控制论之父Norbert Wiener:从神童到多才多艺的科学巨人

2019-01-18 | 作者:微软亚洲研究院

编者按:控制论作为一门研究机器通信和控制机能与人的神经、感觉机能规律的科学,它的思想和方法渗透到了几乎所有的自然科学和社会科学领域。而控制论的提出者正是诺伯特·维纳(Norbert Wiener)。在Wiener 50余年的科学生涯中,他涉足了哲学、数学、物理学等多个领域,并都取得了丰硕的成果,被恩格斯称为20世纪多才多艺和学识渊博的科学巨人。Wiener超越时代的前瞻性让他看到了技术改变社会的潜力,他的深刻思想影响了包括二进制电子计算机设计者冯·诺伊曼、互联网创始人利克莱德等人。今天的“AI大师”就将和大家分享这位科学巨人的故事。


Norbert Wiener

Norbert Wiener是个名副其实的神童,从小就表现出了对自然科学的兴趣。Wiener三岁开始读书,生物学和天文学的初级读物成为了他在科学方面的启蒙教学。七岁时,他开始深入物理学和生物学领域,从达尔文的进化论、金斯利的《自然史》再到雅内的精神病学著作,几乎无所不读。在其他小男孩想当警察和火车司机的时候,Wiener就渴望成为一名博物学家,立志献身科学。

9岁时的Norbert Wiener

事实上,他也做到了。维纳测度、巴拿赫-维纳空间、维纳—霍普夫方法、维纳滤波理论、维纳信息论、控制论,这些重要的研究成果的背后都有他的名字。他一生发表论文240余篇,出版14本著作和2本传记,硕果累累,著作等身,他开创的“控制论”更是对自然科学和社会科学都产生了深远的影响。

多面人生

Wiener 11岁进入塔夫茨学院学习,在那里他接受了跨学科的教育。从物理化学到生物,再到哲学,Wiener不仅用三年时间完成了大学学业,大学的教育也为他将来在众多领域之间进行的研究打下了坚实的基础。大学毕业后,Wiener进入哈佛大学攻读逻辑学,并在最后一年获得了旅行奖学金,前往英国剑桥大学和德国哥丁根大学,在罗素、哈代、希尔伯特等著名数学家的指导下研究逻辑和数学。在与这些知名学者的学习和交流过程中,Wiener获得了宝贵的科学研究的经验,推动了他之后在数学领域的研究。

Wiener是第一个从数学的角度深刻研究布朗运动的数学家,从1920年开始,Wiener先后发表了五篇论文,严格证明了存在支配布朗运动过程的概率定律。他构造和分析了一个严格的数学模型,其中最根本的概率是定义在连续空间子集上的测度值,这个测度也被称为“维纳测度”。维纳测度中体现的紧密性思想,成为了现代概率测度论的基础。

Wiener与中国也有着深厚的渊源。他曾在1935-1936年间,担任清华大学数学系和电机系的客座教授,并在这期间与李郁荣、顾毓秀等中国学者合作研究。基于与顾毓秀对计算机数字化模拟的研究,他向罗斯福总统的科学顾问提出了设计新型计算机的原则。虽然这项研究提议没有得到政府的资金支持,但是在宾夕法尼亚大学诞生的世界上第一台高速数字电子计算机上,都可以寻得这些原则的体现。在Wiener的倡导下,MIT建立了世界上第一个人工智能研究小组,开始了早期人工智能的研究。

控制论

1948年,Wiener创立“控制论”。控制论(Cybernetics)作为一种具有普遍意义的交叉科学,揭示了物质动态系统的一般规律,对人工智能的发展具有深远的影响。

对于控制论的创立,Wiener曾不止一次地表达了莱布尼茨的哲学思想对其的重要影响:“假如我必须为控制论从科学史上挑选一位守护神,那就挑选莱布尼茨。莱布尼茨的哲学集中体现在两个密切联系的概念上——普遍符号(语言)论的概念和理性演算的概念。”莱布尼茨认为传统逻辑学必须向着精确和便于运算两个方面发展,在这种观念的影响下,Wiener与现代信息论之父克劳德·香农(Claude Shannon)合作,用“熵”来定义连续信号的信息量,阐述了信息定量化的原理和方法。他也是最早认识到“信息”重要性的科学家之一,并定义了现代意义下的“反馈”。

第二次世界大战开始后,Wiener参与了火炮控制的研究,进而建立了控制理论。1943年,Wiener与Arturo Rosenblueth、Julian Bigelow等人共同发表了题为《行为,目的和目的论(Behavior,Purpose and Teleology)》的论文,阐述了控制行为的本质,并第一次明确构思了如何通过反馈进行科学的控制。

1948年,Wiener出版了《控制论》这一划时代的著作,这本书的副标题是“关于在动物和机器中控制或通讯的科学”,这也是Wiener对控制论的定义。在这本书中,他提出控制论的基本概念和方法,揭示了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律,标志着现代意义下控制科学理论由此诞生。

Norbert Wiener出版的《控制论》一书

《控制论》一书一经出版,立即风行世界,其中的思想引起了人们极大的重视。控制论不仅为现代科学技术研究提供了崭新的科学方法,更从多方面突破了传统思想的束缚,有力地促进了现代科学思维方式和当代哲学观念的一系列变革。虽然现在关于控制论的研究已经有了许多重大进展,但是Wiener用吉布斯统计力学处理某些数学模型的思想仍处于中心地位。

在《控制论》出版6年之后,Wiener的另一本书《人有人的用处:控制论与社会》问世。他在这本书中,描述了现在被称为“负反馈自动控制原理”的内容,基于这个理论,Wiener相信,一个机械系统完全能够进行运算和记忆。他发现计算机和人脑的工作原理极其相似:都是进行信息处理和信息转化的系统,只要能够得到数据,计算机就可以完成人所能做的任何事。

尽管在20世纪50年代,控制论被从其中衍生出的科学分支和技术所取代,但是没有人可以否认他对科学发展的革命性意义。Wiener将消息(message)、信息(information)、基本的传播和控制过程定义为组成世界的基本实体,阐述了几个世纪以来哲学家和科学家都在回避的有关物质和思想的问题。控制论是一次真正的跨学科的革命。

Wiener的控制论思想启发和影响了诸如人工智能、认知科学、环境科学、现代经济理论等多个领域,他的工作为数字革命铺平了道路。如今,基因工程、机器人、传感器等技术的最新突破正深刻地改变着人们的生活,它们释放出的强大力量将比数字技术更加能使人类受益,但同时也存在着危害的可能。

Wiener在发展控制论理论时,就曾告诫过人们,控制论技术是“一把双刃剑,有可能会给人类带来更深的伤害”。如今技术的发展正在让Wiener的科学和社会担忧重新凸显出来。作为人类,我们将如何决定接受哪些技术的目的和价值观?如何与我们创造的机器和谐共存?

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Norbert Wiener的一生都在不同的领域探索,不断追求更深层次的目标和真理。就像暗物质的存在只能从它对周围宇宙的影响中推断出来一样,Wiener的思想将继续影响着世界发展的方方面面。

参考资料:

[1] Norbert Wiener. Wikipedia

[2] 陈关荣. 维纳,昔日神童和数学家

[3] 杨静 唐泉. 维纳和布朗运动

[4] Norbert Wiener Learning Center

[5] Norbert Wiener. The Human Use of Human Beings: Cybernetics and Society

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