комбинаций входящих нейронов, что возбуждают соединенный с ними выходящий нейрон. Мы видели, что эти пороги могут меняться под воздействием температуры, и у нас нет оснований полагать, что они не могут изменяться под воздействием химического состава крови и многих других факторов, каковые сами по себе не относятся к явлениям типа «все или ничего». Поэтому необходимо при рассмотрении проблемы обучения чрезвычайно осторожно применять принцип «все или ничего» для описания деятельности нервной системы – во всяком случае, без обоснованной научной критики этого принципа и без конкретных экспериментальных свидетельств в подкрепление нашей гипотезы.

Часто можно услышать, будто теории обучения, которая подходила бы для машин, вовсе не существует. Еще говорят, что на современной ступени нашего познания любая теория обучения, которую я могу предложить, окажется преждевременной и, вероятно, не будет соответствовать фактическому функционированию нервной системы. Я хотел бы выбрать среднюю линию между этими двумя критическими высказываниями. С одной стороны, я намерен описать метод конструирования обучаемых машин – метод, который не только позволит мне создавать специальные машины такого типа, но и предоставит общие технические приемы конструирования очень широкого класса подобных машин. Лишь в случае, если я смогу достичь такой степени обобщения, мне удастся хотя бы в некоторой степени защититься от того критического замечания, что механические процессы, которые, по моему мнению, аналогичны обучению, по своей сути принципиально отличаются от обучения.

С другой стороны, мне хотелось бы описать такие машины в терминах, которые покажутся достаточно знакомыми тем, кто ведет фактическое наблюдение за процессами нервной системы, за поведением человека и животных. Конечно, я понимаю, что не могу надеяться на абсолютную правоту в изложении всех деталей при описании реального человеческого механизма и что могу даже серьезно ошибаться. Тем не менее, если хочу предложить схему, которая может быть выражена словесно в форме понятий, относящихся к человеческому разуму и человеческому мозгу, я тем самым обеспечу себе отправную точку для преодоления критики, а также критерий, с которым можно сопоставить ожидаемый результат на основании других теорий.

Джон Локк в конце XVII столетия выдвинул гипотезу о том, что разум наполнен некими сущностями, которые он называл идеями. Для Локка разум был совершенно пассивен, представлял собой пустую доску, tabula rasa[32 - Букв. «чистая доска» (лат.).], на которой фиксируются опыт и впечатления индивидуума. Если эти впечатления появляются часто, либо единовременно, либо в определенной последовательности, или же в ситуациях, которые мы обычно относим к причинно-следственным связям, то, по Локку, эти впечатления, или идеи, будут формировать комплексные идеи, обладающие выраженной позитивной тенденцией к удержанию составных элементов вместе. Механизм, посредством которого идеи удерживаются вместе, является неотъемлемой частью самих идей; при этом во всей работе Локка ощущается своеобразное нежелание охарактеризовать подобный механизм. Его теория, пожалуй, имеет такого рода отношение к действительности, какое наблюдается между фотографией локомотива и настоящим локомотивом. Это просто схема без каких-либо работающих элементов. Впрочем, последнее неудивительно, если принять во внимание период, когда Локк выдвинул свою теорию. Именно в астрономии, а не в инженерном деле или психологии, впервые приобрела значимость динамическая точка зрения, представление о работающих частях; и в том заслуга Ньютона, не предшественника Локка, а его современника.

На протяжении нескольких столетий наука, подчинявшаяся аристотелевскому стремлению к классификации, пренебрегала современным стремлением искать способы функционирования явлений. Скажу так: применительно к тем растениям и животным, каковые не изучены до сих пор, трудно понять, каким образом биологическая наука могла бы вступить в собственный динамический период, кроме как вследствие продолжительного накопления фактов из области описательной естественной истории. Примером тут может послужить великий ботаник Карл Линней. Для самого Линнея виды и роды оставались неизменными аристотелевскими формами, а не вехами на маршруте эволюции; но только на основе дотошного линнеевского описания возможно накопить убедительные доказательства протекания. Первые естественные историки были, по существу, интеллектуальными «героями фронтира»; слишком горячо рвавшиеся осваивать новые территории, они в значительной степени пренебрегали необходимостью объяснения новых обнаруженных форм. Затем на смену героям пришли деятельные фермеры, а на смену натуралистам – современные ученые.

В последней четверти минувшего века и в первой четверти XX столетия другой великий ученый, Иван Павлов, по-своему исследовал фактически ту же самую область, которую ранее изучал Локк. Однако Павлов исследовал условные рефлексы экспериментально, а не теоретически, как Локк. Более того, отслеживал условные рефлексы низших животных, а не проявления этого рефлекса у человека. Низшие животные не способны говорить на человеческом языке, они изъясняются на языке поведения. Бо?льшая часть их наиболее очевидного поведения эмоциональна по своим побуждениям, а большинство эмоций диктуется поисками пищи. Павлов начал свои исследования именно с пищи и с физиологических симптомов слюноотделения. Довольно просто вставить канюлю в слюнную железу собаки и далее наблюдать выделение слюны при появлении пищи.

Обыкновенно многие факторы, не связанные с пищей, например видимые объекты, услышанные звуки и пр., не оказывают никакого воздействия на слюноотделение, но Павлов заметил, что если при кормлении собаки регулярно показывать какие-то предметы или издавать какие-то звуки, то позднее одного показа предмета или одного звука становится достаточно, чтобы вызвать слюноотделение. То есть рефлекс слюноотделения обусловлен предыдущими ассоциациями.

Здесь перед нами, на уровне рефлекса животных, нечто наподобие ассоциации идей Локка, ассоциация, которая возникает как рефлекторная реакция, чье эмоциональное содержание предположительно чрезвычайно сильно. Отметим довольно сложную природу предшествующих факторов, необходимых для появления условного рефлекса павловского типа. Прежде всего эти факторы обычно связаны с каким-то важным параметром жизни животного, в данном случае с пищей, пускай даже в своей окончательной форме рефлекс может вызываться в отсутствие пищи. Впрочем, можно проиллюстрировать значимость первоначального стимула для павловского условного рефлекса на примере электрифицированных изгородей вокруг скотоводческой фермы.

На скотоводческой ферме не так-то просто установить проволочные изгороди, достаточно прочные для того, чтобы не выпускать наружу бычков. Потому экономически выгодно заменить крепкие изгороди такого типа изгородью с одной или двумя сравнительно тонкими нитками проволоки, по которым пущен электрический ток; напряжение тока довольно велико, и животное получает ощутимый удар, когда замыкает своим телом электрическую цепь. Изгородь способна сработать несколько раз, а после этого она будет выполняет свою функцию не потому, что может механически отгонять бычков при помощи электрических разрядов, а потому, что у бычка возникает условный рефлекс, побуждающий держаться подальше от изгороди. Тут непосредственным раздражителем для рефлекса выступает боль, а всякое животное норовит избегать боли, это непременное условие продолжения жизни. Вторичным раздражителем для рефлекса оказывается вид изгороди. Помимо голода и боли существуют другие раздражители, стимулирующие появление условного рефлекса. Называть их эмоциональными состояниями – значит прибегать к антропоморфическому языку, но такой антропоморфизм не понадобится, если описывать их как состояния, имеющие общее важное значение для животного, чего не скажешь о многих других состояниях. Этот опыт, назовем мы его эмоциональным или как-то еще, провоцирует появление сильных рефлексов. При формировании условных рефлексов как таковых рефлекторная реакция преобразуется в одно из этих состояний раздражения. Состояние раздражения часто возникает одновременно с появлением раздражителя. Изменение стимула, вызывающего данную реакцию, должно иметь свой коррелят в нервной системе в виде открытия синапсических путей, что ведут к реакции, но в остальных случаях пребывали бы закрытыми, – или в закрытии тех, что иначе оставались бы открытыми; в итоге возникает, как выражаются кибернетики, изменение тейпинга.

Такому изменению тейпинга предшествует непрерывная ассоциация старого и сильного естественного раздражителя конкретной реакции с новым раздражителем, ему сопутствующим. Как если бы старый раздражитель был наделен способностью изменять «проницаемость» путей передачи сообщений в то самое время, когда он активен. Любопытно, что новый активный раздражитель не нуждается ни в каких предварительно задаваемых свойствах, кроме факта повторяющихся совпадений с исходным раздражителем. То есть исходный раздражитель как будто оказывает долговременное воздействие на все пути передачи сообщений в ходе своего действия (по крайней мере, на значительное их число). Произвольность вторичного раздражителя показывает, что видоизменяющий эффект исходного раздражителя распространяется широко и не ограничивается несколькими специфичными путями. Отсюда мы умозаключаем, что может иметься некоторый общий тип сообщения, порождаемый исходным раздражителем, но это сообщение циркулирует только по тем каналам, которые передавали его в примерный период действия исходного раздражителя. Последствия этого действия могут оказаться временными, но тем не менее весьма длительными. Логично предположить, что это производное действие будет происходить в синапсах, где, вероятно, на него реагируют пороги.

Концепция косвенного сигнала, который распространяется до тех пор, пока не найдет «приемник», возбуждаемый этим сигналом, выглядит достаточно привычной. Сообщения такого рода применяются очень часто в качестве сигнала тревоги. Пожарная сирена – это сигнал тревоги для всех граждан населенного пункта, прежде всего для бойцов пожарной охраны, где бы они ни находились. В шахте, когда из-за обнаружения рудничного газа мы хотим освободить от людей все отдаленные проходы, обычно разбивают сосуд с этилмеркаптаном у воздухозаборника. Нет причин думать, будто такие сигналы не могут возникать в нервной системе. Доведись мне конструировать обучаемую машину общего типа, я бы склонялся к применению описанного метода – сочетания распространяющихся повсюду сигналов «тем, кого это касается», с сигналами, идущими по локализованным каналам. Будет нетрудно разработать электротехнические способы выполнения этой задачи. Конечно, я отнюдь не хочу сказать, что обучение среди животных действительно происходит через подобное сочетание общих и локализованных сообщений. Откровенно говоря, я думаю, что это вполне возможно, но накопленных на сегодняшний день свидетельств еще недостаточно для подтверждения данной гипотезы.

Что касается природы сигналов «тем, кого это касается», то, допуская, что они существуют, я дальше забредаю на зыбкую почву умозрительных заключений. Они и вправду могут представлять собой нервные сигналы, но мне все же думается, что они суть нецифровые, аналоговые проявления механизма, отвечающего за рефлексы и мысли. Приписывать синапсические действия химическим явлениям – банальность. Фактически же в деятельности нервов невозможно отделить химические потенциалы от электрических; следовательно, утверждать, будто некое отдельно взятое действие является химическим, почти бессмысленно. Однако не окажется серьезным расхождением с общепринятой точкой зрения идея о том, что хотя бы одной из причин (или одним из сопутствующих обстоятельств) синапсического изменения является химическое изменение, проявляющееся локально, вне зависимости от своего происхождения. Такое изменение вполне может обусловливаться локально передаваемыми нервной системой выходящими сигналами. Также возможно, что изменения такого рода могут вызываться частично химическими изменениями, передаваемыми обычно через кровь, а вовсе не нервами. Не исключено, что сигналы «тем, кого это касается», передаются нервной системой и проявляются локально в форме того рода химических действий, что сопровождают синапсические изменения. Для меня как инженера передача сигналов «тем, кого это касается», представляется экономически обоснованной через кровь, а не через нервы. Впрочем, доказательствами я не располагаю.

Запомним, что воздействие сигналов «тем, кого это касается» в какой-то степени аналогично изменениям в системах управления зенитными орудиями, которые передают все новые статистические данные в приборы, а не тем изменениям, когда устройствам передаются напрямую только специфические числовые данные. В обоих случаях перед нами действие, подготавливаемое, вероятно, в течение длительного времени и призванное иметь последствия с продолжительным эффектом.

Скорость, с какой условный рефлекс отзывается на раздражитель, не обязательно указывает, что обусловливание рефлекса является быстрым делом. Поэтому мне кажется вполне приемлемой гипотеза, что сообщение, вызывающее такое обусловливание, передается по медленному, но проникающему повсюду кровотоку.

Мысль о том, что фиксирующее влияние голода или боли (или прочих раздражителей, способных вызвать условный рефлекс) передается через кровь, уже представляет собой значительное сужение моей первоначальной точки зрения. Дальнейшие ограничения неизбежны, попытайся я определить природу этого неизвестного, распространяемого через кровь влияния, если оно существует. Тот факт, что кровь содержит вещества, способные прямо или косвенно изменять нервное действие, кажется мне вполне вероятным; об этом свидетельствуют действия отдельных гормонов или веществ внутренней секреции. Впрочем, я не утверждаю, что влияние на синапсические пороги, стимулирующее обучение, есть плод специфических гормонов. Да, велик соблазн отыскать общий знаменатель голода и вызываемой электрической изгородью боли в чем-нибудь, что можно назвать эмоцией, но было бы безрассудно приписывать эмоцию всему, что обусловливает рефлексы, без какого-либо дальнейшего рассмотрения их специфической природы.

Тем не менее любопытно было бы узнать, что род явлений, который субъективно фиксируется как эмоции, может быть не только бесполезным эпифеноменом нервного действия, но и способен управлять некоторыми существенными стадиями обучения и других подобных процессов. Не буду говорить, что это на самом деле так, но скажу, что тем психологам, которые проводят резкое, непреодолимое различие между эмоциями человека и эмоциями других живых организмов, а также между реагированиями автоматических механизмов современного типа, следует проявлять такую же осторожность в своих отрицаниях, какую я проявляю в своих предположениях.

Глава IV. Механизм и история языка

Разумеется, никакая теория коммуникации не сможет избежать обсуждения языка. Ведь язык в известном смысле является другим названием самой коммуникации, а также этим словом обозначаются те коды, посредством которых осуществляется коммуникация. Мы увидим далее в этой главе, что использование зашифрованных и дешифрованных сообщений весьма важно, причем не только для людей, но и для других живых организмов, а также для машин, используемых людьми. Птицы коммуницируют друг с другом, обезьяны и насекомые общаются друг с другом, и во всех этих коммуникациях используются те или иные сигналы и символы, которые могут быть поняты только в силу знакомства коммуникантов с системой применяемых кодов.