Читати книгу - "Сліпий годинникар"

Ідеться про властивість вибухів, що відома інженерам як «позитивний зворотний зв’язок». Краще за все позитивний зворотний зв’язок можна осягнути в порівнянні з його протилежністю — негативним зворотним зв’язком. Негативний зворотний зв’язок лежить в основі більшості пристроїв автоматичного контролю та регуляції, а одним із його найяскравіших і найвідоміших прикладів є відцентровий регулятор пари Ватта. Корисний двигун має забезпечувати обертальний момент із постійною швидкістю, якраз такою, яка потрібна для роботи млинів, ткацьких верстатів, насосів і такого іншого. До появи регулятора Ватта проблема полягала в тому, що швидкість обертання залежала від тиску пари: підкинеш палива в котел, і двигун запрацює швидше. Такий стан справ був аж ніяк не задовільним для млинарства чи ткацтва, що вимагають рівномірного приводу для своїх машин. Ватт же запропонував пристрій, що являв собою автоматичний клапан для регулювання потоку пари, що надходить до циліндру.

Хитрим трюком було зв’язати цей клапан із обертальним рухом, породжуваним двигуном, таким чином, що чим швидше працював двигун, тим більше клапан перекривав пару. І навпаки, коли двигун працював повільно, клапан відкривався. Відповідно, двигун, що працював надто повільно, дуже скоро пришвидшувався, а двигун, який працював надто швидко, дуже скоро сповільнювався. Конкретні засоби, якими регулятор вимірював швидкість, були простими, але ефективними, а запропонований принцип використовується й досі. На кінцях двох шарнірних важелів розташовані кульки, що обертаються двигуном. Коли вони обертаються швидко, то підіймаються на своїх важелях відцентровою силою. Коли ж вони обертаються повільно, то опускаються. Ці шарнірні важелі напряму під’єднані до дроселя пари. За відповідного тонкого налаштування регулятор Ватта здатен підтримувати майже постійну швидкість обертання парового двигуна навіть за умов суттєвих коливань температури в топці.

Базовим принципом дії регулятора пари Ватта є негативний зворотний зв’язок. Результат роботи, або вихід двигуна (в цьому випадку обертальний рух), подається назад до двигуна (через паровий клапан). Цей зворотний зв’язок є негативним, бо високий вихід (швидке обертання кульок) має негативний вплив на вхід (подавання пари). І навпаки, низький вихід (повільне обертання кульок) збільшує вхід (пари), знову даючи протилежний ефект. Але я представив ідею негативного зворотного зв’язку лише з метою протиставити її позитивному зворотному зв’язку. Візьмімо паровий двигун із регулятором Ватта і внесімо в нього одну надзвичайно важливу зміну. Ми змінимо знак відношення між відцентровим апаратом кульок і клапаном пари. Тепер, коли кульки крутяться швидко, клапан не закривається, як він це робить у регуляторі Ватта, а відкривається. І навпаки, коли кульки крутяться повільно, клапан не збільшує потік пари, а зменшує його. Звичайний двигун із регулятором Ватта, що почав сповільнюватися, дуже скоро виправив би цю тенденцію і прискорився до бажаної швидкості знову. Але наш підкоригований двигун робить прямо протилежне. Якщо він починає сповільнюватись, це змушує його сповільнюватись дедалі більше. Дуже скоро він загальмується до повної зупинки. З іншого боку, якщо такий підкоригований двигун раптом починає прискорюватись, то замість виправлення цієї тенденції, як це було б зі звичайним регулятором Ватта, вона лише зростає. Інвертований регулятор підживлює незначне прискорення, і двигун працює швидше. Це дає позитивний зворотний зв’язок, і двигун прискорюється ще більше. Це триватиме доти, доки або двигун не розірветься від напруги, пробивши маховиком заводську стіну, або просто не вичерпаються можливості збільшення тиску пари й не встановиться максимальна швидкість.

Там, де оригінальний регулятор Ватта використовує негативний зворотний зв’язок, наш гіпотетичний підкоригований є прикладом протилежного процесу — позитивного зворотного зв’язку. Процеси позитивного зворотного зв’язку мають нестабільну, нестримну якість. Незначні початкові пертурбації зростають і розвиваються за дедалі більшою спіраллю, кульмінацією якої стає або катастрофа, або поступовий вихід на якийсь вищий рівень під дією інших процесів. Інженери вирішили, що варто об’єднати одне широке розмаїття процесів під єдиною назвою «негативний зворотний зв’язок», а друге — під назвою «позитивний зворотний зв’язок». Ці аналогії є плідними не просто в якомусь розпливчастому якісному сенсі, а й у тому, що в основі всіх процесів лежать однакові обчислення. Навіть біологи, що вивчають такі явища як контроль температури тіла та механізми насичення, що запобігають переїданню, вирішили, що корисно буде запозичити обчислення негативного зворотного зв’язку в інженерів. Системи позитивного зворотного зв’язку використовуються рідше, ніж системи негативного, як інженерами, так і живими організмами, проте, хай там як, але предметом розгляду цього розділу є саме вони.

Причина того, що інженери та живі організми використовують активніше системи негативного, ніж позитивного зворотного зв’язку, полягає, звісно, в тому, що контрольоване регулювання близько до оптимуму є корисним. Нестабільні ж нестримні процеси є далеко не корисними, а можуть бути взагалі небезпечними. У хімії типовим процесом позитивного зворотного зв’язку є вибух, і ми зазвичай використовуємо слово «вибуховий» для опису будь-якого нестримного процесу. Наприклад, можна сказати, що хтось має вибуховий темперамент. Один із моїх шкільних учителів був культурним, чемним і зазвичай м’яким джентльменом, але час від часу в нього траплялися вибухи темпераменту, про що він чудово знав і сам. Коли хтось у класі починав його діставати, він спочатку нічого не казав, але з його обличчя було видно, що всередині в нього відбувається щось незвичайне. Потім, спочатку спокійним і розважливим тоном, він промовляв: «O Боже. Я вже не витримую. Мені уривається терпець. Ховайтеся під парти. Попереджаю вас, зараз почнеться». При цьому його голос постійно підвищувався, і на крещендо він раптом хапав усе, що під руку втрапить: книжки, губки з дерев’яною рамкою для витирання дошки, прес-пап’є, чорнильниці, — і жбурляв їх одне за одним із максимальною силою й люттю, але неприцільно у напрямку учня, який його спровокував. Після цього самовладання до нього поступово поверталося, і наступного дня він приносив тому самому учню найґречніші вибачення. Він усвідомлював, що втратив над собою контроль, і визнавав себе жертвою петлі позитивного зворотного зв’язку.

Але позитивний зворотний зв’язок приводить не лише до нестримних підвищень; він також може привести до нестримних знижень. Нещодавно я відвідав дебати Конгрегації — «парламенту» Оксфордського університету — щодо присвоєння почесного ступеня одній людині. Усупереч звичаю прийняття цього рішення викликало чимало суперечок. Після голосування впродовж 15 хвилин, які зайняв підрахунок голосів, присутні ще ніяк не могли заспокоїтися, чекаючи оголошення результатів. А потім у якийсь момент усі розмови дивним чином припинилися, і в залі запанувала тиша. Причиною цього був особливий різновид позитивного зворотного зв’язку. Він працює таким чином. У будь-якому загальному гаморі спілкування неодмінно наявні випадкові коливання рівня галасу як угору, так і вниз, яких ми зазвичай не помічаємо. Одне з таких випадкових коливань, у напрямку тиші, виявилося трохи помітнішим, ніж зазвичай, унаслідок чого деякі люди його помітили. Оскільки всі напружено чекали на оголошення результатів голосування, то ті, хто почув випадкове зниження рівня галасу, підняли очі й припинили розмови. Це змусило загальний рівень галасу знизитися ще трохи, внаслідок чого його помітило ще більше людей, які теж припинили розмови. Був ініційований позитивний зворотний зв’язок, який доволі швидко поширювався, допоки в залі не запанувала повна тиша. Потім, коли ми усвідомили, що тривога була хибною, почувся сміх,