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身后的世纪(之十三)信息论,控制论与系统论的建立

已有 5583 次阅读 2008-5-5 00:03 |个人分类:昨天的世纪|系统分类:观点评述| 信息论, 控制论, 系统论, 维纳

      真理,哪怕只见到一线,我们也不能让它的光辉变得暗淡。 —— 李四光

 

二极管在十九世纪即被应用,即矿石检波器,在1904年弗莱明发明了电子二极管作为替代品。它的重要作用是二进制的物理基础,并构成与门与或门(ANDOR)。在1908年李·德·弗斯特申请了三极管的专利,其重要作用是运算,放大电路进行运算。电子管不断地发展,应用到实践中去,比如二次世界大战末出现的B29轰炸机上装有1千个电子管,而第一台计算机ENIAC则安装13000个电子管一般的使用电阻电路实现比例运算与和差运算,使用二极管或三极管实现对数或者指数运算,利用对数和指数运算以及比例,和差运算电路,可组成乘法或除法运算电路和其它非线性运算电路,电容的充放电实现积分与微分运算。这些电路组合起来完成各种各样的计算功能。另外根据电子管的特性实现各种逻辑功能,即我们所说的组合逻辑电路和具有记忆功能的时序逻辑电路。数据的输入输出则用磁鼓和阴极射线管的电子束完成,于是在计算、逻辑、存储的基础上,具备了机器自动控制的理论条件。

在第二次世界大战期间,计算机的要求变得迫切,曼哈顿计划中要计算核反应的条件需要上百人用来计算,美国宾夕法尼亚大学摩尔电工学院为陆军计算炮火火力表,于1943年开始研制第一台电子计算机,设计师是美国计算机界的先驱MauchlyEckter。在他们的共同努力下,世界上第一台电子计算机EN1AC19462月投入运行。虽然每秒钟仅能完成5000次加减运算,做一次乘法需要3毫秒,仅相当于现在的计算器,然而在当时却是划时代的创举,成为计算机的始祖。但是电子管有不稳定、寿命短等许多缺点,人们从半导体的特性得到启发研究晶体管。1934后德国科学家奥斯卡黑尔申请了一项场效应(晶体)管的专利, Purdue大学得到了较好的锗晶体,应用到贝尔试验室的工作中去,从而使贝尔试验室在1947年发明了较成熟的晶体管,而晶体管的广泛应用把人类带入信息时代。

由于通讯的发达,人们对于信息的研究不断增加。1922年,卡特莱把信息与其内容本身分开,奠定了信息论研究的基础。1948年,香农发表《通讯的数学原理》标志信息论的产生。信息论是研究信息的产生、获取、变换、传输、存贮、处理识别及利用的学科。信息论还研究信道的容量、消息的编码与调制的问题以及噪声与滤波的理论等方面的内容,如维纳创立了维纳滤波理论和信号检测理论,所以他也被认为是信息论的创始人之一。随着时代发展,信息论不断地发展,从单纯的通讯渐演化为人类世界观的一个方面。如图灵提出“图灵机”的构想,冯·诺意曼提出了现代计算机体系结构和自组织、自修复、自繁殖系统的初步想法。这些设想随着计算机的发展已经深深地影响到社会的每一个角落。由于在国内外在技术上的差距,我国学者而对于信息论不敏感,蔡长年在1956年率先在国内开出《信息论》课程,在间接参加编制我国十二年(19561967)科学规划时,他建议将信息论的研究列入规划,并提出选题以应用为主;其后,经蔡长年建议,在北京邮电学院建立了研究信息论的科研室,招收了研究生,为国家培养了一批这方面的人才。

维纳在1919年研究勒贝格积分时,就从统计物理方面萌发了控制论思想。第二次世界大战期间,他参加了美国研制防空火力自动控制系统的工作,提出了负反馈概念,应用了功能模拟法,对控制论的诞生起了决定性的作用。1943年维纳与别格罗和罗森勃吕特合写了《行为、目的和目的论》的论文,从反馈角度研究了目的性行为,找出了神经系统和自动机之间的一致性。这是第一篇关于控制论的论文。这时,神经生理学家匹茨和数理逻辑学家合作应用反馈机制制造了一种神经网络模型。艾肯和冯.诺依曼认为这些思想对电子计算机设计十分重要,就建议维纳召开一次关于信息、反馈问题的讨论会。1943年底在纽约召开了这样的会议,参加者中有生物学家、数学家、社会学家、经济学家,他们从各自角度对信息反馈问题发表意见。以后又连接举行这样的讨论会,对控制论的产生起了推动作用。

1948年维纳的《控制论》出版,宣告了这门科学的诞生。维纳把控制论看作是一门研究机器、生命社会中控制和通讯的一般规律的科学,更具体他说,是研究动态系统在变的环境条件下如何保持平衡状态或稳定状态的科学。他特意创造“Cybernetics”这个英语新词来命名这门科学。阿什贝的控制论则比较强调从生物医学的角度提出新的思想,例如体温的自行镇定(Homeostat)和适应环境(Ultrastable)的系统。维纳的《控制论》给钱学森以重要启发。钱学森凭借自己研制从弹道火箭到可控和制导火箭技术的丰富经验,很快用控制论的原理,解决了一批喷气技术中稳定和制导系统的问题。

控制论的研究表明,无论自动机器,还是神经系统、生命系统,以至经济系统、社会系统,撇开各自的质态特点,都可以看作是一个自动控制系统。在这类系统中有专门的调节装置来控制系统的运转,维持自身的稳定和系统的目的功能。控制机构发出指令,作为控制信息传递到系统的各个部分(即控制对象)中去,由它们按指令执行之后再把执行的情况作为反馈信息输送回来,并作为决定下一步调整控制的依据。这样我们就看到,整个控制过程就是一个信息流通的过程,控制就是通过信息的传输、变换、加工、处理来实现的。反馈对系统的控制和稳定起着决定性的作用,无论是生物体保持自身的动态平稳(如温度、血压的稳定),或是机器自动保持自身功能的稳定,都是通过反馈机制实现的。反馈是控制论的核心问题。控制论就是研究如何利用控制器,通过信息的变换和反馈作用,使系统能自动按照人们预定的程序运行,最终达到最优目标的学问。

在研究通讯和控制时,都离不开系统;研究系统或控制时,又离不开信息。一般系统论把其研究对象作为一个整体加以考虑,提出适合于一切系统的模式、原则和规律,强调系统大于个体,这有助于说明有组织的系统。而控制论的研究对象是系统,它对于进一步考察系统内部的组织、控制和调节的功能是不可缺少的。信息是组织系统的一个重要特征,它使系统得以实现自我调节,是系统之间,系统与环境联系的主要方式。

1925年英国数理逻辑学家和哲学家N.怀特海在《科学与近代世界》一文中提出用机体论代替机械决定论,认为只有把生命体看成是一个有机整体,才能解释复杂的生命现象。1925年美国学者A.J.洛特卡发表的《物理生物学原理》和1927年德国学者W.克勒发表的《论调节问题》中先后提出了一般系统论的思想。19241928年奥地利理论生物学家多次发表文章表达一般系统论的思想,提出生物学中有机体的概念,强调必须把有机体当作一个整体或系统来研究,才能发现不同层次上的组织原理。他在1932年发表的《理论生物学》和1934年发表的《现代发展理论》中提出用数学模型来研究生物学的方法和机体系统论的概念,把协调、有序、目的性等概念用于研究有机体,形成研究生命体的三个基本观点,即系统观点、动态观点和层次观点。1937年贝塔朗菲在芝加哥大学的一次哲学讨论会上第一次提出一般系统论的概念。但由于当时生物学界的压力,没有正式发表。19471948年贝塔朗菲在美国讲学和参加专题讨论会时进一步阐明了一般系统论的思想,指出不论系统的具体种类、组成部分的性质和它们之间的关系如何,存在着适用于综合系统或子系统的一般模式、原则和规律,这标志着系统论的初步建立。

信息论,控制论与系统论的建立表明人类对于客观世界的理解方式发生了巨大的变化,这些理论是人类在二十世纪伟大成就的一部分。



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