Лекция 7. Системы и обратные связи

Может показаться, что тема этой лекции так же далека от мышления, как и тема предыдущей. Но это не так. В дальнейшем мы постоянно будем пользоваться понятиями, введёнными здесь, и даже уже пользовались, поскольку мышления без понятий о системах и обратных связях описать не удастся ни на каком уровне. Естественно, эти понятия взяты не с потолка, они присутствуют в мозгу многих людей, принесённые туда образованием и собственной деятельностью. Здесь всего лишь вводится определённое единообразие, чтобы в дальнейшем можно было точно понимать смысл написанного. Текст, следующий ниже, написан много лет назад, и переписывать его никакой охоты нет. Я даю его без изменений, только в некоторых случаях добавляю дополнительные комментарии, помещая их в квадратные скобки.

Мир состоит из объектов, взаимодействующих между собой. Объекты  при этом сохраняют свою структуру и взаимодействуют с другими объектами как единое целое. В космическом масштабе объектами являются звезды и планеты; в масштабе, привычном для нашей жизни – физические тела; в микромире – молекулы; если еще дальше проникнуть вглубь вещества – атомы и элементарные частицы; в живой природе – виды живых организмов; в человечестве – страны; в странах – организации и т.д.
Почему мир так устроен, почему в нем существуют устойчивые структуры? Возможно, потому, что физические силы, заставляющие мир двигаться, обладают свойством: чем больше сила, тем быстрее она убывает в зависимости от расстояния. Самое слабое взаимодействие материи – гравитационное. Электрические силы намного больше. Наэлектризованный воздушный шарик висит на потолке – небольшой электрический заряд притягивает его сильнее, чем вся Земля своей гравитацией. Когда количество заряженных частиц невелико, гравитационная сила практически незаметна. Но когда частиц очень много, вступает в действие фактор наличия у электрического заряда знака. Электрические силы стягивают вместе одинаковое количество заряженных частиц разных знаков, и электрическая сила всей этой группы частиц, направленная на внешние заряженные объекты, резко уменьшается – силы, производимые разными по знаку зарядами, противоположны по направлению и взаимно уничтожаются. А гравитационные силы, одинаковые по направлению для любых частиц, только увеличиваются. Таким образом, гравитационные силы определяют взаимодействие космических объектов, тогда как структура этих объектов определяется не только гравитационными, но и электрическими силами. Если перейти в микромир, то электрические силы позволили бы иметь атомы не сложнее атома водорода. Для более сложных атомов потребовались внутриядерные силы, удерживающие вместе несколько положительно заряженных частиц – протонов. Эти силы намного превосходят электрические, но уже в области электронных оболочек атома не действуют. [То есть в общем – более сильные силы создают объект, более слабые обеспечивают взаимодействие объектов. От этого объекты в процессе взаимодействия как правило сохраняют целость, а на взаимодействие объектов силы, удерживающие объект целым, уже не влияют.]
Иногда можно выделить группу объектов, взаимодействие между которыми практически полностью определяет их поведение, остальные же похожие объекты на данную группу влияют слабо.
Такая выделенная группа объектов называется СИСТЕМОЙ, а объекты, входящие в нее – ЭЛЕМЕНТАМИ системы. Выделение из мира в целом отдельной системы достаточно произвольно. Оно производится только для того, чтобы лучше систему изучить, т.е. описать и предсказать ее поведение. Если система будет взята со слишком малым числом элементов, ее описание будет неточно – влияние объектов, не вошедших в систему, не будет учтено. Если система будет взята со слишком большим количеством элементов, ее описание может натолкнуться на непреодолимые математические трудности. Обычно приходится приходить к какому-то компромиссу, что-то теряя в точности, что-то – в простоте. [Можно ли говорить о бесконечных системах? Это, конечно, определяется желанием того, кто говорит. У меня такого желания нет, поскольку система – это всегда способ упрощения действительности. В мире существуют объекты, а система – это наш способ описать их поведение. Ведь если говорить строго, разделение объектов и сил, которые в них действуют, является приближением. А сохранять в приближённом, созданном только для облегчения понимания описании такое тяжёлое понятие, как бесконечность, на мой взгляд, не стоит.]
Элемент может быть как угодно сложно устроен, подчиняться каким угодно законам – требование только одно: чтобы это устройство и эти законы очень мало менялись в процессе функционирования системы. Это означает, что элемент в системе достаточно автономен: система (т.е. другие элементы)  меняет некоторые его характеристики, но практически не меняет его сущности.
То, что меняется в состоянии элемента под действием других элементов системы или окружающей среды, называется ПАРАМЕТРОМ элемента. Изменяемых параметров может быть несколько.
Воздействие одного элемента на другой (или воздействие на него внешней среды), приводящее к изменению параметра элемента, называется СИГНАЛОМ. Если элемент или внешняя среда действует на другой элемент, то между ними есть СВЯЗЬ. Связь – это проводник сигнала. Связь имеет направление (направление распространения сигнала). [Сигналы могут иметь самую разнообразную природу: физическую, химическую, информационную и т.д. Скажем, если система – это группа людей, а воздействуют они друг на друга с помощью речи, то можно говорить, что сигналом являются колебания воздуха. А можно сказать, что сигналом будут не колебания воздуха, а информация, передаваемая в словах. Звук тогда  будет рассматриваться, как  носитель этой информации – сама информация без носителя передаваться не может. ]
Все элементы системы со всеми связями между ними (и окружающей средой) образуют СТРУКТУРУ системы. Если некоторые связи образуют замкнутые контуры, т.е. сигнал, выпущенный из одного элемента, проходя через другие элементы и преобразуясь, вернется на породивший его элемент, мы имеем КОНТУР ОБРАТНОЙ СВЯЗИ. Если сигнал, вернувшийся на вход элемента, ослабляет первоначальный сигнал, обратная связь ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ. Если сигнал, вернувшийся на вход элемента, усиливает первоначальный сигнал, обратная связь ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ. [Системы могут быть сложными и содержать много разных контуров. Тогда о контуре с обратной связью имеет смысл говорить только в том случае, если обратная связь определяет поведение элементов, образующих контур. То есть, если сигналы, порождённые обратной связью, превосходят сигналы, вносимые в контур элементами, не входящими в контур. Обычно системы не столь сложны, а часто они содержат всего один контур и больше ничего. Тогда ситуация упрощается и вопросов не возникает.]
К системам с отрицательной обратной связью относятся все системы, автоматически поддерживающие постоянство каких-либо параметров – от сделанных руками человека регуляторов до живых организмов и самого человека. Эти системы характеризуются стремлением к стабильности, к устранению отклонений, вызванных воздействиями внешней среды или случайными причинами. Системы с положительной обратной связью характеризуются взрывным ростом параметров элементов системы, способностью к саморазрушению или переходу в режим генерации. Примером являются биологические системы, когда размножение животных какого-то вида не встречает сопротивления извне. [К сожалению, понять поведение систем с положительной и отрицательной обратной связью достаточно глубоко может только человек, который часто сталкивается с системами в своей практике. Это может быть радиоинженер, создающий радиотехнические сисемы или эксплуатирующий их. Все мои знакомые, которым я вначале показывал мои записи, были радиоинженерами, как и я – они понимали меня хорошо. Люди же, никогда не сталкивавшиеся с таким описанием действительности, понимали меня гораздо хуже. Возможно, математики, знакомые с качественной теорией дифференциальных уравнений, тоже поймут меня легко. Я с такими не сталкивался, это предположение. Для остальных есть возможность задать мне вопросы, если смогу, поясню. А моя любимая пустота поймет всё без слов.]
Системы с обратными связями обладают важным свойством: даже очень простые по структуре системы очень сложно себя ведут. Даже система с всего двумя элементами может вести себя совершенно по-разному.
Все процессы, которые изучают люди – это процессы, протекающие в системах с обратными связями. Схожесть структур различных систем приводит к тому, что совершенно разные системы подчиняются одним и тем же законам, имеют одну и ту же динамику развития.
Элементы систем являются в свою очередь тоже системами, которые развиваются по своим законам. Для данной системы это развитие проявляется в том, что элементы системы постепенно меняют свои свойства. Иногда это приводит к тому, что меняются законы функционирования всей системы. Например, в системе звезда – планеты взаимодействие элементов проявляется во вращении планет вокруг звезды по определенным орбитам. Но звезда постоянно излучает вещество, поэтому ее масса меняется и параметры орбит тоже медленно меняются. По современным мнениям астрономов, звезда может разбухнуть и поглотить ближние планеты, или взорваться – и в том, и в другом случае система в результате изменений в одном ее элементе качественно меняется.
Другой пример системы, элементы которой постоянно изменяются – жизнь на Земле.
[Поведение систем с обратными связями качественно описывается с применением законов диалектики. Люди старшего поколения, получавшие образование в СССР и  изучавшие марксизм, знают эти законы. Остальным придётся поискать их в литературе. Когда я изучал марксизм, законы эти представлялись мне чем-то мистическим: откуда они свалились в количестве трёх штук в голову Гегеля – или кого-то ещё? После того, как я узнал их смысл, мистика пропала. И законов таких можно найти больше – некоторые я потом укажу. Сейчас писать про законы диалектики я пока не хочу. Позже.
Как пример системы привожу скачанную из интернета блок-схему телевизора – не знаю даже какого. Зато хорошо видны элементы этой системы и связи между ними. Обратите внимание, что есть связи и с внешней средой. Это питание 220 вольт, а так же телевизионная антенна (на неё вы внимания обратить не можете, она не нарисована. С неё сигнал поступает на тюнер). Много разных открытых стрелок, показывающих питание отдельных блоков, на самом деле имеют связь с общим блоком питания, то есть просто не прорисованы до конца. Каждая связь при изображении оканчивается стрелкой – это направление распространения сигналов. Все сигналы здесь электромагнитные, а по-иному можно сказать - информационные, а носителями их является электромагнитное поле.
При всей сложности этой системы контуров обратной связи в ней, к сожалению, нет. Вернее, они есть на более низком уровне – например, автоматическая регулировка усиления – но на схеме не показаны. ]