Арон Ефимович Кобринский

Кто — кого?

Предисловие

Эта книга появилась на свет в значительной мере случайно. Поначалу автор задумал серьезную монографию по теории машин-автоматов. И работа по ее подготовке довольно успешно продвигалась вперед. Автор выучил наизусть 98 определений термина «автомат» и придумал свое — 99-е; он сочинил несколько замысловатых теорем, доказательство которых, несомненно, оказало бы существенное влияние на объем рукописи; придумал ряд новых обозначений, формул, графиков, терминов, в последующем рассчитывая приспособить их к делу. В общем это был обычный творческий труд. Автору казалось, что он более или менее хорошо понимает, о чем идет речь в его рукописи.

Но вот волей случая он как-то оказался участником большого и бурного собрания. Кого здесь только не было — математики и биологи, пионеры и пенсионеры, химики и экономисты, корреспонденты и гипнотизеры. Нас было несколько сотен человек, и все мы, включая президиум, обсуждали вопрос: «Что может автомат и не может человек, и вообще: кто — кого?»

Надо признаться, что это было увлекательнейшее времяпрепровождение! Сколько остроумия проявили участники диспута, даже те из них, кто мало представлял себе предмет спора! Какими бурными аплодисментами награждался тот, кто сумел придумать наиболее красочные случаи из своей практики общения с автоматами и животными.

Автор не может забыть выступления одного физиолога, который, поднявшись на трибуну, сразу овладел вниманием зала, задав вопрос: «Знаете ли вы, что такое мозг?» Затем он немного подождал и ответил: «Мозг — это автомат!» И в течение получаса рассказал все, что знал об автоматах. Он знал не очень много и не очень точно, но большинство присутствующих знали еще меньше, и восторг их был неописуем. Тогда кто-то из президиума забрал себе слово и начал выступление с вопроса: «Знаете ли вы, что такое автомат?» Выдержав паузу в два раза более длительную, чем предыдущий оратор, он выкрикнул: «Автомат — это мозг!» — и затем довольно быстро рассказал все, что знал и думал про мозг. В заключение он добавил, что его выступление дополняет предыдущее, и теперь уж, конечно, всем понятно, что такое автомат и что такое мозг.

А когда приелись устные выступления, на сцену поднялся математик. Некоторое время все благожелательно и почтительно следили за тем, как он строчит на доске длинные формулы, иногда от напряжения путая плюсы и минусы. Затем отложил в сторону мел, тряпку и подробно объяснил присутствующим теорию наследственности. Все хорошо поняли, что такое наследственные признаки, и с воодушевлением клялись, что они обеспечат в будущем только самые хорошие признаки.

А другой математик рассказывал, как нужно переродить стихи с языка на язык, и из его объяснений всем стало ясно, что он знает столько иностранных языков, что сам уже не может отличить один от другого.

Но особенное впечатление произвел оратор, который загробным голосом вещал о недалеком будущем, когда автоматы станут людьми, а люди — автоматами. Он говорил, что не знает точно, чего не сумеют в этом будущем сделать автоматы, и что он лично не рискует ограничивать творческие возможности автоматов. Он подкрепил свои слова примером, указав, что уже сейчас имеются автоматы, которые могут в толпе людей распознать и задержать лиц с дурными наклонностями, уклоняющихся от общепринятых норм поведения.

Услышав это чревовещание, наиболее слабонервные частично потеряли сознание и пришли в себя, лишь когда выяснилось, что оратор имел в виду установленные на станциях метро контрольные автоматы, в которые надо опускать плату за проезд.

Потом на сцену выскочил литератор и начал цветистую речь, смысл которой сводился к тому, что ученые — это куры, которые любят тихо сидеть на своем насесте, а фантасты — это орлы, взмывающие к поднебесью. И он с изрядной порцией яда начал вопрошать, кто видит лучше и дальше: орлы или куры?

В то же мгновение весь зал разделился на две половины. Одни были за кур, другие — за орлов, и все вслух и одновременно приводили свои доводы, во все горло потешаясь над противниками.

Тогда председательствующий, который не очень внимательно слушал литератора, с трудом угомонив зал, сказал, что помесь орла с курицей должна выглядеть неплохо и надо только придумать название для этого странного животного и для науки, методы которой помогут его создать. Но за поздним временем он предлагает перенести обсуждение этих вопросов на следующий семинар. И все помчались в гардероб, на ходу продолжая спор на тему «кто — кого?».

Автор возвращался домой, уже зараженный дискуссионной лихорадкой.

Привлекательность этого заболевания определяется прежде всего его простотой и общедоступностью. Опыт показал, что для успешного выступления в дискуссии на указанную выше тему надо знать совсем немного: что электронные машины предсказывают погоду, что группа ученых создала биоруку, что нейрон — это нервная клетка, что автоматы бывают разные. Из этих фактов, сдобренных несколькими историями, связанными с вашей непосредственной производственной деятельностью и тщательно подготовленными экспромтами, всегда можно составить речь, которая будет тепло принята слушателями.

С такими речами автор сам неоднократно выступал в семейном кругу и всегда встречал полное понимание и одобрение. Однако от публичных выступлений неизменно воздерживался. Поэтому он решил записать кое-что из того, что хотел сказать в порядке дискуссии, и поместить эти записи в свою книгу, предупредив читателя, что они набраны мелким шрифтом. Таким образом, автор надеялся убить сразу двух зайцев: удовлетворить свой дискуссионный зуд и избавить от него серьезного читателя, который безболезненно сможет пропускать места, набранные мелким шрифтом. Решение было принято, и первые главы книги соответственно переработаны.

Но когда они были розданы для дружеской критики знакомым, то оказалось, что даже самые серьезные из них читали и обсуждали только то, что напечатано мелким шрифтом. Автор объяснил это случайностью, но тем не менее в следующих главах чрезвычайно тщательно перемешал серьезный материал с историями и полемическими рассуждениями, ни о чем не предупреждая читателя.

Однако, к его удивлению, ничего не изменилось. Те, кто читал текст, словно пропускали его через решето, из которого быстро высыпались формулы, теоремы и доказательства, и легко обнаруживали то, что, казалось, так неотделимо было с ними перемешано. И содержимое решета они были готовы обсуждать часами.

Автор потерял покой и, обуреваемый всякими сомнениями, обратился за советом в издательство; именно тогда серьезная монография превратилась в научно-популярную книгу. При редакционном участии друзей и знакомых был составлен новый план и началась переработка рукописи.

К этому времени полемический зуд у автора несколько улегся, и он решил сохранить в книге немного формул, доказательств, теорем, графиков и прочего серьезного материала. А чтобы он не мешал широкому читателю понимать, о чем идет речь в книге, автор попросил этот материал набрать мелким шрифтом. И в предисловии оговорил, что текст, набранный мелким шрифтом, можно при чтении опустить.

Редактору очень понравилось такое построение книги; он только настаивал на том, чтобы заменить слово «можно» словом «нужно». Подобная поправка казалась автору оскорбительной, и он еще раз переработал книгу.

Все это рассказано только для того, чтобы дать понять, что все, что при чтении этой книги нужно или можно пропустить, уже выброшено заранее, и ее следует читать подряд.

Теперь, когда вы, читатель, знаете всю закулисную историю создания книги, остается добавить, что эта история чуть было не кончилась трагически. И все из-за… названия!

Оказывается, написать книгу — меньше половины дела. Самое главное — придумать для нее хорошее название.

Оно должно быть коротким и интригующим и вместе с тем скромным и понятным. И конечно, желательно, чтобы оно хотя бы косвенно было связано с содержанием книги.

Затратив уйму времени, автор убедился, что удовлетворить всем этим подчас противоречивым требованиям просто невозможно. И чтобы разрешить назревавший конфликт, принял для книги название, подсказанное бурной дискуссией.

Но вы увидите, что на прямое обсуждение вопроса «кто — кого?» мы затратим совсем немного места, ровно столько, сколько, по нашему мнению, он заслуживает.

Героями книги являются машины и люди, которые их создают. Автор не задавался целью удивить вас рассказами о том, что могут или смогут сделать машины. Он старался объяснить, как человек заставляет их делать то, что ему надо, какие трудности он при этом встречает и как эти трудности ему удается обойти.

Чтобы это понять, следует познакомиться с «правилами общежития», действующими в мире машин, который становится все более «квалифицированным»; хотя бы немного узнать об идеях и методах кибернетики; о принципах серводействия и обратной связи; о технологии и системах счисления; о вещах и понятиях, казалось бы совсем не связанных друг с другом и вместе с тем тесно переплетающихся, поставленных на службу одному делу.

Просто перо

Гусь действительно важная птица

По преданию, гуси однажды спасли Рим, разбудив своим гоготом стражу, мирно спавшую в то время, как враг подбирался к воротам города. Однако в активе у потомков тех воинственных гусей есть значительно более важная заслуга, которой они могут смело гордиться, если бы гуси вообще обладали чувством гордости. Судите сами. В начале прошлого века только одна Россия и только одной Англии продавала ежегодно до 20–30 миллионов гусиных перьев. Несколько сотен лет весь мир писал гусиными перьями. Ими писали Галилей, Ломоносов и Ньютон, Шекспир, Байрон и Пушкин. Ученые и инженеры, писатели и поэты, философы и политики в течение чуть ли не тысячи лет вертели в руках, макали в чернила и с ожесточением грызли гусиные перья. С кончика гусиного пера сливались на бумагу мысли великих просветителей и указы об объявлении войн, объяснения законов природы и постановление инквизиции, любовные оды и жалобы челобитчиков.

Гусиное перо служило инструментом, с помощью которого человек мог рассказать о своих достижениях, о своей истории, и безропотная птица может гордиться тем, что исправно снабжала человека этим инструментом.

Люди сто лет уже не пишут гусиными перьями.

Грамотных в средние века насчитывалось, наверное, тысячи, может быть десятки тысяч, а позднее сотни тысяч. Сейчас одних только школьников в мире сотни миллионов. А самый хороший гусь, кроме вкусных шкварок и гогота, может дать всего лишь 10–20 перьев, пригодных для писания. И когда число грамотных людей стало переваливать за миллионы, гусиное перо, непрочное и недолговечное, неизбежно должно было уступить место другому инструменту. Но сначала такой инструмент надо было изобрести, так же как надо было до этого изобрести способ применения гусиного пера, так же как еще раньше надо было изобрести письменные инструменты, предшествовавшие гусиному перу.

Спустя 20 тысяч лет наскальные рисунки передают нам то, что хотел рассказать первобытный художник. При раскопках в Египте находили глиняные дощечки, на которых были нацарапаны значки, изображения различных зверей, птиц, рыб, растений, частей человеческого тела. Этим дощечкам насчитывается 6–7 тысяч лет, и с них начинается история письменности. Затем появились способы изображения не только объектов, но и действий, которые эти объекты совершают: например, человек ходит, бежит, охотится, ест. И наконец, возникла современная письменность, когда нарисованный значок всегда представляет определенный звук безотносительно к тому, что этот звук выражает и в каком слове он встречается. А наряду с непрерывными изменениями и усовершенствованиями письменности менялась и совершенствовалась техника письма. Менялись форма и материалы дощечек и инструменты, которыми на эти дощечки наносились рисунки и образы. Появился папирус — прообраз бумаги, на котором писали тростниковыми перьями. В Китае иероглифы рисовали на шелку специальными кисточками. Около тысячи лет назад появилась бумага, и инструментом распространения человеческой культуры стало гусиное перо.

Века и тысячелетия скрыли от нас имена тех, кто случайно или не случайно делал первые шаги: кто первый придумал изображать звуки в виде букв; кто догадался, что рисунки и буквы можно не царапать или вырезать, а рисовать или писать палочкой, кисточкой, пером, вырезанным из тростника или изготовленным из пера птицы. Каждый такой шаг являлся изобретением. А толчок им дало одно из величайших изобретений, посредством которых человек создал то, что называют цивилизацией, — письменность. Как камень, пущенный с горы, вызывает целую лавину, так одно важное изобретение становится источником большого числа других.

Развитие письменности привело к разработке различных систем записи звуков, различных алфавитов. Нужно было изобрести точку и запятую, тире и двоеточие, папирус и чернила, бумагу и стальное перо. А каждое из этих изобретений, в свою очередь, вызывало к жизни ряд других. Ведь мало было открыть, что на мокрую землю или глину можно легко нанести палочкой узор или изображение животного. Надо было еще придумать, как сохранить этот рисунок от дождя, как сделать так, чтобы его можно было взять с собой при перемене места стоянки.

Появление бумаги вызвало необходимость найти более нежный инструмент для письма, чем стальное стило, которым было удобно царапать пластинку, покрытую воском, или чем бамбуковая палочка, которой писали на папирусе. Таким инструментом оказалось перо птицы, но, чтобы использовать его для этой цели, надо было изобрести ряд способов и приемов его обработки; надо было уметь из пера гуся изготовить гусиное перо. Это было совсем не так просто. Перо надо было очистить от пленки, определенным образом высушить, с помощью специальных составов сколько-нибудь повысить его прочность, затем вновь сушить. А когда все эти способы, приемы, составы были изобретены, усовершенствованы и освоены, выяснилось, что само гусиное перо уже устарело.

История еще одного «пустяка»

В 1780 году англичанин Сэмюэл Гаррисон изобрел стильное перо. Однако поначалу оно стоило дороже нескольких гусей. И только когда в течение многих лет ряд инженеров и изобретателей усовершенствовал способы изготовления стальных перьев, гусиное было окончательно побеждено. А трудностей при этом было немало. Чтобы изготовить хорошее перо, нужна высококачественная сталь. Ему надо придать специальную форму, чтобы оно было упругим, а затем закалить, чтобы придать ему твердость. После этого наступает самая ответственная операция — расщепление острия; эта операция требует особой точности и чистоты ее выполнения, иначе оно не будет достаточно эластичным и плохо будут подаваться чернила; а затем кончик пера надо сгладить, чтобы оно не царапало бумагу, перу нужно придать привлекательный внешний вид. И самое главное, было необходимо изобрести, сконструировать и построить машины и автоматы, которые безошибочно выполняли бы все операции изготовления, затрачивая на них доли секунды. Только при этом условии школьник может за несколько копеек купить десяток превосходных стальных перьев.

А с середины прошлого века началась история изобретения так называемого «вечного пера», снабженного резервуаром для чернил, из которого они автоматически подаются к кончику пера. «Вечное перо» по сравнению с обыкновенным представляет целый сложный агрегат. Изобретены десятки и сотни типов «вечных перьев», использующие самые различные способы наполнения резервуара чернилами, подачи чернил к острию, предохранения от ржавления и утечки чернил. Десятки лет продолжается его усовершенствование. И вот «вечное перо» начинает вытеснять обычное стальное перо. Тридцать лет назад оно было привилегией профессиональных работников пера. Именно тогда появилась летучая фраза о «вечных мыслях», написанных гусиным пером, и о гусиных мыслях, написанных «вечным пером». Десять лет назад «вечным пером», или, как его стали позднее называть, «вечной ручкой», обладал каждый уважающий себя студент. Сейчас «вечной ручкой» пишут все старшеклассники в средних школах. И только в начальных классах с помощью взрослых тетей и дядей (которые сами пользуются «вечными ручками») кое-где пока еще царствует старое перо.

Как же удалось этот поначалу сложный, капризный и дорогой предмет сделать настолько надежным и дешевым, чтобы им охотно пользовались десятки миллионов людей? Нам теперь легко ответить на этот вопрос — ведь история повторяется. Как полтораста лет назад десятки изобретателей и инженеров бились над усовершенствованием стального пера и созданием машин и автоматов для его изготовления, так в последние десятилетия сотни и тысячи изобретателей, техников и инженеров совершенствуют конструкцию «вечных ручек» и разрабатывают оборудование для их производства. В их распоряжении новые металлы и материалы — резина и пластмассы, новые способы и приемы обработки этих материалов.

Конечно, резина и пластмассы были изобретены не в связи с изготовлением «вечных ручек», но без них не было бы «вечной ручки» — легкой и удобной. Попробуйте теперь оценить, какое количество новых идей, новых изобретений, выдумки, науки и труда прямо или косвенно заложено в таком пустяковом с первого взгляда предмете, как обычная «вечная ручка».

И точно так же обстоит дело со многими «пустяками», которые нас окружают в обыденной жизни. Огрызок карандаша, старая книжка, листок бумаги… Легенда рассказывает, как однажды китайский император, утомившись писать на шелку, приказал придворным подыскать более удобный для этой цели материал. И тогда кто-то из них придумал бумагу. Можно быть твердо уверенным, что история изобретения бумаги, так же как и история любого другого изобретения, была значительно сложнее и интересней, чем рассказанная этой легендой, но все же именно у китайцев впервые появилась бумага. Они собирали кору тутового дерева, отделяли волокна с внутренней стороны коры, а затем тщательно уплотняли эти волокна, образовывавшие в конечном счете белый лист. Это был хотя еще очень далекий, но все же предок современной бумаги, на которой напечатана эта книжка.

Около тысячи лет назад искусство изготовления бумаги проникло в другие восточные страны, а затем в Европу. Шли десятки и сотни лет. И шел естественный и непрерывный процесс усовершенствования, улучшения нового изделия и средств его производства. А сейчас бумажные фабрики мира миллионами тонн выпускают буквально тысячи различных сортов бумаги.

Пятьсот лет назад люди научились печатать книги. Точнее говоря, не научились печатать книги, а изобрели книгопечатание — ведь им не у кого было учиться тому, чего еще не существовало. Печатание первых книг занимало ненамного меньше времени, чем переписка их вручную. Сейчас миллионные тиражи газет печатаются за несколько часов. Десятки тысяч машин самых различных названий и конструкций с невероятной скоростью набирают и печатают текст, складывают напечатанные листы в блоки, сшивают и переплетают книги.

В каждом листе бумаги, в каждой книжке заключена капелька коллективного труда миллионов людей: и тех, кто изобрел бумагу и типографские краски, и тех, кто создал печатные и переплетные машины, и тех, кто управляет работой этих машин. А если идти дальше, то и тех людей, кто создавал станки, с помощью которых изготавливают машины, и плавил сталь, которая пошла на их изготовление.

Но, может быть, изобретение письменности, вызвавшее к жизни перо и чернила, бумагу и книгу, было чем-то особенным, не похожим на другие открытия и изобретения, сделанные человеком?

Может быть, с другими «пустяками», которые теперь окружают человека и облегчают его жизнь, дело обстоит по-другому? Может быть, они ему достались намного легче?

Посмотрите на спичку

Управление пожарной охраны выпускает плакаты с изображением ужасных последствий пожара и надписью: «Не давайте детям играть со спичками!» Разумное предупреждение. Даже двух-трехлетний ребенок может зажечь спичку и устроить пожар.

Но наша спичка только недавно отпраздновала свое столетие. А пользоваться огнем человек научился намного раньше, чем рисовать и писать. Пользоваться огнем, но не добывать его! Естественными источниками огня служили лесные пожары, зажигаемые молниями; раскаленные камни и лава, извергаемые вулканами; падающие метеориты; искры, высекаемые камнями и валунами при обвалах. Использование огня, который ему таким образом дарила природа, было, наверное, одним из первых открытий, сделанных человеком. Может быть, он прежде всего обнаружил возможность согреваться около естественного огня. Это было первым открытием, за которым последовал целый ряд других. Греясь около костра, он заметил, что его враги — хищники — боятся огня; значит, огонь — защитник. Это тоже было полезным открытием. Куски пищи, случайно попадая в огонь, прожаривались; в ряде случаев жареная пища оказывалась значительно вкуснее сырой; это открытие толкало первобытных поваров на ряд новых экспериментов. Наверное, они таким образом научились греть воду и варить пищу. Используя огонь, наши далекие предки так или иначе обнаружили, что, обжигая палку, можно заострить ее конец и повысить его твердость.

А когда в пламень костра случайно попал кусок металлической руды и никому не известный сейчас гений впервые оценил этот факт и когда были поняты ценные качества выплавленного металла, получил начало целый ряд новых открытий и изобретений — ряд, конца которому не видно.

Так, или приблизительно так, выглядит картина освоения огня человеком. И на ее фоне довольно бледно выглядит красивый греческий миф о некоем благотворителе — титане Прометее, похитившем огонь с неба, чтобы дать его людям.

А после того как человек научился пользоваться огнем, он начал изобретать способы его добывания. Имеются свидетельства того, что искусство высекать огонь известно человеку уже много тысяч лет. Сидя у костра, люди видели, как летят искры и раскаленные частицы и как от этих искр, падающих на сухой мох и листья, разгораются новые костры. Так был проложен путь к использованию для добывания огня камней, искрящих при соударениях.

Способ получения огня высеканием применялся тысячи лет, вплоть до конца прошлого века. Сначала этой цели служили кремень и железный колчедан, а затем кремень и кусок стали, который называли огнивом. Ударом огнива о кремень высекались искры, а для раздувания огня сначала использовали сухой мох, пух и волоконца семян, куски сухого полусгнившего дерева, а затем трут, приготовленный специальным образом из грибных наростов деревьев. Кремень, огниво и трут прочно обосновались в Европе и Азии и использовались вплоть до того времени, когда широкое распространение получили спички.

Способ добывания огня высеканием был широко распространенным, но не единственным. В Африке, да и не только там, огонь добывался трением двух кусков дерева. Никто не знает, подсмотрел ли человек у природы этот способ добывания огня или изобрел его сам.

Основан он на том, что при трении двух кусков дерева образуется пыльца и одновременно выделяется тепло, достаточное, чтобы эта пыльца начала обугливаться и тлеть, попадая на легковоспламеняющийся материал. Два куска дерева можно тереть по-разному: по волокнам, поперек волокон, можно вращать один кусок относительно другого. Но не пробуйте, читатель, добыть огонь таким способом. Вас можно совершенно безопасно оставить наедине с горой дров и вязанками хвороста. Пожара вы не устроите! Добыть огонь трением не удавалось моряку Пенкрофу из «Таинственного острова», героям Марка Твена и Джека Лондона. Чарльз Дарвин пишет о своих неудачных попытках добыть огонь трением, когда во время кругосветного путешествия он побывал на тихоокеанских островах, где этот способ был единственным доступным для местных племен. Нужны были специальные приспособления, нужны были сноровка и навык пользования этими приспособлениями.

Древние египтяне добывали огонь вдвоем: один держал неподвижно нижнюю дощечку, другой приводил во вращение деревянную палочку. По мере износа одна палочка заменялась другой. Как видите, они, наверное, первыми осуществили идею сменного инструмента.

Американские индейцы-ирокезы, те самые, о которых писал Фенимор Купер, наряду с томагавками, боевыми криками и скальпами придумали остроумное устройство для добывания огня трением, напоминающее инструкцию детского волчка.

Тысячи лет высекали огонь из камня или добывали его трением, пока, наконец, в начале прошлого века не начали появляться новые способы добывания огня. Десятки изобретений сначала вызывали восхищение, а затем разочарование. Эти изобретения предусматривали использование взрывоопасных и ядовитых веществ, процесс добывания огня по-прежнему оставался сложным и длительным. В 1827 году в продаже появились спички «Люцифер» (одно название чего стоит — ведь Люцифер — это дьявол!), лишь отдаленно напоминающие современные. Этот зажигательный набор сопровождался подробной инструкцией, последняя фраза которой гласила: «Персоны со слабыми легкими ни в коем случае не должны пользоваться спичками „Люцифер“».

Только в конце прошлого века, после того как был открыт совершенно безопасный красный фосфор, появились наши безопасные спички. И мы теперь расходуем их в фантастических количествах.

Десятки тысяч осин и елок поступают на лесопилки спичечных фабрик. И ежедневно вывозятся с фабрик вагоны ящиков, наполненных коробками спичек.

Машины делят бревна на чурки определенной длины, с помощью широких ножей «развертывают» чурку в бесконечную ленту, примерно так же, как раскручивают бинт, прессуют эту ленту стопками и рубят из нее соломку. Соломка должна быть пропитана специальным составом, чтобы спичка горела без тления; затем ее надо высушить, очистить, отполировать и отделить брак. Только после этого начинается процесс превращения соломки в спички. Все это делают автоматы. А к моменту, когда спичка готова, другие автоматы изготавливают и подают к набивному автомату коробки.

Если у вас есть несколько минут времени, возьмите два-три полных коробка и пересчитайте, сколько в каждом из них спичек.

Их может оказаться либо пятьдесят с лишним, либо семьдесят пять с лишним.

Почему не ровно 50 или 75? Потому, что настолько совершенен процесс производства, так производительно работают автоматы, что дешевле набивать коробки «с походом», чем создавать еще один автомат для точного отсчета спичек.

Такова короткая история еще одного «пустяка» — спички. У каждого предмета, изделия, прибора, машины, которые нас окружают и обслуживают, есть своя история. Она может быть длиннее или короче, уже заканчиваться или еще только начинаться, она может быть забавной или трагической, но она всегда разная и вместе с тем всегда одинакова.

Каждая такая история начинается с изобретения, почти всегда еще очень далекого от совершенства, или с открытия, которое, может быть, только приподнимает краешек завесы, за которой скрыты богатства природы. Но если идея изобретения не противоречит законам природы, если это изобретение или открытие обещает разрешить сколько-нибудь важную задачу, объяснить непонятное, овладеть силами природы, облегчить труд людей, побороть болезнь, то первоизобретатель или первооткрыватель никогда не остается в одиночестве.

За первыми изобретениями, предложениями, теориями неизбежно появляются следующие, более совершенные, разработанные с учетом уже накопленного опыта.

Еще несколько слов о дискуссии

Потребности человека так обширны и разнообразны, что ему волей-неволей приходится непрерывно изобретать, разрабатывать и строить все новые и новые машины. Они окружают его дома и на улице, в школе и на работе; за несколько часов переносят в любой конец Земли, помогают заглянуть на дно моря, в глубь Земли и в космос, шьют одежду и обувь, готовят лекарства и строят дома.

Мало этого! Машины передают и воспроизводят речь и музыку. Они развлекают человека — ведь без машин нельзя снять кинофильм и нельзя его увидеть на экране. Они решают математические задачи, в мгновение ока выполняя сложнейшие вычисления, начинают вмешиваться в такие вопросы, решение которых раньше считалось уделом людей. Того и гляди они начнут думать, сначала вместе с человеком, затем вместо человека, потом лучше человека, начнут саморазвиваться и самоусовершенствоваться, самоорганизовываться и саморазмножаться!

Что же такое машина — это создание человека? Как будет выглядеть ее портрет в недалеком или далеком будущем? Чем она отличается от разумного живого существа или, если хотите, чем человек отличается от машины? Выйдет ли она из подчинения ему или он останется ее властелином? Одним словом, кто окажется победителем, кто побежденным?

Кто — кого?

Так мы оказались участниками дискуссии, о которой шла речь в предисловии. Ее главным действующим лицам казалось, что есть доводы, короткие и действенные, как артиллерийский залп, с помощью которых можно в два счета доказать, что человек — это машина, или, наоборот, с полной ясностью убедить, что человек и машина — два противоположных полюса. И на дискуссию они явились во всеоружии. У одних на знамени было начертано: «Машина — система, способная совершать действия, ведущие к определенной цели. Человек в этом смысле является машиной. Будущие кибернетические машины — это, в частности, будущие люди». Тезис выглядел внушительно, хотя чуть длинновато.

Другие использовали не новый, но зато значительно более короткий тезис: «Этого не может быть потому, что не может быть никогда».

Грянул бой, и наивные слушатели, рассчитывавшие почти мгновенно получить ответы на интересующие их вопросы, оказались в густом дыму всевозможных предпосылок, научных определений и технических терминов — красивых и непонятных, как название папирос «Герцеговина Флор».

Дискуссия ужасно затянулась. Слушатели, да и сами участники, постепенно переходили от радостного ожидания к унынию, хотя еще по инерции продолжали выступать, смеяться и аплодировать остроумным аргументам и репликам. Это было как в стишке, который в вольном переводе с английского звучит примерно так:

Жила-была такса, такая длинная,

Что она заранее не знала,

Сколько времени ее чувства идут от головы к хвосту.

И случилось так, что глаза ее были полны грусти и печали,

А хвостик еще продолжал оживленно вилять

Потому, что недавно ей было весело.

Нет! Опыт показал, что путь прямой дискуссии малопригоден и что лучше поступить по-другому.

Свое первое стальное перо Гаррисон изготовил вручную, пользуясь несложными инструментами и приспособлениями; он хуже или лучше выполнил все необходимые операции, затратив на них много часов и дней размышлений и труда. Современные автоматы затрачивают на эти операции ничтожные доли секунды.

Теперь между человеком и изделиями — стальным пером, гвоздем, электролампочкой — стоят машины. На их создание он направляет теперь свой труд и свою мысль.

Количество машин, если суметь их сосчитать, наверное, превзойдет число людей, живущих на Земле. Они образуют целый мир, поразительно разнообразный, но вместе с тем подчиняющийся определенным закономерностям.

Попробуем понять самые главные из этих закономерностей, попробуем понять, что общего между будильником и вычислительной машиной, лифтом и тепловозом, киноаппаратом и автоматом, выпекающим пончики. Чтобы эту задачу решить, нам придется познакомиться как с общими идеями и принципами, так и с конкретными их воплощениями — с разными «жителями» мира машин.

А затем мы соберем все машины и расставим их по полкам, расположив по степени сложности и «разумности» действий, которые они способны совершать. Тогда, наверное, станет яснее, что скрывается за понятиями «машина», «автомат», как автоматы делаются все более «умными», что им можно поручить и как они справляются с поручениями.

По одинаковым законам падают часы, выскользнувшие из руки, и человек, поскользнувшийся на обледенелой дорожке. Нельзя прокормить живое существо бензином — пусть даже самого высокого качества, как нельзя запустить автомобильный двигатель, залив в бак сгущенное молоко. Человек и машина одинаково подчиняются некоторым законам физики, химии, математики.

Перед этими законами природы человек и машина равны. Это хорошо известная истина позволяет сравнивать и сопоставлять устройство и действие механизмов машины и живого организма, видеть, в чем они похожи и в чем различаются. Об этом также пойдет речь в книге.

Существуют математические методы — их называют методами экстраполяции, которые позволяют, зная историю развития некоторого процесса или события, предсказывать его дальнейший ход.

Так, зная, как росло народонаселение земного шара за ряд прошедших лет и применяя методы экстраполяции, можно предсказать, сколько жителей будет населять нашу планету через 5, через 10, через 50 и даже через 100 лет. Каждому понятно, что чем лучше известна прошедшая история события, тем яснее становится его последующий ход.

Попытка ответить на вопрос «кто — кого?» — это попытка предсказать ход истории технического прогресса. Прислушиваясь к прогнозам на будущее, следует твердо помнить, что чем больший промежуток времени пытаются охватить при подобных прогнозах, тем менее они достоверны, тем больше отличаются результаты экстраполяции. Иначе с чего бы это началась дискуссия? И тем более интересно время от времени оглянуться назад и посмотреть, как развивались события в прошлом, как выглядят сегодня некоторые главы истории машины.

Мы так и будем поступать.

Мир машин мертв без человека. От первой линии на листе ватмана и первой формулы до последнего мазка краски на готовом образце — все процессы создания и совершенствования машины продуманы и предопределены человеком. Можно ли говорить об этих процессах и не попытаться заглянуть во «внутреннюю лабораторию» изобретателя, ученого, инженера.

В истории науки и техники золотыми буквами записаны тысячи выдающихся имен, и не вина автора, что на страницах книги вы встретитесь лишь с некоторыми из них.

Ведь это книга не по истории техники. Она всего только прогулка в мир машин.

Как всякая прогулка, одному она может показаться слишком короткой, другому — длинной. Понимая, что каждому угодить нельзя, автор вместе с тем постарается ее сделать по возможности интереснее.

Начнем «от печки»

Такой неудобный мир

Окружающий нас мир устроен так, что он оказывает сопротивление любым действиям, которые мы совершаем. Чтобы двигаться, поднимать и переносить тяжести, работать в поле и на станках, человек должен развивать усилия, достаточные для преодоления сопротивлений, которые при этом возникают. Поднимаясь по лестнице, мы преодолеваем сопротивление силы тяжести нашего тела. Если мы, кроме того, несем груз, то к силе тяжести прибавляется вес груза.

Из опыта хорошо известно, что чем выше лестница, чем больше груз, тем тяжелее его донести доверху. О работе, требующей затраты больших усилий, говорят как о тяжелой физической работе. Но вместе с тем в обыденной жизни в термин «работа» вкладывают подчас самый различный смысл. О лифтере, мирно дремлющем на стуле возле открытой двери лифта, говорят, что он работает. Про альпиниста, поднимающегося с двухпудовым рюкзаком по отвесной стене, говорят, что он отдыхает. А в технике термин «работа» имеет точное количественное выражение независимо от того, кто или что и с какой целью эту работу выполняет.

Так, например, чтобы поднять четырехкилограммовый кирпич на высоту в один метр, надо затратить четыре килограммометра работы. Чтобы поднять его на два метра, надо затратить восемь килограммометров. Такую же работу надо затратить, чтобы поднять на один метр два кирпича и т. д.

Во всех случаях затраченная работа определяется как произведение силы сопротивления на путь, на протяжении которого эту силу приходится преодолевать. При таком подсчете не имеет никакого значения, поднимает кирпичи человек или подъемный кран.

Силы сопротивления испытывают крылышко мухи и крыло воздушного лайнера, электрический ток, бегущий по тончайшему проводничку, резец станка и ковш экскаватора. Всем действиям живых существ и машин противостоит крайне «неудобный» внешний мир, и, чтобы преодолевать его сопротивления, они должны расходовать энергию.

Из собственного опыта мы знаем, что способность человека выполнять физическую работу ограничена. Почему? Потому, что ограничен запас энергии, за счет которой живет и действует любой живой организм.

Энергия — это то «таинственное» качество живого организма, которое позволяет ему выполнять механическую работу. Но ведь механическую работу может производить машина! Значит, она тоже обладает таким «таинственным» качеством?!

Энергия — привычное теперь слово. Однако если вы без специальной подготовки попробуете объяснить, что оно означает, то вам это удастся сделать только очень приблизительно, по-общежитейски. Но даже для первой прогулки в мир автоматов такого интуитивного приблизительного знания недостаточно. Ведь вся история техники, прошлая и настоящая, — это в значительной мере история борьбы за энергию, многие машины — результат этой борьбы.

Хочешь не хочешь, придется нашу прогулку начать «от печки», с повторения того, что большинством из вас прочно забыто.

Так что ж такое энергия? Откуда и как ее черпают живые существа и машины?

Средневековый воин, согнувшись под тяжестью камня, тащит его на верхушку башни, чтобы в подходящий момент сбросить на головы непрошеных гостей. Чтобы поднять камень наверх, надо затратить энергию. Но вот камень уже наверху, положен на край парапета башни, и человек отошел в сторону. Куда исчезла та энергия, которую он израсходовал, неся вверх тяжелую глыбу? Она никуда не исчезла, она только скрылась, изменила спою форму и уже готова к новым измерениям. Величина этой скрытой, или, как ее называют, потенциальной, энергии увеличивалась по мере того, как человек вносил камень по лестнице башни. Каждый килограммометр энергии, который он тратил на подъем, невидимкой оседал в форме накапливающейся в камне потенциальной энергии. Подножие башни и ее верхушка находятся на разных уровнях, и в точном соответствии с изменением уровня изменяется потенциальная энергия камня. А теперь столкнем камень с парапета. Он падает, и накопленная в нем энергия постепенно начинает принимать новое обличье.

Любое движущееся тело, живое или неживое, обладает энергией тем большей, чем больше скорость его движения. Эту энергию — энергию движения — называют кинетической энергией. По мере того как камень падает вниз с башни, скорость его растет. Потенциальная энергия камня убывает, зато возрастает его кинетическая энергия.

Нет ни одной машины, которая в процессе работы не двигалась бы целиком или не имела бы движущихся частей. Все действия, которые мы совершаем, работая, разговаривая, даже дыша и размышляя, сопровождаются движениями. Чтобы машина или живое существо могли двигаться, совершать работу, им нужна энергия движения — механическая энергия.

Мы сами и весь мир вокруг нас состоим из мельчайших частиц — атомов различных химических элементов. Атом каждого элемента состоит из ядра, окруженного тем или иным количеством электронов. Они вращаются вокруг ядра примерно так же, как планеты вращаются вокруг Солнца.

Много примеров придумывают, чтобы дать представление о размерах атома. Вот еще один. Вообразите себе самую малую песчинку. Если атомы, из которых она состоит, разделить поровну между 8 миллионами москвичей, то, чтобы сосчитать свою долю, каждому из них придется затратить 50 лет, занимаясь счетом круглые сутки.

Самое удивительное, что, как ни мал атом, он больше похож на «ничто», чем на «что-то». Если мысленно увеличить атом до размеров, например, Большого театра, то ядро будет выглядеть не больше, чем песчинка, а электроны вообще не будут видны. И вместе с тем движутся электроны по своим орбитам с гигантской скоростью, достигающей 35 тысяч километров в секунду. В миллионные доли секунды они успевают миллиарды раз обернуться вокруг ядра.

Между ядром и электронами постоянно действуют электрические силы, которые притягивают каждый из электронов к ядру. Электрон, находящийся под действием этой силы, как камень, находящийся под действием силы тяжести, обладает некоторым запасом скрытой энергии. И величина этой энергии, так же как величина потенциальной энергии камня, зависит от положения, которое занимает электрон.

Различным положениям электрона соответствуют различные уровни энергии, и, когда он переходит с более высокого уровня на более низкий, часть энергии освобождается.

Примерно такую картину можно себе представить, когда, например, атомы углерода угля или дерева начинают взаимодействовать с атомами кислорода воздуха. Процесс такого взаимодействия называют горением, а освобождающаяся при этом процессе энергия принимает форму тепла, или тепловой энергии. А скрытую энергию, которой обладали электроны до того, как начался процесс горения, называют химической энергией. Значит, любой горючий материал: уголь, дрова, нефть, бензин — является резервуаром химической энергии.

Миллионы людей при помощи десятков тысяч машин добывают сотни миллионов тонн угля, нефти, торфа. Добывают только для того, чтобы потом их сжечь. Значит, в шахтах, на нефтепромыслах и торфоразработках в конечном счете добывают химическую энергию, чтобы потом превратить ее в тепловую энергию.

Электрические заряды — вот источник сил, действующих внутри атома, а носителями этих зарядов служат материальные частицы. И какой бы химический элемент мы ни взяли, он содержит только два вида электрически заряженных частиц. Одни из них — электроны — несут отрицательный заряд. Легким облачком они совершают непрерывное кружение вокруг ядра. А в ядре содержатся частицы другого вида — протоны; они несут положительный электрический заряд. Заряженные частицы определенным образом взаимодействуют между собой. Так частицы с одинаковым зарядом отталкивают одна другую; частицы, несущие различные заряды, притягиваются. Так притягиваются друг к другу электрон и протон. Все протоны сосредоточены в ядре — значит, все ядро в целом несет положительный заряд.

Положительный заряд ядра удерживает электроны, как вращающаяся веревка удерживает привязанный к ней камень. В обычных условиях величина положительного заряда ядра в точности равна отрицательному заряду окружающих ядро электронов. Эти заряды уравновешивают друг друга, и атом оказывается электрически нейтральным. Мы не замечаем и не можем заметить действия сил, скрытых внутри атома. Но если нарушить электрическое равновесие между электронами и протонами, то электрические силы выходят за пределы атомов и проявляют свое действие в форме электрической энергии.

В природе не существует естественных запасов электрической энергии, подобных запасам химической энергии. Человек должен создавать искусственные источники электрической энергии — электростанции. На тепловых электростанциях в электрическую энергию превращается химическая энергия топлива, на гидростанциях — механическая энергия движущейся воды.

Мысленно проникнув в атом, человек нашел там много интересного. И это не только не удовлетворило, а, наоборот, еще больше разожгло его любопытство. И он двинулся в глубь атома — в ядро. Оказалось, что составляющие его мельчайшие частицы — протоны — держатся вместе благодаря действию особых, внутриядерных, сил. Протоны внутри ядра тоже могут находиться на различных энергетических уровнях, и — что самое главное! — раскалывая ядро, их можно заставить переходить с одного энергетического уровня на другой. А при переходе с одного уровня на другой, как при падении камня, освобождается скрытая в ядре ядерная энергия.

Поняв это, человек попробовал прикинуть, какое количество энергии можно добыть, вторгшись в ядро. Результаты вычислений поначалу изумили его. Он проверял выкладки, он придумывал десятки хитроумных опытов. Открытия и изобретения сыпались одно за другим, как из рога изобилия. Наконец он сказал: «Мои выкладки и вычисления сделаны правильно! Я стою на берегу бездонного океана энергии!»

Мы начали с жалобы на неудобный внешний мир, сопротивляющийся всем нашим действиям. А в конечном счете оказывается, что он дает человеку средство — энергию — для преодоления этих сопротивлений.

Когда говорят «о тепловой энергии», «электрической энергии», «химической энергии», «атомной энергии», то этим лишь указывают источник, из которого черпается возможность произвести в конечном счете механическую работу и способ, посредством которого такое вычерпывание можно сделать.

Из «ничего» — «нечто»

Как опытный актер, перевоплощаясь, выступает на сцене в самых различных обличьях и вместе с тем остается самим собой, так и энергия, оставаясь одним и тем же качеством, принимает самые различные формы. Она может оставаться на месте и может путешествовать. Ее можно использовать для самых различных целей, самым различным образом. Ее можно хранить, передавать, преобразовывать. Только двух операций нельзя проделать над энергией: нельзя ее уничтожить и добыть из ничего!

В течение нескольких сотен лет люди изобретали «вечный двигатель» — машину, которая, будучи приведена в действие, выполняет полезную работу, не используя внешнего источника энергии. Двести лет назад это бесполезное занятие было простительным. Тогда еще не был сформулирован с предельной ясностью закон сохранения энергии.

Самое удивительное, что подобные «изобретения» до сих пор поступают на рассмотрение в Комитет по изобретениям и открытиям и в Академию наук.

Авторы (среди них попадаются даже люди, обремененные высшим техническим образованием), конечно, не называют свое детище «вечным двигателем». Наоборот, они выбирают для него самое наукообразное название. Это может быть «инерционный движитель», «гравитационный двигатель», «трансформатор мощности». Их машине, конечно, нужна мощность. Но все дело в том, что они, авторы, так удачно компонуют шестерни, рычаги, пружины и маховики, так удачно используют магнитную индукцию и свойства электромагнитного поля, что эти машины выдают энергии гораздо больше, чем потребляют.

Да, конечно, они знают о законе сохранения энергии, но ведь этот закон выведен на основании опыта и только опыта. Но с изобретенной ими машиной опытов еще не делали; вот они и просят, предлагают, требуют, чтобы их машину построили и попробовали; они, авторы, гарантируют успех. А если эксперты и ученые не верят, то пусть немедленно разработают полную теорию новой машины и найдут ошибку. Если такая ошибка обнаружится, то они сумеют ее исправить, после чего машина будет выдавать уже не вдвое, а втрое больше энергии, чем она потребляет. Получив отказ, они представляют «улучшенный» проект, и все начинается сначала.

Они, конечно, знают о законе сохранения энергии, но ведь этот закон основан только на опыте. А с их улучшенной машиной опытов не делали. И они предлагают, настаивают, требуют…

Трудно подсчитать вред, который приносят такие «изобретатели», даже если заблуждаются неумышленно. Они бесполезно расходуют свою энергию, не забывая восстанавливать ее из общественных источников. Они вовлекают в бесполезные обсуждения и переписку бесчисленных экспертов, рецензентов, ученых…

И все это несмотря на то, что в любом школьном учебнике физики, в любой энциклопедии, в популярных книжках объясняется самым исчерпывающим образом абсурдность идеи создания «вечного двигателя».

Вот почему мы здесь не будем еще раз разбирать уже набившие оскомину проекты «вечных двигателей» с перекатывающимися шариками, с водой, которая сама течет вверх, с машинами, которые сами себя «за уши» поднимают в воздух и из «ничего» делают «нечто».

Но, конечно, за любознательным читателем, даже если он твердо уверен в том, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, всегда остается право спросить, откуда она берется. Откуда она взялась в пище, что мы едим, в угле, который сжигают в топках? Откуда взялась энергия в стакане молока и в лучах Солнца?

Зная это, легче понимать, как действуют и те автоматы, что превращают энергию из одной формы в другую, и те, что используют ее для выполнения полезной работы.

Энергию, которую содержат хлеб, овощи, фрукты, дают нам растения. Животные, от которых мы получаем мясо и молочные продукты, также питаются растениями. Энергия, заключенная в стакане молока, перешла туда от растений, скормленных корове. Вся энергия, которую мы получаем с пищей, была некогда заключена в растениях. Откуда она там взялась?

Чтобы растение могло жить и расти, ему нужны в достаточных количествах вода и углекислый газ, почерпнутые из земли и воздуха. Из этих веществ в растениях образуется сахар, а из него другие необходимые растению вещества. Однако чтобы из воды и углекислого газа мог образоваться сахар, необходима энергия. Поставщиком этой энергии служит Солнце. Процесс, посредством которого растение производит сахар из воды и углекислого газа с помощью солнечной энергии, называется фотосинтезом. В результате этого процесса световая энергия Солнца преобразуется в химическую энергию, заключенную в сахаре. Значит, источником энергии, которая содержится в пище, служит Солнце. Поток солнечных лучей начинает ту бесконечную цепочку преобразований, которые претерпевает энергия, щедрым потоком льющаяся с его поверхности сегодня так же, как она лилась миллиарды лет назад. За это время Земля впитала гигантские запасы солнечной энергии.

Миллиарды лет назад, как и сейчас, шел процесс фотосинтеза и в растениях накапливалась энергия. А затем растения умирали, падали на землю, сгнивали, на них падали еще растения и еще, образовывался торф. Затем время покрывало торфяные болота бесчисленными слоями песка, земли и заливало водой. Гигантское давление спрессовывало торф, и постепенно он прекращался в каменный уголь. В торфе и в каменном угле осела та энергия, которая некогда совершила путешествие длиной в 150 миллионов километров!

Вся энергия, которую человечество когда-либо использовало, использует или будет использовать, уже существует в той или иной форме в природе. Источником этой энергии служит Солнце. Откуда она там взялась? Неистощимое тепло Солнца имеет своим источником ядерную энергию солнечного вещества. Непрерывно Солнце сжигает само себя, но настолько велики запасы этой энергии, что оно будет все так же греть еще многие миллиарды лет.

Вот откуда в конечном счете берется та энергия, которая движет поезда и самолеты, освещает и обогревает наши дома, которая, как кровь, бежит по электропроводам, газопроводам, нефтепроводам, которая поддерживает жизнь всего сущего на Земле, которая необходима, чтобы работать, дышать, говорить…

Звено за звеном мы проходили по цепочке преобразований энергии и, наконец, добрались до того центрального склада, в котором она хранится. Но это, конечно, не означает, что мы не имеем права снова задать все тот же стандартный вопрос: «А откуда она там взялась?»

Ну что же! Наука не отрицает того, что еще есть много вопросов, на которые пока ответить нельзя.

А для нас в этой книге первостепенное значение имеет лишь тот вывод, что энергию нельзя уничтожить и нельзя получить из ничего. Ее можно только добывать и преобразовывать из одного вида в другой.

Если бы энергию, которую человек получает с пищей, удалось измерить обычным электросчетчиком, то ее величина оказалась бы в среднем равной всего 4–5 киловатт-часам в сутки. Это все, чем располагает человек для того, чтобы жить и работать.

А если тем же электросчетчиком измерить всю энергию, которая расходуется на заводах и фабриках, на транспорте и в сельском хозяйстве, на освещение и отопление, на обслуживание всех бытовых нужд человека, то выяснится, что в среднем на каждого жителя земного шара, трудоспособного и нетрудоспособного, приходится около 30 киловатт-часов в сутки, то есть в 10 раз больше того, чем человек располагал бы, работая, образно говоря, голыми руками. Энергия, добываемая человеком, уже сегодня буквально удесятеряет его силы.

Больше четырех пятых мирового потребления энергия дают уголь, нефть, газ, торф. Их запасы из года в год истощаются. А что будет завтра, когда энергии понадобится втрое, вдесятеро и в сто раз больше, чем сегодня? Ведь наступит время, когда запасов ископаемого топлива уже не будет хватать?

Конечно, каждый человек по отдельности может об этом не думать, успокаивая себя соображением «на мой век энергии хватит». Но человечество в целом об этом думать обязано. И пожалуй, уже сейчас можно сказать, что истощения энергетических запасов бояться не стоит.

Ведь мы пока используем самую ничтожную их долю. Подсчитано, например, что лучистая энергия, получаемая Землей от Солнца в течение года, в 20 тысяч раз больше, чем дают за это же время все используемые в настоящее время источники энергии. А наша солнечная система не больше, чем пылинка в одном из дальних углов Галактики. И та, в свою очередь, не больше пылинки во вселенной. В пределах нашей Галактики и за ее рубежом хранятся и циркулируют такие количества энергии, что даже привыкшие к непостижимо большим числам астрономы поражаются их громадности.

Так, например, где-то в «окрестности» созвездия лебедя они обнаружили две столкнувшиеся галактики. Эти галактики находятся от нас на расстоянии 200 миллионов световых лет[1], и сфотографировать их удается только с помощью самых сильных телескопов. Вместе с тем энергии, излучаемой ими всего лишь в одну секунду, хватило бы всему населению Земли на ближайшую тысячу миллиардов лет!

Энергетических автоматов, которые будут добывать и преобразовывать энергию для наших далеких потомков, используя, может быть, самые удивительные способы, пока еще нет. Но уже сейчас наряду с привычными энергетическими установками появляются новые — основанные на прямом использовании ядерной и солнечной энергии. Сегодня доля этих источников в общем балансе энергии ничтожна. И тем не менее они дают представление об энергетике ближайшего будущего. Именно ближайшего будущего! Созданная в США государственная комиссия по атомной энергии не так давно сообщила, что, по ее подсчетам, к концу XX века половину электрической энергии будут поставлять атомные реакторы, а через сто лет ими будет производиться почти вся электроэнергия, которой тогда понадобится во много раз больше, чем сейчас.

Добыча энергии, создание машин для ее преобразования составляют гигантскую задачу, которую решало человечество с того момента, как наш далекий предок взял в руки первое орудие, решает сейчас и будет решать до тех пор, пока оно существует.

Сказка золотой рыбке

Люди любят сказки. Сказки занимательны, и у них, как правило, хороший конец. Поэтому сказками полны не только детские книжки. Они встречаются в библии, в «трудах» схоластов и богословов, в популярной литературе. Есть много сказок на научные и технические темы.

В древних рукописях «точно» установлено, что ковчег, построенный библейским Ноем, был длиной свыше 160 метров и имел водоизмещение 18 тысяч тонн. По тем же данным, этот корабль был спущен на воду две с половиной тысячи лет назад. Подробности, связанные с определением размеров такого гигантского корабля, его оснасткой и тому подобные, в этих рукописях благоразумно опускаются.

В сказках на научные и технические темы изобретения и открытия часто представляются как результат счастливого совпадения различных обстоятельств.

Переходит из книжки в книжку забавная сказка о том, как великий грек Архимед открыл «закон Архимеда», погрузившись в ванну. Авторы книжек украшают эту сказку разными подробностями. Но из этих подробностей вы не узнаете, что во времена Архимеда у греков был изрядный флот и они уже прекрасно знали главные факты, касающиеся плавучести кораблей. Все те явления, которые Архимед мог узнать, погрузившись в ванну, в то время уже были хорошо известны.

А миф о том, как Ньютон открыл закон тяготения? В изложении его племянницы он выглядит так. Однажды Ньютон сидел в саду, погруженный в глубокие думы. Неожиданно его мысли были прерваны шумом упавшего яблока. Размышления по поводу этого события в дальнейшем привели Ньютона к установлению величайшего закона природы — закона всемирного тяготения. Можно ли сомневаться в том, что и без исторического яблока он сделал бы свое великое открытие?

А вот сказка об изобретении паровой машины Джемсом Уаттом. Однажды опекавшая его тетка, уйдя из дома, поручила маленькому Джемсу присмотр за горшком, в котором варился суп. Но мальчик так увлекся видом танцующей крышки кипящего горшка, что забыл о поручении, и в результате суп выкипел. Возвратившись тетка, конечно, основательно пробрала племянника за небрежность и ротозейство, но тем не менее сделанное мальчиком наблюдение — вид крышки, беспрерывно танцующей под влиянием вырывающейся струи — послужило основанием для построения впоследствии модели паровой машины.

Вряд ли имеет смысл сейчас обсуждать, что было бы, если бы тетя Уатта сама наблюдала за горшком, а Меленький Джемс бегал в это время по двору. Вряд ли кто-нибудь будет утверждать, что в этом случае паровую машину изобрел бы не Уатт, а его тетя.

Но уж если попытаться рассматривать изобретение или открытие как случайное событие, то нужно прежде всего правильно представлять себе смысл, который вкладывается в это понятие.

На миллионы билетов денежно-вещевой лотереи приходится несколько выигрышей, дающих право на получение легкового автомобиля «Москвич». И у каждого, кто покупает лотерейный билет, теплится надежда. Он твердо знает, что кто-то обязательно выиграет автомобиль, и надеется, что этим счастливым «кто-то» будет он сам. Может ли произойти такое случайное событие? Каждый ответит: «Да, может». Вопрос только в том, какова вероятность такого события. Вероятность выиграть ту или иную вещь по лотерейному билету легко вычислить, зная условия лотереи, но не это для нас сейчас важно. Главное, что каждое случайное событие в то же самое время является иногда более, иногда менее, но все же вероятным событием.

В обыденной жизни часто говорят: «Произошло невероятное событие». Это одно из преувеличений, к которым вообще склонны люди, не говоря о том, что такая фраза бессмысленна сама по себе.

Может случиться какое-либо маловероятное событие; невероятное событие вообще произойти не может. Можно ли выиграть по лотерейному билету живого слона, если его нет в списке выигрышей? Можно ли, сложив на бумажке два семизначных числа, получить в ответе бутерброд с маслом? Мог ли изобрести паровую машину полмиллиона лет назад наш далекий предок, который проводил свой обеденный перерыв у костра, с аппетитом уплетая кусок сырого мяса? Все эти события можно смело отнести к разряду невероятных.

Первый человек в вопросах творчества и изобретательства был почти полным профаном. Он стоял у самых истоков того необозримого потока идей, благодаря которому человек стал тем, что он есть сейчас.

Сейчас точно неизвестно, сколько времени понадобилось нашему предку, чтобы обзавестись палкой с привязанным к ней булыжником, рыболовным крючком, копьем, но, уж во всяком случае, история каждого из этих теперь анонимных изобретений длилась, не одну тысячу лет.

Да, собственно говоря, какой с него спрос, если он должен был целый день охотиться, искать жуков и червей, собирать орехи и ягоды. Те 4–5 киловатт-часов энергии, которые он получал с пищей, почти полностью уходили на ее добывание. И так круглый год; на изобретательство у него оставалось совсем мало времени.

Но все же постепенно квалификация рода человеческого повышалась. Все чаще появлялись важные изобретения и открытия. Большинство из них касалось новых источников энергии и новых способов ее использования.

Около десяти тысяч лет назад люди научились разводить домашних животных, которые работали на человека, служили ему пищей и существенно пополняли запас его энергии.

Но, как в сказке о рыбаке и золотой рыбке, потребности человека всегда превышают его возможности. Для удовлетворения все возрастающей нужды в энергии человек изобрел парус и водяное колесо. С помощью паруса энергия ветра передаваясь кораблю, а через водяное колесо энергия движущейся воды передавалась мельничным жерновам.

Впервые энергия, хранящаяся и циркулирующая в окружающем нас мире, была использована для целенаправленного действия, без непосредственного участия живого организма; впервые цепочка передачи энергии была полностью механизирована.

Конечно, это была очень короткая цепочка, она не включала процессов преобразования энергии из одного вида в другой — на ее первом и последнем звеньях действовала одна и та же механическая энергия. И все же первый и очень важный шаг был сделан. Опыт механизации энергетических процессов прошел вполне успешно.

Вскоре энергии, которую можно было собрать с помощью мельниц — водяных и ветряных, — опять стало не хватать. И кроме того, ветер обычно не дул именно тогда, когда он был крайне нужен, и реки текли не там, где хотелось бы.

…Нам понадобилось всего лишь две-три страницы, чтобы пройти путь, который человечество проходило круглым счетом миллион лет. И вот мы добрались до конца XVII века. К тому времени непрерывно развивающаяся промышленность буквально задыхалась от недостатка энергии. Как воздух нужны были новые ее источники, новые способы ее использования.

Где же взять «золотую рыбку»?

Сказка о мальчике Гемфри Поттере

В 1680 году члены Лондонского королевского общества были приглашены на обед. Этот обед устроили известный ученый, член общества, профессор Роберт Бойль и его ученик, врач по образованию, Дени Папин. Англичанину Бойлю француз Папин был рекомендован голландцем Христианом Гюйгенсом, математиком, механиком и физиком, под руководством которого до этого Папин проработал восемь лет.

Работая у Бойля, Папин вместе с ним провел ряд опытов по изучению свойств воздуха и газов. Но стал знаменит Папин как изобретатель удивительной кастрюли; рагу, приготовленным в этой кастрюле, он угощал членов Королевского общества во время обеда, о котором идет речь. Кастрюля Папина закрывалась герметической крышкой, снабженной специальным клапаном, ограничивающим максимальное давление пара внутри нее. Рагу было найдено превосходным. Самые твердые кости в короткий срок стали мягкими, как сыр. В течение XVIII и XIX веков кастрюля Папина обошла кухни Европы и Америки. А в наши дни она под именем автоклава применяется для самых различных целей в самых различных отраслях промышленности.

Папин обладал неусидчивым характером. В 1687 году он переехал в Германию, в Марбургский университет, где работал над многими изобретениями. Среди них была его мечта — атмосферная машина. Она представляла собой первую технически обоснованную паровую машину.

Сущность идеи Папина состояла в том, что он объединил применявшиеся тогда в водяных помпах цилиндр и поршень со своим изобретением — паровой кастрюлей, или, лучше, паровым котлом. Впервые оказались сознательно объединенными тепловая и механическая части машины; впервые был механизирован процесс преобразования тепловой энергии в механическую.

Папину не удалось построить эту машину. Однако он, понимая важность своего изобретения, описал его в работе, опубликованной в 1690 году.

А несколько лет спустя после опубликования этой работы немецкий математик и философ Лейбниц, переписывавшийся с Папином, сообщил ему, что по его принципу в Англии некий Томас Савери построил паровую машину, откачивающую воду из шахты.

Папин вновь отправился в Лондон. Но его все время преследовали неудачи, и вскоре он затерялся в лондонских трущобах. Никто не знает, как умер он и где похоронен. Последнее письмо, написанное им одному из друзей, датировано 1712 годом. В нем говорилось: «Я в подавленном состоянии; все мои усилия приносят мне только неприязнь окружающих…»

К середине XVIII века паровые машины уже исчислялись десятками. Все они действовали по одному и тому же принципу, предложенному Папином, и предназначались для одной и той же цели — откачки воды из шахт.

Работали они с шумом и стуком, очень медленно, делая не больше восьми ходов в минуту, и расходовали колоссальное количество топлива. К каждой из них были приставлены два человека; один у котла, другой у водяного и парового кранов. Работа у котла — тяжелый труд кочегара. А чтобы открывать и закрывать краны, достаточно было мальчика. С утра до вечера день за днем делал он одни и те же простые движения. Пожалуй, мальчику было не лучше, чем кочегару.

И тем не менее такие машины строили, постепенно внося в них всякого рода усовершенствования. Неизвестно, кем было сделано одно выдающееся по своей простоте и неожиданности изобретение. Краны были связаны с балансиром так, что последний при своем движении поочередно их открывал и закрывал.

Далеко не всякое изобретение удостаивается того, чтобы о нем слагали сказки. Паровая машина удостоилась этого дважды. Первую сказку вы уже знаете — это сказка о том, как Уатт изобрел паровую машину. Вторая сказка о мальчике Гемфри Поттере, который обслуживал паровую машину на одном из корнуэльских рудников. Он был ленив, но умен и, как все мальчики, стремился поиграть со сверстниками. И вот, чтобы избавиться от нудного стояния около машины и бесконечной возни с кранами, он соединил их с балансиром машины. У этой сказки, как обычно, хороший конец. Рассказывают, что впоследствии Гемфри Поттер уехал в другую страну — кажется, в Венгрию, где устанавливал паровые машины.

Что же такого сделал сказочный Гемфри Поттер? За что удостоился стать заметным лицом в истории техники?

За то, что впервые механизировал один из важнейших процессов управления машиной, исключив из этого процесса человека. Теперь уже весь цикл работы машины выполнялся автоматически. Если надо, она могла делать 10, 20, 50 ходов в минуту, ее не сдерживал медлительный и нерасторопный человек, который, конечно, не мог с такой скоростью открывать и закрывать краны.

Могла ли изобрести машину тетя!

Число шахт непрерывно увеличивалось; и повсюду для откачки воды нужны были паровые машины. Без них уже нельзя было обойтись, к ним привыкли и не видели в них никаких недостатков.

И вот когда уже казалось, что паровая машина больше не нуждается ни в каких усовершенствованиях, на сцене появился Джемс Уатт.

Родился изобретатель в 1736 году и, как пишут его биографы, с детства проявил выдающиеся технические способности. Двадцатилетним юношей он начал работать механиком в университете города Глазго.

Однажды, это было в 1763 году, профессор университета Андерсон поручил ему отремонтировать действующую модель паровой машины. С этого момента начинается уже не сказка, а настоящая история изобретений Уатта.

Уатт начал свою работу молодым человеком, а кончил ее стариком. Десятки лет непрерывного труда и настойчивых поисков не только одного Уатта понадобились для создания универсальной паровой машины.

Вот теперь еще раз вернемся к сказке об Уатте и его тете; причем будем считать, что они оба видели крышку кастрюли, танцующую под действием пара.

Могла ли изобрести паровую машину тетя? Теперь мы твердо знаем, что это событие смело можно отнести к разряду невероятных.

Мог ли изобрести паровую машину Уатт? Отвечая на этот вопрос, можно было бы начать рассуждать о том, что было бы, если бы Уатт работал в другом университете, или если бы профессор Андерсон не поручил бы Уатту ремонтировать модель, или если бы тетя вдруг умерла, оставив Уатту большое наследство, или если бы…

Можно нанизывать одну случайность на другую, но такая цепочка событий всегда будет абсолютно бессмысленной, если в конце ее не стоит Уатт или кто-то другой, кто хочет много знать, кто готов работать круглые сутки, кто всю жизнь остается верен своему делу, не гоняясь за славой и деньгами. Таким был Уатт! И то, что он изобрел паровую машину, было вполне вероятным событием.

Но почему именно Уатт? Ведь в его время имели дело с паровыми машинами уже сотни и тысячи людей. Среди них, несомненно, было много таких, кто хотел много знать и знал не меньше Уатта, хотел и умел много работать.

Уатт, кроме всех этих качеств, обладал еще «чем-то». Это «что-то» называют «дарованием», «талантом», «гениальностью». Десятки тысяч людей пробуют писать книги. Их называют писателями. Тысячи писателей считаются одаренными, сотни — талантливыми, десятки — гениальными.

Нельзя стать художником, не зная палитры, законов перспективы, анатомии. Но знать все это — не значит стать настоящим одаренным, талантливый или гениальным художником.

Миллионы ученых и инженеров отдают все своему делу. Каждый из них стремится на своем месте сделать максимум того, что он может.

Они уже сейчас знают очень много. Может быть, когда-нибудь они узнают рецепт, как стать гениальным. И тогда гениальным сумеет стать каждый, кто этого пожелает. Пока лишь известно, что все талантливые, гениальные люди работали, работали, работали…

Круглым счетом сто лет — весь XIX век — паровая машина была фактически единственным универсальным двигателем, применявшимся во всем мире. Она была одним из величайших изобретений, благодаря которому стало возможным гигантское развитие буквально всех отраслей техники. Казалось, никакой другой двигатель никогда не сумеет заменить паровую машину, в конструкцию которой тысячи инженеров и изобретателей непрерывно вносили усовершенствования и улучшения. И тем более поразительной кажется дальнейшая судьба этого удивительного изобретения. Прошло еще пятьдесят лет, и паровую машину Уатта теперь можно увидеть только в техническом музее. Доживают свой век паровозы — последние представители династии поршневых паровых машин.

Почему так произошло?

Чрезвычайно конфузный для флота ее величества королевы Великобритании случай произошел в 1897 году. В честь пятидесятилетия царствования королевы Виктории состоялся парад военно-морских сил. И вот когда уже все корабли флота были построены, перед их фронтом появилось небольшое суденышко, нарушившее все великолепие и торжественность события. На борту суденышка было крупными буквами написано его название — «Турбиния». Командующий флотом послал патрульный корабль, чтобы немедленно взять невежу на буксир и отвести в порт.

Трудно себе представить, каково было удивление всех, кто наблюдал это событие, когда «Турбиния», развив не только по тем, но и по теперешним временам довольно значительную скорость в 35 узлов (свыше 60 км/час), легко ушла от самого быстроходного корабля, которым располагал флот ее величества.

Владельцем «Турбинии» был английский инженер Чарльз Парсонс — изобретатель паровой турбины.

Описанному здесь эффектному событию предшествовали пятнадцать-двадцать лет упорной работы, направленной на реализацию, казалось бы, весьма простой идеи.

Вспомните водяные и ветряные колеса, которые, вращаясь, преобразовывали энергию движущейся воды и ветра в механическую энергию. Парсонс решил, что подобным же образом можно заставить вращаться колесо за счет энергии расширяющегося пара. Колесо с лопатками, на которые подавался пар из парового котла, составляло главную часть парового двигателя нового типа.

Это колесо, вращающееся с очень большой скоростью, напоминало гигантский волчок и получило название «турбина» (от латинского слова «турбо» — «волчок, вихрь»).

И паровая машина и паровая турбина требовали специальных котлов для производства сжатого пара. В обоих случаях механическая энергия получалась за счет энергии сжатого пара.

Почему же паровая машина давно сошла с технической сцены, а паровые турбины строят и сейчас, да таких размеров, которые позволяют получить на одном валу мощность в 200–300 тысяч лошадиных сил? Может быть, просто потому, что турбину изобрели позже паровой машины?

Конечно, нет! Все дело в том, что эти два паровых двигателя действуют совершенно различным образом. В цилиндр поршневой машины подается определенная порция пара, который, расширяясь, охлаждается сам и охлаждает стенки цилиндра, несмотря на все меры, которые предпринимаются для того, чтобы это охлаждение было минимальным. Когда впускается очередная порция пара, часть тепла затрачивается на подогрев только что остуженной стенки. И если посчитать количество энергии, которое выделяется при сжигании топлива в топке парового котла, то окажется, что самая лучшая паровая машина отдает всего лишь 10–12 процентов этой энергии. Значит, из каждых 10 тонн угля, которые загружают в топку, почти 9 тонн сгорают впустую.

А в турбине сжатый пар подается на колесо не отдельными порциями, а непрерывно. Здесь нет поршня, ограничивающего движение пара, нет клапанов, отсекающих одну порцию пара от другой. Наоборот, каналы, подводящие пар к колесу, и лопатки на колесе сделаны так, чтобы не нарушать плавности мощного потока пара. Замена прерывистого потока подводимой энергии непрерывным привела к постоянству температуры в турбине и, как следствие этого, к лучшему использованию энергии топлива.

Первая турбина, построенная Парсонсом за десять лет до того, как его «Турбиния» осрамила британский флот, несмотря на все конструктивные несовершенства, оказалась почти вдвое экономичнее лучших паровых машин. Как только это выяснилось, можно было с уверенностью сказать, что дни паровой машины сочтены.

А в Швеции примерно в это же время и совершенно независимо от Парсонса инженер-изобретатель Карл Лаваль также пришел к мысли о создании паровой турбины.

Но не только паровые турбины Парсонса и Лаваля начали вытеснять паровую машину Уатта.

Ура! Мы в воздухе!

Шутиха — ее придумали китайцы четыре тысячи лет назад — закрытый с обеих сторон картонный цилиндр, наполненный порохом, в состав которого входят горючие вещества — углерод и сера. Поставщиком кислорода, необходимого для их сгорания, является химическое вещество — азотнокислый калий. Зажженные пламенем или искрой углерод и сера быстро сгорают и, соединяясь с кислородом, образуют раскаленный газ. Давление этого газа вызывает взрыв оболочки; энергия горения преобразуемся в механическую энергию обрывков шутихи, разлетающихся в разные стороны.

Но цилиндр можно оставить открытым с одной стороны, стенки же сделать не из картона, а из металла. Тогда после взрыва горячий газ будет устремляться наружу через открытый торец. Если на пути газа поместить какое-либо тело, то газ увлечет его за собой. Таким телом может служить поршень, движение которого и легко затем преобразовать во вращательное движение вала, как это сделано в паровой машине. Новой установке не нужен паровой котел с топкой, не нужны вода и пар. В ней сгорание топлива происходит внутри цилиндра; поэтому ее и называют двигателем внутреннего сгорания.

Казалось бы, идея совершенно ясная и чрезвычайно привлекательная. Оставалось только найти подходящее топливо, которое было бы удобно подавать порциями в цилиндр двигателя так же, как подается пар в цилиндр паровой машины, и снабдить цилиндр устройством для зажигания этого топлива. Однако реализация и усовершенствование этой идеи заняли значительно больше времени, чем создание работоспособной паровой машины.

Все дело было в том, что топливо в цилиндре сгорало очень вяло; этот процесс нисколько не напоминал взрыв.

Но вот немецкий инженер Николаус Отто предложил сжимать горючую смесь перед тем, как зажигать ее. Эта мысль привела к созданию четырехтактного двигателя.

Двукратное преобразование энергии: сначала химической энергии топлива в тепловую, затем тепловой — в механическую — автоматически осуществлялось непосредственно в цилиндрах двигателя. Это был большой шаг вперед.

Уже первый такой двигатель, усовершенствованием которого Н. Отто занимался свыше пятнадцати лет, оказался более эффективным, чем паровая машина. Его коэффициент полезного действия достигал 15 процентов. А то обстоятельство, что этот двигатель не требовал громоздкого котла с топкой, запаса воды и конденсаторов для пара, сделало реальными мечты многих инженеров и изобретателей, работавших под аккомпанемент насмешек, улюлюканья и проклятий невежественных людей и церковников над созданием летательных аппаратов тяжелее воздуха и самодвижущихся экипажей. История авиации помнит много выдающихся имен, в том числе имя русского офицера Александра Можайского.

В декабре 1903 года братья Уилбур и Орвилл Райт, подбросив в воздух монету, жребием определили, кто из них должен совершить первый полет на построенном ими самолете, который они снабдили двигателем внутреннего сгорания, изготовив его своими силами.

Жребий пал на старшего брата — Уилбура. Однако его попытка была неудачна. Он начал подъем в воздух слишком круто, в результате чего нос машины задрался вверх и она упала на землю, едва от нее оторвавшись. Недолго продолжался ремонт, и 17 декабря 1903 года теперь уже младший брат Орвилл взобрался и лег на крыло самолета, сильно смахивающего на лежащую этажерку, сделанную из тонких палочек и белого полотна. И эта наивная машина, которая по современному представлению имела допотопный вид, оказалась одним из первых технических чудес XX века. Она плавно поднялась в воздух, пролетела 40 метров со скоростью, близкой к 50 километрам в час, и плавно села на песок. Этот первый управляемый полет продолжался 12 секунд.

Чуть раньше этого чуда на дорогах появилась повозка без привычной лошади впереди. В эту повозку, построенную немецким изобретателем Готлибом Даймлером, был «запряжен» двигатель внутреннего сгорания. Он работал по четырехтактному циклу, а топливом для него служил бензин.

Теперь уже всему миру стало ясно, что мечты изобретателей сбылись. Самолет и автомобиль существовали.

Чтобы они могли двигаться и летать, нужно было жидкое топливо, нужна была нефть, из которой это топливо получали. Армия геологов направилась во все концы земли искать нефтяные источники. Автомобиль без дорог беспомощен. И вот уже строятся десятки и сотни тысяч километров специальных автомобильных дорог, бесконечными гладкими лентами пересекающих страны и континенты.

Для добычи и переработки нефти, для строительства дорог нужны были миллионы людей и тысячи самых разных машин. В течение пятидесяти лет земной шар покрылся сетью дорог, аэродромов, и сейчас уже трудно представить себе жизнь без трактора, автомобиля, самолета. Так человек поставил себе на службу гигантское количество транспортных машин, снабженных двигателями внутреннего сгорания, черпая из окружающего мира энергию, необходимую для приведения их в действие. В сферу проектирования, производства и усовершенствования двигателей внутреннего сгорания, автомобилей, самолетов постепенно оказались вовлеченными сотни тысяч, а затем многие миллионы людей. И, как во всех других отраслях производства, стали просто необходимыми новые машины, изготовляющие все, начиная от коленчатого вала, шины, прибора, указывающего скорость, до прочного стекла, искусственной кожи и пластмасс.

Чтобы приводить в движение эти машины, также была необходима механическая энергия.

…Чем больше энергии добывали люди, тем во все больших количествах она им была нужна. Точно как в сказке о золотой рыбке. И все расширяется поток открытий и изобретений новых источников энергии, машин для ее преобразования.

В XIX веке на заводах и фабриках полновластно царила паровая машина. В XX веке ее оттуда вытеснил электрический двигатель.

Человек продолжал обзаводиться энергией.

Тайна лягушечьей лапки

Лягушка тут ни при чем

В один из вечеров 1790 года профессор медицины Болонского университета Луиджи Гальвани у себя дома читал лекцию своим ученикам. У камина сидела его жена и, слушая, одновременно стальным скальпелем снимала кожу с лягушек, предназначенных для ужина. Последняя очищенная лягушка лежала на оловянной тарелке. В это время синьора Гальвани, заслушавшись, уронила скальпель. Стальной нож упал на лапку лягушки, а другим концом коснулся оловянной тарелки. И в тот же момент лапка дернулась так, будто мертвая лягушка хотела выпрыгнуть из тарелки.

Бесстрашная синьора теперь уже умышленно повторила опыт и, когда ученики ушли, рассказала о нем мужу.

Выслушав ее, Гальвани воскликнул:

— Жена! Я сделал великое открытие: я открыл животное электричество — первичный источник жизни.

Таков один из многочисленных вариантов удивительной истории (а может быть, тоже сказки) о том, как была открыта первая страница в изучении биологического электричества и как одновременно с этим началось создание искусственных источников электрической энергии.

Луиджи Гальвани ошибался (не он первый, не он последний!). Животное электричество существует, но, чтобы его обнаружить, надо иметь дело не с мертвым, а с живым организмом.

Что же в действительности произошло с лягушечьей лапкой? Эту задачу начал разгадывать итальянский физик Алессандро Вольта. Он не верил в таинственную «жизненную энергию» мертвой лягушки и в знаменитых опытах Гальвани отвел ее лапке довольно скромную роль. Он понял, что причина возникновения электрического тока связана с взаимодействием различных металлов скальпеля и тарелки, и показал, что, поместив два различных металла в жидкость, можно получить источник электрической энергии. Лягушечья лапка играла роль такой жидкости, а мышцы на этой лапке сокращались под действием не животного электричества, а внешнего электрического тока. Но эта истина была понята не так быстро и просто, как мы описали.

Много лет длился спор двух выдающихся ученых. Гальвани до самой смерти отстаивал свою точку зрения на животное электричество, а Вольта в развитие своего открытия изобрел в 1800 году «вольтов столб», первую в мире электрическую батарею — источник электрического тока. Скромный, как большинство выдающихся ученых, он назвал свое изобретение в честь Гальвани — гальваническим элементом, а электрический ток, вырабатываемый этим элементом, — гальваническим током.

Прошло свыше сорока лет со времени опытов Гальвани. В 1831 году Майкл Фарадей, английский физик, уже свыше десяти лет работавший в области изучения электрических явлений, открыл явление электромагнитной индукции. Оказалось, что если двигать друг относительно друга магнит и замкнутый электрический проводник, то в последнем возникает — индуктируется — электрический ток. Чтобы двигать магнит или проводник, нужно затратить механическую энергию. Она преобразуется в электрическую, текущую по проводнику.

Сделав это открытие, Фарадей, как пишут историки, в течение одиннадцати дней построил первый механический генератор электрического тока — динамо-машину.

Совсем немного времени понадобилось инженерам и ученым, чтобы понять, что с помощью машины можно выполнять также и обратное преобразование энергии, то есть превращать электрическую энергию в механическую. Несколько лет спустя русский физик и электротехник Борис Якоби изобрел электродвигатель с вращающимся ротором — прообраз всех современных электрогенераторов и электродвигателей, вырабатывающих и потребляющих непрерывный поток электроэнергии.

Еще не один десяток лет продолжалось усовершенствование электрических машин. Поначалу казалось, что они вообще не найдут себе применения. Но вот в 1879 году замечательный американский изобретатель Томас Эдисон создал первую практически пригодную электрическую лампочку, а спустя еще три года пустил в эксплуатацию первую в мире электростанцию общественного пользования. Для этой электростанции он сконструировал самые мощные по тем временам электрогенераторы.

Энергия потекла по проводам в каком угодно направлении, ее можно было передавать на большие расстояния. Для этого не надо было длинных и тяжелых металлических валов, не надо было громоздких паропроводов. По проволоке «в мгновение ока» ее можно было подвести к любой машине. Бесшумный, равномерно вращающийся электродвигатель превращал электричество в механическую энергию, нужную, чтобы привести машину в движение. В разных местах машины стало возможным устанавливать 2, 3, 10, 20 двигателей, располагая их как угодно; тонкий, гибкий провод, извиваясь, подводит к ним энергию по самому замысловатому пути.

Когда были оценены эти чудесные свойства электроэнергии и электродвигателя, перестало казаться смешным, что сначала — на электростанции — нужно механическую энергию превратить в электрическую, а затем электрическую энергию опять превращать в механическую. В борьбе за энергию был сделан следующий гигантский шаг.

В 1900 году электрическая энергия составляла всего лишь несколько процентов всей энергии, потреблявшейся промышленными предприятиями. А теперь тысячи и десятки тысяч типов и конструкций электрических машин мощностью от тысячных и сотых долей ватта до десятков и сотен тысяч киловатт вырабатывают электроэнергию и приводят в движение бесчисленное множество машин на заводах и фабриках всего мира.

Проводя свои опыты, Фарадей совершенно не думал, к чему они в конце концов приведут. По его собственным словам, он собирался «превратить магнетизм в электричество». Эту задачу, над которой ломали голову его предшественники, ему блестяще удалось решить, а попутно заметить, что и движение тоже можно превратить в электричество.

Маленький обрывок проволоки, который он двигал относительно полюсов слабенького магнита, превратился в огромный ротор со сложнейшими обмотками, вращающийся в пространстве между полюсами гигантских магнитов. И непрерывным потоком электрическая энергия идет на фабрики и заводы, улицы и в дома.

Электродвигатель очень быстро вытеснил паровую машину с фабрик и заводов, но не смог вытеснить двигатель внутреннего сгорания с транспортных машин — самолетов и автомобилей. Самолет или автомобиль не могут тянуть за собой электрический провод, а беспроволочная передача больших энергий — проблема пока еще не сегодняшнего дня.

Мощность двигателя внутреннего сгорания, который братья Райт поставили в 1903 году на свой самолет, составляла всего 8 лошадиных сил. Спустя тридцать лет самолеты летали в 10 раз быстрее, а мощность авиационных двигателей возросла в 100 раз.

Еще через двадцать лет они летали в 20 раз быстрее, чем самолет Райтов, и им была нужна в 1000 раз большая мощность. Чтобы получить такую мощность, на самолетах устанавливали 2, 3, 4 двигателя внутреннего сгорания. Каждый из них вращал воздушный винт-пропеллер. Лопасти ввинчиваются в воздух, как ввинчивается гребной винт в воду, как ввинчивается штопор в пробку. Ввинчиваясь в воздух, пропеллер тянет за собой самолет. Скорость его стала переваливать за 1000 километров в час. Но и этого было мало; люди мечтали о полетах со скоростями намного большими. Ставший обычным, поршневой двигатель для этого не годился так же, как не годился воздушный винт.

Мы собираемся на Луну

Возьмите воздушный шарик, надуйте его и, не полностью завязав отверстие, отпустите. Упругая резиновая оболочка, сжимаясь, будет выталкивать воздух из отверстия, а он будет толкать шарик. В результате струя воздуха и опадающий шарик будут двигаться в противоположных направлениях. Этот опыт дает представление о принципе реактивного движения и о способе действия реактивного двигателя, который пришел на смену поршневому двигателю, когда самолеты начали летать на высоте 10, 15, 20 километров со скоростью большей, чем 1200–1500 километров в час, уже превышающей скорость звука.

В реактивном двигателе химическая энергия топлива превращается в кинетическую энергию раскаленного потока газов. Этот поток непрерывно выталкивается из двигателя с гигантской скоростью и сам при этом толкает двигатель, а с ним и самолет в противоположную сторону.

Раскаленные газы образуются в результате сгорания топлива. Чтобы сжечь его, нужно гигантское количество воздуха. Поэтому реактивный двигатель внешне немного напоминает отрезок трубы. Воздух входит через переднее отверстие, сжимается специальным компрессором и непрерывным потоком поступает в камеру сгорания. Раскаленный газ под большим давлением выталкивается через выходное отверстие двигателя, создавая реактивную силу, толкающую самолет. В выходном потоке газов устанавливают газовую турбину. Газ, обдувая ее лопасти, заставляет турбину вращаться, отдавая ей часть своей мощности. Эта мощность используется для вращения компрессора, сжимающего воздух.

Реактивный двигатель буквально в несколько лет вытеснил все поршневые двигатели сначала из скоростной авиации, там, где его преимущества были сразу очевидны, а теперь уже вторгся и в пассажирскую авиацию. Почему? Да потому же, почему паровая турбина вытеснила паровую машину!

В двигателях внутреннего сгорания, так же как в паровых двигателях, способ непрерывного преобразования энергии оказался намного целесообразнее, чем преобразование ее отдельными тактами.

Предельно простыми и обтекаемыми кажутся формы внутренних полостей реактивного двигателя. Но это только кажущаяся простота. Она достигнута в результате сложнейших исследований и бесчисленных опытов. И конечная цель их сводится к тому, чтобы в предельно малом объеме получить максимально возможный поток механической энергии, а затем наилучшим образом его использовать.

Поток газов из сопла реактивного двигателя вырывается со скоростью, превышающей 3–4 тысячи километров в час. Благодаря этому реактивный двигатель развивает мощность до 100 тысяч лошадиных сил. И уже стали обычными самолеты, летающие со скоростью 1500 и 2 тысячи километров в час и забирающиеся при этом на высоту 15–20 километров. Но оказалось, что и это не предел! Скорее наоборот. Скорость 2–3 тысячи километров в час и высота 20–25 километров — это только подготовительный этап наступившей в наши дни эры — эры космических полетов.

4 октября 1957 года произошло одно из замечательных чудес XX века. Машина, созданная человеком, вырвалась в космос. Для этого ее надо было снабдить двигателем, который мог сообщить ей гигантскую скорость — 30 тысяч километров в час, нужную, чтобы преодолеть силу земного притяжения.

Сообщение о том, что в Советском Союзе запущен первый в мире искусственный спутник Земли, взволновало весь мир. А действительная история этого «чуда» началась давно, еще тогда, когда люди только мечтали о создании летательных аппаратов тяжелее воздуха. И связана она с именем русского ученого и изобретателя Константина Циолковского.

Хорошо известна истина, что человек — продукт своего времени, что его знания и опыт определяются средним уровнем знаний и опыта, накопленных его современниками. И само собой разумеется, что новое изобретение или открытие никогда не возникает на совершенно пустом месте. При раскопках стоянок древнего человека никто не рассчитывает найти остатки радиоприемника; в трудах ученых средневековья не ищут формулировок законов, управляющих внутриядерными процессами; наши современники пока еще не знают, как добраться до дальних галактик, что такое талант и почему все же яблоко падает на землю.

И вместе с тем мозг человека обладает гигантской творческой силой, позволяющей подчас увидеть будущее настолько далеко вперед и настолько отчетливо, что, когда это будущее становится настоящим, остается только поражаться точности и смелости предвидения, основанного не на случайных догадках и фантазии, а на строгих научных гипотезах и теориях, согласующихся с законами окружающего нас мира.

Скромный учитель арифметики, геометрии и физики уездного училища в одном из дальних уголков Калужской губернии, К. Э. Циолковский, в результате болезни почти полностью лишившийся слуха, большую часть своей жизни посвятил научным исследованиям. Он впервые высказал мысль об использовании ракет для полетов в мировое пространство, а затем строго математически обосновал свою мысль. В 1903 году, то есть тогда, когда братья Райт жребием решали, кто из них впервые попытается «оторвать» от земли самолет, Циолковский разрабатывал теорию ракетного движения и проекты многоступенчатых ракет, рассчитывал количество топлива, необходимого, чтобы ракета могла вырваться в космос, изучал вопрос о создании искусственных спутников Земли, развивал идею постройки внеземных станций — промежуточных баз для межпланетных сообщений, и даже рассматривал условия жизни и работы людей на искусственных спутниках и межпланетных станциях.

Эти исследования и работа над изобретениями заняли сорок лет его жизни. И значительную часть из этих сорока лет он работал в дореволюционной России, когда многие действительно новые и оригинальные изобретения отклонялись царскими чиновниками с чудовищно странной формулировкой — «по причине новизны и неизвестности»…

Насколько глубоко уверенным в правоте и полезности своего дела надо было быть, чтобы десятилетиями продолжать работу, несмотря на равнодушное, а подчас и презрительное отношение окружающих к «чудачествам» странного учителя!

Можно по-разному чтить память выдающихся ученых. Память К. Э. Циолковского наша страна почтила достойным образом. Он родился в 1857 году. Столетие со дня его рождения Советский Союз отпраздновал запуском первого искусственного спутника. И, как предсказывал К. Э. Циолковский, этот спутник был доставлен на орбиту ракетным двигателем.

Ракетный двигатель действует примерно так же, как уже известный нам реактивный двигатель. Но между ними есть одно важное различие. В обычный реактивный двигатель кислород, необходимый для сжигания топлива, поступает вместе с засасываемым воздухом. А ракетный двигатель не нуждается в воздухе: необходимый запас кислорода он несет с собой. Поэтому ракетный двигатель пригоден для космических кораблей, летящих в безвоздушном пространстве.

Ракетное топливо, соединяясь с чистым кислородом, сгорает с невероятной скоростью. Без преувеличения можно сказать, что внутри ракетного двигателя в течение всего времени его работы происходит непрерывный взрыв. Поток газов вырывается с гигантской скоростью; при этом ракетный двигатель развивает мощность в полмиллиона, в миллион лошадиных сил, сообщая ракете скорость, достаточную для вылета в космическое пространство.

Сколько фантастических романов, повестей и рассказов написало о Луне, Венере и Марсе! Кем только фантасты не населяли эти планеты; какими причудливыми растениями и существами, какие необычайные свойства приписывали всему находящемуся там живому и неживому!

«Первые люди на Луне» — этот заголовок обязательно перекочует с обложек фантастических романов на первые полосы газет всей Земли. Теперь эта задача вполне реальна, над ее решением работают, и, значит, ее решения осталось не так уж долго ждать.

Много нового и интересного узнают межпланетные путешественники, достигнув цели. Это будет намного неожиданней и интересней того, что способно нарисовать воображение человека. Хотя, быть может, они не увидят там летающих трехногих марсиан, самодвижущихся камней, обросших серой шерстью, мыслящих растений, телеграфных столбов или папиросных окурков.

Слово «межзвездным скитальцам»

А фантасты уже теперь вынуждены переселять героев своих произведений за пределы нашей солнечной системы, в далекие звездные миры. Оставят ли их там в покое ученые и инженеры? Наверное, нет; хотя они ясно себе представляют, что для таких сверхдальних путешествий уже не годятся даже самые совершенные тепловые ракетные двигатели, какие только можно себе представить. Подсчитано, что подобные двигатели могут сообщить ракете скорость «всего лишь» около полумиллиона километров в час. Такая «черепашья» скорость явно непригодна для межзвездного корабля.

Лучу света, движущемуся со скоростью свыше миллиарда километров в час, нужно несколько лет, чтобы пройти расстояние от Земли до ближайшей к нашей солнечной системе звезды. Значит, чтобы пассажир межзвездного корабля успел побывать у «соседей» и живым вернуться обратно, скорость корабля должна быть порядка нескольких сотен миллионов километров в час!

Расчеты количества энергии, необходимой для такого перелета, приводят к самым невероятным результатам. Если пользоваться химической энергией, которой обладают обычные топлива, то ее понадобится почти столько, сколько содержится во всех разведанных до сих пор горючих ископаемых нашей Земли!

Такое количество энергии нужно при самых скромных размерах корабля, несоизмеримо малых по сравнению с объемом топлива, которое он должен нести с собой.

Казалось бы, эти расчеты и цифры могут остудить пыл самых ярых «межзвездных скитальцев».

Но нет! Идея межзвездного полета, какой бы сверхдерзкой она ни представлялась, в конечном счете не противоречит известным нам законам природы. Ведь реактивный способ движения принципиально позволяет разогнать звездолет до скоростей, приближающихся к скорости света.

А что касается энергии, необходимой для полета, то, уж конечно, в качестве ее источника никто (в том числе и сам Циолковский, который прекрасно представлял себе все эти трудности) не собирается использовать обычное топливо.

В великую кладовую Природы, туда, где хранятся гигантские запасы энергии, «упакованной» невероятно экономно, обращены взоры ученых, инженеров, изобретателей. А точные расчеты показывают, что если решить задачу полного превращения массы в энергию, то принципиально можно построить такой звездолет, который сумеет совершить полет, не «съев» полностью самого себя. А кроме того, может быть, удастся организовать «заправку» звездолета на промежуточных станциях? А может быть, достаточно взять с собой энергии только на дорогу «туда»? На обратный же путь удастся запастись энергией «там»?

И во всем мире кипит работа. Разрабатываются проекты электротепловых двигателей, в которых реактивный поток частиц разгоняется не только за счет обычного теплового процесса, но и за счет действия на этот поток электрических сил. А вещество, состоящее из этих частиц, нагрето до температуры в десятки тысяч градусов и находится уже не в обычном для тепловых двигателей газообразном состоянии, а в состоянии плазмы — смеси ионов, представляющих собой обломки молекул, атомов и свободных электронов. И думают о том, как бы нагреть поток этих частиц до температур в сотни тысяч градусов и еще больше. Тогда плазменный двигатель превратится в фотонный или квантовый двигатель; энергия, введенная в поток частиц, будет превращаться в световое излучение, а звездолет будет получать ускорение за счет реактивного действия излучаемого им светового пучка.

Разработка звездолетных двигателей — одно из направлений космонавтики, науки, основы которой заложены Циолковским. Космонавтика, если можно так выразиться, — поэзия современной техники. Пока еще в ней фантастики немногим меньше, чем науки. Люди пока еще только догадываются о тех трудностях, с которыми им придется встретиться в завоевании космических пространств. Но ведь так дело обстоит всегда, когда человек берется за новую и грандиозную по своим масштабам задачу.

И может быть, к лучшему, что, еще не зная точно, как нужно решать эту задачу, он в то же время не представляет себе, какие трудности ему придется преодолеть.

Веря в свои силы, он храбро берется за дело, а успешно закончив его, оглянувшись и оценив всю сложность сделанного, удовлетворенно восклицает: «Знал бы — не брался!..», а затем берется за еще более сложную задачу.

Борьба за энергию, как всегда, в самом разгаре. Идет непрерывный процесс создания и совершенствования машин-двигателей — самых различных по назначению, конструкции и принципу действия. Но теперь мы уже знаем, что все они — от первой паровой машины и до еще не существующих плазменного и квантового двигателей — служат одной и той же цели: преобразуют различные виды энергии в механическую.

Человек автоматизировал процессы преобразования энергии и тем самым удесятерил свои силы.

Обратно к лягушечьей лапке

Как ни жаль расставаться с космосом, все же придется от межзвездного корабля вернуться к лягушечьей лапке. А чтобы немного оживить беседу, займемся теперь уже лапкой не мертвой лягушки, а живой. Причем нас будет интересовать даже не вся лапка в целом, а одни только мышцы, покрывающие кости этой лапки, так же как они покрывают скелет любого позвоночного животного — от золотой рыбки в аквариуме до человека.

Прыгает ли лягушка в пруд, спасаясь от преследования, исполняет ли балерина сложнейшее па, пишет ли ученый новый труд с интригующим названием «Машина умнее человека», все время работают мышцы — работают десятки, сотни живых двигателей, непрерывно превращая энергию топлива — пищи — в механическую энергию, нужную, чтобы двигаться, работать, говорить, писать.

Вспомните, как действуют паровая машина, паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, газовая турбина, реактивный двигатель, ракета. Во всех случаях химическая энергия топлива сначала преобразовывается и тепловую и только после этого в механическую.

В мышце преобразование энергии происходит при постоянной температуре, химическая энергия непосредственно преобразуется в механическую энергию. Каждому понятно, что чем короче цепочка преобразований, тем меньше энергии расходуется впустую, тем экономнее оказывается двигатель, осуществляющий преобразование энергии. И действительно, в мышцах тренированного спортсмена преобразуется в полезную работу до 45 процентов химической энергии, заключенной в пище, — другими словами, коэффициент полезного действия (или как его сокращенно называют, кпд) живого двигателя достигает 45 процентов, в то время как кпд лучшего теплового двигателя — современной паровой турбины — не превышает 40 процентов.

Живые двигатели устроены не так, как искусственные двигатели, и действуют совсем по-другому.

«Мясо» животного и есть мышцы, которые составляют примерно половину веса его тела. Выловив из супа кусок мяса, можно увидеть, что оно состоит из множества прилегающих одно к другому волокон толщиной в 10–100 микрон, называемых мышечными волокнами. Они построены из особых мышечных белков. Когда попытались под микроскопом рассмотреть мышечное волокно, то оказалось, что оно, в свою очередь, состоит из тончайших ниточек, толщиной в микрон.

Представляете ли вы, читатель, что такое микрон? Толщина человеческого волоса составляет от 30 до 60 микрон. Нить искусственного волокна тоньше, но и она порядка 20–40 микрон. Шелкопряд прядет нить толщиной 12–15 микрон. Размеры микроскопических организмов — бактерий — составляют в среднем от 1 до 5 микрон.

Совсем недавно, всего лишь шесть-семь лет назад, американским ученым Генри Хаксли и Джен Халсон с помощью электронного микроскопа удалось заглянуть в глубь живых ниточек, образующих мышечное волокно. И их глазам предстало поразительное зрелище. Оказалось, что микронной толщины ниточки состоят из отдельных волоконцев. Одни из них покороче, но потолще: толщина порядка 0,02 микрона, а длина 1,5 микрона. Другие подлиннее (2 микрона), но потоньше (0,01 микрона).

В строгом, удивительно строгом порядке располагаются эти элементарные звенья механизма живой машины. Все тонкие волоконца соединены посередине плотным материалом, образующим перепоночку; свободными концами они входят в промежутки между более толстыми волоконцами так, что в поперечном сечении получается картина, несколько напоминающая пчелиные соты. Каждое тонкое волоконце оказывается расположенным между двумя-тремя толстыми волоконцами. А вдоль по длине толстых располагаются рычажки-мостики, которыми они могут сцепляться с тонкими волоконцами.

Долго изучали исследователи это чудо «конструкторского» искусства, а затем постепенно стали воссоздавать картину действия элементарного живого двигателя. Как только он включается, рычажки-мостики начинают колебаться в продольном направлении, то сцепляясь, то расцепляясь с тонкими волоконцами. В процессе каждого колебания они втягивают тонкие волоконца на шаг, затем еще на шаг, еще и еще; живая ниточка при этом становится все короче и короче. Рычажки могут колебаться с очень большой скоростью — сотни раз в секунду. Это примерно та скорость, с какой может происходить в ничтожно малых — молекулярных — объемах процесс, связанный с переходом химической энергии в механическую, в энергию качания рычажков. В результате работы элементарных двигателей мышечные волокна то сокращаются, то увеличиваются в длину.

Рычажки, когда они не качаются, могут действовать как пружинки, связывающие тонкие и толстые волоконца. Тогда живая ниточка в целом превращается в нечто подобное пружинке, способной выдерживать приложенные к ней внешние усилия.

Мышечные волокна, состоящие из живых ниточек, объединяются в пучки; несколько таких пучков образуют пучки больших размеров; те, в свою очередь, складываются в еще большие пучки. Мышечные волокна и пучки объединены прослойками соединительной ткани, покрыты оболочкой, спрятаны под кожу и в целом образуют мышцу — целый энергетический комплекс, который регулярно снабжается топливом, несущим химическую энергию, и кислородом, необходимым для окисления этого топлива. Мышца буквально пронизана сложнейшей системой кровоснабжения и не менее сложной системой нервных волокон, по которым поступают в нее команды, и нервных клеток, которые сигнализируют, о ходе выполнения этих команд.

Отдыхающая мышца мягка и может вытягиваться, как резина. Однако стоит только ее возбудить, приложить к ней кратковременно электрическое напряжение — электрический импульс, как это непроизвольно получилось у синьоры Гальвани, — и почти мгновенно свойства мышцы меняются: она твердеет, напрягается при попытке ее растянуть. В таком напряженном состоянии мышца будет находиться очень недолго — от нескольких сотых до нескольких десятых долей секунды, а затем снова наступит ее расслабление. Чтобы вновь ее включить, понадобится еще один электрический импульс.

Если электрические импульсы следуют один за другим, то мышца не успевает расслабляться и остается в отряженном состоянии; она может сокращаться в длину, перемещая груз и тем самым производя механическую работу. Управляя частотой импульсов, можно управлять ее состоянием — управлять работой живых двигателей.

Поднимает ли Юрий Власов в доли секунды немыслимый вес, отделывает ли слесарь-лекальщик точную деталь, работают ли шофер, скульптор, машинистка или домашняя хозяйка — все их действия складываются из движений. В каждом движении одновременно участвуют многие десятки мышц. В глубине каждой из них протекают те процессы, о которых мы рассказывали: включаются и выключаются элементарные механизмы. Сотни миллиардов таких механизмов действуют в едином ритме и по определенной программе, заставляя сокращаться и расслабляться, удлиняться и укорачиваться мышцы. Они дают возможность человеку работать и отдыхать, смеяться и плакать, завоевывать космос и проникать внутрь живого.

А программа, по которой работают все мышцы, покрывающие скелет человека, вырабатывается в центральной нервной системе — в мозгу. Там сосредоточены группы нервных клеток, управляющие работой мышц, движениями голени и бедра, плеча и предплечья, управляющие движением века, когда мы моргаем, и движением голосовых связок и губ, когда мы говорим, смеемся или плачем. В мозгу все эти группы нервных клеток расположены настолько близко, связаны между собой настолько тесно, насколько это необходимо, чтобы гармонично и безошибочно действовали сотни мышц, чтобы все тело и отдельные его части двигались так сильно и плавно, так быстро или медленно, как хочет человек.

О том, как реализуется план действий, как осуществляется управление движениями живого организм нам обязательно нужно поговорить, но этот разговор придется продолжить немного позже. Тогда он будет более понятным.

Уже пробуют сделать мышцу

Ученых всегда влекла заманчивая идея — искусственно создать нечто напоминающее живую мышцу. Им уже давно было известно, что мышца — это особый двигатель, способный преобразовывать химическую энергию непосредственно в механическую, минуя тепловую фазу. И вот лет пятнадцать назад началась разработка искусственной мышцы. Используя белковые соединения, удалось создать волокнистую структуру, в некоторой мере обладающую свойствами живой мышцы. Пучок таких волокон длиною в 2,5 сантиметра, подвергнутый воздействию хлористого калия, в течение 20 минут сократился на 5–6 миллиметров и поднял груз, превышающий в 100 раз вес пучка волокон.

Попытки создания искусственной мышцы, наверное, продолжаются. Подобные работы принесут много нового, интересного. Вероятно, будет разработан двигатель, осуществляющий прямое преобразование химической энергии в механическую гораздо быстрее, чем это было достигнуто в первых опытах. Но после того как был вскрыт совершенно особый, ни на что не похожий механизм сокращения мышечного волокна, стало ясно что сходство между естественной и искусственной мышцей распространяется не так уж далеко, как это поначалу казалось.

За чисто внешней похожестью, которую можно было бы даже усилить, покрыв искусственную мышцу «кожеподобной» оболочкой, стоят совершенно различные процессы и механизмы.

Может быть, после исследований Хаксли, Халсон и других ученых задача создания искусственной мышцы упростилась? Может быть, теперь можно, используя технические средства, сконструировать ее в точности так, как «сконструирована» живая мышца?

Мы сейчас оставим в стороне те, наверное непреодолимые, трудности, которые связаны с изготовлением деталей искусственной мышцы, имеющих размеры, измеряемые сотыми долями микрона. Пусть даже мы располагаем искусственными волоконцами — толстыми и тонкими — и искусственными рычажками. Все равно это ни на один шаг не приблизит нас к созданию искусственной мышцы, действительно похожей на живую. Не приблизит потому, что конструкция живой мышцы связана с протекающими в ней процессами.

Пытаясь построить подобную конструкцию, мы окажемся перед необходимостью организовать работу искусственного механизма точно так, как организована работа его живого прототипа. Мы вынуждены будем создать искусственно весь энергетический комплекс, обеспечивающий подачу химической энергии и преобразование ее в механическую. Ведь именно для этой цели, Природа «конструировала» все эти волоконца и рычажки, «конструировала» мышцу и систему кровообращения к ней.

Значит, после того как будут созданы элементарные мышечные механизмы, придется разрабатывать искусственную систему кровообращения, дающую возможность рычажкам качаться, сцеплять и расцеплять толстые и тонкие волоконца.

А прежде чем такую систему разрабатывать, надо еще узнать, как все-таки преобразуется химическая энергия пищи в механическую энергию качания рычажков.

И это только один из того густого частокола вопросов, непрерывно вырастающего при движении в глубь живого.

Ведь мы еще, например, ни одним словом не обмолвились о том, как заставить искусственную мышцу подчиняться приказам. Какова должна быть система управления этим двигателем. И как построить такую систему, чтобы она действовала как живая.

Нет, наверное, в точности скопировать живую систему не удастся. Для этого не хватит ни знаний, ни технических возможностей. К счастью, в этом и нет необходимости.

Рассчитывая получить высокий коэффициент полезного действия, есть прямой смысл работать над созданием двигателя, осуществляющего непосредственное преобразование химической энергии в механическую. Этот двигатель будет выполнять тот же процесс, который выполняет живая мышца. Но попытка сконструировать его так, как сконструирована живая мышца, попытка, применяя технические средства, слепо подражать Природе, как видим, лишена смысла и заранее обречена на провал.

И в заключение еще несколько слов о живых и неживых двигателях. Паровой двигатель и паровая турбина, двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели — все они имеют вращающиеся части: валы, колеса, диски. Рабочие машины, которые используют энергию двигателей для выполнения той или иной работы, также имеют много вращающихся частей, которые широко применяются в тех машинах и автоматах, что создает человек.

В то же самое время нет ни одного живого организма, который был бы устроен так, чтобы одна его часть вращалась относительно другой. Кости скелета человека и любого другого позвоночного животного могут поворачиваться одна относительно другой, но не вращаться.

Так дело обстоит не только у позвоночных, но и у любых других животных.

…Вьется в воздухе и надоедливо жужжит обычная комнатная муха. Она то мечется в разных направлениях, то повисает неподвижно в воздухе; мгновенно поворачивает, планирует на стол, на ваше лицо в поисках «вкусной и здоровой» пищи. И пока она в воздухе, непрерывно трепещут ее прозрачные крылышки. Их приводят в движение крохотные двигатели — мышцы, устроенные примерно так же, как устроены мышцы позвоночных животных.

Но, конечно, «механические части конструкций» позвоночных и насекомых не похожи одна на другую. Они отличаются, грубо говоря, так, как отличается абрикос от грецкого ореха.

У абрикоса твердая косточка покрыта мякотью и кожицей, как скелет позвоночного — мышцами и кожей.

У насекомого «скелет» — как скорлупа грецкого орехи — снаружи, а внутри этой скорлупы мякоть — мышцы, посредством которых приводятся в движение шесть лапок и одна-две пары крылышек, совершающих до 1000 (тысячи!) колебаний в одну секунду. Чудо-механизмы подчас очень непривлекательных насекомых спрятаны внутри «фюзеляжа», и нигде в этих механизмах вы не найдете вращающихся «деталей».

Очевидно, гениальный конструктор — Природа создавала «живые конструкции» именно так потому, что иначе было бы очень сложно подвести ко всем уголкам тела топливо, кислород, командные сигналы. И в соответствии с принципом конструирования, исключающим возможность использования вращательного движения, природа разработала уникальный живой двигатель — мышцу.

Несколькими страницами выше мы с вами, читатель, решили вернуться от поэзии к прозе — от звездолета к лягушечьей лапке. А теперь вы видите, что достаточно было сделать один-два шага «в глубь» этой лапки, как мы вновь оказались перед целым неизвестным еще миром. В этот мир живого, так же как в космические пространства, как в глубь атомного ядра, можно проникнуть только трудом, исследованиями, открытиями и изобретениями.

И исследователи живого рвутся вперед! Ведь тайна лягушечьей лапки пока еще не раскрыта.

Три кита

Причуды терминологии

Человек сделал большой шаг к цивилизации, обнаружив, что может сообщить о своих желаниях себе подобным. Первые люди (больше обезьяны, чем люди) пользовались, наверное, для этих целей руками или палками. Кто был сильнее, того внимательнее слушали и лучше понимали.

Постепенно этот крайне неделикатный, а главное — неудобный, метод общения начал становиться не единственно возможным. Оказалось, что можно выражать свои желания и намерения одобрительным ворчанием, угрожающим рычанием, односложными криками.

Затем эти звуки складывались в простые фразы, звероподобное рычание перешло в подобие речи. Чем больше расширялась сфера деятельности людей, тем больше возникало новых понятий, настойчивей становилась необходимость в общении людей между собой и соответственно увеличивался набор слов, развивались речь.

Однако речь оказалась малопригодной, когда сообщение надо было передать на сколько-нибудь большое расстояние. Тогда были изобретены способы передачи сведений посредством звуков барабана, дыма костров. Позже появилась письменность, сообщение оказалось возможным сохранить на какое угодно время. Затем изобрели почтовую связь, телеграф, телефон, радио, телевидение.

В наши дни миллиарды писем и телеграмм циркулируют внутри стран и между странами; атмосфера вокруг Земли «плотно набита» радиоволнами. Подсчитано, что каждую секунду днем и ночью в мире печатается и среднем около 40 страниц разных книг, журналов, газет.

Печать, радио, телевидение держат нас в курсе событий, происходящих во всем мире, сообщают о последних достижениях науки и техники, о том, что идет в кино и театрах, где можно пообедать и почистить платье, — другими словами, снабжают нас самой разнообразной информацией.

Во время физкультурной зарядки инструктор по радио управляет десятками, а может быть, сотнями тысяч людей, заставляя их одновременно сгибаться и выпрямляться, вставать и садиться, вдыхать и выдыхать. Его короткие команды и пояснения содержат информацию, необходимую для выполнения всего комплекса упражнений. Вы слышите его голос и подчиняетесь.

Движениями тела управляет мозг. Он посылает в мышцы управляющие команды. Мышцы «слышат» и «понимают» команды, несущие информацию, необходимую, чтобы тело изгибалось, поворачивалось, наклонялось в соответствии с программой.

Потоки энергии от двигателей идут в рабочую машину — к ее исполнительным органам. Эти потоки нужно правильно организовать, направить, наилучшим образом использовать; ими нужно управлять. Для этого механизмы машины должны «слышать» и «понимать» друг друга. Управляющие команды вводятся человеком или возникают в самой машине. Они должны нести информацию, необходимую, чтобы все механизмы двигались и работали в соответствии с предписанной программой.

Говоря о процессах управления в живых организмах и машинах, мы неизбежно встречаемся с понятием об информации. Что оно означает? В этом необходимо разобраться.

Чем больше новых и важных сведений приносят телеграмма, письмо, радиопередача, книга, тем больше, говорят, они содержат информации. Понятие «информация» в обыденной жизни всегда связывается со смысловым содержанием сообщения.

Каждый из нас понимает, что о любом событии можно рассказать сжато или пространно, отобрав только наиболее важные факты или останавливаясь на мелочах, на второстепенном.

Сравнивая рассказы двух очевидцев того или иного события, каждый может решить вопрос о том, чей рассказ более интересный, то есть содержит, с его точки зрения, больше информации. Как правило, к ответу на такой вопрос мы приходим довольно быстро; при этом пользуемся чисто качественными оценками: «яснее», «понятнее», «интереснее». У нас нет оснований утверждать, что одно сообщение в 2 или в 100 раз интереснее другого. Если к таким сравнениям иногда прибегают, то только лишь для того, чтобы произвести соответствующее впечатление на собеседника.

Не существует объективного, а тем более количественного выраженья смысла, содержащегося в сообщении. Сведение о том, что на ваш лотерейный билет пал крупный выигрыш, представляет большой интерес для вас, ваших родных и значительно меньший для ваших знакомых. Владельцы других лотерейных билетов вообще останутся безразличными к этому сообщению. Совершенно по-разному реагируют на спортивную передачу самые хорошие друзья. Не зря говорят, «на вкус и цвет товарищей нет».

Поскольку невозможно количественно оценить смысл сообщения, то, естественно, никто не пытался вычислять количество информации, которое оно несет.

Лет двадцать назад математики и инженеры под термином «информация» стали понимать нечто новое, отличающееся от того, что понимается под этим термином в обыденной жизни.

Следует сказать, что математики довольно часто прибегают к таким «коварным» приемам. Этим они коренным образом отличаются, например, от химиков. Химик, разработав новое соединение или препарат, сразу же придумывает для него «простое» и «ясное» название: например, «тетраметилдиаминодифенилтиазониевый хлорид», или «метаксихлордиэтиламинометилбутиламиноакридин», или «4-окси-3-метокси-бензальдегид». Обычно химику хватает для этого 30–40 букв.

Математик не затрудняет себя выдумыванием новых терминов. Он берет общеизвестное слово и использует его как ему вздумается. Вам, наверное, никогда не придет в голову, что «телом называют кольцо, множество ненулевых элементов которого образуют группу относительно закона, индуцированного заданным на этом кольце умножением».

Если, примирившись с таким определением тела, мы захотим узнать, что математики при этом называют кольцом, то выяснится, что «кольцо — это множество, наделенное алгебраической структурой, задаваемой двумя всюду определенными внутренними законами, первый из которых есть закон коммутативной группы в этом множестве, а второй ассоциативен и двояко дистрибутивен относительно первого». Чтобы, не заходить далеко, не будем интересоваться, что такое «группа» и «множество» с точки зрения математика.

Облюбовав слово «информация», математики и техники решили так: поскольку количественно оценить смысл сообщения нельзя, то не будем связывать термин «информация» со смысловым содержанием сообщения.

Это странное решение совсем не так бессмысленно, как может показаться с первого взгляда. Действительно, телеграфистка, принимая от вас телеграмму, интересуется только количеством слов и может совершенно не вникать в смысл телеграммы. Инженер, проектирующий систему телефонной связи, не думает, будут ли абоненты вести научную дискуссию или сплетничать, будут ли они говорить по-русски, по-французски или петь. Он рассчитывает число возможных вызовов, количество слов или звуков, которое должна передать его система. Его интересуют количественные оценки и совершенно не интересует смысл сообщений, которые могут быть переданы с помощью созданной им системы.

И вот оказалось, что новый подход к привычному понятию дает возможность разработать совершенно необычные, но очень полезные оценки этого понятия. Оказалось, что любое сообщение, как бы оно ни передавалось: с помощью ли звуковой, световой, электрической, механической или любой другой сигнализации, поддается строгой количественной оценке.

В результате теперь нам приходится мириться с существованием двух различных понятий, которые обозначают одинаковым словом — информация.

В обыденной жизни информация тесно связана со смыслом сообщения и не поддается количественной оценке.

В математической теории информация непосредственно не связана со смыслом сообщения, но зато может быть оценена количественно.

«Да» или «нет»?

В ателье дамского платья вошла молодая женщина. Она огляделась, удовлетворенно улыбнулась, увидев в углу помещения столик с лежащими на нем журналами мод, удобно расположилась на стуле и стала не спеша перелистывать один журнал за другим. В это время ей не стоит мешать. Она собирает крайне важную для нее информацию. В ее мозгу кипит работа, связанная с переработкой этой информации; она сравнивает поочередно различные фасоны, оценивает цвета и фактуру материи, мысленно примеряет к себе одно платье за другим. Каждое из этих воображаемых действий полно для нее смысла; для нее полна смысла информация, которую она собирает и обрабатывает. Ей предстоит сделать отчаянный шаг — выбрать фасон платья. При этом выборе далеко не последнее значение имеют такие загадочные психологические факторы, как решительность, вкус, рассудительность и другие. Читатель понимает, что здесь за словом «информация» скрывается привычное понятие, связанное с получением интересных и важных сведений, которые никакой непосредственной количественной оценке не поддаются.

А в противоположном углу помещения, за другим столом, сидит другая женщина — приемщица. Она сидит здесь уже не один год и привыкла не обращать внимания на внутреннее состояние посетительниц. Но поскольку по роду службы вынуждена с ними общаться, то и ей также приходится собирать и обрабатывать информацию. Что же интересует приемщицу?

Прежде всего ее интересует, будет ли молодая женщина, листающая журналы мод, заказывать платье. Да или нет? Этот вопрос отметает в сторону колебания и сомнения, соображения и размышления посетительницы, до которых приемщице нет дела. Ответ «да» или «нет» разрешает неопределенность, возникающую перед ней каждый раз при появлении в ателье новой посетительницы. И вот здесь начинаются те рассуждения, которые привели к новому понятию термина «информация».

Дело в том, что ситуации и вопросы, требующие одного из двух возможных ответов: «да» или «нет», — возникают перед человеком все время и в связи с самыми разными обстоятельствами:

Будет ли завтра дождь?

Вы на следующей остановке сойдете?

Есть ли в киоске «Огонек»?

Ты идешь в кино?

Включен ли ток?

И вот математики и инженеры договорились считать, что ответ на такой «простой» или, как его называют, двоичный, вопрос содержит одну единицу информации. Эту единицу назвали «бит».

Значит, независимо от смыслового содержания вопроса ответ на него содержит один бит информации, если он сводится к выбору между «да» и «нет».

Вернемся в ателье. Представим себе, что все модели фасонов, изображенные в журналах, снабжены сквозной нумерацией. Второй вопрос, который интересует приемщицу: «Какой фасон выбран заказчицей?» Число возможных вариантов ответа на этот вопрос дает наша нумерация, их может быть 200, 500, 1000. Чем из большего числа вариантов производится выбор, тем более неопределенной и сложной становится ситуация выбора. Понятно, что тем больше информации несет ответ на такой вопрос.

Теория информации, используя единицу измерения информации (бит), позволяет оценить количество информации, содержащейся в ответе на сколь угодно сложный вопрос, то есть предполагающий множество возможных вариантов ответа.

Понять, как такая оценка производится, проще всего на примере известной школьной задачи, в которой спрашивается, сколько взвешиваний нужно произвести, чтобы среди восьми шариков, одинаковых по внешнему виду, обнаружить один более легкий, чем семь других. Решать эту задачу можно различными способами. Можно один шарик выбрать в качестве эталона и с ним сравнивать остальные. При этом число взвешиваний, необходимых для решения задачи, заранее точно определить нельзя, поскольку выбор эталона, так же как и порядок сравнивания с эталоном других шариков, имеет случайный характер. При неудачном стечении обстоятельств может понадобиться шесть взвешиваний.

Другой способ всегда безошибочно приводит к цели в результате трех взвешиваний. При первом взвешивании следует положить на обе чашки весов по четыре шарика. Это дает возможность сразу вдвое уменьшить неопределенность выбора, выявив, в какой из двух групп находится более легкий. При следующем взвешивании эту группу надо разделить пополам. Третье взвешивание даст возможность найти легкий шарик.

Обратите внимание на то, что эта задача сводится к отысканию ответа на восьмеричный вопрос (какой из восьми шариков легче?), а каждое взвешивание отвечает на один двоичный вопрос. Следовательно, один восьмеричный вопрос можно свести к трем двоичным вопросам, и, значит, ответ на него будет содержать три единицы информации. При 16 шариках потребуется четыре взвешивания, ответ будет содержать четыре единицы информации и т. д.

Если заказчице в ателье предстоит выбрать один фасон из тысячи, то ответ на второй вопрос приемщицы содержит около десяти единиц информации (действительно, ведь 2^10 = 1024).

Русский алфавит содержит 32 буквы (если не различать букв «е» и «ё»). Задание одной из букв согласно сейчас сказанному соответствует заданию пяти единиц информации. Значит, не вникая в содержание текста, напечатанного на этой странице, можно количественно оценить информацию, которую он содержит. Для этого надо умножить число печатных знаков на пять, что составит примерно 10 тысяч единиц информации, то есть 10 тысяч бит.

Изображение на экране телевизора представляет собой около 500 тысяч световых точек различной яркости. При хорошем качестве изображения можно различить до восьми градаций яркости каждой точки. Значит, каждая точка телевизионного кадра несет три единицы информации, а кадр в целом — полтора миллиона единиц информации.

Подобным же образом определяется количество информации, передающейся при устной речи. Как буква является основным элементом письменной речи, так элементами устной речи считают отдельные звуки; их называют фонемами. Количество фонем языка, конечно, не совпадает с количеством букв алфавита этого же языка. Ведь во время разговора одна и та же буква в разных случаях может звучать по-разному (ее произносят мягко или твердо, она может находиться под ударением или нет). В результате ряда лингвистических исследований были выделены 42 различные фонемы русского языка. Значит, грубо говоря, можно считать, что каждый произносимый нами звук содержит около 5,4 бита. Умножая эту величину на число звуков, произносимых за время разговора, можно определить количество информации, которым обменялись собеседники.

Точно так же можно определить количество информации, которое содержится в музыкальном произведении, в фототелеграмме, в любом сообщении, передаваемом самыми различными способами, посредством самых различных сигналов.

Что такое опыт работы?

Итак, казалось бы, что математически вопрос о количестве информации, содержащейся в том или ином сообщении, решается очень просто. Необходимо выяснить возможное число различных вариантов этого сообщения и найти логарифм этого числа при основании два.

В действительности, однако, теория информации только начинается с этих элементарных соображений. Вспомните, читатель, вопросы, которые мы задавали, рассказывая историю изобретения паровой машины: «Могла ли изобрести паровую машину тетя Уатта?», «Можно ли, сложив два семизначных числа, получить в ответе бутерброд с маслом?» Формально их можно рассматривать как обычные двоичные вопросы, ответы на которые требуют выбора между «да» и «нет» и, следовательно, несут каждый одну единицу информации. Теория информации не ограничивается таким формальным подходом. Она учитывает не только число возможных вариантов ответа, но еще и вероятность того или иного из этих вариантов.

Заведомо известно, что, сложив два числа, нельзя получить в ответе бутерброд с маслом. Вероятность такого исхода заведомо равна нулю. И наоборот, вы можете быть уверены, что в 100 процентах случаев сложения двух чисел бутерброда с маслом в ответе не будет. Вероятность такого неизбежно отрицательного исхода считают равной единице. Но если ответ на вопрос заранее известен, то, значит, никакой неопределенности он не содержит. Чему же равно количество информации, которое содержит такой заранее известный ответ?

Здравый смысл подскажет каждому, что оно равно нулю. Именно такой ответ дает теория информации. Как видите, математическая теория и здравый смысл имеют много общего и зачастую приводят к одинаковым выводам.

Если бы приемщица ателье систематически вела учет числа посетительниц и отдельно учитывала число заказчиц, то в течение многих лет работы она накопила бы обширный, полезный для нее статистический материал.

Пусть, например, приемщица установила, что в среднем за много лет из каждых двух посетительниц одна становится заказчицей. Значит, одинаково вероятны оба варианта ответа на вопрос, станет ли заказчицей очередная посетительница. Вероятность каждого из ответов оценивают при этом величиной 0,5. Именно в этом и только в этом случае, то есть если оба возможных ответа на двоичный вопрос одинаково вероятны, в теории информации считают, что ответ на двоичный вопрос содержит одну единицу информации. Точно так же ответ на четверичный вопрос содержит две единицы информации только при условии, что одинаково вероятны все четыре варианта ответа.

Итак, если вероятность одного из ответов на двоичный вопрос равна нулю, то равно нулю количество информации, содержащейся в ответе на такой вопрос. Если оба ответа одинаково вероятны, то количество информации, которую несет ответ на вопрос, равняется единице.

Но пусть приемщица ателье в результате опыта установила, что в среднем только одна из двадцати посетительниц становится заказчицей. Какое количество информации содержится в ответе все на тот же вопрос: «Станет ли очередная посетительница заказчицей?»

Каждый понимает, что вероятность ответа «да» теперь в 19 раз меньше вероятности ответа «нет». Здравый смысл подсказывает, что угадать исход события в этом случае намного легче, чем когда вероятности обоих ответов были одинаковы. И в соответствии со здравым смыслом теория информации указывает, что в ответе на такой «менее неясный» вопрос содержится лишь немногим больше четверти одной единицы информации.

Приемщица ателье могла бы значительно расширить сферу своей статистической деятельности, регистрируя частоту выбора того или иного из фасонов платья, длительность обсуждения отдельных заказов, время сдачи готового заказа. В результате она накапливала бы все больше и больше полезных для себя сведений.

В обыденной жизни подобный статистический материал, собранный и обработанный подчас совершенно бессознательно, называют опытом работы.

Опыт работы накапливают токарь, стоящий у станка, инженер, проектирующий машины, ученый и артист, агроном и художник. А используют они его по-разному. Разными оказываются результаты их работы. Этот факт всегда вызывал крайнее удивление. И чтобы его как-то объяснить, приходится призывать на помощь такие понятия, как «способность», «настойчивость», «находчивость». Эти понятия, очень важные и полезные, так же не поддаются количественной оценке, как и сотни других понятий, имеющих пока чисто качественный характер. К сожалению, однако, только с помощью таких понятий можно объяснить, почему один токарь работает быстрее и точнее другого, почему десятая книга одного писателя хуже первой книги другого. В результате этого термин «опыт работы» приобретает несколько смутные очертания, хотя каждый понимает, что именно опыт составляет основу познания. Опыт работы позволяет приемщице не отрываться от «Огонька» при входе в ателье очередной посетительницы. А молодая женщина, зашедшая только для того, чтобы перелистать модный журнал, с удивлением замечает, что ей не мешают заниматься любимым делом.

В теории информации вместо туманного «опыта работы» используется систематизированный полноценный статистический материал. И если этот материал достаточно полно и объективно отражает факты и обработан в соответствии с законами теории вероятностей, то тогда выводы теории информации хорошо согласуются с настоящим «здравым смыслом» и дают возможность оценить его количественно (здравый смысл взят в кавычки потому, что мы в конце концов не знаем точно, что он означает).

И опять-таки этим еще далеко не исчерпывается значение теории информации, не исчерпываются те важные результаты, которые можно получить, пользуясь новым подходом к обычному понятию.

Бесконечные потоки сигналов

Токарь, изучающий чертеж детали, ученый, склонившийся над микроскопом, диссертант, лихорадочно просматривающий труды своих возможных оппонентов, девушка, перелистывающая модный журнал, — что между ними общего? Мы уже знаем это. Каждый из них собирает информацию. Если термин «информация» понимать здесь в обычном смысле слова, то на этом сходство заканчивается. Собирая информацию, они преследуют различные цели, по-разному ее используют, совершают различные действия.

Но ведь можно рассуждать по-другому. Свет падает на чертеж, освещает поле зрения микроскопа, текст статьи, картинку модного журнала. Солнце одинаково ярко освещает творения гениального художника и мазню ребенка. По одним и тем же законам свет отражается от чертежа и модной картинки. Отраженные световые сигналы различной интенсивности попадают на сетчатку глаза — так информация поступает в один из ее приемников, которыми оснащен человек. Конструкция этих приемников у всех людей одинакова, и в случае какого-либо частного дефекта (близорукость, дальнозоркость, частичная потеря зрения) сигналы, поступающие в такой приемник, искажаются одинаковым образом, что бы эти сигналы ни означали.

От чертежа и текста до сетчатки глаза информация передается по воздуху световыми сигналами. А затем она по зрительному нерву поступает в мозг. Зрительный нерв не проводит световых сигналов, и в сетчатке глаза информация переходит из одной формы в другую, световые сигналы преобразуются в электрические — как говорят, происходит перекодирование информации.

Механизмы перекодирования действуют строго определенным образом; интенсивность и распределение электрических сигналов, идущих от сетчатки в мозг, находятся в определенном соответствии с интенсивностью и распределением световых сигналов, падающих на сетчатку, и это соответствие, конечно, совершенно не зависит от исходного смыслового содержания информации.

А по прибытии в мозг электрические сигналы приобретают… смысл, который мы вкладываем в термин «информация» в обыденной жизни. Бесчисленные исследования показывают, что мы мыслим электрическими сигналами, а нам кажется, что мы мыслим полными смысла образами. В результате процессов, происходящих в мозгу, возникает новая информация, содержание и смысл которой зависят не только от содержания и смысла информации, поступающей в мозг, но и от свойств самого мозга.

Как действует мозг, какие механизмы и методы он использует в процессе переработки информации — вот загадка гигантской важности и сложности, к решению которой только еще подходит наука.

Французский математик Пьер Ферма, имевший «отвратительную» привычку записывать без всяких подробностей на клочках бумаги и полях книг результаты своих размышлений, сформулировал свою знаменитую теорему: «Уравнение xn + yn = zn не имеет нетривиальных решений в целых числах, при n больше двух». (Под тривиальным понимается решение x = 0, y = 0, z = 0.)

Около трехсот лет математики ищут доказательство этой теоремы, о которой Ферма говорил как о доказанной. Они подтвердили ее справедливость для ряда показателей n, в том числе для всех показателей, меньших 100. Ho общее доказательство до сих пор остается тайной. Какими путями шла мысль Ферма?

Как вообще формируется мышление?

В глухой северной приморской деревеньке жили несколько рыбацких семейств. Из поколения в поколение их дети, внуки и правнуки обучались одному и тому же ремеслу, одним и тем же приемам, обучались грамоте по одному и тому же букварю, воспринимали в примерно одинаковом объеме примерно одинаковую информацию. И все-таки в каждом поколении все взрослые, все дети были разными, а один из них стал Михайлой Ломоносовым — гениальным ученым, академиком и основателем Московского университета.

Наряду с бесценной информацией, добытой гениями и скромными тружениками, в мире циркулирует «информация», лишенная всякого смысла, подчас наносящая пред людям, искажающая представление о внешнем мире и происходящих в нем событиях.

Она оседает в библиотеках никому не нужными книгами, в бесталанных картинах и фильмах, стихах и скульптурах, в газетных «утках» и неудавшихся изобретениях.

Во времена Ломоносова в Европе был издан «труд» некоего богослова Рейнхарда под названием «Исследование вопроса о том, был ли пупок у Адама». Мысль этого богослова проследить легко. Если пупка не было, то божественное происхождение Адама окончательно подтверждается; если пупок был, то, значит, не Адам тот первый человек, которого создал бог.

Мысль простая, но лишенная какого бы то ни было смысла. А сколько стоило и стоит воспитание и содержание несметного числа людей, занимающихся «ничем» или берущихся явно не за свое дело!

Какими кривыми путями идет их мысль?

Во все века даже самые выдающиеся умы единодушно признавали, что мыслить, думать — чрезвычайно трудное, «канительное» занятие. Естественно, что люди с давних пор ищут способы и средства переложить это занятие со своих плеч на плечи машины.

В главе «Начнем „от печки“» упоминалось о потоке «вечных двигателей», который течет уже несколько сотен лет и еще не иссяк полностью до сих пор. Так вот, наряду с первыми попытками построить машину, которая вырабатывала бы энергию из «ничего», еще несколько столетий назад делались столь же наивные попытки построить машину, которая автоматически вырабатывала бы, также из «ничего», разумную информацию.

Эти попытки были едко высмеяны в книге Джонатана Свифта «Путешествия Лэмюэля Гулливера», там, где рассказывается о посещении Гулливером Великой Академии в Лагадо и, в частности, об ученом, изобретшем, по словам Гулливера, станок, с помощью которого можно писать книги по философии, поэзии, праву, математике и богословию при полном отсутствии эрудиции и таланта.

Теперь каждый понимает бессмысленность таких попыток, и мы не станем разбираться в конструкции этого станка (как не стали разбираться в конструкциях «вечных двигателей»), тем более что его описание сделано Гулливером так, как если бы он не видел в своей жизни ни одной машины, кроме кассового аппарата в «Гастрономе», и то только со стороны, обращенной к покупателю.

Вернемся лучше к прерванному нами движению потоков информации, текущих из внешнего мира в центральную нервную систему — мозг, который живет и действует.

Но вот таинственный процесс мышления частично или полностью окончен, соответственно частично или полностью выработана программа действия, и тогда начинают свой путь новые потоки сигналов, несущие информацию из мозга.

По нервной сети они движутся к десяткам, сотням мышц, управляя всеми движениями, какие только подчиняются воле человека. Потоки информации становятся потоками управляющих сигналов. Поступая в мышцы, они управляют их сокращением и расслаблением. Рука начинает двигаться, происходит очередное перекодирование информации из электрического кода, в котором она передается по нервной сети, в некоторый код движений. Ученый записывает свои наблюдения, код движений преобразуется в буквенный код. Поступая в мышцы, соединенные с голосовыми связками, и в лицевые мышцы, сигналы управляют нашей речью. Электрический код сначала преобразуется в код движений голосовых связок и рта, затем в звуковой код — тот самый, который, как мы уже знаем, состоит, грубо говоря, из 42 фонем. И всякий раз передача и перекодирование информации совершаются по определенным законам и определенными способами, не зависящими от смыслового содержания.

Как видите, рассуждая о передаче и перекодировании информации, мы ни разу не испытывали необходимости знать, что пишет рука, или о чем идет речь. Это наблюдение оказывается чрезвычайно полезным. Именно оно позволило применить методы и выводы теории информации к изучению важных сторон деятельности живого организма, описать их понятным языком, получить новые количественные оценки и полезные практические выводы.

Пробовали ли вы когда-нибудь иметь дело с магнитофоном? Мы имеем в виду не тот печально частый случай, когда он стоит со снятой крышкой, а его хозяин, чертыхаясь, копается в «начинке», пытаясь собственными руками призвать к порядку капризное создание чьих-то рук. Здесь речь идет о настоящем автомате, сделанном настоящими людьми, уважающими свой труд. Щелчок рукоятки — и автомат готов к работе.

А теперь обратите внимание на то, что все его действия можно описать, используя те же слова и понятия, которые мы использовали, описывая действия живого существа. Прежде всего он собирает информацию, причем может это делать различными способами. Посредством микрофона воспринимает звуки; будучи включенным в радиотрансляционную сеть, получает информацию в виде электрических сигналов. Затем эта информация передается через различные узлы и устройства автомата, преобразуется и перекодируется, пока, наконец, не оседает невидимыми отметками на магнитной ленте точно в нашей памяти. А при проигрывании записи эта информация совершает обратный путь, вновь подвергаясь переработке и перекодированию. Всякий раз эти процессы происходят по определенным законам и определенными способами, не зависящими от содержания сообщения.

Теория информации дала возможность ученым не только говорить о живом существе и о машине одинаковыми словами, используя одинаковые понятия, но и изучать некоторые их действия примерно одинаковыми методами.

В начале этой книги мы говорили, что любое живое существо способно, получая энергию, выполнять механическую работу и что таким же свойством обладает любая машина, хотя действуют живые существа и машины по-разному и оснащены они, как мы уже знаем, совершенно различными двигателями. А сейчас мы установили еще одно важное свойство живого существа, заключающееся в том, что оно способно собирать и использовать информацию, осуществляя целенаправленные движения.

Правда, здесь еще многое не ясно. Ученые делают пока только первые попытки разобраться в том, как действует одна из самых совершенных и сложных конструкций — мозг разумного существа. Это он рождает науки, искусства и изобретения, вырабатывает сложнейшие программы действия и непрерывно следит за их реализацией, управляет движениями рук Леонардо да Винчи и Тициана, Ойстраха и Клиберна, командует мышцами индийского мастера, вырезавшего текст конституции на рисовом зернышке, и тульского кузнеца, подковавшего блоху. Никто до сих пор не знает, где и как окрашиваются эти программы сложнейшей гаммой чувств от любви до ненависти, от восхищения до презрения, от вдохновения поэта до огорченья болельщика, оставшегося за воротами стадиона во время матча «Спартак» — «Динамо».

Вместе с тем хорошо известно, что информация в мозг поступает не в виде «красиво» или «уродливо», «мелодично», «вкусно», «ароматно» и даже не в виде «светло» или «темно», «громко» или «тихо», «кисло» или «сладко». Она перекодируется органами чувств в бесконечные потоки однотипных сигналов.

Живое существо обладает свойством воспринимать, перекодировать и передавать информацию. Таким же свойством обладают машины. Более того, нельзя себе представить ни одной машины, работа которой не сопровождалась бы передачей, преобразованием и использованием информации. Об актах управления в машине можно говорить так же, как об актах управления в живых существах. Это те же процессы сбора, переработки и использования информации. Они протекают вместе с процессами передачи, преобразования и использования энергии и материалов.

Пытаясь разобраться в любой машине, попробуйте прежде всего понять, как ее механизмы передают и преобразуют потоки энергии и информации. А в рабочие машины, те, что изготавливают книги и станки, ткань и обувь, спички и электролампочки, хлеб и консервы, кроме потоков энергии и информации, течет поток материалов — стали и железа, дерева и бумаги, стекла и муки. За тем, как течет этот поток, тоже нужно следить, если хотите понять, как действует автомат.

Когда-то люди верили, что Земля стоит на трех китах. В дальнейшем выяснилось, что такая воображаемая конструкция не выдерживает никакой критики. Но если назвать тремя китами энергию, материалы и информацию, то мы нисколько не ошибемся, если скажем, что эти три кита составляют основу любой машины, любого автомата, производства любой материальной ценности.

Точка, тире

Опять человек мешает

В первых числах октября 1832 года парусное судно «Салли» мерно рассекало океанские волны, совершая переход из Гавра в Нью-Йорк. Скучающие от вынужденного безделья пассажиры, отрезанные на несколько недель от всего мира, собирались в кают-компании, где за кофе и трубками коротали долгие дни. Душою общества были два американца, возвращавшиеся на родину. Это молодой физик Чарльз Джексон и уже довольно известный художник, профессор живописи Самюэл Морзе, три года путешествовавший по Италии и Франции.

В один из вечеров Джексон заявился в кают-компанию, держа под мышкой небольшой ящик. Пассажиры, ожидавшие от весельчака физика забавной шутки, стали его расспрашивать о содержимом ящика. Физик сказал, что именно это содержимое и было одной из причин, заставивших его совершить долгое путешествие из Бостона в Париж, где он посетил профессора физики Андре Ампера. И вместо того чтобы рассказывать о цели этого посещения, он хотел бы показать присутствующим один забавный фокус. Присутствующие с интересом наблюдали за тем, как Джексон добывал из своего ящика банку с торчащими из нее металлическими стерженьками, моток проволоки и, наконец, кусок железа, оклеенный бумагой и по форме сильно напоминающий обычную лошадиную подкову. Не обращая внимания на шутливые замечания окружающих, он аккуратно обмотал подкову проволокой и два ее конца присоединил к стерженькам, торчащим из банки.

— Господа, — начал он, — сейчас я вам покажу удивительный физический опыт. Многие, наверное, знают, что такое магнит. Но слышал ли кто-нибудь из вас об электромагнитах?

Он высыпал из ящика на стол горсточку железных гвоздей и поднес к ним подкову. Замыкая и размыкая электрическую цепь, он показал пораженным зрителям, как гвозди то притягивались, то падали обратно на стол.

— Не правда ли, забавная вещь электромагнит? — улыбнулся Джексон, заканчивая демонстрацию. — Однако не похоже, чтобы он мог найти какое-либо полезное применение.

Самым внимательным слушателем и наблюдателем при этих опытах был Морзе. Еще во времена обучении в колледже его внимание привлекали «таинственные» электрические явления, а затем, уже будучи художником, он продолжает интересоваться всеми открытиями в этой области.

Морзе знал, что электрический заряд можно мгновенно передавать по электрическому проводу, и вот, наблюдая за «фокусами» Джексона, он мысленно сформулировал идею, благодаря которой его имя навеки осталось в истории техники.

«Если с помощью электромагнита можно обнаружить наличие тока в любой точке электрической цепи, то, значит, замыкая и размыкая ее, можно мгновенно передавать по электрическому проводу условные сигналы примерно так же, как они передаются с помощью семафоров или оптического телеграфа, которые я видел во время поездки по Франции. Но только несравненно быстрее и надежнее, в любое время дня и ночи».

Два года возился Морзе со своим первым аппаратом, казавшимся совершенно непригодным для практического использования. Самое большое расстояние, на котором он действовал, составляло 5, 6, 7 метров. Ток был слишком слаб, а потери в цепи и механические сопротивления в аппарате слишком велики. При попытках увеличивать расстояние магнит переставал действовать.

Мучительно долго искал Морзе способ увеличить дальность действия своего аппарата. Он, конечно, представлял себе, что, повышая силу электромагнита, можно увеличить длину линии в 10, 50, 100 раз. Но ведь его мечта была связать телеграфной линией города, отстоящие друг от друга на сотни километров! Одним магнитом тут не обойтись. Он понимал, что нужно придумать что-то кардинально решающее задачу. Но что?..

Морзе снова стал вспоминать, как действовала линия семафоров, которую он видел во время путешествия во Францию. Она связывала Париж с Тулоном. Расстояние в 760 километров было разделено на 120 станций, и сообщения, условно закодированные, передавались операторами от семафора к семафору. Затем он вспомнил свое путешествие на почтовых лошадях. Ему показалась забавной мысль, что способ этого путешествия сильно напоминал способ передачи сообщений семафорами — от станции к станции. На каждой почтовой станции уставших и ослабевших лошадей ждала подстава (по-французски — реле). Было бы достаточное число семафоров или подстав — и тогда дальность передачи сигналов, дальность путешествия можно увеличить как угодно.

Так вот что нужно, оказывается, чтобы электрический телеграф мог передавать сообщения на какое угодно расстояние! Нужны промежуточные станции, которые усиливали бы ослабевший электрический сигнал.

Как построить такую станцию?

Для этого можно применить все тот же электромагнит. А ослабленный электрический ток, который попадет в его обмотку, пройдя по возможно более длинному проводу, надо использовать только для замыкания следующей электрической цепи, имеющей свой собственный источник тока. По этой цепи сигнал достигнет следующей станции, на которой электромагнит замкнет следующую цепь. От станции к станции побегут электрические сигналы, а на последней электромагнит приведет в действие огрызок карандаша. Такие станции — реле — будут действовать без людей, в то время как на семафорных линиях работали тысячи операторов.

Наверное, так или приблизительно так рассуждал Морзе. В результате этих рассуждений родилось еще одно замечательное изобретение — реле, которое в алфавит современной техники входит в качестве одной из первых букв.

Первая телеграмма, переданная с помощью этого аппарата из одного угла большого университетского зала в другой, гласила: «Успешный опыт телеграфирования 4 сентября 1837 года».

Отчетливо были видны зигзагообразные черточки на бумаге, сочетание которых соответствовало алфавиту, использовавшемуся тогда для сигнализации в военно-морском флоте; отлично работал специальный «ключ», изобретенный помощником Морзе — Альфредом Вэйлом для замыкания и размыкания электрической цепи. Но Морзе был недоволен: передача сообщения занимала много времени, а знаки подчас было очень нелегко расшифровать. Он почувствовал, что его аппарату нужен свой особый «почерк».

И опять потянулись дни и недели раздумий и поисков. В книжках рассказывается, что как-то вечером Морзе сказал своему молодому помощнику:

— Альфред, выбери в газете наугад какой-нибудь столбец, посмотри и посчитай, какая из букв встречается чаще других.

Альфред взялся за дело и вскоре ответил, что буква «е».

— Хорошо, — сказал Морзе. — В нашем новом алфавите мы ее будем обозначать «точкой». Какая буква после «е» встречается чаще других?

— «Т», — ответил Вэйл.

— Мы ее обозначим «тире», — заявил Морзе.

Последовательно они просмотрели весь алфавит, затем перешли к цифрам, знакам препинания. Так был изобретен, как рассказывают, телеграфный код — азбука Морзе, который без изменения используется и в наши дни в телеграфии и особенно в радиотелеграфии.

…Со дня памятного вояжа на «Салли» прошло уже шесть лет. Казалось, все было готово. Был создан телеграфный аппарат, были проведены успешные опыты, была изобретена новая удобная азбука. Однако понадобилось еще шесть долгих лет для того, чтобы построить первую телеграфную линию длиной около 60 километров, связывающую столицу США Вашингтон с городом Балтиморой.

Но и после этого новое изобретение не было признано полностью. Американский сенат отклонил просьбу Морзе о дальнейшем финансировании работ по постройке других линий. Отказ был вызван тем, что, по мнению департамента почт, телеграф был просто игрушкой, которая никак не могла окупить затраты на постройку линий.

Но это были слабые, а главное — запоздалые возражения.

Весь мир знал, что существует удобный способ передачи сообщений. Морзе был свидетелем того, как прокладывали подводные кабели, связавшие страны, разделенные морями и океанами, как телеграфная сеть опоясала весь мир. Он был награжден почетными медалями многих научных обществ и орденами многих европейских государств. И в то же время вокруг нового изобретения кипели страсти. То и дело возникали судебные разбирательства, связанные с установлением приоритета на это изобретение. А в числе многих претендентов был, в частности, и тот самый Чарльз Джексон, который на шхуне «Салли» показывал фокусы с электромагнитами.

Мало кому из изобретателей удалось присутствовать на открытии себе памятника. Это удалось Морзе в день его восьмидесятилетия в 1871 году. Точки и тире завоевали весь земной шар. Они несли миру войны и перемирия, людям радость и горе, надежду и спасение, несли информацию.

Паровая машина механизировала процессы передачи и преобразования энергии.

С изобретением телеграфа началась механизация процессов передачи и преобразования информации.

Вначале самим Морзе были механизированы передача сигналов по линии и их прием. Источником сигналов был человек-телеграфист. Работая телеграфным ключом, он то замыкал, то размыкал электрическую цепь. Движения его кисти преобразовывались в электрические сигналы; дальнейшая их передача происходила уже без непосредственного участия человека. Автоматически замыкались и размыкались реле на промежуточных станциях, электрические импульсы превращались в движения контактов реле; движения контактов — в электрические импульсы; так до конца линии, где импульсы превращались в отметки на ленте.

Телеграфная линия стоила дорого, а человек — телеграфист — работал сравнительно медленно. Посудите сами.

При передаче азбукой Морзе телеграфного текста вручную сигнал «точка» занимает приблизительно 1/24 секунды, сигнал «тире» — 1/8 секунды, промежуток между сигналами — 1/24 секунды, между буквами — 1/8 секунды, наконец, между словами — 1/4 секунды. Нетрудно подсчитать, что для передачи вручную, например, слова «телеграф» надо около 3 секунд. Если бы оператор работал как автомат, ни на минуту не отрывая руки от ключа телеграфного аппарата, не читая и в необходимой мере не осмысливая текст, то и тогда он смог бы передавать не больше чем 1500–2000 слов в час. Только поначалу этого казалось вполне достаточно. Телеграфист, как мальчик, стоявший у кранов паровой машины, ограничивал скорость действия аппарата, который мог бы работать значительно быстрее. Цепочку передачи и преобразования информации надо было полностью механизировать. И это было сделано с изобретением автоматического приемно-передающего телеграфного аппарата.

Теперь человек работает на специальной машине — перфораторе, напоминающем обычную пишущую машинку. Только вместо машинописного текста перфоратор выдает узкую бумажную ленту с пробитыми в ней отверстиями. Затем эта лента вводится в автоматический передатчик, который «прочитывает» ее и посылает сигналы в линию.

На двух концах линии стоят два автомата. Они «беседуют» с огромной скоростью, недоступной человеку; они одновременно говорят и одновременно слушают, и неопытному взгляду может показаться, что им вообще не нужен человек, скромно сидящий в стороне.

И язык, которым они говорят, уже не азбука Морзе. Удобная для руки и уха телеграфиста, она не устраивает автомат. Ему неохота запоминать целых три разных типа сигналов — точку, тире, промежуток. Он может пропустить очень много сигналов, только пусть они будут попроще. В общем пусть человек говорит на своем языке, а ему, автомату, нужен свой язык. Законное требование — и человек должен был его выполнить.

Код — слово мирное

Когда говорят «зашифровать», «закодировать», то в воображении возникает секретная-пресекретная комната за семью замками, где самые важные военные или дипломатические документы переписывают так, что их уже совершенно никто не может понять.

В технике эти слова имеют совершенно другой смысл. Они означают — перевести информацию с языка человека на язык машины. Люди говорят на разных языках, машины — тоже.

Примером тому может служить телеграф, о котором уже говорилось.

Электромагнитный принцип телеграфии был впервые предложен Ампером, которому подсказал эту мысль его старший товарищ и друг известный математик Пьер Лаплас.

Согласно предложению Ампера надо было для каждой буквы алфавита иметь отдельный провод с маленьким электромагнитом на конце. Это был самый простой, но и самый громоздкий механический язык.

Затем английский физик Чарльз Уитсон вместе с изобретателем Вильямом Куком построили телеграф, применив «только» пять проводов и пять магнитных стрелок; каждой букве соответствовало различное сочетание положений пяти магнитных стрелок, возбуждаемых токами, текущими по пяти проводам.

А немецкий физик Вильгельм Вебер и выдающийся математик Карл Гаусс — профессора Геттингенского университета обошлись уже одним проводом, одной стрелкой, которая, отклоняясь то вправо, то влево, передавала информацию. Каждой букве соответствовала разная комбинация ее поворотов вправо и влево. Этот «язык» оказался особенно удобным. В современных системах каждая буква передается в виде различных сочетаний пяти простейших сигналов — посылок тока и пауз — одинаковой длительности.

Французский механик Жан Бодо в 1876 году впервые построил телеграфный аппарат, использующий такой пятизначный код, который получил название кода Бодо. Этот код к настоящему времени стал общепринятым международным телеграфным кодом.

В течение многих лет шло усовершенствование перфораторов и автоматов для кодирования, передачи, приема и декодирования электрических сигналов применительно к задачам главным образом телеграфии. Но вот приблизительно с четверть века назад началось бурное развитие вычислительной техники. Понадобились автоматы, не только передающие и принимающие сигналы, как это делают телеграфные аппараты, но умеющие производить с ними различные логические и арифметические действия.

Появились сначала единицы, затем десятки и сотни, теперь тысячи электронных вычислительных машин-автоматов. Для них сырьем и готовой продукцией являются числа. Только числа! Миллионы чисел!

Одновременно продолжали развиваться телеграфия и телефония. Вот когда вопросы о кодировании информации, о скорости ее передачи и обработки, о различных системах счисления приобрели первостепенною важность не только с точки зрения маленькой кучки математиков, занимавшихся, как казалось сторонним наблюдателям, совсем «никчемушным» делом, но и с точки зрения целой армии инженеров и ученых, придумывающих различные системы связи и вычислительные машины. Быстрыми шагами началось развитие теории информации, которая должна отвечать на эти вопросы и сотни других.

Какая система счисления наиболее удобна, когда речь идет об автоматической передаче информации, об автоматизации действий над числами, о числовом управлении автоматами?

Техники и математики нашли ответы на эти вопросы. Но чтобы не просто поверить, а понять смысл их ответов, надо разобраться, какими способами можно записать любое число.

Тем, кто не знаком с современной вычислительной техникой, такое занятие может показаться странным. Действительно, ведь хорошо известно, что любое число может быть записано с помощью десяти различных цифр — 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Этими цифрами и составленными из них числами мы пользуемся в повседневной жизни. С них начинаются первые уроки в школе, с ними мы сталкиваемся дома, на работе, на улице. Нам известны правила, по которым их можно складывать и вычитать, умножать, делить. Мы легко оперируем всеми 10 символами, которыми обозначены 10 цифр, и наша десятичная система счисления кажется нам очень простой и удобной.

Однако существуют и другие способы представления чисел, другие системы счисления. Так, например, любое целое число можно записать с помощью одного-единственного знака — 1 (единицы). Для этого символ единицы надо повторить столько раз, сколько в этом числе содержится единиц. Сложение при этом сводится к простому приписыванию единиц, а вычитание — к их вычеркиванию.

Идея, лежащая в основе такой системы «зарубок», крайне проста. Однако для записи больших чисел она слишком громоздка. Поэтому пользовались этой системой только народы, счет которых простирался не дальше одного-двух десятков.

Но вот появились автоматы, и конструкторы этих автоматов вспомнили, что число можно записать набором совершенно одинаковых сигналов. Их очень легко воспроизвести, и их легко «поймет» автомат. Такой способ записи программы работы в виде цепочки одинаковых символов назвали унитарным кодом, и теперь его широко применяют в автоматах.

Можно представить себе систему счисления, прямо противоположную системе зарубок, а именно такую, в которой каждому числу соответствует новый символ. При этом числа 10, 11, 12 и другие должны изображаться различными неповторяющимися значками. В такой системе для представления любого числа потребовался бы всего один значок, один символ, зато общее число этих символов было бы бесконечно велико.

Итак, пользуясь системой зарубок, надо помнить и понимать лишь один символ (это удобно и человеку и автомату!), но для записи большого числа требуется много места (всегда неудобно человеку и часто неудобно автомату!).

Пользуясь системой значков, можно любое число записать одним символом (превосходно с точки зрения человека и автомата), но при этом требуется помнить и понимать бесчисленное множество различных символов (абсолютно неприемлемо со всех точек зрения).

Между системами зарубок и символов, как между двумя противоположными полюсами, заключены все возможные системы счисления, включая нашу десятичную. Отличаются они одна от другой количеством основных значков, с помощью которых можно построить любое число.

Можно ли заставить автомат «помнить» и «понимать» нашу обычную десятичную систему счисления?

Конечно, можно. Для этого, например, можно условиться единицу представлять в виде круглого отверстия, двойку — треугольником, тройку — квадратом и т. д. Можно придумать бесчисленное множество других символов для обозначения десяти различных цифр и различных кодов для записи десятичных чисел. Можно, наконец, заставить автомат «понимать» цифры в их обычном начертании. Однако во всех случаях попытки заставить автомат работать в коде, привычном для человека, приводят к усложнению конструкции, к усложнению действий, сопровождающих процессы переработки чисел.

Какой язык наиболее удобен автомату?

Очевидно, такой, который по числу основных символов легче других поддается физической реализации наиболее простыми механизмами и устройствами.

Самой простой, как уже говорилось, является система зарубок. Однако известен и существенный недостаток этой системы — ее громоздкость. В азбуке Морзе используется три вида сигналов — точка, тире и пауза. Когда текст передается вручную, такой троичный код очень удобен. Операторов, работающих на двух концах линии, нетрудно научить воспроизводить сигналы различной длительности и различать их.

Научить работать в троичном коде автомат оказалось значительно сложнее. Тут явное преимущество имеет более простая двоичная система счисления. Ведь если любую букву или цифру можно записать в виде всего лишь двух символов, то, значит, любой текст, любую программу действия можно представить:

— комбинацией поворотов стрелки вправо и влево, как сделали Вебер и Гаусс;

— в виде пробитых и непробитых участков на бумажной ленте;

— в виде белых и черных черточек на киноленте;

— в виде намагниченных и ненамагниченных участков на магнитной ленте;

— при помощи реле, замыкающих и размыкающих электрические цепи;

— и любых других устройств или механизмов, имеющих два различных состояния.

Вряд ли Бодо, разрабатывая телеграфный аппарат, сознательно анализировал возможности использования той или иной системы счисления в своем автомате. Скорее всего он и не подозревал, что существуют другие системы счисления, кроме той, которой его учили в школе. Он решал техническую задачу и из множества решений интуитивно нашел одно самое простое и удобное для практической реализации, применив двоичный код.

Что есть система?

Я ношу обувь 42-го размера. У других авторов и читателей размер ноги может быть другим. Соответственно они носят обувь меньшего (41-го, 40-го) или большего (43-го, 44-го) размера. Нумерация размеров обуви имеет строгий и понятный порядок, пронизанный общей идеей.

Словом, это образцовый пример системы, хорошо нам понятной, даже если мы не знаем, откуда взялись и что означают таинственные числа 40, 41, 42 и т. д.

Система противостоит хаосу, за примером которого, по мнению автора, тоже далеко идти не надо.

Одному из моих ближайших родственников в возрасте четырех лет понадобилось кое-что из детского гардероба. Я направился в «Детский мир».

Мне поручили приобрести вельветовый костюмчик 28-го размера. В продаже его не было; продавец предложил мне взамен трикотажный костюмчик, причем предупредил, что в моем случае следует почему-то брать 32-й размер, добавив, что, например, пижама для того же ребенка уже нужна 26-го размера. Я не стал спрашивать почему и пошел дальше. Через час у меня был список, согласно которому все для того же малыша полагались: ботиночки — 26-го размера, к ним калоши — 7-го размера, сандалии — 25-го размера, валенки — 18-го размера, к ним калоши — 9-го размера, чулки — 16-го размера, шапка меховая — 53-го размера…

Широким опросом я обнаружил, что никто не может установить взаимосвязь этих чисел и руководящий принцип, которому они подчинены. По моему глубокому убеждению, они не образуют систему! Они — хаос!

Само собой разумеется, что в качестве системы счисления нельзя использовать хаотический набор цифр и чисел, подобный тому, о котором сейчас шла речь. Система начинается тогда, когда они подчинены определенному порядку перехода от одного числа к другому, определенным законам действия над ними.

Так, мы знаем, что в десятичной системе за числом 9 следует число 10, за 499 следует 500, а за 7855 — 7856. Такой переход от числа к числу мы обычно совершаем не задумываясь. Однако сознательно или бессознательно мы при этом всегда руководствуемся следующими правилами:

1. Заменить последнюю цифру числа следующей цифрой, имеющейся в этой системе (например, в числе 7855 заменить последнюю 5 на 6).

2. Если последняя цифра числа является наибольшей в этой системе, то ее следует заменить на наименьшую, а затем сдвинуться на одну колонку влево и заменить стоящую здесь цифру на старшую.

3. Если в этой колонке стоит наибольшая цифра системы, то надо повторять действие, предусмотренное предыдущим правилом, до тех пор, пока не встретится колонка, допускающая замену стоящей в ней цифры на старшую.

Попробуем, например, применить эти правила для перехода от числа 499 к следующему числу. Последняя цифра этого числа 9 является наибольшей цифрой в десятичной системе счисления, и согласно правилу 2 ее следует заменить на нуль. Сдвинувшись затем на одну колонку влево, видим, что и здесь стоит цифра 9. Согласно правилу 3 ее также заменяем на нуль, а затем, передвинувшись в следующую колонку, заменяем 4 на 5. В результате от числа 499 мы перейдем к числу 500.

Вот теперь, располагая методом, позволяющим переходить от одного числа к другому, мы можем утверждать, что ведем счет чисел по определенной системе; в нашем случае по десятичной.

Согласно этой системе сначала накапливаются единицы вплоть до 9. Следующее число 10 образуется двумя цифрами, ранее использованными для счета единиц. Цифра 1, записанная во второй колонке слева, или, как говорят, во втором разряде, означает, что счет теперь ведется десятками. Переход в третий разряд соответствует счету сотен и т. д. Число 499 фактически представляет собой 4 · 10^2 + 9 · 10^1 + 9 · 10^0 = 499.

Число 7856 в действительности есть 7 · 10^3 + 8 · 10^2 + 5 · 10^1 + 6 · 10^0 = 7856.

А число 4,99 равно 4 · 10^0 + 9 · 10–1 + 9 · 10–2 = 4,99.

Таким образом, в десятичной системе счисления каждое число представляет собой сумму различных степеней числа 10, то есть числа, равного количеству различных символов этой системы.

Само собой разумеется, что не только десятичная, но и любая другая система счисления подчинена определенным правилам. Попытаемся изобрести еще одну систему (кстати, она уже давно служит людям). Для этого припишем отверстию в перфоленте или импульсу тока символ единицы; отсутствию отверстия или паузе — символ нуля. Теперь мы располагаем двумя символами 1 и 0. Оказывается, они могут составить основу новой системы счисления, которая будет называться двоичной. В ней любые числа записываются в виде той или иной комбинации всего лишь двух цифр — нуля и единицы. Однако правила перехода от одного числа к следующему в двоичной системе точно такие же, что и в десятичной.

Первые две цифры 0 и 1 в обеих системах одинаковы, однако уже для числа 2 в двоичной системе отдельного символа нет. Эквивалентная ему цифра образуется использованием уже имеющихся двух цифр и записывается так: 10. Чтобы избежать путаницы, будем число 2 читать: один-ноль.

Следующее число получим, пользуясь приведенными выше правилами. Согласно первому из них оно запишется как 11.

Для записи следующего числа нам придется применить правило 3 и использовать запись уже в трех разрядах: получим — 100. Следующими числами в двоичной системе будут 101, 110, 111; затем будут следовать четырехразрядные числа 1000, 1001, 1010 и т. д. В таблице приведены эти числа вместе с соответствующими им десятичными числами.

Десятичные числа в двоичной системе

Десятичные / Двоичные

0 / 0

1 / 1

2 / 10

3 / 11

4 / 100

5 / 101

6 / 110

7 / 111

8 / 1000

9 / 1001

10 / 1010

11 / 1011

12 / 1100

13 / 1101

14 / 1110

15 / 1111

16 / 10000

17 / 10001

18 / 10010

19 / 10011

20 / 10100

Как в десятичной системе любое число представляет собой сумму различных степеней числа 10, так в двоичной системе любое число представляет собой сумму различных степеней числа 2.

Таким образом, десятичное число, эквивалентное числу 1101, записанному в двоичной системе, будет равно:

1101 = 1 · 2^3 + 1 · 2^2 + 0 · 2^1 + 1 · 2^0 = 1 · 8 + 1 · 4 + 0 · 2 + 1 · 1=8 + 4 + 1 = 13.

Ниже приведены числа, представляющие различные степени двойки; с их помощью легко отыскиваются десятичные эквиваленты двоичных чисел:

2^0 = 1

2^1 = 2

2^2 = 4

2^3 = 8

2^4 = 16

2^5 = 32

2^6 = 64

2^7 = 128

2^8 = 256

2^9 = 512

2^10 = 1024

2^11 = 2048

2^12 = 4096

2^13 = 8192

Но, конечно, чтобы перейти от двоичного числа к десятичному, совершенно не обязательно пользоваться таблицами. Для этой цели можно, например, воспользоваться способом, основанным на применении двух следующих правил, относящихся ко всем разрядам двоичного числа.

Начиная со старшего разряда следует поступать так:

1. Если в следующем разряде стоит нуль, удвойте то, что вы накопили.

2. Если в следующем разряде стоит единица, удвойте то, что вы накопили, и прибавьте еще единицу.

Давайте для примера найдем десятичный эквивалент двоичного числа 1101, строго выполняя указанные правила.

Начнем со старшего разряда. Удвоим единицу и согласно правилу 2 прибавим еще единицу. В результате получим 3. Затем переходим к следующему разряду. Теперь согласно правилу 1 получим 6. А затем удваиваем это число и прибавляем еще единицу. Как и следовало ожидать, получим число 13.

Так же несложно совершается переход от записи чисел в десятичной системе к записи их в двоичной системе. Для этого десятичное число следует разделить на два, частное вновь разделить на два и продолжить деление до тех пор, пока частное будет равно единице. Эта единица и остатки всех предыдущих делений образуют двоичное число, эквивалентное исходному десятичному. Запишем в качестве примера число 19 в двоичной системе. Для этого составим таблицу последовательных делений.

Выписав последнее частное и все остатки начиная снизу, найдем, что в двоичной системе 19 запишется так: 10011.

Вы, наверно, уже обратили внимание на то, что любое двоичное число, кроме нуля и единицы, требует при своей записи большего количества разрядов, чем эквивалентное ему десятичное число. Однако этот недостаток двоичной системы с избытком перекрывается простотой способов автоматической записи, чтения и передачи двоичных чисел, а также простотой автоматизации арифметических операций над ними.

При сложении десятичных чисел следует помнить, что 9 плюс 8 равно 17, 5 плюс 6 равно 11 и т. д. и т. д. а при их умножении следует помнить большую таблицу умножения. При сложении двоичных чисел достаточно запомнить три следующих простейших правила:

1) 0 плюс 0 равно 0.

2) 0 плюс 1 равно 1.

3) 1 плюс 1 равно 0 с прибавлением 1 в старшем разряде.

Пользуясь этими тремя правилами, можно производить сложение любых двоичных чисел. Сложим, например, два двоичных числа 10 и 11, которым в десятичной системе соответствуют числа 2 и 3:

Десятичный эквивалент этого числа равен:

101 = 1 · 2^2 + 0 · 2^1 + 1 · 2^0 = 5.

Что и следовало ожидать.

Таким же простейшим правилам подчиняются в двоичной системе и другие арифметические действия над числами.

И наконец, обратите внимание на то, как удобен двоичный код для подсчета количества информации, содержащейся в сообщении. Если каждый сигнал может принимать одно из двух состояний (например, ток или пауза) и если оба эти состояния одинаково вероятны, то, значит, каждый сигнал, отвечая на один двоичный вопрос (есть ли ток?), несет один бит информации.

Двоичный язык стал самым распространенным в мире автоматов, передающих и перерабатывающих информацию. Но, пожалуй, самое удивительное — это то, что такой язык не нов, что он давным-давно используется в живых организмах.

Чуть-чуть про мозг

Нервная сеть человека, пронизывающая все его тело, образует сложнейшую систему связи, располагающую приемниками и передатчиками информации, магистральными линиями, связывающими отдаленные точки тела, диспетчерским пунктом, центральным узлом управления.

Эта система десятки лет быстро и надежно передает и обрабатывает информацию, вырабатывает сложнейшие программы и управляет бесконечным множеством движений, которые производит человек. Многое из того, что связано с действием этой системы связи и управления, до сих пор остается тайной. Более того, пока еще остаются тайной не только как действует нервная система, но даже и подробности ее устройства.

Вы, наверное, пробовали заглядывать внутрь телевизора, туда, где расположены все его коммуникации. Сотни проводов и проволочек в самых различных сочетаниях и переплетениях соединяют десятки электронных ламп и сотни других элементов, образуя сложнейшую «перепутаницу», в которой неопытный взгляд не может обнаружить никакой закономерности, никакого смысла.

А теперь представьте себе, что размеры ящика, в котором помещается прибор, в десятки раз уменьшены, число его элементов вместо нескольких сотен штук достигает десятков миллиардов, количество проводов, проволочек и паек исчисляется тысячами миллиардов; причем все они окрашены в одинаковый цвет и разглядеть их можно только через микроскоп. Добавьте к этому, что никто вам не может точно сказать, с чем вы имеете дело: с телевизором, с вычислительным автоматом, с генератором идей и изобретений или с прибором для сочинения стихов или заявлений.

Учтите также, что ни в одной книжке (даже из числа тех, в которых как дважды два — четыре ясно доказано, что машина «умнее» человека!) вы не найдете самого слабого намека на монтажную схему этого устройства (не говоря уже о том, что ни один владелец его, как бы хорошо он к вам ни относился, ни за что не позволит вам его вскрыть из чистого любопытства).

Вот те трудности, которые возникают перед учеными, изучающими мозг человека, его нервную систему.

Основным элементом — микроскопическим кирпичиком, из которых построена эта система, — служит нервная клетка — нейрон.

Нейрон состоит из так называемого тела, многочисленных коротких отростков — дендритов и одного отростка — аксона, зачастую очень длинного по сравнению с размером тела клетки.

Размеры нервных клеток не поддаются никакой стандартизации, они колеблются в широких пределах: от микрона до сотен микрон. В этих же пределах варьируются диаметры отростков — дендритов и аксона. Только длина аксона значительно отличается от этих микроскопических размеров.

Так, микроскопические нервные клетки, управляющие мышцами, сгибающими и разгибающими палец руки, располагаются в спинном мозгу, а аксоны этих клеток тянутся вдоль руки, достигая более чем полуметровой длины.

Центральная нервная система состоит из головного мозга и спинного мозга. Считают, что в центральной нервной системе сосредоточены десятки миллиардов нервных клеток. Мозг состоит из серого и белого вещества. Серое вещество — скопление главным образом тел нервных клеток, белое вещество — скопление отростков. В головном мозгу серое вещество образует наружные, периферийные области — кору, а белое сосредоточено в подкорковых слоях. В спинном мозгу, наоборот, серое вещество расположено в центральной части, белое — по периферии. При таком расположении тел и отростков нервных клеток головного и спинного мозга достигается минимальная длина внутренних и внешних его коммуникаций. А сложность этих коммуникаций чрезвычайна.

Небольшая часть нейронов несет в мозг информацию, полученную с периферии. Другая их часть выводит из мозга сигналы, направляющиеся на периферию — к мышцам. Подавляющее же большинство нейронов, сосредоточенных в центральной нервной системе, не имеет отростков за ее пределами. В их функции входит обеспечение внутренних связей между различными группами нейронов.

Миллиарды клеток образуют единую систему связи и управления, в глубинах ее протекают таинственные процессы мышления, в секреты которого только еще начинает проникать человек. А внешними проявлениями этих процессов, их результатами являются действия человека. И если пока еще очень мало известно о том, как мозг вырабатывает программы действий, то более или менее хорошо изучены процессы, сопутствующие их выполнению.

Изучены устройство и действие тех живых приборов — рецепторов, с помощью которых мы видим и слышим, осязаем и обоняем, чувствуем температуру, различием вкус и сохраняем положение равновесия, когда стоим. Одним словом, изучены механизмы, с помощью которых человек воспринимает ощущения, приходящие к нему из окружающего его внешнего мира.

Каждый из рецепторов получает информацию в форме микроскопических порций энергии определенного вида. Точнее говоря, не получает, а отфильтровывает и пропускает порции энергии, характеризующие те или иные изменения внешней среды.

Нельзя заставить загореться электрическую лампочку, стуча по ней молотком, как нельзя забить гвоздь в доску, прикладывая к нему электрическое напряжение. Глаз человека подвергается воздействию света, звука и запаха, а реагирует только на свет.

И еще один факт, касающийся деятельности нервной системы, хорошо известен и изучен, а именно: информация, собранная органами чувств человека, передается в центральную нервную систему в форме электрических сигналов, и в такой же форме мозг осуществляет управление всеми мышцами тела, всеми его движениями.

Отростки нервной клетки обладают свойством проводить электричество, а главный отросток — аксон — даже внешним видом напоминает электрический провод, хотя он «изготовлен» из такого, казалось бы, мало подходящего для этих целей материала, как растворы солей.

За пределами центральной нервной системы аксоны покрыты специальной жировой оболочкой и собраны в пучки, которые называют нервами. Таким образом, каждый нерв состоит из большого числа отдельных проводов и этим сильно напоминает телеграфный кабель.

Живой телеграф

Помните опыты с лягушечьей лапкой, которые проводил Луиджи Гальвани и которые вызвали ожесточенные споры его с Алессандро Вольта? Шестьдесят лет спустя после этих опытов, то есть в середине прошлого столетия, было доказано, что живые нервные и мышечные клетки обладают электрическим зарядом и могут генерировать электрический ток. Развилась целая отрасль биофизики — электрофизиология, изучающая биоэлектрические процессы, протекающие в живых тканях.

В более поздних опытах ученым удалось выделить единичное нервное волокно и во всех подробностях изучить его свойства как проводника биоэлектричества.

Оказалось, что если приложить к подводящим электродам короткий электрический импульс, то измерительный прибор ничего не покажет до тех пор, пока величина импульса не достигнет определенного — «порогового» — значения. Когда «порог» будет превзойден, вдоль по нерву пробежит электрический сигнал длительностью в несколько тысячных долей секунды. Скорость движения этого сигнала зависит от толщины волокна и может достигать 100–150 метров в секунду.

При дальнейшем увеличении возбуждения размер и форма биоэлектрического сигнала не меняются. Нервное волокно проводит сигнал по принципу «все или ничего».

Если к подводящим электродам последовательно прикладывать ряд импульсов, то нервное волокно будет их проводить в форме одинаковых сигналов при условии, что время между подачей очередных импульсов не будет меньше одной-двух тысячных долей секунды. Если попытаться уменьшить интервал между импульсами, то на второй импульс реакции не будет: нервному волокну нужно некоторое время, в течение которого оно восстановит свои проводящие свойства.

Итак, точно установлено, что передача информации по нервной сети осуществляется стандартными однотипными сигналами. Единичное волокно может проводить по 300 сигналов в секунду; если секундный промежуток разделить на 300 интервалов, то в пределах каждого интервала возможны два состояния: «есть сигнал», «нет сигнала». Можно сказать, что по нервному волокну информация передается в двоичном коде, а максимальную пропускную, способность нервного волокна можно оценить величиной в 300 бит.

Почему природа избрала такой элементарный «невыразительный» способ передачи информации в форме стандартных электрических импульсов? Почему бы ей, например, не использовать телефонный способ передачи информации, такой богатый интонациями, способный сохранить чувственную окраску сообщения, выразительные повышения и понижения тона, многозначительные паузы?

Говоря словами радиотехники, почему природа использовала частотную, а не амплитудную модуляцию сигнала?

Нервное волокно, как это ни странно, очень плохо проводит электричество. Его сопротивление току достигает 25 мегом на 1 миллиметр. Обычный телеграфный провод имеет такое сопротивление на длине достаточной, чтобы пересечь целый континент. Естественно, при таком большом омическом сопротивлении сигнал, бегущий по нерву, очень быстро ослабляется.

Как долго бился Морзе, пытаясь увеличить дальность передачи телеграфных сигналов! Он нашел решение этой задачи, придумав специальное устройство — реле, способное усилить простой сигнал — посылку тока. Ни он и никто из его современников не знали, что это изобретение было оригинально лишь с точки зрения конструктивного выполнения, а что касается идеи реле, то она, как и двоичный код, была использована природой миллионы лет назад, на ранних стадиях развития животных.

Оболочки аксонов — нервных волокон — содержат на каждом миллиметре своей длины особые сужения — их называют перехватами Ранвье, по имени французского биолога Луи Ранвье, который еще в 1878 году впервые их описал, конечно не зная, какой цели они служат. Каждый из этих перехватов представляет собой нечто вроде биологического реле. Вдоль волокна, идущего от спинного мозга к пальцу руки, располагается до 800 таких релейных станций. Каждая из них усиливает биоэлектрические сигналы, ослабляемые большим сопротивлением биоэлектрического проводника.

При такой конструкции полностью исключается возможность передачи информации методом амплитудной модуляции. Действительно, представьте себе, что каждая релейная станция восстанавливает сигнал не абсолютно точно, а, скажем, даже на 99 процентов. Тогда, пройдя 800 реле, сигнал уменьшится до (0,99)800 = 1/3000 своей первоначальной величины. Если при восстановлении он будет не уменьшаться, а увеличиваться каждый раз на 1 процент, то в результате он в 3000 раз превзойдет начальную величину. Самые малые погрешности в работе такой системы неизбежно приведут к существенным искажениям величины и формы сигнала: интонации потеряют свою первоначальную окраску и выразительность, собеседники перестанут понимать друг друга, мышцы перестанут подчиняться мозгу.

В этих условиях естественным выходом является применение дискретного кода «все или ничего» — есть посылка тока или нет ее. Величина и форма импульса не должны иметь значения. Природа нашла этот выход и сконструировала систему передачи информации, использующую двоичный код и релейные усилители.

А «сухую» ограниченность и «невыразительность» этого кода она компенсировала гигантским количеством клеток и каналов, в которых производится переработка и по которым передается информация. Один нерв может содержать тысячи отдельных волокон, способных пропустить миллионы бит информации в секунду. Очевидно, движение информации в живом организме лимитируется не линиями передачи, а ограниченными возможностями ее переработки центральной нервной системой.

Однако механизм и техника этой переработки пока тайна!

Как видите, способы передачи информации и командных сигналов в живом организме очень похожи на те, что используются во многих современных автоматах. Подумайте, пожалуйста, может быть, эта аналогия натолкнет вас на мысль использовать ее для создания новой системы, нового устройства, нового прибора. Тогда эта мысль станет источником изобретения, а может быть, ряда изобретений. Подумайте сами, если у вас есть время. Поближе к концу книги мы вернемся к этой аналогии и подумаем вместе.

И последнее, о чем хотелось бы сказать в этой главе. Если вспомнить, как действует мышца, то каждый, кто сохранил способность удивляться, будет неизбежно поражен тем, как точно согласованы свойства живых двигателей со свойствами системы, предназначенной для управления ими. Мышца, можно сказать, специально спроектирована для того, чтобы наилучшим образом «понимать» и реализовывать дискретный код, в котором работает нервная система. Благодаря этому «сухой» и «невыразительный» код способен передать в движениях самые тонкие и сложные действия, мысли, чувства и переживания.

Как видите, человек уже довольно далеко продвинулся в направлении познания самого себя, но головокружению от успехов пока еще нет места. Знание того, что фразу:

Мой дядя самых честных правил,

Когда не в шутку занемог… —

можно записать в двоичном коде и передать по нервной сети к мышцам руки, управляющей движением гусиного пера, еще не очень приблизило нас к пониманию того, как Пушкин написал «Евгения Онегина».

Руки машины

Все делают механизмы

Возьмите узкую планку длиной в несколько сантиметров. Сделайте в ней отверстия по концам: в одно отверстие вставьте булавку и воткните ее в бумагу, в другое вставьте карандаш и начните его двигать. Можете эти действия выполнить мысленно. Пожалуй, так будет даже лучше. Вы всегда сумеете себе представить, что у вас получилась хорошая (совсем круглая!) окружность. Вы можете остановить карандаш в любой точке, но эта точка всегда будет принадлежать окружности. У карандаша есть всего одна возможность, одна степень подвижности — движение по окружности.

Теперь немного усложним этот самодельный циркуль. Присоединим к нему еще одну планку так, чтобы она легко поворачивалась относительно первой. А отверстие для карандаша сделаем во второй планке. Попробуйте сообразить, какую теперь кривую можно вычертить карандашом, не ломая нашу конструкцию? Да, конечно, вы совершенно правы! Сейчас карандашом можно вычертить сотни, тысячи, миллионы самых различных линий. Нужно только, чтобы все они укладывались в пределах кольцевой площади, ограниченной двумя окружностями. Если вы попытаетесь выехать за ее пределы, то сломаете карандаш или наш механизм. Внутри кольцевой площади можно чертить самые замысловатые фигуры, писать цифры и буквы, рисовать шаржи на знакомых.

Обычному циркулю мы добавили только одну планку, карандашу еще одну степень подвижности — и как удивительно обогатились движения, которые он может выполнять!

Обнаружив это любопытное обстоятельство, мы, казалось бы, не получили пока никакого полезного результата — ведь механизм, присоединенный к карандашу, никак не влияет на движение последнего.

Однако если мы хотим механизировать движение карандаша, заставить его двигаться, не дотрагиваясь до него рукой, наш механизм может оказаться чрезвычайно полезным. Обратите внимание на то, как он «следит» за всеми движениями карандаша. Его звенья сходятся и расходятся, движутся вместе и порознь, то плавно, то резко, по часовой стрелке и против нее.

Каждому рисунку карандаша соответствует строго определенная единственная программа движения звеньев механизма. Значит, заставляя их двигаться в соответствии с той или иной программой, можно, не дотрагиваясь до карандаша, вычертить им любую линию; теперь уже карандаш будет «следить» за движением механизма.

Вряд ли кому-нибудь понравится писать или рисовать таким странным способом. Странным прежде всего потому, что при этом понадобятся сразу обе руки, чтобы управлять движениями обоих звеньев. Но попробуем один раз испытать этот способ; причем будем двигать звенья механизма так, чтобы карандаш вычертил точную окружность. А затем дополним нашу конструкцию еще одним звеном, представляющим как бы радиус нарисованной окружности.

Теперь если поворачивать только одно — например, первое — звено, то оба других звена будут двигаться вполне определенным образом. В этом можно убедиться, просверлив в них ряд отверстий и вставляя по очереди в каждое из отверстий карандаш. Он будет рисовать одну за другой разные кривые, но каждая из кривых будет обязательно повторяться после полного оборота ведущего звена. Этот механизм, так же как и наш первый самый простой циркуль, обладает только одной степенью подвижности. Но если любая точка циркуля движется по окружности и только по окружности, то в нашем шарнирном механизме различные точки его среднего звена будут двигаться самым причудливым образом.

Мы пишем и рисуем, держа карандаш в руке. Рука — механизм, пользуясь которым можно воспроизвести в плоскости и в пространстве самую сложную кривую. Она выполняет все необходимые двигательные функции, держит рабочее орудие, подводит к нему потоки энергии и информации, необходимые для отработки намеченной программы. А кроме того, рука работает не одна, вместе с ней работают мозг человека и его органы чувств.

Каждая рабочая машина — своеобразная рука, но только не такая универсальная. Машина предназначена для выполнения одного или нескольких сходных процессов. Каждый такой процесс требует особой организации потоков энергии и информации, требует выполнения определенных движений. Эти задачи конструктор машины решает с помощью самых различных механизмов.

Источником мощности обычно служит электродвигатель, либо двигатель внутреннего сгорания, или заводная пружина; до этого — паровая машина, опускающийся груз; еще раньше — водяное колесо, энергия животного.

Все же остальное делают механизмы. Они превращают однообразное, равномерное вращение в самые различные движения — быстрые и медленные, прямолинейные и криволинейные; они делят мощность одного двигателя между несколькими орудиями и, наоборот, заставляют работать несколько двигателей на одно орудие.

Наши предки тренируются

Много сотен лет люди строят механизмы. Высокого искусства в этом деле они достигли уже два века тому назад. Часы и механические игрушки — вот две отрасли производства, в которых это искусство тогда нашло наиболее впечатляющее выражение. Именно в те годы и еще много лет спустя весь мир поражался чудесным игрушкам французского механика Жана Вокансона, швейцарского часовщика Пьера Дро, его сына Анри Дро и многих, многих других. Их создания, внешне похожие на животных или на людей, были способны выполнять наборы разнообразных движений, подобных движениям животного или человека, а внешние формы и оболочка игрушки еще более усиливали ее сходство с живым существом. Именно тогда появился термин «автомат», под которым вплоть до начала XX века понимались, как это указывается в старинных энциклопедических словарях, «…такие машины, которые подражают произвольным движениям и действиям одушевленных существ. В частности, называют андроидом машину, производящую движения, похожие на человеческие».

Годами длилась постройка такой игрушки, и даже сейчас не так просто понять, каким образом удавалось их авторам, действуя кустарными приемами, создавать уйму передач, размещать их в малом объеме, увязывать воедино движения многих механизмов, подбирать нужные соотношения их размеров.

Механические самодвижущиеся игрушки выпускались в больших количествах. Зачастую они выполнялись в сочетании с часами, музыкальными шкатулками, табакерками. Строились многофигурные игрушки, разыгрывавшие короткие действия.

При всем этом набор механизмов, которым располагали умельцы, был невелик. Заводные пружины, струны, проволоки, цепочки, рычаги, блоки, зубчатые колеса исчерпывали его почти полностью. И как много удавалось сделать этим скромным набором! Все детали и звенья механизмов были выполнены с ювелирной точностью; они скрывались внутри миниатюрных фигурок, приводя их в движение по довольно сложной программе. Наши предки тренировались изо всех сил, набивая руку на создании все более сложных систем.

Мы не беремся сами судить о том, насколько совершенны и «животноподобны» или «человекоподобны» были движения этих автоматов и андроидов. Мы для этого не располагаем сколько-нибудь точными чертежами или схемами и не встретили ни одной работы, в которой была бы сделана попытка воссоздать сколько-нибудь точно картину их движения.

Поэтому мы просто передадим слово автору статьи «Автомат», опубликованной круглым счетом сто лет назад в энциклопедическом словаре, изданном в Санкт-Петербурге, как тогда назывался Ленинград.

Вот два отрывка из этой статьи с совершенно незначительными изменениями, дающие представление о том, как выглядели эти автоматы и какое впечатление они производили на зрителей, может быть не очень искушенных в механике и тем более в автоматостроении:

«…Гораздо удивительнее были автоматы, устроенные в прошлом веке французским механиком Вокансоном.

Один из его андроидов, известный под именем „флейтиста“, имевший в сидячем положении, вместе со своим пьедесталом, 2 арш. 5½ вершков вышины (то есть около 170 сантиметров) играл 12 разных пьес, производя звуки обыкновенным вдуванием воздуха изо рта в главное отверстие флейты и изменяя ее тоны действием пальцев на прочие отверстия инструмента.

Другой андроид Вокансона играл левой рукой на провансальской свирели, правой рукой играл на бубне и прищелкивал языком по обычаю провансальских свирельщиков. Наконец, бронзированная жестяная утка того же механика — едва ли не самый совершенный из всех поныне известных автоматов — не только подражала с необычайной точностью всем движениям, крику и ухваткам своего оригинала: плавала, ныряла, плескалась в воде и пр., но даже клевала пищу с жадностью живой утки и выполняла до конца (разумеется, при помощи сокрытых внутри нее химических веществ) обычный процесс пищеварения. Все эти автоматы были публично показаны Вокансоном в Париже в 1738 году…»

«…Не менее удивительны были автоматы современников Вокансона швейцарцев Дро. Один из изготовленных ими автоматов, девица-андроид, играл на фортепьяно, другой — в виде 12-летнего мальчика, сидящего на табурете, у пульта, — писал с прописи несколько фраз по-французски, обмакивал перо в чернильницу, стряхивал с него лишние чернила, наблюдал совершенную правильность в размещении строк и слов и вообще выполнял все движения переписчиков…»

«…Лучшим произведением Дро считаются часы, поднесенные Фердинанду VI Испанскому, с которыми соединена была целая группа разных автоматов: сидящая на балконе дама читала книгу, нюхая по временам табак и, видимо, вслушиваясь в музыкальную пьесу, разыгрываемую часами; крошечная канарейка вспархивала и пела; собака охраняла корзину с фруктами и, если кто-нибудь брал один из плодов, лаяла до тех пор, пока взятое не было положено обратно на место…»

Искусство Вокансона, Дро, Кулибина и многих других представляется особенно удивительным, если вспомнить о скромном арсенале механизмов, находившихся тогда в распоряжении инженеров и конструкторов.

Достаточно сказать, что им еще не был известен обычный кривошипно-шатунный механизм.

Преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала паровой машины представлялось чрезвычайно сложной задачей, которая неоднократно обсуждалась в Английском королевском обществе.

Кривошипно-шатунный механизм, изобретенный почти одновременно и независимо друг от друга Мэтью Васбру в 1779 году и Джеймсом Пикаром в 1780 году, считался для этой цели совершенно непригодным, поскольку он, как казалось, не мог обеспечить достаточно равномерного вращения вала. Многие инженеры и ученые тогда считали, что паровые машины должны, как обычно, качать воду с помощью насосов (для этого не надо преобразовывать поступательное движение поршня во вращательное — вала). По предлагаемой ими схеме воду, собранную таким образом в резервуаре, далее следовало использовать для того, чтобы приводить во вращение водяное колесо, от которого равномерное вращательное движение можно передать любой машине. При этом получалось подобие привычной, веками проверенной схемы! И это казалось превосходным!

Вот пример, лишний раз свидетельствующий о силе многолетней привычки, которую не так легко преодолеть, о ее влиянии даже на передовых людей.

Сам Уатт для своих паровых машин изобретал один за другим различные механизмы, конечно, более сложные, чем кривошипно-шатунный, который спустя некоторое время вытеснил все другие.

Итак, с одной стороны паровые машины, с другой — часы и механические игрушки начали настоящую серьезную историю автоматов.

И почти одновременно начала складываться наука о механизмах. В 1829 году Андре Ампер был приглашен в Политехническую школу в Париже для чтения лекций по теоретической и экспериментальной физике. Подготавливая курс, он решил наметить границы этой науки и сформулировать ее разделы. Увлеченный этой задачей, Ампер вышел далеко за ее пределы и разработал классификацию всех наук вообще, конечно, так, как они представлялись этому талантливому ученому, работавшему полтора века назад.

В классификации Ампера уже содержалось определение кинематики как науки, «…рассматривающей движения окружающих нас твердых тел и особенно систем таких тел, которые называют машинами».

Заметим, кстати, что в этой классификации он отвел также место и науке об управлении, назвав ее кибернетикой.

Трудно даже представить себе, как усовершенствовались методы проектирования механизмов за двести лет, прошедших со времени Уатта. Конечно, мы должны хотя бы мимоходом коснуться этих вопросов, рассказав о нескольких автоматах.

Ноги лошади, скачущей галопом

Наверное, можно пересчитать по пальцам тех жителей земного шара, которые за всю свою жизнь не видели хотя бы одной кинокартины. Кинематограф — удивительное изобретение, и о том, как оно началось, существует много интересных историй.

Рассказывают, например, что между губернатором штата Калифорния Леландом Станфордом и его приятелями как-то на скачках разгорелся спор о том, одновременно или неодновременно отрывает от земли все четыре ноги лошадь, скачущая галопом. Спор длился долго и бесплодно, пока губернатору не пришла в голову мысль обратиться к специалистам-фотографам. Дело происходило в 1872 году; фототехника в то время уже находилась на довольно высоком уровне. И один крупный специалист-фотограф — Эдвард Мейбридж взялся решить этот спор. Вдоль беговой дорожки ипподрома он установил 24 фотоаппарата с интервалами по полметра. К спусковым механизмам затворов этих аппаратов он привязал по нитке и протянул эти нитки через беговую дорожку. На противоположной стороне дорожки он установил длинный белый экран, на фоне которого скачущая лошадь была отчетливо видна.

Его исследовательская работа увенчалась полным успехом. Скачущая лошадь, разрывая нити, приводила в действие поочередно все 24 аппарата; в результате получались серии из 24 снимков, показывающих ее положения в различные моменты галопа. Фотограф извел в процессе опытов полмиллиона фотопластинок (так рассказывают!) и убедительно доказал, что лошадь, скачущая галопом, отталкивается от земли всеми четырьмя ногами в один момент.

Мейбридж опубликовал эти снимки в книге «Лошадь в движении», чем сильно оживил интерес к фотографированию движущихся объектов.

Так или иначе фактом является то, что в конце прошлого века изобретение кинематографа было технически подготовлено: это изобретение должно было быть сделано, и оно было сделано. Почти одновременно и с разных концов к этому изобретению шло столько людей, что до сих пор историки техники не могут разобраться не только, кто в конце концов изобрел кинематограф, но даже в какой стране было сделано изобретение. На эту честь претендуют с одинаковым жаром Америка, Англия, Франция и Германия.

Киносъемочная камера — фотографический автомат — позволяет сделать один за другим через одинаковые интервалы времени ряд снимков на светочувствительную пленку. Современные кинокамеры делают 24 снимка в секунду. В момент съемки — этот «момент» может занимать до 1/50 доли секунды — пленка должна оставаться неподвижной, а за оставшееся время механизм автомата должен продвинуть пленку точно на один кадр — на 19 миллиметров — и вновь ее остановить.

Вдоль обоих краев пленки — тонкой и непрочной — сделаны отверстия — перфорации. Их можно использовать для того, чтобы 24 раза в секунду продвигать и останавливать пленку. Механизм, который это делает, составляет сердце кинокамеры, и именно наличие его отличает кинокамеру от обычного фотоаппарата.

Разработаны и применяются десятки самых различных конструкций грейферов — так называют эти механизмы. Одна из них представляет собой простой шарнирный механизм.

Его ведущее звено получает мощность от небольшого электродвигателя или от заводной пружины. При нажатии пусковой кнопки он начинает равномерно вращаться. И с каждым оборотом зуб грейферного механизма входит в перфорацию и продвигает пленку на один шаг.

Казалось бы, все очень просто. Но это только кажется! Грейфер должен разгонять и останавливать пленку очень плавно, без резких рывков, иначе перфорация будет повреждена и пленка выйдет из строя. При этом зуб грейфера не должен двигаться поперек пленки, иначе он будет ее «пилить», и это сократит срок ее службы. Одно за другим предъявляются самые различные требования к механизму, на весь цикл работы которого отпускается всего 1/50 доля секунды.

И то обстоятельство, что существуют десятки самых разнообразных конструкций грейферных механизмов, свидетельствует не о том, что задачу протягивания ленты легко решить десятками различных способов, а как раз об обратном: инженеры и конструкторы десятками различных способов пытаются справиться с теми трудностями, которые возникают при решении технической задачи. В одних случаях они позволяют себе поступиться требованиями в отношении плавности, но зато уменьшить размеры механизма и упростить его схему. А в других — механизм приходится усложнять, чтобы обеспечить самое высокое качество его работы, тогда увеличиваются габариты и стоимость механизма.

Но вот фильм отснят и выходит на экран. Точнее говоря, его выводят на экран. И сделает это тоже автомат — кинопроекционный аппарат, в котором кинолента движется такими же скачками, какими двигалась пленка в кинокамере. 24 раза в секунду вам показывают на экране картинки, на каждой из которых герои фильма искусственно остановлены в последовательных положениях. 24 раза в секунду экран затемняется в то время, когда работает грейферный механизм, передергивая ленту от кадра к кадру.

Человеческий глаз инерционен. Он обладает свойством сохранять некоторое время полученное его сетчаткой зрительное впечатление. Говорят, он обладает «памятью зрения», которая измеряется несколькими сотыми долями секунды. И мы видим на экране вместо тысяч кадров с неподвижными изображениями один кадр, внутри которого совершаются самые сложные действия.

Вспомните, сколько радости и удовольствия доставили вам люди, создавшие кинематограф, создавшие его техническую основу — кинокамеру и киноаппарат, два рядовых автомата, и оцените по достоинству их труд и изобретательность.

У предела точности

Если вы посмотрите сквозь ресницы на горящую электрическую лампочку, находящуюся от глаз на значительном расстоянии, то вам покажется, что она окружена радужными кольцами. Эта картина является следствием дифракции света — явления, возникающего при прохождении света сквозь узкие отверстия или щели и связанного с разложением белого света на составляющие его цвета.

Не будет преувеличением сказать, что разложение света на цвета (получение его спектра) является одним из наиболее мощных средств, которые использует человек для изучения окружающего мира. Наука и техника сегодня уже не могут обойтись без спектрографа — прибора, предназначенного для фотографирования спектров различных излучений. С его помощью астрономы изучают звезды, физики — атомы, химики — молекулы, биологи — живые клетки, металлурги — сплавы.

Наиболее простой способ «рассортировать» цвета того или иного излучения состоит в том, что свет этого излучения пропускают через стеклянную призму. Впервые так сделал около трехсот лет тому назад Ньютон, изучая удивительный эффект разложения обычного белого света на все цвета радуги. Призмы еще до сих пор применяются в спектрографии. Однако сердцем современного мощного спектрографа теперь служит не призма, а дифракционная решетка — величайшее чудо механической точности.

Дифракционная решетка представляет собой серию очень узких параллельных канавок, прорезанных на пластинке, сделанной из специального стекла. Эти канавки так узки и так тесно расположены, что каждую из них трудно разглядеть в подробностях даже в микроскоп. До 2–3 тысяч таких канавок приходится на 1 миллиметр ширины решетки, все они должны иметь одинаковую ширину, глубину и профиль. И что самое главное, они должны быть абсолютно параллельны и находиться на совершенно одинаковых расстояниях одна от другой.

Отклонения от идеального расположения канавок не должны превосходить сотых долей микрона! Здесь нет опечатки. Именно сотых долей микрона!

Как ни поразительны дифракционные решетки, изготавливающие их автоматы — так называемые делительные машины — еще более удивительны.

Строятся они, конечно, несерийно. Во всем мире их сейчас не так уж много. И те, кому нужны точные дифракционные решетки, должны годами ждать выполнения своих заказов.

И при всем том по своей принципиальной схеме делительная машина ненамного сложнее простой мясорубки и, уж безусловно, намного проще пишущей машинки.

Канавку за канавкой прорезает алмазный резец двумя передними кромками. Он укреплен в ползуне, который движется вперед и назад по смазанным направляющим. Ход вперед — прорезана очередная канавка, ход назад — резец поднят, а в это время нижний стол, несущий заготовку, перемещается на один шаг. Следующий ход вперед — прорезана еще одна канавка. Весь процесс, как говорится, проще пареной репы. Машина работает не спеша сутки за сутками, без остановки; и когда она в течение нескольких суток наездит таким образом туда и сюда несколько километров, должна получиться дифракционная решетка чуть шире нашей ладони с канавками длиной с указательный палец.

Должна получиться! Но никто не знает, будет ли она удовлетворять тем фантастическим требованиям, которые к ней предъявляются. Не знают этого даже те, кто проводит около нее день за днем десятки лет и, уж конечно, хорошо изучил ее привычки, характер, норов. Почему? А вот почему.

К сотням, тысячам машин предъявляется требование — точность, точность и еще раз точность!

В делительной машине, как лучи света в увеличительном стекле, сконцентрированы и десятикратно увеличены те трудности, с которыми сопряжены попытки человека повысить точность любой машины.

Делительные машины работают на границе точности, на той границе, где начинает сказываться «жизнь» безжизненного металла, из которого сделаны их части.

Металл тверд, но не абсолютно! Небольшие усилия, которые нужно приложить, чтобы, повернув винт, передвинуть нижний стол машины, заставляют винт сжиматься. Конечно, на совершенно ничтожную величину — на десятые доли микрона. Но ведь это уже в 10 раз больше допустимой величины ошибки изготовления решетки! Упругие же деформации других деталей, изменения толщины смазочного слоя между винтом подачи и гайкой увеличивают неопределенность положения алмазного резца еще в несколько раз.

При таких сверхточностях начинает казаться, что детали машины изготовлены не из твердейшей стали, а из резины. С допуском в сотые доли микрона автомат должен перемещать пластинку из одного положения в другое и выдерживать эту точность на протяжении всего пути движения резца. А деформации, происходящие в процессе нормальной работы автомата, превосходят величину допуска в десятки раз. Так может ли вообще хоть сколько-нибудь удовлетворительно работать такой автомат? Оказывается, может! Надо только добиться, чтобы его детали и звенья при каждом ходе нагружались по возможности одинаковыми силами. Тогда они каждый раз будут деформировать механизм на одинаковую величину, и деформации не очень сильно скажутся на точности работы автомата.

Основными силами, нагружающими звенья механизма делительной машины, являются силы трения между винтом и гайкой, а также на направляющих нижнего стола.

Сложнейший физический процесс протекает в зазорах ничтожной величины между винтом подачи и гайкой, между столом делительной машины и его направляющими. В результате этого процесса сила трения не остается постоянной. И сколько уменья и искусства надо, чтобы эти изменения не выходили за допустимые пределы, составляющие всего лишь 0,5 процента максимальной величины!

Но трение не единственное зло, угрожающее точности действия машины. В процессе изготовления только одной решетки несущий ее стол сотни тысяч раз проводит по направляющим. Они изнашиваются — теряется точность.

Металл стареет. В результате с течением времени изготовленные из него детали в ничтожных пределах меняют размеры. Для многих машин это не имеет значения. Для делительных — гибельно.

Любую машину следует предохранять от действия пыли. Это знает каждый конструктор и принимает необходимые меры. Делительной машине пыль угрожает катастрофой. Одна пылинка, попавшая между гайкой и винтом или резцом и заготовкой, может привести к браку.

А вибрации! Ветер раскачивает деревья, растущие у здания, в котором установлена делительная машина; их колебания могут отразиться на движении алмазного резца.

Ничтожные колебания температуры вызывают еще более ничтожные изменения размеров металлических деталей. Однако для делительной машины нет ничтожных размеров и величин; и мизерные колебания температуры могут вывести ее из строя.

Много лет с созданием этих машин был тесно связан американский физик Альберт Майкельсон, автор целой серии исследований и опытов по определению скорости света. Свои впечатления о результатах работы машины он изложил в следующих словах: «Когда кажется, что ничего не получится, решетка получается великолепной. Мы празднуем это событие, думая, что проблема решена, а при следующей попытке терпим горькую неудачу. Поневоле приходишь к мысли, что машина имеет женский характер. С ней нужно шутить, ее нужно задабривать, уговаривать, обманывать, а иногда ей нужно угрожать.»

Казалось бы, непреодолимые препятствия вставали на пути создания подобных уникумов, но что может остановить человека, когда он берется за дело?

В глубоком подвале, на специальном фундаменте, за стеклянной стеной установлена делительная машина. Она работает, но алмазный резец поднят. Так она работает час за часом, пока не «прогреется» до своей обычной рабочей температуры, а потом она вхолостую работает еще добрый десяток часов для того, чтобы стабилизировалась смазочная пленка на подвижных частях машины. Только после этого опускается алмаз и начинается процесс изготовления решетки. И там, где стоит машина, нет ни одной пылинки, нет колебания температуры, которая поддерживается постоянной с точностью до сотых долей градуса.

Сутки за сутками работает самый точный автомат. Вместе с ним работают заложенные в него труд и мысль человека, сохраняющиеся в машинах так же, как они сохраняются в книге, картине, симфонии.

Многими «чудесами техники» восхищается и пользуется весь мир — автомобилем, самолетом, телевизором. Наряду с ними человеком созданы «чудеса техники», о которых знают немногие, но без которых сейчас уже немыслима жизнь техники. Делительная машина одно из таких чудес. А в ее основе лежит совсем простой механизм.

Живой механизм

Одна из самых больших машин современной техники — шагающий экскаватор.

У этой машины нет привычных для нас колес или гусениц. И когда ей нужно передвинуться с места на место, она «шагает». Этот несколько необычный для машин способ передвижения породил ее название — шагающий экскаватор. А одна из конструкций механизмов шагания представляет собой шарнирный механизм.

Механизм шагания экскаватора, пожалуй, самый большой из семейства шарнирных механизмов. А на противоположном полюсе действуют его микроскопические собратья — механизмы приборов и часов, машин и автоматов, изготавливающие микроскопические детали этих микроскопических механизмов. Рядом с шарнирными и вперемежку с ними в самых замысловатых сочетаниях и соединениях трудятся зубчатые и кулачковые механизмы. Через них текут потоки мощности в тысячи киловатт и в тысячные доли ватта, а также потоки информации, определяющей закономерности их движения.

…Нудно ползет часовая стрелка, совершая оборот за 12 часов. Минутной стрелке для этого нужен один час. Секундной — минута.

Первые паровые машины делали один оборот за несколько секунд; колесо автомобиля, движущегося со скоростью около 100 километров в час, делает 12 оборотов в секунду; вал автомобильного двигателя — 100 оборотов в секунду; турбина реактивного двигателя — 200 оборотов… Может быть, вам кажется, что ничего не стоит заставить деталь машины вращаться с какой угодно скоростью?

И сколько, по вашему мнению, составляет эта «какая угодно» скорость? 500 оборотов в секунду? 1000? 10 000? 100 000?

История того, как инженеры и изобретатели «добывали» все бóльшие и бóльшие обороты, история автоматов — рекордсменов высоких оборотов началась вместе с изобретением колеса. Она очень обострилась после того, как Лаваль придумал паровую турбину, для которой высокие обороты были вопросом «жизни или смерти». К концу прошлого века небольшие по размерам турбины Лаваля совершали свыше 700 оборотов в секунду! Около 50 000 оборотов в минуту!

Вам кажется, что на этом можно было бы остановиться? В конце прошлого века — может быть, да! Но с тех пор наука и техника ушли вперед и им нужны еще большие обороты для самых различных целей.

Несколько лет назад появились сообщения об уникальной центрифуге, ротор которой развивает предельно (!) большие обороты.

Может быть, термин «ротор» не очень подходит для детали диаметром в десятые доли миллиметра или для маленького шарика, которые приводятся во вращение этой машиной. Но скорость вращения у них поистине удивительная. Полтора миллиона оборотов в секунду! Окружная скорость этих микророторов достигает 4000 километров в час.

Это предельная скорость для деталей, изготовленных из самых высококачественных сплавов. При ее достижении ротор буквально взрывается под действием центробежных сил, и только благодаря его малым размерам не происходит серьезных повреждений машины.

…Контактные устройства измерительных систем давят на измеряемые изделия с силой в малые доли грамма, и одновременно с ними существуют машины, посредством которых стальные образцы подвергаются давлениям до 70 000 атмосфер.

Самые большие и самые микроскопические, самые медленные и самые быстрые, самые легкие и самые мощные.

Все пространство между этими «самыми» заполнено механизмами — этими руками машин. Из маленькой капли стекла они делают колбу для электролампочки, а из капли побольше — колбу телевизионной трубки; из металлического слитка катают стальной лист и проволоку; из стального листка штампуют кузов автомобиля и перо; из куска проволоки — гвоздь. Они режут, строгают, фрезеруют, шлифуют металл — сталь и чугун, дюраль и бронзу, месят тесто и из куска теста делают булку; из щепки — спичку, из бумаги, краски и клея — конверт, тетрадь, книгу, из…

Нет смысла продолжать это перечисление. И нет возможности рассказать о том, как устроены и действуют каждый из этих автоматов по отдельности. Как нам поступить дальше? Об этом мы посоветуемся чуть позже. А пока давайте вернемся к шарнирному механизму из планок, который мы собирали на первых страницах этой главы. Начнем всю работу сначала.

Первую планку снабдим на одном конце шаровой поверхностью и вставим в неподвижную шаровую полость. Сейчас эта планка может поворачиваться в любом направлении в пространстве — она имеет три степени подвижности. С ее свободным концом шарнирно соединим вторую планку. Наш двухзвенный механизм будет иметь уже четыре степени подвижности. К свободному концу второго звена подвижно присоединим третье звено. Присоединим так, чтобы оно относительно второго звена имело три степени подвижности.

Теперь пойдем дальше. К третьему звену присоединим сразу еще пять звеньев. К этим пяти звеньям присоединим к каждому еще по звену, а к тем еще по звену.

Вы уже догадываетесь, что мы конструируем механизм руки. По крайней мере схематически картина у нас получилась вполне похожей. Плечевой сустав имеет 3 степени подвижности, локтевой сустав — 1, лучезапястный сустав — 3, каждый палец — 4 степени подвижности.

Механизм руки обладает ни много ни мало 27 степенями подвижности. Такой свободой движений не обладает ни одно техническое устройство, и нет механических устройств, которые хотя бы сколько-нибудь приближались к такому уровню.

Мы неспроста поместили рассказ о механизме руки в одном месте с рассказом об экскаваторе.

От живой руки человека вернемся к «руке» экскаватора и сравним их. Не правда ли, между ними много общего? Кисть человека как ковш экскаватора, а мощные звенья — плечо и предплечье — образуют механизм, доставляющий этот «ковш» в любую точку пространства, так же как механизм экскаватора доставляет настоящий ковш.

Но на этом их сходство кончается. Кисть руки — универсальнейший механизм. Он может взять карандаш, горсть песка и щепотку соли, ручку напильника, лист железа и иглу, электролампочку, смычок и листок папиросной бумаги. И не только взять, а, взяв, выполнять действия самые тонкие и сложные.

Необыкновенная подвижность, выработанная в процессе всего эволюционного развития, отличает механизм живой руки от любого технического устройства и составляет ее важную особенность.

Большое число степеней подвижности в значительной мере определяет чудесные свойства живого механизма, способного осуществить бесчисленное множество самых разнообразных движений, позволяет использовать один и тот же механизм для выполнения самых различных процессов. А если нужно, в работу включается вторая рука — еще один живой механизм, обладающий еще 27 степенями свободы.

Первые впечатления

Наша прогулка успешно продвигается вперед. Пожалуй, самое время сделать небольшой привал, чтобы обменяться впечатлениями, вспомнить интересовавшие нас вопросы, тем более что на некоторые из них сейчас уже можно ответить.

Что общего между будильником и вычислительной машиной, лифтом и тепловозом, киноаппаратом и автоматом, выпекающим пончики?

Все они мертвы без энергии. Независимо от назначения и конструкции машины через ее механизмы и устройства должны течь потоки энергии. В будильнике она нужна, чтобы преодолевать трение в механизмах привода стрелок, — ее источником служит заводная пружина. Вычислительной машине, лифту, киноаппарату нужна электроэнергия — к ним она подводится непосредственно из электросети или от электродвигателей.

Поступая от внешнего источника, энергия ветвится, расходится по всем исполнительным механизмам машины непрерывным потоком или отдельными порциями, а отработав, возвращается во внешний мир в большинстве случаев в виде тепловой энергии. В тепловую энергию превращается механическая энергия, израсходованная на преодоление трения во всех подвижных сочленениях машины. В тепловую энергию превращается электроэнергия, поступившая из сети в вычислительную машину и в электродвигатели металлорежущих станков. В тепловую энергию, рассеивающуюся в воздухе, превращается химическая энергия топлива, сгорающего в автомобильном двигателе и ракете.

Потоки энергии движутся через машину организованно. Иначе как бы машина могла выполнить возложенные на нее задачи? Все энергетические процессы подчинены определенной программе, определенным командам. И одновременно с потоками мощности через механизмы и устройства машины текут ручейки информации, обеспечивающей управление энергетическими процессами.

По мере усложнения задания ручейки информации становятся все более многоводными. А через устройства современной большой вычислительной машины текут гигантские потоки информации. Переработка этих потоков составляет существо и основу выполняемого ею технологического процесса. Однако для поддержания этих потоков нужна энергия, пусть в сравнительно небольшом количестве, но нужна. Значит, одновременно с потоками информации через вычислительную машину текут небольшие ручейки энергии, поддерживая ее жизнь.

В начале книги мы собирались расставить все машины по полкам. Одну из полок, где стоят машины-двигатели, мы уже «укомплектовали». Теперь входим в мир рабочих машин — от самых простых, выполняющих за человека тяжелую работу, и до таких, которые не так уж зря называют «электронным мозгом».

Неужели, чтобы расставить их на нашей этажерке, придется описывать конструкцию и принципы действия каждой? Но ведь это практически невозможно!

Нет! Надо, очевидно, попытаться сделать по другому, попробовать выяснить общие принципы построения машин. Иначе все, что мы будем узнавать о них, станет похожим на совершенно запутанный клубок, из которого в полном беспорядке и во всех направлениях будут торчать шарниры, зубья, катоды, реле, клапаны и прочее и прочее.

У нас в руках есть ниточки, которые нам помогут шаг за шагом распутать этот клубок. Эти ниточки — ручейки, реки, потоки энергии, информации и материалов. Нам надо проследить, как организуются они в рабочих машинах, независимо от того, идет ли речь о мощностях в тысячи киловатт или доли ватта, независимо от того, по каким механизмам и устройствам они проходят через машину, как обрабатываются и используются. Тогда все станет на свои места, и наша прогулка от этого только выиграет.

Мы так и поступим, только чуть позже.

На протяжении всей нашей прогулки мы пытаемся сравнивать устройство и действие машины с устройством и действием живого организма.

Что мы успели выяснить? Об этом тоже пора сказать несколько слов.

Человек и машина подчиняются некоторой группе одних и тех же законов природы. Через «механизмы» и «устройства» живого существа, как через механизмы и устройства машины, текут потоки энергии и информации. Это сходство сразу бросается в глаза, как только мы примерили к ним понятия «энергия» и «информация».

Как всякая машина, живой организм снабжен двигателем, поставляющим ему энергию, необходимую, чтобы жить и работать.

Как многие высокоорганизованные машины, живой организм оборудован совершенной системой связи и управления — центральной нервной системой.

И наконец, как всякая машина, живой организм реализует все взаимодействия с внешним миром через движения и только через движения.

Как видим, не так уж мало общего между живым организмом и машиной!

Затем мы решили подробнее ознакомиться с конструкцией некоторых механизмов и устройств живого организма. Мы начали с живых двигателей — мышц и обнаружили, что их конструкция и свойства существенно отличаются от конструкции и свойств машин-двигателей.

До того как был вскрыт механизм действия мышцы, казалось, что остается один шаг до создания искусственной руки, казалось, что искусственная мышца будет очень похожа на естественную. Теперь, после того как узнали побольше о том, как устроена мышца, сходство между ними нам представляется очень отдаленным, а путь до создания искусственной руки — очень длинным.

Затем мы обнаружили еще одну особенность живого организма — несоизмеримо большое по сравнению с техническими устройствами число степеней подвижности.

206 подвижно сочлененных костей человеческого тела, покрытых 639 двигателями — мускулами, сообщают телу такое богатство поз и движений, каким не обладает ни одна машина.

И наконец, мозг! Он обеспечивает управление каждым, самым элементарным движением любого из суставов и сочленений, осуществляет согласование всех возможных элементарных движений во времени и пространстве, сочетание этих движений в сложнейшие комплексы, а также их увязку с движениями, совершающимися во внешнем мире. Зачастую он выполняет все эти действия, одновременно решая другие, более сложные задачи.

Когда человек знает, что такое велосипед, но не знает, что такое самолет, ему проще всего предположить, что самолет — это нечто вроде велосипеда. Когда он знает, что такое автомат, и не знает, что такое мозг, то для начала не плохо высказать предположение, что мозг — это автомат. Часто так и делают. Иногда добавляют слово «особый». Особый автомат! Это слово стыдливо закрывает самое непонятное: характер и темперамент, уровень развития и интересы, склонности и привычки — одним словом, все то, что принято называть человеческой индивидуальностью.

Итак, особые двигатели, особая система управления, невероятная подвижность! Каждый читатель понимает, что эти особенности не исчерпывают всего, что отличает живой организм от машины. Мы именно на них сосредоточили внимание просто потому, что они крайне важны, когда делаются попытки сравнить живой организм и техническое устройство.

Так ли уж они важны? Может быть, когда человек и машина переходят к делу, эти особенности отступают в тень?

Да, они важны!

Ни один самый высококвалифицированный слесарь-лекальщик не сумеет вручную изготовить шарик для шарикоподшипника, удовлетворяющий всем требованиям, которые предъявляются к изделиям такого типа. А очень «простые» автоматы изготавливают совсем круглые, гладкие и одинаковые шарики десятками и сотнями миллионов, причем совсем не так, как их стал бы делать человек. И никому не приходит в голову поручать такую работу человеку.

С другой стороны, просто невозможно себе представить техническое устройство (например, искусственную руку), которое могло бы сравниться по тонкости, сложности и разнообразию движений с рукой человека. Чтобы создать такую искусственную руку, необходимо сначала создать искусственную мышцу, сходную с естественной мышцей, причем тут мало внешнего сходства и даже мало сходства в энергетических процессах. Необходимо добиться, чтобы обе конструкции были одинаковы во всех тех особенностях, которые позволяют мышцам тончайшим образом осуществлять самые сложные движения естественной рукой.

Шестилетнему Томми Саффорту сказали, что в кукурузном початке 594 зерна, и спросили, сколько зерен будет в 1040 початках. Томми, почти не задумываясь, ответил на этот вопрос. Он очень легко оперировал цифрами, в уме извлекал кубические корни из девяти- и десятизначных чисел.

Артур Гриффитс в течение 1,5 секунды находил произведение двух любых двузначных чисел, помнил квадраты всех чисел до 130 и их кубы до 100.

В английском фунте 20 шиллингов, 240 пенсов, 960 фартингов. Чудо-математик Бакстон в уме удваивал фартинг 139 раз. Результат этой процедуры, который он выразил в фунтах, содержал 142 цифры.

Известно много людей, поразительно быстро выполняющих в уме действия над большими числами. Лет пятьдесят-шестьдесят назад они производили вычисления быстрее, чем другие это делали с помощью существовавших в те времена вычислительных средств. Сейчас самый быстродействующий из таких чудо-математиков был бы не больше, чем неуклюжий «тихоход» по сравнению с электронным вычислительным автоматом. В этом отношении автомат уже давно и намного обогнал даже самого выдающегося человека.

Но вот другой пример. К оживленному перекрестку на большой скорости движется такси. Сядем рядом с водителем и понаблюдаем за ним. Он следит за сигналами светофора и за действиями регулировщика, который может находиться на перекрестке, одновременно следит за движением машин, мчащихся впереди, навстречу, слева и справа. В зеркале водитель видит машины, движущиеся сзади; следит за действиями десятков пешеходов, пересекающих перекресток и подходящих к нему. Он не просто наблюдает за этой сложной, мгновенно меняющейся картиной, а непрерывно действует; непрерывно оценивает ситуацию, пользуясь самыми непонятными с первого взгляда критериями, которые ему подсказывает опыт. По выражению лица пешехода видит, собирается ли тот подождать, пока пройдет машина, или сейчас очертя голову кинется бежать через перекресток. Обменявшись мгновенным взглядом с водителем соседней машины, определяет, что тот собирается делать. Он видит, или по крайней мере должен видеть, все и обязан так управлять машиной, чтобы обеспечить безопасность движения. А если на улице снег, дождь, гололед или листопад, то во все свои действия водитель должен вносить поправки; величины поправок никто не может ему подсказать, он вынужден определять их сам, причем мгновенно, на ходу машины. Все эти задачи многократно усложняются, если пассажир торопится и водитель стремится ехать хотя бы немного скорее других машин.

И тем не менее водитель такси решает эти задачи и доставляет пассажира по назначению, да еще успевает обсудить с ним по дороге газетные сообщения, недостатки в работе торговой сети, результаты вчерашнего матча.

Миллионы водителей во всем мире успешно водят машины в самых разнообразных условиях, и — что самое удивительное — о труде водителей говорят скорей как о физическом, чем об умственном.

А можно ли представить себе автомат за рулем автомашины, движущейся по оживленней улице? Причем мы имеем здесь в виду не излюбленный фантастами некий автомат, который неизвестно как устроен и неизвестно как действует и про который заранее можно сказать, что он делает все.

Давайте еще немного подождем с ответом на этот вопрос. Он будет совсем ясен, когда мы узнаем подробнее, как собирают и обрабатывают информацию человек и автомат, как осуществляется в автомате и живом организме процессы управления, как устроены и действуют современные автоматы. Но вот что нужно заметить!

Механики средневековья и современные инженеры, изучая трудовые процессы, выполняемые человеком, механизируя и автоматизируя их, каждый раз убеждались и убеждаются, что живой организм и рационально построенные машина и автомат выполняют эти процессы, действуя совершенно по-разному.

Швейная машина шьет не так, как швея; тестомесильная машина месит тесто не так, как пекарь; пишущая машинка пишет не так, как человек. Автомобиль движется не так, как четвероногие. Пароход плывет не так, как рыба. Самолет летит не так, как птица.

Конечно, некоторые элементы внешнего сходства в действиях технического устройства и живого организма всегда можно найти и зачастую использовать. Но чем сложнее технологический процесс, тем все меньшим и меньшим становится это сходство и тем очевиднее выступает вся глубина различия между живым организмом и техническим устройством. И это различие определяется не какими-то таинственными свойствами живого организма, а в значительной мере теми особенностями, которые мы успели обнаружить и сформулировать, обмениваясь первыми впечатлениями.

Живое существо и техническое устройство движутся и действуют по разному не потому, что, создавая швейную машину, пароход и самолет, человек не знал (да еще и сейчас в точности не знает), как шьет швея, плывет рыба и летит птица. При создании своих конструкций Природа и Человек шли и идут разными путями, поскольку они располагают различными возможностями и средствами и стремятся к различным целям.

Природа никогда не пыталась заимствовать свои конструкции у Человека. Человек, приступая к созданию каждой новой машины, всегда пытается подсмотреть, как такую «машину» сделала Природа, а подчас и скопировать ту или иную конструкцию. Но это приводило к успеху довольно редко. На первых этапах создания самодвижущихся машин появлялись проекты паровозов, переступающих искусственными «ногами», самолетов с машущими крыльями. Эти проекты оказались бесперспективными. Человек многому учится у Природы, однако заимствует у нее с оглядкой, с учетом реальных возможностей.

Только когда человек ставит задачу создать машину, которая делает то, что делает живое существо, не стремясь к тому, чтобы его машина делала это так, как делает живое существо, он добивается успеха.

Именно тем труден процесс создания каждой новой машины, что она не слепое копирование живых механизмов техническими средствами. Именно поэтому создание каждой машины — это загадка с разгадкой.

Загадки задает жизнь:

Как одеть, обуть и накормить миллиарды людей?

Как добыть энергию и оторваться от Земли?

Как запомнить звук и передать мысль?

Как сделать совсем круглый шарик и изящный кузов автомобиля?

Ответы ищут и находят люди — конструкторы, инженеры, ученые. Конструирование машины не простая арифметика. Здесь каждая загадка имеет десятки и сотни ответов — самых разных. Никто эти ответы заранее не знает. Так разве не интересно посмотреть, как их находят?

Если вы не желаете верить на слово и хотите иметь собственное мнение о том, что такое машина, волей-неволей надо снять с нее крышку и заглянуть поглубже в хитросплетение механизмов и устройств, в котором нет ни одной лишней шестеренки или проволочки, которое живет и действует так, как это задумал человек.

Кольцо управления

Пилот и повар

Помните наш пример с такси, подъезжающим к перекрестку? Вернемся к нему еще раз. С тех пор машина проехала уже все перекрестки и теперь мчится по шоссе. Сейчас задача управления намного упростилась, но все же…

Вот мы обгоняем попутный автомобиль; благополучно разъезжаемся со встречным транспортом; шоссе петляет направо, налево; чередуются спуски и подъемы. Почему дело обходится без несчастного случая?

Потому, что водитель непрерывно следит за той ситуацией, которая складывается в пути; потому, что в соответствии с этой непрерывно меняющейся ситуацией мысленно намечает наилучшую траекторию и скорость движения; потому, что управляет машиной он так, чтобы ее фактические траектория и скорость минимально отклонялись от намеченных. И чем выше квалификация водителя, тем правильнее и быстрее он оценивает ситуацию, тем уверенней управляет машиной. Его маневры не создают опасности для пешеходов, попутных и встречных машин и телеграфных столбов.

Мозг человека — руки — машина — глаза — мозг — вот система управления автомобилем, образующая замкнутое кольцо. Половинку этого кольца составляют: мозг — руки — машина.

Может быть, вам кажется, что этой половинки достаточно, чтобы успешно справиться с задачей управления? Тогда предложите самому опытному водителю проехать 200–300 метров по пустынному и прямому как стрела шоссе с завязанными глазами. Скорее всего он откажется. Каждый водитель знает, что даже при движении прямо всегда приходится непрерывно поворачивать руль то в одну, то в другую сторону, пусть на самую малую величину. Это необходимо, чтобы устранить влияние на движение машины небольших неровностей шоссе, неравномерности нагружения левых и правых колес, различной изношенности покрышек, колебаний машины на рессорах и многих других, подчас совершенно случайных обстоятельств, которые возникают буквально в любой момент и оказывают влияние на движение машины.

Сознательно или автоматически (рефлекторно) водитель непрерывно сравнивает желаемое и фактическое движение автомобиля и вносит соответствующие поправки, устраняя непрерывно возникающие рассогласования.

Нет, без второй половины кольца, которую образуют машина — глаза — мозг, обойтись нельзя!

По каждому из полуколец в течение всего времени движения машины текут потоки информации. Один из них начинает свой путь из памяти — из того отдела мозга, где хранится «программа» движения и конечным адрес маршрута.

Оттуда информация поступает в другой отдел, который условно назовем отделом сравнения (к нему мы еще вернемся). Затем потоки информации поступают в отдел мозга, управляющий мышцами рук; руки движутся, поворачивая рулевое колесо; машина выполняет маневр.

И одновременно течет поток информации по второму полукольцу в обратном направлении. Машина выполняет маневр или совершает случайные движения, водитель следит за всеми изменениями ситуации. Информация об этих изменениях по зрительному каналу поступает в зрительный отдел мозга, а оттуда в отдел сравнения.

В этом отделе встречаются два потока информации, сравнивается намеченная программа движения с фактически осуществляемой, определяются необходимые поправки и начинает свое движение новый поток управляющих сигналов, текущих к мышцам рук, а оттуда к рулевому управлению машиной.

Может показаться странным, что мы так уверенно делим мозг на отделы и приписываем каждому из них различные функции. Но мы на это имеем право. Физиологи уже хорошо знают, в какой из отделов мозга поступает информация через органы чувств, какие из отделов мозга управляют теми или иными мышцами. Правда, гораздо хуже известны «адреса» тех отделов мозга, в которых производится запоминание, сравнение, выработка решений. И пока совсем неизвестно, как человек запоминает, решает, думает. Но так или иначе все эти действия выполняет мозг. Значит, наша схема, хотя бы в первом приближении, правильно отражает общую картину управления, картину движения потоков информации.

Завязав водителю глаза, вы прервете обратный поток информации, нарушите замкнутую систему управления на участке обратного полукольца, нарушите, как говорят, обратную связь.

Железнодорожному машинисту не приходится беспокоиться о траектории движения состава. Поезд движется по рельсам, и, значит, траектория его движения заранее полностью определена. Однако и здесь человек выполняет сложные функции управления, связанные с обеспечением заданной программы движения. Машинист всегда управляет локомотивом так, чтобы средняя скорость состава на перегонах была равна заданной и обеспечивала прибытие на очередную станцию точно по расписанию. Он стремится достичь этого самым безопасным и экономичным способом, что требует непрерывного управления фактической скоростью состава в соответствии с его весом, с профилем, кривизной и состоянием пути, длинами перегонов и другими факторами.

Значит, и в этом случае идея, лежащая в основе метода управления, состоит в том, чтобы фактическое движение поезда непрерывно сравнивалось с намеченным программой, обнаруживались и устранялись возникающие рассогласования.

Примерно так же обстоит дело, когда идет речь о пилоте или о рулевом корабля. Ведь и их задача в конечном счете сводится к тому, чтобы устранять рассогласования между фактическими и желаемыми траекториями и скоростями движения самолета или корабля. Только для оценки ситуации, складывающейся в процессе движения, им больше приходится пользоваться приборами, чем естественными ориентирами.

В наших примерах уже фигурировали люди, управляющие машинами, и автоматы, обходящиеся без непосредственного вмешательства людей. Но вот пара примеров, в которых люди действуют без вмешательства и соучастия машин.

Повар, добавив в приготовляемую пищу сахар, соль, перец, снимает пробу, оценивая результат. Затем вновь добавляет эти продукты до тех пор, пока не добьется желаемого эффекта, то есть пока не устранит рассогласования между своим представлением о вкусно приготовленном блюде и своими фактическими вкусовыми ощущениями.

Как видите, он действует примерно по тому же принципу, что и шофер, пилот, машинист. Конечно, в соответствии с тем процессом, которым он управляет, обратная связь устанавливается теперь не по перемещению или скорости, а по вкусу пищи.

Человек берет стакан воды. «Стакан — глаза — мозг» образуют полукольцо обратной связи в живой системе управления движением руки. И мозг управляет многочисленными мышцами руки так, чтобы фактическое движение стакана мало отличалось от расчетного.

Конечно, даже в этом сравнительно простом движении очень много непонятного. Как умудряется человек не пролить ни капли воды? Как он выбирает скорость и ускорение, с которыми нужно переносить стакан с места на место? Как он выбирает силу схвата, чтобы стакан не выскользнул из руки, и непринужденно меняет положение кисти, в то время как стакан совершает сложную пространственную траекторию?

Но, несмотря на то, что мы еще далеки от исчерпывающего познания сложнейших биологических механизмов переработки информации и выработки программ, можно для описания этого движения применить все ту же схему замкнутой в кольцо системы управления.

Можно ли разоблачить человека, который притворяется глухим? Оказывается, можно! Для этого нужно надеть на него наушники и заставить говорить в соединенный с наушниками микрофон через специальное устройство так, чтобы звук поступал в наушники без искажений, но с запаздыванием. Многочисленные опыты показали, что человек, слышащий свою речь со сколько-нибудь большим запаздыванием, сбивается и не может говорить.

Все дело в том, что управление речью, так же как и управление движениями, строится все по той же замкнутой схеме. Начиная говорить, человек слышит свой голос и немедленно определяет рассогласование между фактической и необходимой высотами звука; далее вступают в действие механизмы, регулирующие натяжение голосовых связок. И в течение всего процесса речи, будь то монолог артиста, лекция ученого или оживленный диалог в трамвае, говорящий, слыша себя, управляет своей речью, непрерывно устраняя рассогласование между желаемым и фактическим ее звучанием. Он не может говорить, слыша себя с задержкой, превышающей некоторую определенную величину.

Примерно так же действует пианист, согласовывая фактическое и желаемое звучания инструмента. Он не может ни от кого получить точные указания о том, каково должно быть это желаемое звучание, и вынужден в конечном счете выбирать его сам. Техника и работоспособность помогают ему добиться того, чтобы он мог исполнить музыкальное произведение так, как задумал. И в зависимости от ряда таинственных факторов, от степени совершенства замкнутой системы управления, свойственной этому пианисту, он становится гениальным музыкантом, лауреатом всемирных конкурсов, рядовым артистом или простым любителем.

Во всех случаях, о которых мы сейчас рассказали, управляющая часть системы, воздействуя на управляемую ее часть, одновременно сама «чувствует» и учитывает результат этого воздействия. Обе части системы — управляющая и управляемая — связаны двойной связью: прямой и обратной.

Мы подошли к одному из самых важных в современной технике (да и не только в технике) понятий — к понятию обратной связи. И пожалуй, самое удивительное, что это понятие стало отчетливо складываться всего лишь лет двадцать — двадцать пять назад.

Журден — персонаж комедии Мольера «Мещанин во дворянстве» — страшно удивился, когда узнал, что он всю жизнь говорит прозой.

Не меньше были удивлены ученые и инженеры, когда выяснилось, что, сами того не зная, они давно и успешно используют идею обратной связи при создании самых различных машин. Использовали ее задолго до того, как она была окончательно сформулирована, подобно тому как средневековые инженеры и изобретатели интуитивно применяли законы механики задолго до того, как они были открыты Ньютоном.

Никем не высказанная, она вела людей, работающих в совершенно различных отраслях техники. Они искали решения частных технических задач и зачастую находили их, интуитивно применив идею обратной связи.

На протяжении многих лет машины и автоматы рассматривались с самых различных точек зрения, хуже или лучше оценивающих, насколько эффективно они работают. И никто не догадывался, что возможна еще одна новая и необычная точка зрения, рассматривающая, как организованы в этих системах процессы управления. А затем события начали развиваться по схеме, типичной для решения многих научных и технических проблем. Кто-то (сейчас невозможно сказать, кто именно) сумел по-новому взглянуть на ставшую уже привычной и обыденной картину действия одной из машин, сумел вдуматься в принципы ее действия, увидеть ту особенность ее устройства, которая потом, будучи понятой и изученной, стала казаться такой очевидной, что было даже странно, как раньше эту особенность могли не замечать.

Кто-то другой сумел оценить это, пусть даже единичное, наблюдение, понять важность замечательного явления, придумать для него выразительное название.

Потом это явление заинтересовывает многих других ученых и инженеров, начинаются поиски аналогичных явлений; и скоро выясняется, что они весьма многочисленны и распространены, только их почему-то (даже непонятно почему!) до сих пор не замечали.

Так развилась идея и теория обратной связи в технических системах, в теории управления.

Одновременно аналогичную идею стали выявлять физиологи и биологи, изучая процессы, протекающие в живых организмах, и процессы взаимодействия живых организмов с окружающей средой.

Вспомним сказку о Гемфри Поттере

С понятием обратной связи необходимо свыкнуться, пытаясь разобраться, как действуют многие современные автоматы.

Легче всего это сделать на примерах, начиная с тех, что попроще, даже если они относятся к технике прошлого. И нам не миновать вновь вернуться к паровому двигателю и вспомнить еще об одном изобретении.

Помните, как сказочный мальчик Поттер догадался механизировать процессы впуска и выпуска пара и благодаря этому попал в историю?

Но полностью механизировать процесс управления ему не удалось, и эту работу пришлось завершить Уатту.

Дело в том, что паровой двигатель, даже механизированный Поттером, требовал непрерывного наблюдения. До тех пор пока развиваемая им мощность полностью отбиралась присоединенной к нему рабочей машиной, все обстояло благополучно. Но как только такой энергетический баланс нарушался, тотчас согласованное действие сбивалось, обороты двигателя резко убывали при возрастании нагрузки и, наоборот, при падении нагрузки быстро увеличивались. Чтобы поддерживать их постоянными, машинисту приходилось систематически регулировать подачу пара в цилиндр двигателя. Нетрудно сообразить, что он должен был уменьшать количество впускаемого пара при увеличении оборотов и увеличивать его — при уменьшении.

Уатт избавил машиниста от этой утомительной работы. Он изобрел специальный регулятор, автоматически поддерживающий определенное число оборотов при изменениях нагрузки. И если раньше изменение режима работы двигателя машинист улавливал на слух или, пользуясь приборами и перемещая заслонку, регулировал доступ пара в цилиндр, то теперь это делал автомат. Центробежный регулятор, вал которого приводится во вращение двигателем, «улавливает» изменения оборотов последнего с помощью грузов. Под действием центробежных сил грузы расходятся, когда обороты вала растут, и опадают, когда обороты уменьшаются. При этом они с помощью механической передачи приводят в движение заслонку, соответственно уменьшая или увеличивая подачу пара в цилиндр.

Машинист, как и регулятор, действует так, чтобы устранить рассогласования между заданными и фактическими оборотами. Двигатель — слуховые или зрительные ощущения машиниста — мозг — вот полукольцо обратной связи, построенное по уже знакомой нам схеме, когда управление машиной осуществляет человек.

В паровой машине с регулятором в кольцо управления вместо машиниста включены механизм грузов и механизм привода заслонки. Эти механизмы в обычных условиях работают надежнее машиниста: они не устают, не отвлекаются, они не размышляют о посторонних предметах и не подвержены настроениям. Их только нужно периодически смазывать и проверять. И один из них будет исправно собирать и передавать информацию о самых малых изменениях оборотов второму механизму, который эту информацию использует для выработки сигнала, управляющего заслонкой.

Есть очевидная аналогия между тем, что делают машинист и регулятор. Но, конечно, нет никакой аналогии между тем, как они это делают. Можно совершенно точно рассчитать все действия регулятора, количественно оценить все его характеристики. Что касается действий машиниста, то они никакому прямому математическому расчету не поддаются, а в характеристиках, которые в случае необходимости выдаются машинисту, приводятся, безусловно, очень важные, но все-таки чисто качественные оценки: «хороший», «знающий», «умелый».

Регулируя обороты двигателя, машинист одновременно выполняет ряд других обязанностей, связанных с обслуживанием двигателя и управлением им.

Механизмы регулятора выполняют единственную функцию — поддержание оборотов двигателя на одном и том же уровне.

Образно говоря, «на глазах регулятора» может начинаться авария, требующая немедленной остановки двигателя, а он будет тупо вести двигатель к неминуемой катастрофе, до последнего мгновения стремясь поддерживать постоянную скорость вращения.

По-разному действуют машинист и регулятор, выполняя задачу регулирования оборотов. И вместе с тем они реализуют один и тот же принцип управления, в основе которого лежит идея обратной связи.

Сердце машиностроения

Мельчайшие части часов и приборов, гигантские роторы турбин, множество деталей всех машин обрабатывают на металлорежущих станках. И детали самих станков также обрабатывают на станках.

Станкостроение — сердце машиностроения. И нет, пожалуй, ни одной отрасли техники, которая бы могла похвалиться таким многообразием типов, конструкций и размеров машин.

Устройство простого токарного станка известно почти каждому. Обрабатываемое изделие вращается, резец вместе с суппортом продольной подачи движется вдоль оси станка, а вместе с суппортом поперечной подачи — в поперечном направлении. Движением суппортов можно управлять вручную, вращая маховички, соединенные с винтами подач. А если включить автоматическую подачу суппортов, то они будут равномерно двигаться вдоль или поперек оси станка, резец — обрабатывать различные гладкие и ступенчатые валики, втулки, цилиндры.

Остановив обрабатываемое изделие и заменив резец на вращающуюся фрезу, превратим токарный станок в фрезерный. Перемещая стол станка вручную или включая автоматическую подачу в одном, двух, трех направлениях, на нем можно обработать квадрат и куб, косые и наклонные грани.

Заменив резец или фрезу на шлифовальный круг, получим шлифовальный станок; заменив их на сверло — сверлильный станок. Так выглядят четыре основных типа металлорежущих станков, составляющих основную массу станочного парка, обрабатывающего подавляющую часть изделий машиностроения.

Когда эти изделия просты по форме, их обработка никаких трудностей не представляет.

Ну, а как быть, если нужно, например, обработать цилиндрическое изделие с криволинейным профилем? Для решения этой задачи больше всего подходит токарный станок. В нем равномерное движение резца вдоль оси изделия должно сочетаться с переменным движением в поперечном направлении.

Попытка вручную передвигать продольный и поперечный суппорты заранее обречена на провал. Никакому самому квалифицированному токарю не удастся так плавно и точно поворачивать рукоятки, как это необходимо для изготовления качественного изделия. И тем более не удастся от раза к разу повторять эти движения, если надо обработать несколько одинаковых изделий.

Существуют два способа решения этой задачи. Первый — связать движения обоих суппортов специальным механизмом, например шарнирным. При движении продольного суппорта придет в движение поперечный, перемещая резец относительно обрабатываемого изделия.

Только следует так подобрать размеры звеньев механизма, чтобы хоть одна из их точек (конструктору надо знать, какая именно!) двигалась точно так, как надо, для обработки заданного профиля. Это очень неприятная задача. Достаточно сказать, что ею занимаются еще со времен Уатта, а исчерпывающего решения нет до сих пор. И самое неприятное то, что если профиль обрабатываемого изделия нужно изменить, то всю процедуру проектирования механизма и его изготовления нужно повторить в полном объеме с самого начала.

Задачу обработки криволинейного профиля решают и по-другому — примерно так, как это сделал около двухсот лет назад русский изобретатель Андрей Нартов, механизировав изготовление ряда одинаковых изделий путем копирования образца.

Как это выглядит, известно многим. Продольный суппорт движется, как обычно, вдоль заготовки. В это время ролик обкатывает образец, называемый копиром, и тянет за собой поперечный суппорт с резцом. Резец обтачивает заготовку так, что получается изделие, похожее на копир. Чтобы изготовить деталь другого профиля, нужно только заменить копир на новый. Но, конечно, этот новый копир нужно сначала изготовить — ведь без него обойтись совершенно невозможно. Невозможно ли? Подумайте, пожалуйста, сами. Позже нам придется вернуться к этому вопросу.

Методы копирования прижились, и в цехах можно встретить много копировальных станков: токарных, фрезерных и других — вплоть до гигантов, обрабатывающих изделия двадцатиметровой длины.

В предыдущей главе речь шла о руках машины — ее механизмах. Но вы, наверное, уже обратили внимание, что там ни словом не упомянулось об обратной связи, а в этой главе термин «обратная связь» встречается почти так же часто, как табачные киоски на пути человека, решившего бросить курить.

Это недоумение легко разъяснится, как только познакомимся с двумя механизмами, применяющимися в копировально-фрезерных станках.

Вот первый из них.

На столе станка, кроме заготовки, устанавливается копир — точная модель того изделия, какое должно быть изготовлено. Заготовка и копир приводятся во вращение с одинаковой скоростью. В постоянном соприкосновении с копиром находится ролик, который в процессе вращения копира катится по его профилю, в точности следуя очертаниям последнего. Движение ролика повторяет связанная с ним фреза. Она движется относительно заготовки, «перенося» на нее размеры и конфигурацию модели.

Копир содержит всю информацию, необходимую для обработки изделия. Ролик считывает эту информацию и через жесткую механическую передачу управляет фрезой.

Через эту же передачу течет поток энергии, обеспечивающий рабочие усилия. Потоки энергии и информации текут по одному «каналу». В этом случае цепь управления может быть разомкнутой, состоя только из одного полукольца, которое в случае копировального станка выглядит так: копир — жесткая передача — изделие.

По разомкнутой схеме работают наряду со многими другими все те машины, с которыми мы знакомились в предыдущей главе, и в их числе самая точная в мире делительная машина. Естественно, что там совершенно не понадобился термин «обратная связь».

Но «за спиной» у любого преимущества всегда скрывается какой-нибудь, недостаток. И у разомкнутой системы управления, построенной с использованием одних только жестких передач, есть, конечно, недостатки. Во многих случаях они делают нецелесообразным, а подчас и просто невозможным ее использование.

Представьте себе, что речь идет о системе управления большим кораблем. Мало того, что сила сопротивления воды, действующая на руль такого корабля, может достигать многих тонн и задача непосредственного управления им явно непосильна для человека. Конструктор корабля еще должен учитывать, что расстояние между рубкой рулевого и рулем может достигать нескольких десятков метров. Попытка связать штурвал и руль такого корабля жесткой передачей кончилась бы неудачей.

Конструкторы машин хорошо знают, что, когда необходимо передать энергию или информацию на сравнительно большое расстояние и в различных направлениях, жесткие механические передачи уступают электрическим, гидравлическим, пневматическим устройствам. Однако при использовании подобных устройств разомкнутую систему управления уже применять нельзя, поскольку нарушается жесткая передача между органом автомата, задающим программу действия, и исполнительным органом, выполняющим эту программу.

И тогда используется замкнутая система управления, цепь обратной связи. Итак, речь пойдет о втором механизме, применяемом в копировально-фрезерных станках.

В 1900 году итальянец Бонтемпи применил для копировального станка схему с гидромеханическим управлением, позволившую уменьшить мощность управляющего сигнала в сотни и тысячи раз по сравнению с рабочей мощностью.

Давайте разберемся, как она действует. Копир и заготовка, как и в первом случае, устанавливаются на одном столе и получают вращательное движение с одной и той же скоростью. И по-прежнему ролик движется вдоль по профилю копира, считывая с него информацию, необходимую для управления движением фрезы. Но теперь движение ролика не передается непосредственно фрезе. Он управляет маленьким поршеньком-золотником, открывающим доступ жидкости в ту или иную полость большого цилиндра.

Если подавать жидкость под давлением в левую полость цилиндра, а из правой полости ее выпускать, то весь стол вместе с роликом и фрезой будет двигаться влево. И наоборот, подача жидкости в правую полость заставляет стол двигаться вправо.

Таким образом, как только смещается золотник, так сразу начнет действовать прямая цепь передачи движения. Но одновременно со столом, несущим фрезу, начинает перемещаться цилиндр золотника.

Другими словами, одновременно с цепью прямой передачи начинает действовать цепь обратной связи, дополнительно связывающая ведущую и ведомую части системы — ролик и фрезу, и непрерывно сигнализирующая об исполнении управляющего сигнала. В тот момент, когда фреза в своем движении догонит ролик и, значит, займет правильное положение, золотник перекроет проход жидкости в силовой цилиндр. Как видим, это типичная система с обратной связью, действующая по тому же принципу, что и все другие механизмы, встретившиеся нам в этой главе. Отрабатывая программу, заданную копиром, она непрерывно определяет рассогласование между положениями фрезы и ролика и действует так, чтобы это рассогласование устранить.

Поток информации и поток энергии теперь движутся по разным каналам. Цепь управления передает только те усилия, которые необходимы для подачи команд, и эти командные сигналы управляют мощностями в тысячу крат большими, чем мощность самого сигнала. Сигнал управления оказывается усиленным в тысячи раз.

Итак, в системе с обратной связью управляющий сигнал вырабатывается путем сравнения заданного действия с выполняемым. Если речь идет об автомате, то должны сравниваться движения, которые он выполняет, с теми движениями, которые он должен выполнять в соответствии с заданной ему программой работы.

Процесс такого сравнения представляет собой процесс сравнения двух потоков информации. Источником одного из них служит подготовленная заранее программа, как, например, копир в копировальном станке. А второй — поток информации, возникающий непосредственно в процессе работы автомата.

В тех примерах, что мы с вами рассмотрели, источниками второго потока информации служили движения грузов в центробежном регуляторе, движение цилиндра золотника в гидрокопировальной системе. Так или иначе, но автомат, действующий по замкнутой схеме, должен быть «очувствлен». Он обязан обладать свойством собирать информацию в процессе своей работы; ему надо быть оснащенным для этой цели специальными устройствами, эти устройства должны действовать с такой быстротой и точностью, чтобы отклонения фактического процесса, выполняемого автоматом, от заданного не превосходили определенной наперед указанной величины.

И еще несколько слов о гидрокопировальном автомате.

Обратите внимание на то, что стол вместе с фрезой как бы «следит» за перемещением ролика. Ролик перемещается влево — и стол вместе с фрезой перемещается влево. Ролик двинулся вправо — стол с фрезой вправо. Эта система так и называется — следящая система.

Принцип слежения, сущность которого состоит в том, что исполнительный орган (в нашем случае фреза) повторяет движение управляющего органа (ролика), не будучи с ним жестко связан, нашел широкое применение в современных автоматах и системах управления.

Механизмы и устройства, реализующие одновременно принципы усиления и слежения, получили название сервомеханизмов, название незаслуженное, если вспомнить, что слово «серво» происходит от латинского слова «раб».

Разумеется, ни Бонтемпи, ни многих других изобретателей и инженеров, интуитивно использовавших идею обратной связи и принципы усилений и слежения, нельзя считать их прямыми изобретателями. Однако созданные ими оригинальные, простые и надежные конструкции становились прообразами современных машин. И по мере того как число их увеличивалось, становилось ясным выдающееся значение идей и принципов, лежащих в их основе.

Заколдованный треугольник

Не хлебом единым

Много книг и статей посвящено одному из наиболее важных видов творческой деятельности человека — изобретательству. В них подробно разбирается, как тот или иной изобретатель работал над своим изобретением, что его натолкнуло на это изобретение, как возникла идея, как она обрастала плотью. Читателю становится ясно, как можно было бы изобрести паровую машину, телеграф, будильник или велосипед, если бы они еще не были изобретены.

К сожалению, никогда не было и до сих пор нет ни одной книги, которая объясняла бы, как изобрести что-нибудь новое, никому не известное. И беспокойное племя изобретателей действует самыми разнообразными методами. Изобретают поодиночке и коллективно, в рабочее время и вне работы, изобретают «по специальности» и не по специальности, в порядке служебного поручения и из любви к этому искусству.

Человек творит, изобретает, жертвуя своим временем, удобствами, подчас без всякой надежды на вознаграждение, иногда просто во вред себе. Ведь, пожалуй, нет ничего труднее, чем убедить окружающих в том, что вам удалось сделать не удававшееся другим или что вам удалось сделать это лучше, чем делали другие, подчас более квалифицированные, чем вы.

Официальное признание приходит в форме авторского свидетельства. А до этого умудренные опытом эксперты и рецензенты разных рангов всесторонне, объективно и, как правило, не торопясь изучают ваше предполагаемое изобретение, существо которого и заложено в заявке, получившей, допустим, № 754393.

Прежде всего им нужно выяснить, нет ли чего-нибудь похожего в 754 392 предыдущих заявках. Если что-то похожее есть, то надо выяснить, чем отличается предложенное вами от предложенного на пять-десять, а может быть, сто лет раньше. А затем начинается поиск ошибки в вашем изобретении, в результате которой появились эти отличия.

Если ничего похожего на ваше изобретение не нашлось, то начинается поиск ошибки, в результате которой появилось ваше изобретение, не похожее ни на какое другое.

Ошибку ищут во всех случаях. Все читающие вашу заявку заранее уверены, что любое изобретение если не старо, то уже наверняка ошибочно. Они твердо помнят, что человеку вообще, и изобретателю в частности, свойственно ошибаться. Их уверенность не лишена оснований, тем более что история науки и техники помнит, что порой ошибаются даже выдающиеся умы человечества.

Древнегреческий философ Аристотель учил, что скорость падения тел зависит от их веса. Согласно его учению шар весом в 10 килограммов падает в 10 раз скорее, чем шар весом в 1 килограмм. В течение почти двух тысяч лет никто не попробовал проверить на опыте это ошибочное утверждение. И только когда Галилей впервые проделал такие опыты, сбрасывая ядра разного веса с верхушки башни, и показал, что скорость падения тел не зависит от их веса, была исправлена эта «простая» ошибка.

Великий ученый древней Греции Клавдий Птолемей был, несомненно, выдающимся математиком и астрономом своего времени. Восемнадцать веков назад он написал трактат, получивший название «Альмагест», который полторы тысячи лет оставался непревзойденным образцом изложения астрономических знаний, но построенная им картина мира была неправильной. Величайшей ошибкой Птолемея была его уверенность в том, что Земля — центр мироздания. И так велик был научный авторитет Птолемея, что когда спустя тысячу с лишним лет Николай Коперник поместил Солнце в центр солнечной системы и причислил Землю к обычным планетам, вращающимся вокруг своей оси и вокруг Солнца, то эта картина мира его современниками была встречена с недоверием, как явно неправдоподобная. Даже ученым казалась совершенно фантастической мысль о том, что Земля вращается на манер волчка и в то же самое время мчится вокруг Солнца со скоростью 90 тысяч километров в час. Мы теперь знаем, что эти ученые ошибались.

В 1919 году выдающемуся английскому физику Эрнесту Резерфорду удалось впервые в мире расщепить ядро атома азота. В 1937 году на вопрос о том, когда его открытие найдет практическое применение, он ответил «никогда».

В 1938 году два немецких ученых, Отто Ган и Фридрих Штрассман, обнаружили, что атомы урана-235 можно расколоть, бомбардируя их нейтронами, движущимися со скоростью порядка 400 метров в секунду. При этом получился удивительный результат! Оказалось, что масса осколков несколько меньше массы, которая первоначально содержалась в ядре. Зато разрушение ядра сопровождалось выделением энергии. Ядро буквально взорвалось. Ничтожная масса, потерянная при таком взрыве, послужила источником гигантского количества энергии. Если только один килограмм массы полностью превратить в энергию, то это будет равносильно тому, как если сжечь 4 миллиона тонн угля!

Свыше десятилетия непрерывно и безотказно работает первая в мире атомная электростанция. Восемь лет назад вступил в строй первый в мире атомный ледокол.

Как мало времени понадобилось, чтобы опровергнуть неосторожное утверждение выдающегося ученого! Как недостоверны иногда бывают скептические прогнозы в отношении самых фантастических направлений науки!

Теперь вопрос о правильности исходной идеи, заложенной в основу вашего изобретения, решается в значительно более короткие сроки, и если он решен положительно, то тогда остается последний вопрос: «Есть ли практический смысл в изобретении?» Для того чтобы на него ответить, надо построить предлагаемый прибор, машину, автомат. Но решиться на постройку можно только в случае, если в изобретении есть практический смысл. Получается нечто вроде замкнутого круга, из которого эксперты и рецензенты подчас вообще не могут найти выхода.

А там, где торговля идеями распространена так же широко, как торговля товарами, на ниве изобретательства порой подвизаются проходимцы и авантюристы, выдающие чужое за свое, воображаемое за действительное, спекулирующие на самых удивительных «изобретениях» и «открытиях».

Хорошо известно, что после первой мировой войны германский экс-кайзер и генералиссимус Людендорф истратили огромные суммы, финансируя некоего Таузенда, который претендовал на открытие «секрета» алхимиков, якобы дающего простой способ получения золота.

В 1928 году, то есть на пятнадцать лет раньше, чем стала реальностью атомная бомба, уголовный преступник, называвший себя графом Гогенау, выступил на Международной конференции по топливу в Лондоне и объявил, что нашел способ использования внутриатомной энергии. Однако он исчез после того, как его биографией заинтересовался Скотленд-ярд.

Превосходной почвой, питавшей разного рода псевдоизобретателей и просто проходимцев, были «открытия» таинственных источников энергии.

В 1931 году один из таких «открывателей» вызвал целую сенсацию в Берлине, демонстрируя «энергетическое электрополе», под действием которого автомобили движутся без топлива, кролики растут вдвое быстрее, чем обычно. Германские концерны за право пользования этим «изобретением» выплатили «автору» свыше миллиона марок. В действительности же демонстрации этого проходимца перед директорами фирм были не больше чем цирковые фокусы.

В 1944 году уголовный суд Лондона осудил сразу четверых мошенников, организовавших компанию по использованию их «изобретения», благодаря которому двигатели работали без «чего-либо, напоминающего топливо», и пустивших в широкую продажу акции этой компании.

Число подобных примеров можно значительно умножить. Однако, пожалуй, достаточно говорить об ошибках непроизвольных и неизбежных и об «ошибках» умышленных. Раньше или позже их исправляют или разоблачают. А полезные изобретения, построенные на правильных идеях, так или иначе пробивают себе дорогу. Постепенно стихают голоса скептиков, не сумевших поначалу объективно оценить новое и сравнить его со старым, заведомо считавших, что «овчинка не стоит выделки».

А спустя еще некоторое время самое необычное становится привычным и естественным. И только изредка слышатся удивленные возгласы: «Как же люди обходились без спичек? Без стекла? Без электричества?»

В конце прошлого столетия одной из модных тем для фельетонистов служил автомобиль. В самых живых красках, ядовито и остроумно высмеивалась сложность и ненадежность его устройства по сравнению с «обычной» лошадью (разваливающийся на ходу автомобиль — постоянная деталь первых кинокомедий), удивительная «пища», которой он питался («таинственный» газолин вместо привычного овса), необходимость специальных дорог (посчитайте, сколько стоит такая дорога, да и зачем она нужна, когда уже есть железная дорога!). И чем более невежествен в области науки и техники был фельетонист, тем громче звучал его смех. Это можно понять!

Английскому ученому Чарльзу Дарвину принадлежат слова: «…обыкновенно не те, которые знают много, а те, которые знают мало, всего увереннее заявляют, что та или иная задача никогда не будет решена наукой».

Прошло немногим больше полусотни лет, и привычный автомобиль вытеснил с городских улиц и тысячекилометровых шоссе «морально устаревшую» лошадь.

Первые автомобили были буквально произведением технического искусства. Месяцы и годы кропотливого труда, непрерывных поисков конструктивных решений ответственных узлов и деталей, поиски материалов, способов обработки этих материалов — все это требовало каждый раз новых идей и исследований, каждодневного изобретательства.

Такими же произведениями искусства были первая электрическая лампочка и первая нить искусственного волокна, первое стальное перо и первая банка консервов, первые часы и первый радиоприемник.

Но как только становилось ясным, что этот «уникум» имеет право на жизнь, так начиналась работа по созданию машин, способных изготавливать миллионы автомобилей, часов, приемников. Непрерывным потоком текут десятки и сотни миллионов банок консервов и метров ткани, миллиарды спичек и перьев, кирпичей и электролампочек — предметов первой необходимости, без которых немыслима жизнь современного человека, и «мелочей», которыми он привык пользоваться, подчас даже не замечая их.

Творческая мысль человека не останавливается, не может остановиться до тех пор, пока она не находит материального воплощения: безразлично — идет ли речь о книге, картине или техническом изобретении.

Но вот работа над изобретением окончена, и перед ого автором, так же как перед писателем или художником, возникает всегда один и тот же вопрос: «Что скажут люди?»

Независимо от квалификации, пола и возраста, сознательно или бессознательно, изобретатель всегда пытается посмотреть на то, что он сделал, глазами других людей. Он заранее хочет знать, что они могут сказать по поводу его изобретения, и прежде всего он хочет знать, с каких позиций будут критиковать его изобретение. Ему это нужно знать обязательно, и мы постараемся ему помочь.

До нашей эры

В большом и светлом углу пещеры заседает экспертный совет первобытного племени: идет обсуждение проекта нового боевого и охотничьего оружия под условным названием «дубина».

Автор изобретения — допустим, его звали Ум — был совсем не стар и не очень ловок в охоте; тем не менее пришлось именно ему предоставить первое слово, иначе было неизвестно, что следует обсуждать.

— Как известно, — начал он, — весь мир пользуется на охоте, в быту и в боях палками и камнями. Палка годится во многих случаях, но все-таки убить ею крупного зверя не удается даже лучшему охотнику племени. (Послышалось недовольное ворчание охотников.)

— Все знают, — продолжал Ум, когда сородичи затихли, — что даже женщина камнем может разбить самую твердую кость. Но воевать и охотиться камнем неудобно. Расстояние между охотником и зверем часто оказывается опасно малым. Что касается бросания камней, то этот способ, как показывает опыт, недостаточно точен; а кроме того, даже самый сильный охотник не может в течение нескольких дней таскать за собой достаточное количество камней.

Учитывая вышеизложенное, я предлагаю соединить палку и камень в одно целое — дубину. При этом охотник будет находиться на безопасном расстоянии от когтей и клыков зверя, сумеет нанести ему достаточно сильный удар, и на весь период охоты ему хватит всего лишь одного камня.

Ум замолчал. Первым заговорил главный колдун племени.

— Я подробно ознакомился с обсуждаемым предложением. Автор просто-напросто фантазер. Конечно, не плохо было бы иметь палку, соединенную с камнем. Но ведь каждому ясно, что сделать это совершенно невозможно. Видел ли кто-нибудь, чтобы камень соединился с камнем или палка с палкой? Никто не видел. Но все-таки соединение однородных предметов я еще могу себе представить. А ведь Ум предлагает соединять разнородные предметы (смех, крики: «Мальчишка!» «Болтун!»). Может ли соединиться шкура животного с кожей человека или рыба с водой? Я сам пробовал заклинать палку, чтобы у нее выросли пальцы, которыми бы она держала камень, но опыты кончились неудачей.

Ум в своем предложении приводит туманные рассуждения о жилах носорога, но они не относятся к сути дела и на них останавливаться не имеет смысла. Я считаю изобретение Ума абсолютно неосуществимым.

Затем слово взял самый сильный охотник племени. Это был добродушный первобытный человек, который хорошо знал свое дело.

— В изобретении Ума явно сквозит недооценка возможностей современных орудий труда. Лично я берусь убить палкой подходящих размеров любого изобретателя. Что касается рассуждений автора о необходимом запасе камней, то и тут он совершенно не прав. Единственно, что нужно, — это уметь правильно прицелиться и сильно бросить. Опыт показывает, что после хорошего броска обычно остается тщательно вытереть камень — и он снова готов к действию. Для настоящего человека самое главное — острый глаз и сильные руки. Так было, так есть и так будет всегда!

Я считаю это изобретение абсолютно ненужным. Автору пора заняться полезным делом. А если он будет упорствовать, то с ним надо поступить, как это у нас обычно принято.

Последним выступил самый хитрый член племени. Он сказал, что не может понять предмета спора. И камень, и палка, и жила существовали задолго до того, как Ум якобы изобрел так называемую дубину. Об этом все хорошо знают. По его мнению, совершенно безразлично, лежат ли палка, камень и жила по отдельности или они сложены вместе. Во всех случаях это все равно не больше чем хорошо известные камень, палка и жила, и, значит, предложение Ума не содержит абсолютно ничего нового.

Он добавил, что не хочет больше сидеть голодным и присоединяется к мнению охотника.

В те далекие доисторические времена все предложения обсуждались сразу в последней инстанции. А принятые решения выполнялись молниеносно. Через час изобретатель был съеден полусырым. Вместе с ним съели двух очевидцев, которые утверждали, что они видели дубину, а также одного из членов экспертного совета, который предлагал еще немного подумать об изобретении Ума. Вождь племени впоследствии говорил, что он давно не участвовал в таком плодотворном совещании.

С тех пор многое изменилось. Но остались неизменными три позиции, с которых рассматривается каждое новое изобретение: 1) возможность осуществления; 2) целесообразность; 3) новизна.

«Невозможно», «Не нужно», «Не ново» — три возражения, образующие заколдованный треугольник, из пределов которого должно вырваться любое предложение для того, чтобы стать изобретением.

Начало одной истории

Осенью 1949 года в Москве, в одной из комнат коммунальной квартиры старого дома, за письменным столом сидели двое. Шла неторопливая беседа о недостатках пешего туризма, о преимуществах «Беломора» перед «Казбеком», о том, правильно ли сконструирована полиграфическая машина — монотип и как переступает лапками муха, ползающая по столу.

Был выпит чай, докурена пачка папирос. И тогда хозяин, глядя на гостя через толстые стекла очков, сказал: «Хорошо было бы заняться чем-нибудь интересным. Оторвитесь от ваших бесполезных формул и попробуйте придумать какую-нибудь задачу, с которой может справиться конструктор средних лет и выдающихся способностей при условии, что ему все время будет мешать скептик, склонный к теоретическому анализу».

На это гость после недолгой паузы ответил:

— Даже придумывать не надо. Есть задача, которой давно пахнет в воздухе, но… На мой взгляд, она так сложна, что чем позже вы ею займетесь, тем меньше времени у вас останется, чтобы об этом пожалеть!

— Выкладывайте вашу задачу!

— Хорошо. Вы знаете, что сейчас детали, обладающие криволинейными профилями и поверхностями, обрабатываются на копировальных станках или на универсальных, оснащенных специальными приспособлениями и механизмами, пригодными для обработки деталей одного типа. Так вот. Для многих современных отраслей производства этот метод явно устарел. Задача состоит в том, чтобы создать автомат, который сумеет обработать любой профиль и любую поверхность без копиров, шаблонов, эталонов или специальных механизмов.

— Мы с вами инженеры, а не фокусники, — недовольно сказал хозяин. — Хотя, впрочем, у меня есть мысль…

Так началась одна из первых работ по созданию станков с программным управлением. Была сформулирована технологическая задача, которая поначалу казалась совершенно неразрешимой. Затем появились мысль, идея решения, первые наброски, расчеты, а затем проект станка.

Чтобы понять идею, положенную в основу его разработки, еще раз вернемся к методу копирования.

Представим себе, что киноаппаратом снят процесс обработки кулачка — детали, имеющей криволинейный профиль, — заснят процесс, в течение которого заготовка кулачка вращалась равномерно, а фреза двигалась то в одну, то в другую сторону, повторяя движения копировального ролика.

Рассмотрим отснятую ленту кадр за кадром. Мы увидим, что на каждом из этих кадров фреза (и заготовка, конечно) занимает новое положение, отличающееся на конечную величину от того положения, которое она занимала на предыдущем кадре. Чем медленнее движется фреза и чем больше снято кадров в единицу времени, тем меньшие расстояния отделяют два положения фрезы, зафиксированные на двух смежных кадрах. И все таки эти расстояния можно измерить хотя и малой, но конечной величиной.

Значит, на киноленте зафиксирован не полностью весь процесс движения фрезы. Непрерывное ее перемещение представлено как совокупность кадров, показывающих фрезу в ряде последовательных положений.

При воспроизведении заснятого процесса зритель воспримет совокупность этих положений как непрерывное перемещение. Мы уже знаем, что бесчисленное множество промежуточных положений, которые последовательно занимает фреза между двумя положениями, зафиксированными на смежных кадрах, будет восполнено за счет определенной инерции зрительного аппарата.

Так, может быть, траекторию инструмента, необходимую для обработки данного изделия, можно представить в виде ряда последовательных положений инструмента?

Тогда каждое из этих положений можно задать числом, характеризующим, скажем, расстояние между центром фрезы и центром обрабатываемого изделия. А совокупность таких дискретных чисел, задающих ряд опорных точек траектории, будет представлять собой программу работы станка, выраженную в цифровом виде.

В промежутках между опорными точками фреза, конечно, не будет перемещаться строго по заданной траектории. Но если опорных точек достаточно много и если вся система в целом правильно рассчитана и сконструирована, то отклонения фактической траектории от заданной будут меньше некоторой обусловленной величины, и изделие будет обработано с необходимой степенью точности. Представить всю программу работы автомата в виде ряда чисел — в этом состояла идея решения поставленной задачи.

Как же записать эти числа так, чтобы запись была достаточно удобна, не занимала много места и в то же время чтобы те устройства автомата, которым предстоит ее «прочитать» и «понять», были бы максимально простыми и надежными?

Условимся снимать наш кинофильм так, чтобы от кадра к кадру обрабатываемая заготовка поворачивалась каждый раз на одну и ту же величину, скажем, на 1°. При этом каждый раз будем определять расстояние, на которое за время очередного поворота должна сместиться фреза, чтобы нужным образом обработать соответствующий участок профиля. Эти расстояния и будут характеризовать опорные точки траектории инструмента. Мы получим программу работы станка в форме таблицы, состоящей из двух столбцов. В первом столбце будут указаны углы поворота заготовки; во втором — приращения расстояния между центром заготовки и центром фрезы.

Выберем какую-либо достаточно мелкую единицу перемещения, например 0,01 миллиметра, и поделим на нее величины приращений, стоящие во втором столбце таблицы. Выполнив это действие, запишем в третьем столбце таблицы программу в виде совокупности неименованных чисел; другими словами, запишем ее в цифровом виде.

А теперь возьмем прозрачную киноленту и станем ее равномерно перематывать с одного валика на другой по мере поворота заготовки. На каждом отрезке ленты, соответствующем повороту заготовки на 1°, нанесем черные черточки; причем число их каждый раз будем выбирать равным соответствующему числу, написанному в третьем столбце таблицы.

Понятно, что число черточек будет различным на различных участках ленты. Однако в пределах каждого из этих участков распределим их равномерно. В результате программа работы станка окажется записанной на ленте в виде совокупности черточек, определенным образом расположенных вдоль по ее длине.

Мы уже знаем, что такой способ записи чисел называют унитарным кодом. И еще надо предусмотреть на программной ленте сигнал, который бы говорил, в каком направлении (к заготовке или от заготовки) должен двигаться инструмент на том или ином участке обработки. Для этого, кроме строчки черточек, можно нанести вторую строчку с прозрачными или зачерненными участками в зависимости от нужного направления движения.

Теперь остается спроектировать станок так, чтобы каждая черточка на ленте вызывала перемещение инструмента на обусловленную величину и в нужном направлении. Тогда при равномерном вращении заготовки инструмент будет шаг за шагом двигаться то в одну, то в другую сторону, обрабатывая профиль. Какой бы сложной поверхностью ни обладало обрабатываемое изделие, программу его обработки всегда можно представить в виде строчек, несущих простые черточки, гуще или реже расположенные вдоль по ленте.

А теперь очень кратко о станке, конструкция которого была порождена этой идеей, обдуманной долгими осенними вечерами.

Программная лента склеивается в замкнутое кольцо так, что по окончании обработки одного изделия можно сразу приступить к обработке следующего.

Станок оснащен специальным лентопротяжным устройством. Продвижение ленты синхронизировано с вращением стола, несущего обрабатываемую заготовку.

Лента движется непрерывно, перемещаясь на один кадр при повороте стола на один условный интервал. При этом она проходит через считывающее устройство, состоящее из блока двух фотоэлементов и осветителя.

Специальный фонарь посылает луч света, освещающего обе строчки на программной ленте. В зависимости от того, попадает ли свет на черточки или промежутки, на прозрачные или непрозрачные участки, он проходит либо не проходит через ленту; соответствующие фотоэлементы либо дают, либо не дают импульс тока.

Затем эти электрические сигналы направляются в специальный исполнительный механизм — шаговый двигатель, который понадобилось сконструировать, чтобы обеспечить шаговые перемещения стола в соответствии с программными сигналами. Шаговый двигатель устроен так, что каждый из программных сигналов-черточек вызывает перемещение стола станка на один шаг. Черточку за черточкой считывает фотоэлемент — шаг за шагом движется стол.

Так шаговый двигатель обеспечивает подачу стола в любом направлении с переменным числом шаговых перемещений. В это время заготовка равномерно вращается, фреза ее обрабатывает.

Задачи системы управления в шаговой системе, как видите, чрезвычайно просты. Они сводятся фактически к усилению считанных сигналов и их адресованию механизмам обработки шагов и муфтам реверса. Вся система управления этим станком работает по простой разомкнутой схеме.

Что произошло потом

…Спустя полгода после памятной беседы проект станка был готов. А затем началось его обсуждение в различных инстанциях.

И как это всегда бывает при обсуждении сколько-нибудь сложного вопроса, мнения экспертов и рецензентов разделились.

Одни из них сказали, что цифровую систему управления использовать невозможно потому, что программа обработки детали потребует много километров ленты, а подготовка программы займет недели и месяцы расчетной работы. Кроме того, шаговый двигатель очень тихоходен и не позволит создать высокопроизводительный автомат. Они утверждали, что построить целесообразную шаговую систему цифрового управления станками невозможно.

Вторые сказали, что лента — это ухудшенный вариант копира и ее применение привело бы к большому и абсолютно ненужному усложнению метода копирования.

Третьи сказали, что использование лент, магнитов, зубчатых колес, черточек, а также перфолент, перфокарт, магнитных лент уже давно и хорошо известно: например, в телеграфных и других автоматах. Так что если предложение авторов и заслуживает внимания по существу, то, уж во всяком случае, не обладает никакой новизной.

Никто из экспертов не питал личной неприязни к авторам нового автомата. Каждый честно излагал свое мнение об этом предложении. Но все эти мнения решительно расходились как между собой, так и с мнением четвертых экспертов и рецензентов, считавших, что в предложении есть новое и разумное зерно и вполне целесообразно провести его опытную проверку.

Это не так уж удивительно. Каждое действительно новое изобретение несет элементы неизвестного, непроверенного, рискованного. Оно требует изменить привычные взгляды, отказаться от установившихся процессов, которые кажутся не такими уж плохими. А кроме того, в нем очень многое действительно несовершенно и требует доработок, переделок, опытной проверки. В этом смысле каждому изобретению свойствен ряд недостатков. Только в сознании авторов все эти недостатки полностью заслонены предполагаемыми преимуществами. В глазах же экспертов преимущества и недостатки стоят плотной толпой, крепко держась друг за друга. И эксперты смотрят на эту толпу с разных точек зрения, видят разное и по-разному оценивают увиденное.

Заколдованный треугольник действовал в точном соответствии со схемой «невозможно», «не нужно», «не ново».

Сложный и громоздкий механизм рассмотрения заявок на изобретения работал на холостом ходу. На отказ признать предложение изобретением авторы писали возражения, обоснованные с их точки зрения и необоснованные с точки зрения тех, кому они были адресованы. Вновь следовал отказ — по старым и новым мотивам, и снова — возражения. Отказ — возражения…

А в это время в цехе небольшого заводика, не имеющего отношения к станкостроению, кипела работа. Представьте себе, что вы решили из старой мясорубки, поломанного будильника, карманного фонаря, скоросшивателя, «вечной ручки», кастрюли и нескольких метров старой киноленты построить агрегат, полностью автоматизирующий все процессы приготовления фарша. Тогда вы получите приблизительное представление о том, что делалось в одном из углов цеха — там, куда переставили старый фрезерный станок, потерявший свой лоск и свою точность и уже давно оставшийся без дела.

Вокруг него иногда днем, а обычно вечером сновали конструктор в очках с толстыми стеклами, на плечи которого легла вся тяжесть задачи превратить израненного ветерана в чудо техники, и два-три энтузиаста, умиравших от любопытства узнать, возможно ли в действительности такое превращение. В ход шло все, и все средства считались годными. Редуктор от старой полиграфической машины, магнитные муфты, полузаконным методом добытые с соседнего станкостроительного завода, фотоэлементы и электромагниты, взятые в долг в соседних лабораториях.

Большинство слесарей и станочников, работавших в этом цехе, приблизительно знали, над чем шла работа, и видели, с каким энтузиазмом она делалась. Энтузиазм заразителен, и многие рабочие были всегда готовы помочь, когда нужно было изготовить недостающие детали и даже целые новые узлы, когда нужно было разбирать сморщенную и почерневшую от старости машину и собирать «чудо-автомат».

Всему приходит конец, и однажды наступил день, когда работа была окончена. Это было странное на вид сооружение. Вместо маховичка, которым обычно вручную поворачивали винт подачи, была укреплена большая металлическая коробка, а за станком высился деревянный ящик, из которого высовывались ролики с надетой на них кинолентой.

Окружающие, дабы не уязвлять самолюбия авторов, тактично называли это сооружение макетом станка. Как мало этот макет напоминал то, что рисовалось в проектах авторов и в их возбужденном воображении! Но одно оставалось незыблемым — идея нового изобретения.

Вручную и не очень аккуратно на ленту была нанесена вся программа обработки изделия — черточка за черточкой. А в металлической коробке, к которой сбоку был присоединен электродвигатель, скрывались механизмы, превращавшие каждую черточку в шаговое перемещение стола. И когда двигатель был включен и макет начал действовать, молча стоявшие вокруг него авторы и энтузиасты, инженеры и конструкторы из разных отделов и лабораторий, рабочие и сотрудники цеховой администрации вдруг перестали слышать стук электромагнитов и храповиков и скрипение лентопротяжки, перестали замечать текущее из всех зазоров масло и жалкий вид конструкции, собранной из аляповато изготовленных узлов, казалось бы не имевших совершенно никакого отношения один к другому.

Они перестали это слышать и замечать, потому что, несмотря на все, макет работал. Он работал, и карандаш, укрепленный вместо инструмента, чертил на картоне, заменявшем обрабатываемую заготовку, замысловатую кривую — ту самую, что была сначала записана числами в таблице, а затем черточками на ленте.

С памятного осеннего вечера 1949 года и до момента, когда начал работать первый макет, прошло шесть лет. А еще пару лет спустя на Всемирной выставке в Брюсселе был отмечен высшей наградой — премией «Гран при» — серийный образец созданного в Советском Союзе фрезерного станка, оснащенного шаговой системой цифрового управления. В его проектировании, постройке, доводке и отладке участвовали десятки и сотни инженеров и конструкторов, техников и механиков.

Руководили этими работами высококвалифицированные станкостроители, и в их числе те самые эксперты и рецензенты, которые не сразу сумели за несовершенствами первого предложения разглядеть скрытую в нем прогрессивную идею.

Этот станок совершенно не похож на первый макет. Он оснащен специальными электрическими шаговыми двигателями, способными выполнять сотни шаговых поворотов в секунду. Вся его конструкция продумана и рассчитана на автоматическое действие, устранены люфты и зазоры, к минимуму сведено трение во всех подвижных сочленениях, электронный узел управления обеспечивает высокую скорость расшифровки и передачи шаговым двигателям управляющих сигналов, а программа работы записана очень плотно невидимыми «штрихами» на магнитной ленте.

Но одно в нем осталось от первого макета неизменным — шаговый принцип действия, принцип, позволивший построить станок по простейшей разомкнутой схеме, исключившей необходимость иметь цепь обратной связи, хотя между задатчиком программы — лентой — и исполнительным механизмом — шаговым двигателем — нет жесткой кинематической передачи.

Создание шаговой системы цифрового управления — лишь небольшой эпизод в истории новых идей и техники цифрового управления станками. Но ведь каждая новая глава в истории техники всегда слагается из отдельных эпизодов, и автор выбрал для рассказа тот из них, который ему знаком в мельчайших подробностях.

К тому времени, когда был построен первый макет шаговой системы управления, над созданием станков с цифровым управлением работали ряд организаций в Советском Союзе и бесчисленное множество фирм за рубежом. Сначала единицами, затем десятками, и к сегодняшнему дню уже сотнями насчитываются различные системы цифрового управления станками — фрезерными, токарными, координатно-расточными, сверлильными, специального назначения. Построены они как по разомкнутой схеме — с использованием шаговых двигателей, так и по замкнутой схеме с цепью обратной связи.

Чем объяснить такой бурный разворот? Так ли уж нужны эти станки? Вот один пример.

Корпус современного самолета состоит из крупных монолитных деталей фасонной конфигурации, благодаря чему фюзеляж и крылья имеют такую изящную обтекаемую форму. Размеры этих деталей достигают иногда 20 метров в длину, причем для обработки некоторых из них методом копирования необходим комплект из трех различных копиров.

Одной из зарубежных самолетостроительных фирм подсчитано, что для обработки всех деталей корпуса тяжелого самолета нужно немногим меньше 2 тысяч копиров. Заготовки, которые будут обрабатываться по этим копирам, а также заготовки других деталей предварительно штампуются в специальных штампах. Таких штампов требуется 3–5 тысяч штук.

Помимо этого, при подготовке к производству каждого нового типа самолета требуется значительное количество шаблонов, которые служат для контроля при изготовлении самых различных деталей самолета. И если по каждому из копиров и штампов в дальнейшем будут изготовлено не одно, а несколько изделий и заготовок, в зависимости от количества выпускаемых, самолетов данного образца, то шаблоны, как правило, изготовляются всего лишь в одном-двух экземплярах. На один тип самолета обычно требуется 15–20 тысяч шаблонов.

Наконец, при наладке металлорежущих станков, ведущих обработку прочих деталей тяжелого самолета, требуется до 1000 различных кулачков. Время, которое необходимо только на обработку криволинейных профилей и поверхностей всей так называемой оснастки (штампов, копиров, кулачков, шаблонов), исчисляется сотнями тысяч часов и связано с затратой очень больших средств. А конструкции самолетов изменяются, как мы знаем, часто. При переходе к выпуску новой модели всю эту работу приходится начинать заново. И если не обеспечить высокий темп производства, то новый самолет окажется устаревшим еще до того, как кончится изготовление нужной для его производства оснастки.

Точно так же обстоит дело со многими деталями ракет и газовых турбин, современных приборов и радиоаппаратуры. Вот почему ученые и инженеры вынуждены искать решения, которые позволили бы автоматизировать процессы обработки деталей без изготовления копиров или специальных механизмов. Другими словами, не моделируя физическими средствами ту программу, по которой должен работать автомат.

И постепенно станки с цифровым управлением получают прописку в цехах заводов. Сначала это нежелательные жильцы — ведь они требуют повышенной заботы, пристального внимания и особого ухода. Они сложны по конструкции, густо оснащены электроникой. Они не наилучшим образом приспособлены к жизни в цеховых условиях.

А главное (самое главное!) — ведь раньше обходились без них. Значит, и в дальнейшем можно обойтись.

Но вот к новоселу присмотрелись, приноровились и наладили его для обработки самой сложной детали, на изготовлении которой всегда спотыкались в цехе. И вот тут новичок показал, на что он способен: в одну смену он изготовил столько деталей, сколько раньше цех не изготавливал за неделю.

К этому времени были рассчитаны программы на обработку трех других изделий, вызывавших крайнее неудовольствие технологов своей сложностью. И станок, не остыв от обработки одного изделия, уже начал обрабатывать вторые, третьи, четвертые.

Теперь уже не надо было для каждого из этих изделий заказывать в инструментальном цехе копиры, требуя, чтобы они были тщательно изготовлены с высокой точностью и из высококачественных материалов. Не надо было ломать голову над проектированием специальных механизмов, которые могли бы обеспечить то или иное движение инструмента относительно заготовки — разное для разных изделий.

Почти ничего не надо было менять в станке для того, чтобы заставить его вместо одного изделия обрабатывать совершенно другое. Из вычислительного центра в цех приносили магнитную ленту, на которой была записана программа обработки нового изделия. Ее устанавливали на пульте управления, включали станок, и он принимался за обработку нового изделия.

И если в действительности эта картина выглядела далеко не так просто, как мы сейчас рассказали, то тем не менее решение приспособить числа для управления станками было хорошей догадкой, было полноценным изобретением. Пусть вначале несовершенное и опробованное лишь в самых грубых макетах — оно содержало рациональное зерно. Это зерно не могло не быть замечено и скоро начало давать ростки, а затем и плоды — станки, построенные с использованием новых идей. Показав себя в деле с лучшей стороны, они из нежданных и непрошеных гостей вскоре становятся самыми желанными.

Сначала единицы, затем десятки, сотни, а теперь тысячи станков с цифровым управлением трудятся в цехах заводов. Появляются все новые и новые автоматы и целые автоматические линии с цифровым или, как обычно говорят, с программным управлением. На этажерке современных автоматов они располагаются почти на самых высоких полках.

Но и у этих автоматов, как и у всех других, есть свои «предки». О них пойдет рассказ в следующей главе. Он будет тем более полезен, что многие из этих «предков» до сегодняшнего дня честно и самоотверженно работают на благо человеку и, наверное, все так же будут работать не один десяток лет.

«Абстрактная» картина, «конкретная» мелодия

10^300000 узоров

В 1801 году на промышленной выставке в Париже среди прочих экспонатов был выставлен ткацкий станок, вокруг которого всегда толпились посетители. Этот станок был оборудован устройством, механизировавшим самую сложную часть процесса выработки узорчатой шелковой ткани, ранее требовавшую большого искусства и напряженного труда двух-трех ткачей.

Изобретателем этого станка был француз Джозеф Жаккар. Сын лионского ткача, он еще в юности, работая ткачом, предпринял попытки усовершенствовать свое орудие производства.

Путь Жаккара не был, как говорят, усеян розами. Достаточно сказать, что один из первых образцов созданного им станка был уничтожен его земляками — лионскими ткачами, боявшимися, что это изобретение лишит их куска хлеба. Однако он продолжал работу. Длилась она с перерывами около тридцати лет, пока, наконец, ему удалось добиться своего.

Его станок был отмечен медалью Парижской выставки, а уже через десять лет только во Франции действовало около 12 тысяч таких станков. В 1840 году, спустя несколько лет после смерти изобретателя, его земляки соорудили ему в Лионе памятник. С рядом значительных усовершенствований станок Жаккара до настоящего времени широко используется во всем мире.

Рассмотрите внимательно ткань, из которой сшит ваш пиджак, платье, изготовлены полотенца, скатерти, ковровое дорожки, десятки и сотни других мануфактурных изделий. Вы убедитесь, что любая ткань образуется путем взаимного переплетения нитей, располагающихся перпендикулярно друг другу. Нити, проходящие вдоль длины ткани, образуют так называемую основу, поперечные нити — утóк.

Качество ткани определяется материалом нитей основы и уткá, а ее внешний вид — характером их переплетения, которое производится на ткацком станке.

Обычный ткацкий станок, история которого к моменту изобретения Жаккара насчитывала добрых 2 тысячи лет, действует примерно так. Нити основы (число их может достигать нескольких тысяч) проходят через отверстия — глазки — в так называемых ремизках, расположенных вертикально и перпендикулярно основе. Каждая из ремизок поочередно движется вверх и вниз. Поднимаясь, она увлекает за собой те из нитей основы, которые продернуты в ее глазки. При этом между поднятыми и неподнятыми нитями основы образуется промежуток, называемый зевом. В этот зев устремляется челнок, протягивая за собой нить уткá. Ремизки все время меняют положения, нити попеременно поднимаются и опускаются, а человек снует то туда, то обратно, переплетая уток с основой.

Две ремизки дают возможность получить только самое простое переплетение, узор которого напоминает расположение белых и черных клеток на шахматной доске.

Увеличивая число ремизок, можно усложнить переплетение. Обычно ткацкие станки имеют до 24 ремизок. Но этого мало. На таких станках можно вырабатывать ткань только с мелким узором, содержащим не более 24 разнопереплетенных нитей.

Дальнейшее повышение числа ремизок ведет к значительному увеличению размеров станка и связано с рядом конструктивных трудностей. А возможность увеличивать по желанию число разнопереплетающихся нитей представляется весьма заманчивой — ведь именно это необходимо для изготовления ковровых тканей, гобеленов, богато разукрашенных покрывал, скатертей, бархатов и шелков.

Что же изобрел Жаккар?

Он выбросил ремизки, которые поднимали одновременно сотни нитей. Каждая из нитей теперь может быть поднята по отдельности. Для этого служит так называемая лица — внизу она имеет глазок, наверху — крючок.

Сотни, тысячи крючков выстроились вдоль прутьев решетки, расположенной в верхней части прибора. Решетка движется вверх и вниз, а ее прутья проходят мимо крючков. Но если немного отклонить те или другие крючки, то решетка их зацепит и поднимет вверх, а вместе с ними — нити с основой.

Отклонить каждый из крючков можно, толкая связанный с ним длинный стерженек — иглу. Концы всех стерженьков торчат с одной стороны прибора, точно клавиши пишущей машинки.

С этой же стороны прибора располагается его важнейший узел — призма, укрепленная на качающемся рычаге. На призму надевается картон — непрерывная цепь связанных между собой картонных карт, число которых равно числу разнопереплетенных нитей уткá в узоре и может достигать 2–3 тысяч штук.

В картах в соответствии с вырабатываемым узором просечены отверстия. Рычаг, качнувшись, прижимает карту к иглам, некоторые из них проходят через отверстия, все остальные упираются в карту. В результате связанные с иглами крючки либо занимают вертикальное положение, либо отклоняются.

Затем движется вверх решетка. Поднимаясь, она увлекает за собой вертикально стоящие крючки, а с ними те нити основы, которым соответствуют пробивки в карте, после чего челнок прокладывает уточную нить. Затем верхняя решетка опускается, иглы возвращаются в исходное положение, призма поворачивается, подавая очередную карту, поднимаются другие нити основы. Туда и обратно снует челнок, прокладывая одну за одной утóчные нити.

С этим станком управлялся уже один ткач, и от него не требовалось того высокого искусства, какое было нужно, когда сложный узор ткался по-старому. И работал ткацкий станок с таким механизмом несравненно быстрее нескольких самых высококвалифицированных ткачей. А чтобы вырабатывать ткань с новым узором, достаточно было заменить один картон другим. Машине при этом не надо было «привыкать» к новому узору, она сразу начинала работать в максимальном темпе.

Теперь для нас не представляет труда подсчитать, сколько различных узоров можно получить, если, например, число нитей в основе равно 1000, а картон составлен из 1000 карт.

В двоичной записи это число выразится так: 21000000, или примерно 10^300000.

Число такого порядка просто невозможно себе представить. Математики в шутку подсчитали, что с момента, когда люди стали разговаривать, они наговорили около 10^16 слов. Английский астроном Артур Эдингтон утверждает, что вселенная состоит из 136 · 2^256 (или примерно 10^73) протонов и такого же числа электронов. Если даже он ошибся и в действительности это число в тысячу, в миллион, в миллиард или в сотни миллионов миллиардов раз больше, то и тогда оно останется незаметно малым по сравнению с возможным числом образцов ткани, которое можно выработать (причем совершенно не задумываясь) на станке Жаккара.

Недавно английский ученый Уильям Эшби предложил называть целые положительные числа в пределах от 10 до 10^10 практическими — в том смысле, что мы можем осуществлять над ними реальные операции.

Числа в пределах от 10^10 до 10^100 он предложил назвать астрономическими.

В дополнение к этой классификации советский математик А. И. Колмогоров предложил называть числа третьего класса, превышающие 10^100, комбинаторными.

А инженеры и техники, не искушенные в математических тонкостях, называют разнообразие узоров, которое может дать способ Жаккара, бесконечным.

Ткацкий станок, оснащенный прибором Жаккара, представляет собой, если пользоваться современной терминологией, первую рабочую машину с программным управлением.

Следует сказать, что в процессе зевообразования вместе с верхней решеткой поднимаются сотни крючков, лиц, нитей, специальных грузиков. В результате вес движущихся частей составляет несколько десятков килограммов. Вряд ли механизм зевообразования мог надежно работать, если бы такие усилия пришлось передавать через иглы и перфокарты. Жаккар нашел выход из этого положения. Механизм зевообразования приводится в движение массивной рычажной передачей. Необходимая для этого энергия поступает из нерегулируемого постоянного источника (сначала им служила паровая машина, теперь же — электродвигатель). И только ничтожная доля ее затрачивается на управление перемещением игл с крючками.

Значит, в этой машине уже был использован принцип серводействия, сущность которого сводится к тому, чтобы с помощью слабого сигнала управлять большой мощностью. А ведь принцип серводействия, как мы знаем, составляет основу большинства современных систем автоматическою управления.

Но станок Жаккара интересен не только потому, что он был головным в ряду машин с программным управлением и уже в первых конструкциях содержал в себе элементы современных автоматов. Он представляет интерес еще и как пример удивительного долголетия идеи решения важной технической задачи. Ведь со дня изобретения Жаккара прошло уже более полутора веков, однако до сих пор не найдено лучшего способа выработки тканей, украшенных сложным узором.

Не следует думать, что промежуток между обычным ткацким станком и станком Жаккара ничем не заполнен, что Жаккару принадлежит идея закодировать узор в виде отверстий, что он изобрел перфокарту и иглы с крючками. Нет, дело обстоит далеко не так!

Еще за семьдесят пять лет до выставки в Париже французский механик Базиль Бошон пытался приспособить для той же цели ленту с отверстиями. Затем он вместе с ткацким мастером Фальконом заменил этого «предка» перфоленты набором узких полос картона с отверстиями. Над созданием механизма из крючков и иголок много работал тот самый Жак Викансон, который мастерил механических «людей».

Если бы можно было более точно проследить историю этого изобретения, то, наверное, стали бы известны еще и другие имена.

Работы Жаккара подвели итоги семидесятипятилетней истории. Он многое взял у предшественников: был знаком с незаконченным станком Вокансона, ему помогали способные механики. И наверное, поэтому довольно долго обсуждался вопрос о приоритете Жаккара. Про него говорили, что «немногие люди удостоились подобных почестей, сделав так мало».

И тем не менее именно Жаккар, объединив разрозненные идеи, усовершенствовав еще совсем сырые разработки, внеся много нового, создал первое работоспособное устройство, принцип действия которого до сих пор представляет основу любого ткацкого автомата. И по справедливости именно ему поставили памятник.

«Консервированный» звук

А теперь познакомимся с другим предшественником современных автоматов с программным управлением — с пианолой («механический пианист»), имевшей широкое распространение в конце прошлого века.

Пианола — это знакомое всем пианино (или его близкий «предок» — фортепьяно), оснащенное устройствами, предназначенными для механического воспроизведения музыки.

Мелодия «записывалась» в форме отверстий на плотной бумажной ленте. Ширина ленты была такой, что на ней могло разместиться 88 отверстий: по числу клавишей в клавиатуре пианолы. Но, конечно, в каждой из строк, следующих одна за другой по длине ленты, пробивались не все отверстия, а лишь соответствующие тем клавишам, которые должны издавать звук. И когда в соответствии с записываемой мелодией ту или иную клавишу следовало нажать, в ленте пробивалось отверстие. Лента перематывалась, и строка за строкой на нее наносилась мелодия.

Готовый валик можно было установить в приемное устройство пианолы и с помощью ножного привода привести в движение. При этом лента, перематываясь с одного ролика на другой, огибала специальный распределитель, в котором просверлено 88 отверстий. И как только то или иное из отверстий на бумаге совпадало с отверстием на распределителе, так соответствующая клавиша опускалась, нажатая невидимым пианистом.

Этим невидимым пианистом был воздух. С помощью воздуха «считывалась» с ленты мелодия, воздух приводил в движение клавиши. Играющему на пианоле оставалось только откачивать воздух, для чего служили специальные педали, и с помощью простых устройств управлять громкостью звука и темпом исполнения.

После того как в 1842 году французом Сейтром была построена первая пианола, ряд фирм и отдельные изобретатели в течение последующих лет внесли много остроумных усовершенствований в механизмы пианолы, так что последние ее конструкции давали возможность «записать» и автоматически воспроизвести игру пианиста-виртуоза.

Выпуск пианол и бумажных роликов с записанной на них музыкой к концу XIX века получил размах промышленного производства.

Однако мы знаем, что судьба пианолы коренным образом отличается от судьбы станка Жаккара, ведь в наши дни пианолу можно встретить только в музеях музыкальных инструментов.

Почему? Здесь мы вновь встречаемся с Томасом Эдисоном.

Нет, наверное, ни одной области современной ему техники, где бы он не оставил заметного следа. Можно сказать, что Эдисон изобретал всю свою долгую жизнь. Его биографы рассказывают, как он сделал свое первое изобретение. В течение некоторого времени молодой Эдисон работал дежурным телеграфистом на небольшой станции железной дороги. Согласно инструкции дежурный должен был подавать ночью ежечасно определенный сигнал по аппарату Морзе. Эдисон изобрел остроумный механизм, соединенный со станционными часами, который автоматически подавал необходимый сигнал, в то время как Томас спокойно спал. Однако вскоре этот трюк был разоблачен и его автор получил выговор.

Первое официально признанное изобретение, на которое Эдисон получил патент, он сделал в 1868 году в возрасте двадцати одного года. Это была «машина голосования», предназначенная для конгресса США. При решении голосованием того или иного вопроса члену конгресса достаточно было нажать одну из кнопок — «да» или «нет», машина подсчитывала голоса, поданные «за» и «против» обсуждаемого законопроекта. Комиссия конгресса опробовала это изобретение, после чего на ее заседание был вызван изобретатель.

— Молодой человек! — сказали ему. — Если бывают совершенно нежелательные изобретения, то ваше — типичный пример. Самое мощное оружие парламентского меньшинства в его борьбе против принятия нежелательного закона — это оспаривание результатов голосования. Ваша машина выбивает это оружие из рук членов конгресса — она работает слишком хорошо, нежелательно хорошо!

В феврале 1930 года, незадолго до смерти, он запатентовал свое последнее изобретение — способ извлечения каучука из каучуконосного растения — золотарника.

Эдисон изобретал шестьдесят два года и за это время получил 1200 патентов в США и 1300 патентов за рубежом, установив тем самым своеобразный рекорд изобретательского творчества.

Эдисон работал с раннего утра до позднего вечера всю свою долгую жизнь. Ему принадлежит знаменитая фраза о том, что «гениальность — это 2 процента вдохновения и 98 потения».

Практичные американцы еще в 1928 году подсчитали, что изобретения Эдисона принесли человечеству ни много ни мало около 16 миллиардов долларов.

Одно из изобретений, сделанное Эдисоном в 1877 году, — фонограф — привело к тому, что пианола сразу и безнадежно устарела.

Изобретение фонографа относится как раз к тем «случайным» изобретениям, об авторах которых говорят, что им «повезло».

Эдисон работал над своим очередным изобретением — телеграфным повторителем. Этот повторитель должен был автоматически регистрировать сигналы, поступающие на телеграфную станцию, чтобы затем их можно было передать дальше с гораздо большей скоростью, чем та, с которой мог передавать человек.

Главную часть прибора составлял вращающийся диск, на котором укреплялась плотная бумага, покрытая воском. Бумаги касалась иголочка, кончик которой вдавливался в воск, регистрируя приходящие сигналы.

Когда затем иголочка, включенная в электрическую цепь, двигалась по вдавленным в воск точкам и тире, импульсы тока посылались в передатчик.

Однажды во время испытаний этого прибора тормозное устройство пружинного механизма, приводившего диск с бумагой в медленное вращение, испортилось; диск начал вращаться с большой скоростью. Собираясь выключить прибор, механик подозвал Эдисона. Подойдя, Эдисон услышал, что прибор издает странные звуки, то высокие, то низкие, кричащие и взвизгивающие.

Случай, тот самый случай, который происходит далеко не с каждым, подсказал Эдисону идею фонографа — аппарата для записи и воспроизведения звука.

Он быстро набросал схему аппарата. Чтобы не повредить патентоспособности телеграфного повторителя, он заменил плоский диск цилиндрическим валиком. На валик был навернут лист станиоля — оловянной фольги. Пишущая игла была связана с мембраной, воспринимающей звуковые колебания, и при вращении валика выдавливала на фольге канавку переменной глубины. Ось валика имела резьбу, и при каждом обороте валик продвигался на определенную величину; звук записывался в виде винтовой канавки.

С помощью этого аппарата Эдисон рассчитывал проверить только идею изобретения; он надеялся услышать при воспроизведении хотя бы несколько звуков и был готов к длительному поиску путей развития этой идеи. Уже на следующий день аппарат был готов. Эдисон покрыл валик фольгой и, поворачивая рукоятку валика, начал говорить в мембрану.

Биографами Эдисона восстановлены многие подробности, сопутствующие его изобретениям, и в том числе текст первой записи, сделанной с помощью самой первой модели фонографа. Оказывается, первое, что пришло в голову Эдисону во время этого сеанса звукозаписи, была детская песенка:

У Мэри был маленький барашек

С белой, как снег, шерстью.

И куда бы ни шла Мэри,

Барашек следовал за ней.

Затем он установил иглу в исходное положение и снова повернул рукоятку.

— Никогда в жизни, — говорил Эдисон впоследствии, — я не испытывал такого сильного волнения.

Аппарат четко воспроизвел слова детской песенки точно так, как их произносил Эдисон. Механики, изготавливавшие модель, стояли как пораженные громом. Впервые в истории машина «запомнила» человеческий голос и повторила сказанное человеком. Машина заговорила. Спустя три месяца Эдисон запатентовал свое изобретение, которое прогремело на весь мир. Тысячи людей посещали мастерскую Эдисона, чтобы посмотреть и услышать новое чудо. А затем фонограф появился в Европе и произвел на европейцев не меньшее впечатление, чем на американцев.

Пианола воспроизводила одну только фортепьянную музыку. А фонограф был «универсалом». С его помощью одинаково просто можно было воспроизвести игру целого оркестра, пение, речь, разговор; причем звукозапись осуществлялась им сравнительно просто: фонограф «запоминал» все звуки, которые в него поступали в период записи.

Дни пианолы были сочтены, хотя ее продолжали улучшать и совершенствовать. Но любые усовершенствования этого автомата все же не могли сделать его конкурентоспособным с новым, хотя еще очень несовершенным автоматом — фонографом. Так случилось потому, что непоправимо устарел использованный в пианоле способ записи и воспроизведения звуков, устарел, если можно так выразиться, «технологический процесс», реализуемый этим музыкальным автоматом.

Вскоре еще один американец — Эмиль Берлинер — усовершенствовал фонограф Эдисона. Он заменил валик плоским цинковым диском, покрытым воском, и додумался записывать звук в виде извилистой канавки вместо канавки переменной глубины; наконец он изобрел способ изготавливать множество копий с одной пластинки и назвал это изобретение граммофоном.

Впоследствии под броским названием «консервированный звук», предвосхитившим, кстати, другие не менее броские названия: «электрический глаз», «электронный мозг», начала быстро развиваться целая новая отрасль промышленности, которую вызвало к жизни «случайное» изобретение Эдисона.

Судьбу пианолы разделили многие изобретения, и нам полезно вспомнить о ней в этой книге, подчеркнув тем самым, что в любой машине, в любом автомате должны гармонически сочетаться не только совершенные конструкция и система управления, но и совершенный технологический процесс.

Буква за буквой

А о том, что система управления, использующая перфорированную бумажную ленту и пневматику, не устарела, свидетельствует, например, монотип — вполне современная полиграфическая машина, хотя уже достигшая семидесятилетнего возраста.

В строю агрегатов, механизирующих и автоматизирующих технологический процесс производства книги, монотип стоит на правом фланге в группе наборных машин.

С их помощью осуществляется переход от рукописи книги к печатной форме. Затем включаются в работу печатные и переплетно брошюровочные машины, назначение которых ясно из их названия.

Монотип фактически представляет собой комплекс, состоящий из двух машин, непосредственно не связанных между собой.

Первая из этих машин — наборная головка — напоминает собой обычную пишущую машинку, только со значительно большим числом клавишей (286, а не 50 как на обычной пишущей машинке). Наборщик на этой машине работает так же, как машинистка, то есть нажимает поочередно клавиши и набирает таким образом текст в соответствии с рукописью.

Однако вместо обычных страниц печатного текста наборная «головка» выдает бумажную ленту с пробитыми в ней отверстиями.

При нажатии на очередную клавишу в ленте осуществляется перфорация, после чего она передвигается на один шаг. Чтобы набрать лишь одну страницу этой книги (в ней примерно 2000 печатных знаков), требуется около 6 метров монотипной ленты.

Вторая часть монотипа — отливная машина. Это автомат, для которого программой работы является перфорированная лента. Примерно так же, как в описанной выше пианоле, программа-лента протягивается через специальный распределитель, перекрывая имеющиеся в нем отверстия, ведущие к воздухопроводным трубкам. Когда отверстия на ней совпадают с теми или иными отверстиями распределителя, открывается доступ сжатому воздуху в соответствующие трубки.

А дальше?

Центральным узлом отливной машины является так называемая матричная рамка, которая несет 225 матриц, расположенных в 15 рядов. Каждая матрица — медный брусочек квадратного сечения. На торцах этих брусочков выполнены вдавленные изображения букв, цифр, различных типографских знаков.

Под матричной рамкой располагается отливной аппарат, который букву за буквой отливает из легкоплавкого сплава весь набранный текст.

Отливные буквы и знаки автоматически собираются в строки, образующие печатную форму, которая в дальнейшем устанавливается в печатной машине и тискает книжную страницу.

Пневматическая система управления монотипа должна каждый раз автоматически останавливать матричную рамку так, чтобы над отливным аппаратом оказывалась матрица именно той буквы, которую следовало отлить.

Не следует думать, что процессы перестановки рамки и отливки букв занимают много времени. В одну секунду машина отливает три буквы, успевая отливать текст, набранный двумя наборщиками.

Мы коротко познакомились с тремя машинами. Они автоматически воспроизводят заданный узор ткани, заданную музыкальную мелодию, заданный текст.

Количество примеров использования перфорированных лент и карт для управления работой различных машин можно было бы значительно увеличить. Однако в этом нет необходимости. Для нас важно, что три описанные выше машины осуществляют самые различные процессы, а вместе с тем идеи, положенные в основу их построения, имеют много общего.

Только числа

Прежде всего бросается в глаза, что совершенно одинаковым способом задается их программа работы. И узор, и мелодия, и текст зашифровываются в виде пробивок либо на картоне, либо на ленте. Есть отверстие — действие совершается, нет отверстия — действие не совершается.

Но, помимо этого внешнего сходства, имеется еще одна черта, общая для этих машин: действия, которые совершаются системой управления, предельно просты независимо от сложности программы.

В устройстве Жаккара крючок либо занимает вертикальное положение, либо отклонен.

Рычаг пианолы либо поднят, либо опущен.

Упор монотипа либо выступает, либо утоплен.

«Да» — «нет»! Это ведь хорошо нам известный двоичный код.

Идея шифрования программы в форме пробивок или других отметок на перфокартах или на других носителях программы, так же как и идея представления сложной программы в виде совокупности простейших элементов, получила в последние годы широкое развитие и применение при создании машин и станков с программным управлением.

Разрабатывая машину, предназначенную для обработки того или иного изделия, конструктор стремится так спроектировать ее механизмы и устройства, чтобы они по возможности просто и надежно воспроизводили, или, как говорят, моделировали, заданную программу технологического процесса.

Механизмы спичечного автомата предназначены только для того, чтобы иметь дело с деревянными щепочками определенного размера и формы. Торговый автомат предназначен для определенной монеты или определенного набора монет. В этом нет беды, поскольку конструкции спички, лампочки, консервной банки, пончика, нити годами остаются неизменными. Надо только, чтобы машины выпускали эти изделия в возможно больших количествах. И ничего плохого нет в том, что их механизмы год за годом работают по одной и той же программе.

Но существует гигантская область техники — машиностроение, — продукция которой далеко не отличается таким постоянством. Конечно, и тут множество изделий годами и даже десятками лет не меняют своей конструкции: болты, винты, гайки, шайбы, шарикоподшипники и ряд других деталей и целых узлов. Но вместе с тем каждая новая машина, прибор, устройство содержат оригинальные, новые детали. Каждую из таких деталей надо обрабатывать по своей особой программе. Значит, совершенно необходимо иметь такие машины, программу работы которых можно легко и быстро менять, чтобы обрабатывать различные изделия. На примере копировальных станков мы видели, какие преимущества несет эта идея. Действительно, заменяя один копир другим, можно на одном и том же станке автоматически обрабатывать самые разнообразные изделия.

Но чтобы обработать изделие на копировальном станке, нужен прежде всего копир, который должен быть изготовлен с точностью, превышающей точность самого изделия.

Как обойтись без копира? В предыдущей главе был дан ответ на этот вопрос. Его подсказали станок Жаккара, пианола, монотип. Программа их работы задана, в виде пробивок на перфоленте или перфокартах. Чтобы они работали, не надо иметь образец ткани и приглашать пианиста.

Для перехода от одной мелодии к другой или изменения узоров достаточно только заменить ленту или картон.

Само собой разумеется, что гораздо проще в определенном порядке пробить ряд отверстий в бумажной ленте, не слишком заботясь об их размерах и форме, нежели изготавливать образец изделия, да еще с чрезвычайно высокой точностью.

Проще прежде всего потому, что перфорированная лента ни в коей мере не является образцом обрабатываемого изделия. Она вообще ничем не напоминает о своем конкретном назначении. Она не содержит сведений ни о цветах нитей, ни о музыкальных звуках, ни о типографских знаках. Если бы ленты, управляющие ткацким станком, пианолой, монотипом, были одинаковы по размерам и конструкции, а нитей, струн и печатных знаков было одинаковое число, то тогда на ткацком станке можно было бы «выткать мелодию», на пианоле «сыграть текст», а на монотипе «набрать узор».

Трудно сказать, как бы звучал созданный таким методом концерт для пианолы с оркестром на тему «Основы математической логики» или как бы выглядел узор «Чижик-пыжик». Но во всяком случае их действительно с полным основанием можно было бы назвать «конкретной музыкой» и «абстрактным узором». Неосуществима эта мысль только потому, что у ткацкого станка, пианолы и монотипа разное число исполнительных органов — крючков, клавишей, литер.

Запас сведений, заключенный в перфорированной ленте, касается только числа и выбора тех исполнительных органов, которые должны быть приведены в действие в данный момент. Эти сведения говорят о том, сколько и каких нитей надо поднять в данном такте работы машины, сколько и какие клавиши должны быть нажаты, сколько и какие упоры следует выдвинуть.

Но ведь других сведений и не надо, чтобы та или иная из этих машин работала совершенно исправно!

Металлорежущий станок обычно действует одним инструментом. У него нет десятков клавишей, сотен литер и тысяч нитей. Что в этом случае должно быть «записано» на перфоленте, перфокартах, на любом другом носителе программы? И на этот вопрос уже был дан ответ.

Размеры и конфигурацию любого изделия можно с исчерпывающей полнотой описать числами. Значит, на ленте нужно записать числа, только числа, а станок построить так, чтобы он мог эти числа преобразовать в необходимые движения инструмента и обрабатываемого изделия.

В этом состоит идея, положенная в основу любой машины с цифровым управлением. Около двадцати лет назад многие инженеры, ученые и изобретатели в Советском Союзе, США, Англии начали приближаться к ее практическому осуществлению. С разных сторон, не сговариваясь, порой не подозревая о параллельно ведущихся работах, они шли к одной цели, руководствуясь одними и теми же путеводными нитями и соображениями.

Этому не следует удивляться. В области технического прогресса подобные случаи совсем не редкость.

Кто сказал «а»?

Новая идея почти всегда назревает исподволь. Она еще не реализована, подчас даже еще не сформулирована точно. Но приходит, наконец, момент, когда ее техническое воплощение оказывается подготовленным. Тогда наступает «прорыв». В один прекрасный день оказывается, что над развитием этой идеи работают уже в течение длительного времени, что самые различные исследования, опыты и конструктивные разработки были нацелены на одно и то же, что многие люди разным образом выражали примерно одни и те же мысли и различными техническими средствами решали одну и ту же задачу.

А спустя больший или меньший промежуток времени над развитием и реализацией этой идеи в виде машин, приборов, инструментов, процессов уже работают во всем мире и создаются целые новые отрасли промышленности.

И подчас даже трудно бывает выяснить, кому принадлежит приоритет, кто первый сказал «а». Эту мысль подтверждает бесчисленное множество примеров.

В 1807 году вверх по реке Делавэр отправился пароход «Клермон». Его построил американец Роберт Фултон, имя которого знакомо каждому как создателя первого парохода. И вместе с тем далеко не каждый знает, что в течение двадцати лет, предшествовавших рейсу «Клермона», в ряде стран многими изобретателями были построены и испытаны 30 разных пароходов.

У вас дома, наверное, есть швейная машина. Обыденный предмет домашнего обихода, который вы подчас не замечаете. А она многое могла бы рассказать о себе.

Бедный портной, француз Бартоломео Тимонье, в 1830 году построил первую в мире действующую швейную машину. Она была изготовлена почти целиком из дерева и, конечно, нисколько не напоминала ту, которой мы теперь пользуемся. Но она шила! С ее помощью малоопытная швея легко обгоняла нескольких опытных мастериц.

Спустя десять лет около 80 таких машин шили форму для французских солдат. А спустя еще год парижские швеи, подобно лионским ткачам, боявшиеся, что машины отнимут у них последний кусок хлеба, разгромили мастерскую, сожгли машины и чуть не убили изобретателя.

Тимонье так и не оправился от этого удара и, сделав еще несколько неудачных попыток построить новые образцы своей машины, умер в нищете и забвении.

В 1832 году, то есть немногим позже Тимонье и, конечно, совершенно независимо от него, американский механик Хант изобрел машину, которая шила двумя нитками и иглой, имеющей ушко около острия. Эти элементы сохранились во всех современных швейных машинах.

Но Хант и не подумал взять патент на свое изобретение, а когда пятнадцать лет спустя, наконец, решил это сделать, оказалось, что он опоздал. Уже многие десятки изобретателей строили и усовершенствовали швейные машины, самых различных типов и конструкций, и их патенты перекрывали изобретение Ханта.

И наконец, в один и тот же день, 12 августа 1851 года, были выданы еще два патента. Один из них — изобретателю и дельцу И. Зингеру, а второй — трем американским изобретателям, объединившим свои заявки. Через некоторое время производство швейных машин составило в мировом масштабе новую и большую отрасль промышленности.

В апреле 1877 года, когда Эдисон работал над усовершенствованием фонографа, только еще собираясь его запатентовать, французский физик Чарльз Кросс демонстрировал на заседании Парижской академии наук свой «говорящий аппарат». Однако аппарат работал плохо, не возбудил интереса слушателей, и Кросс прекратил работу над ним.

Фарадей и Генри почти одновременно открыли явление электромагнитной индукции, Парсонс и Лаваль одновременно изобрели паровую турбину. Васбру и Пикар одновременно изобрели кривошипно-шатунный механизм. Этот перечень можно продолжать как угодно долго.

«Мистер Ватсон, зайдите, пожалуйста, ко мне!» — вот первая в мире фраза, переданная по телефону.

Этими словами американский ученый и изобретатель Александр Белл пригласил своего помощника из смежной комнаты.

Белл «неожиданно» изобрел телефон в 1876 году, пытаясь усовершенствовать телеграфный аппарат. И только несколькими часами позже, в другом городе, заявил об аналогичном изобретении профессор Элиас Грей, а спустя некоторое время выяснилось, что заявок и изобретений, прямо или косвенно относящихся к телефонной связи, к моменту подачи заявок Беллом и Греем имелось уже немало.

Приоритетная тяжба, в которую было вовлечено бесчисленное множество ученых, экспертов, судов, комиссий, длилась полных тридцать лет. Но эта тяжба мало повлияла на молниеносное распространение нового изобретения, и к тому времени, когда она кончилась признанием приоритета Белла, весь мир уже был покрыт телефонной сетью.

Со дня создания первых станков с цифровым управлением прошло пятнадцать лет, а сейчас эти первые конструкции уже кажутся наивными, несовершенными.

Станки с цифровым управлением занимают, пожалуй, одно из первых мест в ряду современных автоматов. Они открыли новую главу в истории техники — главу цифровой автоматизации технологических процессов. Толчком к этому послужило одно из величайших изобретений XX века — быстродействующая электронная вычислительная машина.

Автоматом управляют числа

На грани между живым и неживым

После слов «атом» и «спутник» нет, пожалуй, сейчас слова, которое, родившись в мире науки, завоевало бы такую широкую популярность, как слово «кибернетика».

Мы не будем повторять его истории, подробно описанной во всех популярных книгах и брошюрах, посвященных кибернетике. Напомним лишь, что с нею связаны имена философа древности Платона, французского физика прошлого столетия Ампера, имя которого нам уже встречалось, и покойного американского математика Норберта Винера.

И не будем пытаться точно определять предмет и содержание нового научного направления, которое обозначено этим древним словом, тем более что это не так просто сделать.

Надо только запомнить, что кибернетика — это когда физик обучает биолога теории наследственности, когда инженер объясняет физиологу, как вырабатывается условный рефлекс, а тот, в свою очередь, растолковывает принцип действия обратной связи специалисту в области автоматического управления. Кибернетика — это когда математики, физики, физиологи и инженеры дают уроки по правилам перевода, стихосложения и игре в шахматы филологам, поэтам и гроссмейстерам; когда все они вместе непрерывно сравнивают человека с автоматом, непрерывно оговариваясь, что между человеком и автоматом нет ничего общего.

Мы ограничимся этим несколько расплывчатым определением, утешаясь тем, что оно, может быть, лишь немногим хуже всех других определений, которые пытаются навязать кибернетике.

Но вот что действительно может показаться удивительным! Кибернетика опровергла, казалось бы, незыблемую истину, выраженную словами известной басни И. А. Крылова:

Беда, коль пироги начнет печи сапожник,

А сапоги тачать — пирожник…

Дружная работа бок о бок ученых разных специальностей, взаимное проникновение различных отраслей знаний оказались неожиданно мощным и многообещающим средством прогресса науки и техники. Уже сейчас можно привести много примеров, когда это средство было пущено в ход и принесло свои плоды. И число таких примеров непрерывно растет по мере того, как в различных сочетаниях объединяют свои усилия математики, физики, инженеры, медики, филологи, экономисты, химики, биологи… Вместе с тем каждый из них остается математиком, инженером, филологом и обижается, если его пытаются назвать просто кибернетиком. Сегодня это значило бы быть специалистом во всем, другими словами — ни в чем.

В научной литературе все больше и больше появляется исследований, посвященных вопросам создания читающих, распознающих, обучающих, диагностических и многих других машин, наглядно иллюстрирующих действенность идей, объединенных под звучным словом «кибернетика». Хотя, прочитав многие из толстых книг, в которых эти исследования опубликованы, вы ни разу не наткнетесь на слово «кибернетика», за исключением, может быть, заглавий. Объясняется это тем, что реализация кибернетических идей осуществляется применением и развитием обычных математических, физических, технических и других методов и средств.

Кибернетический подход позволяет обычное явление, привычный факт разглядеть с неожиданной, иногда очень полезной, позиции. Не менее важно и то, что он дает возможность применить обычные методы и средства для изучения и использования новых и подчас очень важных фактов и явлений.

Все, что составляет окружающий нас мир, можно классифицировать по самым различным признакам: вещества — по их состояниям, металлы и материалы — по химическому составу, растения и животных — по семействам и родам, сотрудников учреждения — по занимаемой должности, книги — по формату и объему, лошадей — по породам, колбасу — по сортам.

Но есть один признак, который самым существенным образом разграничивает все, что было, есть и будет в нашем мире. Этот признак — живое и неживое.

Вместе с животными и растениями человек стоит по одну сторону грани, а по другую — создание рук человека — автомат.

Можно долго перечислять, чем отличается живое от неживого, человек от автомата. Этого не стоит делать потому, что не к отрицанию этих различий сводятся идеи кибернетики, а «только» к поиску, исследованию и использованию аналогий между живым организмом и техническим устройством; в частности, и особенности аналогий в процессах сбора, переработки и использования информации.

Но информационные процессы пронизывают буквально все сферы деятельности человека и направляют работу всех машин. Поэтому кибернетику ищут и находят в машиностроении и химии, в биологии и медицине, ищут вне нас и внутри нас. Приложений кибернетических идей бесчисленное множество, хотя, как это ни странно, кибернетики как науки в обычном понимании этого слова не существует.

Кибернетика работает на грани между живым и неживым. Что может быть интересней для каждого, кто читает и думает?

И вот параллельно потоку научной литературы течет поток литературы популярной, пропагандирующей новейшие достижения кибернетики. Жаль только, что передача информации из одного потока в другой иногда происходит, как в известной игре «испорченный телефон», когда первый из числа участников игры говорит одно, а последний повторяет… совсем другое.

Почти в каждой популярной книжке по кибернетике вы можете найти рассказ о машинах, которые переводят с одного языка на другой. О них говорится так, будто проблема автоматического перевода уже решена и сейчас дело только за тем, чтобы построить достаточное количество соответствующих машин. И почти ничего не говорится о тех трудностях, которые встречают и те, кто разрабатывает теоретические основы автоматического перевода, и непосредственно разработчики самих машин.

Трудности эти двоякого рода. Прежде всего подготовка такой машины к работе требует, чтобы переводимый текст был предварительно «переведен» с обычного языка на «язык» машины. Если это делать вручную, то может оказаться, что проще «вручную» переводить непосредственно с одного языка на другой. Но трудности автоматизации «чтения» текста носят в значительной мере технический характер. С созданием читающих машин они будут преодолены.

Основные трудности, возникающие при попытке полноценно автоматизировать перевод, заключены в самом существе творческой деятельности человека.

Перед нами два стихотворения. Первое:

Как волны набегают на каменья

И каждая там гибнет в свой черед,

Так к своему концу спешат мгновенья

В стремленьи неизменном все вперед!

Родимся мы в огне лучей без тени

И в зрелости бежим; но с той поры

Должны бороться против злых затмений,

И время требует назад дары.

Ты, Время, юность губишь беспощадно,

В морщинах искажаешь блеск красы,

Все, что прекрасно, пожираешь жадно,

Ничто не свято для твоей косы

И все ж мой стих переживет столетья.

Так славы стоит, что хочу воспеть я!

А вот другое стихотворение:

Как движется к земле морской прибой,

Так и ряды бессчетные минут,

Сменяя предыдущие собой,

Поочередно к вечности бегут.

Младенчества новорожденный серп

Стремится к зрелости и, наконец,

Кривых затмений испытав ущерб,

Сдает в борьбе свой золотой венец.

Резец годов у жизни на челе

За полосой проводит полосу.

Все лучшее, что дышит на земле,

Ложится под разящую косу.

Но время не сметет моей строки,

Где ты пребудешь смерти вопреки!

Внимательно их прочитав, вы, конечно, обнаружите, что оба они совпадают по теме, по отношению авторов стихотворений к этой теме, даже по тем образам, которые в них использованы.

Это не удивительно! Ведь здесь приведены два перевода одного и того же поэтического произведения — шестидесятого сонета Шекспира. Выполнены эти переводы выдающимися поэтами; первый — Валерием Брюсовым, второй — Самуилом Маршаком. Закройте глаза и попытайтесь ответить на такой вопрос: сколько одинаковых слов содержится в строках двух разных переводов с одного и того же оригинала?

А теперь откройте глаза и сравните строки стихов. Наверное, вы будете удивлены результатами подсчета. Ведь при этом обнаружится, что одинаковых слов, имеющих отношение к смыслу произведения, насчитывается всего три: «зрелость», «затмение», «коса». Может быть, еще два-три одинаковых слова вы найдете, если будете вести сравнение не построчно. И еще вы, обнаружите, что сильно различается общее количество слов в обоих переводах.

Значит, ясно, что пословный, или, как говорят, подстрочный перевод — это только первый шаг в области автоматизации перевода, и именно этот шаг сейчас делают создатели таких машин.

Как будет переводить автомат будущего? Как Брюсов или как Маршак? И как его научить переводить, как Брюсов? Как Маршак? На эти вопросы вы не найдете сейчас ответа. Современная наука не умеет строго определять такие понятия, как «талант», «эмоции», «чувства», «настроения». А конструкторы не умеют строить машины, которые бы оперировали с некими неопределенными понятиями.

Планеты движутся по расписанию

Любая электронная вычислительная машина, независимо от ее назначения, работает при помощи счета. Ее работой управляют числа. Совокупность их образует информацию, которую человек должен подготовить и ввести в машину. Машина «знает» только простейшие арифметические правила и правила формальной логики. И само собой разумеется, может выполнять над введенной в нее информацией только те действия, которые ограничиваются указанными правилами. Окончательный результат машина также выражает в числовом виде.

Если бы все действия, связанные с переводом, стихосложением, конструированием, мышлением, сочинением музыки, научно-популярных статей и каламбуров, можно было свести к простым арифметическим и логическим операциям, то тогда машина по желанию заказчика могла бы мыслить, сочинять стихи и музыку, каламбуры и статьи.

Если бы можно было выразить в числах вдохновение и эмоции, настроения и чувства, талант и способности, то по заказу любое из этих произведений было бы написало на соответствующем уровне и наполнено заказанными настроением и эмоциями.

Пока же, к сожалению, еще многое не удается выразить числами хотя бы потому, что об этом многом мы знаем совсем мало.

Зато если содержание задачи сформулировано достаточно точно и вместе с необходимыми для ее решения указаниями выражено числами, то вычислительная машина по известным ей правилам выполняет действия с действительно гигантской скоростью. Десятки, сотни тысяч операций в секунду — далеко не предел быстродействия. И это особое свойство — быстродействие — превратило электронную машину в мощнейшее оружие научного и технического прогресса.

Не так давно астрономия казалась абстрактной наукой, которая не может привлечь к себе широкое внимание, пока в «расписании» движения небесных тел не происходит заметных изменений. Но это расписание само по себе всегда крайне интересовало ученых. Ведь чтобы судить о нарушениях расписания, необходимо для начала иметь его самое. А теперь этот интерес крайне усугубился по вполне понятным причинам. Где окажется каждая из планет через месяц, через три года или тогда, когда мы соберемся отправиться на одну из них в свое свободное время?

Ученые давно составили уравнения, описывающие движения планет. Но расчеты по этим уравнениям связаны с ужасающим объемом вычислений. Ведь в своем движении каждая из планет подвергается воздействию Солнца и одновременно всех других планет, расстояния между ними все время изменяются и, следовательно, изменяются величины всех воздействий. Небесное расписание в течение многих лет оставалось «хрупкой мечтой» ученых.

Лет двадцать назад в это дело вмешалась одна из первых электронных вычислительных машин. В короткий срок были рассчитаны расписания для Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона, Солнца. В расписаниях были указаны положения этих планет через каждые 40 суток на 100 лет вперед, то есть по 2050 год. Десятки, сотни миллионов действий — сложений, вычитаний, умножений, делений и извлечений квадратного корня — были выполнены над 16-значными числами. Отпечатанное расписание представляет собой солидный том объемом в 300 страниц.

Прошло время, когда инженер, проектируя плотину, мост, корабль, самолет, мог действовать в значительной мере на глазок. В наши дни он должен принимать в расчет все известные ему факторы, могущие повлиять на работу создаваемой конструкции, и рассчитать эффект их воздействия.

Проектируя крыло самолета, надо задать такую конфигурацию его поверхности, чтобы при огромной скорости полета поток воздуха плавно обтекал эту поверхность, оказывая минимальное сопротивление движению, и в то же время обеспечивал максимально возможную подъемную силу. Проектируя крыло, надо рассчитать эффект воздействия воздушного потока на каждую из мельчайших площадок, составляющих его поверхность, а затем найти суммарный эффект.

Каждый движущийся с большой скоростью объект склонен к вибрации, и для обеспечения прочности конструкции и безопасности полета важно знать, на каких скоростях вибрации крыльев могут достигнуть опасного предела. Никакая интуиция не может сколько-нибудь точно ответить на этот вопрос. Необходимы расчеты, расчеты и еще раз расчеты.

Ученый непрерывно стремится понять и познать новые и все более сложные явления природы. Он строит гипотезы, согласующиеся с известными ему законами окружающего мира. Он производит наблюдения, используя микроскопы, телескопы, циклотроны. Эти наблюдения должны быть обработаны, обобщены, и их результаты следует сравнить с теми, что дает теория. Вычислительные машины позволяют ученому сделать это за приемлемый промежуток времени и с необходимой в каждом случае точностью.

Самые мощные и быстродействующие машины служат для разрешения важнейших проблем, связанных с проникновением в глубь вещества и в космос, с развитием ядерной физики и с ее практическими приложениями. Вместе с тем эти проблемы составляют небольшую долю среди тех, для решения которых уже сейчас привлечены вычислительные машины.

В середине 1963 года в одном из технических журналов был приведен перечень, содержащий 600 таких проблем, затрагивающих важнейшие отрасли науки, инженерного дела, экономики, медицины, торговли, транспорта, снабжения, связи.

Круглым счетом двадцать лет прошло с тех пор, как была построена первая электронная машина. А теперь только в США и Советском Союзе насчитывается больше 100 типов электронных вычислительных машин, отличающихся по производительности, быстродействию, по их назначению и конструкции. Машины многих из этих типов построены несколькими десятками и даже сотнями штук. Непрерывно разрабатываются новые и развертывается серийное производство отлаженных образцов.

Становятся актуальными разработки таких систем, которые еще вчера казались если уж не чистой воды фантастикой, то по меньшей мере делом далекого будущего.

Ученым и инженерам уже мало того, что они могут поручать решение своих задач специальным центрам, обладающим вычислительными машинами. Им кажется, что между дачей задания и получением решения проходит слишком много времени, много по сравнению с чистым временем решения задачи. Они предпочли бы иметь дело непосредственно с машиной, давать ей задание и получать ответ, например, по телефону, как получают по телефону ответ на вопрос о точном времени.

Создание такой системы связано с двумя большими трудностями. Прежде всего потребуется разработка устройств, позволяющих пользоваться для общения с машиной самыми простыми и доступными человеку средствами — скажем, устными командами или обычной записью. И что не менее важно, эти входные устройства должны быть такими компактными и дешевыми, чтобы ими было удобно и выгодно пользоваться от случая к случаю, как мы пользуемся в быту телевизором или стиральной машиной.

При выполнении этих условий через 10 лет, как подсчитали английские ученые, в сеть «мгновенных вычислений» включатся 300 000 абонентов, для обслуживания которых понадобится от 20 до 50 мощных вычислительных центров.

Двадцать лет назад над идеей создания электронных вычислительных машин работали небольшие группы ученых. В размышлениях за письменным столом, в спорах и обсуждениях идея обрастала живой тканью; в лабораториях из подручных средств собирались и «паялись» первые макеты отдельных узлов и устройств; на каждую удачу приходилось по десятку неудач; на правильное решение по десятку ошибок; на каждого оптимиста по сотне скептиков. Окончательный результат рисовался в самых смутных очертаниях, и даже скромные прогнозы встречали холодок недоверия. История являла самую обычную картину, с которой на протяжении этой книги мы уже встречались неоднократно. А в наши дни проектирование и постройка электронных вычислительных машин — новая, большая и непрерывно расширяющаяся отрасль техники. И эта метаморфоза тоже обычное и уже знакомое нам явление.

В тех примерах, с которыми мы сейчас познакомились, электронные машины действуют в качестве вычислительных автоматов. Их работой управляют числа; их продукцию также составляют числа. Скорость вычислений при этом имеет значение прежде всего с точки зрения увеличения объема выпускаемой продукции и снижения ее стоимости.

Но вычисления — только одна область приложения электронных машин. Вторая, не менее важная и гигантская по масштабам приложения, — управление.

В «реальном времени»

Управляемая ракета еще с земли нацеливается на полет по определенной траектории и с определенной скоростью. Но если в полете ее предоставить самой себе, то сопротивление воздуха, ветер, всякие случайные воздействия в период запуска и в процессе полета сделают бесполезной самую тщательную начальную установку. Ракетой надо управлять непосредственно в процессе ее движения — управлять так, чтобы фактические траектория и скорость достаточно мало отличались от заданных.

Заданные траектория и скорость известны еще до начала полета, а фактическая траектория должна быть рассчитана в процессе движения. Для этого после запуска ракеты включаются устройства, автоматически измеряющие ее положение и скорость в полете.

Результаты измерений поступают в вычислительную машину, рассчитывающую по ним фактическую траекторию. Затем машина сравнивает фактическую траекторию с заданной и определяет необходимые поправки. Они потом в форме сигналов поступают в механизмы управления, поправляя курс ракеты.

А в следующее мгновение начинается новый цикл управления. Очередные сведения о положении и скорости поступают в вычислительную машину, рассчитывается фактическая траектория, определяется необходимая коррекция, изменяется курс ракеты.

Теперь продукция машины — не просто числа, которые можно собрать в книгу, полезную сегодня, завтра, через год. Теперь продукция машины — управляющий сигнал, который полезен, только если он получен, когда можно и нужно внести поправку в курс движения ракеты, проглатывающей несколько километров в секунду.

Каждый цикл вычислений должен уложиться в маленький промежуток времени, отделяющий момент отбора полетных данных от момента внесения поправок. И эти циклы повторяются до тех пор, пока ракета находится в пределах, позволяющих достаточно точно измерять ее положения и скорости.

Теперь вычислительная машина должна работать в «реальном времени». Вместе с ракетой, а также с устройствами, собирающими информацию о ее положениях и скоростях, и устройствами, передающими на ее «рули» управляющие сигналы, она должна образовать единую замкнутую в кольцо автоматическую систему. В этой системе машина несет все функции управления, осуществляя их в точном соответствии с заданной ей программой.

Вот когда быстродействие вычислительного автомата решает все. Вот почему без вычислительных машин немыслима космонавтика, немыслимо создание эффективных методов защиты от агрессии, немыслима автоматизация технологических процессов, требующих молниеносной обработки информации.

Вы помните, что, когда обсуждались первые проекты станков с программным управлением, самые серьезные возражения со стороны экспертов и рецензентов возникали в связи с вопросом о расчете сложных программ. Это было в начале 1950 года. Тогда сведения об электронных вычислительных машинах только еще начали появляться в печати, и предложения об их использовании в широком масштабе в заводских условиях для подготовки программы работы станков казались крайне несерьезными, попахивавшими чем-то от фантастических рассказов.

Вместе со спорами и дискуссиями шло время, и оказалось, что если бы это время можно было вернуть, то его полезней было бы затратить не на споры о том, когда у инженеров будут электронные вычислительные машины, а на подготовку к их наилучшему использованию для самых, казалось бы, фантастических целей. Оказалось, что вычислительные машины уже тут, у наших дверей. И не одна. Их 10, 100, 1000!

С первых лет работы над станками с цифровым управлением использовались два возможных варианта применения электронных машин. Были построены несколько станков, работавших «в одной упряжке» с электронной машиной, то есть в «реальном времени».

В приемные устройства машины на перфорированной ленте, примерно такой же, что используется в автоматических телеграфных аппаратах, вводится информация, характеризующая опорные точки траектории движения инструмента. Затем машина автоматически рассчитывает всю траекторию движения по таким формулам и так подробно, как это необходимо, чтобы изделие было обработано с заданной точностью. А на выходе машины результаты расчета превращаются в управляющие сигналы, воздействующие непосредственно на исполнительные механизмы станка.

Так, в частности, действовал первый американский станок с цифровым управлением, сведения о котором появились в печати в 1952 году.

Однако для непосредственного управления станками электронные машины пока не привились.

Почему? Да потому, что, как сказал поэт,

В одну телегу впрячь не можно

Коня и трепетную лань.

Действительно, место электронной машины — в вычислительном центре, в конструкторском бюро, там, где создаются проекты новых изделий, детали которых будут обрабатываться на станках с программным управлением. А в цехах должны работать станки. И чем проще их конструкция, чем меньше сложных вычислительных и электронных узлов их окружает, тем проще их эксплуатация, тем более надежной и безотказной будет их работа.

И еще одно важное соображение говорит за то, что целесообразно разделить работу двух автоматов — вычислительного, который готовит программу, и станка, который работает по ней.

Электронная машина очень производительна. Она одна может обслужить несколько станков с программным управлением. И использовать ее для непосредственного управления одним станком — значит согласиться с тем, что значительную часть времени она будет бездействовать.

Сейчас это слишком дорогое удовольствие. Но будет ли так всегда? Ответ на этот вопрос ясен. Если удастся создать малогабаритный, высоконадежный, быстродействующий вычислительный блок, который сравнительно дешево сумеет выполнять ограниченный класс задач программирования, свойственных конкретной конструкции станка, то тогда станок и машина могут и будут работать в одной упряжке. Этот вопрос уже обсуждается в технической литературе. А пока в подавляющем большинстве современных конструкций оба автомата разделены во времени и пространстве. Единственно, что их объединяет, — это лента.

Вот уж действительно удивительное средство автоматизации — лента (или карта) с закодированными на ней числами! Около двухсот лет ею пользуются люди. Сначала просто как «находкой», случайно изобретенной предшественниками Жаккара. Затем эту находку приспособили для автоматизации музыкального инструмента, потом в телеграфии, полиграфии, в вычислительной технике, в современных электронных автоматах.

…На магнитную ленту часто в самом простом унитарном коде записывает подробную программу вычислительная машина. На этом ее функции заканчиваются. Программы эти можно хранить, собирать в специальные библиотеки, размножать, пересылать одновременно нескольким заводам.

А станки с программным управлением снабжаются специальными устройствами, предназначенными для введения ленты, считывания и расшифровки сигналов. Для обработки того или иного изделия надо лишь запросить из библиотеки соответствующую программу. И если одинаковые изделия обрабатываются даже на разных заводах, то можно быть уверенным, что они будут действительно одинаковыми.

…В стороне от станка стоит небольшой пульт. Под стеклом с катушки на катушку переливается блестящая коричневой поверхностью магнитная лента. Конструкция напоминает магнитофон. Так и кажется, что сейчас услышишь «мелодию» изделия. Гибкий шланг соединяет пульт со станком. И неслышимая «мелодия» перекодируется в движения — то медленней, то быстрей, вправо и влево, вверх и вниз движутся инструмент и стол станка, и грубая заготовка превращается в изящное, блестящее изделие. Этим превращением управляют числа.

Нельзя ли попроще?

Давайте еще раз проследим тот путь, который отделяет изготовленное таким образом изделие от момента, когда конструктор, сидя за чертежной доской, сделал его чертеж.

Конструктор передает чертеж программисту, который намечает во всех подробностях программу обработки детали и составляет таблицу опорных точек.

Затем эта таблица поступает к оператору. Он сидит за перфоратором и работает, как телеграфист. Только вместо текста телеграммы перед ним лежит таблица и вместо букв он набирает числа — только числа.

Оператор считывает эти числа из таблицы и слегка нажимает на клавиши перфоратора. При этом механизмы перфоратора приводят в движение специальные пробойнички — пуансоны, которые в определенном коде пробивают на ленте отверстия. Оператор работает быстро. Он успевает набирать до ста с лишним знаков в минуту.

Но как гарантировать, что при таком ручном наборе в подготовленную программу не вкралась ошибка?

Текст любой книги после того, как он набран наборщиком, проверяется автором книги, редактором, корректором. При таком многократном контроле у опечатки очень мало шансов остаться незамеченной. А если это и случается, то, как правило, не приносит много вреда. Читатель либо опечатку не заметит либо быстро разберется в сути дела.

Ошибка в одной букве даже в телеграмме, передающей информацию в предельно сжатой форме, редко приводит к трагическим последствиям.

А как обстоит дело при подготовке программы работы станка? При записи ее в унитарном коде лишнее отверстие или отсутствие отверстия в необходимом месте приведут лишь к небольшой ошибке в размерах изделия, она может даже остаться незамеченной.

Но ведь оператор ведет запись на бумажной ленте в ином, более компактном коде. При этом в случае ошибки оператора лишнее отверстие может оказаться в одном из высших разрядов. И, будучи незамеченной, такая ошибка может привести не только к порче изделия, но и к поломке станка.

Во избежание подобных «опечаток» рекомендуют каждую программу записывать дважды; причем поручать это двум разным операторам, а затем результаты их работы тщательно сличить.

Для такого сличения существуют специальные автоматические контрольно-считывающие устройства. Если между двумя проверяемыми лентами оказывается различие, то такое устройство, конечно, не может ответить на вопрос, какая из лент несет правильную программу. Оно просто останавливается и дает оператору сигнал о наличии ошибки. Тогда места несовпадения проверяются и необходимые исправления вносятся вручную.

Такой способ контроля правильности работы оператора весьма далек от совершенства и по надежности и по трудоемкости. И эти недостатки ему свойственны совсем не потому, что он нов. Впервые подобный способ нашел применение свыше тысячи лет тому назад.

В те времена церковники были крайне озабочены большими расхождениями текстов различных экземпляров библии. Было это задолго до изобретения книгопечатания. Переписка текстов велась вручную в течение многих поколений. Переписчики иногда просто ошибались, а подчас пытались по-своему объяснить неясные места в библии. В результате возникали многочисленные разночтения.

Из этого положения был найден следующий выход. На специальном совещании высших духовных лиц был избран и утвержден один из текстов библии, объявленный каноном. Все остальные списки библии подлежали уничтожению. Одновременно была установлена система, исключавшая возможность дальнейшего появления разночтений: были сосчитаны числа слов и букв в каждой главе канонического текста, и переписчики должны были в процессе переписки очередного экземпляра сверяться с этими цифрами.

Таким образом, переписчик работал сначала как оператор, переписывая «программу», то есть библейский текст, с оригинала в список, а затем выполнял функции контрольно-считывающего устройства, сравнивая число написанных им слов и букв с заданными контрольными цифрами.

Само собой разумеется, что церковь не афишировала свое изобретение, а факт удивительного совпадения различных списков библии относила за счет ее якобы божественного происхождения.

Как видите, способы контроля человеческого труда в этой области мало изменились за последнюю тысячу лет. Почему? На этот вопрос не так просто ответить. Во всяком случае, не потому, что над усовершенствованием этих способов не думали. Скорее всего дело в тех трудностях, с которыми связаны любые попытки автоматизировать операции, требующие участия человеческой мысли.

Операция переноса чисел из таблицы на ленту — это мостик, соединяющий два противоположных берега. На одном берегу работают люди, идет творческий процесс. Конструктор создает машину, изделие и разрабатывает чертежи деталей этой машины. Технологи обсуждают процесс обработки и выбирают оборудование, на котором будет вестись обработка, программист составляет программы.

На другом берегу — автоматы. Одни автоматы — вычислительные — «обрабатывают» программы; другие — станки — обрабатывают детали.

А на мостике оператор. Именно он переводит числа с человеческого языка на «машинный» язык. И как ни скромна эта задача, ее решение пока еще требует непосредственного участия человека.

Но вот исходные данные подготовлены человеком и записаны им в удобном для вычислительной машины виде, теперь она будет рассчитывать программу настолько подробно, насколько это предусмотрено человеком, а результаты расчета нанесет на магнитную ленту. Только после этого станок может приступить к делу.

Не правда ли, цепочка операций, предшествующих началу работы станка, кажется с первого взгляда излишне длинной? Может быть, можно ее укоротить?

Какой заманчивой, например, кажется идея подготовить программу работы автомата, не прибегая ни к чертежам, ни к числам! Казалось бы, можно, наблюдая за работай высококвалифицированного мастера, вручную управляющего станком, «запомнить» с помощью специальных устройств все его действия. А затем полученную таким образом программу использовать для автоматического управления станком при обработке целой группы таких же изделий. Ведь можно же, однажды записав речь или мелодию на пластинку или на магнитную ленту, потом безошибочно воспроизвести их сколько угодно раз!

В Советском Союзе и за рубежом по этому принципу было построено несколько систем. Однако для целей автоматизации сколько-нибудь сложных процессов они распространения не получили.

Чтобы точно обработать деталь, вручную управляя станком, нет необходимости выполнять какие-либо чрезмерно сложные движения. И все же, когда мастер ведет обработку точной и сложной детали, он часто останавливает станок, производя измерения, несколько раз повторяет отдельные операции, снимая припуск на обработку в несколько приемов, по-разному устанавливает инструмент относительно изделия, вновь производит измерения. Он особыми приемами добивается устранения влияния зазоров и люфтов на точность обработки, знает способы заставить стол станка передвинуться на малую величину и т. д.

Если записать полностью такую «программу» работы мастера, то окажется, что значительная часть движений, целесообразных при ручном управлении, совершенно излишня, а может быть, и просто вредна тогда, когда ставится задача автоматизировать процесс обработки. Такую «программу» придется значительно усовершенствовать и изменять, а в сравнительно сложных случаях ее, наверное, даже не удастся принять за основу программы автоматической обработки.

Попытка заставить машину автоматически повторить все движения человека, которые он выполняет чисто «по-человечески», напоминает попытку построить паровоз с ногами вместо колес. А ведь мы уже неоднократно убеждались, что совершенно бессмысленно пытаться заставить автомат работать точно так, как работает человек, использовать один и тот же технологический процесс, располагая совершенно различными средствами. Нет, такие попытки заранее обречены на провал!

Программа обработки типичного изделия на первом макете станка, оснащенного шаговой системой цифрового управления, содержала меньше 2 тысяч единиц информации. Современный фрезерный станок с цифровым управлением при обработке сложных изделий реализует многие миллионы единиц информации. Можно быть уверенным, что в будущем объем информации, перерабатываемой станками с цифровым управлением, будет продолжать расти.

Точно так же обстоит дело и в других областях техники, в медицине, биологии, экономике, где непрерывно накапливаются целые горы информации, обработка которой не терпит никакого отлагательства. Даже короткая задержка грозит срывом плана, удорожанием стоимости производства, возникновением неразберихи.

Чтобы удовлетворить непрерывно растущий спрос на вычисления, инженеры и ученые разрабатывают новые, более мощные вычислительные машины. Аппетит приходит во время еды, и новые возможности машин провоцируют ученых на постановку новых задач, казавшихся ранее бессмысленными, поскольку решение их скрывалось на дне целого океана вычислений.

Скорость вычислений в десятки и сотни тысяч операций в секунду оказывается уже недостаточной, нужна скорость в миллионы, десятки миллионов операций.

Возможно ли такое быстродействие и где его предел?

Электрический импульс, движущийся со скоростью света, пробегает за одну миллиардную долю секунды всего лишь 30 сантиметров. Конструкция вычислительной машины становится все сложнее. И если речь идет о скоростях в десятки и сотни миллионов операций в секунду, то вся эта сложная конструкция должна укладываться в очень скромные габариты, иначе сигналы не будут успевать перемещаться по ее коммуникациям. Это серьезное ограничение. Пока оно еще не стало решающим, но ученые и инженеры к этому готовятся и разрабатывают электронные узлы и приборы, по сравнению с которыми обычные полупроводниковые устройства будут казаться неуклюже большими и грубыми.

А наряду с разработкой новых конструкций машин и их новых элементов и узлов идет развитие математических методов, позволяющих наиболее эффективным образом использовать гигантские возможности вычислительной техники как по прямому назначению — для выполнения вычислений, — так и для целей управления.

Числа могут стать «пустым звуком»

Эти возможности ошеломляют воображение, и чуть ли не с первых дней создания электронных машин их уподобляют гигантскому мозгу; импульсный, дискретный способ действия нервной системы усугубляет это сходство.

Из разных уголков человеческого тела по восходящим путям дискретные сигналы мчатся в различные отделы мозга человека; все они имеют одинаковую максимальную величину — амплитуду, но разные частоты. В мозгу человека с этими импульсами что-то происходит; что-то они по дороге включают и выключают, как-то складываются и вычитаются, где-то образуют замкнутые цепочки и сложные структуры, запоминающие информацию, поступающую извне, и результаты ее переработки; в процессе работы мозга эти результаты вызываются из памяти и используются, может быть, так же, как вызывается и используется информация, внесенная в память электронной машины. И наконец, по нисходящим путям из мозга мчатся потоки сигналов, управляя движениями тела, может быть, так же, как электронная машина управляет, например, ракетой.

Ну как тут удержаться и не пытаться сравнить электронную машину и мозг?

Одну из первых таких попыток сделал несколько лет назад американский математик Джон фон Нейман. В рукописи книги, опубликованной год спустя после его смерти, он привел, в частности, количественные оценки, которые повторяются во многих популярных книгах по кибернетике. Вот они.

Время реакции нервной клетки на возбуждение составляет от сотых до десятитысячных долей секунды; электронных ламп или полупроводниковых элементов, из которых строятся машины, — десятимиллионные доли секунды. Следовательно, в отношении быстродействия искусственные элементы превосходят естественные в десятки тысяч раз.

Что касается числа элементов и их объема, то здесь картина обратная. Фон Нейман, исходя из предположения, что в объеме 1000 кубических сантиметров, который занимает мозг, сосредоточено 10 миллиардов нейронов (сейчас думают, что их 14, 15, 17 миллиардов), считает, что естественный мозг построен в сотни миллионов раз компактнее искусственного полупроводникового прибора.

Мозг расходует около 10 ватт мощности, значит, приблизительно миллиардную долю ватта на нейрон. Расход энергии на полупроводниковый элемент он оценивает в десятую долю ватта. В энергетическом отношении естественная система оказывается в сотни миллионов раз экономнее искусственной.

Объем памяти больших электронных машин достигает миллионов единиц информации. Объем человеческой памяти, по оценке фон Неймана, составляет величину 2 · 10^20 единиц информации, превосходя в этом отношении машину в астрономическое число раз.

Итак, количественное сравнение по многим параметрам оказалось не в пользу современной машины. А время качественных сравнений, вероятно, настанет тогда, когда будут решены многочисленные загадки мозга, поняты механизмы его действия.

С самых разных сторон физики и физиологи, математики и инженеры идут к решению этих загадок. Забираются в мозг скальпелем и электродом. Слой за слоем изучают его строение, пытаясь установить функциональные связи в отделах и между отделами мозга. Изучают биотоки мозга, биотоки отдельных клеток и групп клеток, строят электронные модели нейронов, собирают из них искусственные нервные сети и структуры, проникая в механизмы сложных рефлексов и пытаясь проникнуть в механизмы мышления.

Эта работа неизбежно связана с догадками, предположениями, многочисленными гипотезами. В различных сочетаниях и в самом тесном соседстве тысячи раз повторяются слова «машина», «мозг». Иногда о непроверенной гипотезе говорится как об абсолютной истине; результат, полученный на простенькой модели, обобщается на сложную систему. Тогда задача представляется более наглядной и более простой, чем в действительности, и как логическое следствие работа мозга кажется (только кажется!) более глубоко познанной, а возможности вычислительных машин — более могучими и всеобъемлющими, чем в действительности.

Так обстоит дело потому, что всегда существуют противоречия между чисто логическими построениями и физическими реализациями, как существуют противоречия между фантазией и действительностью.

Обратимся к простому примеру, для чего еще раз вернемся к автоматам с цифровым управлением.

Пусть электронная машина управляет обработкой какого-либо изделия на станке с цифровым управлением. Достаточно мощная машина может программу управления рассчитать со сколь угодно высокой точностью: в этом отношении ее возможности практически неограниченны. При таком расчете каждый знак после запятой для вычислительной или управляющей машины полон, если можно так выразиться, глубокого смысла.

А станок? Обработать изделие с точностью до 0,1 миллиметра сравнительно легко. Обработать это же изделие с точностью до 0,01 миллиметра уже очень сложно. Точность 0,001 миллиметра близка к пределу, приближаясь к которому мы вступаем в область, где начинает ощущаться жизнь металла. А еще на один-два знака точнее работают единичные машины, и среди них знакомая нам делительная машина.

Итак, для станка имеют смысл первая, вторая, третья значащие цифры после запятой. Все остальные цифры для станка останутся «пустым звуком». Физические ограничения (упругие и тепловые деформации, зазоры и люфты, износ инструмента и т. д.) сведут на нет все прямые попытки управляющей машины принудить станок работать по расчетной программе. Чтобы управляющая машина могла заставить станок воспринимать хотя бы еще один знак, надо ее сначала «научить» теории упругости и динамике, химии и физике, способам термообработки и технологическим приемам изготовления сверхточных деталей станка. Управляющую машину надо будет научить «конструированию», а это особенно трудно.

Короче говоря, при рассмотрении даже такой узкоограниченной технической задачи окажется, что гипотетическая управляющая машина должна обладать способностями и свойствами целого коллектива людей, разносторонне образованных, талантливых, трудолюбивых, творчески относящихся к своему делу.

Чтобы создать такую машину, надо объяснить конструктору, что такое творческий процесс, талант, мышление, объяснить не по-общежитейски, а так, чтобы у конструктора возникли определенные количественные представления.

Наверное, наступит такой день, когда человек поймет во всех подробностях и тонкостях, как устроен и действует его мозг, и сумеет построить «настоящий» электронный мозг. Он сумеет по своему желанию изменять и совершенствовать созданную им конструкцию и эффективно использовать ее возможности; в этот день человек станет «сверхчеловеком».

Что он будет делать на следующий день? Конечно, возьмется за создание электронного «сверхмозга». Он ему будет просто необходим, поскольку для решения тех задач, которые перед собой поставит «сверхчеловек», обычный «настоящий» электронный мозг будет подходить так же мало, как сейчас мало подходят конторские счеты для определения траекторий спутников.

Человек будущего по своим знаниям и возможностям будет превосходить нашего современника настолько, насколько современный человек превосходит своего первобытного предка; и в музеях будущего на наши электронные машины будут смотреть так, как мы в наших музеях смотрим на каменные топоры и ножи.

Будут ли «мыслить» автоматы будущего? Конечно, будут. Но они будут «мыслить» совсем не так, как мыслит человек. Чем сложней технологический процесс, тем все меньшим и меньшим становится сходство между тем, как его выполняют человек и автомат, тем яснее видна вся глубина различия между живым организмом и техническим устройством.

В этом нас убеждает вся история развития техники, и вряд ли дело кардинальным образом изменится, когда люди вплотную подойдут к созданию мыслящих автоматов.

По мере того как все точнее будет познаваться механизм мышления, все яснее станет, что для технической (а не естественной) реализации этот механизм малопригоден, что функции, выполняемые им, гораздо лучше реализуются при совершенно иной схеме, что технологический процесс «мышления» автомата должен быть совершенно не таким, как «технологический процесс» мышления человека.

И чем глубже будет познавать человек самого себя, тем более глубокие бездны незнания будут перед ним открываться, чем больше «человекоподобия» человек, пользуясь своими знаниями, будет вкладывать в автоматы, тем точнее он сумеет указать различия между собой и своим творением и, что самое главное, тем существеннее окажутся эти различия.

Такова диалектика тех идей, которые объединены словом «кибернетика».

Мы с вами договорились, что, пытаясь разобраться в общих принципах построения автоматов, будем следить за потоками и ручейками энергии и информации, текущими через его узлы, и на протяжении всей книги стремились придерживаться этого правила.

Используя его, мы разобрались в основных принципах построения двигателей, предназначенных специально для преобразования и передачи энергии. Движение потоков энергии в этих машинах направляется ручейками информации.

Мы ознакомились с устройствами и автоматами, предназначенными специально для передачи и преобразования информации: от первого аппарата Морзе до современной электронной вычислительной машины. Движение и переработка потоков информации в этих системах поддерживается ручейками энергии.

Затем мы встретились с рабочими машинами и увидели, что их механизмы и устройства также осуществляют передачу и преобразование потоков энергии и информации. Конечно, теперь эти процессы не составляют конечную цель работы машины; они подчинены главной задаче, связанной с обработкой потоков материала, заготовок с изготовлением тех или иных изделий.

Но, отдавая должное особенностям, связанным с тем или иным назначением машины — для преобразования и передачи энергии, для преобразования и передачи информации, для обработки и транспортировки материала и изделий, — мы вместе с тем заметили, что процессы управления во всех машинах независимо от их назначения организованы по вполне определенным принципам. Оказывается, что цепь управления в машинах может состоять из одного полукольца — действовать по разомкнутой схеме; либо она может быть замкнута в кольцо, действуя по схеме с обратной связью. Пытаясь разобраться в устройстве машины, следует понять, по какой из этих схем организовано управление, организованы потоки информации и энергии.

Несколько примеров показали, что это сделать сравнительно несложно, если попытаться разыскать те устройства, которые задают программу работы автомату, если выяснить, собирает ли автомат информацию в процессе работы, и если да, то с помощью каких механизмов он это делает. Такой подход позволяет рассортировать автоматы, расставить их по полкам воображаемой этажерки, может быть, не так хорошо и понятно, как этого бы хотелось, но, во всяком случае, наилучшим способом, который только возможен при всем их многообразии.

Пожалуй, сейчас самая пора этим заняться.

Автомат автомату рознь

Краткая история прогресса

После того как наш далекий предок встал с четверенек, его задние конечности превратились в нижние, а передние в верхние. На нижних он по-прежнему передвигался, а верхние приспособил для выполнения довольно простых и сравнительно немногочисленных действий — хватать, бить, рвать, душить, убивать. Они требовали затраты изрядного количества энергии, но зато не были связаны со сложными размышлениями; информационные процессы, протекающие в нервной системе предка, не очень отличались от информационных процессов, свойственных заурядному животному.

Передние конечности стали руками, когда наш примат приспособил их, чтобы действовать палкой, камнем, обломком кости во время охоты, защиты, нападения и для самообслуживания в те промежутки времени, которые ему удавалось выкроить между основными занятиями. А основные по-прежнему требовали значительной затраты энергии; кроме того, сопутствующие им информационные процессы постепенно усложнялись. Человек стал человеком, хотя все еще был свободен от школьных занятий, посещений лекций и магазинов, от летних отпусков и чтения литературы.

Работая простым орудием, сам человек служил источником и преобразователем энергии, расходуемой при выполнении работы, и источником информации, необходимой для управления орудием. Его руки, корпус, все тело образовывали те механизмы, посредством которых орудие получало необходимые движения. Это была живая машина. И, как все живое, она была наделена способностью к развитию.

Человек развивался. Одновременно развивались и усложнялись орудия, которыми он работал; число их увеличивалось, они становились все более разнообразными; простые орудия превратились в механизмы. Их использование и управление ими все еще требовали непрерывного участия человека. Но значительную долю энергии теперь поставляли животные, вода или ветер. Причем необходимые преобразования потоков этой энергии также осуществлялись механизмами — другими словами, выполнялись без непосредственного участия человека. В дверь к человеку уже стучалась машина.

И вот они работают бок о бок: человек и машина. Еще нескладная и неуклюжая, она делает свое дело, удесятеряя силы человека и производительность его труда. Правда, человек еще не избавлен от тяжелой работы, связанной с обслуживанием машины. Но уже далеко не все процессы управления осуществляет сам человек. Создавая механизмы машин, он перепоручает им многие функции управления. Наряду с механизацией процессов преобразования, передачи и использования энергии оказались в значительной мере механизированы многие процессы преобразования, передачи и использования информации.

Крепнет дружба человека с машиной. Потребности его растут. И для их удовлетворения он зовет на помощь машины. Он уже научился приспосабливать их для самой различной работы, создавая бесчисленное множество различных механизмов, приборов и устройств.

Машины становятся очень сложными — тут уж ничего не поделаешь! Но зато полностью механизированы все энергетические процессы и почти полностью информационные.

Структура машины, ее строение, размеры звеньев, параметры электрических, пневматических, гидравлических и электронных устройств, входящих в ее состав, сохраняют информацию, заложенную конструктором в машину при ее проектировании и предопределяющую программу ее действия. В процессе работы механизмы наряду с преобразованием и передачей энергии осуществляют передачу и преобразование этой информации.

Водитель управляет автомобилем. Сложнейшая машина подчиняется сравнительно простым действиям. Поворотами рулевого колеса и нажатием педалей он заставляет машину двигаться то быстрее, то медленнее по самому сложному пути. Механизмы усиливают сигналы управления, передают их к исполнительным органам. Многие механизмы работают вообще без непосредственного вмешательства человека. Они самостоятельно собирают информацию о скорости движения и температуре охлаждающей жидкости, об уровне бензина и пройденном расстоянии.

Однако для правильной работы автомобиля всего этого недостаточно. Чтобы управлять им, нужен человек. Его задача состоит в том, чтобы довести объем информации, циркулирующей в машине, до уровня, необходимого для выполнения той или иной программы.

Таким образом, в машине полностью механизированы процессы ввода, преобразования и использования энергии и лишь частично механизированы процессы ввода, преобразования и использования информации.

До автомата остался один шаг. Современная техника сделала этот шаг, благодаря которому и энергетические и информационные процессы оказались полностью механизированными.

…На протяжении всей прогулки термина «машина» и «автомат» мы применяли, как казалось, вперемежку. Теперь становится ясно, что автомат по отношению к машине занимает то же место, что селедка по отношению к рыбе в известной пословице: «Не всякая рыба — селедка, хотя всякая селедка — рыба».

Переиначив эту пословицу, можно сказать: «Не всякая машина — автомат, хотя всякий автомат — машина».

Десятки и сотни тысяч автоматов работают на благо человека. А человек «учит» их выполнять все более сложные процессы, заставляет решать все более сложные задачи. И уже всерьез обсуждается вопрос: что сможет и что не сможет сделать автомат будущего? Иногда это серьезное обсуждение прерывается испуганными возгласами: «Кто — кого?» Да и не мудрено испугаться, если одну за другой передает человек свои функции автомату, приспосабливая его для самых «человеческих» дел.

От палки и камня до сложного современного автомата — действительно гигантский путь пройден техникой!

…Вы задумали сделать себе книжную полку. Казалось бы, что может быть проще, чем отмерить метровый кусок доски. Берешь складной метр, прикладываешь к доске, делаешь отметку. Конечно, стараешься сделать отметку поточнее, чтобы получился ровно метр. Все очень просто, когда под руками есть измерительный инструмент.

Ну, а как обзавестись складным метром, если его нет под руками и нельзя купить в магазине? Казалось бы, что может быть проще! Берешь металлические полоски и загружаешь их одну за другой в штамп, который насекает на них шкалу, разделенную на сантиметры и миллиметры. Само собой разумеется, что штамп должен быть таким точным, чтобы миллиметр на дольках складного метра был действительно «похож» на миллиметр.

Ну, а если штампа нет и взять его негде? Казалось бы, что может быть проще! Идешь в инструментальный цех завода, берешь кусок металла нужного качества, обрабатываешь его и, пользуясь точными измерительными приборами и машинами, делаешь штамп.

А если нет точных измерительных приборов и машин, то что может быть проще, чем их сделать.

Для этого есть другие заводы и цехи, есть еще более точные машины и приборы, есть самые точные — делительные — машины; есть самый точный эталон длины — метр, изготовленный из специального сплава, который хранят так, как не хранят ни одно сокровище в мире. Он, конечно, тоже не совсем метр, и, кроме того, где-то там, в каком-то знаке за запятой, все время происходят некоторые изменения. Ничто не бывает абсолютно точным. Ни эталон длины, ни эталон веса, ни эталон времени.

В этом нет беды. Главное — есть точный инструмент, которым можно измерить менее точное изделие. Между метровым обрезком доски и эталонным метром располагается целая иерархическая лестница измерительных средств все повышающейся точности. Вы можете спокойно приступать к изготовлению книжной полки.

Ну, а если нет ни складного метра, ни штампа, ни цеха, ни эталона, ни иерархической лестницы? Нет ничего. Абсолютно ничего, кроме четырех конечностей и неудобного мира вокруг? Казалось бы, что может быть проще! Ходи себе до скончания века на четвереньках, считая, что все равно ничего не поделаешь.

Так действовать — значит идти по линии наименьшего сопротивления. Эта линия всегда ведет вниз. А человек все время шел вверх. Как это ему удавалось? Как, начав с камня и палки, он пришел к атому и спутнику? Ведь чтобы отрезать кусок доски, нужен метр. Чтобы сделать метр, нужен штамп… Получается вроде сказки про белого бычка.

Все дело в том, что к камню и палке, которые дала человеку Природа, он, Человек, приложил свой труд и свою мысль. Результат превзошел все ожидания. И дело не в том, что он таким образом обзавелся первыми орудиями труда, хотя это, конечно, очень важно.

Главное то что человек, работавший палкой и камнем, уже совсем не был похож на полуживотное, вставшее на задние конечности.

Человек непрерывно растет вместе с творениями своих рук. Его труд и мысль становятся все более квалифицированными. Прикладывая их к тому, что дает ему окружающий мир, он из менее точного делает более точное, из менее совершенного — более совершенное.

Вверх по лестнице идут изделия человека — машины и автоматы. Впереди них — вверх по лестнице — идет человек. Примерно так выглядит краткая история прогресса.

Как ни велика разница между современным автоматом и обломком камня, она все же меньше, чем разница между человеком, создавшим этот автомат, и его предком, впервые взявшим в руки камень. Если об этом своевременно вспомнить, то можно легко преодолеть чувство испуга перед автоматом.

Автомат привлекает к себе внимание, как произведение искусства.

Один подходит к нему, трогает первую попавшуюся кнопку, презрительно кривится и, произнеся: «Подумаешь, не видел я машин!», отходит, вытирая руки. Это невежда.

Другой при виде автомата падает на колени и, заламывая руки, восклицает: «О! Кибернетическое чудо!» — и рыдает от восторга. Это горе кибернетик.

Третий долго его разглядывает, то размышляя, то завистливо вздыхая, а затем решительно говорит: «Придумано и сделано неплохо, но кое-что можно сделать лучше». Это инженер, ученый, конструктор.

А мы, подойдя к автомату, займемся делом и, как уже договорились, прежде всего попытаемся выделить те главные узлы, которые образуют его основу — «скелет». При этом не будем обращать внимания на то, что в различных автоматах эти узлы сконструированы и действуют по-разному. Для нас в первую очередь важно установить назначение этих узлов и характер их взаимодействия в процессе работы автомата. Только так удается проследить за потоками энергии и информации, понять, по какой схеме действует вся система, каким закономерностям она подчиняется.

Мы теперь располагаем достаточным материалом, чтобы составить такую «скелетную» схему, или, как ее называют, блок-схему, автомата.

По полкам этажерки

Любой автомат должен работать по определенной программе, причем в автоматах может быть использован различный носитель этой программы. В копировальных станках программа задается копиром, с которого в процессе работы информация «считывается» роликом.

Программа действия кинопроекционного аппарата определяется главным образом структурой и размерами лентопротяжного механизма, а реализуется эта программа в процессе непрерывного вращения ведущего звена, соединенного с источником энергии.

Программой для телеграфного аппарата служит перфорированная лента, для магнитофона — магнитная лента.

Эти носители программы наряду с перфокартами и магнитными барабанами находят широкое применение в наиболее современных автоматах, действиями которых управляют числа.

Программа работы наручных часов определяется конструкцией и размерами спускового механизма и маятника, получающих энергию от заводной пружины.

Для торгового автомата, отпускающего газированную воду, газеты, спички, папиросы, носителем программы служит монета или жетон и т. п.

Объединим в один узел все те механизмы и устройства, посредством которых осуществляются ввод программы в автомат и ее «считывание». Этот узел будем называть узлом программы автомата и изобразим его в виде прямоугольника, напоминающего кирпич.

Значит, если речь идет о копировальном станке, то за этим кирпичом скрываются механизмы, приводящие в движение копир, и механизмы копировального ролика. В телеграфном аппарате, магнитофоне, автомате с цифровым управлением — лентопротяжные устройства, приемники перфокарт, а также устройства, считывающие программу (магнитные головки, фотоэлементы, иглы и пр.). Для торгового автомата — устройства, которые определяют вес и размеры монеты или жетона.

Итак, в узле программы «оживляются» все сведения и указания, то есть вся информация, необходимая автомату для выполнения заданного технологического процесса.

Но мало «оживить» информацию. Надо еще сделать ее «понятной» исполнительным механизмам автомата. Для этого приходится преобразовывать вращательные движения в поступательные, непрерывные в прерывистые, уменьшать или увеличивать скорости вращения, преобразовывать механические перемещения в электрические импульсы и напряжения, в давления газа или жидкости, отверстия в перфоленте и отметки на магнитной ленте в электрические сигналы и механические перемещения.

Объединим в один узел — узел управления — все устройства автомата, которые расшифровывают и преобразуют информацию, а затем направляют ее к исполнительным механизмам. На нашей блок-схеме появляется второй кирпич. Соединим его с первым стрелкой, указывающей направление потока информации.

Наконец, объединим в один узел механизмы, которые исполняют команды, поступающие из узла управления. Назовем его узлом исполнительных механизмов и изобразим на нашей блок-схеме в виде третьего кирпича.

Эти три кирпича образуют уже известную нам разомкнутую систему управления, соответствующую многим современным автоматам; часам и киноаппарату, делительной машине и шаговой системе управления, большинству металлорежущих автоматов и автоматов, изготавливающих спички и перья, электролампочки и книги, макароны и консервы, ткань и обувь.

Автомат работает. Сигналы программы направляются в узел управления, а сигналы управления воздействуют на исполнительные органы, выполняющие рабочий процесс. Через механизмы и узлы, из кирпича в кирпич, от программы к исполнительным механизмам автомата течет поток информации, полностью определяющей все его действия. Само собой разумеется, что далеко не всегда бывает легко так «препарировать» сложный автомат или, как называют в теории автоматов эту операцию, «выполнить структурный анализ». Далеко не всегда так четко разделяются функции его отдельных устройств и механизмов и не так просто бывает перечислить, какие из них следует отнести к тому или иному из узлов блок-схемы.

Тем не менее знакомство с новым автоматом всегда следует начинать с попытки понять назначение его основных механизмов и устройств, понять, как они взаимодействуют.

Разобраться в этом важно еще и потому, что, как мы уже знаем, далеко не каждый автомат работает по простой разомкнутой схеме. Многие из них оснащены цепью обратной связи: устройствами, собирающими дополнительную информацию непосредственно в процессе работы автомата.

Вот знакомое нам кольцо: человек — станок — изделие — измерительный инструмент — человек. Оно включает цепь обратной связи. Эту связь, наряду с функциями управления, осуществляет человек. Как?

Программой обработки служит чертеж. С него рабочий считывает размеры изделия, а с помощью измерительного инструмента получает числовую информацию о результатах обработки. Затем он сравнивает фактические размеры с заданными и действует так, чтобы разность между ними была в пределах допусков, указанных на чертеже.

Станок — это машина, в которой полностью механизированы энергетические процессы и не полностью — информационные. Чтобы ее превратить в автомат, надо дополнительно механизировать измерение изделия и механизировать процесс сравнивания его фактических размеров с заданными. Короче говоря, необходимо полностью механизировать все участки кольца управления, включая участок, на котором происходят сбор и обработка информации непосредственно в процессе работы системы. И выходит, что, помимо исходной программы, которая теперь заменяет чертеж, появляется еще один источник информации — автоматически измеряемое изделие.

Использование того или иного источника дополнительной информации неизбежно связано с необходимостью механизировать ее передачу и переработку. А это усложняет логическую схему автомата.

Чтобы получить блок-схему замкнутой системы управления, наш предыдущий рисунок надо дополнить еще одним кирпичом, за которым скрываются механизмы и устройства, собирающие и обрабатывающие информацию в процессе работы автомата. «Скелет» автомата с обратной связью действует точно так, как это описывалось в главе «Кольцо управления».

Сигнал, управляющий движением исполнительных органов, вырабатывается в узле управления путем сравнения заданной программы с программой, реализуемой автоматом в процессе работы. На блок-схеме это отразится тем, что в кирпич, изображающий узел управления, теперь входят две стрелки, а выходит одна, несущая в узел исполнительных механизмов управляющие сигналы.

Автомат приобрел некоторые новые свойства. По разомкнутой схеме он действовал абсолютно прямолинейно, в точном соответствии с заданием, можно сказать — вслепую. Теперь, собирая в процессе работы дополнительную информацию и используя цепь обратной связи, он обладает некоторой «самостоятельностью». Заданная ему программа служит только руководством к действию, а работает он с оглядкой на результат, непрерывно внося поправки в свои действия.

Эти поправки невозможно заранее предвидеть; невозможно, например, рассчитать заранее все возможные отклонения траектории ракеты, которые носят случайный характер и могут быть вызваны десятком самых различных причин. Автомат определяет необходимые поправки «автоматически», он приобретает свойство самокорректирования. Именно в этом отношении он становится «самостоятельным».

…Гимнаст, собираясь разучить новое упражнение, заранее располагает программой этого упражнения. Но, конечно, такая программа составлена без учета особенностей каждого отдельного спортсмена. Поэтому в процессе освоения упражнения спортсмен не только овладевает заданной программой, но и несколько изменяет ее в соответствии со своими физическими данными, темпераментом. Эти изменения происходят в течение всего периода обучения, и постепенно рисунок упражнения становится все более и более совершенным.

Нельзя ли построить автомат так, чтобы он действовал подобно гимнасту? Чтобы он умел не только работать по заданной программе, но и мог совершенствовать эту программу применительно к своим особенностям, к особенностям материалов и заготовок обрабатываемых изделий. А главное, чтобы такая усовершенствованная программа обеспечивала существенное улучшение результатов работы.

И вот появляются автоматы, обладающие достаточной для этого «самостоятельностью». Они занимают место на следующей, более высокой, полке. Им не надо задавать программу работы во всех подробностях. Они выяснят эти подробности самостоятельно, собирая дополнительную информацию. Такие автоматы обладают свойством «запоминать» и анализировать эту информацию с целью улучшить свою работу; обладают способностью самообучаться и самонастраиваться.

Их также можно препарировать: выделить в отдельные узлы те механизмы и устройства, которые осуществляют функции памяти, функции самообучения и самонастройки. Затем можно изобразить эти узлы в виде кирпичей, связать их стрелками с другими кирпичами блок-схемы и следить за потоками информации и энергии, текущими от одного кирпича к другому, следить за тем, как они взаимодействуют между собой, и, пользуясь этими признаками, расставлять автоматы по полкам нашей условной этажерки в зависимости от их «квалификации».

Каждый из кирпичиков воспринимает потоки энергии и информации из предыдущего или предыдущих и, нужным образом преобразовав их, передает следующему или следующим.

Каждому из кирпичиков свойственна своя так называемая передаточная функция, характеризующая, что и как делается в этом узле автомата, как связаны между собой входные и выходные стрелки.

Зная, что происходит в каждом из узлов автомата, можно понять и рассчитать его действие как единого целого, можно перейти к оценке его важнейших свойств. Эти свойства — производительность, точность, надежность, стоимость.

Именно они в конечном счете решают судьбу автомата. Новый автомат должен быть производительнее, точнее, надежнее, дешевле своего предшественника или по меньшей мере обеспечить одно из этих преимуществ. Только в этом случае он имеет шансы «выйти в люди» с листов ватмана, воплотиться в металл, занять место в цехах заводов и фабрик.

Автомат автомату рознь. Один за другим они взбираются на разные и все более высокие полки этажерки, и иные наблюдатели, задрав голову высоко вверх, ждут в полной уверенности, что на верхних полках появятся автоматы, обладающие сверхчеловеческими свойствами, которые займут по отношению к человеку такое же место, какое он занимает по отношению к животному.

Через замочную скважину такие наблюдатели заглядывают в мир автоматов, не понимая, что находиться в мире автоматов — значит находиться в мире людей, создавших автоматы. И если люди сейчас спорят о том, что сумеет или не сумеет сделать автомат, то это совершенно не означает, что процесс развития автоматов может стать «автоматическим», не зависящим от воли и сознания людей.

Дело обстоит как раз наоборот. Чем более сложен и совершенен автомат, чем обширнее его функции и чем меньше участвует в его работе человек, тем больше людей занято во всех процессах, связанных с его созданием, тем сложнее автоматизировать эти процессы.

Первый и главный из них, конструирование, — удивительный процесс, в результате которого возникает, пусть для начала на бумаге, новая машина.

Десятки научно-исследовательских институтов, десятки конструкторских бюро, десятки фирм разрабатывают зачастую сходные по назначению машины. В этих разработках участвуют целые коллективы ученых и конструкторов. Идет напряженное соревнование, порой борьба не на жизнь, а на смерть. А когда подводятся итоги, результаты оказываются различными. Одни машины оказываются более производительными, точными, надежными и дешевыми, чем другие. Почему? Ведь правила и нормы конструирования не секрет. Почему одним сопутствует успех, а другие терпят неудачу? Что такое конструирование? Наука, цепочка случайных находок или чистое искусство?

Не совсем наука

Не будем пытаться всерьез отвечать на такой сложный вопрос. Вместо этого попробуем представить себе сначала, как бы приблизительно действовал ученый — специалист в области теории автоматов, согласившись сконструировать автомат, ну, например, для помола, сушки, расфасовки и упаковки соли.

Он внимательно прочитал основные пункты технического задания и приступил к разработке принципиальной схемы.

Изобразив на листке бумаги кирпич, он воткнул в него с двух сторон по стрелке. К хвостикам обеих стрелок пририсовал еще по кирпичу. В один из них воткнул одну стрелку, в другой две. В результате образовались три стрелки, имеющие свободные хвостики. Пририсовав к ним по кирпичу, он соединил стрелками их свободные стороны со свободными сторонами кирпичей, нарисованных раньше.

Работа спорилась. Неделю назад ученый консультировал конструкторов, разрабатывавших автомат для расфасовки и упаковки сахарного песка. При этом у него возник ряд мыслей, которые должны были найти воплощение в его проекте.

Он еще раз просмотрел блок-схему и решил внести в автомат дальнейшие усовершенствования, тем более что, как казалось, сделать это было совсем несложно. Надо было лишь учесть, что:

1) чем мельче должна быть соль, тем дольше должен продолжаться помол, и наоборот, грубый помол занимает меньше времени;

2) чем мельче помол, тем меньше время сушки, и наоборот;

3) чем ниже влажность соли, тем дольше она должна оставаться в сушке, и наоборот;

4) чем ниже влажность соли, тем ниже весовая производительность автомата, и наоборот;

5) чем толще слой соли, тем дольше она должна оставаться в сушке, и наоборот;

6) чем выше температура сушки, тем меньше время сушки, и наоборот.

Правда, при учете указанных обстоятельств возникла та общая для многих теорий, в том числе и для теории автоматов, неприятность, которую ученые называют — нелинейность.

Чтобы пояснить суть дела, проще всего обратиться к примеру. Рост человека со дня рождения и лет до двадцати — двадцати пяти непрерывно увеличивается. Если бы рост увеличивался равномерно (например, каждый год на 5 сантиметров), то ученый это обстоятельство сформулировал бы так: «На интервале от 0 до 20–25 лет рост человека является линейной функцией времени».

Однако в действительности эта функция нелинейна; человек растет сначала быстрее, потом медленнее, а в дальнейшем его рост даже уменьшается.

Точно так же в мифическом автомате, о котором идет речь, время сушки, например, может расти пропорционально толщине слоя соли или непропорционально. Соответственно можно сказать, что время сушки является линейной или нелинейной функцией толщины слоя.

Неопытному взгляду может показаться, что нелинейность не так уж страшна. В действительности (мы сейчас не будем объяснять почему) нет ничего хуже.

Нелинейности вносят неразбериху в самые стройные теории. Ученые с неудовольствием обнаружили, что большинство явлений в природе и технике нелинейны, в силу этого не поддаются точному исследованию и чреваты всякими неожиданностями.

Но нашему ученому уже знакомы различные нелинейные капризы, и он продолжал усовершенствовать идею своего автомата с расчетом получить небывалую производительность.

На плоской блок-схеме уже не оставалось кирпичей со свободными сторонами, и ее пришлось заменить пространственной. К шести кирпичам он пририсовал еще по стрелке, правильно выбрав направление стрелок, к четырем из них пририсовал еще по кирпичу.

Две стрелки, оставшиеся свободными, он обозначил «вход» и «выход». В заключение соединил между собой прямыми и обратными связями все оставшиеся свободными торцы кирпичей и удовлетворенно вздохнул. Основная часть работы была закончена. И пора — на листочке бумаги уже не оставалось свободного места.

Теперь ученый перешел к расчету своей блок-схемы. Первым шагом было составление передаточной функции. Она и только она должна подробно рассказать о работе всего автомата: от хвостика стрелки «вход» до носика стрелки «выход». И он заранее предвкушал удовольствие, представляя себе, как передаточная функция мгновенно отвечает на самые разные вопросы, например: как изменится производительность автомата, если одновременно температуру сушки увеличить на 10 градусов, слой соли уменьшить на 2 сантиметра, тонкость помола увеличить на 30 процентов, а влажность соли повысить вдвое?

Составление передаточной функции напоминает один из этапов приготовления шашлыка, когда на вертел в строгой последовательности насаживаются разные кусочки мяса, сала, лука. Подобно этому при составлении передаточной функции следует формулами изображать свойства одного кирпича за другим, записывая их в строку одну за другой.

Когда и эта часть работы была закончена, ученый решил провести несколько пробных расчетов. Для этого следовало задаться значениями многих величин, видневшихся то тут, то там в составленных формулах. Собрав и тщательно обработав обширный статистический материал, он определил пределы вероятных значений этих величин. Тогда выяснилось, что если доверять найденным пределам, то расчетная производительность автомата располагается где-то в интервале от 20 до 1600 килограммов соли в час. Немалая вина за такой неопределенный ответ лежала на уже упомянутых нелинейностях.

Нетрудно сообразить, что этот ответ не мог удовлетворить заказчика, хотя сам по себе он (ответ) представлял существенный научный интерес.

После длительного обсуждения на семинаре вопросов теории нелинейных элементов схемы разброс возможных предельных значений для каждой из нелинейностей удалось уменьшить вдвое. Теперь ожидаемая производительность автомата располагалась где-то между 150 и 1200 килограммами соли в час.

Ни ученого, ни заказчика этот ответ не устроил.

Тогда на следующем семинаре было решено перейти к глубокому теоретическому и экспериментальному исследованию влияния нелинейностей на производительность автоматов вообще. Проблема приобрела общетеоретическое звучание. В последний момент кто-то вспомнил о соляном автомате. Было решено построить экспериментальную установку для исследования его отдельных нелинейных узлов, которая бы попутно отвечала на ряд других вопросов, имеющих общетеоретический интерес. Ее проектирование поручили молодому ученому.

Чтобы правильно моделировать возможно большее число процессов, обеспечить максимальную объективность опытов и упростить обслуживание, он решил спроектировать установку так, чтобы она работала в автоматическом режиме. План работы был готов, и молодой ученый приступил к делу.

Взяв листок бумаги, он нарисовал кирпич и воткнул в него с двух сторон по стрелке. К хвостикам обеих стрелок… и т. д.

И маститый ученый и молодой ученый не зря занимали место в науке. Но когда они взялись за конструирование, их, можно сказать, постигла неудача. Почему?

Когда изучают машину, очень важно уметь выделить ее «скелет». При создании ее не менее важно уметь построить и рассчитать этот скелет. Но один скелет — еще не машина. Ей нужны мышцы, нервная система, органы чувств. Каждый из кирпичиков нужно начинить и обрастить конструкциями, механизмами, устройствами. Их следует соразмерить так, чтобы они радовали глаз художника и «черствую душу» эксплуатационника. Нужно знать и уметь предусмотреть сотни «мелочей», которые в два счета могут вывести машину из строя. Заглянув в «творческую лабораторию» ученого, мы теперь видим, что конструирование не совсем наука, хотя, конечно, конструктор без знания основ науки то же, что художник без карандаша и кистей.

Так, может быть, конструирование — это цепь догадок, случайных находок и удачных совпадений?

Совсем не случай

Об этой стороне конструирования в английском журнале «Авиация» занимательно рассказал еще тридцать с лишним лет тому назад некий Осборн — конструктор авиационной фирмы.

Вот как приблизительно выглядит его рассказ.

Создание самолета многие представляют себе как нечто таинственное; они не понимают, как его проектируют, как определяют основные показатели, почему для одного типа самолета используется бипланная схема, а для другого — монопланная.

Мы опросили нескольких опытных конструкторов, как они создают новый самолет. Они охотно удовлетворили наше любопытство, и ниже мы приводим с их слов описание обычного процесса создания самолета — от чертежной доски до испытательного аэродрома.

Лучшие конструкторы заняты изготовлением описаний и реклам для торгового отдела фирмы, и главный конструктор с неудовольствием узнает о том, что конструировать будут неопытные люди, а предварительные расчеты и вычисления должен делать он сам.

Главный конструктор задает размах крыла 12,5 метра. Конструктор не может разобрать его почерк и делает чертеж крыла с площадью 125 квадратных метров.

Первоначально намечается моноплан. Но происходит смена руководства в министерстве авиации. Новое руководство предпочитает бипланы, поэтому конструкцию изменяют на биплан.

Президент акционерного общества сообщает, что в настоящее время основным показателем всех новых самолетов является скорость. Соответствующим образом изменяется конструкция.

Партнером главного инженера по игре в гольф является владелец моторного завода. Это обстоятельство оказывает решающее влияние на выбор двигателя, несмотря на возражения главного конструктора. Однако спустя некоторое время главный инженер начинает хуже играть в гольф и партнер постоянно его обыгрывает. Тогда он предлагает взять двигатель другой фирмы. Конструктор озадачен; не знает, что ему делать с новым двигателем.

Президент акционерного общества предписывает всемерное снижение себестоимости и эксплуатационных затрат. Конструкция соответствующим образом изменяется.

Главный конструктор фирмы Y узнает, что фирма X проектирует самолет с крылом типа «чайка». Он велит немедленно стереть все начерченное и разрабатывать новое крыло, типа «чайка». В это время конструктор фирмы X стирает свои чертежи и начинает набрасывать крыло типа «бабочка», так как он узнал, что фирма Y разрабатывает крыло именно этого типа.

Президент акционерного общества возвращается из зарубежной поездки и рассылает циркуляр, в котором пишет, что самым главным качеством самолета в данный момент является улучшение обзора с места пилота и для достижения этой цели следует жертвовать и дешевизной конструкции и скоростью. Конструкция соответственно изменяется.

Цех делает ошибку и укорачивает хвост фюзеляжа на полметра. Так как до этого цех покрыл одну из ошибок конструкторского бюро, то по принципу «рука руку моет» конструктор написал длинный доклад главному инженеру, доказывая, что наблюдается тенденция к более коротким фюзеляжам, а поэтому следует укоротить фюзеляж на полметра.

Главный инженер, не уловив смысла туманных рассуждений конструктора, распоряжается укоротить нос фюзеляжа на полметра.

Наконец прибывает двигатель. Оказывается, что фирма построила девятицилиндровый двигатель вместо семицилиндрового, на который была рассчитана подмоторная рама. После длительной безрезультатной переписки между обеими фирмами о том, что делать — заменить подмоторную раму или снять два цилиндра, пришли к решению бросить жребий. Заменяется подмоторная рама.

При установке двигателя оказывается, что карбюратор задевает за шасси. Двигатель отсылают на завод, чтобы переделать карбюратор. Когда двигатель возвращают, обнаруживается, что новый карбюратор задевает за масляный бак. Двигатель вновь отправляют на завод для переделки на бескарбюраторную конструкцию.

Ни один из рабочих, занятых изготовлением обтекателей, не знает английского языка, поэтому конструктор на пальцах объясняет им, какого типа крыльевые зализы необходимо сделать.

Думая, что он говорит о капоте двигателя, они изготовляют новый тип капота. Конструктор делает чертеж и посылает его главному инженеру с указанием, что его новый проект должен дать увеличение скорости на 7 километров в час.

Шасси было рассчитано на колеса большого диаметра. Кто-то изобрел колеса малого диаметра и продал их агенту отдела снабжения фирмы. После их установки зазор между запроектированным двухлопастным винтом и землей оказался слишком мал. Конструктор предложил поставить трехлопастный винт, считая, что окружная скорость двухлопастного винта слишком велика.

Во время сборки самолета обнаруживается, что верхнее крыло упирается в потолочную балку цеха. После сравнения стоимости потолочного перекрытия цеха и одного набора крыльевых стоек самолета высоту коробки биплана решено уменьшить на 15 сантиметров.

После первого взвешивания обнаруживается, что центр тяжести самолета сильно смещен. Для получения нужной центровки изготовляется новое верхнее крыло с резко выраженной стреловидностью в плане. Главный инженер пишет президенту фирмы, что связанная с этим задержка оправдывается улучшением обзора с места пилота.

При вытаскивании самолета из ворот ангара обламывают на полметра конец левого крыла. После этого укорачивают также и правое крыло и оба конца аккуратно закругляют.

Самолет успешно проходит летные испытания, причем максимальная скорость оказывается на 10 км/час больше, чем ожидал расчетчик, но на 10 км/час меньше той, которую он указал в расчетной записке. Она оказалась на 20 км/час больше, чем ожидал главный конструктор, и на 20 км/час меньше, чем он заранее сообщил президенту. Она на 30 км/час больше, чем ожидал президент, хорошо знающий свое предприятие, и на 30 км/час меньше, чем он обещал министерству авиации…

Нет! Конструирование машины не совсем тот, а вернее, совсем не тот процесс, что описан в этом коротком рассказе, хотя, конечно, никто не станет отрицать, что превосходные конструктивные решения зачастую являются плодом удачной догадки, счастливого случая, мысли, возникшей в результате мимолетного разговора. Но почему-то эти решения приходят в голову не всем подряд.

Сложное блюдо — конструирование

В книге «Мои воспоминания» академик Алексей Николаевич Крылов пишет о Петре Акиндиновиче Титове, которого он считал одним из самых замечательных корабельных инженеров. Шестнадцати лет П. А. Титов поступил рабочим в корабельную мастерскую Невского завода в Петрограде; затем был переведен в заводскую чертежную (по современной терминологии — в конструкторское бюро), потом непосредственно на верфь, где прошел путь от помощника мастера до главного инженера и управляющего верфью. Он, не имея диплома даже сельской школы, руководил постройкой ряда кораблей, включая и большие крейсеры.

Как пишет А. Н. Крылов, «все рабочие чертежи разрабатывались самим заводом, и для всех деталей, для всех механизмов и устройств П. А. Титов давал набросанный им самим эскиз с размерами. Чертил он от руки на обыкновенной графленной в клетку бумаге, всегда пером и с необыкновенной быстротой… Верность его глаза была поразительная. Назначая, например, размеры отдельных частей якорного или буксирного устройства, или шлюпбалок, или подкреплений под орудия, он никогда не заглядывал ни в какие справочники, стоявшие на полке в его кабинете, и, само собой разумеется, не делал, да и не умел делать, никаких расчетов. Н. Е. Кутейников, бывший в то время самым образованным корабельным инженером в нашем флоте, часто пытался проверять расчетами размеры, назначенные Титовым, но вскоре убедился, что это напрасный труд — расчет лишь подтверждал то, что Титов назначил на глаз…»

Два года занимался А. Н. Крылов с П. А. Титовым, посвящая его в тайны алгебры, геометрии, дифференционального и интегрального исчислений, сопротивления материалов и теории корабля. Он пишет:

«…В то время, когда мы, наконец, дошли до сопротивления материалов и расчетов балок, стоек и пр., как раз заканчивалась постройка броненосца „Наварин“, и не раз Петр Акиндинович говаривал мне:

— Ну-ка, мичман, давай считать какую-нибудь стрелу или шлюпбалку.

По окончании расчета он открывал ящик своего письменного стола, вынимал эскиз и говорил:

— Да, мичман, твои формулы верные: видишь, я размеры назначил на глаз — сходятся.

Лишь восемнадцать лет спустя, занимая самую высокую должность по кораблестроению, я оценил истинное значение этих слов Титова. Настоящий инженер должен верить своему глазу больше, чем любой формуле; он должен помнить слова натуралиста и философа Гексли: „Математика подобна жернову, перемалывает то, что под нее засыпают“, — и вот на эту-то засыпку прежде всего инженер и должен смотреть!..»

И еще один отрывок из той же книги:

«…Кажется, в 1892 году или в 1893 году Морское министерство организовало конкурс на составление проекта броненосца по объявленным заданиям, причем были назначены две довольно крупные премии. На конкурс было представлено много проектов, и по рассмотрении их техническим комитетом были признаны: заслуживающим первой премии проект под девизом „Непобедимый“ и второй премии — проект под девизом „Кремль“.

Вскрывают конверт с девизом и читают: „Составитель проекта под девизом „Непобедимый“ — инженер Франко-русского завода П. А. Титов“, затем читают: „Составитель проекта под девизом „Кремль“ — инженер Франко-русского завода П. А. Титов“.

Произошла немая сцена, более картинная, нежели заключительная сцена в „Ревизоре“, ибо многие члены комитета относились к Титову свысока и говорили про него: „Да он для вразумительности слово «инженер» пишет с двумя ятями“. И вдруг такой пассаж: два его проекта, оригинальных, отлично разработанных, получают обе высшие премии».

Английский ученый Гарри Рикардо, известный специалист в области теории двигателей внутреннего сгорания, выступая в конце второй мировой войны в обществе английских инженеров, так говорил о своем соотечественнике конструкторе Генри Ройсе:

«Ройс был художником до мозга костей и лучшим примером (какой я когда-либо встречал) того, кого можно назвать „прирожденный гений“, — так как, не обладая никакой, ни научной, ни теоретической, подготовкой, он тем не менее выпускал непосредственно с чертежной доски наилучшие автомобили и наилучшие авиадвигатели, наилучшие электрические моторы и наилучшие подъемные краны для своего времени; в каждом случае он брал на себя ответственность не только за общий проект, но также и за любую мелкую техническую деталь. Он был примером чистейшего интуитивного гения, обладавшего чувством пропорции художника. Вместе с тем он высоко ценил значение теоретических исследований и научных методов и всегда стремился быть в курсе последних достижений науки и по возможности их применять!»

А. Н. Крылов несколько преувеличил роль глазомера в конструировании. Поверхность лопатки газовой турбины и параметры атомного реактора, профиль крыла самолета и скорость ракеты, уносящей искусственный спутник, многие параметры современных машин совершенно невозможно сколько нибудь правильно выбрать на глаз.

Рикардо переоценил достоинства конструкций, разработанных в свое время Ройсом, безапелляционно называя их одну за другой наилучшими в мире.

Но несомненно, что конструирование было и остается в определенной мере искусством. И каждый человек в той или иной мере владеет этим искусством и применяет его в обыденной жизни. Конструирует ребенок, складывая из кубиков домик или пытаясь нарисовать на листке бумаги автомобиль. Стоя перед зеркалом, девушка конструирует прическу. Пыхтя над резиновым шнуром и нитками, мальчишка конструирует рогатку. В кухне хозяйка конструирует пирог; ее супруг — приспособление к детской кроватке, которое мешает годовалому существу вывалиться из нее на пол.

А сколько людей занимаются конструированием не любительски, а профессионально! Миллионы конструкторов во всем мире конструируют все — от табуретки до синхрофазотрона, от намордника для собаки до электронного вычислительного автомата, от детских сосок и бигуди для завивки волос до бомбардировщиков и электрических стульев. Среди этих миллионов конструкторов тысячи несомненно одаренных, сотни талантливых, десятки гениальных, имена которых навеки остаются в учебниках и энциклопедиях.

Однако в конструировании неизмеримо большую роль, чем в любом другом виде искусства, играет наука. Десять, пятнадцать лет учится человек сначала в школе, потом в техникуме или вузе, прежде чем впервые стать за доску. А когда этот момент наступает, он, к своему ужасу, видит, что еще ничего не знает, что, получив задание сконструировать пустяковое приспособление для крепления заготовки на столе станка или простейший узел подъемного крана, он поначалу не может изобразить на листе ватмана ничего, кроме рамки и осевых линий.

На белом листе, укрепленном перед ним на чертежной доске, скрыты все возможные решения поставленной задачи. Как сделать их видимыми? Где взять «состав», пользуясь которым можно было бы «проявить» на этом белом листе удовлетворительную, хорошую, отличную конструкцию?

Средневековые ученые искали состав философского камня. Они верили, что, если к серебру или ртути подмешать немного этого камня, а потом смесь нагреть, она превратится в чистое золото. Поиски философского камня кончились неудачей.

«Волшебным составом» конструирования может овладеть каждый. Только для этого сначала нужно овладеть техническими знаниями, суметь подняться на уровень современной науки в избранной области техники — другими словами, нужна эрудиция.

Затем нужно овладеть тем, что можно назвать профессиональными навыками конструирования, или техникой конструирования.

И наконец, надо уметь легко нести груз эрудиции и профессиональных навыков, не быть им раздавленным, прижатым к одним и тем же стандартным решениям, нужно обладать творческой фантазией, технической интуицией, всем тем, что иногда называют чутьем конструктора.

Эрудиция, навыки, чутье — вот нехитрая тайна «волшебного состава», которым владеет каждый конструктор. Разница «только» в том, какова концентрация каждого из этих ингредиентов и в каких пропорциях они соединены в каждом конкретном случае. Именно от этого зависит эффективность его применения, результат работы за чертежной доской.

День за днем, год за годим, стоя у доски, уже превосходно владея профессиональными навыками, конструктор, приступая к каждой новой разработке, еще и еще раз убеждается, что вчерашнего багажа уже мало, чтобы хорошо справиться с заданием, полученным сегодня. И именно на долю тех, кто, овладевая искусством конструирования, стремится вместе с тем глубоко понимать, что они делают, приходится наибольшее количество счастливых «случайностей», удачных находок, неожиданных решений.

Конструирование — блюдо, приготовленное разумным сочетанием науки и искусства и лишь слегка приправленное счастливым случаем.

Сердце и рука

«Тук-тук! Тук-тук!..»

Перу польского писателя Станислава Лема принадлежит забавный рассказ «Существуете ли вы, мистер Джонс?». В нем речь идет о судебном процессе, возникшем в связи с иском, предъявленным фирмой «Кибернетикс компэни» некоему Гарри Джонсу — профессиональному автомобильному гонщику. Периодически попадая в катастрофы, последний терял руки, ноги, внутренние органы, полушария мозга.

После каждой катастрофы он заказывал в кредит фирме «Кибернетикс компэни» взамен утраченного органа соответствующий протез. Его задолженность росла, и в конце концов фирма поставила вопрос о возврате всех изделий. К этому времени Гарри Джонс уже целиком состоял из протезов и был чисто техническим устройством, сохранив тем не менее все свойства полноценного живого существа. Хитроумными доводами и каверзными вопросами он (или, если вам больше нравится, оно) заводит суд в тупик и добивается того, что судебное разбирательство откладывается…

Гарри Джонс Лема — усовершенствованный потомок Робота — детища чешского писателя Карела Чапека. Робот — еще автомат, которому чужды человеческие чувства, хотя он и обладает сверхчеловеческими качествами. А составленного из одних протезов Джонса уже не удается отличить от рядового человека. Он разумен — разумен в том смысле, что рассуждает так, как рассуждал бы на его месте обыкновенный человек. В споре находит доводы, понятные и убедительные для других людей; обладает чувством собственного достоинства; способен сердиться и смеяться, хитрить и лукавить. Он работает, выбирая работу получше, и имеет свои принципы. Одним словом, это разумное, полноценное живое существо, только искусственное. Искусственное разумное полноценное живое существо. Сокращенно: И-ра-по-жи-с. За Роботом Ирапожис!

Как видим, в области фантастики наметился прогресс, основанный на гиперболе — обычном литературном приеме, выражающемся, скромно говоря, в крайнем преувеличении какого-либо факта, явления, события.

А фактом является то, что техническое устройство может более или менее успешно выполнять функции живого органа. Скромное начало этому положили кусочки металла, деревяшки и крючки, которыми люди пользовались еще несколько сотен лет назад взамен утраченных зубов, ног, рук. Первые такие протезные изделия поражали современников так же, как их затем поражали куклы Вокансона и Дро, первая паровая машина, первый фонограф, первый автомобиль. Как сегодня поражают электронные машины и автоматы, умеющие делать «все».

Шло время, и то, что поражало людей когда-то, становилось сначала привычным, затем отсталым, потом окончательно устаревшим. Что казалось фантазией, становится реальностью. Крючок вместо руки, деревяшка вместо ноги — это разве дело? У человека могут на время отказать почки, сердце, легкие. Зачем же ему погибать из-за такого «пустяка»?

Вы, наверное, знаете, как устроена самая простая помпа, изобретенная более двух тысяч лет назад, помпа, для привода которой строились первые паровые машины.

Внутри цилиндра совершает возвратно-поступательное движение поршень. При его ходе вниз открывается только впускной клапан, и полость заполняется жидкостью. При ходе вверх поршень выталкивает эту жидкость под давлением через выпускной клапан. При этом впускной клапан остается закрытым. Ход за ходом жидкость перекачивается из одного трубопровода в другой. Так можно откачивать воду из шахты, накачать ее в бак, поднятый над землей.

Сердце человека — сдвоенная помпа, которая поддерживает кровообращение, перекачивая кровь из вен в артерии. Человек может прожить 40 дней без пищи, 10 дней без воды, несколько минут без воздуха; при этом он сохраняет способность мыслить, принимать решения, бороться за жизнь. Но стоит только на несколько секунд приостановить поток крови, текущей в мозг, — и человек теряет сознание, перестает быть человеком, хотя процесс «прощания души с телом» продолжается после этого еще несколько минут.

«Тук-тук!» — интервал, «тук-тук!» — интервал… 72 раза в минуту, иногда чуть чаще, иногда чуть медленней, 36 миллионов ударов в год оно бьется без отдыха, без перерыва. При каждом ударе сердце перекачивает 150 кубических сантиметров крови, за 50 лет 300 тысяч тонн!

Мощность, развиваемая сердечной мышцей, больше мощности, развиваемой ножными мышцами человека, бегущего с предельной скоростью. Мышцы ног быстро устают, сердце в таком темпе работает десятилетия.

По надежности и долговечности ни один насос, ни одна помпа не могут равняться с сердцем. И если про тренированного бегуна говорят, что у него железное сердце, то в свете сказанного это совсем не звучит как комплимент сердцу.

Хотя сердце делает то же самое, что обычная помпа, но делает оно это, конечно, совсем не так и конструктивно устроено совсем по-другому.

Сердце состоит из двух половин, каждая из которых делится на предсердие и желудочек. Использованная организмом кровь — бедная кислородом и насыщенная углекислотой — по двум венам поступает в правое предсердие, затем в правый желудочек. Правый желудочек по легочным артериям прокачивает эту кровь через легкие под давлением 20 миллиметров ртутного столба.

В легких кровь очищается от углекислоты и насыщается кислородом. Затем по легочным венам кровь попадает в левое предсердие, оттуда в левый желудочек, который под давлением 120 миллиметров ртутного столба гонит кровь через аорту и систему разветвляющихся артерий во все уголки организма. Там, в миллиардах мельчайших сосудов — капиллярах, происходит обмен веществ между кровью и тканями. Капилляры, соединяясь, образуют сначала мелкие вены, затем все более крупные, которые, наконец, сливаются в две вены, открывающиеся в правое предсердие.

Что служит двигателем для этой помпы? Мышцы, образующие стенки предсердий и желудочков, способные сокращаться, как сокращается любая другая мышечная ткань. Мускулистые стенки — миокард — имеют разную толщину: в области предсердий 2–3 миллиметра; правого желудочка, качающего кровь под малым давлением, 5–8 миллиметров; левого желудочка, развивающего сравнительно большие давления, 10–15 миллиметров.

Как и обычная помпа, каждый из желудочков оборудован двумя клапанами. В период наполнения желудочков их стенки расслабляются, открываются впускные клапаны из предсердий, закрываются выпускные клапаны, соединяющие желудочки с артериями. Сокращение сердечной мышцы ведет к закрытию впускных клапанов и открытию выпускных. А затем сердечная мышца вновь расслабляется и из предсердий в желудочки поступают очередные порции крови. «Тук-тук! Тук-тук!..» — стучат, как хлопающие двери, быстро закрывающиеся сердечные клапаны — сначала впускной, потом выпускной.

Сто тридцать лет назад Английская ассоциация прогресса науки выделила специальную комиссию, которая должна была выяснить происхождение этих таинственных тогда стуков. А теперь, как опытный автомеханик, вслушиваясь в работу двигателя, проверяет его регулировку, опытный врач по силе и частоте ударов судит о работе сердца и состоянии клапанной системы.

Достаточно быть хотя бы немного знакомым с техникой, чтобы оценить, насколько экономно и целесообразно сконструирован живой агрегат объемом с кулак и весом всего в 300 граммов, объединяющий в себе насос и приводящий его в действие двигатель, способный в период больших физических нагрузок развивать мощность до 150 ватт.

И в самом же сердце скрывается система управления этим биологическим двигателем, заставляющая с точностью часового механизма биться сердце 100 тысяч раз в сутки.

В едва видимом комочке ткани, в так называемом синусном узле, расположенном в задней стенке правого предсердия, 72 раза в минуту возникает короткий электрический импульс. Распространяясь по мышечным тканям предсердий, он вызывает их сокращение.

Возбуждение достигает второго — предсердно-желудочкового — узла, где происходит задержка импульса на 0,05–0,07 секунды, в течение которых заканчивается сокращение предсердий. Из второго узла возбуждение распространяется в течение нескольких сотых долей секунды на мышечную ткань обоих желудочков, вызывая их одновременное сокращение. Затем следует интервал — расслабление, после которого возникает очередная «искорка», управляющая работой всего сердца.

Раз за разом по сердечной мышце растекаются биотоки, и живой насос мощно перекачивает кровь.

Ученые уже давно научились записывать биотоки работающего сердца. На электрокардиограмме четко видны все фазы этого периодического процесса. Вот возникает небольшая волна (во всем мире ее обозначают латинской буквой P): это работают предсердия. Затем импульс передается желудочкам, на кардиограмме это отражается «выплеском» QRS. На протяжении всего интервала T сокращаются желудочки, а затем наступает период расслабления — отдых.

Сердцу «сердце» помогло

Миллиарды сердец бьются, поддерживая жизнь миллиардов людей. Каждый удар, каждый цикл работы сердца протекает по одним и тем же законам, одну и ту же кривую должен писать автомат электрокардиограф, регистрирующий биотоки сердца. Любые изменения в электрокардиограмме настораживают врача, помогают ему обнаружить неисправности в работе сердца и понять их причины. Таких неисправностей, врожденных и «благоприобретенных», могут быть десятки и сотни, но природа закладывает в свои конструкции очень высокую степень надежности.

Точно установлено, что сердце продолжает качать кровь, даже если омертвеет большая часть ткани сердечной мышцы.

Стенки правого желудочка могут быть полностью разорваны, его вообще можно исключить из цепи кровообращения — и все равно кровь будет течь в легкие.

Сердечные клапаны могут подтекать меньше или больше — сердце будет работать.

Синусный узел перестанет генерировать управляющие сигналы — его функции возьмет на себя предсердно-желудочковый узел, — сердце будет работать, по возможности лучше приспосабливаясь к своим собственным дефектам.

Ни одно техническое устройство не может действовать, имея подобные дефекты; ни одну из своих конструкций человек не может сделать с такой высокой степенью надежности.

Но как ни надежно сердце, бывает, что и оно нуждается в срочном, сверхсрочном ремонте.

…Над операционным столом склонились несколько человек. Один из них, тот, кому больной вручил свою жизнь, отдает отрывистые приказы, которые молниеносно выполняют его помощники. Уже вскрыта грудная полость и перед людьми в белых халатах бьется живое человеческое сердце. Но кто еще, кроме хирурга, осмелился нарушить напряженную тишину операционного зала? Откуда вдруг появился мерный шум? Это рядом с людьми начал работать автомат — искусственное сердце, которое на время операции заменит живое сердце, требующее вмешательства хирурга.

В две вены, по которым кровь возвращается в правое предсердие, введены трубки, и теперь, вместо того чтобы течь в правый желудочек, кровь течет в состоящее из трубок и помп искусственное сердце, прокачивающее ее через искусственные легкие, где происходят процессы насыщения крови кислородом и очищения ее от углекислоты, аналогичные тем, что идут в настоящих легких.

Затем кровь самотеком поступает в спиральный резервуар. Если в ней останется хотя бы один пузырек газа, то он осядет на стенках первого же витка спирали.

Спиральный резервуар помещен в сосуд с подогретой водой, благодаря чему поддерживается необходимая температура крови, которая из резервуара поступает на вход помпы и из нее через трубку — в артериальную систему человека. Эта кровь проходит нормальный путь по организму человека, поступает в вены и оттуда снова в автомат.

Освободив сердце от выполнения основной обязанности и осушив его, хирург имеет возможность и время, чтобы произвести такой ремонт и исцелить больного от таких недугов, которые десять лет назад казались абсолютно неизлечимыми.

В настоящее время уже существуют и применяются несколько различных конструкций автомата «искусственное сердце-легкие». Без вредных последствий для больного ими можно поддерживать искусственное кровообращение минуты, часы. Считают, что в недалеком будущем их можно будет применять по многу часов и даже дней.

Но постоянно действующее искусственное сердце — извечная мечта врача и поэта — еще долго будет оставаться мечтой. Гарри Джонс из рассказа Лема пока имеет все основания утверждать, что искусственное сердце, изготовленное для него фирмой «Кибернетикс компэни», по габаритам, весу, эффективности и надежности похоже на естественное сердце не больше, чем кочерга на деву Марию.

Помимо внутренних органов, Гарри Джонс потерял конечности. Посмотрим, что в этом отношении можно для него сделать сейчас, и тогда, может быть, станет яснее, на что он может рассчитывать в обозримом будущем.

Рождение идеи

Чтобы заглянуть вперед, нам придется вернуться в один из осенних дней октября 1956 года. Поздний вечер, но в лаборатории еще горит свет. Близится конец года, а с ним и время отчета. Автор отчета сидит за столом, заваленным папками, книгами, чертежами. Целый год в лаборатории шли испытания макета станка с цифровым управлением, целый год сигналы программы превращались в электрические импульсы, а электрические импульсы — в перемещения инструмента и заготовки. Теперь наступила пора сравнить то, что было построено и испытано, с тем, что было задумано и спроектировано. На столе разложены осциллограммы, на которых записаны импульсы и перемещения.

Страшно интересно знать, что получилось, а тут, как на грех, в лаборатории сидит гость — сотрудник другого института — и обстоятельно, не торопясь, рассказывает о результатах своей работы в области, совсем далекой от интересов автора отчета. В его рассказе речь идет о новых механизмах протеза предплечья, о методах их расчета и проектирования. Механизм всегда остается механизмом, встроен ли он в автомат или в протез, в нем всегда много интересного, и постепенно беседа оживляется.

— Я понял, как действует ваш протез, — говорит хозяин, — и думаю, что исследовать его движения можно обычными методами. Одно только мне непонятно — ведь движениями протеза предплечья управляет здоровая часть руки, мышцы плеча. Как зарегистрировать момент начала сокращения соответствующих мышц?

— Электрофизиологи уже давно умеют это делать, — говорит гость. — Они записывают биотоки мышц руки примерно так же, как в поликлиниках записывают электрокардиограмму; при записи так называемых миограмм они прикладывают электроды на участок кожи над соответствующей мышцей.

— И что показывают эти миограммы?

— Когда мышца расслаблена, сигнала почти нет. Чем больше мышца напряжена, тем сильнее биоэлектрические импульсы. Я не знаю в подробностях их методик. Если хотите, приезжайте к нам в институт. Думаю, что наши физиологи с удовольствием вас с ними познакомят, а сейчас, может быть, нам лучше вернуться к вопросам анализа механизмов протезов…

— Подождите минуту! — вскакивает хозяин. — Ведь мы уже несколько лет занимаемся автоматом, движением механизмов которого управляют электрические импульсы. Вот они, у нас перед глазами. Программы движения, записанные в виде черточек на киноленте, черточек, которые превращаются в управляющие импульсы. А биотоки мышц — это, выходит, тоже программы движения! Так, может быть, их можно использовать не только для исследования мышечной деятельности? Может быть, биоэлектрический сигнал можно применить, например, для целей управления техническим устройством?

Биоэлектричество, отведенное от живого организма, управляет машиной?! Для такой системы так и напрашивается название — «биоэлектрическая система управления»!

Выпучив глаза и затаив дыхание, собеседники с минуту молча смотрели друг на друга. Человек привык все новое прежде всего примерять и приспосабливать к привычному, хорошо знакомому. И после паузы гость вопросительно произнес:

— Если вы утверждаете, что такая система сумеет чем-нибудь управлять, то, может быть, ее можно приспособить для управления протезом?

Помните, читатель, в главе «Точка, тире» вам предлагалось подумать о том, как можно было бы использовать аналогию в способах передачи информации по нервной сети живого организма и коммуникациям технического устройства? Идея биоэлектрического управления полностью вытекает из этой аналогии. Кратко ее можно высказать так:

«Программу» действия живого организма мозг зашифровывает в виде потоков электрических импульсов и направляет их затем по нервной сети ко всем исполнительным органам.

Но ведь и программу работы многих машин также зашифровывают и направляют к исполнительным механизмам в виде потоков электрических импульсов!

Само собой разумеется, что природа сигналов в обоих случаях различна. Но это ведь не мешает принять такой способ сигнализации в качестве единого кода для живого существа и технического устройства, когда они должны тесно взаимодействовать между собой.

В описанной выше беседе была сформулирована идея, но этого, конечно мало. Ее нужно было сделать зримой, овеществить. И вновь появился тот самый конструктор в очках с толстыми стеклами, с которым мы познакомились в главе «Заколдованный треугольник».

Физиология для инженера — темный лес. Жизнерадостный физиолог с круглым лицом и прищуренными глазами, излучающими улыбку, был в этом лесу, как у себя дома.

А в ящиках с электрофизиологической аппаратурой копался неторопливый радиоинженер.

Пять человек подобрались по типичным кибернетическим канонам. Разнородных специалистов объединили дружественные отношения, а главное — желание приложить свои знания и труд к новому делу и посмотреть, что из этого получится.

…И вот первый макет готов. Это совсем игрушка. Искусственная кисть установлена на ящике. Тяга, заставляющая кисть сжимать пальцы, приводится в движение механизмом, спрятанным в ящик. Этот механизм — очень упрощенный и сильно уменьшенный вариант электромеханического шагового двигателя, знакомого нам по первому станку с цифровым управлением. Вращением его вала управляли реле, включающиеся под действием электрических импульсов. А что или кто служит источником импульсов — лента с черточками или живая рука человека, — для технического устройства значения не имеет.

Посредине лаборатории выгорожена до потолка большая клетка, обтянутая металлической сеткой, экранирующей внешние помехи. Внутри клетки — оператор. Это один из пятерых. Правый рукав закатан до локтя, ниже локтя — резиновое кольцо, которым к коже прижаты электроды. Провода выползают из клетки и скрываются в недрах аппаратуры. А из недр аппаратуры вьются еще провода к ящику с игрушечной кистью. Рядом с оператором физиолог. За пределами клетки — остальные. Не слышно обычного смеха и шуток. Сейчас будет включена аппаратура. Что получится?

— Давай! — намного громче, чем нужно, звучит из клетки.

Загорелись контрольные лампочки.

— Согни кисть, — почти шепотом произносит физиолог.

Все глаза устремились на ящик с игрушкой. Кисть бездействовала. Еще попытка, еще… Все хором кричат оператору, чтобы он как следует напрягал мышцу или пусть выкатывается из клетки. Каждый предлагает свои услуги, и от торжественной тишины не осталось и следа. В этот момент смотритель аппаратуры обнаружил, что вилка, подвозящая питание к ящику с кистью, осталась выключенной. Привычным жестом он воткнул ее в розетку — и от неожиданности отпрянул в сторону. Из ящика послышалось краткое «тр-тр-тр!», заглушенное разгоревшейся дискуссией. Первого движения искусственной кисти никто не увидел. Но это не беда. Зато потом добрый час один за другим все желающие входили в клетку, надевали резиновый браслет, подсовывали под него электроды, сгибали и разгибали кисть. В ящике начиналась трескотня, послушная биотокам игрушка сжимала и разжимала искусственные пальцы.

А авторы изо всех сил делали вид, будто они ничего другого не ожидали.

В пику скептикам

Идея биоэлектрического управления стала очевидной, понятной, само собой разумеющейся… И тогда одно за другим начали возникать предложения — реальные, наивные, фантастические, — связанные с использованием этой идеи. А скептики начали не ложками — большими половниками добавлять деготь в бочку меда. Как и все, они видели игрушку, но в отличие от всех они видели только игрушку.

«Кому нужны эта клетка, шкаф с аппаратурой и трещотка? Что, кроме интересного фокуса, вы рассчитываете нам показать?»

По крайней мере наполовину скептики были правы. Действительно, клетка и шкаф с аппаратурой, приемлемые для лабораторных электрофизиологических исследований, были явно непригодны для технических приложений. Сомнения скептиков и свои собственные можно развеять только делом. Был разработан новый проект — теперь это был макет биоточного манипулятора. Авторский коллектив пополнился специалистами в области электроники. И вот в лаборатории, где почти два года тому назад состоялась первая беседа, испытывается новый макет.

Черная подножка, вертикальная труба, из которой горизонтально торчит искусственная кисть, одетая в щегольскую кожаную перчатку. Макет сделан непривычно аккуратно и чисто, все хорошо… Но рядом опять большой ящик. Что в нем?

В нем насос, приводимый в движение электродвигателем. Насос качает масло под давлением в две камеры, связанные с полостями гидроцилиндра и снабженные клапанами. Клапаны приводятся в движение соленоидами. А включением и выключением соленоидов управляют биотоки. Их отводят электроды, скрытые в специальном браслете, надетом на предплечье оператора. Слегка напрягая мышцы, оператор управляет положением клапанов, потоками жидкости, а в результате движением искусственной кисти.

Насос с двигателем, камеры с клапанами и громоздкими соленоидами — все эти агрегаты целиком и в готовом виде заимствованы из числа узлов, используемых в станках с программным управлением. Им пришлось отвести много места, ровно столько, сколько они занимали в исходной конструкции.

Зато теперь электронный узел, усиливающий и «обрабатывающий» биотоки и построенный на полупроводниках, помещается в маленькой коробке, спрятанной в черной подножке. По проводам внутри гибкого шланга в ящик идут управляющие сигналы, а из ящика по трубкам текут потоки жидкости в полости гидроцилиндра, скрытого внутри цилиндрического «предплечья». Поршень гидроцилиндра приводит в движение механизм кисти.

Осенью 1958 года работа над этим макетом была закончена, и он был выставлен на ВДНХ. В течение почти двух лет каждый желающий мог надеть браслет и управлять биоманипулятором. Желающих было много, и аппаратура прошла хорошую проверку на надежность и долговечность, были получены ответы на вопросы о том, как приспосабливается человек к новой системе управления, о регулировке этой системы применительно к разным операторам.

Биоэлектрический манипулятор при сжатии пальцев мог развивать большие усилия. Их величина ограничивалась только механической прочностью деталей кисти. Неизмеримо уступая живой кисти в подвижности, он может намного превзойти ее в отношении развиваемых усилий. «Мышечный усилитель» — самое первое техническое устройство, в котором материализовалась идея биоэлектрического управления.

Летом 1960 года в Москве проходил Первый Международный конгресс по автоматическому управлению. Во время одного из докладов на сцену поднялся юноша, подошел к черной доске и, взяв мел, под аплодисменты присутствующих написал на ней: «Привет участникам конгресса!» Почему зал так тепло встретил это вмешательство в спокойное течение заседания? Потому, что юноша брал мел и писал на доске протезом предплечья с биоэлектрическим управлением. Так идея биоэлектрического управления получила первое непосредственное практическое приложение.

Это был еще один шаг вперед; никаких клеток, шкафов и ящиков. Все укладывается в габариты и вес, приемлемые для человека, который пользуется протезом в обычной рабочей или домашней обстановке.

Биосигналы отводятся электродами, наложенными на кожу, покрывающую культю — остаток утраченного предплечья, и поступают в миниатюрный блок управления, спрятанный в кармане. Сигналы управления подводятся к электрическому микродвигателю, приводящему в движение механизм кисти. Когда у протезированного возникает желание сжать кисть, мозг превращает это желание в биоэлектрический сигнал, сигнал поступает от нервной сети в ткани усеченной мышцы, действует система биоэлектрического управления — и искусственная кисть сжимается.

Прошло несколько лет, и в нашей стране такие протезы теперь изготовляются десятками и сотнями. Представители многих зарубежных технических и лечебных фирм и заведений смотрят, изучают, записывают и запоминают, начинают проектировать и строить протезы с биоэлектрическим управлением. И не только протезы.

Протезирование — только первое, но далеко не единственное приложение идеи биоэлектрического управления.

…Космический корабль, возвращаясь из полета, стремительно мчится к Земле. Остается 200, 150, 100 километров, и вот корабль уже входит в плотные слои атмосферы, замедляющие его полет. Непреодолимые силы прижимают космонавта к креслу, в котором он полулежит. Он не может двинуть ни рукой, ни ногой; и если ему удается делать движения, то они медленны и неверны. Сохранив способность рассуждать и управлять кораблем, он лишен физической возможности осуществлять управление.

А теперь представьте, что космонавт располагается в не совсем обычном кресле. Его плечи и предплечья, прилегают к удобным полугильзам, укрепленным на жестких рычагах; верхний рычаг подвижно соединен со спинкой кресла, а другим концом, тоже подвижно, — со вторым рычагом. Живую руку космонавта дружески поддерживает механическая рука кресла. Ее подвижные сочленения снабжены приводами достаточно мощными, чтобы легко преодолеть силы, которые делают неподвижными руки космонавта при больших ускорениях и замедлениях корабля. Электроды, наложенные на несколько мышц, отводят биотоки, возникающие в них тогда, когда космонавт пытается двинуть невероятно отяжелевшей рукой. А дальше все происходит по известной нам схеме. Биотоки усиливаются, обрабатываются и используются для управления приводами механических рук. Движутся их звенья, а вместе с ними движутся руки космонавта, который теперь уже не остается пассивным наблюдателем.

В марте 1963 года американский технический журнал сообщил, что такая система уже построена и испытана в лабораториях Комплекса космических исследований. Значит, появилась еще одна — не первая и, наверное, не последняя — конструкция «мышечного усилителя».

Ну, а теперь попросите оператора встать с этого кресла и отойти от него на один или на тысячу метров, на сто или на миллион километров. Сохраните между ними проводную или беспроводную биоэлектрическую связь, и механические руки, помещенные там, где это нужно человеку, будут, может быть грубовато и несколько замедленно, повторять движения живых рук. Чтобы осуществлять управление таким манипулятором, понадобится система обратной связи, например, телевизионная камера около манипулятора и телевизионный приемник около оператора. Так можно контролировать все движения искусственных рук. Но этого может оказаться недостаточным.

Человеческая рука оснащена естественными датчиками-рецепторами, несущими в мозг информацию об усилиях, которые человек развивает, беря те или иные предметы, о температуре окружающей среды.

Ту же информацию можно получить (и получают) с помощью искусственных рецепторов-датчиков. Манипулятор, оснащенный такими датчиками, может аккуратно взять стеклянную колбу и тяжеленный кусок металла. Он сможет сравнить температуру окружающей среды с приемлемой для себя температурой и работать, соблюдая правила техники безопасности. Таким образом, манипулятор можно «очувствить»; в этом отношении никаких особых трудностей, даже чисто технических, нет.

Система, построенная американскими учеными, использует для биоэлектрического управления четыре мышцы. Сейчас уже известно, что с таким же успехом можно использовать пять, шесть, семь, восемь мышц.

Нетрудно представить, каковы возможности такой системы управления при ее рациональном построении. Уподобим каждую мышцу кнопке, могущей иметь два положения: включено — мышца напряжена, выключено — мышца расслаблена. Пусть посредством системы таких кнопок надо управлять несколькими рычагами при условии, что каждый рычаг может иметь три состояния: 1) неподвижен, 2) движется вправо, 3) движется влево. Четырех кнопок с избытком хватает для управления двумя такими рычагами, пяти кнопок — для управления тремя рычагами, семи кнопок — четырьмя, восьми кнопок — пятью рычагами.

С увеличением числа мышц, используемых для управления, возможности системы быстро растут; один рычаг может иметь 3 возможных состояния, система из 2 рычагов может иметь 9 возможных состояний, система из 5 рычагов — 243 состояния и т. д. Но при этом, конечно, возрастает сложность системы, особенно если некоторые или каждый из рычагов должны быть оборудованы датчиками обратной связи.

Протезы, мышечные усилители, дистанционные манипуляторы — это только несколько примеров практического использования идеи биоэлектрического управления. Но история этого изобретения еще только начинается; наверное, со временем число примеров его применения будет расти.

Что такое Ирапожис?

Итак, искусственное сердце и искусственные легкие, искусственная почка и фотоэлектрический глаз, электронный мозг и биоэлектрическая рука — смотрите, как быстро накапливаются на полках нашей этажерки «запчасти» для Гарри Джонса.

Может, и вправду пришла пора состряпать Ирапожиса? Но прежде чем перейти к делу, надо определить, о чем идет речь. И прежде всего определить, что такое «естественное разумное полноценное живое существо», искусственным подобием которого является Гарри Джонс?

В пылу дискуссии на тему «кто — кого?» забыли это сделать. Значит, нам надо заполнить этот пробел.

Будем понимать под «естественным полноценным живым существом» такое существо, которое непрерывно растет и развивается; которое в годовалом возрасте плачет по непонятным причинам и пачкает пеленки; которое в возрасте от 3 до 5 лет задает то мудрые, то бессмысленные вопросы; которое в 15 лет получает в школе двойки и пятерки, начинает интересоваться стихами и иногда моет шею без специальных напоминаний; которое в 20 лет работает у станка и в поле, сдает экзамены, кормит грудью ребенка; которое в 30 лет водит тракторы и проектирует спутники; которое на протяжении всей своей жизни обязательно связано тысячами и тысячами уз с тысячами и тысячами других полноценных живых существ; которое в конце жизни умирает, потому что процесс умирания является пока одним из неизбежных жизненных процессов.

Конечно, это определение только приблизительное, оно не несет каких-либо количественных оценок и, наверное, содержит ряд других недостатков.

Но поскольку другие определения пока отсутствуют, им вполне можно воспользоваться. И тогда легко договориться признать живым и полноценным такое искусственное существо, которое, будучи включенным в общество себе подобных естественных полноценных живых существ (смотри приведенное выше определение), на протяжении всей жизни от рождения до смерти сумеет жить и действовать в соответствии с законами этого общества, на равных правах со всеми его членами. Сумеет работать, двигаться, мыслить и отдыхать так же, как в среднем работают, двигаются, мыслят и отдыхают другие.

Если Ирапожис именно такое существо, то ученые и инженеры должны расступиться и пропустить вперед фантастов, воображение которых не стеснено никакими «не знаю», «не понимаю», «не умею».

Уже не один фантаст описывал некий универсальный и полноценный пищевой продукт, синтезируемый промышленным путем.

Представьте себе пищевые таблетки, небольшие по объему и вместе с тем содержащие все необходимое для питания организма, обладающие превосходными вкусовыми качествами и вызывающие ощущение приятной сытости. Другими словами, полностью удовлетворяющие запросам самого взыскательного потребителя.

Не правда ли, мысль о создании таких пищевых таблеток чрезвычайно привлекательна? Какое количество труда они могли бы сэкономить! Как бы упростился быт! Люди до конца своих дней сохранили бы стройную талию! И т. д. и т. п.

Вслед за такой, сегодня еще фантастической, мечтой можно выдвинуть предложение — разработать автомат, который из мифического продукта будет изготовлять питательные таблетки.

Как будет встречено такое предложение? Наверное, так. Работа над таким автоматом представляет определенный интерес в свете того, что творческие возможности человека неисчерпаемы, что когда-нибудь такой продукт будет создан. Но главная задача и сейчас и потом состоит и будет состоять в том, чтобы разрешать и разрешить бесчисленные «не знаю», «не понимаю», «не умею». Именно они наиболее сложны, важны и животрепещущи. И пока не будут намечены отчетливые перспективы их решения, мысли об Ирапожисе, как и о пищевых таблетках, остаются простой фантазией.

Вот теперь можно опять вернуться к бедняге Гарри Джонсу и попробовать ответить на вопрос, какие претензии он может предъявить к фирме «Кибернетикс компэни», если она претендует на то, что хотя бы некоторые ее протезы полностью восстанавливают функции, свойственные естественному полноценному живому существу.

Вспомним, что живая рука обладает 27 степенями подвижности. Каждая степень подвижности, образно говоря, эквивалентна одному рычагу, который может иметь три состояния: оставаться неподвижным, поворачиваться в одном или другом направлениях. Рука в целом при этом может иметь, грубо говоря, 5 · 10^12 различных состояний движения.

Это число, по классификации Эшби, является астрономическим, хотя оно еще не учитывает того обстоятельства, что каждое из движений живой руки может совершаться с самыми различными скоростями.

Механическая рука для каждой из 27 степеней свободы должна иметь 27 отдельных двигателей, оснащенных системами регулирования их скорости. И для использования искусственных биосигналов, генерируемых искусственным мозгом Гарри Джонса, потребуется 27 каналов усиления и обработки этих сигналов, а для их исполнения — 27 тонких и сложных механизмов, передающих движение 27 искусственным суставам. Все эти 27 суставов, как и оболочку искусственной руки, надо оборудовать неисчислимым количеством датчиков так, чтобы искусственный мозг получил информацию о движениях, чтобы Гарри Джонс чувствовал прикосновения, ожог и боль от царапины.

Вся эта сложная конструкция должна укладываться в очень скромные габариты и вес и притом быть приспособлена к резко форсированным режимам. Ведь если Гарри Джонс вздумает заниматься тяжелой атлетикой, то искусственной руке придется развивать, пусть даже в течение очень коротких промежутков времени, мощность в несколько лошадиных сил. И она без ремонта и переборок должна работать десятки лет подряд.

Да, фирма «Кибернетикс компэни» только начинает развертывать свою деятельность, и ей еще не скоро удастся выполнить заказы Гарри Джонса.

На верхних полках

Окинем прощальным взглядом

Мы собираемся заглянуть на верхние полки, туда, где стоят пока еще только модели и макеты автоматов ближайшего будущего. Сейчас они проходят нормальный путь своего развития, который нам уже хорошо знаком. Сначала выдвигается задача передать автомату еще одну или несколько функций, которые казались «чисто человеческими», затем появляются идеи решения поставленной задачи; приемлемость этих идей проверяется на первых моделях и макетах, развивается теория новых автоматов. Их не встретишь на заводах и фабриках. Они еще кажутся не очень нужными, и не очень ясно, кому, когда и в каком количестве они могут понадобиться; кругом много скептиков, и пока еще активно действует схема «заколдованного треугольника». Но задача ясна; и если идея ее решения работоспособна, она пробьет себе дорогу: появится новый автомат.

Но прежде чем заглянуть на верхние полки, окинем прощальным взглядом те, которые мы уже успели осмотреть.

На одних располагаются автоматы, работающие по разомкнутой схеме. Их взаимодействие с внешним миром всегда носит односторонний характер и осуществляется только исполнительными механизмами. Чтобы выполнять свои функции, они не нуждаются ни в какой дополнительной информации, кроме той, что была заложена человеком в процессе их проектирования и наладки.

На других находятся автоматы с обратной связью. Они обладают более сложной организацией, поскольку в процессе действия должны собирать дополнительную информацию, без которой они неработоспособны. Сложность — всегда недостаток, но здесь он компенсируется тем, что, используя собранную информацию, автомат приобретает новые важные свойства.

Однако эти свойства никак не влияют на то обстоятельство, что автоматам, работающим по замкнутой схеме, так же как разомкнутым автоматам, программа действия должна быть задана во всех подробностях. Различие только в том, что разомкнутый автомат действует совершенно жестко, только в соответствии с программой. А замкнутый автомат выполняет ту же программу более гибко, с учетом воздействия ряда внешних факторов, могущих повлиять на его работу.

На следующих полках располагаются автоматы с цифровым управлением. Программы их действия уже не надо задавать до мельчайших подробностей. Автомат с цифровым управлением всегда так или иначе связан с вычислительной машиной. Машина по опорным точкам и по другим заданным ей признакам, характеризующим траектории и скорости исполнительных механизмов, сама рассчитает подробную программу работы автомата.

Возможность обойтись без физического моделирования программы и быстродействие вычислительных машин придали автоматам с цифровым управлением чрезвычайную гибкость и универсальность. Мы постарались продемонстрировать эти их свойства на примере станков с цифровым управлением. Приведем еще один пример.

Не нужно особой фантазии, чтобы представить себе вместо механизмов станка механизмы искусственной руки-манипулятора, которая вместо режущего инструмента снабжена искусственной кистью-схватом. Не будем приспосабливать ее для игры на пианино или для ремонта часов. Поручим ей более простую, но тяжелую работу. Например, подачу и установку на станок тяжелых заготовок и снятие обработанных изделий со станка, передачу изделий со станка на станок, работу на складах, где материалы и готовые изделия надо перекладывать с транспортеров и тележек на полки, с полок на транспортеры и тележки. Для выполнения подобных работ манипулятору совсем не нужны те 27 степеней свободы, которыми обладает рука человека.

Соединив манипулятор с быстродействующей вычислительной машиной, получим автомат, которому можно поручать самую разнообразную несложную работу. Остается добавить, что такие «роботы» уже существуют. В качестве примера можно указать на американский манипулятор «Номан», оснащенный системой программного управления.

Однако независимо от назначения, названия и внешнего вида этих автоматов они обладают тем общим свойством, что вся программа движений должна быть им задана так же, как она задается станку с цифровым управлением, если не в мельчайших подробностях, то по меньшей мере шаг за шагом.

Поручите такому автомату собирать изделие из нескольких деталей. В соответствии с программой он будет брать из магазинов детали и точно их устанавливать одну за другой. Но представьте себе, что в одном из магазинов деталей не осталось. Если эта возможность не будет предусмотрена программой, то автомат «придет в смятенье» и «по глупости» может натворить такое, что его конструктору еще долго после этого придется краснеть за свое создание.

Автоматы с цифровым управлением, как и обычные автоматы, могут работать по разомкнутой или замкнутой схемам. И информационные процессы протекают у них одинаково. При работе по разомкнутой схеме поток информации течет в одном направлении — из узла управления к исполнительным механизмам. Тогда они «слепы и глухи» по отношению к воздействиям со стороны внешнего мира. Будучи «очувствленными» посредством специальных датчиков, они приобретают все свойства систем с обратной связью и, главное, способность учитывать в процессе работы воздействия внешней среды.

Затем мы мельком заглянули на следующую полку, где отведено место автоматам, способным самообучаться или самонастраиваться.

Вспомните, читатель, мифический соляной автомат, о котором шла речь в главе «Автомат автомату рознь». Можно ли заставить его работать самым производительным образом? Можно!

Для этого нужно, чтобы эта система управления обладала свойством самонастраиваться. Раз за разом меняя по определенной программе температуру и время сушки соли, время помола и толщину ее слоя, такая система будет запоминать, как эти изменения влияют на производительность автомата, на качество помола и сушки. Накапливая опыт работы, автомат постепенно научится поддерживать оптимальный режим, изменяя его необходимым образом при возможных изменениях свойств материала, поступающего на вход автомата.

И нет ничего «таинственно чудесного» в том, что автомат приобрел такие удивительные свойства. Ведь он теперь оснащен специальными датчиками, которые непрерывно собирают информацию о том, какова влажность соли, поступающей в сушку, какова тонкость помола и производительность. Он оснащен специальными устройствами, которые запоминают и обрабатывают эту информацию и которые необходимым образом меняют настройку автомата.

Структура и конструкция системы еще более усложнились. Но зато каждое из этих устройств несет свой вклад, обогащая возможности автомата, сообщая ему все новые свойства, позволяющие осуществлять все более сложные функции.

Практически важных задач, которые решаются применением самонастраивающихся и самообучающихся систем, множество, и эта полка нашей этажерки быстро пополняется.

Но она еще не из самых верхних!

По способности быстро и надежно выполнять функции управления автоматические системы уже давно обогнали человека. И конечно, самый опытный машинист, даже с несколькими помощниками, не смог бы заставить работать соляной автомат так качественно и производительно, как это может сделать автоматическая самонастраивающая система управления. Будучи «очувствлена», оснащена цепями обратной связи, вычислительными устройствами, она оставляет далеко позади себя человека, который по сравнению с ней медлителен и тугодумен.

Но так дело обстоит только до тех пор, пока все изменения, происходящие во внешнем мире, с которым взаимодействует автомат, предусмотрены в заданной ему программе. В противном случае автомат «теряется» и начинает делать глупости. Автомату мало задать программу, ему еще надо создать условия для работы, полностью укладывающиеся в рамки программы. Иначе перед ним возникнут непреодолимые трудности.

А люди и даже животные действуют по-другому. Используя в процессе выполнения различных движений те же классические механизмы с обратной связью, они вместе с тем владеют еще и другими более сложными и совершенными механизмами переработки информации. Это придает им способность запоминать различные жизненные ситуации, сравнивать их между собой, принимать решения. Другими словами, они обладают способностями, дающими возможность успешно обходить трудности, с которыми встречаются, решая вставшую перед ними задачу.

Голодное животное будет самыми различными способами и приемами преодолевать препятствия, отделяющие его от пищи. Чувство голода выдвигает только цель поиска, а программу поиска животное вырабатывает не тогда, когда формируется цель, а непосредственно в процессе самого поиска.

Маленькому ребенку можно поручить собрать в коробку кубики, разбросанные по полу. Может быть, он выполнит это задание не самым экономным образом, совершая много лишних движений, двигаясь не по самой короткой траектории сбора кубиков. Но ребенку достаточно указать только цель, а программу действия он вырабатывает сам в процессе достижения этой цели.

Задачу собрать кубики в коробку можно поручить автомату. Если точно указать число и расположение кубиков, а также положение коробки, то манипулятор с цифровым управлением с этой задачей может справиться быстрее и лучше, чем ребенок. Спаренной с ним быстродействующей вычислительной машине можно поручить рассчитать наивыгоднейшую траекторию сбора кубиков и заодно исследовать все возможные варианты сбора при условии, что в коробку можно класть одновременно только по одному, по два, по три или по любому другому числу кубиков. Но вот если коробки или кубиков не окажется на месте, автомат этим обстоятельством будет крайне «озадачен». Вернее, даже не будет озадачен; тупо выполняя программу, он соберет все кубики, нагромоздив их в кучу там, где должна была быть коробка, либо соберет в коробку не все кубики.

Можно ли научить автомат справляться с подобными трудностями? Можно ли научить его действовать «животноподобным», а может быть, даже «человекоподобным» образом? Можно ли добиться того, чтобы он работал в соответствии с поставленной перед ним целью, пользуясь для ее достижения более общими указаниями, а не скрупулезно в мельчайших подробностях заданной программой?

Вот теперь самая пора заглянуть на верхние полки.

Как «настоящее» животное

В 1929 году на радиовыставке в Париже демонстрировалась забавная игрушка под названием «электрическая собака»[2]. Она была сделана из фанеры, покрыта фетром и, подобно живой, имела два глаза — два фотоэлемента, разделенных носом — непрозрачной перегородкой.

Когда ее освещали, она начинала двигаться на свет и лаять. Если лампочку отводили в сторону, не переставая все время освещать собаку, последняя поворачивалась и продолжала лаять, двигаясь к источнику света.

Устройство собаки теперь кажется чрезвычайно простым. Каждый глаз-фотоэлемент был включен в цепь реле, управляющего пуском электродвигателя, который вращал пару — левую или правую — колесиков в ногах собаки. При освещении правого глаза включался двигатель левых колес, и наоборот, при освещении левого глаза начинали вращаться правые колеса. Аккумуляторы, питающие двигатели и механизмы передачи вращения колесам, спрятаны в туловище игрушки.

Электрическая собака имела большой успех на выставке. Вокруг нее собирались толпы посетителей. Движения собачки-робота и ее особенный лай вызывали смех зрителей.

Вспомните, читатель, часы, которые швейцарский механик Дро двести лет назад поднес Фердинанду VI Испанскому. Среди фигурок, украшавших часы, была собака, охранявшая корзину с фруктами. Если кто-нибудь брал один из плодов, она начинала лаять и лаяла до тех пор, пока взятое яблоко не было положено на место. Электрическая собака, построенная тридцать пять лет назад, представляет собой усовершенствованный и обогащенный возможностями потомок собаки Дро.

Если бы Дро обладал современными знаниями в области автоматики и физиологии, он имел бы все основания утверждать, что один из первых использовал в автомате обратную связь и построил, может быть, первую модель, обладающую не только внешним сходством с животным, но и воспроизводящую один из элементов его поведения: построенная им собака имела обратную связь с внешней средой и лаем «реагировала» на воздействие внешней среды.

Дро даже и не подозревал, что на его творчество можно взглянуть с такой точки зрения. Но это, конечно, не означает, что он не имел на этот счет своей собственной точки зрения, весьма прогрессивной для своего времени.

Ведь не зря один из его знаменитых андроидов — «писец» — писал: «Je ne pense pas, ne serais je done pas?» — «Я не мыслю — следовательно, меня нет?», как бы вступая в спор с французским математиком, физиком, физиологом и философом XVII века Рене Декартом, которому принадлежат известные слова: «Cogito, ergo sum» — «Я мыслю — следовательно, существую».

Когда на Парижской выставке демонстрировалась «электрическая собака», идея обратной связи еще не была сформулирована. Игрушка служила исключительно для демонстрации явления фотоэлектрического эффекта и не связывалась с серьезными попытками моделировать хотя бы самые простые особенности поведения живого организма.

Прошло еще двадцать лет, и вот в 1950 году английский физиолог Грей Уолтер демонстрирует электромеханических «животных» — черепах. По сравнению с одним из своих ближайших предков — «электрической собакой» — черепахи Уолтера прошли значительно больший путь «эволюционного развития». Помимо фотоэлемента, они были оснащены механическим контактом в форме переднего буфера, включающим задний ход при наезде на препятствия. Таким образом, кроме «зрения», они обладали еще и «осязанием». Благодаря оригинальной логической схеме и конструкции тележки, оснащенной двумя электродвигателями — ходовым и рулевым, игрушка была способна воспроизводить ряд движений, как бы моделирующих поведение животного. В отличие от «электрической собаки» она не только двигалась к «пище» — свету, но могла, двигаясь по сложной траектории, «искать» пищу, объезжать препятствия, на которые натыкалась.

Черепахи Уолтера вызвали подражание; семья электрических «животных» стала быстро плодиться. Их свойства и поведение варьировались, они оснащались устройствами выработки условных рефлексов. В течение нескольких лет «животных» строили ученые, потом студенты, потом школьники. В большинстве случаев авторы игрушек стремились уже не столько к внешнему сходству и не к тому, чтобы продемонстрировать возможность современных средств автоматики. Главная цель состояла в том, чтобы наиболее удачным образом промоделировать простейшие схемы поведения животного.

Подробные описания подобных «кибернетических» игрушек имеются практически во всех научно-популярных книжках по кибернетике и научно-популярных журналах. Поэтому вряд ли имеет смысл здесь повторять их. В последние годы увлечение этими игрушками стало проходить. Однако, несмотря на то, что непосредственного приложения в автоматостроении они не получили, нельзя считать, что время и труды, потраченные на их проектирование и постройку, затрачены впустую. Эти механические модели поведения живых «автоматов» были, наверное, необходимым этапом на пути создания автоматов будущего, и им вполне можно отвести местечко на верхней полке.

В подтверждение сказанному в 1962 году появилось сообщение, что в США построен макет манипулятора, непосредственно управляемого вычислительной машиной, обладающего свойством целесообразного «поведения» при взаимодействии с внешним миром. Поскольку этот макет является, очевидно, первым техническим устройством подобного типа, имеет смысл о нем рассказать настолько подробно, насколько это возможно, используя опубликованные материалы.

Идея построить такой манипулятор была высказана в конце 1958 года двумя американскими математиками и инженерами Клодом Шенноном, в частности немало времени занимавшимся «поведением» механических животных, и Марком Минским, специалистом в области так называемой интеллектроники — одной из молоденьких родственниц кибернетики.

В 1960 году молодой швейцарец Генрих Эрнст, аспирант Массачусетского технологического института, взялся за реализацию этой идеи под руководством ее авторов. В конце 1961 года макет был построен и прошел первые испытания.

Еще одна рука

Этот манипулятор представляет собой механическую руку, обладающую семью степенями свободы: двумя поступательными движениями в направлениях, показанных прямыми стрелками, тремя вращательными движениями — в соответствии с дуговыми стрелками. Непосредственно сам схват, состоящий из двух «пальцев», может выполнять еще два движения: 1) открытие — закрытие и 2) поворот относительно оси, сочленяющей его с вертикальной трубой.

Схват «очувствлен» и обладает «зрением» и «осязанием». В передней части каждого из пальцев расположено по «глазу» — фотодиоду, реагирующему на тени, отбрасываемые зачерненными объектами. Верхняя, нижняя и наружная грани каждого из пальцев оснащены контактными датчиками, работающими в двоичном коде: включен — выключен. Эти датчики сигнализируют о том, что рука наткнулась на объект нерабочими участками. Аналогичный датчик установлен в нижней части схвата; он включается, когда рука касается стола или пола.

На внутренней грани и переднем торце каждого пальца расположено по восемь датчиков, работающих уже не в двоичном коде, а генерирующих сигнал, величина которого пропорциональна силе нажатия на этот датчик.

Шесть датчиков собирают информацию о том, какие участки пальцев участвуют в схватке и с какой силой пальцы хватают объект. Два датчика, расположенные по бокам «глаза», регистрируют силу сопротивления объекта и получают косвенную информацию о том, что этот объект собой представляет.

И наконец, еще семь датчиков, для каждой из семи степеней свободы, обеспечивают обратную связь, сигнализируя о том, как механизмы отрабатывают программы действия.

Вся информация, собираемая рукой в процессе ее действия, передается в вычислительную машину. Там она обрабатывается и используется в процессе выработки программы, необходимой для выполнения поставленной задачи, например… собрать рассыпанные по полу кубики и сложить их в коробку. Эта программа поступает в исполнительные двигатели и механизмы, осуществляющие движения во всех подвижных сочленениях. Рука движется, собирает информацию, и… весь круговорот начинается сначала.

Электронно-механическое «существо» обладает подобием скелета и подобием мышц, подобием рецепторов и подобием мозга! Чем не зародыш Ирапожиса? Но к действию он еще не готов.

Поручая ребенку собрать кубики в коробку, вы должны быть уверены, что он вас правильно поймет. Он должен знать, что такое кубик и что такое коробка. Другими словами, ребенок может выполнить задание при условии, что его внутренний мир приведен в соответствие с окружающей средой и отражает ее настолько правильно, насколько это необходимо, чтобы правильно с ней взаимодействовать.

Автомату мало иметь «псевдоживотную» структуру. Его тоже нужно оснастить «внутренним миром», правильно отражающим среду, в которой он действует. Только сопоставляя свои «внутренние представления» с информацией, собираемой его «органами чувств», он может моделировать разумное поведение.

Сбор кубиков был первым заданием руке Эрнста и пока единственным, описанным в опубликованных материалах. Вот примерная последовательность операций, связанных с выполнением этого задания и сформулированных в программе, введенной в вычислительную машину, управляющую рукой:

1. Рука начинает поисковое движение с целью найти коробку. Коробка выше и больше кубиков, и, очевидно, это обстоятельство было отражено во «внутреннем мире» автомата и помогало ему искать коробку, отличая ее от кубиков.

2. Найдя коробку, автомат определяет ее размеры, абсолютное положение, положение по отношению к схвату, запоминает эту информацию, которая понадобится при складывании кубиков в коробку.

3. Затем рука отправляется на поиск кубиков. Наткнувшись на кубик, она определяет его положение и размеры для того, чтобы правильно ориентировать схват относительно кубика.

4. Рука схватывает кубик и несет его к месту расположения коробки; она движется до тех пор, пока не наткнется на коробку.

5. Определяется правильное расположение кубика относительно коробки, после чего кубик опускается в коробку.

6. Рука отправляется туда, где она нашла предыдущий кубик, и откуда отправляется на поиск следующего кубика.

В процессе поиска кубиков рука периодически совершает контрольные движения, чтобы убедиться, что поиск ведется достаточно низко над столом. Если она в процессе поиска ударяется о стол, то поиск прекращается, и рука выбирает правильное положение по вертикали.

В этой программе не нашли отражения многие «недоразумения», которые могут возникнуть в процессе действия руки. Так, в частности, в процессе сбора кубиков она может неудачно зацепить кубик, столкнуть коробку кубиком, вторично натолкнуться на коробку и прочее. Тогда в работу руки должен вмешаться оператор и «перевести руку на ручное управление».

Мы описали только внешние признаки «поведения» этого автомата, нашедшие отражение в программе. Но, конечно, сама программа содержит гораздо больше подробностей. Так, в частности, в ней расписан порядок поиска; указано, что в процессе сбора кубиков следует двигаться определенным образом; указано, что делать, когда замыкается тот или иной контакт; как в том или другом случае поворачивать схват. Другими словами, в программе сбора кубиков все «поведение» руки и ее необходимые реакции при взаимодействии с внешним миром записаны не так, как записаны пункты 1, 2, 3… и т. д., а гораздо подробнее и, конечно, как обычно, числами, только числами — языком, понятным управляющей цифровой машине.

Ребенку очень просто поручить собрать кубики, на которых наклеены изображения цветов или грибочков; он знает, что такое цветок или грибочек. Ребенку можно показать изображения гаек, цифр, космических ракет, обложку книги; он затем легко соберет кубики с такими изображениями. Мозг человека, как губка, «впитывает» картины внешнего мира и обладает поразительной способностью к запоминанию, различению и сопоставлению явлений двух миров: внешнего и внутреннего.

Сбор и складывание кубиков — элементарная операция, посильная ребенку. Автомат Шеннона, Минского и Эрнста овладел одной из бесчисленных разновидностей подобной операции. Это, конечно, пока очень немного, но это больше того, что может сделать сегодня любой автомат, претендующий на моделирование «поведения» живого существа, непосредственно взаимодействующего с внешним физическим миром.

Поэтому рука Эрнста по праву может занять место на верхних полках этажерки автоматов.

Мы уже говорили, что этот автомат умеет видеть и различать только кубики и коробку, разложенные на светлой поверхности. Чтобы облегчить ему эту задачу, они были даже специально окрашены в черный цвет.

А что дальше? Можно ли научить автомат «видеть», а главное, «распознавать» большее число объектов? Можно ли научить его распознавать буквы и цифры? Отличать грузовик от киоска? Кошку от собаки?

Над этим работают. Для этой цели также пытаются приспособить вычислительную машину. Мы теперь можем сравнительно легко представить себе, чем нужно ее оснастить, чтобы она приобрела свойство «видеть» объекты внешнего мира и уметь их «распознавать».

Прежде всего необходимо оснастить ее устройством «зрения», собирающим информацию. Нужно надлежащим образом организовать ее внутренний мир — устройства, обрабатывающие полученную информацию и запоминающие результаты этой обработки, организовать его так, чтобы он правильно отражал ту микроскопическую частицу необъятно богатого внешнего мира, для распознавания которой машина предназначается; наконец, нужно научить ее умению сопоставлять собираемую информацию с информацией, составляющей ее внутренний мир.

Первые такие попытки уже сделаны. Около десяти лет назад американский ученый Франк Розенблат выдвинул идею создания устройства, обладающего свойством обучаться распознавать изображения. Модель этого устройства он назвал персептроном, произведя это название от английского слова «perceive» — воспринимать, осознавать. Его модель обучалась распознавать буквы, помещенные перед ее «глазом», образованным набором из 400 фотоэлементов.

После того как ей по 15–20 раз показали каждую букву и внесли поправки в ее «внутренний мир», образовавшийся в результате показов, она успешно различала в дальнейшем все те буквы, различению которых была обучена.

Сделан шаг, первый шаг к автоматизации еще одной, казавшейся чисто человеческой функции — распознавания образов. Большой ли это шаг и насколько быстро пойдет дело дальше?

На этот вопрос сегодня нельзя найти ответа. И вот почему.

…Вы идете по улице и в густой толпе прохожих встречаете знакомое лицо. Вы точно помните, что этого человека видели и знаете. Правда, вы его встречали всего несколько раз, это было не на улице, а в доме; он был одет по-другому, без головного убора; и все-таки вы его знаете! Знакомое лицо!

Тысячи людей идут вам навстречу. Тысячи лиц, выражения которых непрерывно меняются то в процессе беседы со спутником, то при разглядывании витрин и других прохожих. Они мелькают перед вами, сменяя одно другое.

Не кажется ли чудом, что буквально в мгновение ока вам удается в этих условиях осуществить такой сложный акт распознавания? И какими скудными данными вы для этого располагаете! Ведь идущего навстречу прохожего вы видите только в фас! Вы можете рассмотреть за время, которым располагаете, лишь очень мало подробностей! И, однако, вам их хватает, чтобы, только увидев, через долю секунды широко улыбнуться и, протягивая руки, сказать: «Ба-а! Сколько лет, сколько зим!»

Каков механизм распознавания? Когда речь идет о том, чтобы отличить букву «а» от буквы «б» или найти нечто общее в буквах «а», написанных разными людьми, тогда еще удается найти важные, в частности, геометрические признаки, свойственные этому и только этому образу. А в более сложных случаях, о которых шла речь выше, как обстоит дело?

Ребенок, еще не научившись ходить, уже узнает знакомые лица и безошибочно реагирует на их появление. Как он научается решать задачу неизмеримо более сложную, чем задача отличить грузовик от киоска, кошку от собаки?

Он научается распознавать образы и, в частности, цифры задолго до того, как начинает понимать, как с ними надо оперировать.

У автоматов дело обстоит прямо противоположным образом. Они уже превосходно умеют оперировать любыми числами, но пока еще не умеют различать и «понимать» цифры в их обычном написании.

Опять все то же противоречие между «технологическим процессом» понимания у человека и технологическим процессом «понимания» у автомата.

Учитывая сложность проблемы, следует признать, что персептрон — гигантский шаг вперед, хотя этот автомат невозможно пока обучить распознавать не только текст, но хотя бы отдельные слоги. Но работа продолжается. Причем далеко не всегда надо, чтобы автомат различал и понимал такую сложную вещь, как текст. Очень важно было бы иметь автомат, умеющий различать, например, геометрические образы, пятна и объекты различной конфигурации.

Автоматическая рука, оснащенная таким персептроном, могла бы по заданию собирать кубики, отличая их от цилиндрических или плоских объектов, отличая одни изделия от других.

Но пока на полках местá, которые могли бы занять такие автоматы, пустуют.

Если вокруг неудобный мир

Представьте себе, что по полу детской комнаты движутся несколько механических собак и черепах из породы тех, что «породили» Уолтер и его последователи. Движутся они сравнительно медленно, и ребенку, без всякого сомнения, можно поручить собрать одну за другой, например, только черепах и сложить в коробку. Приглядевшись, он быстро поймет законы движения «животных» и без особой спешки выполнит задание. После некоторой тренировки он даже может догадаться облегчить свою задачу: например, будет не гоняться за ними, а выбирать подходящие места, чтобы встретить их на пути.

И еще одна картинка из жизни. На площадке детского садика гуляет старшая группа. Слово «гуляет» не очень правильно отражает то, что происходит в действительности. Два-три десятка шести-семилетних сорванцов мечутся по площадке во всех направлениях друг за другом и навстречу, убегая, догоняя, обгоняя, мгновенно останавливаясь и снова кидаясь бежать. Иногда происходят столкновения, раздается рев, но игра, как правило, заканчивается благополучно.

Ребенок, собирающий кубики, взаимодействует с неподвижным, статическим внешним миром. С неподвижным внешним миром взаимодействует рука Эрнста. Все изменения, которые происходят в этом мире, являются результатом ее и только ее деятельности; изменяется число кубиков на полу, изменяется содержание коробки. Прекращается ее деятельность — прекращаются изменения внешнего мира.

Ребенок, собирающий механических черепах, взаимодействует уже с подвижным, динамическим миром. Действует этот мир сравнительно просто, и если возможная скорость передвижения ребенка соизмерима со скоростью механических животных, то результат их взаимодействия всегда можно предсказать: черепахи будут в коробке. Теперь изменения во внешнем мире происходят в значительной мере не только в результате действия ребенка, и все же ребенок легко осваивает «поведение» этого мира.

В более сложную ситуацию ребенок попадает на детской площадке. Здесь свойства окружающего его внешнего мира понять и оценить несоизмеримо труднее. Тактике ребенка противостоит тактика внешнего мира, на состояние которого ему очень трудно влиять. Он вынужден быстро ориентироваться, лавировать, мгновенно принимать решения и менять их. Каким-то образом он научается действовать в таком «неудобном» мире.

Рука Эрнста, даже оснащенная персептроном, будет практически беспомощна, если ей поручить собрать механических черепах. Персептрон воспринимает статический мир, и движение черепах его совершенно дезориентирует. Ну и, конечно, вообще не может быть речи, чтобы он с какой-либо надеждой на успех мог принять участие в игре в «салки».

Те из верхних полок этажерки, где должны располагаться автоматы, обладающие свойством «разумно» взаимодействовать с динамическим внешним миром, пока пусты, абсолютно пусты. Там нет еще ни одной модели или макета, не говоря уже о работоспособных автоматах.

И точно так же абсолютно пусты самые верхние полки, где приготовлено место для автоматов, способных «жить» и работать в совсем неудобном мире, обладающем не только динамическими свойствами, но еще и способном ориентироваться, выбирать и менять тактику, мыслить и принимать решения.

Эти полки пока «населены» только некими мифическими автоматами, порожденными воображением фантастов или некомпетентностью некоторых популяризаторов, выдающих воображаемое за существующее, желаемое за действительное.

Поэтому, дорогой читатель, если ты молод и любишь технику, то не расстраивайся оттого, что сейчас якобы в технике уже все сделано. Сделано, конечно, очень много, но еще больше осталось. Дружный мир автоматов остро нуждается в пополнении. На полках нашей этажерки еще много свободного места.

Нуждается в непрерывном пополнении и семья ученых, инженеров, техников, рабочих, мыслью и трудом которых растет мир автоматов.

К оживленному перекрестку на большой скорости движется автомобиль. В кабине спокойно беседуют пассажиры. Водитель следит за сигналами регулировщика или светофора, следит за машинами, движущимися впереди, сзади, слева и справа. Одновременно он участвует в беседе, вступает в спор. Он не только следит, думает, беседует — он действует. Окружающий его внешний мир чрезвычайно сложен, стратегия и тактика этого мира слагаются из стратегий и тактик десятков машин и сотен людей. Он быстро ориентируется в этом мире, принимает решения, безошибочно действует в самых сложных ситуациях.

Можно ли себе представить автомат за рулем автомашины, движущейся по оживленной улице? Не некоего Ирапожиса, который неизвестно как устроен и действует? Вы теперь сами можете решить этот вопрос. Вы приблизительно знаете, как обстоит дело на этажерке автоматов.

Пока нет автомата, могущего сесть за руль автомобиля, обычного автомобиля, который должен двигаться по обычной улице. Мы подчеркиваем — по обычной улице. Не по трубе метрополитена и не в пустынном воздушном океане, а там, где машину окружает неудобный внешний мир.

Но вы теперь знаете, что бессмысленна даже сама задача создания такого автомата. Она ведь сильно смахивает на попытку построить паровоз с «ногами», механического музыканта с руками, похожими на настоящие, на попытку в точности скопировать и воспроизвести с помощью технического устройства технологический процесс, выполняемый живым существом. История техники еще и еще раз убеждает в том, что такие попытки кончаются безуспешно. И этот вывод мало зависит от того, какие из полок на этажерке автоматов еще не заполнены.

Верхние полки будут, обязательно будут пополняться. Можно даже было бы заняться составлением прогнозов по вопросу о том, когда какой автомат будет создан. Это очень интересное занятие, а главное, оно ничем плохим не угрожает, особенно если подготовка прогноза не входит в прямые служебные обязанности его составителя.

Если в ближайшем или более отдаленном будущем предсказания не подтвердятся, то к тому времени все уже забудут о том, кто и при каких обстоятельствах составлял прогноз. Если же кое-что из предсказанного сбудется, то автор прогноза будет иметь все основания говорить окружающим, что он давным-давно знал, когда и что сумеют делать автоматы, и даже писал об этом.

Но оригинальный прогноз сейчас составить не удастся. Ведь все они сходятся в том, что процесс идет вперед, что автоматы становятся все «умнее» и «квалифицированнее», все шире и разнообразнее круг вопросов, к решению которых их привлекают люди.

А расходятся между собой такие прогнозы главным образом в одном вопросе — том самом, вокруг которого разгорелась не очень плодотворная дискуссия, упоминавшаяся в предисловии к этой книге.

Кто — кого?

Наша прогулка в мир автоматов подходит к концу. Если вы при чтении этой книги думали и рассуждали, то теперь понимаете, что человеку со стороны машины абсолютно ничего не угрожает и в этом отношении он может быть совершенно спокоен, что его задача не только не ограничить, а, наоборот, предельно ускорить процессы развития и совершенствования машин.

Мы стремились убедить вас в этом на протяжении всей прогулки с той серьезностью и обстоятельностью, какой заслуживает этот вопрос.

А тем, кому придет охота вновь спрашивать: «Кто — кого?», остается ответить шуткой.

В этой шутке не будет ни одного слова правды. Описанные в ней события, действующие лица, псевдонаучные термины целиком выдуманы. Она — сказка и в этом отношении полностью отличается от всего остального, что рассказано в книге. Но ведь все будущие конфликты между человеком и автоматом тоже выдуманы. В них тоже нет ни одного слова правды. И значит, нет ничего предосудительного в попытке ответить сказкой на сказку.

Переполох

«…Бифокальный глобоид, вращаясь под воздействием интерференционного потока, глухо гудел. Импульсы пробегали по стохастическим коммуникациям узлов долговременной памяти биологических блоков.

У двух вертикальных металлических шкафов рефлексных устройств стояли Ай Кэн и Хи Маст. Второй день они пытались понять причины выхода из строя рефлекторных элементов, управляющих плавностью речи автомата Ирапожис 33-К-бис.

Ай Кэн утверждал, что причина возникновения заикательного рефлекса заключена в слишком большом эксайтинге квазиподкорковых ячеек блока разума. Вчера они провели целый день, периодически подавая в цепи питания белковые растворы нового изотопа «карамболина» и пытаясь таким образом снизить избыточную проприорецепторную перегрузку искусственного и в недалеком будущем полноценного мозга. Однако болезнь автомата прогрессировала. Час от часу его речь становилась все менее внятной: энтропийный декремент возрастал…

И как это обычно бывает, заболевание произошло в самый неподходящий момент.

Три дня назад профессор Фул, научный руководитель института, закончил теоретическое исследование по теме, связанной с прямым преобразованием информации в энергию. Согласно его оригинальной теории количество генерируемой энергии должно находиться во взаимно-однозначном соответствии со смысловым содержанием информации. Прогрессирующее заикание автомата могло существенно снизить то предполагаемое значение коэффициента полезного действия, которое вытекало из информационно-энергетической гипотезы Фула.

Вот почему его любимые ученики были срочно направлены для диагностических исследований в экспериментальный отдел, где функционировал Ирапожис.

Два молодых ученых составляли идеальную кибернетическую пару. Ай Кэн, кандидат физико-филологических наук, недавно с блеском защитил диссертацию на тему «Методы создания фонетических автоматов, говорящих с прованским акцентом». Хи Маст работал в смежной области, успешно занимаясь логическими вопросами тренировки полуполноценных искусственных живых органов. Его работы, связанные с выработкой безусловно-хватательных рефлексов биорук, были тепло встречены общественностью института, и ему единогласно присудили ученую степень кандидата психолого-технических наук.

Хи Маст, высокий, широкоплечий юноша со значком мастера спорта на выпуклой груди пиджака, невнимательно слушал остроумные доводы Ай Кэна, вглядываясь в перегородку, из-за которой несся ровный шум монохроматической частоты. Источником шума был новый оригинальный вентиляционный прибор-стимулятор, предназначенный для подачи стимуляционной смеси в нервную сеть автомата. Прибор был разработан группой молодых математиков и действовал превосходно. Скорость речи автомата увеличилась вдвое и продолжала возрастать.

Авторы стимулятора сидели вокруг стола и, жуя бутерброды, в уме умножали 2^56 на 3^13, определяя асимптотические возможности автомата. Одновременно им предстояло решить сложный технический вопрос. Дело в том, что в соответствии с разработанной математиками блок-схемой включающее устройство стимулятора помещалось на лопасти вентилятора. Это остроумное решение позволяло осуществить положительную обратную связь между темпом выдачи информации и количеством стимуляционной смеси. Десять минут назад Хи Маст попросил их выключить на минуту стимулятор, но для этого надо было нажать кнопку на лопасти вентилятора, делающего уже около 12 тысяч оборотов в минуту. Механик Воркер, который монтировал стимулятор, в свое время предупреждал их, что пустить прибор будет легче, чем остановить, но они как-то не обратили внимания на его слова. Сейчас этот вопрос возник совершенно неожиданно и стал перерастать в проблему, так как Хи Маст был уверен, что именно сверхэффективное воздействие стимулятора является источником прогрессирующего заикания и может вызвать морфологические изменения и расстройства нервной сети автомата.

Внезапно дверь распахнулась, и в лабораторию вбежало, или, точнее, впорхнуло, прелестное существо. Это была Вумен — молодой врач-педиатр из лаборатории искусственного скрещивания автоматов. Ее появление в институте год назад внесло смятение в ряды мужчин. Страсти немного улеглись, когда выяснилось, что Вумен серьезно и глубоко увлечена изучением искусственных наследственных признаков и цветомузыкальным оформлением готового платья.

— Мальчики, почему же мы не идем обедать? — капризно спросила Вумен.

— Но ты ведь знаешь, что Ирапожис тяжело заболел и что мы уже два дня сидим около него, отлучаясь только в случае самой крайней надобности! — угрюмо ответил Хи Маст.

— И за эти два дня вы ни разу не поговорили с Фулом?

— Конечно, нет! Ведь он бывает в институте только по четным понедельникам и нечетным четвергам! — сказал Ай Кэн.

— Эх! Ничего-то вы не знаете! Он сейчас здесь! В кабинете директора обсуждается программа заседания ученого совета, которое должно было состояться два месяца тому назад. Идите скорее, и вы его еще застанете!

Ай Кэн и Хи Маст кинулись к лифту.

Около лифта в покойном кресле сидела лифтерша тетушка Мазер. Облокотившись о стол, на котором лежал журнал учета прихода и ухода сотрудников, стоял ее племянник девятилетний Бой и листал книгу.

— Что ты читаешь? — заинтересовался Ай Кэн, вызвав лифт.

— «Генетическую бионику», — флегматично ответил Бой, переворачивая страницу.

— Ну и как? — рассеянно спросил Ай Кэн.

— Занятно. Только никак не разберу, что это за хромосомы и гены в клетках нашего тела.

— Хромосомы — это вроде тончайших ниточек, а гены — узелки на этих ниточках. И от того, как и где располагаются эти узелки, зависит цвет твоих глаз и курносая форма твоего носа, который ты всегда суешь, куда не надо, и конопушки на твоем лице.

Ай Кэн не писал научно-популярных книг и пытался разговаривать с детьми понятным им языком.

— Ясно! Теперь я могу вернуть долг и взяться за дело! — весело воскликнул Бой.

— Какой долг? Какое дело? — насторожился Ай Кэн.

— Дядя Воркер научил меня работать паяльником, и я уже напаял много нейронов. Теперь я их смешаю и подброшу вверх. Они упадут на эту фанерку, я спаяю их концы в полном беспорядке, попрошу Ирапожиса прочитать, что получилось, и…

Напоминание об Ирапожисе и открытая кабина лифта заставили Ай Кэна прервать содержательную беседу. Он только успел сказать Бою: «Детка, ты не оригинален», но уже не услышал, как Бой буркнул в ответ: «А кто из вас оригинален?»

Консилиум

Заседание в кабинете директора шло третий час.

Обсуждался проект «Комплекс разведения сверхполноценных искусственных коллективов». Проект был завизирован всеми ответственными лицами, кроме главного бухгалтера фирмы. Он требовал, чтобы в проекте были указаны естественные лица, материально ответственные за деятельность искусственных коллективов. Он не хотел иметь дела с искусственно созданными лицами, считая, что с них будут «взятки гладки», и не шел ни на какие уступки.

Присутствующие явно обрадовались, когда заседание было прервано приходом Ай Кэна и Хи Маста. Но болезнь Ирапожиса озадачила всех. Приближался конец года — время отчетов. А Ирапожис был непременным соавтором отчетов большинства лабораторий.

В кабинете воцарилось тягостное молчание. Кто-то должен был найти выход из тупика. Все взоры с надеждой обратились на Фула. И не напрасно. Он снял очки, посмотрел на стоящие в углу часы и предложил… обменяться мнениями.

Первым, как всегда, взял слово старший научный сотрудник лаборатории чистого разума. В этой лаборатории были собраны самые сильные математики института, их побаивался даже сам Фул.

— Нетрудно видеть, — начал представитель чистого разума, — что общее решение поставленной сейчас проблемы может быть найдено путем гомологического анализа бихевиористических уравнений автомата. Я сейчас попробую показать, как выглядит общий подход к этой проблеме.

Он встал, подошел к доске и провел посередине ее вертикальную черту.

— Слева я буду писать формулы для математиков, а справа — упрощенные соотношения, понятные другим людям.

На замечание председательствующего о том, что здесь больше нет математиков, он ответил, что все равно будет так писать, чтобы его не обвинили в некорректности, и приступил к делу. Он заполнил формулами левую часть доски, затем, загораживая спиной написанное, быстро стер выкладки тряпкой и перешел на правую сторону доски; здесь вся процедура повторилась, и он снова перешел налево. Таким образом, участникам совещания была все время видна только чистая половина доски и спина сотрудника чистого разума. После того как он рокировался таким образом в шестой раз, стало ясно, что чистый разум вышел на периодический режим.

Тогда слово взял заведующий лабораторией технической физиологии.

— Я позволю себе надеяться, что, может быть, есть и другой выход, основанный на использовании метода заблуждений и ошибок. Всем ясно, что функциональные нарушения Ирапожиса произошли в результате воздействия детерминированных помех. Мы попробуем создать искусственный генератор помех, выход которого будем поочередно подключать к отдельным блокам Ирапожиса. Меняя уровень и знак сигнала помехи, будем добиваться, чтобы дополнительная искусственная помеха компенсировала естественные, циркулирующие в блоках. Мое предложение базируется на значительном опыте лаборатории.

Это выступление очень понравилось присутствующим, и заведующему лабораторией технической физиологии было предложено составить заявку на оборудование и деньги, а также новое штатное расписание.

Вновь наступило тягостное молчание. И тут председательствующий допустил оплошность. Он не заметил, как встал с места представитель лаборатории психологии автоматов. Было хорошо известно, что если ему удавалось взять слово, то он обычно не знал, что с ним делать, и обсуждение затягивал на долгие часы.

В этот раз он сказал, что рассчитывает на сознательность автомата и думает, что лаборатория психологии в течение двух-трех месяцев сумеет подготовить текст беседы с Ирапожисом. И поскольку индивидуальное различие в поведении отдельных особей одного и того же семейства не превосходит границ индивидуальной изменчивости, то он уверен в успехе…

Психолога остановила вошедшая секретарша, которая, как обычно, сказала, что его зовут в лабораторию. Опять все взоры обратились на Фула. Он должен был внести предложение и спасти институт. Уверенность в гениальности Фула была коллективным условным рефлексом сотрудников.

Фул помедлил с минуту, как бы выбирая, какое из теснящихся в его мозгу решений целесообразно внести сначала, а затем сказал, что самое рациональное — это пойти навестить больного. Ученые обрадованно зашумели. Раздались голоса: «Здорово!», «Правильно!» Все двинулись вниз.

В опустевшем кабинете остался только сотрудник чистого разума, продолжавший периодическое движение около доски с частотой около одного герца.

Открытие профессора Фула

Плотная толпа ученых, возглавляемая Фулом, подошла к полуоткрытой двери экспериментального отдела. Вдруг Фул остановился.

— Прислушайтесь, друзья мои, — прошептал он.

Все замерли. Из-за двери раздавались бодрый гул бифокального глобоида и приятный голос Ирапожиса, разговаривающего с Боем. Раньше всех встрепенулся Ай Кэн. Он вспомнил неоконченную беседу около лифта и смутные подозрения, возникшие у него еще тогда.

В молчании ученые окружили мальчика Боя, который сидел на низкой табуретке, держа на коленях «Генетическую бионику».

— Что ты здесь делаешь? — спросил Ай Кэн.

— Читаю, — резонно ответил Бой.

Пока Ай Кэн обдумывал текст следующего вопроса, в беседу вступил сам Фул. Обладая большим стажем преподавательской работы, он начал разговор с Боем, используя наводящие вопросы.

— Мальчик, когда ты вошел сюда, не заметил ли ты чего-нибудь странного в поведении Ирапожиса?

— Нет, не заметил!

— А для чего ты сюда пришел?

— Мне нужно было отдать долг Ирапожису!

— Какой долг?

— Я брал у него взаймы кое-какие детали, чтобы сделать нейроны и хромосомы с генами. Но, поговорив с дядей Кэном, я решил, что хромосомы мне не нужны.

Никто из присутствующих ничего не понял. Мальчик был явно бестолковым.

За дело взялся мастер спорта Хи Маст.

— Ты пробовал разговаривать с Ирапожисом?

— Я поставил детали на место и спросил: «Все в порядке, старина?» Он скороговоркой сказал, что все в порядке, и попросил выключить вентилятор.

Все невольно посмотрели на руки Боя, чтобы сосчитать число оторванных вентилятором пальцев. К своему удивлению, они увидели обычные руки девятилетнего шалопая, покрытые в несколько слоев чернилами и ссадинами.

И тогда Фул задал вопрос первостепенной важности:

— Мальчик, как ты остановил Ирапожиса? Как ты заставил искусственное живое существо выполнить твое желание?

Десятки глаз вперились в глупого мальчика Боя, надеясь, что он хотя бы на этот раз сумеет дать вразумительный ответ.

— Я выключил рубильник, — ответил Бой.

— Какой рубильник? В нашей блок-схеме не было никакого рубильника! — завопила хором стайка юных математиков.

— Постойте, друзья! — привычным жестом остановил их Фул. — Я добьюсь от этого мальчика правды. — Обращаясь к Бою, он спросил: — Мальчик, ты можешь показать нам рубильник?

— Могу, — ответил Бой и ткнул пальцем в угол комнаты.

В этом углу на уровне глаз нормального человека в стене была приделана какая-то ручка, которую раньше никто не замечал.

— Откуда она здесь взялась? — грозно спросил Фул.

— Не она, а он: рубильник, — Бой непочтительно поправил Фула. — Его установил дядя Воркер. Он сказал, что когда-нибудь Ирапожиса все равно надо будет выключить, и тогда пригодится рубильник.

Мысль дяди Воркера была присутствующим более понятна, чем мысли глупого мальчика Боя, хотя полной ясности все еще не было.

Гениальная способность Фула к обобщениям была известна всем. В этот момент она проявилась с особой силой.

— Скажи, мальчик, а если к этому рубильнику присоединить два существа, таких, как Ирапожис, можно их было бы остановить одним рубильником? Не волнуйся и подумай как следует перед ответом.

Но мальчик, не задумываясь, ответил:

— Можно!

— Допустим! А если к рубильнику присоединить три полноценных искусственных существа, можно их будет останавливать? Думай, мальчик, думай!

Мальчик ответил без запинки:

— Можно!

— Стойте, друзья! Теперь уже последний вопрос. Скажи, Ирапожис! Правильно ли отвечал мальчик на все наши вопросы, независимо от того, понимали мы его ответы или нет?

— Правильно, — угрюмо ответил Ирапожис.

И в эту минуту Фул сделал свое великое открытие.

— Дорогие друзья, — вибрирующим голосом начал он, — мы все хорошо знаем, что нас пугало при разработке проекта разведения коллективов искусственных разумных живых существ.

Мы боялись, что такие коллективы, самоусовершенствуясь, саморазвиваясь, самоорганизуясь, саморазмножаясь, захватят ведущее положение в институте, в фирме, затем в стране и во всем мире. Но что выход из этого критического положения будет найден, мы не сомневались, нас не сумели остановить скептики и прозаики!

Мы были уверены, что сумеем сначала создать коллектив Ирапожисов, а затем так или иначе обезвредить его. (В этом состоял творческий метод Фула. Он умело создавал трудности, а затем мобилизовывал коллектив на их преодоление.) Последние полгода я искал способ обуздать наше творение. И сегодня я такой способ нашел.

У Фула на лбу выступила испарина вдохновения.

— Дорогие друзья, — торжественно продолжал Фул. — Я предлагаю в проект коллектива искусственных разумных сверхполноценных живых существ внести общий рубильник, которым по желанию можно будет прекращать их деятельность.

Восторг присутствующих не поддавался описанию. Вумен с обожанием смотрела на Фула (вскоре она его все-таки женила на себе). Стайка юных математиков всхлипывала от восторга, хотя техническая сторона решения проблемы им еще не была понятна до конца. Кто-то из ученых под завистливые вздохи коллег предложил назвать общий рубильник коллективным рубильником.

Появившийся в этот момент сотрудник лаборатории чистого разума сказал, что они в лаборатории давно уже замечали в своих уравнениях один общий член, но не знали, что другие люди называет его общим рубильником. Если другие люди захотят, то могут прийти и показать сотрудникам лаборатории чистого разума настоящий рубильник. Он уверен, что это поможет другим людям избежать хотя бы самых простых ошибок.

По предложению Ай Кэна все пошли обратно в кабинет директора, захватив по дороге главного бухгалтера и хором объясняя ему суть дела.

Фула несли на руках. Вумен держала его за руку… Институт выходил на столбовую дорогу к процветанию…

Когда тетушка Мазер узнала обо всем случившемся, она тяжело вздохнула и сказала:

— Какая сложная судьба у нашего Ирапожиса! В руках человека он гений, в руках варвара — страшилище, в руках ребенка — игрушка.

Тетушка Мазер была умная женщина…»

Заключение

Фантасты нередко рисуют ужасную картину того, как автоматы, самообучаясь, самоорганизуясь, саморазвиваясь и саморазмножаясь, становятся умнее и сильнее человека, вступают с ним в вооруженный конфликт и подчиняют его себе. Перспектива, что и говорить, неприятная!

Фантазировать можно по-разному. И уж если представить себе на минуту, что автоматы стали чуть-чуть умнее человека и по каким-то своим, уже непонятным человеку соображениям решили ему насолить, а может быть, даже и избавиться от него, им гораздо рациональней избрать вместо тактики открытой войны (это всегда рискованно!) пассивную тактику отказа от работы. В один ужасный день с плутоватым выражением, застывшим на экранах, трубках, циферблатах и панелях, остановятся турбины и генераторы, двигатели всех типов и родов, остановятся пароходы, поезда и автобусы. Прервется связь, перестанет действовать радио. Переминаясь с опоры на опору и позевывая, прекратят работу автоматы, которые делают все — от пера, спички и пуговицы до проката, домов, хлеба и вычислений. Темно и тихо станет на земле; в этом мраке и тишине будет развертываться трагедия, ужасов которой хватит на целый шкаф фантастических рассказов.

Автоматы, переговариваясь между собой в каком-то особом, недоступном человеку коде, будут ждать, только ждать! А человечество быстро пойдет назад, гораздо быстрее, чем оно шло вперед. И если спустя сто-двести лет автоматы, изнывая от безделья, вновь возьмутся за дело, то наверное работать им придется впустую. Им некого будет освещать и обогревать, одевать и обувать, кормить и развлекать. Мир машин, не поощряемый беспокойным человеком, будет влачить жалкое существование, горько сожалея о тех временах, когда он был неотделим от мира людей.

Не правда ли, какие ужасные картины можно нарисовать на фоне противоречий между человеком и машиной? Но ведь все эти воображаемые картины не новы. Опасными чудовищами казались ткацкий станок «счастливчика» Жаккара, швейная машина бедняги Тимонье лионским ткачам и парижским швеям, обвинявшим машины в тех бедствиях, которые в действительности возникали из-за социальной несправедливости.

Теперь эти ужасные картины реставрируются, конечно, в модернизированном виде. Но по-прежнему надуманными противоречиями между человеком и машиной, как фиговым листком, пытаются прикрыть реальные и глубокие противоречия между людьми, социальную несправедливость и ее тяжелые последствия в капиталистическом обществе, в частности связанные якобы с вытеснением человека машиной.

А в действительности дело обстоит совсем иначе. Ведь мы видели, сколько творческого труда, изобретательности надо затратить для того, чтобы создать новый автомат, и чем сложнее и точнее этот автомат, тем больший коллектив людей нужен для его создания. И чем шире внедряется автоматизация, тем больше нужно новых автоматов, тем чаще приходится заменять один автомат другим, тем больше людей вовлекается в отрасли промышленности, связанные с автоматизацией технологических процессов.

Потребность в человеческом труде не только не убывает, а, наоборот, непрерывно растет. И труд становится все более производительным, творческим и интересным.

Во времена Жаккара тысячи ткачей вручную ткали такое количество ткани, которого хватало для того, чтобы одевать небольшую кучку избранных. Сейчас сотни тысяч людей проектируют и строят заводы и оборудование, выпускающие такое количество ткани, которого достаточно, чтобы одеть сотни миллионов людей. А заводы-автоматы будущего, которые тоже еще надо проектировать, разрабатывать, строить, испытывать, доводить, а потом вновь модернизировать, будут шить одежду и обувь, изготовлять приемники и телевизоры, строить дома и печатать книги, добывать для миллиардов людей материалы, энергию и информацию.

Нужно только, чтобы миллиарды людей имели одинаковые права и возможности пользоваться всеми теми благами, которые заключены в их труде. Такие права и возможности обеспечит человечеству коммунизм. И на пути к коммунизму человеку служит и всегда будет служить машина, автомат.

Содержание

Предисловие … 3

Просто перо

Гусь действительно важная птица … 9

История еще одного «пустяка» … 11

Посмотрите на спичку … 14

Еще несколько слов о дискуссии … 18

Начнем «от печки»

Такой неудобный мир … 23

Из «ничего» — «нечто» … 28

Сказка о золотой рыбке … 34

Сказка о мальчике Гемфри Поттере … 37

Могла ли изобрести машину тетя? … 40

Почему так произошло? … 42

Ура! Мы в воздухе! … 44

Тайна лягушечьей лапки

Лягушка тут ни при чем … 49

Мы собираемся на Луну … 52

Слово «межзвездным скитальцам» … 57

Обратно к лягушечьей лапке … 59

Уже пробуют сделать мышцу … 64

Три кита

Причуды терминологии … 69

«Да» или «нет»? … 72

Что такое опыт работы? … 76

Бесконечные потоки сигналов … 79

Точка, тире

Опять человек мешает … 87

Код — слово мирное … 92

Что есть система? … 97

Чуть-чуть про мозг … 102

Живой телеграф … 105

Руки машины

Все делают механизмы … 111

Наши предки тренируются … 114

Ноги лошади, скачущей галопом … 117

У предела точности … 120

Живой механизм … 124

Первые впечатления … 128

Да, они важны! … 131

Кольцо управления

Пилот и повар … 137

Вспомним сказку о Гемфри Поттере … 143

Сердце машиностроения … 145

Заколдованный треугольник

Не хлебом единым … 153

До нашей эры … 159

Начало одной истории … 161

Что произошло потом … 166

«Абстрактная» картина, «конкретная» мелодия

10^300000 узоров … 175

«Консервированный» звук … 180

Буква за буквой … 185

Только числа … 188

Кто сказал «а»? … 191

Автоматом управляют числа

На грани между живым и неживым … 195

Планеты движутся по расписанию … 200

В «реальном времени» … 204

Нельзя ли попроще? … 208

Числа могут стать «пустым звуком» … 214

Автомат автомату рознь

Краткая история прогресса … 221

По полкам этажерки … 226

Не совсем наука … 233

Совсем не случай … 237

Сложное блюдо — конструирование … 241

Сердце и рука

«Тук-тук! Тук тук!..» … 247

Сердцу «сердце» помогло … 251

Рождение идеи … 253

В пику скептикам … 258

Что такое Ирапожис? … 262

На верхних полках

Окинем прощальным взглядом … 267

Как «настоящее» животное … 273

Еще одна рука … 276

Если вокруг неудобный мир … 282

Кто — кого!

Переполох … 287

Консилиум … 290

Открытие профессора Фула … 293

Заключение … 297

Кобринский Арон Ефимович

Автор этот не только литератор. Помимо великолепных рассказов, опубликованных в журнале «Наука и жизнь», кроме интересной книги «Кто — кого?», вышедшей в «Молодой гвардии» в 1964 году, а также научно-популярной книги «Числа управляют станками» и полторы сотни научных статей, напечатанных в разное время, А. Кобринским сделано около 40 изобретений.

Видный специалист в области автоматики и машиностроения, доктор технических наук, профессор, он разработал идею станков с цифровым управлением и участвовал в создании опытного образца такого станка.

Кроме того, им созданы биоэлектрические системы управления и под его руководством была сконструирована биорука, которую любой посетитель мог видеть в одном из павильонов ВДНХ.

Примечания

1

Световой год — расстояние, которое в течение года проходит луч света, движущийся со скоростью 300 тысяч км/сек.

2

Описание этой игрушки наряду с описаниями многих других автоматических игрушек, устройств, машин и систем имеется, например, в книге: О. Дрожжин, Разумные машины. Детгиз, 1935. Изданная тридцать лет назад, она дает наглядное представление о том, что считалось тогда «чудесами техники».

Content

Арон Ефимович Кобринский
Кто — кого?

Предисловие

Просто перо

Начнем «от печки»

Тайна лягушечьей лапки

Три кита

Точка, тире

Руки машины

Кольцо управления

Заколдованный треугольник

«Абстрактная» картина, «конкретная» мелодия

Автоматом управляют числа

Автомат автомату рознь

Сердце и рука

На верхних полках

Кто — кого?

Заключение

Примечания