一本具有方法論意義的科學著作

丁　聰

在堪稱知識爆炸的當今世界，只有很少的科學著作在幾十年后仍然被人們奉為經(jīng)典。大部分科學著作都由于科技的迅速前進而陳舊了，但三十年前出版的艾什比的《大腦設(shè)計》是一個例外。這本書以及它的姐妹篇《控制論導論》是艾什比的主要科學著作?！洞竽X設(shè)計》于五十年代出版后，一再重版。書中提出的思想在今天已成為控制論的基本概念。人們深深感到，要領(lǐng)悟控制論的真諦，鉆研這本書是一條捷徑。

顧名思義，《大腦設(shè)計》應(yīng)該是研究大腦結(jié)構(gòu)和功能的。近三十年來腦科學的進展如此迅速，以至于今天的科學家去翻閱三十年前的文獻時，常常會感到它們是那么幼稚、粗糙。那么，《大腦設(shè)計》為什么能保持著長久的生命力呢？其實，與其說它是一本研究大腦結(jié)構(gòu)功能的專著，還不如說它是探討如何研究大腦適應(yīng)性行為的書。它實際上是一本有重要方法論意義的哲學書。書中并沒有談?wù)撜鎸嵈竽X是怎樣構(gòu)成的，沒有描述神經(jīng)元之間的聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)，也沒有給出大腦的具體數(shù)學模型。艾什比在這本書中闡述的是控制論的基本思想，他的大部分工作是為了使人們擺脫在他看來是長久束縛人們的錯誤思想方法。

每一個人都有自己的方法論。它來自強大的傳統(tǒng)觀念和日常生活中的直觀經(jīng)驗，也可以來自科學訓練和哲學熏陶。當人們問“什么是思維”時，人們的思考問題的模式顯得非常突出。一般人們把思維看作大腦固有的屬性，正如把硬度看作固體的屬性，把流動性看作液體的屬性一樣。這種思維方式對于整理經(jīng)驗不無用處，但在探討大腦的奧秘時就將遇到不可逾越的障礙。按照這種思想方式，機械的物質(zhì)運動層次比大腦低級，那么就無法用機器來摹擬思維。也就是說，機器不可能有“思維”的屬性。這給科學家的研究帶來極大的困難，在某些時候，這類思想方法所帶來的困難比大腦研究本身的復雜性還要大?？梢哉f，只要人們不擺脫這種思想方法，就難以下手來研究大腦—思維問題。

一旦人們完成了方法論的轉(zhuǎn)變，就豁然開朗了！為什么我們不去考察一下，那種先驗地把某一類屬性和某種實物層次絕對地對應(yīng)起來的方法本身是否正確呢？這難道不是從亞里士多德以來的直觀本體論的形而上學幽靈嗎？在科學研究中，為什么不能把思維看作一種行為構(gòu)造、把任何屬性都看作行為構(gòu)造來加以研究呢？正是在艾什比的《大腦設(shè)計》中，集中體現(xiàn)了控制論學者這種方法論的轉(zhuǎn)變。否則，今天的人工智能、腦科學、生物控制論、社會控制論以及行為科學和心理學等這些學科的長足進步是不可能的。

一本書能解除人們由直觀經(jīng)驗狹窄的眼界帶來的局限，使人得到某種程度的解放，能在人們面臨多種選擇時，撇開由盲目和迷信所引導的錯誤道路和陷阱，能夠?qū)⒖茖W發(fā)現(xiàn)中成功的思想方法提煉出來，那么這本書就有長期存在的價值?！洞竽X設(shè)計》正是如此。這本書在控制論思想發(fā)展史上是劃時代的。它集中代表了控制論發(fā)展第二階段的思想精華。

我們知道，本世紀四十年代控制論剛剛開始創(chuàng)立時，先驅(qū)者維納和香農(nóng)等就把這門邊緣學科建立在兩個新概念之上，這就是信息和反饋。反饋概念第一次清晰而可以定量地把握了整體內(nèi)各個部分之間的作用與反作用，是研究部分怎樣結(jié)合成整體的新方法。而信息則是不同于物質(zhì)和能量的另一種自然界普遍存在的形式，它代表事物的確定性與組織程度。維納在他的名著《控制論》中全面展開了有關(guān)這兩個概念的討論，把人們引進了一個新的領(lǐng)域。在維納的帶領(lǐng)和啟發(fā)下，控制論獲得了第一個階段研究的豐碩成果。但是，到了五十年代初，控制論進一步發(fā)展就感到了某種重大困難。

第一，當把控制論推廣到更大的領(lǐng)域，如生物學、心理學、經(jīng)濟學和社會科學時，維納的方法就明顯地不夠用了。生物和社會現(xiàn)象過于復雜了，僅僅一般地談?wù)摲答伵c信息而不能給出一整套示范性研究方案的話，這些研究必定是難以深入的，只能停留在啟發(fā)性意見上，甚至會出現(xiàn)用漂亮名詞掩蓋無知的偽科學。確實，五十年代以前，生物學、心理學和社會科學中取得的成果，遠不能和自動控制與計算機相比，很多研究只是用控制論術(shù)語生搬硬套。比如當時的某些大腦模型，以及把伺服機理論類比到經(jīng)濟學中就是例子。

第二，在研究生命活動以及復雜整體行為時，僅僅籠統(tǒng)地講信息傳遞和反饋是正還是負的，這是遠遠不夠的。就拿學習和適應(yīng)機制來說，肯定包括了信息與反饋，但怎樣才能更精確地把握它們呢？五十年代以前很難做到這一點。這明顯地反映在維納的《控制論》一書中。后來，維納在該書第二版中加了一章，專門談自組織與學習機制。但他的觀點是這樣晦澀，數(shù)學工具又太專門太復雜，得到的結(jié)果卻不多。可以說，是殺雞用牛刀，雞卻沒有殺死。維納本人也在這種困難面前止步了。

艾什比的《大腦設(shè)計》就是在這種情況下問世的。它一下子震撼了控制論學界。它那獨特的、簡明而深刻的方法，一舉掃除了維納碰到的困難。艾什比給出了一整套方法，用于研究大腦以及復雜生物體的適應(yīng)行為。書出版后，立即成為一個全新的起點。今天，許多著名的控制論學者是艾什比的學生，或者是屬于這個學派的。很多不是專門從事生物學和控制論研究的學者，也從這本書中受到方法論的啟發(fā)。我國著名學者錢學森在他的《工程控制論》一書中，就把艾什比的“超穩(wěn)定性”作為重要一章來介紹。

讀者看了《大腦設(shè)計》后會明顯地感到，雖然這本書討論的是諸如生物的適應(yīng)性以及學習機制這類復雜問題，但全書貫穿著非同尋常的清晰性和簡單性。思路如水晶般明澈。艾什比非常有意識地除去籠罩在高級生物行為上的直觀本體論認識的束縛。雖然在維納那里，已經(jīng)再三強調(diào)了功能的觀點，但科學家在研究大腦復雜行為時還是不由自主地首先從解剖學、組織學和神經(jīng)生理學開始，至少是以神經(jīng)元為基礎(chǔ)來構(gòu)造模型。這無疑帶了巨大的復雜性。艾什比卻撇開了這種傳統(tǒng)方法，他開辟了一條全新的思路：思維和學習首先是一種行為結(jié)構(gòu)。只要從結(jié)構(gòu)上把握這類高級行為，那么原則上我們就可以用某種實體或效應(yīng)來組成表現(xiàn)這一行為的機器。這一嶄新的思想如鋒利的寶劍，一下子把纏繞住很多科學家的“亞歷山大繩結(jié)”砍斷了。古典的難題被明確地分解為兩個比較容易解決的部分：首先是從數(shù)學上清晰地把握某類行為的機制，接著是考慮用哪些物理、化學或生物的效應(yīng)來實現(xiàn)這些機制。第一個問題解決后，第二個問題也就相對容易解決了。艾什比的工作主要在于解決第一個問題。

為了從行為結(jié)構(gòu)上理解高級生物的適應(yīng)與學習功能，艾什比發(fā)展了維納和香農(nóng)提出的控制論基本概念。他引入兩個作為控制論大廈基礎(chǔ)的新概念，這就是穩(wěn)定性和超穩(wěn)定性。并非艾什比首創(chuàng)穩(wěn)定性這一概念，數(shù)學家早就研究過微分方程的穩(wěn)定性問題；維納也提到穩(wěn)定性判別對于反饋特別重要。艾什比的貢獻在于從一個全新的角度來看待穩(wěn)定性。他發(fā)現(xiàn)生物適應(yīng)和維持生存這類行為從結(jié)構(gòu)上看就是穩(wěn)定性。趨向一個目的的運動也是具有穩(wěn)定性的。把系統(tǒng)糾正干擾造成偏差的機制和生物適應(yīng)行為聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)它們結(jié)構(gòu)的一致，這是極為重要的一步。它表明，當控制論普遍運用到生物學與社會科學時，穩(wěn)定性已不是一個比反饋和信息低一層次的概念，它也是控制論的基石之一。

為什么說發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性和適應(yīng)性之間的內(nèi)在聯(lián)系是控制論的重大進展呢？我們知道，“適應(yīng)”本來是一個重要但多少有點含糊的概念。生物體適應(yīng)環(huán)境，社會生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系相適應(yīng)，適應(yīng)一般是用于表示一個整體中兩個存在著作用與反作用的部分相互關(guān)系的重要形式。一旦發(fā)現(xiàn)了適應(yīng)與穩(wěn)定機制的聯(lián)系，就意味著“適應(yīng)”這個在生物學和社會科學中有重要意義的概念，可以清晰地把握了。正如反饋概念的提出，大大推進了作用與反作用的研究那樣。

“超穩(wěn)定性”是艾什比獨創(chuàng)的概念。他在坎農(nóng)著名的思想“內(nèi)穩(wěn)態(tài)”基礎(chǔ)上，進一步升華提出了超穩(wěn)定系統(tǒng)。艾什比認為，當一個系統(tǒng)舊有的穩(wěn)定性不可避免地破壞時，如果有一種機制可以使穩(wěn)定性重新建立，那么，這種系統(tǒng)可以稱為“超穩(wěn)定系統(tǒng)”。他運用清晰的數(shù)學語言，給出超穩(wěn)定機制的結(jié)構(gòu)，并用它來理解生物體的學習功能。生物體適應(yīng)環(huán)境可以看作一種穩(wěn)定性，而學習正是生物體從不適應(yīng)(或者從不太適應(yīng))變?yōu)檫m應(yīng)(或更適應(yīng))的過程。超穩(wěn)定性就是理解這種過程的關(guān)鍵。超穩(wěn)定系統(tǒng)是《大腦設(shè)計》中的核心思想之一。深入理解它后，就對大腦的最基本行為——學習能力——可以獲得進一步的認識。

艾什比引進這兩個概念，對控制論是很有意義的。由于這兩個概念具有一般方法論的特點，它們不僅適用于研究大腦和生物體，而且原則上可以運用到任何復雜系統(tǒng)。艾什比的方法為控制論推廣到社會科學中去開辟了道路。我們知道，今天社會科學家碰到的困難，和當年生物學家碰到的困難有類似之處。如果從一切細節(jié)出發(fā)，比如從具體的經(jīng)濟過程、政治事件、文化、地理、人口資源以及人們的心理性格特征出發(fā)，就等于是以無窮多變化著的為起點來研究社會結(jié)構(gòu)，正如從生物體的一個個神經(jīng)元出發(fā)來理解學習功能一樣，問題會復雜得無從下手研究。一旦運用艾什比的方法，提出社會整體的宏觀模型，從模型總結(jié)機制，再從機制尋找相應(yīng)的重大因素，研究就將容易得多，也更具有科學性。

當然，艾什比并沒有作這種推廣，但《大腦設(shè)計》作為一本控制論的理論著作，它為這種推廣提供了出發(fā)點。從這些概念出發(fā)，可以用穩(wěn)定性來研究社會各個子系統(tǒng)之間的相互作用和適應(yīng)，以及適應(yīng)方式的變化，即社會演化過程。三十多年來，生物控制論、經(jīng)濟控制論、社會控制論蓬勃地發(fā)展起來。特別令人高興的是，近十幾年來，控制論方法已深入到歷史、地理、文學藝術(shù)等人們原來以為根本不能用自然科學方法研究的領(lǐng)域，并取得了有意義的成果。因此，今天我們用辯證唯物主義和歷史唯物主義的觀點來吸收控制論的思想和方法，特別是艾什比的研究成果，是一件有意義的工作。

《大腦設(shè)計》這本書有什么不足之處呢？任何一部科學著作都是一個時代人類思想的結(jié)晶，它也必然帶著那個時代人們思想方式所不可避免的局限性。從這個角度講，對于真正的科學著作，我們一般只講特點而無所謂“缺點”。但如果把它看作人類認識真理的遠征中一塊小小的里程碑，每一種理論的提出不過是開辟了新的思路。它有兩重任務(wù)：第一，使后繼者獲得較為正確的知識和方法，迅速地把他們引到探索的前沿；第二，它應(yīng)該指出那些作者還來不及走但應(yīng)該走的路，即提出這門學科在未來的新生長點。在《大腦設(shè)計》一書中，第一個任務(wù)完成得較好，對于第二個任務(wù)，它顯得有某些不足。

《大腦設(shè)計》是一本理論專著，但它基本上沒有涉及數(shù)理邏輯、元數(shù)學、遞歸過程，特別是哥德爾理論。而這些方面的理論，對于認識大腦和思維是十分重要的，即使是對于學習機制和適應(yīng)過程的研究來說，也不是沒有關(guān)系的。五十年代以后，自動機理論和哥德爾定理構(gòu)成了控制論基礎(chǔ)的重要方面。而這些方面的進展，至今為止看起來和艾什比的著作關(guān)系不大。也許，并不該責備艾什比，這本書是為生物學家寫的。直到今天，數(shù)理邏輯、自動機理論、哥德爾理論與大腦思維以及控制論的哲學基礎(chǔ)，它們之間究竟是什么關(guān)系，還沒有明確的結(jié)論，至今仍在探討之中。

本書第二個不足之處是忽略了對突變與漸變關(guān)系的探討。艾什比為了研究學習機制，把臺階函數(shù)引入了控制論。臺階函數(shù)即突變是超穩(wěn)定系統(tǒng)的重要組成部分。在超穩(wěn)定系統(tǒng)中，臺階函數(shù)的突變是受連續(xù)變化著的參數(shù)影響的，那么，連續(xù)變化與突變是什么關(guān)系呢？艾什比僅僅指出這取決于臨界點的分布，可惜艾什比并沒有去討論臨界點分布的規(guī)律。今天發(fā)現(xiàn)，事物的穩(wěn)定性、臺階函數(shù)的突變以及參數(shù)連續(xù)變化這三者之間有著深刻的聯(lián)系。雖然這三者都是艾什比體系中的重要概念，它們是超穩(wěn)定系統(tǒng)的有機組成部分，但艾什比卻沒有把它們之間更本質(zhì)的關(guān)系揭示出來。

科學發(fā)展的規(guī)律是，如果一本著作中沒有指出它自然萌發(fā)的新生長點，那么，就只有靠其他人來重新發(fā)現(xiàn)。確實，這方面的研究正好相應(yīng)著本世紀七十年代初出現(xiàn)的一門新學科分支的出現(xiàn)，這就是突變理論。人們會遺憾地讀到，艾什比已經(jīng)幾乎碰到這個新生長點了。在《大腦設(shè)計》7.17節(jié)中，他差不多談到了突變理論的基本思想，但他沒有重視。直到今天，隨著突變理論的廣泛應(yīng)用，表明它和艾什比的體系存在著一致性?？刂普撗芯空邞?yīng)該進行一種新的綜合：把突變理論的新成果與艾什比的理論統(tǒng)一起來。這樣，控制論就會有一個更為深厚的基礎(chǔ)。當然，我們不能因為這一點去譴責艾什比的疏忽。他畢竟不是數(shù)學家。三十年前，大部分科學家并不熟悉代數(shù)幾何和微分拓撲。我們在這里之所以要指出這一點，不過是想表明，今天許許多多新理論成果的涌現(xiàn)，都有可能成為現(xiàn)代控制理論的有機組成部分?？刂普撟鳛橐蛔陚サ倪吘墝W科大廈，雖已初具規(guī)模，但還未建成。

今天，繼續(xù)建設(shè)完善控制論理論大廈，并用控制論方法向社會科學、自然科學更廣闊的領(lǐng)域進軍，在我國也開始進行了。我們熱誠地希望:

“中國的控制論學者、特別是中青年研究者能夠站在艾什比工作的肩上！”

一九八四年四月