Искатели закономерностей (страница 4)

Страница 4

Азами систематизации владеет любой ребенок и каждый из нас – это обнаруживается в том, что мы задаем себе вопросы и пытаемся понять, как что-то устроено. Достаточно понаблюдать за тем, как ребенок исследует объект, когда он пытается сообразить, что можно делать с его помощью или что он способен с ним делать. Это озорное любопытство, движимое желанием разобраться в системе или решить проблему, и есть повседневная систематизация в действии. Это тот самый момент «Ага!», когда малыш определяет, как уравновесить башню из кубиков, как регулировать напор воды в кране или как нажать на выключатель, чтобы появился свет. Мышление по принципу «если-и-тогда».

Когда мы распознаем закономерность «если-и-тогда», мы имеем дело с системой. Поэтому я использую слово «систематизация». Оказывается, что системой является каждый инструмент, от первого лука со стрелами, первого музыкального инструмента до современных текстовых сообщений. Это всё инструменты, которые мы изобрели, чтобы они выполняли работу за нас. Я утверждаю, что наш единственный путь к изобретению нового инструмента или усовершенствованию существующего заключается в механизме систематизации и его четырех шагах{19}.

Чтобы дать вам представление о том, как действует механизм систематизации, приведу один из моих любимых примеров механической системы, изобретенной около 5000 лет назад в ответ на важный вопрос: как можно переместить очень тяжелый объект? Допустим, кто-то посмотрел на тяжелый камень, а затем посмотрел на своего быка, оценив его возможное применение в духе закономерности «если-и-тогда». Мне нравится в этом примере то, что бык уже существовал, но человек посмотрел на него по-новому: если камень невероятно тяжел и я использую силу быка, тогда он сдвинет этот камень. Бык рассматривался уже не просто как бык, а как элемент причинно-следственной операции по принципу «если-и-тогда». Историки считают, что именно так 5000 лет назад привезли огромные камни Стоунхенджа в Англии на то место, где они теперь находятся{20}. Это изобретение, вероятно, основано на применении другого, более раннего инструмента – колеса, созданного примерно пятью столетиями ранее{21}. Сочетание этих двух изобретений позволяло быку тащить огромные тяжелые камни с помощью катков или на санях{22}. Оно, как и многие изобретения, было масштабируемым (илл. 2.3).

Илл. 2.3. Изобретение способа передвигать тяжелые камни[5]

Вернемся к тем самым трем маленьким словам – если, и, тогда, чтобы вкратце раскрыть их точное значение, поскольку тема книги так или иначе связана с ними. (Я говорил своему редактору в шутку, что это может быть самая короткая книга в мире, состоящая всего из трех слов. Но редактор вполне благоразумно попросила меня раскрыть тему поподробнее.)

Слово «если» имеет по крайней мере три значения: выражает условие (как в предложении «если Х истинно»), предшествование («если сначала произойдет Х») и просто используется для обозначения вводной информации, как при описании изначального состояния объекта и события.

Слово «и» подобно волшебному слову, поскольку относится к таким действиям, как сложение или вычитание, или к тому, что делается с исходными данными. Самое важное здесь то, что «и» указывает на причинно обусловленное действие{23}. Я считаю эту причинную составляющую волшебством, поскольку она превращает что-то одно (исходные данные, «если») в нечто другое (результат, «тогда»). Обратите внимание на «и» в следующей закономерности: если лед находится в миске и миска стоит на огне, тогда лед превратится в воду. То, что следует за «и», является причиной изменений.

Наконец, слово «тогда» имеет по крайней мере три значения: заключение (как в предложении «тогда Y истинно»), следствие («тогда из этого следует Y») или просто указание на результат, как в случае какого-либо преобразования исходных данных. Это также значит, что закономерность «если-и-тогда» можно описать как закономерность «исходные данные – действие – результат» (илл. 2.4).

Илл. 2.4. Одно из значений «если-и-тогда». Эти три маленьких слова отображают то, что инженеры называют «исходные данные – действие – результат»[6]

Систематизировать умеют только люди, и мы занимаемся этим, чтобы делать открытия, решать проблемы, управлять и изобретать{24}. Развитие механизма систематизации означало, что людям удавалось не только изобрести инструмент, но и увидеть существующие инструменты в новом свете: мы могли понять суть инструмента, а затем внести в него изменения, чтобы создать новый, предположительно лучший инструмент. Алгоритм «если-и-тогда» позволял людям усовершенствовать прежние изобретения, чтобы создавать всё новые модификации, новые инструменты. Поскольку люди продолжали делать это, повторно запуская алгоритм, настраивая каждый раз параметры «если» и/или «и», это вело к появлению бесконечной череды изобретений.

Сегодня мы окружены мириадами сложных инструментов, используемых в повседневной жизни, многие из которых мы принимаем как должное, но и они были когда-то изобретены. Я называю их сложными, потому что они сложнее тех, которыми пользуются животные, не принадлежащие к человеческому роду. Тем не менее они не обязательно очень мудреные. Некоторые из них настолько просты, например вилка, которой вы едите салат, кофейная чашка или же стул, на котором вы сидите, что вы, вероятно, даже не считаете их инструментами, тем не менее это инструменты. Всё это механические системы. Есть среди них не столь обыденные, так как приводят к существенным улучшениям, подобно очкам на вашем носу, которые эффективно решают проблемы со зрением. А еще какие-то механические системы в корне изменили нашу жизнь, например авиация – результат экспериментов сэра Джорджа Кейли, британского изобретателя XIX в., который обнаружил, что если у планера имеется неподвижное крыло и оно установлено под углом в шесть градусов, тогда планер взлетит{25}.

Занимаясь систематизацией, мы ищем системы (закономерности «если-и-тогда») в окружающем нас мире с целью понять их. Однако такие механические системы, как бык, тянущий тяжелый камень, лишь одна из их разновидностей. Когда мы смотрим на мир, мы видим мириады природных систем: изменение погоды, когда падают снежинки, движение крыльев стрекозы, движение приливных волн. Их все можно анализировать по схеме «если-и-тогда», чтобы делать прогнозы: если на небе кучево-дождевые облака и слышен гром, тогда погода будет ненастной{26}. Подобные прогнозы могут служить очень полезной системой заблаговременного предупреждения.

Что касается других природных систем, то, проанализировав их с точки зрения правила «если-и-тогда», мы получаем возможность ими управлять, как это было с изобретением агрикультуры. (Если семя помидора находится в почве и почва влажная, тогда из него вырастет куст помидора.) Сельскохозяйственная революция, произошедшая 12 000 лет назад, сменила кочевой образ жизни охотников-собирателей, позволявший нам кормить свои семьи, на оседлый, с созданием крестьянских хозяйств, обеспечивавших жизнь целой деревни.

Или рассмотрим другую природную систему. Изобретение медицины, на что были способны только люди, дало ответ на такие вопросы, как «Почему у меня прошла головная боль?». Лечение травами существует не менее 3300 лет, и, по всей видимости, оно зародилось в тот момент, когда кто-то выдвинул, например, следующую гипотезу: «Если у меня болит голова и я съем ивовую кору, тогда головная боль пройдет»{27}. Почему мы не видим, чтобы обезьяны пробовали применять различные травы, когда они больны? Позже в этой книге мы рассмотрим поведение приматов и других животных и выясним, занимаются ли они самолечением, но, если говорить вкратце, я утверждаю, что никакие животные, за исключением человека, не экспериментируют{28}. На протяжении нескольких тысяч лет людей, которые проверяли воздействие трав на здоровье, часто почитали как целителей. В современном обществе наши лучшие исследователи в области медицины по-прежнему обладают заслуженно высоким статусом, потому что если их теория «если-и-тогда» подтверждается, то ее можно применять для лечения болезни в масштабах всего населения, а не у отдельного пациента. Однако все, что делают эти медики, как и тысячу лет назад, – это тщательно проверяют «если-и-тогда» закономерности: «Если я измерю размер раковой опухоли и применю это конкретное лекарство, тогда опухоль станет меньше».

Когда мы анализируем правила «если-и-тогда», управляющие системой, мы понимаем, как она работает. Конечно, всегда есть что-то неизученное, но систематизация – процесс циклический, мы можем продолжать изучать систему, узнавая все больше о ее внутренних механизмах, но метод всегда тот же: «если-и-тогда».

Использование новых знаний, проистекающих из механизма систематизации, позволило людям открыть, как работают природные системы, например почка, и позволило нам изобретать механические системы, такие как ветряная мельница, микроскоп и телескоп. Сегодня мы можем вырастить новый сорт цветка, редактировать ген, разработать новый лекарственный препарат или построить новую больницу – всё это системы разных порядков величин, все они находятся под нашим контролем, и все являются результатом работы механизма систематизации. Этот скромный процесс в человеческом мозге оттачивался на протяжении 70 000–100 000 лет, способствуя появлению все более впечатляющих изобретений{29}.

Английский математик XIX века Джордж Буль впервые описал принцип мышления «если-и-тогда» в своих исследованиях логики, и я признаю, что для описания работы механизма систематизации заимствую его термины{30}. Считается, что Буль предвосхитил изобретение современной электроники, разработку современного компьютера и цифровую революцию, но, на мой взгляд, не менее важное его наследие заключается в четкой терминологии, которую он оставил нам для описания логики механизма систематизации. Терминология Буля, описывающая этот процесс в виде формулы «если-и-тогда», прекрасно передает суть систематизации. Мы могли бы отдать дань его глубокому пониманию вопроса, назвав систематизацию, присущую, по моему убеждению, исключительно человеку, булевым мышлением.

Сын сапожника, Буль бросил школу после начальных классов. Его обучал отец, и в остальном он был по большей части самоучкой. В итоге он стал математиком и философом логики и в 1854 г. написал книгу под названием «Законы мышления» (The Laws of Thought). Чтобы поддержать своих братьев, сестер и родителей, будучи единственным кормильцем в семье, в возрасте шестнадцати лет он стал учителем в Донкастере в Йоркшире. Впечатляет то, что к девятнадцати годам он открыл собственную школу в Линкольне в Ист-Мидлендс. Спустя еще пятнадцать лет, несмотря на отсутствие у него формального математического образования, он был назначен профессором математики в Квинс-колледже в Корке, в Ирландии.

Одним ноябрьским днем в 1864 г. сорокадевятилетний Буль прошел под проливным дождем три мили от своего коттеджа до университета, где читал лекции. Добрался он туда, промокнув насквозь. Когда он вернулся домой, у него поднялась температура, а его жена Мэри, следуя извращенной логике, основанной на гомеопатии, которую она практиковала, полагала, что лекарство от болезни должно напоминать ее причину. Поэтому она обернула мужа в мокрые простыни и, по некоторым данным, вдобавок вылила на него несколько ведер воды. Бедному Джорджу стало хуже (что для нас, современных читателей, неудивительно), и через несколько дней он скончался.

[19] Обратите внимание на то, что некоторые системы разработаны полностью независимо для получения одинаковых результатов, то есть для выполнения одинаковых функций. Например, в некоторых культурах и в некоторые моменты истории детей учат выполнять умножение в столбик, используя систему майя, в то время как в других культурах или в другие моменты истории детей учат делать это, используя решетчатую систему, и оба способа могут быть одинаково эффективными. О решетчатой системе см. Len Goodman, "Lattice method," MathWorld, mathworld.wolfram.com/LatticeMethod.html. О системе майя см. "Mayan mathematics," The Story of Mathematics, www.storyofmathematics.com/mayan.html.
[20] См. R. Castleden (1993), The making of Stonehenge (New York: Routledge).
[21] См. D. Anthony (2007), The horse, the wheel, and language (Princeton, NJ: Princeton University Press)
[22] Этот пример можно рассматривать буквально как «лошадиную силу», хотя и не так, как использовал этот термин Джеймс Ватт, изобретатель паровых двигателей. Ватт разработал математический способ приравнять мощность лошадей к мощности двигателя. Он измерил способность сильной лошади тянуть груз. Традиционно лошадиную силу определяют как мощность, необходимую, чтобы протащить груз в 330 фунтов на расстояние 100 футов за одну минуту, или 33 фунта на 1000 футов за одну минуту, или 1000 фунтов на 33 фута за одну минуту. Другими словами, одна лошадиная сила равна 33 000 фут/фунт/мин.
[5] По материалам Rodney Castleden (2002), The making of Stonehenge (London: Routledge).
[23] «И» часто является условным названием основной причины изменения, когда она окончательно выяснена и понятна. Итак, чтобы ответить на вопрос, который начинается с «почему», например «Почему свеча погасла?», мы выдвигаем гипотезу и подтверждаем закономерность «если свеча горит и внезапно дует сильный ветер, тогда свеча гаснет». Элемент «и» (внезапный сильный ветер) указывает на причину, по которой свеча гаснет. Это означает, что в настоящий момент примерно так человек-наблюдатель или его мозг в состоянии определить фактическую причинную операцию. Известно, что ученые чрезвычайно осторожны и не считают что-либо причиной, пока это не будет доказано вне всяких разумных сомнений. Механизм систематизации появился не в результате профессиональной научной подготовки, а в ходе эволюции, и поэтому он предоставляет нейронный механизм, который может пытаться определить причины вещей с наилучшим приближением. См. P. Lipton (1991), Inference to the best explanation (London: Routledge). Я признателен своему другу Питеру Липтону, с которым я впервые встретился, когда он был аспирантом Нью-Колледжа в Оксфорде, а я был студентом того же колледжа и искал консультанта по философии науки. Он пригласил меня в свой кабинет и попросил дать определение слову «причинность». Как любой превосходный учитель, он сидел молча, пока я обдумывал ответ, тоже молча, в течение примерно пяти минут. Некоторые учителя спешат помочь своим ученикам, когда им кажется, что те не могут ответить, но Питер был готов ждать сутки, пока я соберусь с мыслями. Я был счастлив, когда пятнадцать лет спустя мы снова встретились. Он преподавал философию в Кембридже, а я преподавал там психологию. Он недавно опубликовал свою книгу, и мы пошли на обед в Кингс-колледж Кембриджа и обсудили концепцию умозаключения, которая восходит к Аристотелю в 300 г. до н. э. На мой взгляд, систематизация включает в себя «умозаключение с наилучшим объяснением», но восходит ко времени 70 000–100 000 лет назад. К сожалению, Питер умер слишком молодым, в возрасте пятидесяти трех лет.
[6] По материалам изображения на http://dangerouslyirrelevant.org/2011/11.
[24] Уникальность систематизации у людей более подробно рассматривается в главе 5, но см. D. Povinelli and S. Dunphy-Lelii (2001), "Do chimpanzees seek explanations? Preliminary comparative investigations," Canadian Journal of Experimental Psychology 55 (2), 187–195.
[25] См. C. Gibbs-Smith (1962), Sir George Cayley's aeronautics, 1796–1835 (London: HM Stationery Office).
[26] Обратите внимание, что «и» здесь не обязательно является причинной операцией, а скорее (как объясняется в примечании 12 выше) указывает на причинную операцию. Механизм систематизации просто ищет закономерности «если-и-тогда» и определяет, насколько они надежны, рассматривая что-то как причинное, даже если это не конечная причина.
[27] См. J. Sumner (2000), The natural history of medicinal plants (Portland, OR: Timber Press). Теперь мы понимаем, что кора ивы эффективно снимает головную боль, поскольку содержит салициловую кислоту, которую мы теперь называем аспирином.
[28] Собаки едят траву, чтобы вызвать рвоту, если у них есть паразиты, а бабочка-монарх откладывает яйца на молочай, который обладает антипаразитарным действием. Но они, вероятно, делают это, не зная, почему они это делают, – либо потому, что у них сформировалась выученная связь, либо по генетическим причинам. Это не то же самое, что систематическое экспериментирование с разными продуктами питания в качестве лекарств. См. J. Shurkin (2014), "Animals that self-medicate," Proceedings of the National Academy of Sciences 111 (49), 17339–17341.
[29] О том, как «примитивная» жизнь могла быть вполне комфортной 70 000–100 000 лет назад, см. популярное видео "What is primitive technology?", доступное на YouTube и описанное в работе G. Pierpoint, "What is 'primitive technology' and why do we love it?" BBC News, August 27, 2018, www.bbc.co.uk/news/blogs-trending-45118653; for the longer version, см. "Primitive Technology," www.youtube.com/channel/UCAL3JXZSzSm8AlZyD3nQdBA/featured.
[30] См. H. Chisholm, ed. (1911), "Boole, George," in Encyclopedia Britannica, 11th ed. (Cambridge: Cambridge University Press). Одной из самых важных была его работа: G. Boole (1854), An investigation of the laws of thought (London: Walton & Maberly). Когда ученые хотят искать закономерности в больших данных или когда они программируют компьютеры, чтобы делать это, то используемые ими алгоритмы обычно следуют одному и тому же логическому формату систематизации «если-и-тогда», описанному Джорджем Булем. Примером может служить ситуация, когда ученый пытается составить правила классификации десятков тысяч животных как млекопитающих или рептилий. Компьютер будет перебирать данные, чтобы найти лучший алгоритм для разделения экземпляров на эти две (или более) категории, например: если оно живородящее и оно теплокровное, тогда это млекопитающее; но если оно не живородящее и хладнокровное, тогда это рептилия. Этот пример взят из учебных материалов курса по классификаторам "Data mining: Rule-based classifiers," staffwww.itn.liu.se/~aidvi/courses/06/dm/lectures/lec4.pdf.