2.牛頓之前的控制論雛形

在科學(xué)歷史上，通信問題的研究一直處在一種較為正統(tǒng)的地位，它既不是偶然出現(xiàn)的理論，也并非什么空前創(chuàng)舉。早在牛頓之前，物理學(xué)領(lǐng)域就出現(xiàn)了這類問題，尤其是皮埃爾·德·費(fèi)馬、克里斯蒂安·惠更斯和戈特弗里德·威廉·萊布尼茨這幾位數(shù)學(xué)家的研究讓通信問題開始流行。

這幾位數(shù)學(xué)家都有一個(gè)共同特點(diǎn)：對(duì)物理光學(xué)有著濃厚的興趣。費(fèi)馬對(duì)光學(xué)的研究和推進(jìn)主要得益于他的最小化原理，這是幾何光學(xué)中的一條重要理論，指在任意的一段足夠短的區(qū)間上，光是以最少時(shí)間通過的。依據(jù)這一原理可以證明光在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)所遵從的直線傳播定律、反射和折射定律等。而借助于此我們也能夠證明光的可逆性原理的正確性。光在任意介質(zhì)中從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)時(shí)，沿所需時(shí)間最短的路徑進(jìn)行傳播。

惠更斯則是提出了“惠更斯原理”的雛形。這一原理旨在說(shuō)明，當(dāng)光從一個(gè)光源向外傳播時(shí)，會(huì)在光源的周圍形成一種類似小球面的東西，即球形波面。這些球形波面都是由次級(jí)光源組成，而球形波面的次級(jí)光源的傳播方式同初級(jí)光源完全相同，這一理論成為研究光的衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)。

萊布尼茨在這方面的成就則是他的“單子論”。他從一種特殊的角度將整個(gè)世界看作一種“單子”實(shí)體集合。他繼承了西方哲學(xué)傳統(tǒng)的思想，認(rèn)為組成世界的知識(shí)是客觀存在和必然的，因此世界是由自足的實(shí)體所構(gòu)成。而所謂的自足，就是指不依賴其他事物存在和不依賴其他事物而被認(rèn)知。他認(rèn)為實(shí)體是無(wú)限多的，單子的活動(dòng)就是在造物主安排的預(yù)定和諧的基礎(chǔ)上的相互知覺。萊布尼茨將一切都?xì)w功于世界的創(chuàng)造者，他認(rèn)為創(chuàng)造是一種純意志的創(chuàng)造，造物主是憑借著其至善而創(chuàng)造了這個(gè)世界。

萊布尼茨的這一理論主要依靠光學(xué)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行論證。在他看來(lái)，單子只有知覺，所以依據(jù)他的推論，所有機(jī)械的相互作用在本質(zhì)上都一樣，只是一種微妙的光學(xué)上的相互作用。在這一領(lǐng)域的研究中，萊布尼茨表現(xiàn)出明顯對(duì)光學(xué)與消息的偏愛，在他的邏輯推演中這一點(diǎn)表現(xiàn)最為明顯。雖然在當(dāng)時(shí)他的推演并不完善，但卻為后來(lái)的數(shù)理邏輯奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本書的許多思想都深受萊布尼茨哲學(xué)理論的影響和支配，他不僅研究物理和數(shù)學(xué)，對(duì)通信相關(guān)的計(jì)算機(jī)和自動(dòng)機(jī)也非常感興趣。雖然我在這本書中所陳述的許多觀念同萊布尼茨的見解相去甚遠(yuǎn)，但是本質(zhì)上我討論的問題都深受萊布尼茨影響。萊布尼茨對(duì)計(jì)算機(jī)器的興趣主要源自他對(duì)演算推理的熱衷，在他的心目中，推理演算則又是他人造語(yǔ)言的思想推廣。所以從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，萊布尼茨的真正興趣點(diǎn)還是語(yǔ)言和通信。

到了19世紀(jì)中期，英國(guó)數(shù)理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋和邁克爾·法拉第的研究再次吸引了眾多物理學(xué)者對(duì)光學(xué)的注意力。這一時(shí)期人們只是將光作為電的一種形式，而電作為一種媒質(zhì)機(jī)制，看不見摸不到但又充滿質(zhì)感，所以被稱為以太。

在當(dāng)時(shí)有這樣一種假設(shè)：以太彌漫于一切透明物質(zhì)當(dāng)中——空氣、大氣、星際空間，而麥克斯韋的重要成就在于他成功地通過數(shù)學(xué)方式發(fā)展了法拉第所提出的令人信服但并非以數(shù)學(xué)形式所表達(dá)的思想。人們對(duì)以太的研究雖然取得一定進(jìn)展，但當(dāng)時(shí)的答案依舊很模糊，且不可避免地存在許多問題，例如，物質(zhì)是如何通過以太運(yùn)動(dòng)的。

為了解決這個(gè)問題，美國(guó)物理學(xué)家埃爾伯特·邁克遜和愛德華·莫雷在90年代進(jìn)行了著名的“邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的直接目的就是驗(yàn)證以太是否存在。當(dāng)時(shí)認(rèn)為光的傳播介質(zhì)是以太，基于這樣的假設(shè)就產(chǎn)生了一個(gè)新的問題：假如地球以每秒30公里的速度繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，那么它就必須會(huì)遇到每秒30公里的“以太風(fēng)”，同時(shí)以太風(fēng)也必然會(huì)對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而實(shí)驗(yàn)也給出了令人意想不到的答案：人們無(wú)法證實(shí)以太運(yùn)動(dòng)的存在。

對(duì)于邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)所提出的問題，著名電子論創(chuàng)立者亨德里克·安東·洛倫茲給出了答案。他指出，如果人們將那些能夠讓物質(zhì)結(jié)合起來(lái)的力視為光學(xué)或者電學(xué)性質(zhì)，那么從邁克遜-莫雷實(shí)驗(yàn)之初我們就應(yīng)該預(yù)期到相反的效果。然而，洛倫茲的這些思想在1905年被愛因斯坦重新解釋，于是就有了下面的說(shuō)法：絕對(duì)運(yùn)動(dòng)之所以無(wú)法觀測(cè)，其決定原因與其說(shuō)是物質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)，不如說(shuō)其是物理學(xué)上的一項(xiàng)公設(shè)。

在我們的角度看，愛因斯坦將光和物質(zhì)放到一種同等地位上來(lái)說(shuō)明，這一點(diǎn)同牛頓之前的物理學(xué)觀點(diǎn)相同。愛因斯坦在解釋自己的觀點(diǎn)與見解時(shí)會(huì)靈活地站在觀測(cè)者的角度上說(shuō)明，觀測(cè)者可能是運(yùn)動(dòng)的，也可能是靜止的。

愛因斯坦在他的相對(duì)論中也引入了消息的概念，他對(duì)物理學(xué)中萊布尼茨現(xiàn)象進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)，若非如此他無(wú)法將觀測(cè)者引進(jìn)其中。但也要注意到，愛因斯坦的相對(duì)論同吉布斯的統(tǒng)計(jì)力學(xué)是截然不同的。在探討問題時(shí)，愛因斯坦所使用的依舊是絕對(duì)嚴(yán)格的動(dòng)力學(xué)術(shù)語(yǔ)，這一點(diǎn)與牛頓相同，他們都摒棄了概率的概念。

不同的是吉布斯在他研究初始就引進(jìn)了概率，從另一種意義上說(shuō)這是物理學(xué)的更替和進(jìn)步，人們開始用隨時(shí)變化的世界去替代決定性的世界。

3.人與機(jī)器的共通之處

運(yùn)動(dòng)感覺是人和動(dòng)物都具備的一種知覺，無(wú)論是人類還是動(dòng)物都通過運(yùn)動(dòng)感覺來(lái)使自己的肌肉保持在固定位置，張力記錄也是通過它來(lái)保持。而機(jī)器為了讓它們能夠?qū)Σ粩嘧兓耐饨绛h(huán)境做出持續(xù)有效的動(dòng)作，就必然要想方設(shè)法使它們?cè)诋a(chǎn)生一種動(dòng)作之后，將這一動(dòng)作的相關(guān)要素記錄下來(lái)。這些記錄下來(lái)的信息會(huì)被轉(zhuǎn)變成持續(xù)的命令，幫助系統(tǒng)繼續(xù)按照過去正確的動(dòng)作運(yùn)行下去。

舉一個(gè)人們常見的例子——運(yùn)行的電梯。如果我們想完整地控制操作一架電梯，讓它發(fā)揮作用，那么只是讓它打開電梯門是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們還要保證電梯運(yùn)行到合理位置的時(shí)候它的門剛好打開。這就涉及了在這一過程中信息的釋放和接收的問題，只有當(dāng)電梯實(shí)際到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，開門的釋放機(jī)械才能執(zhí)行命令，否則乘客就會(huì)出現(xiàn)踏空的危險(xiǎn)。

這樣的過程就是所謂的“實(shí)際演績(jī)”，也就是我們所理解的反饋。它最基本的運(yùn)行原則是以事實(shí)為基礎(chǔ)，而不是預(yù)期。在這一過程中，機(jī)器扮演著預(yù)報(bào)者和監(jiān)視者的雙重身份，它需要調(diào)動(dòng)一系列感官元件，并執(zhí)行這種控制過程的指示任務(wù)。

除了電梯作為反饋的現(xiàn)象，我們周圍還有很多相似例子，而且這些例子中的反饋更為顯著。例如，炮手從大炮的觀測(cè)儀中獲取信息，然后將信息再傳遞給控制系統(tǒng)，于是大炮調(diào)準(zhǔn)精度之后便能一擊而中。需要注意的是，反饋的速度有時(shí)也會(huì)受到外部環(huán)境的影響制約。在特殊的環(huán)境下，機(jī)器在反饋命令時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)延緩或者停滯現(xiàn)象，這就需要我們給它們補(bǔ)充一個(gè)加強(qiáng)命令。通常情況下為了讓演績(jī)盡可能快速準(zhǔn)確，人們會(huì)在機(jī)器上加裝一個(gè)反饋控制元件，這個(gè)元件可以將演績(jī)過程記錄下來(lái)，進(jìn)而人們可以通過記錄的數(shù)據(jù)為機(jī)器增加補(bǔ)充推進(jìn)。

同時(shí)為了讓補(bǔ)充的命令更加合理，不至于過于猛烈或者溫和，我們必須要采取一定的防御措施。拿發(fā)射彈藥為例，如果推進(jìn)過于猛烈就可能讓它越過安全位置，如果要將它拉回來(lái)就會(huì)產(chǎn)生各種不確定的震蕩，后果難以想象。如果反饋系統(tǒng)自身具有可控性，那么這些問題將會(huì)變小乃至不復(fù)存在，因?yàn)樗軐⒎答佭^程控制在嚴(yán)格的限度之內(nèi)，反饋的存在也就增加了演績(jī)的穩(wěn)定性。

不僅是機(jī)器，人類的活動(dòng)也存在很多與上述情況相似的地方。我去拿一根香煙，這一過程我會(huì)使用某些肢體上的特定肌肉，但我并非有意使用它們。這只是一個(gè)自然而然發(fā)生的過程，甚至于我都不知道這些肌肉是哪些。我所做的其實(shí)就是讓某一個(gè)反饋機(jī)制產(chǎn)生作用，其中，如果在一開始我沒有取到香煙，那么這一效果就會(huì)變成對(duì)某個(gè)或某些滯后肌肉的補(bǔ)充推進(jìn)命令。

依據(jù)這樣的方式，我們可以從各種初始位置出發(fā)去完成相同的任務(wù)，前提是只要我們能做到讓命令前后一致，這與過程中所出現(xiàn)的滯后與生理上疲勞所引起的伸縮能力下降并無(wú)多大關(guān)系。

再舉一個(gè)例子，我駕駛一輛汽車，那么汽車行駛過程中我對(duì)車輛的控制并非全部取決于我對(duì)道路的印象抑或我所從事的工作。如果我發(fā)現(xiàn)車輛過于偏向道路的右邊，那么我自然就會(huì)讓車輛往左邊行駛一下，這樣的控制實(shí)際是取決于車輛的實(shí)際演績(jī)，而不是道路環(huán)境。

正是因?yàn)檫@樣的控制辦法，我可以用同一種駕駛習(xí)慣去駕駛兩種完全不同的車輛，我不必因?yàn)閮奢v車的區(qū)別而去形成兩種不同的習(xí)慣。這個(gè)問題在本書中有專門的一章，我會(huì)在這一章中更多地去講述演績(jī)問題，我們會(huì)提到研究演績(jī)的缺陷、與人類有相似機(jī)制的機(jī)器在神經(jīng)病理學(xué)當(dāng)中所作出的貢獻(xiàn)等。

在此我要先強(qiáng)調(diào)一下自己的論點(diǎn)：在借助反饋區(qū)控制熵的相關(guān)目的上，生命個(gè)體的生理活動(dòng)和一些較為先進(jìn)的通信機(jī)器操作是完全一樣的。從控制論的角度來(lái)看，二者都具有感覺器官，都是將感官接收信息作為讓控制過程循環(huán)操作的過程。換句話說(shuō)，它們都是通過特殊的儀器去收集外界的信息，并將信息轉(zhuǎn)化為命令應(yīng)用于操作之中。而且無(wú)論是個(gè)體生命還是機(jī)器，它們獲取的信息都是通過感覺器官內(nèi)部的變換能力得來(lái)的。

完成了上述過程之后，信息才算真正意義上成為可以用于之后各個(gè)階段演績(jī)的新形式。無(wú)論是動(dòng)物還是機(jī)器，這種演績(jī)都對(duì)外界具有很大的效能。對(duì)它們而言它們對(duì)于信息作出的反饋并非只是它們對(duì)外界想要做的事情，還包括一些它們對(duì)外界進(jìn)行運(yùn)演過的活動(dòng)。

這一過程充分體現(xiàn)了行為的復(fù)雜性，而且這種復(fù)雜性在日常中很難被一般人所了解，對(duì)我們?nèi)粘Ｉ罘治鲆搽y以起到重要作用。但是從控制論的角度出發(fā)，個(gè)體存在的種種生理反應(yīng)都能得到理解，同樣社會(huì)自身的有機(jī)反應(yīng)也有了合理解釋。當(dāng)然我這樣說(shuō)并不意味著社會(huì)學(xué)家沒有意識(shí)到社會(huì)通信的復(fù)雜性，只是社會(huì)學(xué)家們只有最近才出現(xiàn)這樣的傾向。

總結(jié)一下，在這一章我們所提到的是一組較為復(fù)雜，直到今天都還沒有被充分聯(lián)系起來(lái)的觀念，也就是吉布斯打破傳統(tǒng)的牛頓修正物理學(xué)引出的偶爾性觀念。而我要說(shuō)的控制論則是一個(gè)人和人之間、機(jī)器同機(jī)器之間，以及將社會(huì)作為一種時(shí)間事件序列的通信理論。雖然通常情況下序列存在各種偶然性，不過它們也具有一種自然傾向。它們會(huì)試圖按照不同的目的去力求各個(gè)組成部分的統(tǒng)一，以此來(lái)調(diào)節(jié)相異部分的分歧，讓秩序從紊亂變得有序。這種自然傾向隨著研究的深入已經(jīng)越來(lái)越明顯，而且在今天看來(lái)各界對(duì)這樣的觀點(diǎn)也持有一致看法。