Электроника исходит из микроскопически упорядоченных процессов, которые приводят к макроскопическим эффектам. Возьмем уже упоминавшиеся электронные приборы. Исходный процесс — эмиссия электронов. Это существенно микроскопический процесс. Его результатом служит замыкание или размыкание электрической цепи, которая может быть достаточно мощной, чтобы вызвать перемещения макроскопических масс. Микроскопические события, в которых участвуют дискретные частицы вещества и излучения, разыгрываются в весьма дробной пространственной и временной шкале. Здесь существенны тысячные и миллионные доли сантиметра и секунды. В этих пространственно-временных интервалах происходят события, которые становятся исходным пунктом таких макроскопических процессов, как изменение режима работы десятков гигантских электрических станций.
Сигналы, изменяющие сопротивление электронных приборов, могут быть световыми и при этом действовать на холодные катоды. Фотоэлектрический эффект (тот парадоксальный с классической точки зрения эффект, который привел к мысли о квантах света) лежит в основе фотоэлементов, где свет срывает с анода электроны, проводящие ток через вакуумную трубку. Применение световых сигналов не только включает в число исходных сигналов для электронных приборов всю сферу зрительных впечатлений, в том числе препараты, лежащие под объективом микроскопа, и наблюдаемое через телескоп звездное небо. Фотоэлемент реагирует и на электромагнитные колебания за пределами видимого спектра. Они позволяют, как уже говорилось, соединять элементы кибернетических устройств средствами «прицельной» квантовой электроники, лазерными лучами, в том числе ультрафиолетовыми и еще более коротковолновыми лучами.
На смену электронным лампам пришли другие приборы. Их появление и распространение связано с быстрым развитием квантовой теории твердого тела. Классическая физика рассматривает твердое тело как совокупность частиц, которые представляют собой те же твердые тела, очень малые, но не отличающиеся от макроскопических по характеру своего поведения. Квантовая физика твердого тела описывает специфические процессы, которых не знает макроскопическая картина мира. Именно эти парадоксальные с точки зрения классической физики процессы используются в кибернетических приборах. Квантовая теория позволяет значительно точнее представить себе специфические процессы изменения проводимости кристаллов и в значительно большей мере управлять этими процессами. Далее существует ряд веществ, которые являются полупроводниками. Их проводимость зависит от состава и внешних воздействий, например от поглощения света. Поэтому системы полупроводниковых приборов могут выполнять все операции, которые выполняют системы вакуумных приборов, принимая и перерабатывая информацию, содержащуюся в поступающих извне сигналах.
Полупроводниковые приборы, распространившиеся первоначально в радиотехнике, сейчас стали основными элементами кибернетических устройств. Они потребляют гораздо меньше энергии, чем электронные лампы, в которых значительная энергия тратится на нагревание катода — источника электронов. Еще большее значение имеет то обстоятельство, что электронные процессы в кристалле происходят гораздо быстрее, чем в вакууме. Полупроводниковые приборы в качестве элементарных ячеек кибернетических машин позволили увеличить число операций от тысяч до сотен тысяч и миллионов в секунду.
Наряду с полупроводниками возможности кибернетических машин расширены и другими применениями квантовой теории твердого тела. Мы упомянем применение криотронов — приборов, использующих усиление сигналов в проводниках, охлажденных до очень низкой температуры. Криотрон — это проводник с обмоткой, по которой проходит слабый ток. Вблизи абсолютного нуля самые незначительные изменения тока в обмотке вызывают крайне резкие изменения проводимости. Таким образом, криотрон выполняет ту же функцию, что и электронная лампа, что и полупроводниковый транзистор. В криотронах, как и в электронных лампах и полупроводниковых устройствах, используются процессы, которые с классической точки зрения кажутся парадоксальными. Феноменологическое описание процессов, используемых в кибернетических приборах — вакуумных лампах, кристаллических устройствах, криотронах, возможно было бы и без углубления в неклассическую теорию. Но для кибернетики характерны почти непрерывный переход к новым физическим принципам, систематическое конструирование все новых (причем новых во все более радикальном и фундаментальном смысле) приборов и, на этой основе, автоматизация все более сложных операций. Такой прогресс кибернетики, обеспечивающий не только ненулевую скорость, но и ненулевое ускорение научно-технического прогресса в целом, требует, чтобы наука не ограничивалась феноменологическим описанием указанных процессов.
Нет нужды продолжать дальше характеристику элементарных приборов, из которых состоят кибернетические машины. Нет нужды описывать схемы этих устройств, схемы автоматического решения математических задач, приема и переработки информации, запоминающих блоков и управляющих механизмов. В этой книге рассматриваются только два вопроса: связь научно-технического прогресса в конце XX столетия с неклассической наукой и результаты этого прогресса. Беглые характеристики физико-технических принципов, воплощенных в вакуумные лампы, полупроводниковые приборы и криотроны, иллюстрируют связь кибернетики с квантовой механикой. Теперь следует перейти к экономическому эффекту кибернетики. Речь идет не о перечислении или систематизации того, что может дать кибернетика промышленности, транспорту, связи и т. д. Речь идет об интегральном результате, который может быть определен без перечисления и суммирования конкретных производственных применений кибернетических машин.
Таким интегральным результатом является автоматизация неустановившихся производственных процессов и более высокая по рангу динамичность производства. В 30-е годы, когда началось сравнительно широкое применение фотоэлементов, на многих произвел сильное впечатление фотоэлемент, с помощью которого слабый луч далекой звезды включал освещение и силовые установки большой международной выставки. В то время перспективы автоматизации связывали с включением и выключением сильноточных цепей при возникновении, прекращении или изменении интенсивности световых лучей. Сейчас речь идет о другом, гораздо более радикальном и общем преобразований производства, культуры и научного эксперимента. Сигналы и вызванные ими электронные процессы становятся началом длинных серий других электронных процессов, где каждый следующий связан с предыдущим, как звено логического или математического умозаключения. Эти длинные серии приобретают характер вычислений, решения систем уравнений, нахождения новых оптимальных конструкций, оптимальных технологических процессов, оптимальных грузопотоков, оптимального размещения промышленности и т. д. Уже первое поколение кибернетических машин могло быть основой принципиально нового по сравнению с первой половиной века прогноза характера труда. Кибернетические машины не заменяют человека в операциях, состоящих во включении и выключении электромагнитного прибора. Такая замена была под силу фотоэлектрическим реле 30—40-х годов. Кибернетические машины уже в первом своем поколении были способны на большее. Они могут заменить человека в его динамических функциях. Разъясним это понятие.
В производстве, как и в природе, мы встречаем ряд процессов, каждый из которых можно рассматривать как повторение одного и того же неизменного акта. Над ним надстраивается другой процесс, состоящий в изменении такого акта, который теперь уже не повторяется в неизменном виде. Пусть процессом неизменного повторения будет движение по инерции — равномерное и прямолинейное. Повторяющимся актом будет здесь прохождение каждого из разных отрезков, на которые разделен путь, в течение одного и того же времени. Неизменна здесь скорость. Теперь представим себе, что над движением тела надстраивается другой процесс — изменение его скорости, ускорение. Этот процесс является динамическим по отношению к движению по инерции, но и в нем нечто может оставаться неизменным: это нечто — само ускорение. Если ускорение с течением времени увеличивается, мы встречаемся с динамическим процессом более высокого ранга. В случае непрерывности этих процессов им соответствуют в качестве неизменных характеристик производные все более высокого порядка о г пройденного пути во времени: первая производная (скорость), вторая (ускорение), третья (скорость возрастания ускорения) и т. д.
