…Ровные строчки цифр. Их напечатала на перфокартах электронная вычислительная машина «Киев».
Так подытожила она результаты, полученные за несколько секунд. А работа ее заключалась вот в чем: моделировался биологический процесс, начавшийся миллионы лет назад и продолжающийся по сию пору, — эволюция живых существ.
Жизненная среда, ее обитатели, их рождение, размножение и смерть, сохранение и изменение у них наследственных черт от поколения к поколению; гибель особей, не приспособленных к окружающим условиям, и естественное искоренение их рода; выживание лишь тех экземпляров, чье поведение, чьи качества наилучшим образом отвечали суровой действительности; передача этих благоприятных признаков от родителей к детям и закрепление их за потомками — как воссоздать сложную динамичную картину миллионолетней драмы? Ее участники, ее движущие силы, будь они материализованы в виде статичной диарамы или даже кинофильма, оказались бы словно убитыми до появления на свет: ведь в любой серии самых превосходных кадров каждая следующая сцена уже заготовлена заранее, и при новом просмотре она неотвратимо повторится.
Не такую модель реализовали в своей программе, названной «эволютором», киевляне А. А. Летичевский и А. А. Дородницына по идее В. М. Глушкова. Они ввели в цепочку событий элемент случайности, присущий самой природе. Отклонения от первоначальной линии поведения, вызванные у организмов «мутациями», были всякий раз неожиданными. При повторных машинных проигрываниях всей биологической эпопеи отдельные ее фрагменты и результаты не совпадали. Зато еще доказательней выявились общие закономерности, которым подчинены любые случайности.
Так советские ученые создали не мертвую иллюстрацию к дарвиновскому учению, а некое живое подобие исторических событий в биосфере.
Член-корреспондент АН СССР А. А. Ляпунов (Новосибирск) и его московская сотрудница О. С. Кулагина — авторы другой аналогичной работы — считают, что на кибернетической модели эволюционного процесса удастся исследовать механизмы естественного отбора.
В «эволюторе» нет ни самих организмов, ни даже простых муляжей. Перед нами не что иное, как набор правил, который превращается в последовательность импульсов в радиоэлектронных схемах машины.
Но это самая настоящая модель. Теперь моделирование — неотъемлемая сторона всякого творческого поиска — все чаще осуществляется в «уме», в «воображении» машины.
Вот пример из химической технологии.
Проектирование промышленного аппарата обычно проходит долгий путь постепенного увеличения габаритов. Сначала, конечно, просто колба. Лабораторная установка. За ней укрупненная, опытная, дальше полупромышленная, наконец, заводская.
Но есть иной путь.
Еще в 30-е годы молодой ученый, ныне академик, директор Новосибирского института катализа Георгий Константинович Боресков сформулировал и решил первые задачи по математическому моделированию химических процессов. Его замыслы простирались далеко. Рассчитывать заводские реакторы, минуя канительные промежуточные этапы, не строя полупромышленных установок, а исходя из анализа уравнений, выведенных на основе лабораторных экспериментов… Интересные, бесспорно, в теоретическом плане идеи Борескова пугали тогда громоздкостью и трудоемкостью расчета, требовавшего высокой квалификации как в математике, так и в химии. Положение изменилось с появлением вычислительных машин.
Подводя итоги 1963 года, президент нашей академии М. В. Келдыш заявил: «Получены первые результаты методов физического и математического моделирования к расчету некоторых химико-технологических процессов, что сокращает сроки перехода от лабораторных опытов к промышленной реализации процессов. Эта проблема настолько важна, что на ней должны быть сосредоточены усилия и химиков, и физиков, и математиков».
Вместо 10–15 лет 2–3 года! В пять раз ускорилось внедрение новых процессов и аппаратов в современную технологию благодаря чудесному катализатору — математическому моделированию с помощью электронных машин.
Краеугольным камнем этого метода стала идея, высказанная Г. К. Боресковым и М. Г. Слинько в 1958 году. Не нужно создавать промышленный реактор в миниатюре! Цель лабораторных экспериментов вовсе не в том, чтобы максимально приблизиться к реальным заводским условиям. Конечно, теплофизические и гидродинамические факторы играют там огромную роль, здесь же они, накладываясь на чисто химические закономерности, только мешают изучить главное — кинетику взаимодействия.
Как же учесть тогда его физические стороны?
Например, как переносится тепло вместе с веществом, как оно передается стенкам сосуда и катализатору, как лучше подводить его или отводить. Наконец, существенны и гидродинамические характеристики процесса: ведь реакция идет не в спокойной, неподвижной среде, а в непрерывном потоке!
Все это уже выяснено учеными для подавляющего большинства практически важных процессов.
Зачастую можно воспользоваться готовыми результатами.
Остается установить химические закономерности и совместить их с физическими, чтобы затем перенести это сочетание в крупномасштабные условия. Как показал член-корреспондент АН СССР Михаил Гаврилович Слинько, такая «проекция» не по плечу теории подобия, хоть она верой и правдой служит авиаконструкторам и кораблестроителям, испытывающим миниатюрную модель и сразу же пересчитывающим полученные результаты для всамделишного лайнера. Выход из положения — машинный анализ математической модели, то есть всего набора кинетических, теплофизических, гидродинамических уравнений.
С октября 1962 года в Институте катализа установлена «своя» вычислительная машина МН-14.
В отличие от цифровых она называется аналоговой.
Грубо говоря, явления, протекающие в ее электрических цепях, схожи с теми, что наблюдаются в химическом аппарате, во всяком случае описываются одинаковыми уравнениями — как правило, дифференциальными.
Поневоле вспоминается высказывание Владимира Ильича Ленина: «Единство природы обнаруживается в „поразительной аналогичности“ дифференциальных уравнений, относящихся к различным областям явлений». В свое время великий русский кораблестроитель академик А. Н. Крылов также подметил эту особенность. Казалось бы, что общего между движением небесных светил и качкой корабля? «Если написать только формулы и уравнения без слов, — говорил Алексей Николаевич, — то нельзя отличить, какой из этих вопросов разрешается: уравнения одни и те же».
Вот и здесь: с одной стороны — концентрации, температуры, давления, с другой — напряжение электрического тока; законы же их изменения, допустим, сложения (интегрирования), одинаковы.
Машина «превращается» в реактор. Она «в уме» варьирует его характеристики и параметры технологического процесса, отбирая наилучшее сочетание.
Именно так на МН-14 Институтом катализа был опробован новый способ получения формальдегида — важного полупродукта в производстве полимеров.
Три-четыре дня моделирования — и перед химиками лежали готовые результаты. Вместе с лабораторными исследованиями все это заняло меньше четырех месяцев. Расчеты сразу же поступили в конструкторское бюро для проектирования заводского контактного аппарата.
Тем временем Новосибирский химзавод параллельно разрабатывал конструкцию обычным путем.
Монтаж, налаживание, пуск одной лишь опытной установки отняли почти год. Предстояла следующая стадия — изготовление и освоение полупромышленного варианта, и лишь после этого можно было приступить к созданию заводского агрегата.
Содружество химиков, математиков и машин высвободило колоссальные ресурсы времени и средств.
Нашествие автоматов, или новая Хиросима старого мира
На примере МН-14 мы впервые столкнулись с аналоговыми вычислительными машинами. Их электронные схемы имеют дело с величинами (напряжениями тока), изменяющимися непрерывно. Вычисления здесь ведутся приблизительно так же, как с помощью логарифмической линейки — там ведь движок с делениями тоже плавно, без скачков скользит вдоль шкалы.
Решения зачастую поступают на выход в виде графиков — скажем, на экране осциллографа появляется кривая, изображающая некую функциональную зависимость. Поворот ручки, напоминающей регулятор настройки у радиоприемника, — и яркий зеленоватый контур начинает деформироваться, опять же без резких, четко разграниченных переходов, свойственных кадрам кинофильма. Именно так — плавно, постепенно — варьируются параметры технологического процесса на аналоговой машине.
До знакомства с МН-14 речь шла главным образом о применении цифровых вычислительных устройств. Их называют еще дискретными автоматами, ибо они оперируют, напротив, отдельными числовыми «квантами» — одинаковыми по длительности электрическими импульсами. В этом смысле они отдаленно похожи на обыкновенные счеты с их костяшками. Или на арифмометр. Свои результаты выдают они, как правило, словно кассовый аппарат чеки, в виде числовых таблиц на перфокартах.
