Кибернетика, синергетика, информатика. Учебное пособие

знания (а, следовательно, описания, синтеза) таких объектов. Для них необходимо синтетическое (системное) или совместное анализо-синтезовое познание объекта, установление всех его внутренних и внешних частей и их связей, в том числе причинно-следственных, как между собой, так и с окружающей средой. Усилия, методы и средства этих дисциплин направлены на изучение сложного (сложных свойств, особенностей и причин именно такого строения, правил функционирования и т.п.) в простых системах, простого в сложных системах и сложного в сложных системах, ответы не только на вопросы, как устроен объект, но и почему именно так, за счет чего, для чего, с какой целью и им подобные.

Обратим внимание, что в этом подходе признание исследуемого объекта системой носит относительный характер – он может считаться или не считаться системой (не физической, а модельной!) только относительно конкретной задачи исследования. При этом само понятие "система" может относиться как к объектам реального мира, так и к их различным моделям.

В связи с этим уместно обратить внимание на зачастую имеющую в обоих случаях место подмену модели оригиналом, когда истинное в рамках данной науки модельное представление об объекте, его строении, свойствах, правилах функционирования и т.п. переносится на сам объект, как абсолютная истина, т.е. модельная истинность, справедливая при определенных условиях, заменяется реальной истинностью. Это характерно, например, для приводимых во многих учебниках формулировок физических законов как законов природы3 (кстати, а есть ли они у нее, и если есть, то какие: стандартовые, статутные, тогда кто, что и как "подгоняет" реальность под них?), а не как их моделей, хотя первоначальные авторские формулировки этих "законов" звучали как модельные (см., примеры в [5, 9]), причем как гносеологические модели, а не как статутные, конститутивные, стандартовые. Об этом хорошо писал А. Бутлеров: "Как бы ни была совершенна теория, она только приближение к истине". Задумаемся, что же имели в виду в своих высказываниях Г. Галилей (1564 – 1642 гг.): "Великая книга природы написана языком математики", Д. Юм: "Природа всегда сильнее принципов" и Д. Адамс: "Природа не знает никаких прав, ей известны только законы".

В-четвертых, зачастую наукой признается та область знаний, в которой: а) исходные понятия либо относятся к неопределенным (неопределяемым), либо введены таким образом, что реальный объект исследования, определенный базовым понятием, трудно воспринимаем, осязаем, не всегда четко очерчен; б) сама наука определена как обобщенное понятие и ее напрямую нельзя "пощупать". Приведем примеры сказанному.

Так, физика – наука о материи (объекте исследования), о ее строении, о наиболее общих свойствах материального мира и формах ее существования,

3 Подумаем, насколько уместно называть такие модели законами, тем более законами природы, согласно упомянутому выше разнообразию моделей по парным отношениям "объект – модель – субъект – среда".

11

взаимодействиях различных форм материи и их движениях, о методах и средствах исследования в этой области (предметы исследования физики).

Итак, материя есть первичный объект исследования в физике. А что такое материя в современной физике? Это совокупность взаимосвязанных элементов: вещества, полей (энергии) и физического вакуума (который был введен в состав материи совсем недавно). Оказывается, материю можно "пощупать" не напрямую, а только через вещество, поле (энергию) или вакуум. А что такое, например, вещество? Вид материи, представляющий собой совокупность дискретных (прерывных и локализованных в пространстве) образований, обладающих массой покоя (атомы, молекулы4; то, что из них построено). Но что такое атом с современной точки зрения? Можно ли его "всего" пощупать? А что такое поле – обладающая нулевой массой покоя форма (вид) материи как носитель взаимодействия (энергии), источниками которого являются частицы, тела? Согласно современным представлениям, поля являются волновыми, т.е. континуальными средами, но такими, которые при излучении и поглощении проявляются дискретно через кванты: фотоны, мезоны и т.п., взаимодействующие с частицами вещества как дискретные образования (вот пример дуализма физической модели мира!). А так ли это на самом деле? При более глубоком изучении оказывается, что не существует четкой, резкой границы, где кончается собственно частица и начинается ее внешнее поле. Что же представляет собой пограничный слой? А что представляет собой ненаблюдаемая (пока?) "темная материя", которой по некоторым гипотезам заполнено до 90 % Вселенной, или темная энергия? Гравитационные волны? Что такое черные дыры, из чего они состоят, если Торн считает, что они сделаны не из материи, а состоят исключительно из кривизны (а что это такое?) пространства – времени? Как писал Нильс Бор, "физика описывает лишь то, что мы можем сказать о Вселенной".

С другой стороны, можно ли напрямую "пощупать" физику как науку? Ведь физика это обобщенная научная дисциплина, включающая в себя совокупность классической механики и гидроаэромеханики, основ термодинамики, молекулярной физики, электричества и магнетизма, оптики и волновых процессов, атомной и ядерной физики и т.д.

А что же является результатом исследования в физике? Физическое модельное представление (физическая картина) мира. А что это такое? Это как раз и есть модельное представление о материи, а, следовательно, о том, что, с одной стороны, мы хотели бы "пощупать", а, с другой стороны, является неопределенным точно объектом исследования. Смена физических картин мира – следствие смены модельных представлений о материи.

Первым была механическая картина мира, эволюционно перешедшая к дискретному атомистическому – корпускулярному представлению о материи. Затем был революционный переход к непрерывной континуальной, полевой, электромагнитной картине мира (начиная от М. Фарадея), содержащей новое

4 Молекулы – наименьшие части любого (химического) вещества, являющиеся носителем его основных физических и химических свойств.

12

представление о взаимодействии элементов материи. Однако к началу ХХ века оба несовместимых модельных представления о материи (дискретное и непрерывное) не смогли порознь объяснить имеющиеся на тот момент факты. Появилась третья революционная квантово-полевая модель материи (Н. Бор, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, М. Борн и др.) и новая картина мира, в которой выделяются четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Современная разновидность этой картины отличается тем, что модельные представления о закономерностях и причинностях в ней имеют вид не детерминированных, а стохастических (вероятностных), меняются модельные представления о пространстве и времени, видоизменяются и дополняются принципы: симметрии и сохранения, соответствия, дополнительности и неопределенностей, энергетические и энтропийные вариационные, появляются гипотезы о других видах взаимодействия и т.п. Обратим внимание на широко используемый в физике принцип суперпозиции, действующий в микромире, частично в макромире, согласно которому в природе имеет место аддитивность вкладов эффектов (сравни его с противоположным свойством эмергентности для модельного системного представления!). В настоящее время предпринимаются разные попытки построить новые физические картины мира, включая введение новых сил и взаимодействий, а также добавление к материи информации (см., например, их краткий обзор в [10], а также в [12-14]).

Итак, приведенный пример подтверждает следующее: а) физика как наука оперирует с нестрого определенным понятием – материя, модельное построение которого является важнейшей задачей этой научной дисциплины; б) физика есть обобщенное понятие некоторой области знаний; в) физическая картина мира есть динамическая гносеологическая модель его.

В заключение заметим – истинным в физике считается только то, что не противоречит результатам физических экспериментов (конечно, подразумевается – корректно поставленных и проведенных). Как видно из динамики развития физической модели мира, разные модели считались и считаются истинными относительно того, о каком объекте (уровне представления о материи) идет речь, в какое время (в какой среде, в каких условия, с помощью каких средств) проверялась эта истинность, т.е. какова была ингерентность модели5 среде.

Второй пример – химия. Это ведь тоже наука о веществах (объект исследования), их составе, строении, свойствах и взаимных превращениях, сопровождающихся изменением их состава и строения (предметы исследования) (см., например, [9, 14]). Что же такое вещество, изучаемое в химии, и чем оно отличается от вещества, изучаемого в физике? В химии под веществом понимают: а) то, из чего состоит физическое тело; б) так же, как и в физике, вид материи, но не все физическое вещество, а только материальное образование, состоящее из частиц, имеющих собственную массу (массу покоя) и обладающее определенными (при конкретных условиях) физическими и химическими свой-

5 Попробуйте ответить для себя, к какому же виду относятся эти модели с точки зрения парных отношений "объект – модель – субъект – среда".

13

ствами, состав которого может быть выражен химической формулой [11]

(выделено мною – В.Г.). Как видим, школьное, учебное понятие вещества (а) не более определенное, чем в физике, в то время как научное понятие вещества (б), как объекта исследования химии, дано определеннее, чем в физике. Это приводит к меньшим революционным изменениям в химических картинах (моделях) мира, которые, кстати сказать, являются производными от соответствующих физических моделей его. Хотя и здесь определение вещества имеет нечеткие границы, зависящие от наличия и области применимости химических формул. В процессе развития химии эти границы расширяются и уточняются. Опять-таки мы имеем дело с исходным базовым понятием научной дисциплины, границы которого не совсем четко очерчены.

Теперь перейдем собственно к дискуссии.

14

3. ЧТО ЖЕ ТАКОЕ КИБЕРНЕТИКА?

"Decipimur specie recti (лат.) – мы об-

манываемся видимостью правильного".

"Absit invidia verbo (лат.) – Пусть не вызовет неприязни сказанное".

Как следует из изложенного в п. 2, физика и химия являются базовыми, первичными для многих других дисциплин, поскольку объектом их исследования является первооснова всех причин и явлений мира. Однако, как видно из объектов и предметов исследования этих научных дисциплин, они не могут претендовать на всеобъемлющие (см., также [1, 2]). Дело в том, что физика и химия как естественные науки строят, прежде всего, куомодную картину мира (от лат. quomodo – как? каким образом?), которая отвечает на вопрос "Как устроен мир?". Но ведь еще необходимо знать ответы на массу других вопросов, таких, например, как на законный для физики и химии вопрос "Почему так устроен мир?", так и на вопросы вида "За счет чего, с какой целью он живет?", "Может ли он существовать только за счет материи и только четырех видов взаимодействия между материальными объектами, без информации и информационного (неэнергетического, несилового, но неотъемлемого для жизни!) взаимодействия?".

В последнее время появляется все больше публикаций, в которых дается отрицательный ответ на последний вопрос (см., в частности, [1-4], а также [12, 13] и обзор в [10]). Но если мы станем задумываться над тем, почему и, особенно, для чего, с какой целью так устроен мир, то вынуждены будем объяснять причины согласованности физических законов и констант, дополнять указанные ранее физические принципы слабыми и/или сильными антропными принципами (а это выводит нас за пределы физической модели мира, приводя к кибернетической), рассматривать новые гипотезы (в частности, основанные на теории струн) о том, что в реальности четырехмерный объект пространство – время является лишь частью пространства с количеством измерений, гораздо большим, существующем хотя бы в очень малых масштабах на малых расстояниях, где, кстати, могут сильно "работать" гравитационные силы и волны. Ответы на эти и подобные им вопросы должна получить наука о жизни6, представляющая собой совокупность научных дисциплин, которую можно назвать объединяющим словом "виталогия"7 (от лат. vita – жизнь и греч. logos – слово, учение, понятие). Составными, пересекающимися с ней или прилегающими к ней научными дисциплинами станут такие, как биология, кибернетика, синергетика, социология, системология, космология, теория живучести и надежности, информации и кодирования, часть из которых включается в дисциплину "информатика" (см., далее, а также [6, 10]). Все эти дисциплины будут иметь

6В широком, не строго определяемом понятии этого слова.

7Да простят меня филологи за такое святотатство, как объединение в одном слове корней слов из разных языков. Но слово биология – составная часть виталогии – уже занято и за ним прочно закрепилось название науки только о живой природе.

15

либо разные объекты и/или предметы исследования, либо их модели (согласно описанному в п. 2) с учетом их истинности.

Рассмотрим три из них, относящиеся к теме нашего рассмотрения: кибернетику, синергетику и информатику. Вначале остановимся на кибернетике.

Согласно наиболее часто используемому определению, кибернетика (от греч. kybernētikē – искусство управления) это наука об управлении, о наиболее общих формах, свойствах и законах управления в живых (биологических и социальных) и неживых объектах (системах). Казалось бы, по аналогии с физикой, химией, математикой можно и здесь легко выписать, что представляют собой объекты и предметы исследования кибернетики и с какими моделями она работает, что является "реальностью", на познание и синтез которой на самом деле направлены усилия кибернетиков. Однако сей вопрос имеет не такое простое решение, о чем свидетельствует, в частности, дискуссия, представленная работами [1-4]. Это объясняется не только и не столько тем, что нет четкого определения центрального (согласно [2]!) понятия кибернетики – информации, а также, согласно [2], других базовых понятий – языка и сознания – (а причем здесь тогда неживые объекты?), а рядом других факторов. Во-первых, нечеткой определенностью тех системных представлений об управлении и управляемых объектах, которые позволяли бы четко определить объекты и предметы исследования кибернетики. Во-вторых, тем, что без выявления этих объектов и предметов под кибернетикой фактически понимают обобщенную дисциплину, охватывающую совокупность более частных дисциплин со своими объектами и предметами исследования. Это приводит, с одной стороны, к смешению разных дисциплин, как если бы мы смешали физику и химию как науки о веществах в одну науку, либо, с другой стороны, к использованию одного и того же понятия двояко: как обобщенного и как частного. Заметим, что двоякое использование понятий давно известно. Например, понятия "функция" в математике или понятия механика: как обобщающее оно двояко используется в сочетании "механика точки и тела" вместо "кинематика материальной точки и абсолютно твердого тела" или "динамика поступательного движения".

В связи с этим, во избежание недоразумений, будем в качестве рабочего использовать именно вышеприведенное определение кибернетики.

Теперь выясним, что же такое управление. Чаще всего под ним понимают совокупность действий (операций), осуществляемых на основе информации о состоянии управляемого объекта (добавим и окружающей среды) и направленных на достижение цели либо на поддержание (регулирование) или улучшение "жизни" (функционирования, работы) объекта согласно цели и программе (алгоритму, правилам) его "жизни" (функционирования, работы).

Прокомментируем эти определения.

Прежде всего обратим внимание на то, что объекты, с которыми имеет дело кибернетика, должны, с точки зрения решаемых задач, модельно представляться в виде устойчивых управляемых систем, т.е. систем, допускающих наличие таких управляющих воздействий, которые позволяют перевести их из одного устойчивого состояния в другое за приемлемые время и ресурсы.

16

Одним из классов таких систем являются физические (см. стр. 6) системы теории автоматического управления (ее можно считать одним из теоретических разделов кибернетики), т.е. системы, допускающие анализовые приемы исследования и синтеза. В более сложных ситуациях в кибернетике рассматриваются системологические модели реальных объектов.

Второе важное обстоятельство это рассмотрение кибернетикой объектов, в которых можно выделить цели и/или программы (алгоритмы, правила) функционирования (жизни).

Следующая особенность – это отсутствие необходимости четкого понимания словосочетания "информация о состоянии управляемого объекта". Здесь идет речь об узком, прагматическом толковании информации – как информации только об отклонениях, о результатах сравнения прошлого и текущего состояния объекта (и окружающей среды) с теми статутными модельнонормативными, ожидаемыми состояниями, которые должны и могут быть в ближайшем (на время управления) будущем. При этом "информация" может быть представлена в виде разности сигналов, совокупности данных или синтетических знаний, т.е. не быть информацией в семантическом смысле этого понятия (см., например, [3, 6, 10]), и, следовательно, не обязательно должна восприниматься и обрабатываться естественным или искусственным интеллектом. Следовательно, в таких объектах зачастую могут быть формализованы алгоритмы, правила управления, познаны законы, построены соответствующие формальные модели. Причем, прежде всего, не столько гносеологические, сколько производственные, экспериментально-имитационные, статутные, зачастую эксклюзивные или суверенные, толерантные. Но это относится лишь к некоторой части систем.

Попутно отметим, что познание того, что такое информация, вопросы ее передачи, хранения и т.п. являются объектом или предметом исследования информатики и ее разделов: информологии, теории связи и информации и т.п. (см. далее).

Наконец, важным предметом исследования кибернетики является линейная или нелинейная обратная связь, как правило, отрицательная. Но каковой она может быть? На рис.1 представлены варианты простейших укрупненных модельных представлений механизмов функционирования объектов.

На рис.1 схема а) соответствует управлению без обратной связи, называемому программным. Оно имеет место, например, в станках с числовым программным управлением, в некоторых образовательных технологиях и т.п. Рис. 1б отражает механизм регулирования, имеющий распространение в биологических системах и являющийся разновидностью управления, направленного на поддержание изменения по заданному закону или в установленных пределах какого-либо скалярного или векторного параметра (физической величины), характеризующего процесс функционирования (жизнь) управляемого (точнее регулируемого) объекта. Рис.1в соответствует, в основном, системам, рассматриваемым в теории автоматического управления, когда в линейной или нелинейной обратной связи реализуется жесткий алгоритм реагирования на отклонения

17

Рис. 1. Варианты структурного представления механизмов функционирования объектов

18

Рис. 1. Варианты структурного представления механизмов функционирования объектов (окончание): Вход = входные и возмущающие воздействия; "Вход" = допускает отсутствие входных воздействий; Выход = выходной результат, желаемое состояние объекта;

УОС – управляющая обратная связь (ОС); а – схема программного управления;

б– схема регулирования;

в- к – схемы функционирования (в частности управления) с обратной связью

состояния объекта от нормы. Рис.1г фактически содержит три варианта механизмов. Один, в котором работает только 1-ый контур обратной связи, соответствует системе управления с постепенным количественным изменением значений параметров объекта (или обратной связи) (самонастройка), алгоритма (правил) функционирования (самообучение) или их структуры (самоорганизация) без выхода за область устойчивости объекта. Этот механизм соответствует объектам, рассматриваемым в кибернетике. Второй вариант, когда обратная связь является революционной, т.е. характеризуется глубокими качественными скачкообразными изменениями с переходом от одного устойчивого состояния объекта к другому за счет изменения значений параметров, алгоритмов (правил) функционирования или структуры объекта и/или обратной связи. Этот вариант в большей степени соответствует развивающимся объектам, рассматриваемым в синергетике (см. далее).

Наконец, третий вариант, когда задействованы оба контура обратной связи, может быть объектом как кибернетики, так и синергетики. Заметим, кстати,

19

что относить объекты синергетики к управляемым необходимо с весьма большой оговоркой. Здесь более уместно сохранить сочетание "механизм функционирования" вместо "механизм управления" либо говорить о внутреннем автоуправлении.

Впредыдущих схемах имеет место оперативное без специальной задержки

вней реагирование объекта через обратную связь на отклонение состояний объекта (независимо от причин, вызвавших его!) от номинала. В отличие от них схема рис.1д включает в обратной связи блок памяти, который может не только просто помнить предыдущие состояния системы и реакции на нее объекта, но при необходимости задерживать и/или изменять реакцию объекта и/или обратной связи в зависимости от предыстории и текущего состояния. Подобный механизм может иметь место как в кибернетических, так и в синергетических системах.

Рис.1е включает еще один контур обратной связи, связанный с выявлением и применением для функционирования объекта (или управления им) результатов самоосознания, самоанализа объектом самого себя. Ясно, что этот механизм имеет место для интеллектуальных объектов, обладающих самопониманием [15], которые начинает рассматривать теория самореферентных (от лат. referens (referentis) – сообщающий) систем [16].

Несколько слов по поводу окончания рис. 1. Схема рис.1ж как бы объединяет схемы рис. 1б-е, поскольку рефлексная обратная связь работает по принципу работы рефлексов, т.е. по принципу простейшей ответной реакции на те или иные воздействия на объект. В то же время в интеллектуальных системах чаще более важным является упреждающая обратная связь (см. рис.1з), характерная для человека, или в более общем виде интеллектуальная обратная связь (см. рис.1и, к), в том числе рефлексивная, означающая осмысление себя, собственных действий и мыслей (см., например, [16]).

Всвязи с изложенным, отметим работу [17], в которой рассматриваются многоуровневые системы управления, содержащие такие контуры управления, как программный (разомкнутые системы), позиционный, идентификационный, адаптивный (с самонастройкой), интеллектный (без целеполагания) и интеллектуальный (с целеполаганием, формированием новых понятий и отношений

вразвиваемой модели мира).

Судя по последним исследованиям психологов, дальнейшими усложнениями моделей механизма функционирования объектов являются такие (пока еще модельно не проработанные должным образом), которые допускают высшую степень самооценки и активности объекта, свойственные субъекту-человеку. Ведь человек отличается от других материальных объектов, включая любые искусственные, технические и биологические, в частности всех животных, тем, что он помимо обратных связей использует существенно более сложные способы активности: мышление, творчество, интуицию, совесть и пр. Это позволяет человеку находить направленные выходы из казалось бы тупиковых ситуаций, принимать принципиально новые по сравнению с имеющимися решения. Механизм функционирования человека таков, что его не во всех ситуациях

20