Рождение кибернетики

Нейрофизиолог Михаил Бурцев рассказывает о том, как математик Норберт Винер пытался создать универсальную компьютерную архитектуру на основе принципов работы человеческого мозга

Как по-другому могла бы называться наука кибернетика, можно ли рассматривать мозг как универсальный вычислитель и чем двенадцатилетний мальчик из Детройта удивил философа Бертрана Рассела? Лекция нейрофизиолога Михаила Бурцева — одна из историй гида «Рассеянные люди», посвященного научным открытиям еврейских ученых XX века. Этот проект мы подготовили в партнерстве с Российским Еврейским Конгрессом.

Норберт Винер — один из выдающихся ученых XX века. Он обладает очень интересной судьбой, которая на самом деле свойственна многим ученым начала XX века. Уже в десять лет он окончил среднюю школу и в четырнадцать получил степень бакалавра Университета Тафтса по математике. К семнадцати годам он уже защитил свою кандидатскую диссертацию. И после того, как он защитил докторскую диссертацию, он отправляется в Европу, в Кембридж, где он встречается, в частности, с Бертраном Расселом, который как раз за год до этого публикует свою знаменитую книгу «Principia Mathematica», пытающуюся вывести математику из логики.

К началу войны он уже приходит сформировавшимся математиком, который имеет достаточно хорошее признание. Мы видим, что в предвоенный период произошло формирование взглядов Норберта Винера, которые и отразятся в будущем. С одной стороны, у него был очень большой интерес к основаниям науки и философии. Но с другой стороны, он понял, что не может весь свой интеллект, направленный на некоторое формальное описание и математику, применить в философии, и решил заниматься общими методами математики, которые могли бы быть приложимы к реальным задачам.

В начале войны он понимает, что для решения многих практических задач нужно получать решения уравнений в частных дифференциальных производных, которые очень сложно получать аналитически. Но при этом, если мы будем получать их значения численно, то есть вычисляя эти уравнения разностными методами, они все равно потребуют достаточно большой объем вычислений. И поэтому он по просьбе своего руководителя готовит предложения по развитию вычислительных архитектур. Тогда ставка делалась либо на электромеханические релейные компьютеры, либо на аналоговые компьютеры, которые позволяли интегрировать эти уравнения и получать их решения.

Но Винер уже имел опыт работы с аналоговыми компьютерами и знал, что в них очень быстро накапливается ошибка, поэтому смотрел в сторону цифровых компьютеров и понимал, что те компьютеры, которые построены на реле, обладают невысокой скоростью. И он в своей работе говорил, что необходимо переходить на электронные компьютеры, которые могут быть в десять тысяч раз быстрее, чем релейные компьютеры. Но при этом ограничивающим фактором становится память, потому что в релейных компьютерах, в основной архитектуре того времени, память реализовывалась за счет перфокарт. То есть фактически мы как бы задавали начальные условия нашей задачи, кодируя их на перфокарте, загружали их в компьютер, компьютер их считывал, производил вычисления, и результаты вычислительных шагов он снова наносил на перфокарты. И поэтому если мы итерационно решали какую-то задачу, как бывает в решении дифференциальных уравнений численными методами, мы должны были снова загружать новые перфокарты.

Процесс пробивания дырок в перфокартах и их считывания достаточно длительный. И Винер был одним из тех, кто предложил использовать быструю память тоже в виде электронных схем. В то же время становится заметным интерес Винера к моделированию и пониманию работы мозга. То есть он видит, что если мы рассмотрим, например, систему автоматического наведения как систему адаптивную, то она в чем-то похожа на систему, которая управляет движением у животных. И в этом смысле он видел мозг как большой вычислитель и пытался понять, можем ли мы использовать информацию о том, как работает мозг, для того чтобы разработать новую компьютерную архитектуру.

Здесь он вступает в сотрудничество с нейрофизиологами, которые тогда были в MIT и Гарварде. В этот момент, во время войны, он встречается и знакомится с двумя учеными. Один из них — это Уоррен Маккаллок, а другой — его молодой помощник Уолтер Питтс, который тоже, можно сказать, был гением, хотя с совершенно другим бэкграундом, чем у Винера.

Наверное, стоит пару слов о нем сказать, потому что в чем-то его судьба была похожа и на судьбу Винера. И как раз, видимо, поэтому он стал одним из его учеников. Питтс рос в неблагополучной семье и часто от всех неурядиц — его обижали на улице, отец вместо того, чтобы посылать в школу, отправлял его работать — скрывался в Детройте в публичной библиотеке. И там он изучал латынь, математику и так далее. Это было в 1930-х годах. В один из вечеров, в очередной раз укрывшись от хулиганов, которые его преследовали, в библиотеке, он так боялся выйти на улицу, ожидая, что его там встретят и надают ему по шее, что он остался в библиотеке на ночь. И в эту ночь он наткнулся на трехтомное издание «Principia Mathematica» Бертрана Рассела. Он сел и три дня не выходил из библиотеки, прочитал весь этот трехтомный огромный философский труд, который многие философы даже тогда не могли воспринять, потому что там было очень много формальных описаний, выводов и так далее. При этом он там нашел несколько ошибок и не смог себя сдержать, написал письмо Бертрану Расселу. И отослал его Бертрану Расселу. Бертран Рассел, когда прочитал письмо, пригласил его стать его аспирантом в Кембридже. Но в этот момент Питтсу было только двенадцать лет, поэтому он не поехал в Кембридж, а оказался в Университете Чикаго. Он стал ходить на лекции по философии, где разбирался Рассел. И там тогда был один из известных философов, который тоже пытался связать философию науки с теорией вероятности, — Рудольф Карнап.

Многие ученые тогда начинали с каких-то философских оснований науки, с книги Бертрана Рассела, с попытки описать строгим образом основания математики, основания науки и затем переключались на попытку понять познание через понимание того, как мозг животных и человека познает мир. Так и Уолтер Питтс: через некоторое время он тоже оказался в группе, которая занималась биофизическим моделированием нейронов, и встретился с Уорреном Маккаллоком, который был такой философ и нейрофизиолог, которому как раз не хватало формальных навыков и способностей к математическому описанию.

Тогда вышла работа Тьюринга, которая показывала, что любые вычисления, любые задачи, которые можно вычислить, можно представить в виде универсальной машины Тьюринга. И идея Маккаллока состояла в том, что мы можем мозг, состоящий из нейронов, каждый нейрон смоделировать отдельной простейшей логической функцией — тогда мозг в целом, возможно, будет как раз тоже эквивалентен машине Тьюринга. Но доказать это он никак не мог, потому что ему не хватало технических способностей. И когда он познакомился с Питтсом, он понял, что это как раз тот человек, который может ему помочь в этом. Он пригласил его жить к себе домой, и несколько лет Питтс жил у него дома, фактически занимаясь такими исследованиями. А в середине 1940-х годов Питтс познакомился с Винером. История гласит, что когда Питтс пришел в кабинет к Винеру, то Винер вначале ничего не спрашивал, а просто продолжил на доске выводить какую-то формальную задачу, которая у него была. А Питтс комментировал и говорил, что следует сделать в следующий момент. Когда Винер дошел уже до второй доски, продолжая это решение, он сказал: «Молодой человек, я вас хочу пригласить к себе тоже аспирантом, давайте будем вместе работать».

К этому моменту Питтс и Маккаллок уже написали свою работу, которая является, можно сказать, одной из основополагающих для области искусственного интеллекта, которая называлась «Логическое исчисление идей имманентных в нервной активности». Что они сделали? В этой работе они показали, что если мы себе представим последовательность некоторых логических операций, как раз моделируя работу такой примитивной нейросети, то сможем при помощи этих операций выразить основные операции, которые будут эквивалентны машине Тьюринга. А значит, если нейроны реализуют функции таких логических вычислителей, то и мозг в целом эквивалентен машине Тьюринга, а следовательно, он может произвести любое вычисление, которое мы можем вычислить на машине Тьюринга. То есть фундаментальность этой работы как раз заключалась в том, что они как бы говорили: действительно, при таком подходе мозг можно рассматривать как некоторую универсальную машину. А значит, если мы теперь будем строить компьютер на таких логических функциях, то сможем получить такой же потенциал к вычислению, как и у мозга.

Очевидно, что Винера это очень заинтересовало, потому что это пересекалось, во-первых, с его размышлениями о том, какой должен быть компьютер, а во-вторых, с его представлением о том, что нам нужно попытаться моделировать мозг, черпать идеи из того, как работает мозг, для того чтобы создать интеллектуальные системы. И Винер был настолько вдохновлен этими идеями и результатами, что попытался создать в MIT ячейку, в которую бы входили нейрофизиологи и математики, для того чтобы начать работать над новой областью исследований, которую он пока еще никак не назвал, но которая в будущем станет кибернетикой.

В эту группу, в частности, входили Маккаллок, Питтс, Бигелоу, Розенблатт. И также Винер пытался привлечь к работе в этой группе Джона фон Неймана. В 1944–1945 годах Винер ведет активную работу, он чуть ли не ежемесячно переписывается с фон Нейманом, организует встречи, где обсуждаются возможные направления исследований в этой области. Но к концу 1945 года отношения между фон Нейманом и Винером охладевают. И это связано с тем, что у них был разный взгляд на то, как наука может использоваться в военных целях. Потому что для Винера фактически была потрясением бомбежка Хиросимы и Нагасаки, которую провели США. И он был против того, чтобы использовать науку в военных целях.

Соответственно, после войны он начинает коллаборировать со своим бывшим коллегой из Гарварда, руководящим центром в Мексике по исследованию сердца, сердечных ритмов, которые управляются нервными импульсами и возбудимой тканью. И тогда в Мексике он пишет книгу «Кибернетика». Фактически мы видим, что группа, которую он пытался собрать, так и не собралась как группа, работающая в одном направлении. И он попытался обобщить все свои мысли по этому поводу в книге «Кибернетика». Он говорит о создании нового научного направления, связанного с исследованием того, как информация передается в живом, машинах и обществе. И эти принципы передачи информации как раз и позволят нам построить новую науку адаптивных обучающихся систем.

Забавно, что он долго пытался найти слово, которое бы подходило к названию этой науки. Поскольку в основе лежала идея, что это должно быть как-то связано с передачей информации, то он начал искать различные греческие слова. В частности, одним из вариантов было слово angels («посланник»). Но он от него отказался, потому что в западной культуре ангел — это посланник Бога, и непонятно, как бы эта наука называлась — анджелетика, ангелетика. Поэтому он нашел другое слово — cybernetice — это тот, кто управляет или правит чем-то, например лодкой или какой-то организацией, людьми. И он решил назвать новую науку кибернетикой.

Источник: postnauka.ru

Комментарии: