现代科学是综合的科学

科学渴望新概念、新思路和新方法。

自20世纪40年代以来,科学技术的发展出现了新的变化,这表现在:

(1)电子计算机的出现与利用使人们作用于客观物质对象的方式产生了变革。

(2)信息在现代社会生产和生活中显示了越来越大的作用。信息处理已成为推进社会发展的重要问题,突破人脑的局限性刻不容缓。

(3)科学与生产技术的相互关系发生了重大变化。科学革命依赖于技术的发展,而生产技术的重大突破依赖于科学理论的指导。科学直接变成了生产力。科学、技术、生产相互渗透形成了统一的有机整体。

(4)现代科学技术理论发展出现了整体化趋向。科学与技术,各门学科之间彼此渗透、紧密联系、高度分化又高度综合,产生了大量的边缘学科、综合学科和横向学科。它们不仅在内容、对象方面彼此交叉,而且在方法论方面相互渗透、彼此联系,模糊了各门学科之间的传统界限。各种在科学分化中产生的跨学科、中间学科部门的出现,填平了原有科学分类的鸿沟。现代科学技术的发展要求用一些新的概念、新的原则在更高层次上对现有理论进行综合概括,以至形成统一的、完整的理论体系。

20世纪40年代几乎同时崛起的3门新兴学科——维纳(N.Wiener)的控制论、香农(C.E.Shannon)的信息论,以及贝塔朗菲(L.V.Bertalanffy)的系统论(简称三论),后被统称为系统科学方法论,是伴随着系统工程和电子计算机而产生的横断科学。这些学科的理论同其他学科不一样。其研究对象不是自然界的某种物质结构和运动形式,而是自然界和人类社会所有事物的共同属性和普遍现象的某一特定的共同方面。因此,它具有一般方法论的功能,对于一切科学领域都是适用的。系统科学作为一门综合性学科,主要研究各类事物的结构、性质、功能和演化的共性规律。经过半个多世纪的发展,它对各门学科,乃至社会产生了重大影响。

系统科学方法论从不同侧面揭示了客观物质世界的新的本质联系和运动规律,并为现代科学技术的发展提供了新思路、新方法,沟通了自然科学与社会科学的联系。它使人们摆脱了传统方法的束缚,摒弃那种把未来是运动着的、活的有机体的动态问题看成静止的、孤立的和死的东西;把明明是复杂系统硬分解为互不联系的简单系统,企图用简单系统来解释复杂系统的习惯。系统科学方法论如实地把对象视为完整的有机体和复杂系统,找到了解决具有行为目的的通信系统和控制系统研究复杂系统的方法,成功地把定量分析的方法引入迄今盛行的只进行定性考察的学科,使科学研究方法产生了新的飞跃。

控制论、信息论和系统论等学科是横贯于自然科学和社会科学等多种学科的新型综合性理论。它们从不同的侧面揭示了客观物质世界的本质联系和运动规律,表现了科学综合化的趋势。

在介绍系统科学方法论的基本方法之前,不能不提维纳在建立控制论上所做的贡献。

早在20世纪30年代末期,维纳就深深地感到“科学日益成为专门在愈来愈窄领域内进行着的事业”。他认为,科学发展中最有前途的领域是学科的边缘和交叉之处,被称为“科学处女地”。开拓各门学科之间的“被忽视的无人区”,促使他逐渐产生了控制论的思想。

1939年9月,当第二次世界大战爆发时,维纳接受了设计火炮自动控制器的任务。在着手考虑火炮控制器的设计时,他发现人和机器的惊人相似之处。他产生了一个很有意思的联想,即把让控制器做出正确判决和将控制器的判决变成火炮行动的过程,与人和动物执行目的性活动的方法联系起来。他把问题表达为两个新的形式:

(1)追踪飞机的观察者如何能够盯住飞机。

(2)在实验条件下研究如何能够模仿这位观察者的活动。

这表明,维纳已经在工程技术的行为控制问题中渗透进了人的神经生理因素。

20世纪40年代初,维纳开始研究通信工程方面存在的人的作用问题,发现在工程控制中十分重要的反馈与稳定性概念对于神经生理学也同样重要。当时,维纳的想法是:在控制器中,使活动趋于稳定的方法之一,是把活动结果所决定的一个量作为信息的新调节部分反馈回控制仪器中。既然这个反馈的任何超越都是由一个相反的校正活动来补偿,那么后者可以叫作负反馈。司机驾驶汽车就是通过负反馈调节。当发现汽车太靠左了,就向右边做出一个校正;当发现汽车太靠右时,则向左做出一个校正。因此,完全可以相信,负反馈在人的控制机构中起着一定的作用。维纳从神经生理学家罗森勃吕特那里了解到人的神经系统与火炮控制系统有相似之处,都有反馈不足和过度的问题,本质上是对信息的一种处理;不仅目的性活动可以用反馈来代替,而且它们都是通过从外界获取信息以及由传出信息引起的动作和外界有效地联系起来的。它们处理的对象都是信息。于是,他找到了人、动物与机器在控制、通信方面的共同点。在这些研究活动中,他抓住了自动控制过程中的两个核心概念,即“信息”和“反馈”的概念,构造了控制论的基本框架。这样,他把行为控制问题与信息论联系起来,从而引起人们注意到一个亟待开发的领域:控制与通信。这是一个综合性领域。与它相关的现代学科至少应有通信工程、神经生理学、心理学、计算机科学、数学、物理学等。只有靠这些学科通力合作,才能开拓这个新领域。自1942年起,维纳在罗森勃吕特(神经生理学家)、艾肯、冯·诺依曼(第一代电子计算机设计制造师)、香农(信息论创始人)等一批物理学家、数学家、生理学家和工程技术人员的协作下,通过电及电子系统和生物体内发生的各种过程之间的模拟研究,系统地创立了控制论这门崭新的学科。1948年,维纳出版了一本杰出的著作《控制论》。

控制论是自动控制、电子技术、无线电通信、神经生理学、生物学、数理逻辑和统计力学等多种学科相互渗透的产物。它研究的是各种系统(包括机器的、生物的和某些社会的系统)的信息变换和控制的共同规律。它把一切生物有机体和非生物的技术结构都完全抽去了具体的物质运动形态,而仅仅把它们归结为由若干部分组成的整体,用统一的语言和概念来描述生物与机器这两种完全不同形态中的通信和控制关系,进一步揭示了不同的物质运动形态之间相互联系的辩证关系。

在维纳《控制论》的导言中,有一段话很有意思。它正好说明了《控制论》的独到的科学方法的由来。我把它抄在下面:

“我们一起在日德毕尔特大厅围着圆桌子吃饭。谈话是活泼的、毫无拘束的。这可不是一处鼓励任何人或者使任何人有可能摆架子的地方。饭后,由某一个人,或者是我们这个集体中的一员,或者是一位邀请来的客人,宣读一篇关于某个科学问题的论文。一般来说这是一篇其首要思想,或者至少其主导思想是关于方法论问题的论文。宣读者必须经受一通尖锐批评的夹击。批评是善意的,然而是毫不客气的。这对于半通不通的思想、不充分的自我批评、过分的自信和妄自尊大真是一剂泻药。受不了的人下次不再来了。但是,在这些会议的常客中,有不少人感到这对于我们科学的进展是一个重要而经久的贡献。”

维纳等人之所以创立控制论这门新学科,正是因为运用了科学的方法,使他在战略思想上有了独到之处,高屋建瓴,统观全局,从而能由此及彼,触类旁通,及时抓住当代科学技术发展的特点,认识到各门学科之间的相互渗透已成为科学发展的一种潮流,最终导致“控制论”破土而出,开辟了一个崭新的领域。

在《20世纪重大科技谋略》一书中有这样一段描述,生动地显示了控制论在机器人中的巨大威力:

1969年的一天,在美国斯坦福大学的实验室里进行了一项著名的实验:看电脑机器人“赛克”是否有办法从地板爬到屋子中间的平台上,把那里的一只箱子推下去。实验开始,“赛克”走向平台,只见他绕着平台足足转了20分钟,还是爬不上去。“赛克”显得很窘。他环顾四周,突然发现墙角处有一块斜面板。他呆呆地沉思片刻,慢慢地把斜面板搁在平台上。然后,他沿着斜面板走上了平台,并把平台上的箱子推了下来。顿时,实验室里响起了一阵热烈的掌声。“赛克”——这个用控制论的功能模拟方法孕育而成的机器人,显示了现代控制论的初步威力。

20世纪中叶,电报、电话、电视等现代通信技术的创造与发明,引发了一场信息革命,大大加快了信息的传播速度,增大了信息传播的容量。正是现代通信技术的发展,导致了关于现代通信技术的理论——信息论——的诞生。1948年,在贝尔电报电话公司工作的美国应用数学家香农发表了《通信的数学理论》一文,提出了描述信息过程的数学理论,成为信息论诞生的标志。

信息论是研究信息的基本性质和度量方法以及信息的获得、传输、存储、处理和交换等一般规律的科学。所谓信息就是通知,是关于生活主体同外部客体之间有关情况的通知。香农首先把信息传输过程理想化为5个部分,即信息源、发送器、信道(传输媒介)、接收机和信息接受者。其次,他提出信息量的量化概念,即把信息同熵联系起来。信息的基本作用就是消除或减少人们对事物了解的不确定性。在信息论中,这种不确定性是用冗余度来表示的。一句话中如果缺少几个字,假如我们能够猜出来缺少的字是什么,就可以完全了解这句话的意思。那些可以猜出来的字符被称为冗余字符,因为不用那些字符也能表示该句子的全部信息。一句话中冗余字符的多少就是冗余度。它的大小对信息的传递有重要意义。香农第一次用数学语言阐明了概率与信息冗余度的关系。他发现,任何信息都存在冗余,且冗余大小与信息中每个符号(数字、字母或单词)的出现概率或者不确定性有关。香农借鉴了热力学的概念,把信息中排除了冗余后的平均信息量称为“信息熵”(香农熵),并给出了计算信息熵的数学表达式。有趣的是,这条公式和玻尔兹曼熵公式一模一样!化学家或制冷工程师所使用的热力学熵的单位是能量除以温度,而通信工程师所使用的香农熵则是用比特数表示。信息熵概念的建立,为测试信息的多少找到了一个统一的科学的定量计算方法,奠定了信息论的基础。

信息论最重要的贡献在于,把通信过程看成一种信息的传输过程,而信息本质上是统计的,且其量化形式与熵密切关联。

信息概念是客观世界各种现象和过程中普遍具有的一种特性的反映。它已广泛渗入物理、化学、生物学、医学、自动控制、计算机科学以及经济管理等一切学科领域。人们运用信息论的方法,可以揭示出用传统方法很难发现的不同物质运动形态之间的内在联系。例如计算机和人脑,就是两种完全不同的物质运动形态,但它们都具有从外界获得信息、加工处理、传递信息的能力。它们都存在共同的信息联系。因此,可以把它们都看作一个信息变换系统。这就为利用机器来模拟、代替部分人脑的功能提供了科学依据。

现代系统论的理论核心是整体观念,即将系统看作一个有机联系、共生共变的整体,而不是各个部分的孤立存在和简单相加。部分是整体中的部分,而要素是整体中的要素。

系统是普遍存在的。自然界是一个由不同层次组成的复杂系统。整个世界就是由各种系统集合而成的大系统。系统论是研究从整体与部分之间,整体与外部环境的相互联系、相互作用、相互制约的关系中综合地、精确地考察对象,以达到最佳地处理问题的目的;它是一种从系统的观点出发,统筹全局,使整体与部分辩证地统一起来的科学方法。整体性、综合性、最佳化是其显著优点。

20世纪40年代发展起来的系统论把系统概念一般化为由相互作用着的要素构成的有机整体。在系统论的发展和应用过程中,依其与环境有无物质、能量和信息的交换将系统区分为孤立系统、封闭系统和开放系统,而依其热力学状态的不同又将系统的状态区分为平衡态、近平衡态和远离平衡态。贝塔朗菲的贡献在于:首先划分了开放系统和封闭系统,指出开放系统必须不断与外界进行物质和能量的交换,并同时调整其内部构成,以达到动态平衡,因而不能用经典热力学定律来描述。其次是创立一般系统理论。他坚持认为,一般系统理论是研究“整体”(wholeness)的科学。

系统论的创立使人类思维方式发生了深刻变化。随着现代科学技术的发展,基于系统理论和方法衍生出众多的交叉科学的分支。如工程系统论运用系统理论与方法,将复杂的工程作为认识对象,从工程的特性、环境、功能与结构等方面进行研究,从而“在复杂工程与复杂系统之间建立紧密的本质性联系。这不仅能使我们更深刻地认识复杂工程,也极大地丰富了系统科学的内容”。由此,系统方法也被作为科学方法在自然科学和社会科学的诸多领域中得以应用。

以维纳的控制论、香农的信息论,以及贝塔朗菲的系统论为基础的系统科学方法论有以下特征:

(1)综合性。考察对象不是个别事物而是某一类事物,从这一类事物中抽象出其中的共同规律。

(2)整体性。把研究对象作为有机整体来考察,从整体与部分相互依赖、相互结合、相互制约的关系中揭示系统的特征和运动规律。

(3)解决多因素、动态复杂系统的有效性。不仅要求如实地把复杂系统作为一个整体来研究,而且要求在研究这些系统时与人(或动物)的行为进行类比和模拟,从中找出系统的运动规律。

(4)定量化。对复杂系统包括社会经济领域的研究从定性走向定量。如美国运用军事系统工程对复杂的军事问题进行定量的分析,为军事决策提供数量依据。

(5)最优化。根据需要和可能为系统定量地确定最优目标,使系统各部分功能和参量服从系统总体的最佳目标,达到总体最优,从而对系统提出设计、施工、管理、运行的最优方案。

(6)信息化。“三论”解决问题时的着眼点与传统方法不同。它不是着眼于物质和能量,而是着眼于信息。它撇开物质与能量的具体形态,而把任何通信和控制系统看作一个信息的传输和加工处理的系统,认为只有内部存在的信息流才使系统维持正常的有目的性的运动,故在解决问题时总是把它变换成信息形式来加以处理。

(7)处理问题的方式:人—机系统。“三论”提供了人作为思维主体利用电脑组成人—机系统最佳处理问题的方法。人—机系统方式大大加强了认识主体——人——的思维能动性。

(8)使辩证法具体化、精确化。“三论”揭示了事物之间的信息联系和系统的联系。这就使事物的普遍联系具体化了。此外,它还用数学表达式精确地描述了这种联系及其相互作用和相互转化的关系,使辩证法进一步具体化、精确化。

系统科学方法论体现了现代科学技术整体化的发展趋势。从维纳等人创立控制论、信息论、系统论的历史回顾中不难发现,无论就其科学研究的战略思想,或者是具体的研究方法,都有许多重要的方法论启示。其具体方法有系统方法、信息方法、反馈方法、功能模拟法、符号法、最优化方法等。这里叙述其大略的思想。

(1)系统方法。所谓系统方法,指的是从整体上研究并把握事物,把事物(对象)看成一个由若干部分构成的系统。对这个系统,要研究其各部分功能上的联系。它把所研究的事物(系统)与其他事物的联系概括为“输入”(外界对系统的影响)和“输出”(系统对外界的影响)。例如,我们把一个工厂作为一个系统来进行控制和管理时,可以把每个车间都看成工厂系统的一个子系统;同样,若我们把车间作为一个系统来进行控制和管理,每部机器就是它的一个子系统。车间系统的生产和人力、物力分配就是系统的输入,而车间所生产出来的产品及它对环境的影响就是系统的输出。因此,系统方法是着重从整体与部分(要素)之间,整体与外部环境的相互联系、相互作用、相互制约关系综合地、精确地考察对象,以达到最佳地处理问题的目的的一种方法。它的显著特点是整体性、综合性和最优化。

(2)信息方法。所谓信息方法,就是运用信息的观点,把系统看作借助信息的获取、传递、加工处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法。它的特点是:用信息概念作为分析和处理问题的基础,完全撇开对象的具体运动形态,把形态的有目的的运动抽象为一个信息变换过程。这个信息的变换过程,可被简化为:信息→输入→存储→处理→输出→信息。在这个过程中存在反馈信息。由此可见,对各系统的控制要以一定的信息为依据,并正确研究系统的信息流通与信息的交换。这里,控制论着眼于信息的利用(处理和控制),而信息论则着眼于对信息的认识(描述和度量)。

(3)反馈方法。反馈的概念是控制论中广泛应用的一种原理和方法。所谓反馈是指:把施控系统的信息(又称给定信息)作用于被控系统(对象)后产生的结果(真实信息)再输送回来,并对信息的再输出产生影响的这种过程,即给定信息→被控对象→输出信息,并由此给出反馈信息。一般把用这种系统活动的结果来调整系统活动的方法称为反馈方法。它是一种运用反馈概念来分析和处理问题的方法。其特点就是根据过去操作情况来调整未来的行为。在控制系统中,一般是用负反馈系统(即使系统的给定信息与真实信息之差倾向于反抗系统正在偏离目标的运动,使系统趋向于稳定状态)来调节和控制系统,做出合乎目的的运动。由此可见,反馈原理就是原因和结果不断地相互作用,以完成一个共同功能目的。这是控制论的核心思想。

(4)功能模拟法。在科学研究中,根据模型和原型之间的相似关系,用模型来模拟对象,来间接研究原型的规律性。这种实验方法通常被称为模拟方法,一般有基于模型与原型之间的物理相似或几何相似的物理模拟,以及基于数学形式相似为基础的数学模拟。功能模拟法是以功能和行为的相似为基础,用模型模仿原型的功能和行为的方法。功能模拟法的最杰出的范例和应用是创造出电子计算机。对于一台电子计算机,众所周知,其输入模拟人的感受器接受信息,存储器模拟人脑的记忆功能、信息储存与提取,控制器模拟人脑思维中的指挥和协调,运算器模拟人脑的判断、选择和计算,而输出模拟人对外界环境的反应。上述的机器人“赛克”也是功能模拟法应用的另一个范例。随着科学技术的进一步发展,一种具有听觉、视觉、触觉并与人对话的智能机正在研制中,它可以模拟人类较高级的智能活动和改造自然的行为。