维纳｜历史上的控制论

维纳（Norbert Wiener）著，陈步译
节录自《人有人的用处：控制论和社会》第一章，诺伯特‧维纳著，陈步译，商务印书馆，1978年。

自从第二次世界大战结束以来，我一直在资讯理论的许多分支中进行研究。除了有关消息传递的电工理论外，资讯理论还有一个更加广大的领域，它不仅包括了语言的研究，而且包括了消息作为机器的和社会的控制手段之研究，包括了电脑和其他诸如此类的自动机的发展，包括了心理学和神经系统的某些考虑以及一个新的带有试行性质的科学方法论在内。这个范围更加广大的资讯理论乃是一种几率性的理论，乃是 W．吉布斯所开创的思潮的固有部分，这我在序言中已经讲过了。

直到最近，还没有现成的字眼来表达这一复合观念，为了要用一个单词来概括这一整个领域，我觉得非去创造一个新词不可。于是，有了“控制论”一词，它是我从希腊字 Kubernetes 或“舵手”推究出来的，而英文“governer”（管理人）一字也就是这个希腊字的后部分引申。后来我偶然发现，这个字早被安培（Ampere）用到政治科学方面了，同时还被一位波兰科学家从另一角度引用过，两者使用的时间都在十九世纪初期。

我曾经写过一本多少属专门性的著作，题为《控制论：或关于在动物和机器中控制和通信的科学》（Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine），发表于1948年。为了回应大家的要求，使控制论的观念能为一般人所接受。我在1950年发表了《人有人的用处》一书初版，从那时到现在，这门学科已经从申农（Claude Shannon）、韦佛（Warren Weaver）两位博士与我共同提出，并凭著为数不多的几个概念，将之发展成为一个确定的研究领域。所以，我趁本书再版的机会，想把它改写得合乎最新的情况，同时删掉原书结构中的若干缺点及前后不一致的地方。

在初版所给出关于控制论的定义中，我把通讯和控制归为一类。我为什么这样做呢？当我和别人通讯时，我给他一个消息，而当他给我回讯时，他送回一个相关的消息，这个消息首先包含著他理解，而不是我理解的资讯。当我去控制别人的行动时，我得给他通个消息，尽管这个消息是命令式的，但其发送的技术与报导事实的技术并无不同。何况，如果要使我的控制有效，我就必须审理来自他那方的任何消息，这些消息表明命令之被理解与否和它有否被执行。

 

本书的主题在于：阐明我们只能通过对消息及社会通讯设备的研究来理解社会；阐明在这些消息与通讯设备的未来发展中，人与机器之间、机器与人之间以及机器与机器之间的消息，势必在社会中占据日益重要的地位。

当我给机器发出一道命令时，这情况跟我给人发出一道命令的情况本质上并无不同。换言之，就我的意识范围而言，我所知道的只是发出的命令和送回的应答信号。对我个人来说，信号在其中介阶段是通过一部机器或通过一个人，这桩事情是无关紧要的，而且，在任何情况下，它都不会使我跟信号的关系发生太大的变化。因此，工程上的控制理论，不论是人的、动物的或是机械的，都是资讯理论的组成部分。

在控制论中，不论是人、动物或机械都只是资讯理论的组成部分。因此，当我向机器发出命令时，这情况跟我向人发出命令并无本质的不同。

当然，在消息中与在控制问题中都有种种细节的差异，这不仅在生命体和机器之间如此，而且在它们各自更小的范围里也是如此。控制论的目的就在于发展语言与种种技术，使我们能够真正地解决控制和通讯的一般问题，但它亦要在某些概念的指导之下寻找一套专用的思想和技术，来区分控制和通讯的种种特殊的表现形式。

我们用以控制周遭环境的命令，都是我们给予环境的资讯。这些命令与任何形式的资讯一样，要在传输的过程中解体。它们一般都以不太清晰的形式传达，当然不会比它们发送出来的时候更加清晰。在控制和通讯中，我们一定要跟组织性降低、含义受损的自然趋势斗争，亦即要和吉布斯所讲的增熵趋势斗争。本书有很多地方谈到个体内部和个体之间的通讯限度：人被束缚在他自己的感官所能知觉到的世界中，举凡他所收到的资讯都得通过他的大脑和神经系统来进行调整，只在经过存储、核对和选择的特定过程之后，它才进入效应器，一般来说就是他的肌肉。这些效应器又作用于外界，同时通过运动感觉器官的末梢这类成受器，再反作用于中枢神经系统，而运动感觉器官所收到的资讯又跟他过去存留的资讯结合，两者一起影响人未来的行动。

至于“资讯”这个名称，其内容是我们对外界进行调节，并使我们的调节为外界所了解时，与外界交换来的东西。接收资讯和使用资讯的过程，就是我们对外界环境中的种种偶然性进行调节，并在该环境中有效地生活著的过程。现代生活的种种需要及其复杂性，对资讯过程提出了前所未有的高度要求，我们的出版社、博物馆、科学实验室、大学、图书馆和教科书都不得不去满足该过程的种种需要，否则就会失去它们的存在目的。所谓有效地生活，就是拥有足够的资讯来生活。由此可知，通讯和控制作为个人内在生活的本质，就跟它们之作为个人社会生活的本质一样。

通讯问题之研究在科学史上所处的地位，既非巧合与微不足道的成果，但亦非甚么空前的创举。远在牛顿之前，此类问题就在物理学中，特别是在费尔马（Fermat）、惠更斯（Huggens）和莱布尼兹（Leibniz）的工作中流行；他们都对物理学感兴趣，而他们兴趣不集中在力学，而是光学，即关于视觉映像的传递问题。

费尔马以最小化（minimization）原理推进了光学的研究，这个原理指出在光程中任意一段足够短的区间上，光都以最少的时间通过。惠更斯提出了现在称之为“惠更斯原理”的草创形式，这个原理说，光从一光源向外传播时，便在此光源的周围形成某种类似于一个小球面的东西，它由次级光源组成，而次级光源的光接下去的传播方式跟初级光源的传播方式完全相同。莱布尼兹则从另一观点，将整个世界看成一种称之为“单子”的实体之集合，单子的活动就是在上帝安排的预定和谐之基础上相互知觉，而且，莱布尼兹明显主要用光学术语来考虑这种相互作用。除了这种知觉外，单子没有“窗户”，因此依据莱布尼兹的见解，一切机械的相互作用实际上都只不过是光学上的相互作用的微妙推论而已。在莱布尼兹这方面的哲学中，处处都表现出他对于光学和消息的偏爱。这种偏爱在他两个最根本的观念中充分体现出来，这两个观念就是：Characteristica Universalis（普适科学语言）与 Calculus Ratiocinator（逻辑演算）。 Calculus Ratiocinator 在当时虽然并未完善，但却是现代数理逻辑的直系祖先。

受著通讯思想支配的莱布尼兹在许多方面都是本书思想的知识前驱，因为他对机器计算和自动机也感到兴趣。在本书中，我的种种见解都跟莱布尼兹相距甚远，但是我所讨论的问题却道道地地是莱布尼兹的问题。莱布尼兹的电脑器只不过是他对计算语言（即推理演算）之兴趣的一种表现，而推理演算，在他心目中又只不过是他的普遍语言（universal language）思想的推广。由此可知，即使是他的电脑器，莱布尼兹所偏爱的也主要是语言和通讯。

到了上一世纪中叶，C．麦克斯韦及其先驱法拉第（Faraday）的工作再次引起了物理学家对于光学的注意；人们这时把光看作电的一种形式，而电又可以归结为某种介质的机制，它是奇怪的、坚硬的但肉眼看不见的东西，名为乙太。在当时，人们假定乙太弥漫在大气、星际空间与一切透明物质之中。麦克斯韦的光学工作就在于他以数学发展了以前法拉第令人信服，却未以数学形式表示出来的思想。对于乙太的研究，向人提出了答案含糊的若干问题，例如，通过乙太的物质运动问题。迈克耳逊（Michelson）和莫莱（Morley）在九十年代的著名实验就是为了解决这个问题而进行的，实验给出了完全意想不到的答案：绝对无法证明通过乙太的物质运动。

对于这个实验所提出的种种问题，第一次作出满意解答的是洛伦兹（Lorentz）。洛伦兹指出：要是我们把那些使物质结合起来的力本身看成是电学性质的或光学性质的，那我们就应该从迈克耳逊与莫莱的实验中预期到反面的结果。然而，在1905年，爱因斯坦把洛伦兹的这些思想改写成如下的形式：绝对运动的不可观测性与其说是物质的特殊结构所决定的，不如说是物理学上的一项公设。就我们的角度看来，在爱因斯坦的工作中，重点在于光和物质处于同等的地位，这和牛顿以前的著作所提出的观点相同，而不是像牛顿那样地把所有东西都隶属于物质和力学。

爱因斯坦在阐释自己的见解时，对观测者作了多样的使用：观测者既可以是静止的，也可以是运动著的。在爱因斯坦的相对论中，如果不同时引进消息的观念，如果事实上不重新强调物理学的准莱布尼兹状态（其倾向还是光学的），那就不可能把观测者引进来。爱因斯坦的相对论和吉布斯的统计力学乃是截然不同的东西，爱因斯坦基本上还是使用绝对严格的动力学术语来探讨问题，并没有引进几率观念，这点跟牛顿是相同的。

与此相反，吉布斯的工作从第一步起就是几率性的。然而，这两个人的工作方向都代表了物理学观点的更替，即在某种意义说来，用观测时方才存在的世界来代替实际存在的世界，而物理学上古老的朴素实在论（naïve realism）则让位给某种也许会使柏克莱（George Berkeley）大主教眉开眼笑的东西了。

在这个地方，讨论一下本书序言中提到的与熵有关的若干概念，对我们说来是恰当的。如前所述，熵的观念代表了吉布斯力学和牛顿力学之间的几个极为重要的分歧。

在吉布斯的观点中，我们有一个物理量，它不属于我们这个外在世界，而属于一组可能的外在世界，因而它出现于我们对这个外在世界所能提出的若干特定问题的答案中。物理学现在不去探讨那个可以视为全面答复一切有关问题的外在宇宙了，它变成了对于某些极为有限的问题作出答案的帐单。事实上，我们现在研究的东西，跟我们可以收进并发出的一切可能输入和输出的消息毫无关系；我们所关心的只是极为特殊的输入和输出的消息理论，包括这类消息只给我们有限信息量的测量方法在内。

消息自身就是模式和组织的一种形式。的确，我们可以把消息集合看作当中有熵的东西，就像我们对待外在世界状态的集合一样。正如熵是组织解体的量度，消息集合所具有的资讯则是该集合组织性的量度。事实上，一个消息所具有的资讯，本质上可以解释作该消息的负熵，解释作该消息的几率的负对数。这也就是说，愈是可见的消息，提供的资讯就愈少。例如，陈腔滥调的意义就不如伟大的诗篇。

我已经提到莱布尼兹对于自动机的兴趣，这个兴趣曾经碰巧被他的同时代人巴斯卡（Blaise Pascal）分享过，巴斯卡对于我们现在称之为台式加法机的发展有真正重要的贡献。莱布尼兹把校准在同一时刻的时钟所给出时间的一致性，看作单子预定和谐的模型。这是由于体现他那个时代的自动机技术，正是钟表匠的技术。我们不妨考察一下在音乐盒顶上跳著舞的小人儿的动作：它是按照模式而运动的，但这个模式是预先安排的，而小人儿的过去活动对未来活动的模式实际上无关，动作偏离原定模式的几率等于零。的确，这里也有消息的传递，但消息只从音乐盒的机械装置传给小人儿，到此就停住了。除了与音乐盒预定和谐的机构发生上述单向的通讯外，小人儿自身并没有与外界通讯的痕迹，它们都是又瞎又聋而又哑的东西，半点也离不开约定了的模式，因此不可改变其活动。

让我们将小人儿的行为和人的行为，或是任何确具中等智力的动物的行为（例如一只小猫）的行作比较。我叫唤小猫，牠就擡头看我。我发给牠一个消息，牠用牠的感官来接收，这从牠的行动中可以看出。小猫饿了，因而发出悲鸣，这时牠是消息的发送者。小猫在摆弄一个悬吊著的小线球时，当球摆向左边，小猫就用左爪去抓它。这时在小猫自己的神经系统内，通过它的关节、肌肉和健等某些神经末梢，既发送又接收著性质非常复杂的消息；借助这些器官发出的神经消息，动物便能觉察到自己组织的实际位置及其张力。只有通过这些器官，人的手工技巧等才得以可能的。

我已经把音乐盒上小人儿预先安排好的行为作为一方，又与人和动物的因事而异的行为作为另一方，进行过一番比较。然而，我们一定不要把音乐盒设想作一切机器行为的典型。比较古老的机器，特别是比较古老时期种种制造自动机的尝试，事实上都是在闭合式钟表的基础上生成的。但是，现代自动机器诸如自控导弹、近炸信管、自动开门装置、化工厂的控制仪器以及执行军事或工业职能的其他现代自动机器装备，都具有感觉器官，亦即具有接收外界消息的接收器。它们可以简单得像光电管那样，当光落在它们上面时就发生电变化，从而能够在暗处识别出光；也可以复杂得像一台电视机那样。它们可以从一根受到张力作用的导线所产生的电导率变化来测定张力，也可以借助温差电偶（这种仪器由两种不同的金属片的相互接触构成，当接触点之一加热时就有电流产生）来测量温度。在科学仪器制造者的宝库中，每种仪器都是一个可能的感觉器官，都可以通过专用电子仪器的介入从远处把它的读数记录下来。由此可知，这类机器受到它与外界的关系所制约，从而也受到外界所发生的事件制约。我们现在有这种机器，而且是从某个时候起就已经有了。

借助消息而作用于外界的机器也很常见，自动光电开门装置是每个经过纽约宾夕法尼亚车站的人都知道的东西，这类装置同样也用在许多别的建筑物里。当一束光线被截断的消息送到仪器时，这个消息刺激门并使它打开，于是旅客得以通行了。

从这类以感官来刺激的机器，以至执行某项任务的机器，其间有许多步骤，或简单得像电门的情况那样，或在我们工程技术限度内，事实上是具有任意复杂程度的机器。一个复杂的动作乃是这样一种动作：为了取得对于外界的一种影响（我们称之为输出），而在这种动作中引入了可以含有大量组合的资料（我们称之为输入）。这些组合既有当下放进的资料，又有从过去存储的资料（我们称之为记忆件）取出的纪录。

这些组合都记录在机器之中。迄今为止制成最复杂的、能把输入资料变成输出资料的机器，就是快速电子电脑。对于这种机器，我打算在后面比较详细谈论。这些机器的行为样式由特种的输入来决定，这种输入往往是用穿孔卡片、穿孔纸带或磁化导线来构成，它决定机器据以进行的某种不同于过去所进行的操作方式。在控制中，由于经使用穿孔带或磁带，所以放进这些机器中用以指示机器组合资讯的操作方式的资料，统称为程式带。

我说过人与动物都有运动感觉，它们就是据此来保持自己肌肉的位置和张力的纪录。为了使任何机器能对变动不居的外在环境作出有效的动作，那就必须把它自己动作结果的资讯，作为使它继续活动下去所需资讯的组成部分再提供给它。举例说，当我们操纵著一部电梯时，只打开电梯栏的栅门是不够的，因为我们所给的命令应该使电梯在我们开栅门的时候恰好到达门前。重点是开门的释放机械要由电梯实际到达门前这一事实来决定，否则要是没有什么东西挡住电梯的话，乘客就会踏进空井里去。这种以机器的实际演绩（actual performance）而非以其预期演绩（expected performance）为依据的控制就是回馈；机器作这种控制时需要使用种种感觉元件，这些感觉元件由起动元件来激发，它们执行著预报器或监视器的职务，亦即执行著对一项演绩作出指示的职务。正是这些机构的职能使组织解体的力学趋势变为控制，亦即它们使熵的正常方向发生了暂时的和局部的逆转。

我刚才提到了电梯作为回馈的一例，还有其他许多例子，其回馈的重要性更为显著。例如大砲瞄准手从他的观测仪取得资讯，然后把它传给大砲，于是大砲便向某个方向瞄准并使炮弹在一定时刻击中靶子。但是大砲得要在一切气候条件下都能使用，在某种气候条件下，润滑油暖化了，大砲就转动得很灵快；在另外一些气候条件下，润滑油凝固或掺进沙了，那么大砲回答我们的命令就会慢一些。当大砲对我们的命令应答不灵，滞后于命令时，要是我们给它一个补充推进以加强这些命令，则瞄准手的误差就会减低。通常，为了取得尽可能准确的演绩，我们便给大砲加上一个回馈控制元件，把大砲滞后于指定位置的程度纪录下来，再利用这个差数给大砲以一个补充的推进。

的确，我们必须采取预防措施来使这个推进不至于过猛。如果过猛，大砲就会越过指定的位置，势必还要通过一系列的振荡才能把它拉回来，这个振荡可能变得愈来愈大，这便导致严重不稳定。如果回馈系统自身是可控的，换言之，如果它自身的熵趋势还可以用其他控制机构来遏制，并且保持在足够严格的限度之内，那么，上述情况就不会发生，而回馈的存在就增加了大砲演绩的稳定性。换言之，大砲的演绩很摩擦负载的关系就很少，或者也可以这样说，大砲的演绩不因润滑油的黏结而产生滞延。

在人的活动中存在著与上述情况非常相似的东西。当我去取一根雪茄，我并不有意使用某些特定肌肉。在许多情况下，我的确不知道它们是哪些肌肉。我所做的只不过使某一回馈机制，亦即某一反射发生作用，其中我尚未取得雪茄的效果，变成对滞后的肌肉（不管是什么肌肉）一个新的、加强的命令。按照这个办法，一个前后完全同一的随意命令，就可以使我们从各种各样的初始位置出发来完成相同的任务，而与由肌肉疲劳所引起的伸缩能力降低无关。同样，当我驾驶一辆汽车，我对车辆所作的一系列控制，不是单纯取决于我对道路的印象以及我对之要做的驾驶工作。要是我发现车辆太偏向公路右边，这个发现就会使我把它驶向左边。这种控制取决于车辆的实际演绩，不单是取决于公路的情况；正是这种控制法使我可以用大体相同的效率，来驾驶一辆轻便的奥斯丁骄车或者驾驶一辆重型卡车，用不著为了驾驶这两者而去形成不同的驾驶习惯。我在本书专门讨论机器的一章里将更多地讲到这个问题，我们将在该处讨论到，研究演绩有缺陷的、类似于人的机制中所发生缺陷的机器，可以对神经病理学作出贡献。

我的论点是：生命个体的生理活动和某些较新型的通讯机器的操作，在它们通过回馈来控制熵的类似企图上，两者完全相当。它们都有感觉接收器作为它们迴圈操作中的一个环节：也就是说，两者都以低级的特殊仪器来搜集外界的资讯，并以之用于操作。在这两种情况下，外界消息都不是不折不扣地取得的，它要通过仪器内部的变换能力采取得，不论这个仪器是活的还是死的。然后，资讯才转换为可用于以后各个阶段演绩的新形式。这种演绩在动物和机器中都有效于外界。在动物和机器中，回报到中枢调节器的，并非只有它们对于外界打算做的活动，还有它们对于外界运演过的活动。行为的这种复杂性没有被一般人了解，尤其没有在我们对社会的日常分析中起到应起的作用；虽从这个观点出发，正如个体的生理反应可以因之得到理解那样，社会自身的有机反应也可以因之得到理解。我的意思并不是说，社会学家没有认识到社会通讯的存在及其复杂性，但是，社会学家直到最近都有这样的倾向，故意忽视社会通讯是社会这个建筑物得以黏合在一起的混凝土。

我们在本章中提出一组复杂的、直到最近都还没有充分联系起来的观念。它们是：吉布斯引进的作为传统牛顿约定之修正的物理学上的偶然性观点；奥古斯汀根据这种偶然性而要求于秩序和我们行为的态度；一个人与人之间、机器与机器之间以及社会作为时间事件序列的通讯理论，序列自身虽然具有某种偶然性，但它总是力图按照各种不同目的，来调节其各个组成部分以遏制秩序紊乱的自然倾向。现在看来，这些观念基本上是统一的。

转载自暴风骤雨

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