Герман Хакен - Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии

Подобно тому, как вода под воздействием силы тяжести переливается из одного сосуда в другой, электроны могут перемещаться из одной емкости в другую под воздействием градиента потенциала. Эта аналогия между течением воды и электрическим током позволила инженерам осуществить все описанные схемы соединений с помощью электроники.

Совершенствуясь в искусстве создавать все более миниатюрные схемы, техника в последние годы творит подлинные чудеса. В шестидесятые годы компьютеры собирались из радиоламп, величиной и внешним видом напоминающих обычные лампы накаливания; каждая такая лампа исполняла одну-единственную переключательную функцию. Американский компьютер ЭНИАК, начиненный восемнадцатью тысячами радиоламп, весил восемнадцать тонн и обошелся приблизительно в восемь миллионов долларов. Сегодня десятки тысяч схемных элементов, заменивших прежние радиолампы, умещаются на тончайшей плате диаметром около сантиметра, причем стоимость всей платы не превышает пяти долларов. Воплощаются в жизнь все новые и новые идеи; быстродействие компьютеров постоянно растет: за секунду машина успевает совершить сотни миллионов операций.

Здесь и выходит на сцену синергетика. В нашей книге мы постоянно обращаемся к понятию «параметр порядка». Как показывают синергетические исследования, те же параметры порядка лежат и в основе логических процессов. Таким параметром порядка, характеризующим макроскопическое состояние системы, может быть — как в приведенных выше примерах — плотность электронов в различных элементах конструкции. Благодаря соединению подобных элементов в единую схему достигается уровень, на котором параметры порядка вступают во взаимодействие друг с другом, что приводит к возникновению новых параметров порядка. С синергетиче-ской точки зрения наиболее интересным здесь представляется то, что такие взаимодействия параметров порядка могут осуществляться множеством способов (зачастую самыми разными способами внутри одной системы), причем даже в тех случаях, когда упомянутое соединение элементов как таковое изначально в системе отсутствовало. Переключения в компьютерных элементах могут сегодня производиться с помощью лазера, что обещает в будущем быстродействие в пределах триллионных долей секунды, в то время как до недавних пор даже десятитысячные доли секунды представлялись едва вообразимыми. Кроме того, переключения могут осуществляться и посредством химических реакций, и это обстоятельство особенно важно, если учесть, что постоянно продолжается поиск новых, более миниатюрных, нежели существующие, элементов для компьютерных схем; такой способ переключения позволяет говорить о размерах, непосредственно сопоставимых с размерами молекул и даже атомов. Живая природа располагает подобными образцами наимельчайших из всех мыслимых элементов: речь идет о клеточных мембранах — в частности, о мембранах нервных клеток.

Эти мембраны состоят из удлиненных молекул, имеющих некое подобие головы и хвоста и сориентированных таким образом, что один конец молекулы всегда направлен к одному из окружающих ее амнионов, а другой — от него. При этом общая нелюбовь молекул мембраны к воде вынуждает их выстраиваться на манер солдат в строю (рис. 17.17). Такие мембраны можно изготовить и искусственно, причем толщина их будет равна длине молекулы.

Рис. 17.17. Примеры мембран. Вверху: мембрана из одного молекулярного слоя; внизу: двухслойная мембрана

Под воздействием некоторых других молекул проницаемость мембраны может изменяться, благодаря чему сквозь нее могут проникать определенным образом электрически заряженные атомы либо молекулы (рис. 17.18). То есть, перед нами снова своего рода коммутирующие элементы, которые в состоянии выполнять логические функции.

Рис. 17.18. Схематическое изображение биомембраны с внедренными в нее молекулами

Очевидно, уже не за горами то время, когда человек научится наконец создавать компьютерные элементы или даже целые компьютеры атомарного размера. Процессы упорядочивания на микроскопическом уровне протекают в полном согласии с закономерностями, обнаруженными синергетикой, ведь речь здесь идет почти исключительно об эффектах, обусловленных взаимодействием множества отдельных элементов. Перед нами открываются захватывающие перспективы: оказывается, логические процессы — и в конечном счете, мыслительные процессы вообще — могут протекать на самых разнообразных субстратах. Это может быть вода, это могут быть электроны, это могут быть химические реакции, лазер или биомолекулы. Мы заглянули внутрь компьютера и рассмотрели некоторые элементы его конструкции в действии. Однако не следует впадать в заблуждение, полагая, что все мыслительные процессы должны строиться из такого рода логических элементов. Не исключено, что существуют и другие возможности, о которых мы пока даже не подозреваем, — например процессы мышления, вовсе не разложимые на отдельные логические операции.

В определенном смысле сказанное относится и к компьютерам нового поколения, которым посвящен следующий раздел.

В самом начале этой главы мы уже затрагивали вопросы программирования; совершенно очевидно, что описанный там компьютер работает последовательно, т. е. выполняя одну операцию за другой. Такой принцип делает невозможным воспроизведение компьютером способности человеческого мозга к восприятию даже при условии, что отдельные схемные элементы компьютера обладают гораздо большим быстродействием, нежели соответствующие элементы мозга. По сравнению с компьютерными элементами нейроны человеческого мозга выглядят настоящими улитками. Но каким же образом нейронам удается (и при том — относительно быстро!) распознавание весьма сложных изображений? Для объяснения этого факта было выдвинуто предположение о том, что мозг — в отличие от компьютера — функционирует не последовательно, шаг за шагом приближаясь к цели, а параллельно, т. е. одновременно обрабатывая чувственные впечатления, получаемые с различных участков изображения через органы чувств. В определенном смысле, при этом происходит то же самое, что мы можем наблюдать в слое жидкости, нагреваемой снизу: частицы жидкости повсюду движутся вверх и вниз и в результате этого движения в конце концов образуется строго упорядоченная структура. Современные компьютерные разработки, нацеленные на реализацию параллельного выполнения вычислительных процессов, ведутся в двух направлениях. Первое основано на аналогии с нейронной сетью мозга, описываемой с помощью очень простых моделей, в соответствии с которыми нейрон располагает всего двумя возможностями — он может либо находиться в состоянии покоя, либо быть возбужден. При получении сигналов от других нейронов каждый нейрон эти сигналы суммирует. До тех пор пока такой совокупный сигнал (сохраняющий, впрочем, свою электрическую природу) не превышает некоторого порогового значения, нейрон пребывает в состоянии покоя; как только пороговое значение оказывается превышено, нейрон испускает нервный импульс, передавая сигнал другим нейронам. Установив же связи между схемными элементами модели, называемыми синапсами по аналогии с настоящими соединениями между нервными клетками мозга, мы сможем сохранить в такой сети определенную структуру, которая затем сыграет роль своего рода ассоциативной памяти, способной реагировать на запросы. Другое направление исследований по реализации параллельной обработки информации ведет к созданию синергетического компьютера, принцип работы которого основан на процессах, аналогичных тем, что имеют место в нагреваемой жидкости. Читатель, вероятно, уже догадывается, что между различными принципами параллельной обработки происходит нешуточная конкурентная борьба; причем синергетические компьютеры, по всей видимости, имеют в этой борьбе весьма неплохие шансы на победу.