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《控制論》鼻祖諾伯特·維納和清華大學

 昵稱38706389 2021-08-13

關(guān)注維納的成長經(jīng)歷,對中國的教育思想和現(xiàn)狀應當是一種“啟蒙”,在公眾對“應試教育”,刻板地填灌教學達到深惡痛絕的時候,是不是應當看看,曾經(jīng)的大師是如何成長的。

數(shù)學和計算機有諸多來源與分支,但它在理論上的主要發(fā)明人、奠基人是美國數(shù)學家諾伯特·維納,他的“控制論”被公認為是世界信息化的奠基理論。但是,諾伯特·維納到過中國,還在清華大學進行研究卻少為人知。

諾伯特·維納講課

1855年至1865年,英國物理學家麥克斯韋把數(shù)學分析方法帶進了電磁學研究領(lǐng)域,導致電磁理論誕生并以他命名。1895年,馬可尼跟波波夫先后發(fā)明了無線電,證實了麥克斯韋的預言,而且把它變成了無線電報業(yè)務,前后花費了30年。此后,電信在美國風起云涌,僅電報公司興旺之時就有1500家。

從此,就開始了一明一暗的角逐,明的是設(shè)備研制和通信應用,以物理學家和工程師為首;暗的就是電報密碼格斗,以數(shù)學家一馬當先,特工悄悄潛伏,盡量低調(diào)莫為人知,計算機出現(xiàn)之后,密碼的數(shù)學模型變?yōu)閺碗s的“天書”。

筆者大學時期購買的《控制論》,1962年1月科學出版社出版。

1947年10月,諾伯特·維納(NorbertWiener)完成劃時代的《控制論》,立即風行世界,他的思想引起了科學界的極大重視?!缎畔⒄摗贰ⅰ犊刂普摗?、人工智能和模糊集合理論都成為信息化的重要科學理論。

1894年11月16日出生在密蘇里州的哥倫比亞,其父是俄籍猶太人。

1912年,諾伯特·維納18歲時,獲得哈佛大學數(shù)理邏輯博士;

1921—1923年在蘇黎世大學學習;

1926年獲得了布達佩斯大學數(shù)學博士學位,此時年僅22歲;

1927年相繼在柏林大學和漢堡大學擔任2年數(shù)學講師;

1930年接受了美國普林斯頓大學客座教授的職位,不到30歲。

1932年夏季,為了表彰維納在科學上所做的貢獻,他被評選為美國科學院院士,奠定了他在美國科學界的地位,當時他還不到40歲。

1951年至1953年他任美國數(shù)學會主席。

1954年出版了他回顧科學生涯的著作,定名為《我是一個數(shù)學家》。

幼年時期,他就顯示了不尋常的智力,父親和老師都給他創(chuàng)造了條件,不會被刻板的教材限制,扼殺了他對知識的渴求,也能放手展現(xiàn)孩子的興趣。

畢竟還是孩子,他的閱讀遠勝于書寫,學完初等數(shù)學,仍需要扳著手指做算術(shù)作業(yè)。9歲時,作為特殊學生,進了艾爾中學,不滿12歲就畢業(yè)了。

在大學里物理和化學給他的印象遠比數(shù)學深,做過許多電機工程實驗。他曾試圖證實兩個想法,一是無線電通信用的電磁粉末檢波器,另一個設(shè)想是試制一種靜電變壓器,都是很出色的構(gòu)思。在50年代,中國的中學生都知道“礦石”,可以用它對無線電廣播“檢波”,無須使用電源的“礦石收音機”就此風行全國,不知道是否和維納們的實驗結(jié)果有關(guān)。

求學期間,維納攻讀了哲學、心理學、生物學、數(shù)理邏輯。他讀過的哲學著作遠超出課程要求。斯賓諾莎和萊布尼茨這兩位哲學家,都使維納傾倒。他還貪婪地閱讀了詹姆士的哲學巨著,并通過父親認識了這位實用主義大師。

歐美許多城市的博物館有著顯赫的地位,就像宮殿一樣陳列著精致、豐富的標本和儀器,是從小學生開始就留連忘返的教育場所,生物學博物館和實驗室也成了最吸引維納的地方。

維也納科技博物館如同皇宮般宏大,今日的學生們?nèi)缤S納當年,經(jīng)常從學校的教室中直接過來現(xiàn)場上課,參觀博物館絕非作為節(jié)假日和專門的“春秋季節(jié)活動”。

維納在不同的大學中“跳躍”,父親安排他轉(zhuǎn)到康奈爾大學去學哲學,第二年再回哈佛研讀數(shù)理邏輯。跨學科的經(jīng)歷,為將來在眾多領(lǐng)域之間,在各種交界面上進行大量的開發(fā)和移植奠定了基礎(chǔ)。從數(shù)學到生物學再到哲學,從自然科學的工程技術(shù)到社會科學領(lǐng)域,博采眾長,就是維納整個科學生涯所經(jīng)歷的道路。

要描述地球上的各種自然的和人為的運動,從人工計算開始,哪怕到當今火熱的“大數(shù)據(jù)”,都要先建立數(shù)學模型。維納認為數(shù)學工具要適合于描述自然界,必須從自然界本身來尋找表達語言。在布朗運動理論的指引下,維納證明了一切布朗運動都是連續(xù)的、不可微分的曲線。

在維納的學術(shù)研究中,中國占有重要一環(huán)。1935年8月至1936年6月,維納在創(chuàng)立《控制論》前夕,到北平工作了一年,這是當年清華的一件盛事。在他的“自傳”中,把這一年說成是對“控制論”的創(chuàng)造有非常重要作用的一年。

起因,是他的學生,也曾與維納一起從事電力學工程的李郁榮回到中國后,惦念著老師。1934年12月4日,李郁榮給維納寫信道,“清華大學工學院有了相當大的擴展,添置了大量電工和機械裝置。就在昨天,我們搬進了新建成的電機工程館”;“清華數(shù)學系的圖書館與MIT(麻省理工學院Massachusetts Institute of Technology)的一樣完善。任之恭博士認為物理系的圖書館要比哈佛大學的更加完善一些。我相信,您會發(fā)現(xiàn)這些圖書館為研究工作準備了充分的資料。”

1936年,清華大學算學系師生合影:前排左起:鄭之蕃、楊武之、哈達瑪、維納、熊慶來、曾遠榮;第二排右起:吳新謀、李杏瑛、趙訪熊、戴良謨;第三排左一:莊圻泰、左四:段學復。

算學系主任熊慶來給維納寫信,協(xié)商他來清華后的研究和教學內(nèi)容,并提供研究職位。維納愉快地接受了清華大學梅祖貽校長的邀請,“帶著妻子和孩子,橫渡太平洋來到中國?!贝饲?,熊先生還邀請了法蘭西科學院教授,數(shù)學家哈達瑪利用假期來清華講學三個月。哈達瑪和維納的講學是這期間清華大學最重大的學術(shù)事件。

維納繼續(xù)和李郁榮一起研究電路設(shè)計問題,試圖制造模擬計算機,并設(shè)計一種裝置,其輸出運動部分能再作為一個新的輸入反饋到該過程的開始處,即反饋機構(gòu)。同時,維納還從事與解析函數(shù)問題相關(guān)的純粹數(shù)學研究。

梁誠瑞先生引用過維納自述,他寧愿選擇在清華大學任客座教授的1935年作為創(chuàng)立控制論的起點。正是在清華,維納實現(xiàn)了從純數(shù)學領(lǐng)域向電機工程和技術(shù)科學的轉(zhuǎn)變。

清華大學校史館陳列了一張1936年電機系教師與維納的合影照片,前排有趙友民、李郁榮、顧毓琇、維納、任之恭、倪俊、章名濤;后排是張思侯、范崇武、沈尚賢、徐范、婁爾康、朱曾賞、嚴脧(左起)。

1937年“七七事變”,日本人侵占北平,維納提前離開了中國。他曾竭力動員過馮·諾依曼前來中國,也只能作罷。

維納離開之后正好20年,清華大學培養(yǎng)出了中國第一批計算機專業(yè)的畢業(yè)生。章名濤在與維納合影時是其中最年輕的教師,與這些學生合影時,他已是新中國人數(shù)不多的一級教授。

1948年,維納的《cybrnetics》出版了,書名來自希臘文,原意是舵手或調(diào)速器,人們將其譯為“控制論”,一門新興學科由此誕生。

在《控制論》的導言中,維納寫道:“很久以來,我就感到我的作用將取決于兩件事,即密切接觸萬尼瓦爾·布什所擬的計算機研究計劃;另一件是同李郁榮博士合作關(guān)于電網(wǎng)設(shè)計工作。當然,這兩件事已經(jīng)證明都是十分重要的。”

控制論表面看起來是一門數(shù)學化的學科,但事實上是一門全新的綜合性學科,它把數(shù)學、物理、生物學、生理學、心理學、經(jīng)濟學、語言學等結(jié)合起來。維納的《控制論》,不僅有關(guān)于“控制論與精神病理學”的章節(jié),還有一章是“信息、語言和社會”,很難想像他在七八十年前,能夠預見到科學與技術(shù)的發(fā)展會使信息的傳播影響到社會環(huán)境和人與人的關(guān)系。

維納的控制論,直觀看來是“閉環(huán)調(diào)整”,實質(zhì)是建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和頻率特性,通過時間過程和頻譜序列的變換,提取、預測和調(diào)整,達到控制目標,現(xiàn)在稱為“經(jīng)典控制理論”。

維納和馮·諾依曼有許多不謀而合之處,1943年,他倆發(fā)起一次討論會,邀請一些數(shù)學家、生理學家、心理學家和工程技術(shù)專家等,在普林斯頓大學討論學科交叉性問題。

控制論問世后,電腦不再是一種單純計算的機器而是一種如維納強調(diào)的“思維機”萬尼瓦爾·布什也持這種觀點。維納提出新型的電子計算機,有五點設(shè)計要求:數(shù)據(jù)加法和乘法裝置、電子管、二進制、自動程序運算和內(nèi)部存儲器。二戰(zhàn)時的戰(zhàn)斗機速度提升,飛行員們又學會曲線飛行、翻筋斗等戰(zhàn)術(shù)動作,令防空指揮官和炮手們叫苦連天。另外,大炮也在日新月異,要制訂新的火力表,手工和機械器械也不敷使用,研制高速“計算機”已是軍事需要。維納本人就給軍方提供準確的彈道數(shù)學模型,使火炮的命中率大大提高。

維納說,飛行員和飛機還是不能溶為一體的,不能隨心所欲,只要電腦引入相應的方法和數(shù)學工具,就能夠模擬它的飛行路線,高射炮彈可以在飛機翻完筋斗之后等它享用。許多學科如空氣動力學、神經(jīng)解剖學、神經(jīng)生理學、電子學、數(shù)學等都被維納融合在一起了,促成了控制論的誕生。

當計算機開始在社會科學領(lǐng)域普及之后,一些社會學領(lǐng)域也在思考信息系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。早在80年代初期,北大法律系的一位知名研究生提交的論文《法治機器與社會的系統(tǒng)、信息及控制》,試圖以現(xiàn)代控制論和系統(tǒng)論解釋法學學科問題,被學校評為優(yōu)秀論文。同時也得到導師龔祥瑞的好評:“它是把系統(tǒng)論、控制論和信息論等新型科學方法運用到法學研究的一次嘗試?!?/p>

科學往往是同步發(fā)展的,英雄所見略同,羅馬尼亞的學者斯特凡·奧多伯雷迦宣稱控制論首創(chuàng)權(quán)是他1938年出版的《和諧的心理學》,其中詳細闡述了控制論的基本法則,證明了人的思維過程是可以用機器來模擬的.他呼吁每個人應自由地發(fā)揮自己的天性,不要“憑借他的地位的個人力量以脅迫手段將一種苛刻的交易強加于人”,哪怕真是個天才。

直到1978年,國際控制論大會決議承認了他的奠基人地位和1938年的起點,不久奧多伯雷迦就在貧病中去世??茖W真的不是鮮花盛開的大道,荊棘叢生的征途只有智者才能依靠時間和知識的積累去化解,“靈感”只是偶然出現(xiàn)而已。

1964年3月18日,在赴歐洲講學途中,維納因心臟病突發(fā)而逝世。直到生命的最后一分鐘,他仍在專心致志地校閱著書稿。

專心于計算機和程序模塊的師生們,真應當全面了解一下計算機的由來,了解奧多伯雷迦和維納的《控制論》思想,不要將自己的一生變成為不斷升級的電腦的一個“配件”。更不要以為,僅僅依靠技術(shù)裝備的進步和增加信息系統(tǒng)的規(guī)模與復雜程度,就可以解決一切信息化的社會應用問題。

維也納科學技術(shù)博物館

維也納科技博物館里收藏的磁芯存儲電子計算機,1957/1958年。

維也納科技博物館的電子展品

我參觀柏林洪堡大學時,正好趕上在訪問一位老者,科學家?教授?

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