控制論與科學(xué)方法論

金觀濤 華國凡

序言

????????最偉大的東西是世界上最簡單的東西，它和你自己存在一樣簡單。

辨喜（19世紀(jì)印度哲學(xué)家）

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????????這是一本試圖運(yùn)用控制論、系統(tǒng)論的某些概念來介紹科學(xué)方法論的書。促使我們來寫這本小冊子的，是十年前一個偶然的事件。

????????有一次，我們向一位化學(xué)界的老教授談起控制論，認(rèn)為這門和電子計算機(jī)一起成長起來的邊緣科學(xué)提供了許多有益的方法論啟示。他不相信，他認(rèn)為一切被稱為方法論的東西無非是事后諸葛亮，對科學(xué)研究無濟(jì)于事。在爭論中，他向我們提出了挑戰(zhàn)。當(dāng)時他正在探索“的確良”合成的新工藝，實驗遇到巨大的困難；做出來的產(chǎn)品的黏度總是太低，一個多月來，還沒有找到失敗的原因。他說，如果你們的控制論真對科學(xué)方法論有所建樹，就應(yīng)該拿出解決的辦法來。在他的提議下，我們這些既沒有做過聚合實驗，又沒有足夠的化學(xué)知識的外行幫助他分析起問題來。我們發(fā)現(xiàn)，老教授雖然對這一具體的化學(xué)問題有比我們豐富的知識，然而，有一些在我們搞控制論的人看來極為簡單的原則卻被忽視了。

????????比方說，反應(yīng)釜是一個黑箱，實驗的目的是要控制化學(xué)反應(yīng)朝某個方向進(jìn)行，從控制論的角度來分析，很顯然，為了控制反應(yīng)，我們必須獲得關(guān)于反應(yīng)進(jìn)行程度的足夠的信息，并使信息系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋體系。在分析了實驗過程后，我們認(rèn)為失敗的關(guān)鍵在于未能獲得足夠的信息量，因此不能形成有效的控制。這不是一個化學(xué)問題，而是一個控制方法的問題。為此，我們提出了一個簡單的改進(jìn)辦法，例如建立一個新的儀器系統(tǒng)，準(zhǔn)確及時地取得反應(yīng)釜中變化的信息以及考慮信息的反饋。

????????最初，老教授半信半疑。第二天，他和助手們開始考慮我們的方案，不到一個星期，實驗成功了。從此以后，老教授對控制論的方法論發(fā)生了濃厚的興趣。并運(yùn)用有關(guān)的原理又陸續(xù)完成了一些很出色的工作。他建議我們把控制論的方法論講一講，認(rèn)為這是一件有意義的事情。這本小冊子就是在幾個講座的基礎(chǔ)上開始寫作起來的。

如果我們?nèi)プ匪菘刂普撍枷氲脑戳鳎湍馨l(fā)現(xiàn)它至少是三條悠長的支流匯合的結(jié)果。

????????一條是數(shù)學(xué)和物理的發(fā)展。

????????特別是19世紀(jì)末20世紀(jì)初，吉布斯提出了統(tǒng)計力學(xué)，20世紀(jì)20年代后，量子力學(xué)又建立起來了。有不少科學(xué)家認(rèn)為：與其說我們這個世界是建立在必然性之上的，倒不如說是建立在偶然性之上的，許多物理定律僅僅是大量事件統(tǒng)計平均的結(jié)果。科學(xué)的發(fā)展迫使人們回答必然性和偶然性之間的關(guān)系。于是，確定性與非確定性以及它們之間關(guān)系的研究成為科學(xué)界最熱門的課題。概率論的成熟，熱力學(xué)中的熵直至信息概念的提出，就是這一研究的逐步深入。

????????另一條支流是生物學(xué)和生命科學(xué)的進(jìn)展。

????????科學(xué)家早就發(fā)現(xiàn)，生物界不是一個充滿必然性的機(jī)械世界，另一方面，生物個體行為也不能用統(tǒng)計力學(xué)和量子力學(xué)所用的純或然語言來刻畫。生命的活動中既有或然性，也有必然性。生命是怎樣把必然與偶然統(tǒng)一起來的？科學(xué)家對生命的機(jī)制發(fā)生了濃厚興趣。20世紀(jì)三四十年代，生物學(xué)家提出了“內(nèi)穩(wěn)定”概念，意味著人類對這一問題的認(rèn)識已推進(jìn)到新的階段，它直接為控制論的誕生奠定了基礎(chǔ)。

????????第三條支流是人類對思維規(guī)律的探討。

????????它集中地反映在計算機(jī)制造和數(shù)理邏輯的進(jìn)展。數(shù)學(xué)家特別是計算機(jī)的研制者們企圖用數(shù)學(xué)語言來模擬人的思維過程。第二次大戰(zhàn)前后，電子計算機(jī)的制造成為控制論成熟的前奏曲。

????????在20世紀(jì)40年代，標(biāo)志著這三條支流匯合的科學(xué)著作終于出現(xiàn)了。1947年，維納的《控制論》就是作為統(tǒng)一它們的最初嘗試。盡管維納的這本書中有許多錯誤，有很多大膽的但后來被證明是不妥切的設(shè)想，但這本書震動了科學(xué)界?？茖W(xué)家們被建立各門學(xué)科的統(tǒng)一方法論的雄心所吸引。一大批各個領(lǐng)域中的專家紛紛互相對話，控制論、系統(tǒng)論成為二次大戰(zhàn)后直至今天的不可忽視的科學(xué)思潮。

????????由于控制論中含有把各門學(xué)科分支統(tǒng)一起來的科學(xué)方法論，它在各個領(lǐng)域中的運(yùn)用都取得了輝煌的成果。經(jīng)濟(jì)控制論、社會控制論、工程控制論、生物控制論、信息論、教育控制論······一座座新興的科學(xué)大廈在迅速建造中。但另一方面，對控制論方法本身的研究，特別是從科學(xué)方法論角度來清晰地闡述和總結(jié)它，反而顯得薄弱了。這就造成一種印象：控制論方法是一種極度抽象高深的東西。特別是初學(xué)控制論的人，在碰到控制論中“信息”、“通道容量”、“濾波”、“超穩(wěn)定系統(tǒng)”等一大堆名詞時，往往被弄得暈頭轉(zhuǎn)向。

????????控制論所運(yùn)用的數(shù)學(xué)工具，往往令人望而生畏。那么是不是不懂高等數(shù)學(xué)，就無法掌握控制論的基本方法呢？不是，控制論不是一門只能用數(shù)學(xué)來表達(dá)的科學(xué)。這本書我們就打算撇開數(shù)學(xué)，從科學(xué)方法論的角度來談?wù)効刂普摗?/strong>我們力求使所涉及的問題以通俗的方式得到說明，以便讓從來沒有接觸過高等數(shù)學(xué)的讀者也能毫不費(fèi)力地跟大家一起參加討論，不至因數(shù)學(xué)語言的隔閡而妨礙他對方法論的興趣。