Слепой часовщик. Как эволюция доказывает отсутствие замысла во Вселенной - Ричард Докинз

Интересующее нас свойство взрывов — это то, что инженеры называют “положительной обратной связью”. Понять, что это за штука, проще всего в сравнении с ее противоположностью — отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь лежит в основе большинства систем автоматического контроля и регуляции. Одним из самых наглядных и широко известных ее образцов может послужить уаттовский регулятор подачи пара. Чтобы двигатель был пригодным в использовании, он должен обеспечивать постоянную скорость вращения — ту самую, которая необходима для совершаемой работы, будь то молотьба, ткачество, накачка воды насосом или что угодно еще. До Уатта существовала трудность: скорость вращения зависела от давления пара. Подогрейте котел, и тем самым вы ускорите двигатель — не слишком удобно для мельницы или ткацкого станка, требующих единообразной работы привода для своих механизмов. Регулятор, изобретенный Уаттом, — это клапан, автоматически контролирующий подачу пара к поршню.

Хитроумная уловка заключалась в том, чтобы связать этот клапан с вращательным движением самого двигателя, причем так: чем выше частота оборотов, тем сильнее клапан перекрывает подачу пара. И наоборот, чем медленнее работает двигатель, тем шире открывается клапан. Следовательно, медленно работающий двигатель вскоре разгоняется, а двигатель, работающий слишком быстро, — замедляется. Способ, с помощью которого регулятор измеряет скорость вращения, прост и эффективен и используется до сих пор. Два рычага, закрепленные на шарнирах и с шарами на свободных концах, вращаются, приводимые в движение оборотами двигателя. Когда вращение ускоряется, шары поднимаются вверх благодаря центробежной силе. А при медленном вращении они опускаются. Рычаги присоединены непосредственно к подающей пар заслонке. Хорошо отлаженный уаттовский регулятор способен поддерживать частоту оборотов двигателя практически постоянной, несмотря на значительные перепады температур в топке.

В основе работы уаттовского регулятора лежит принцип отрицательной обратной связи. Результат работы двигателя (в данном случае вращательное движение) влияет на нее же (посредством воздействия на клапан). Эта обратная связь отрицательная, поскольку большой выход (быстрое вращение шаров) сказывается на входе (подаче пара) отрицательным образом. И наоборот, низкая результативность (медленное вращение шаров) усиливает подачу пара, опять меняя знак на противоположный. Но я объясняю, что такое отрицательная обратная связь, только чтобы показать, чем она отличается от положительной обратной связи. Давайте возьмем разработанный Уаттом регулятор и подвергнем его одному существенному преобразованию: изменим характер отношений между нашим центробежным устройством и клапаном подачи пара с точностью до наоборот. Теперь, когда шары разгоняются, клапан, вместо того чтобы закрываться, как это было в изобретении Уатта, открывается. Ну а когда шары вращаются медленно, то клапан вместо того, чтобы усиливать подачу пара, уменьшает ее. Если нормальный уаттовский двигатель начнет замедляться, то вскоре он скорректирует эту тенденцию и вновь разгонится до необходимой скорости. Однако наш подправленный двигатель будет делать нечто диаметрально противоположное. Начав замедляться, он будет замедляться еще больше, пока сам не перекроет себе пар до полной остановки. Если же такой переделанный двигатель разгонится излишне, то вместо того, чтобы исправить эту погрешность, как сделал бы нормальный уаттовский двигатель, он только увеличит ее. Легкое ускорение будет подкреплено поставленным “шиворот-навыворот” регулятором, и двигатель разгонится еще больше. Это ускорение тоже будет воздействовать на двигатель по принципу положительной обратной связи, что разгонит двигатель и того сильнее. Так будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет одно из двух: либо двигатель разлетится на куски от перегрузки и взбесившийся маховик проломит фабричную стену, либо пар иссякнет и двигатель, выйдя на максимальную частоту вращений, перестанет ускоряться.

Если исходный уаттовский регулятор использовал принцип отрицательной обратной связи, то наш вымышленный переделанный регулятор предоставляет нам пример противоположного явления — положительной обратной связи. Процессы, идущие с положительной обратной связью, отличаются непостоянством и безудержностью. Легкие отклонения, стоит им только возникнуть, усиливаются, выходят из-под контроля, и дальше события развиваются по восходящей спирали, приводя или к катастрофе, или к остановке на новом уровне вследствие каких-то иных процессов. Инженеры находят плодотворным объединять целый ряд разнообразных явлений под общим названием “процессы с отрицательной обратной связью”, а другой ряд разнообразных явлений — под общим названием “процессы с положительной обратной связью”. И плодотворно это не только благодаря какой-то туманной качественной аналогии, но и потому, что все эти процессы описываются одними и теми же математическими уравнениями. Для биологов, которые изучают такие явления, как регуляция температуры тела или механизмы насыщения, позволяющие избежать переедания, оказалось полезным позаимствовать у инженеров математику, описывающую процессы с отрицательной обратной связью. Системы с положительной обратной связью используются реже как инженерами, так и живыми организмами, однако предметом данной главы будут именно они.

Причина, по которой и инженеры, и организмы извлекают из систем с отрицательной обратной связью больше выгоды, чем из систем с положительной обратной связью, состоит, конечно же, в том, что способность удерживаться в пределах, близких к оптимуму, — вещь полезная. А нестабильные, неконтролируемые процессы могут быть не только не полезны, но и попросту опасны. В химии типичным примером процессов с положительной обратной связью являются взрывы, и в повседневной речи мы употребляем эпитет “взрывной” по отношению ко всему, что выходит из-под контроля. Например, мы может сказать о ком-нибудь, что у него взрывной характер. Один из моих школьных учителей был культурным, вежливым и обычно добрым человеком, но страдал периодическими вспышками ярости, о чем и сам прекрасно знал. Когда кто-нибудь в классе особенно его изводил, то сперва он ничего не говорил, но по лицу его было видно, что в глубине души происходит что-то экстраординарное. Затем он, поначалу спокойным и рассудительным тоном, мог сказать что-нибудь вроде: “Боже мой, я не могу сдерживаться. Сейчас я выйду из себя. Прячьтесь под парты. Я вас предупреждаю. Началось”. Голос его плавно повышался, перерастая в крик, и тогда он хватал любые предметы, до которых мог дотянуться: книги, губки с деревянными спинками для вытирания доски, пресс-папье, чернильницы, — и швырял их один за другим с невероятной силой и свирепостью, но не просто так, а исступленно целясь в того ученика, который рассердил его. Постепенно его гнев шел на убыль, и на следующий день он мог принести этому же мальчику самые великодушные извинения. Этот учитель отдавал себе отчет в том, что потерял контроль над собой, что стал жертвой, которую затянуло в петлю положительной обратной связи.

Однако положительная обратная связь может приводить не только к неуправляемым усилениям чего-либо, но и к неуправляемым спадам. Недавно я присутствовал на заседании конгрегации — так называется “парламент” Оксфордского университета, — где решался вопрос о присуждении кому-то почетной ученой степени. Вопреки обыкновению дебаты были жаркими. После голосования, пока шел подсчет бюллетеней, в зале стоял обычный гул, создаваемый болтовней всех тех, кто сидел, ожидая результатов. Вдруг в какой-то момент разговоры смолкли, и воцарилась мертвая тишина. Причиной тому была особая разновидность положительной обратной связи. Произошло это так. В любом гаме неизбежны случайные колебания громкости — в сторону как усиления, так и затихания, — которых мы обычно не замечаем. Одно из таких случайных затиханий оказалось явственнее других — так что несколько человек его заметили. А поскольку каждый с нетерпением ждал итогов голосования, то все, кто услышал это случайное снижение шума, подняли головы и перестали разговаривать. Общий уровень шума снизился еще чуть-чуть, в результате чего еще больше людей обратили на это внимание и прервали разговор. Процесс с положительной обратной связью был запущен и распространялся довольно быстро, пока не замолчали абсолютно все. Затем, когда мы поняли, что тревога была ложной, в зале послышались смешки, и шум постепенно вернулся к своему первоначальному уровню.