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《控制论》鼻祖诺伯特·维纳和清华大学

(2019-02-20 19:26:22)
分类: 计算机史

关注维纳的成长经历,对中国的教育思想和现状应当是一种“启蒙”,在公众对“应试教育”,刻板地填灌教学达到深恶痛绝的时候,是不是应当看看,曾经的大师是如何成长的。

 

数学和计算机有诸多来源与分支,但它在理论上的主要发明人、奠基人是美国数学家诺伯特·维纳,他的“控制论”被公认为是世界信息化的奠基理论。但是,诺伯特·维纳到过中国,还在清华大学进行研究却少为人知。

《控制论》鼻祖诺伯特·维纳和清华大学
诺伯特·维纳讲课

1855年至1865年,英国物理学家麦克斯韦把数学分析方法带进了电磁学研究领域,导致电磁理论诞生并以他命名。1895年,马可尼跟波波夫先后发明了无线电,证实了麦克斯韦的预言,而且把它变成了无线电报业务,前后花费了30年。此后,电信在美国风起云涌,仅电报公司兴旺之时就有1500家。

从此,就开始了一明一暗的角逐,明的是设备研制和通信应用,以物理学家和工程师为首;暗的就是电报密码格斗,以数学家一马当先,特工悄悄潜伏,尽量低调莫为人知,计算机出现之后,密码的数学模型变为复杂的“天书”。

《控制论》鼻祖诺伯特·维纳和清华大学
笔者大学时期购买的《控制论》,1962年1月科学出版社出版。

194710月,诺伯特·维纳(NorbertWiener)完成划时代的《控制论》,立即风行世界,他的思想引起了科学界的极大重视。《信息论》、《控制论》、人工智能和模糊集合理论都成为信息化的重要科学理论。

1894年11月16日出生在密苏里州的哥伦比亚,其父是俄籍犹太人。

1912年,诺伯特·维纳18岁时,获得哈佛大学数理逻辑博士;

19211923年在苏黎世大学学习;

1926年获得了布达佩斯大学数学博士学位,此时年仅22岁;

1927年相继在柏林大学汉堡大学担任2年数学讲师;

1930年接受了美国普林斯顿大学客座教授的职位,不到30岁。

1932年夏季,为了表彰维纳在科学上所做的贡献,他被评选为美国科学院院士,奠定了他在美国科学界的地位,当时他还不到40岁。

1951年至1953年他任美国数学会主席。

1954年出版了他回顾科学生涯的著作,定名为《我是一个数学家》

幼年时期,他就显示了不寻常的智力,父亲和老师都给他创造了条件,不会被刻板的教材限制,扼杀了他对知识的渴求,也能放手展现孩子的兴趣。

毕竟还是孩子,他的阅读远胜于书写,学完初等数学,仍需要扳着手指做算术作业。9岁时,作为特殊学生,进了艾尔中学,不满12岁就毕业了。

在大学里物理和化学给他的印象远比数学深,做过许多电机工程实验。他曾试图证实两个想法,一是无线电通信用的电磁粉末检波器,另一个设想是试制一种静电变压器,都是很出色的构思。在50年代,中国的中学生都知道“矿石”,可以用它对无线电广播“检波”,无须使用电源的“矿石收音机”就此风行全国,不知道是否和维纳们的实验结果有关。

求学期间,维纳攻读了哲学、心理学、生物学、数理逻辑。他读过的哲学著作远超出课程要求。斯宾诺莎和莱布尼茨这两位哲学家,都使维纳倾倒。他还贪婪地阅读了詹姆士的哲学巨著,并通过父亲认识了这位实用主义大师。

欧美许多城市的博物馆有着显赫的地位,就像宫殿一样陈列着精致、丰富的标本和仪器,是从小学生开始就留连忘返的教育场所,生物学博物馆和实验室也成了最吸引维纳的地方。

维也纳科技博物馆如同皇宫般宏大,今日的学生们如同维纳当年,经常从学校的教室中直接过来现场上课,参观博物馆绝非作为节假日和专门的“春秋季节活动”。

维纳在不同的大学中“跳跃”,父亲安排他转到康奈尔大学去学哲学,第二年再回哈佛研读数理逻辑。跨学科的经历,为将来在众多领域之间,在各种交界面上进行大量的开发和移植奠定了基础。从数学到生物学再到哲学,从自然科学的工程技术到社会科学领域,博采众长,就是维纳整个科学生涯所经历的道路。

要描述地球上的各种自然的和人为的运动,从人工计算开始,哪怕到当今火热的“大数据”,都要先建立数学模型。维纳认为数学工具要适合于描述自然界,必须从自然界本身来寻找表达语言。在布朗运动理论的指引下,维纳证明了一切布朗运动都是连续的、不可微分的曲线。

在维纳的学术研究中,中国占有重要一环。1935年8月至1936年6月,维纳在创立《控制论》前夕,到北平工作了一年,这是当年清华的一件盛事。在他的“自传”中,把这一年说成是对“控制论”的创造有非常重要作用的一年。

起因,是他的学生,也曾与维纳一起从事电力学工程的李郁荣回到中国后,惦念着老师。1934年12月4日,李郁荣给维纳写信道,“清华大学工学院有了相当大的扩展,添置了大量电工和机械装置。就在昨天,我们搬进了新建成的电机工程馆”;“清华数学系的图书馆与MIT(麻省理工学院Massachusetts Institute of Technology)的一样完善。任之恭博士认为物理系的图书馆要比哈佛大学的更加完善一些。我相信,您会发现这些图书馆为研究工作准备了充分的资料。”

《控制论》鼻祖诺伯特·维纳和清华大学

1936年,清华大学算学系师生合影:前排左起:郑之蕃、杨武之、哈达玛、维纳、熊庆来、曾远荣;第二排右起:吴新谋、李杏瑛、赵访熊、戴良谟;第三排左一:庄圻泰、左四:段学复。

算学系主任熊庆来给维纳写信,协商他来清华后的研究和教学内容,并提供研究职位。维纳愉快地接受了清华大学梅祖贻校长的邀请,“带着妻子和孩子,横渡太平洋来到中国。”此前,熊先生还邀请了法兰西科学院教授,数学家哈达玛利用假期来清华讲学三个月。哈达玛维纳的讲学是这期间清华大学最重大的学术事件。

维纳继续和李郁荣一起研究电路设计问题,试图制造模拟计算机,并设计一种装置,其输出运动部分能再作为一个新的输入反馈到该过程的开始处,即反馈机构。同时,维纳还从事与解析函数问题相关的纯粹数学研究。

梁诚瑞先生引用过维纳自述,他宁愿选择在清华大学任客座教授的1935年作为创立控制论的起点。正是在清华,维纳实现了从纯数学领域向电机工程和技术科学的转变。

《控制论》鼻祖诺伯特·维纳和清华大学

清华大学校史馆陈列了一张1936年电机系教师与维纳的合影照片,前排有赵友民、李郁荣、顾毓琇、维纳、任之恭、倪俊、章名涛;后排是张思侯、范崇武、沈尚贤、徐范、娄尔康、朱曾赏、严睃(左起)。

1937年“七七事变”,日本人侵占北平,维纳提前离开了中国。他曾竭力动员过冯·诺依曼前来中国,也只能作罢。

维纳离开之后正好20年,清华大学培养出了中国第一批计算机专业的毕业生。章名涛在与维纳合影时是其中最年轻的教师,与这些学生合影时,他已是新中国人数不多的一级教授。

1948年,维纳的《cybrnetics》出版了,书名来自希腊文,原意是舵手或调速器,人们将其译为“控制论”,一门新兴学科由此诞生。

在《控制论》的导言中,维纳写道:“很久以来,我就感到我的作用将取决于两件事,即密切接触万尼瓦尔布什所拟的计算机研究计划;另一件是同李郁荣博士合作关于电网设计工作。当然,这两件事已经证明都是十分重要的。”

控制论表面看起来是一门数学化的学科,但事实上是一门全新的综合性学科,它把数学、物理、生物学、生理学、心理学、经济学、语言学等结合起来。维纳的《控制论》,不仅有关于“控制论与精神病理学”的章节,还有一章是“信息、语言和社会”,很难想像他在七八十年前,能够预见到科学与技术的发展会使信息的传播影响到社会环境和人与人的关系。

维纳的控制论,直观看来是“闭环调整”,实质是建立系统的传递函数和频率特性,通过时间过程和频谱序列的变换,提取、预测和调整,达到控制目标,现在称为“经典控制理论”。

维纳和冯·诺依曼有许多不谋而合之处,1943年,他俩发起一次讨论会,邀请一些数学家、生理学家、心理学家和工程技术专家等,在普林斯顿大学讨论学科交叉性问题。

控制论问世后,电脑不再是一种单纯计算的机器而是一种如维纳强调的“思维机”万尼瓦尔•布什也持这种观点。维纳提出新型的电子计算机,有五点设计要求:数据加法和乘法装置、电子管、二进制、自动程序运算和内部存储器。二战时的战斗机速度提升,飞行员们又学会曲线飞行、翻筋斗等战术动作,令防空指挥官和炮手们叫苦连天。另外,大炮也在日新月异,要制订新的火力表,手工和机械器械也不敷使用,研制高速“计算机”已是军事需要。维纳本人就给军方提供准确的弹道数学模型,使火炮的命中率大大提高。

维纳说,飞行员和飞机还是不能溶为一体的,不能随心所欲,只要电脑引入相应的方法和数学工具,就能够模拟它的飞行路线,高射炮弹可以在飞机翻完筋斗之后等它享用。许多学科如空气动力学、神经解剖学、神经生理学、电子学、数学等都被维纳融合在一起了,促成了控制论的诞生。

当计算机开始在社会科学领域普及之后,一些社会学领域也在思考信息系统的关联。早在80年代初期,北大法律系的一位知名研究生提交的论文《法治机器与社会的系统、信息及控制》,试图以现代控制论和系统论解释法学学科问题,被学校评为优秀论文。同时也得到导师龚祥瑞的好评:“它是把系统论、控制论和信息论等新型科学方法运用到法学研究的一次尝试。”

科学往往是同步发展的,英雄所见略同,罗马尼亚的学者斯特凡·奥多伯雷迦宣称控制论首创权是他1938年出版的《和谐的心理学》,其中详细阐述了控制论的基本法则,证明了人的思维过程是可以用机器来模拟的.他呼吁每个人应自由地发挥自己的天性,不要“凭借他的地位的个人力量以胁迫手段将一种苛刻的交易强加于人”,哪怕真是个天才。

直到1978年,国际控制论大会决议承认了他的奠基人地位和1938年的起点,不久奥多伯雷迦就在贫病中去世。科学真的不是鲜花盛开的大道,荆棘丛生的征途只有智者才能依靠时间和知识的积累去化解,“灵感”只是偶然出现而已。

1964318日,在赴欧洲讲学途中,维纳因心脏病突发而逝世。直到生命的最后一分钟,他仍在专心致志地校阅着书稿。

专心于计算机和程序模块的师生们,真应当全面了解一下计算机的由来,了解奥多伯雷迦和维纳的《控制论》思想,不要将自己的一生变成为不断升级的电脑的一个“配件”。更不要以为,仅仅依靠技术装备的进步和增加信息系统的规模与复杂程度,就可以解决一切信息化的社会应用问题。

 维也纳科学技术博物馆

《控制论》鼻祖诺伯特·维纳和清华大学
维也纳科技博物馆里收藏的磁芯存储电子计算机,1957/1958年。


《控制论》鼻祖诺伯特·维纳和清华大学
维也纳科技博物馆的电子展品


《控制论》鼻祖诺伯特·维纳和清华大学
我参观柏林洪堡大学时,正好赶上在访问一位老者,科学家?教授?

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