## 台湾版序 控制论、系统论、信息论（也称三论） ## 序 言 最伟大的东西是世界上最简单的东西，它和你自己存在一样简单。辨喜（ 19世纪印度哲学家） 科学的发展迫使人们回答必然性和偶然性之间的关系。于是，确定性与非确定性以及它们之间关系的研究成为科学界最热门的课题。 生物界不是一个充满必然性的机械世界，另一方面，生物个体行为也不能用统计力学和量子力学所用的纯或然语言来刻画。生命的活动中既有或然性，也有必然性。 与其不断重复一句不会错的话，不如试着讲一句错话。 ## 第一章 控制和反馈 一切科学研究都必须有一个出发点。几何学的大厦是建立在公理基础上的，控制论和系统论的研究则开始于可能性空间。 世界上许多事物并不是从一开始就注定要发展成现在这个样子的，在事物发展的初期，它们往往有多种发展的可能性，由于条件或者纯粹机遇的关系，最终才沿着某一个特定的方向发展下去。 （1）被控制的对象必须存在着多种发展的可能性。 （2）被控制的对象不仅必须存在多种发展的可能性，而且，人可以在这些可能性中通过一定的手段进行选择，才谈得到控制。 控制的概念与事物发展的可能性密切相关。我们将事物发展变化中面临的各种可能性集合称为这个事物的可能性空间。 一个事物发展过程中的可能性空间就像树枝一样向无限远处伸展开去。 歧路之中，又有歧焉”， 不确定性也就是事物的矛盾性。“ 从不确定性的角度来看待事物的发生和发展，是现代科学和经典决定论的一个重要区别。 事物发展的可能性空间，或事物的不确定性，是由事物内部的矛盾决定的。人们根据自己的目的，改变条件，使事物沿着可能性空间内某种确定的方向发展，就形成控制。控制，归根结底是一个在事物可能性空间中进行有方向的选择的过程。 因此，一切控制过程，实际都是由三个基本环节构成的：（ 1）了解事物面临的可能性空间是什么。如一个人得了病，他可能好转、恶化、死亡。（ 2）在可能性空间中选择某一些状态为目标。如治病的目标是使病情好转。（ 3）控制条件，使事物向既定的目标转化。 人们并不是把事物的可能性空间精确地缩小到某个惟一的状态，而只是把可能性空间缩小到一定的范围就达到控制的目的了。如果任何控制过程都想以某个惟一状态为目标，不但没有必要，而且还会使控制失灵。 可能性空间缩得越小，标志着我们的控制能力越强。 因此在科学发展的某些阶段，尤其当人们对某一个领域的研究刚刚开始，还不能用其他方法来控制对象时，随机控制往往就成为人们惟一可以采用的方法。 因此，在随机控制中，不断地扩大和改变探索范围是很重要的。许多大理论家、大发明家之所以高人一等，往往在于甩开了世俗的偏见，在一般人想不到的领域创出了奇迹。 无论随机控制还是有记忆的控制，都必须注意事物发展的可能性空间本身是否存在着陷阱。 在随机控制中，那些可能削弱我们控制能力的状态是不应该最先尝试的。 负反馈调节的本质在于设计了一个目标差不断减少的过程，通过系统不断把自己控制后果与目标作比较，使得目标差在一次一次控制中慢慢减少，最后达到控制的目的。 显然，负反馈控制之所以应用如此广泛，如此有效，就是因为它可以把某种有限的控制能力累积起来，扩大了控制能力。每一次反馈，实际都是将上一次作为输出的可能性空间作为输入，让控制机构在这个已被缩小了的范围内进行新的选择。 因此最好的办法是干起来再说。一边干一边观察，随时修正自己的行动和方法，采取一步一步的办法逼近目标。 揭示出目的性与负反馈调节的内在联系是很有意义的。 由于它是一个目标差不断扩大的过程，因此，它往往标志着达到预定目标的控制过程的破坏，即表示一个失去控制的过程。 这种正反馈发展到了极端，系统的状态大大超过稳定的平衡状态，就会导致组织的崩溃和事物的爆炸。 ## 第二章 信息、思维和组织 所以我们也可以把“知道”，或者说获得信息的过程，看作人们对事物可能性空间了解程度发生了变化的过程。 因此，我们看到，所谓“知道”，实际上就是我们头脑中关于事物变化可能性空间变大或变小的过程。在绝大多数情况下，可能性空间变小。 所谓信息的传递也就是可能性空间变化的传递。 控制过程又必须依赖信息的传递。 实行控制需要获得足够的信息量，这是一条重要的原理。 只有获得目标的足够信息量，才能控制目标。 信息和控制的这种依存关系反映了认识论中知和行的统一，知表示获得信息，行表示实行控制。人们只有对外部世界有所认识，才可以能动地去改造它。反之，人们只有参与对外部世界的改造，才能够获得对它们的真知。传递信息和实行控制的过程都贯穿着事物可能性空间的变化，并且它们之间存在着一定的质和量的约束关系，这就深刻地揭示了知和行在本质上是统一的。 一条通道，在单位时间内，可以传递的最大信息量称力这一通道的通道容量。 最直观的滤波方法是让信息沿着同一通道重复传递。 它不能排除同一通道中那些系统地、有规则地发生的干扰。 另一个更好的滤波方法是，用完全不同的通道来传递同一个信息，再把各种结果拿来对比、分析。 对于那些有重大意义的事件，不可让一条脆弱单一的信息通道来传递。 信息量服从的一条相规律是：它只会在传输过程中不断减少，不会增加。换句话说，信息在传输过程中的不确定性只会增大，不会减少。 所谓阻抗滤波，就是找到干扰和携带信息信号的本质差别，用一种装置或手段让干扰信号通不过去，而携带信息的信号能顺利通过。 如果我们的感官不受限制地把外界的一切信息都输入神经中枢，那么大脑就会因为处理不了那么多信息而陷入混乱之中。 反馈的方法也经常用于滤波，被称为反馈滤波法，利用收到的有用信号和通道互相作用，以便抑制无用信号通过。 还有一种和反馈滤波类同的滤波法——同步滤波。它利用信号与通道开关的同步来滤波， 组织产生的过程实际上是一个系统从无联系的状态，排除了许多別的可能联系方式，只取某一种或几种联系方式的过程。 所谓组织过程是事物之间联系的能性空间从大变小的过程。或者说是从混乱无序发展到有秩序的过程，是一个建立联系的过程。 控制、信息和组织都可以表述为可能性空间的缩小。 一个系统必须获得一定量的信息才能组织起来。 一个系统组织程度的度量跟信息量是一致的。 ## 第三章 系统及其演化 几乎没有一种复杂事物的研究不在系统理论的对象之内。 但当我们了解了局部关系后企图来把握整体时，特别是碰到自然界错综复杂的大系统时，这种方法就无效了。 追索原因的原因以及结果的结果，使许多学科的研究工作越出了自己经典的领域。 系统理论在处理现代科学种种复杂问题时，一方面不厌其烦地考虑到所有跟所发生问题密切相关的一大批变量，详尽周到地研究这些变量之间的相互作用和变化趋势；另一方面又把那些关系不大的变量眼睁睁地忽略掉，或者至少是暂时地忽略掉。 首先，我们沿着因果长链追溯时，忽略那些影响概率足够小的因素，把它看作系统所受的干扰和系统之外的。其次，一个相对孤立体系尽可能是自相闭合的互为因果网络。第三，根据我们研究的目的和系统变化的时间尺度，抓住主要的互为因果变量，构造出系统模型。 在系统的研究中，传统的研究局部单向因果关系的一些方法暴露出很大的弱点。 利用稳态结构研究事物变化趋势的方法，使我们可以省略考虑许多中间步骤，当只需要知道最后结果的时候尤其是这样。 稳定性是指系统在干扰作用下不变的性质，如果干扰刚好是对系统空间位置的无序变动，那么它显然不会改变系统那种称为均匀的性质，这种性质就是稳定的。 几乎所有的稳定系统，在一定条件下都可以转化为不稳和振荡。 超稳定系统有一个重要特点，就是靠不稳定来维持稳定。 这一超稳定是通过对不稳定的修复来实现的。 中国封建社会有两个明显特点，一个是几千年来社会结构基本保持不变，另一个是几百年出现一次周期性的大动荡。这明显地表现出超稳定系统的特点，并暗示了中国封建社会停滞原因在于它是一个超稳定系统。 （1）任何自繁殖过程往往存在一个临界值，只有当一个系统变量大于这一临界值，才会有自繁殖发生。一般说来，这个临界值取决于系统结构的稳定程度，系统越稳定，抗干扰的能力越大，相应的临界值就越高。 （2）自繁殖系统内部存在着一条有因果关系的自动增长链。 （3）很多自繁殖系统的形成是由于负反馈控制机制破坏引起的。 自繁殖是系统演化过程中的一个不稳定阶段，这种不稳定迅速把系统由原有的稳定结构推向另一稳态结构，产生一个新系统。 呢？控制论把智力在某种程度上看作一个人或一个组织在单位时间进行正确选择的能力。所谓智力放大，实际上是一个选择能力的放大问题。 ## 第四章 质变的数学模型 1972年法国数学家雷内·托姆发表了第一部著作，把他的工作叫做突变理论。托姆经过严密的数学推导证明了一个有趣的结论：当条件变量小于 4个时，自然界各种突变，只有 7种基本的方式。它们分别被称为折线型、尖点型、燕尾型、蝴蝶型、双曲型、椭圆型以及抛物型。这个重大的发现轰动了数学界，有人称之为牛顿和莱布尼茨发明微积分三百年以来数学上最大的革命。 如果质变中经历的中间过渡态是不稳定的，那么它就是一个飞跃过程，如果中间过渡是稳定的，那么它就是一个渐变过程。 ## 第五章 黑箱认识论 人们的实践活动，从根本上来说都可以表示为主体和客体之间的反馈耦合，都可以用可观察变量和可控制变量来描述。 这种根据黑箱外部的输入输出而提出的关于黑箱内部的情况的假定，在控制中称为模型。 模型只是一种假设，它不一定表示黑箱内部的实际结构。人们利用模型来研究黑箱，总结黑箱的变化规律，控制黑箱。这只是认识的一个阶段。 人们打开了一层黑箱，又得跟新的黑箱打交道。在人类认识的任何阶段，人们总得研究一些未被打开的黑箱。因此在任何时候，人们总得采用一些不打开黑箱的方法来研究问题，解决问题。 人类对自然界认识的每一个划时代进展都跟开拓一批新的可观察变量和可控制变量有关。 客体的可观察变量和可控制变量被限制的某一水平之内，无论人们怎样进行“实践——理论——实践”的反复循环，都不能使认识进一步逼近真理。 科学上最犯忌的是那些不具备清晰性的理论，那些浑浑噩噩、似是而非、模棱两可的理论，那些看起来包罗万象、面面俱到，而实际上不着边际，什么问题也说明不了的理论。 理论的清晰性和波普尔提出理论的可证伪性是一致的。理论只有具备了清晰性才能够被证伪。从本质上来说，清晰性和可证伪性都要求理论给出信息量。 任何负反馈调节系统如果出现反馈过度，都会从一个逐步遥近目标的稳定过程转化振荡过程。 哲学家把规律定义为现象间的本质联系，黑箱理论则将规律看作变量间的约束。 有规律可循，就是变量联系可能性空间存在着缩小的可能。尽管变量的形式可以各式各样，规律总可以表示或联系可能性空间的缩小（即约束）。发现规律就是确定变量之间的联系。