Copyright © Publishing house "Sovietskoe radio", 1978
Yuriy Lapitskiy, scan and OCR, 2004
Origin: http://yuriybrisk.narod.ru/oddandeven.htm
All rights are recognized and reserved.
КИБЕРНЕТИНА
Настоящая серия печатается по рекомендации IX Международного Совещания
руководителей научно-технических издательств социалистических стран (июнь
1975 г.). В серии участвуют:
Издательство "Советское радио" (СССР) Издательство технической
литературы (ВНР) Издательство "Техника" (ГДР)
Издательство научно-технической литературы
(ЧССР)
КИБЕРНЕТИКА
ВЯЧ. ВС. ИВАНОВ
ЧЕТ И НЕЧЕТ
Москва "Советское радио" 1978
И20
УДК 616.831-031.84-07
Иванов Вяч. Вс.
И20 Чет и нечет: Асимметрия мозга и знаковых систем. -- М. Сов. радио.
1978. -- 184 с., ил. ("Кибернетика").
75 коп.
В книге освещаются новые данные о соотношении между функциями двух
полушарий мозга, по-разному участвующих в таких видах деятельности, как
язык, математика. Предлагается сравнение мозга с комплектом из двух машин
типа новейших роботов. В связи с двухкомпонентностью мозга рассматривается
двоичность основных кодов человеческой культуры и теория диалога.
Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся применением
кибернетики в нейропсихологии и гуманитарных науках.
ББК 32.816
И 30501-075 80-78 1502000000 6Ф0.1
046(01)-78
Редакция кибернетической литературы
ИБ No 367
ВЯЧЕСЛАВ ВСЕВОЛОДОВИЧ ИВАНОВ
ЧЕТ И НЕЧЕТ
Асимметрия мозга и знаковых систем
Редактор И. М. Волкова Художественный редактор А. Н. Алтунин
Иллюстрации художника Г. Б. Красикова Технические редакторы Г. 3. Кузнецова,
Н. В. Орлова Корректоры Η. Η. Лоскутова, О. И. Галанова
Сдано в набор 13.01.78 Подписано в печать 23.10.78 Т-16341
Формат 60x84/16. Бумага офсетная No 2. Гарнитура литературная.
Печать офсетная. Объем 10,7 усл. п. л., 12.345 уч.--изд. л.
Тираж 40.000 экз. Заказ 3836 Цена 75 к.
Издательство "Советское радио", Москва, Главпочтамт а/я 693 Московская
типография No 4 "Союзполиграфпрома" Государственного Комитета СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной Торговли Москва, 129041, Б.
Переяславская, 46.
Издательство "Советское радио", 1978 г.
О СЕРИИ КНИГ "КИБЕРНЕТИКА"
В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ "СОВЕТСКОЕ РАДИО"
В свете решений XXV съезда КПСС огромное значение приобретает раскрытие
основных направлений, перспектив и значения современной математики,
кибернетики и электроники, для научного познания, для практики
социалистического общества. Это относится и к созданию мощных вычислительных
машин, систем и сетей, и к разработке математического и логического аппарата
кибернетики, и к исследованиям систем "человек-- машина", и к созданию
разнообразных алгоритмических и формализованных языков, особенно языков,
близких к естественным, и к прогрессу в области взаимодействия человека и
ЭВМ, и к исследованиям, направленным на автоматизацию эксперимента и
проектирования, и к созданию математических моделей различных областей
знаний и т. д. Существенным становится углубленное изучение взаимодействия
искусственных знаковых систем (к которым широко прибегает кибернетика) с
богатыми и могучими языками человеческого общения и понимания. Со всем этим
кругом вопросов органически связаны методологические проблемы, естественно
возникающие на почве кибернетики как комплексного направления теоретических
исследований и технической практики.
В популярной литературе последних лет верно подчеркивается значимость
кибернетики для коммунистического строительства, указывается на впечатляющие
успехи этой области знания, оказывающей существенное влияние на научный
кругозор ученых, не говоря уже о революционизирующем воздействии ее на
производство, технические средства управления и информационную деятельность.
Недооценка кибернетики и ее математико-логической базы была бы большой
ошибкой.
Но не менее важно принципиальное осмысление трудностей, возникающих на
путях кибернетического моделирования определенных функций человеческого
разума (формально-логический вывод, построение алгоритмов доказательства
теорем в формальных теориях, эвристически направляемый поиск, распознавание
образов, автоматический анализ и синтез текстов, решение нечетко
поставленных задач, роботостроение и пр.). Трудности эти во многом связаны с
колоссальной сложностью присущих человеку феноменов понимания, сознания и
самосознания -- феноменов, неотделимых от всей системы человеческих
потребностей, в том числе и обусловленных социальной природой человека.
Раскрытие этих трудностей -- неотъемлемая сторона популяризации кибернетики,
отнюдь не претендующей на "подмену" наук об обществе и человеке.
3
Изучая сверхсложные системы био- и социосфер с позиций кибернетики,
специалисты в области технических наук сотрудничают с философами, математики
с психологами, нейрофизиологи с логиками, социологи и экономисты со
специалистами в области вычислительных машин и их математического
обеспечения, языковеды с учеными, разрабатывающими теорию автоматов и
алгоритмов, историки науки с информатиками и т. д.
Задача предлагаемой вниманию читателя серии "Кибернетика" -- а серия
эта носит международный характер, так как в ней принимают участие ученые не
только нашей страны, но и других социалистических стран: ВНР, ГДР, ЧССР и
др.-- состоит в том, чтобы просто, ясно и вместе с тем научно строго
рассказать об упомянутых (и многих других) вопросах, относящихся к идеям,
методам и результатам кибернетики и связанных с нею наук.
Современная кибернетика -- чрезвычайно разветвленное направление, и нет
специалистов, которые профессионально владели бы материалом всех ее
многочисленных ответвлений и областей. Книги серии, задуманной весьма
богатой по своему тематическому охвату, должны удовлетворять потребности
специалистов, заинтересованных в информации о достижениях в тех областях
науки об управлении и переработке информации, в которых они непосредственно
не ведут исследовательской работы. Объединяющими для серии явятся идеи
управления, переработки информации, моделирования и оптимизации. Большое
место в серии займут темы, относящиеся к современной вычислительной технике
и ее применению. Найдут отражение и история научных идей и методов,
приведших к возникновению кибернетики и ее математической и логической базы,
вопросы исторического развития кибернетики как комплексной науки о процессах
управления, опирающейся на использование средств современной автоматики и
вычислительной техники.
Серия не имеет узкого "академического" характера -- она обращена к
читателям, заинтересованным в ознакомлении с последними достижениями в
кибернетике и ее приложениях, с тем прогрессом, который под влиянием
кибернетических идей ныне происходит во многих областях знания.
Книги, по-настоящему интересные для читателей, в которых научная
строгость сочетается с доступностью изложения Ї-- такой видится нам серия
"Кибернетика".
Академик А. И. Берг
Член-корреспондент АН СССР Г. С. Поспелов
4
Если универсальное понятие плоскости симметрии вообще существует, то
лишь в том смысле, что материя при отражении переходит в антиматерию.
Е. Вигнер Этюды о симметрии
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель этой книги -- познакомить читателя с новыми кибернетическими
гипотезами, идеями и методами, которые представляют интерес для наук и о
человеке и о человеческой культуре.
В первой главе предлагается модель системы двух полушарий мозга,
основанная на сопоставлении с комплексом двух вычислительных машин. Такие
аналогии между организмом человека и созданными им техническими устройствами
постоянно предлагаются в науке нового времени. Характер аналогий каждый раз
определяется уровнем развития техники. Поэтому еще с XVII века для
объяснения работы мозга (как и других физиологических процессов) выдвигаются
преимущественно аналогии с механическими устройствами. Лишь сравнительно
недавно они сменились сопоставлениями с электрическими системами.
На первом этапе становления кибернетики определяющей идеей было
сравнение принципов работы мозга и электронной вычислительной машины.
Логические схемы, реализуемые в вычислительной машине, служили моделями и
для описания строения нервных сетей. Аналогия казалась особенно наглядной
при сравнении отдельного элемента таких сетей -- нейрона -- с элементарными
составными частями вычислительной машины. На этом этапе при кибернетическом
исследовании мозга главным было его уподобление одной электронной машине.
Подчеркивалась прежде всего универсальность мозгового вещества. Все части
мозга рассматривались как построенные не только по единой схеме, но и из
однотипных элементов, спо 5
собных к выполнению одинаковых операций. Организация мозга в целом
гораздо меньше занимала ученых.
В построении новейших роботов особую роль играют комплексы из двух
вычислительных машин. Соотношение между частями таких комплексов оказывается
сходным в определенном смысле с тем разделением функций между полушариями
мозга, которое выявлено в физиологических и психологически? исследованиях
последнего времени. Поэтому становятся воз можными достаточно обоснованные
аналогии между мозгом и машиной не по отношению к простейшим элементам
систем (например, нейронам), а применительно ко всей системе в целом и ее
организации. Такое сравнение интересно тем, что оно может пролить свет на
роль разных полушарий мозга в таких важнейших формах человеческой
деятельности, как язык, мате матика, музыка. Одно из полушарий мозга,
управляющее звуковой речью, по своему происхождению оказывается боле(
молодым, чем полушарие, связанное с передачей информации посредством
зрительных и пространственных образов. Время появления звукового языка,
развития особых функций соответствующего полушария (обычно левого) и
управляемой этим же полушарием основной руки (обычно правой) определяет
важнейший рубеж в эволюции человека.
Во всех ранних человеческих обществах различие правой и левой руки
входило в систему основных двоичных противоположностей, определявших
строение обрядов и мифов. Поэтому оказывается естественным переход от
кибернетической модели соотношения между правым и левым полушариями мозга,
предлагаемой в первой главе книги, к исследованию двоичных кодов в
человеческой культуре и языке, которому посвящена вторая глава. Двоичные
коды долго сохраняются и в позднейших культурных традициях.
Достаточно напомнить, что в своих истоках современная математика
восходит к пифагорейцам, по учению которых двоичная противоположность чета и
нечета определяла всю природу мира. Недавние физические открытия, касающиеся
симметрии элементарных частиц, позволяют увидеть глубину интуиции, скрытую в
ранних научных прозрениях. Сходное с древнегреческим пифагорейским учение о
чете и нечете было развито в древней теории искусства Дальнего Востока
(Китая и Японии) и возрождено в трудах такого крупнейшего художника и
искусствоведа нашего века, как С. М. Эйзенштейн. Двоичное противопоставление
чета и нечета сохраняет значимость и для современной науки. Поэтому оно и
выбрано как заглавие книги.
В первой главе рассматривается комплекс, состоящий из
6
двух машин или двух полушарий мозга одного человека, а в третьей
(последней) главе изучается простейший коллектив, в который входят двое --
человек и его собеседник. Собеседником человека может быть или другой
человек, или вычислительная машина. Одну из основных трудностей при решении
задачи общения между человеком и машиной на обычном языке представляет
понимание слов "я" и "ты", которыми друг друга называют собеседники.
Исследование двоичного противопоставления "я" и "ты" ведет к обсуждению
проблемы диалога. Она принадлежит к числу самых основных для науки XX века.
От диалога человека с машиной изложение в книге переходит к диалогу между
двумя людьми, а далее -- между двумя цивилизациями, одна из которых может
быть внеземной. Всякого, кто следит за развитием областей знания,
занимающихся исследованием языка в связи со строением мозга, не покидает
чувство, что он присутствует при таких сдвигах в науке, от которых дух
захватывает. Мне хотелось бы упомянуть несколько звеньев в моем собственном
вхождении в науку, которые и определили это постоянно растущее чувство
удивления перед ее возможностями. Такими начальными рубежами были: Семинар
по некоторым применениям математических методов исследования в языкознании,
который вел покойный П. С. Кузнецов вместе с В. А. Успенским и со мной в
Московском университете в 1956-- 1958 гг.; многократные встречи с Р. О.
Якобсоном в 1956-- 1967 гг., во время которых дискутировались предложенные
им модели двоичных противоположностей в языке и других системах знаков;
частые письменные и устные обсуждения в 1957-- 1962 гг. с А Н. Колмогоровым
многих вопросов кибернетики, о которых идет речь в книге; разборы в 1959--
1961 п. поражений головного мозга, вызывающих расстройство речи (афазию), в
лаборатории, которой руководил недавно скончавшийся А.Р. Лурия в Институте
нейрохирургии, работа над вопросами физиологии речи в 1962 г. в лаборатории
Л. А. Чистович в ленинградском Институте физиологии; многолетние совместные
занятия с В. Н. Топоровым структурой мифологических, ритуальных и других
знаковых систем.
Мне хотелось бы помянуть добрым словом покойного своего друга М. Л.
Цетлина, в котором поражало сочетание бесстрашной глубины научного
проникновения с конкретностью инженерной реализации кибернетических идей, и
незабвенного И- А. Соколянского, чьим замечательным работам по языку
слепоглухонемых посвящен особый раздел книги.
Без этих начальных импульсов книга не была бы написана, хотя ни один из
названных и неназванных моих коллег не мо 7
жет считаться ответственным за те из предлагаемых или излагаемых
гипотез, которые могут оказаться спорными.
Первоначальный текст книги, законченный в октябре 1976 г., был прочитан
И. Б. Гутчиным и И. М. Ягломом, сделавшими многочисленные замечания. Ю. И.
Манин познакомил меня в это же время с рукописью своей работы о
двойственности, совпадение с отдельными положениями которой было для меня
приятной неожиданностью. При подготовке окончательного текста были полезны
обсуждения математических моделей морфогенеза с их создателем Р. Томом в
конце декабря 1976 г.-- январе 1977 г. Благодаря любезности Л. ЯЇ Балонова и
B. Л. Деглина автор получил возможность включить в книгу некоторые
предварительные результаты производимых совместно с ними разборов
семантических ассоциаций у больных при левосторонних и правосторонних
электрошоках.
Книга не могла бы быть написана без постоянной помощи
C. Л. Ивановой.
Январь 1977 г.
ПРАВОЕ -- ЛЕВОЕ
Если мы можем охватить взглядом объект во всех его деталях, правильно
понять и мысленно его воспроизвести, то мы имеем право сказать, что... он
нам принадлежит, что мы приобретаем некое господство над ним. И так частное
всегда ведет нас к общему, общее -- к частному Оба взаимодействуют при любом
рассмотрении, при любом изложении.
Здесь следует предпослать некоторые общие положения. Двойственность
явления как противоположность.
Мы и предметы, Идеальное и реальное,
Свет и тьма, Чувствительность и рассудок, Тело и душа,
Две души, Фантазия и разум,
Дух и материя, Бытие и стремление,
Бог и мир, Две половины тела,
Мысль и лротяженность, Правое и левое.
И. В. Гете. Полярность
МОЗГ КАК СИСТЕМА ИЗ ДВУХ МАШИН
При решении значительного числа наиболее сложных задач, возникающих
перед вычислительной техникой, в последние годы все чаще становится
необходимым создание целых комплексов вычислительных машин. В частности, во
многих случаях оказалось практически наиболее разумным создание комплексов
из двух машин, работающих как единая система.
Для оптимального зрительного вывода информации из вычислительной машины
на экран были разработаны подобные системы, представляющие собой
двухмашинный комплекс. Потребность в наличии именно двух машин была
обусловлена тем, что системы управления должны одновременно решать две
существенно различные задачи: обработка и подготовка к выводу всей
информации и реализация изображения на экране [3].
В двухмашинном комплексе (типа разработанного в Инсти 9
туте прикладной математики АН СССР) каждая из двух ма-| шин решает свою
собственную задачу -- более общую (планирование) и конкретную, связанную с
манипуляциями в реальном пространстве -- времени. Это характерно и для
новейших! роботехнических систем.
Хотя название "робот" было изобретено чешским писателем Чапеком более
полувека назад (в пьесе "Р.У.Р", описывающей j роботов -- искусственных слуг
человека), их широкое применение начинается только в последние годы. Роботы
используются прежде всего для работ опасных, вредных или малодоступных для
человека, например в морских глубинах, куда опускают гидравлические
манипуляторы (в частности, построенный в Институте океанологии АН СССР), или
в космосе, где за .автоматической станцией "Луноход-1" последовали
робототехнические устройства для изучения разных планет. Автоматизация
производства в таких индустриально развитых странах, ощущающих нехватку
рабочей силы, как Япония, привела в последнее десятилетие к быстрому росту
числа промышленных роботов: в мире их насчитывается уже более чем десять
тысяч. Конструирование роботов более совершенных типов составляет сейчас
практически едва ли не самую важную сторону работ по так называемому
"искусственному интеллекту".
Технические достижения в области построения роботов в большой мере
определяются знаниями о соответствующих физиологических системах у человека.
Так, успешное построение шагающих роботов (в том числе человекоподобных --
"внешних скелетов" -- протезов, помогающих калекам передвигаться несмотря на
неподвижность их собственных ног) и у нас [4], и за границей [5] оказалось
возможным, в частности, благодаря приложению идей замечательного физиолога
Николая Александровича Бернштейна (1896-- 1966)-- одного из предвестников
кибернетики. Еще в 1935 г. Н. А. Бернштейн обосновал мысль о многоуровневом
иерархическом построении движений, которая и была воплощена в системах
шагающих и некоторых других [6] роботов.
Динамические системы с таким большим числом степеней свободы, как
человеческий организм (использующий около 800 мышц для различных движений),
не могут управляться из одного-единственного центра. Существует целая
иерархия соподчиненных друг другу центров разных уровней, каждый из которых
в известной мере независим -- в пределах, которые устанавливаются центром
более высокого уровня. Эта точка зрения, намеченная Н. А. Бернштейном и
развитая в кибернетических исследованиях И. М. Гельфанда и М. Л. Цетлина,
привела двух последних ученых к выводу, согласно которому
10
"сложная многоуровневая система управления рассматривается как
совокупность подсистем, обладающих относительной автономией" [7. с. 198],
Организм взаимодействует с внешней средой. Информация, из нее
получаемая, также должна постоянно учитываться при построении и
корректировке движений. Поэтому одной из важнейших проблем, вставших перед
кибернетической физиологией и современной робототехникой, является выяснение
того, как связанные друг с другом системы управления взаимодействуют с
внешней средой.
Роботы должны манипулировать с реальными объектами. Поэтому управление
аппаратурой робота должно производиться в реальном масштабе времени. Для
этого требуются такие специфические устройства, которые могли бы производить
текущее преобразование информации и частое прерывание манипуляций робота.
Выполнение этих задач нецелесообразно соединять с процессом планирования и
построения движений робота. Поэтому, как это и делается в двухмашинных
комплексах (в СССР осуществленных, в частности, на основе соединения машин
БЭСМ-6 и М-6000), решение первой задачи (управление в режиме реального
времени) выделяется: его осуществляет отдельная вычислительная машина [152,
с. 289].
Примером двухмашинного комплекса этого типа может быть робот
Эдинбургского университета Марк 1,5, обладающий "глазом" -- телевизионной
камерой и "рукой" (роботы такого типа носят название "система глаз-- рука")
(рис. 1). И "глаз", и "рука" робота присоединены к небольшой вычислительной
машине (16-разрядной ЭВМ Хониуэлл-316), которая в известной мере независима
от связанной с ней большой вычислительной машины (ICL-4130), работающей в
режиме разделения времени.
Машины связаны между собой двумя каналами связи, по которым данные
могут передаваться в двух противоположных направлениях: машины могут
спрашивать друг друга и отвечать друг другу. Малая вычислительная машина
управляет "рукой" робота и совершает грубую обработку изображений,
полученных от "глаза", тогда как большая вычислительная машина осуществляет
общее --планирование всей работы робота и детально обрабатывает всю
зрительную информацию, передаваемую ей малой машиной [8].
Аналогично устроена и система "глаз -- рука", разрабатываемая и
совершенствуемая на протяжении ряда лет в Стенфордском университете (США).
На этапе, отраженном в публикациях 1971 г., в состав двухмашинного комплекса
входила большая вычислительная машина (РДР-10), которая строила
11
планы движения руки и обрабатывала информацию, получен ную роботом с
помощью телевизионной камеры, и малая вычислительная машина (PDP-6 с
оперативной памятью 128 килослов), обслуживающая двигатели телевизионной
камеры управляющие устройства руки и другие аппаратные cредства [9].
В более новом варианте Стенфордского робота, предназначенного для
автоматизации процесса сборки заданного объек![]()
src="http://lib.ru/NTL/KIBERNETIKA/IWANOW_W/odd_even_008.jpg">
Рис 1. Схема робототехнический системы "глаз" -- "рука" типа робота
Эдинбургского университета Марк 1,5:
Р -- рука; ТВ -- "глаз", С -- "среда", в которой работает робот; м --
малая вычислительная машина; Μ -- большая вычислительная машина, с
разделением времени; F1, F2 и H1 h2 -- каналы связи между вычислительными
машинами и манипуляторами
12
та из деталей, двухмашинный комплекс, управляющий двуруким роботом,
состоит из большой вычислительной машины (PDP-10) и малой вычислительной
машины (миникомпьютера PDP-11/45), обеспечивающей работу нескольких
автоматических устройств (манипуляторов, в частности искусственных "рук") в
режиме реального времени [10].
Создатели Стенфордской системы объясняют этот принцип организации
управления тем, что вычисление траектории "рук" двурукого робота требует
длительного времени, но не критично по времени в отличие от обслуживания
манипуляторов Как и все сложные живые организмы, робот, работающий во
внешней среде, испытывает цейтнот
Нехватка времени для принятия решений у системы с большим числом
степеней свободы ведет к необходимости выбора из двух возможностейЇ можно
либо принять на\дачу первое попавшееся решение (этим, между прочим,
объясняется с кибернетической точки зрения роль гаданий для принятия
важнейших решений в таких древних коллективах, как римское общество), либо
разработать специальное устройство ("исполнительный орган") для быстрого
принятия необходимых решений на основе переработки текущей
экспресс-информации Такое разделение власти "исполнительной" -- программ,
управляющих манипуляторами в режиме реального времени,-- и "законодательной"
-- общих планов работы робота -- и проводится в новейших системах "глаз--
рука".
Выделение особого "исполнительного" управляющего устройства,
работающего в реальном пространстве -- времени, представляет собой
значительно более общий принцип, чем наличие специализированных систем
управления для отдельных манипуляторов ("рук") или воспринимающих органов
("глаз") робота. В общих схемах роботов, основанных на аналогиях с мозгом
позвоночных, уделялось достаточно внимания необходимости таких
специализированных систем управления, как, например, решающие устройства
разных уровней для обработки правого и левого изображений, получаемых
бинокулярной телевизионной камерой [11, с.116, фиг 1].
Наличие подобных специализированных устройств, осуществляющих
предварительную обработку информации из внешней среды и управляющих
манипуляторами, признается характерной чертой всех разрабатываемых в
настоящее время "интеллектуальных роботов" [12, с. 160, фиг. 7.1]. Но
сопоставление принципов организации этих роботов и центральной нервной
системы человека требует рассмотрения двух важнейших проблем. Во-первых,
следует выяснить, как соотнесено в них деление на специализированные и общую
Yuriy Lapitskiy, scan and OCR, 2004
Origin: http://yuriybrisk.narod.ru/oddandeven.htm
All rights are recognized and reserved.
КИБЕРНЕТИНАНастоящая серия печатается по рекомендации IX Международного Совещания
руководителей научно-технических издательств социалистических стран (июнь
1975 г.). В серии участвуют:
Издательство "Советское радио" (СССР) Издательство технической
литературы (ВНР) Издательство "Техника" (ГДР)
Издательство научно-технической литературы
(ЧССР)
КИБЕРНЕТИКАВЯЧ. ВС. ИВАНОВ
ЧЕТ И НЕЧЕТ
Москва "Советское радио" 1978
И20
УДК 616.831-031.84-07
Иванов Вяч. Вс.
И20 Чет и нечет: Асимметрия мозга и знаковых систем. -- М. Сов. радио.
1978. -- 184 с., ил. ("Кибернетика").
75 коп.
В книге освещаются новые данные о соотношении между функциями двух
полушарий мозга, по-разному участвующих в таких видах деятельности, как
язык, математика. Предлагается сравнение мозга с комплектом из двух машин
типа новейших роботов. В связи с двухкомпонентностью мозга рассматривается
двоичность основных кодов человеческой культуры и теория диалога.
Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся применением
кибернетики в нейропсихологии и гуманитарных науках.
ББК 32.816
И 30501-075 80-78 1502000000 6Ф0.1
046(01)-78
Редакция кибернетической литературы
ИБ No 367
ВЯЧЕСЛАВ ВСЕВОЛОДОВИЧ ИВАНОВ
ЧЕТ И НЕЧЕТ
Асимметрия мозга и знаковых систем
Редактор И. М. Волкова Художественный редактор А. Н. Алтунин
Иллюстрации художника Г. Б. Красикова Технические редакторы Г. 3. Кузнецова,
Н. В. Орлова Корректоры Η. Η. Лоскутова, О. И. Галанова
Сдано в набор 13.01.78 Подписано в печать 23.10.78 Т-16341
Формат 60x84/16. Бумага офсетная No 2. Гарнитура литературная.
Печать офсетная. Объем 10,7 усл. п. л., 12.345 уч.--изд. л.
Тираж 40.000 экз. Заказ 3836 Цена 75 к.
Издательство "Советское радио", Москва, Главпочтамт а/я 693 Московская
типография No 4 "Союзполиграфпрома" Государственного Комитета СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной Торговли Москва, 129041, Б.
Переяславская, 46.
Издательство "Советское радио", 1978 г.
О СЕРИИ КНИГ "КИБЕРНЕТИКА"
В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ "СОВЕТСКОЕ РАДИО"
В свете решений XXV съезда КПСС огромное значение приобретает раскрытие
основных направлений, перспектив и значения современной математики,
кибернетики и электроники, для научного познания, для практики
социалистического общества. Это относится и к созданию мощных вычислительных
машин, систем и сетей, и к разработке математического и логического аппарата
кибернетики, и к исследованиям систем "человек-- машина", и к созданию
разнообразных алгоритмических и формализованных языков, особенно языков,
близких к естественным, и к прогрессу в области взаимодействия человека и
ЭВМ, и к исследованиям, направленным на автоматизацию эксперимента и
проектирования, и к созданию математических моделей различных областей
знаний и т. д. Существенным становится углубленное изучение взаимодействия
искусственных знаковых систем (к которым широко прибегает кибернетика) с
богатыми и могучими языками человеческого общения и понимания. Со всем этим
кругом вопросов органически связаны методологические проблемы, естественно
возникающие на почве кибернетики как комплексного направления теоретических
исследований и технической практики.
В популярной литературе последних лет верно подчеркивается значимость
кибернетики для коммунистического строительства, указывается на впечатляющие
успехи этой области знания, оказывающей существенное влияние на научный
кругозор ученых, не говоря уже о революционизирующем воздействии ее на
производство, технические средства управления и информационную деятельность.
Недооценка кибернетики и ее математико-логической базы была бы большой
ошибкой.
Но не менее важно принципиальное осмысление трудностей, возникающих на
путях кибернетического моделирования определенных функций человеческого
разума (формально-логический вывод, построение алгоритмов доказательства
теорем в формальных теориях, эвристически направляемый поиск, распознавание
образов, автоматический анализ и синтез текстов, решение нечетко
поставленных задач, роботостроение и пр.). Трудности эти во многом связаны с
колоссальной сложностью присущих человеку феноменов понимания, сознания и
самосознания -- феноменов, неотделимых от всей системы человеческих
потребностей, в том числе и обусловленных социальной природой человека.
Раскрытие этих трудностей -- неотъемлемая сторона популяризации кибернетики,
отнюдь не претендующей на "подмену" наук об обществе и человеке.
3
Изучая сверхсложные системы био- и социосфер с позиций кибернетики,
специалисты в области технических наук сотрудничают с философами, математики
с психологами, нейрофизиологи с логиками, социологи и экономисты со
специалистами в области вычислительных машин и их математического
обеспечения, языковеды с учеными, разрабатывающими теорию автоматов и
алгоритмов, историки науки с информатиками и т. д.
Задача предлагаемой вниманию читателя серии "Кибернетика" -- а серия
эта носит международный характер, так как в ней принимают участие ученые не
только нашей страны, но и других социалистических стран: ВНР, ГДР, ЧССР и
др.-- состоит в том, чтобы просто, ясно и вместе с тем научно строго
рассказать об упомянутых (и многих других) вопросах, относящихся к идеям,
методам и результатам кибернетики и связанных с нею наук.
Современная кибернетика -- чрезвычайно разветвленное направление, и нет
специалистов, которые профессионально владели бы материалом всех ее
многочисленных ответвлений и областей. Книги серии, задуманной весьма
богатой по своему тематическому охвату, должны удовлетворять потребности
специалистов, заинтересованных в информации о достижениях в тех областях
науки об управлении и переработке информации, в которых они непосредственно
не ведут исследовательской работы. Объединяющими для серии явятся идеи
управления, переработки информации, моделирования и оптимизации. Большое
место в серии займут темы, относящиеся к современной вычислительной технике
и ее применению. Найдут отражение и история научных идей и методов,
приведших к возникновению кибернетики и ее математической и логической базы,
вопросы исторического развития кибернетики как комплексной науки о процессах
управления, опирающейся на использование средств современной автоматики и
вычислительной техники.
Серия не имеет узкого "академического" характера -- она обращена к
читателям, заинтересованным в ознакомлении с последними достижениями в
кибернетике и ее приложениях, с тем прогрессом, который под влиянием
кибернетических идей ныне происходит во многих областях знания.
Книги, по-настоящему интересные для читателей, в которых научная
строгость сочетается с доступностью изложения Ї-- такой видится нам серия
"Кибернетика".
Академик А. И. Берг
Член-корреспондент АН СССР Г. С. Поспелов
4
Если универсальное понятие плоскости симметрии вообще существует, то
лишь в том смысле, что материя при отражении переходит в антиматерию.
Е. Вигнер Этюды о симметрии
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель этой книги -- познакомить читателя с новыми кибернетическими
гипотезами, идеями и методами, которые представляют интерес для наук и о
человеке и о человеческой культуре.
В первой главе предлагается модель системы двух полушарий мозга,
основанная на сопоставлении с комплексом двух вычислительных машин. Такие
аналогии между организмом человека и созданными им техническими устройствами
постоянно предлагаются в науке нового времени. Характер аналогий каждый раз
определяется уровнем развития техники. Поэтому еще с XVII века для
объяснения работы мозга (как и других физиологических процессов) выдвигаются
преимущественно аналогии с механическими устройствами. Лишь сравнительно
недавно они сменились сопоставлениями с электрическими системами.
На первом этапе становления кибернетики определяющей идеей было
сравнение принципов работы мозга и электронной вычислительной машины.
Логические схемы, реализуемые в вычислительной машине, служили моделями и
для описания строения нервных сетей. Аналогия казалась особенно наглядной
при сравнении отдельного элемента таких сетей -- нейрона -- с элементарными
составными частями вычислительной машины. На этом этапе при кибернетическом
исследовании мозга главным было его уподобление одной электронной машине.
Подчеркивалась прежде всего универсальность мозгового вещества. Все части
мозга рассматривались как построенные не только по единой схеме, но и из
однотипных элементов, спо 5
собных к выполнению одинаковых операций. Организация мозга в целом
гораздо меньше занимала ученых.
В построении новейших роботов особую роль играют комплексы из двух
вычислительных машин. Соотношение между частями таких комплексов оказывается
сходным в определенном смысле с тем разделением функций между полушариями
мозга, которое выявлено в физиологических и психологически? исследованиях
последнего времени. Поэтому становятся воз можными достаточно обоснованные
аналогии между мозгом и машиной не по отношению к простейшим элементам
систем (например, нейронам), а применительно ко всей системе в целом и ее
организации. Такое сравнение интересно тем, что оно может пролить свет на
роль разных полушарий мозга в таких важнейших формах человеческой
деятельности, как язык, мате матика, музыка. Одно из полушарий мозга,
управляющее звуковой речью, по своему происхождению оказывается боле(
молодым, чем полушарие, связанное с передачей информации посредством
зрительных и пространственных образов. Время появления звукового языка,
развития особых функций соответствующего полушария (обычно левого) и
управляемой этим же полушарием основной руки (обычно правой) определяет
важнейший рубеж в эволюции человека.
Во всех ранних человеческих обществах различие правой и левой руки
входило в систему основных двоичных противоположностей, определявших
строение обрядов и мифов. Поэтому оказывается естественным переход от
кибернетической модели соотношения между правым и левым полушариями мозга,
предлагаемой в первой главе книги, к исследованию двоичных кодов в
человеческой культуре и языке, которому посвящена вторая глава. Двоичные
коды долго сохраняются и в позднейших культурных традициях.
Достаточно напомнить, что в своих истоках современная математика
восходит к пифагорейцам, по учению которых двоичная противоположность чета и
нечета определяла всю природу мира. Недавние физические открытия, касающиеся
симметрии элементарных частиц, позволяют увидеть глубину интуиции, скрытую в
ранних научных прозрениях. Сходное с древнегреческим пифагорейским учение о
чете и нечете было развито в древней теории искусства Дальнего Востока
(Китая и Японии) и возрождено в трудах такого крупнейшего художника и
искусствоведа нашего века, как С. М. Эйзенштейн. Двоичное противопоставление
чета и нечета сохраняет значимость и для современной науки. Поэтому оно и
выбрано как заглавие книги.
В первой главе рассматривается комплекс, состоящий из
6
двух машин или двух полушарий мозга одного человека, а в третьей
(последней) главе изучается простейший коллектив, в который входят двое --
человек и его собеседник. Собеседником человека может быть или другой
человек, или вычислительная машина. Одну из основных трудностей при решении
задачи общения между человеком и машиной на обычном языке представляет
понимание слов "я" и "ты", которыми друг друга называют собеседники.
Исследование двоичного противопоставления "я" и "ты" ведет к обсуждению
проблемы диалога. Она принадлежит к числу самых основных для науки XX века.
От диалога человека с машиной изложение в книге переходит к диалогу между
двумя людьми, а далее -- между двумя цивилизациями, одна из которых может
быть внеземной. Всякого, кто следит за развитием областей знания,
занимающихся исследованием языка в связи со строением мозга, не покидает
чувство, что он присутствует при таких сдвигах в науке, от которых дух
захватывает. Мне хотелось бы упомянуть несколько звеньев в моем собственном
вхождении в науку, которые и определили это постоянно растущее чувство
удивления перед ее возможностями. Такими начальными рубежами были: Семинар
по некоторым применениям математических методов исследования в языкознании,
который вел покойный П. С. Кузнецов вместе с В. А. Успенским и со мной в
Московском университете в 1956-- 1958 гг.; многократные встречи с Р. О.
Якобсоном в 1956-- 1967 гг., во время которых дискутировались предложенные
им модели двоичных противоположностей в языке и других системах знаков;
частые письменные и устные обсуждения в 1957-- 1962 гг. с А Н. Колмогоровым
многих вопросов кибернетики, о которых идет речь в книге; разборы в 1959--
1961 п. поражений головного мозга, вызывающих расстройство речи (афазию), в
лаборатории, которой руководил недавно скончавшийся А.Р. Лурия в Институте
нейрохирургии, работа над вопросами физиологии речи в 1962 г. в лаборатории
Л. А. Чистович в ленинградском Институте физиологии; многолетние совместные
занятия с В. Н. Топоровым структурой мифологических, ритуальных и других
знаковых систем.
Мне хотелось бы помянуть добрым словом покойного своего друга М. Л.
Цетлина, в котором поражало сочетание бесстрашной глубины научного
проникновения с конкретностью инженерной реализации кибернетических идей, и
незабвенного И- А. Соколянского, чьим замечательным работам по языку
слепоглухонемых посвящен особый раздел книги.
Без этих начальных импульсов книга не была бы написана, хотя ни один из
названных и неназванных моих коллег не мо 7
жет считаться ответственным за те из предлагаемых или излагаемых
гипотез, которые могут оказаться спорными.
Первоначальный текст книги, законченный в октябре 1976 г., был прочитан
И. Б. Гутчиным и И. М. Ягломом, сделавшими многочисленные замечания. Ю. И.
Манин познакомил меня в это же время с рукописью своей работы о
двойственности, совпадение с отдельными положениями которой было для меня
приятной неожиданностью. При подготовке окончательного текста были полезны
обсуждения математических моделей морфогенеза с их создателем Р. Томом в
конце декабря 1976 г.-- январе 1977 г. Благодаря любезности Л. ЯЇ Балонова и
B. Л. Деглина автор получил возможность включить в книгу некоторые
предварительные результаты производимых совместно с ними разборов
семантических ассоциаций у больных при левосторонних и правосторонних
электрошоках.
Книга не могла бы быть написана без постоянной помощи
C. Л. Ивановой.
Январь 1977 г.
ПРАВОЕ -- ЛЕВОЕ
Если мы можем охватить взглядом объект во всех его деталях, правильно
понять и мысленно его воспроизвести, то мы имеем право сказать, что... он
нам принадлежит, что мы приобретаем некое господство над ним. И так частное
всегда ведет нас к общему, общее -- к частному Оба взаимодействуют при любом
рассмотрении, при любом изложении.
Здесь следует предпослать некоторые общие положения. Двойственность
явления как противоположность.
Мы и предметы, Идеальное и реальное,
Свет и тьма, Чувствительность и рассудок, Тело и душа,
Две души, Фантазия и разум,
Дух и материя, Бытие и стремление,
Бог и мир, Две половины тела,
Мысль и лротяженность, Правое и левое.
И. В. Гете. Полярность
МОЗГ КАК СИСТЕМА ИЗ ДВУХ МАШИН
При решении значительного числа наиболее сложных задач, возникающих
перед вычислительной техникой, в последние годы все чаще становится
необходимым создание целых комплексов вычислительных машин. В частности, во
многих случаях оказалось практически наиболее разумным создание комплексов
из двух машин, работающих как единая система.
Для оптимального зрительного вывода информации из вычислительной машины
на экран были разработаны подобные системы, представляющие собой
двухмашинный комплекс. Потребность в наличии именно двух машин была
обусловлена тем, что системы управления должны одновременно решать две
существенно различные задачи: обработка и подготовка к выводу всей
информации и реализация изображения на экране [3].
В двухмашинном комплексе (типа разработанного в Инсти 9
туте прикладной математики АН СССР) каждая из двух ма-| шин решает свою
собственную задачу -- более общую (планирование) и конкретную, связанную с
манипуляциями в реальном пространстве -- времени. Это характерно и для
новейших! роботехнических систем.
Хотя название "робот" было изобретено чешским писателем Чапеком более
полувека назад (в пьесе "Р.У.Р", описывающей j роботов -- искусственных слуг
человека), их широкое применение начинается только в последние годы. Роботы
используются прежде всего для работ опасных, вредных или малодоступных для
человека, например в морских глубинах, куда опускают гидравлические
манипуляторы (в частности, построенный в Институте океанологии АН СССР), или
в космосе, где за .автоматической станцией "Луноход-1" последовали
робототехнические устройства для изучения разных планет. Автоматизация
производства в таких индустриально развитых странах, ощущающих нехватку
рабочей силы, как Япония, привела в последнее десятилетие к быстрому росту
числа промышленных роботов: в мире их насчитывается уже более чем десять
тысяч. Конструирование роботов более совершенных типов составляет сейчас
практически едва ли не самую важную сторону работ по так называемому
"искусственному интеллекту".
Технические достижения в области построения роботов в большой мере
определяются знаниями о соответствующих физиологических системах у человека.
Так, успешное построение шагающих роботов (в том числе человекоподобных --
"внешних скелетов" -- протезов, помогающих калекам передвигаться несмотря на
неподвижность их собственных ног) и у нас [4], и за границей [5] оказалось
возможным, в частности, благодаря приложению идей замечательного физиолога
Николая Александровича Бернштейна (1896-- 1966)-- одного из предвестников
кибернетики. Еще в 1935 г. Н. А. Бернштейн обосновал мысль о многоуровневом
иерархическом построении движений, которая и была воплощена в системах
шагающих и некоторых других [6] роботов.
Динамические системы с таким большим числом степеней свободы, как
человеческий организм (использующий около 800 мышц для различных движений),
не могут управляться из одного-единственного центра. Существует целая
иерархия соподчиненных друг другу центров разных уровней, каждый из которых
в известной мере независим -- в пределах, которые устанавливаются центром
более высокого уровня. Эта точка зрения, намеченная Н. А. Бернштейном и
развитая в кибернетических исследованиях И. М. Гельфанда и М. Л. Цетлина,
привела двух последних ученых к выводу, согласно которому
10
"сложная многоуровневая система управления рассматривается как
совокупность подсистем, обладающих относительной автономией" [7. с. 198],
Организм взаимодействует с внешней средой. Информация, из нее
получаемая, также должна постоянно учитываться при построении и
корректировке движений. Поэтому одной из важнейших проблем, вставших перед
кибернетической физиологией и современной робототехникой, является выяснение
того, как связанные друг с другом системы управления взаимодействуют с
внешней средой.
Роботы должны манипулировать с реальными объектами. Поэтому управление
аппаратурой робота должно производиться в реальном масштабе времени. Для
этого требуются такие специфические устройства, которые могли бы производить
текущее преобразование информации и частое прерывание манипуляций робота.
Выполнение этих задач нецелесообразно соединять с процессом планирования и
построения движений робота. Поэтому, как это и делается в двухмашинных
комплексах (в СССР осуществленных, в частности, на основе соединения машин
БЭСМ-6 и М-6000), решение первой задачи (управление в режиме реального
времени) выделяется: его осуществляет отдельная вычислительная машина [152,
с. 289].
Примером двухмашинного комплекса этого типа может быть робот
Эдинбургского университета Марк 1,5, обладающий "глазом" -- телевизионной
камерой и "рукой" (роботы такого типа носят название "система глаз-- рука")
(рис. 1). И "глаз", и "рука" робота присоединены к небольшой вычислительной
машине (16-разрядной ЭВМ Хониуэлл-316), которая в известной мере независима
от связанной с ней большой вычислительной машины (ICL-4130), работающей в
режиме разделения времени.
Машины связаны между собой двумя каналами связи, по которым данные
могут передаваться в двух противоположных направлениях: машины могут
спрашивать друг друга и отвечать друг другу. Малая вычислительная машина
управляет "рукой" робота и совершает грубую обработку изображений,
полученных от "глаза", тогда как большая вычислительная машина осуществляет
общее --планирование всей работы робота и детально обрабатывает всю
зрительную информацию, передаваемую ей малой машиной [8].
Аналогично устроена и система "глаз -- рука", разрабатываемая и
совершенствуемая на протяжении ряда лет в Стенфордском университете (США).
На этапе, отраженном в публикациях 1971 г., в состав двухмашинного комплекса
входила большая вычислительная машина (РДР-10), которая строила
11
планы движения руки и обрабатывала информацию, получен ную роботом с
помощью телевизионной камеры, и малая вычислительная машина (PDP-6 с
оперативной памятью 128 килослов), обслуживающая двигатели телевизионной
камеры управляющие устройства руки и другие аппаратные cредства [9].
В более новом варианте Стенфордского робота, предназначенного для
автоматизации процесса сборки заданного объек
Рис 1. Схема робототехнический системы "глаз" -- "рука" типа робота
Эдинбургского университета Марк 1,5:
Р -- рука; ТВ -- "глаз", С -- "среда", в которой работает робот; м --
малая вычислительная машина; Μ -- большая вычислительная машина, с
разделением времени; F1, F2 и H1 h2 -- каналы связи между вычислительными
машинами и манипуляторами
12
та из деталей, двухмашинный комплекс, управляющий двуруким роботом,
состоит из большой вычислительной машины (PDP-10) и малой вычислительной
машины (миникомпьютера PDP-11/45), обеспечивающей работу нескольких
автоматических устройств (манипуляторов, в частности искусственных "рук") в
режиме реального времени [10].
Создатели Стенфордской системы объясняют этот принцип организации
управления тем, что вычисление траектории "рук" двурукого робота требует
длительного времени, но не критично по времени в отличие от обслуживания
манипуляторов Как и все сложные живые организмы, робот, работающий во
внешней среде, испытывает цейтнот
Нехватка времени для принятия решений у системы с большим числом
степеней свободы ведет к необходимости выбора из двух возможностейЇ можно
либо принять на\дачу первое попавшееся решение (этим, между прочим,
объясняется с кибернетической точки зрения роль гаданий для принятия
важнейших решений в таких древних коллективах, как римское общество), либо
разработать специальное устройство ("исполнительный орган") для быстрого
принятия необходимых решений на основе переработки текущей
экспресс-информации Такое разделение власти "исполнительной" -- программ,
управляющих манипуляторами в режиме реального времени,-- и "законодательной"
-- общих планов работы робота -- и проводится в новейших системах "глаз--
рука".
Выделение особого "исполнительного" управляющего устройства,
работающего в реальном пространстве -- времени, представляет собой
значительно более общий принцип, чем наличие специализированных систем
управления для отдельных манипуляторов ("рук") или воспринимающих органов
("глаз") робота. В общих схемах роботов, основанных на аналогиях с мозгом
позвоночных, уделялось достаточно внимания необходимости таких
специализированных систем управления, как, например, решающие устройства
разных уровней для обработки правого и левого изображений, получаемых
бинокулярной телевизионной камерой [11, с.116, фиг 1].
Наличие подобных специализированных устройств, осуществляющих
предварительную обработку информации из внешней среды и управляющих
манипуляторами, признается характерной чертой всех разрабатываемых в
настоящее время "интеллектуальных роботов" [12, с. 160, фиг. 7.1]. Но
сопоставление принципов организации этих роботов и центральной нервной
системы человека требует рассмотрения двух важнейших проблем. Во-первых,
следует выяснить, как соотнесено в них деление на специализированные и общую