赛博理论的诞生前夕

夫唯兵者,不祥之器,物或恶之,故有道者不处。君子居则贵左,用兵则贵右;兵者不祥之器,非君子之器,不得已而用之,恬淡为上。

胜而不美,而美之者,是乐杀人。夫乐杀人者,则不可得志于天下矣。吉事尚左,凶事尚右;偏将军居左,上将军居右,言以丧礼处之。杀人之众,以悲哀泣之;战胜,以丧礼处之。——《老子》

战争与科技

虽然距离珍珠港事件爆发还有一年多时间,但是维纳和同事们都清楚,美国参与第二次世界大战是不可避免的结局,新的战争将提出前所未有的科学和技术挑战。

麻省理工学院副校长布什,一年前被调往华盛顿,担任卡内基研究院主任。这是一个私人基金会,致力于基础研究,它已经成为美国科学界的主要资助机构。布什在白宫会见了罗斯福总统。根据总统的行政命令,他接受任命组建新的国防研究委员会,并担任主任,负责启动并协调美国国防科学研究。

1940年9月,维纳给布什写了第一份备忘录,接下来的一段时间,他们之间都有书信往来。维纳回顾了他第一次世界大战期间在阿伯丁试验场工作的经历,总结了自己和很多科学家、工程师多次合作的得失,介绍了他正在和罗森布鲁斯讨论的关于跨学科科学研究价值的情况。他建议布什采取一个大胆的战争研发战略:“组建由不同学科领域的科学家组成的小型、机动的团队,联合开展技术攻关……将研究成果移交给一个开发团队,再一起攻克下一个难题。”

几个月后,布什再次和罗斯福总统会面,随即美国国会授权组建第二个研究机构——美国科学研究与发展局,属于独立的联邦机构,布什任主管。布什主管的国防研究委员会和美国科学研究与发展局一起协调6000名美国科学家从事和战争有关的科研活动,包括从事绝密的原子弹理论和技术研究的著名的“曼哈顿计划”。

二进制数字电子计算机

1940年9月11日,维纳给布什寄送备忘录的前10天,到新罕布什尔州的达特茅斯学院参加美国数学协会的夏末会议。会议期间,人们不再像平常那样闲聊学术问题,而是很严肃地讨论肆虐欧洲的战争冲突。

在会议室外的走廊里,有台电传打字机,这个技术展示吸引了维纳的注意力,它通过长途电话线同美国电话电报公司位于纽约总部的新型“复杂数字计算机”连接起来。机器的发明者是36岁的贝尔实验室数学家乔治·R.施蒂比茨。他向围观的人介绍了这台机器。看到这帮数学协会成员不怎么相信,他又进行了首次实际远程计算演示。

和布什的模拟微分分析机一样,斯蒂比茨为贝尔实验室建造的这台机器还不是真正的计算机,它没有内存,也没有处理逻辑操作指令程序的内部系统,但它朝这个方面迈出了一步——它是世界上首台数字电子计算机,处理的是离散量而不是连续量。它能够在一分钟内通过一排450个两位电话继电器开关进行复杂数字的基本数学运算。

观众中有两位马上理解了这台机器的意义。

  • 一位是宾夕法尼亚大学莫尔工程学院的约翰·莫奇利,他不久就和同事J.普雷斯伯·埃克特开始了第一台可编程数字电子计算机的研发工作,名为埃尼阿克(ENIAC)。
  • 另一位就是维纳。贝尔实验室模型1号继电器式计算机的生动演示,重新点燃了他关于自动计算的全部念头,自从在中国和李郁荣合作建造电子模拟计算机的努力失败后,他就雪藏了这个念头。

在1940年9月20日的一份长篇备忘录中,维纳将十多年前提供给布什的想法加以扩展,拟出五条指导计算机设计的简明指令。他的新指令是第一次对功能完善的现代计算机进行的描述,也可能是首套技术参数。

  • (数字)维纳声明,他偏向数字计算方法而不是模拟方法,他向布什建议说:“计算机设备应该是数值的……而不是基于度量的。”
  • (电子)他极力主张使用真空电子管,这是他自20年代以来一贯的看法,他强调“为了确保更快的速度”,计算机“应该依赖电子管,而不是齿轮或机械继电器”。几天前他看到的贝尔实验室的装置就是使用了齿轮或机械继电器。
  • (二进制)他衷心赞同施蒂比茨使用的“二进制计算方法……而不是十进制”,这也是维纳10年前首次用来处理一系列数学数据的方法。
  • (信息)接着,维纳提议使用新的电子记忆系统,采用在线圈或金属磁带上记录微观电磁痕迹的方式,给新的计算机提供“新的数据储存设备,能够很快地记录数据,可靠地保存、读取和删除数据,并且很容易被调用来存储新的数据”。
  • (计算)最后,维纳用了很大的篇幅呼吁发明计算机软件,通过逻辑指令程序指导计算机进行运算,但是当时在他的脑海里,程序的概念更多是硬件的而不是软件的。

维纳向布什明确表示,这些建议不是他脑子里冒出的虚无缥缈的概念,而是具体可行的想法,有实际的计算方法作为基础,全世界的数学家和工程师都在对这些计算方法进行理论和样本试验上的探索。

英国数学家艾伦·图灵在1936年写的一篇论文中提出关于可以进行数字计算的“通用”机器的假设,美国工程师、艾奥瓦州立大学的约翰·V.阿塔纳索夫1939年建造了一个具有上述特征的原型机。但是,维纳是第一个将这些分散的概念整合在一起,具体提出建造具有内部逻辑程序的全电子计算机建议的人。

整个运算顺序被设置在机器本身,这样从数据被输入到产生最终计算结果,都不需要人的干预,所有必需的逻辑决策都被内置在机器本身。——维纳

控制理论

1940年秋天,欧洲局势发生了不祥的转变。不列颠之战初期,德国实行闪电战,在夜间轰炸英格兰广大乡村地区的城镇,现在转而集中力量对伦敦进行狂轰滥炸,这在后来被称为伦敦大轰炸。

几个星期之内,关于国防研究委员会新研究项目的消息在布什召集的科学家中间悄悄传开,维纳也找到了他战时研究工作的新挑战,即发明一种更好的方法来引导和控制防空炮火。他没有对外宣布,开始低调地展开研究工作。像国防研究委员会的每一个研究项目一样,这是一项秘密研究工作,受战时严格的安全规则限制。

1940年圣诞节前夕,麻省理工学院的一位年轻员工,朱利安·比奇洛被招到工程系主任卡尔·怀尔兹的办公室。比奇洛回忆说:“他说,‘你不能去参军。我们这里需要你和维纳一起工作,你要弄清楚他试图干什么,或者他实际在干什么。没有人知道他在说什么’。”

1941年年初,两人借用了2号楼2楼数学系的244空教室,开始在黑板上工作起来。

  • 维纳自言自语道:“在某种程度上,这纯粹是个几何问题。飞机的未来位置只能通过观察它过去的位置才能确定,这是一个我们称为外推法的问题。最简单的方法是沿着一条直线外推飞机当前的飞行线路。”
  • 但是那种方法有个很明显的问题。维纳注意到,一旦遭受第一波防空炮火攻击,飞行员就“很可能会之字形飞行,做特技动作,或者采取规避动作”。于是,他画了一条分割线,以一系列小角度的之字形不断突然变换方向。
  • 于是,维纳陷入沉思:“飞行员并不能随心所欲地做各种飞行动作。首先,他是坐在一架高速飞行的飞机上,大幅度突然偏离飞行轨道会让他失去意识,也可能使飞机解体。其次,只能通过移动操纵面才能控制飞机,飞机需要的新气流状态也需要一定时间才能达到。”维纳很容易就理解了比奇洛讲解的航空动力学道理,他擦去黑板上那条曲曲折折的分割线,画了一条更为平滑的波浪曲线。比奇洛对此印象深刻。
  • 这样,尽管飞机的飞行路线是高度不规则的,但并不是完全变幻莫测的。黑板上的那些波动的曲线对维纳来说再熟悉不过了。他用一种罕见的语气轻描淡写地说:“事实上,是有办法来完成准确预测这项小小的任务的。”

经过5个月的研究和理论探讨后,维纳的监督者韦弗召集维纳、比奇洛和贝尔实验室的一帮工程师开会,他们也在研究火控问题。贝尔实验室的工程师依然采用老式的工程思维方式,依然使用第一次世界大战期间防空观察员和手工绘图员使用的线性预测公式。比奇洛证实说:“他们使用的公式根本没有考虑随机变量,也没有考虑规避行为,更没有考虑设置飞机飞行线路的自然曲度。”

韦弗有一种预感,麻省理工学院的这两位科学家已经找到了更好的办法。但是和维纳预料的一样,在这种冷漠、充满技术官僚气氛的环境中,贝尔团队拒绝接受维纳的非常规方法。贝尔实验室的工程师心怀疑虑,他们不能完全理解维纳的统计方法。比奇洛承认:“他们都是很聪明的人,理解他的目的,但是不相信可能飞行轨迹曲线集合的存在,并且从中找出最可能的一条。”

当然,20年前,维纳就已经证明了这种曲线集合的存在,他还用自己的名字命名了它。但是,贝尔实验室的数学家和工程师还不能接受维纳的集合和他的新数学思维模式。

如果不确定性的错误和过度敏感的错误总是背道而驰,那么我们要依据什么在这两种错误之间达成妥协呢?答案是,我们只能在统计的基础上实现这种妥协。——维纳

信息理论

1941年12月,日本偷袭珍珠港,对维纳而言,“它让人感到意外,但更多是羞耻和屈辱”。这之前好几个月,他和很多美国人一样,一直感觉到“太平洋上要出大事”。当战争真的发生时,维纳和他的同事开始全力以赴,拼命工作。

1942年2月1日,他向国防研究委员会寄送了第一份正式报告,这也是他为自己的战时项目写的唯一技术文件。这部120页的手稿有个神秘、拗口的题目——《外推法、内推法和平稳时间序列平滑法》。

当报告送到韦弗手中时,他马上将手稿进行加密分类,包上亮黄色的封面,并分发给一些经过挑选的战时科学家和工程师,他们都具有必要的安全许可。不久,他们都表现出对这份气势不凡的文件的歧视,并称之为维纳的“黄祸”(Yellow Peril)。

在这份充满理论和复杂方程的文件里,维纳陈述了他独创性的防空炮火预测新方法的具体细节,清楚地解释了他的新统计方法。

  • 外推法,通过观察物体过去的位置预测它将来的位置。
  • 内插法,预计物体在两个已知观察点之间的位置。
  • 改进型平滑法,将一系列观察点组成的参差不齐或非连续的线经过平滑或者过滤处理,变成准确、连续、更为有用的数学方程式。

他的新火控理论本身是一项重大成就,但是维纳这份被歧视的报告远远超越了防空炮火控制的范围,它重新定义了“控制”的整个概念。维纳这篇令人眼花缭乱的论文很清楚地向他的战时同事表明,一场技术革命,即使算不上是彻底的科学革命,也即将来临。

维纳受歧视的报告的历史性贡献是确定了通信工程的不同领域,并将它们联合起来,不管不同等级的工程师是否愿意。他将通信和控制这门更大的技术科学整体定义为“信息和信息传输的科学”。

他还取得了关键性的概念突破,提出信息通信不局限于“人类有意识地努力传递思想”。维纳写道,控制电动马达,自动调节的“伺服机构”——第一批自动化工业机器的技术术语——或者任何机械或电动装置的信号“也是信息,而且……属于通信工程领域”。

在确定了通信所有领域的基础单位后,维纳为他的新科学做出最后一个极其重要的区分。他先描述了信息的属性,这是所有“信息传输”设备共同处理的对象,是一种不可捉摸的商品,接着他使用电话工程师已经开始使用的一种新技术方法,来描述如何测量信息传输的效率。他用最基本的术语来描述,特定信息从一个更大的“可能信息的度量和概率”中产生的数学可能性——这个度量最终被称为“比特”。

最后,他总结了20多年的开拓性研究工作,并提出一个将指导所有领域的通信工程师工作的原则:“这些信息将普遍具有统计学属性。”

最伟大的成就

最终,维纳基于统计的射击指挥仪没能用于战场,但是这位高度近视的数学家为防空火力科学和艺术做出了重要贡献,而在第一次世界大战期间,他还年轻时,他甚至不能用步枪“射中一排谷仓中的一个”。

除此以外,和他早期从事的数学研究工作、开创性的电子电路和过滤器等其他理论研究一样,维纳战争期间所从事的研究工作证明了工程师的知识是有限的,他们也有不知道的东西。他研究通信和自动控制系统的方法最终取得了成功,在整个通信工程领域,以及设计雷达系统、伺服机构方面是首选的方法。

然而,战争期间,维纳的手稿处于被封锁的状态,像他战争期间所做的贡献一样,他在通信理论上的开创性工作只有国防研究委员会这个小圈子里被政府许可的科学家和工程师了解。

年轻数学家克劳德·香农是这个小圈子的成员之一,他经常光顾维纳的2–244实验室,他刚从麻省理工学院博士毕业,被贝尔实验室录用,同时参与两个团队的研究工作,一个是贝尔实验室的火控研究团队,另一个团队的任务是为战时通信设计开发安全的密码程序。他后来发表了一篇有重大影响的论文,被认为是信息理论的奠基之作。

战争早期,香农找到维纳,跟着他在源头学习新通信理论。两人见面时比奇洛也在场,比奇洛观察到维纳差不多全盘将自己的想法告诉了这位年轻的同事。比奇洛记得多次看见两人一起在黑板上研究公式。比奇洛相信,这些公式奠定了香农自己理论的基础,他的理论将成为信息时代数学和电子工程的基石。

维纳毫不吝啬地和香农分享了自己的思想,他对所有有天赋、对他的研究真正有兴趣的年轻学生都是这样。但是,不久,香农的频繁拜访耗尽了维纳的慷慨。维纳说:“他是来采摘我的头脑的。”维纳不想见他,躲着他。他担心别人盗用他的想法,从他的研究工作中获利。

1945年春,维纳告诉一位同事他得了“战争疲劳征”。8月,第一枚原子弹在日本投下,维纳焦虑不安,他尤其“憎恶对亚洲人使用原子弹所表现出来的傲慢”。

到那时,维纳和国防项目已经没有任何关系了。1944年5月,在他的战时保密项目结束一年多后,他的老朋友布什给他写信,正式解除他和战争动员的关系。这个生硬的样板文件承认了他“战争早期所提供的帮助”,解释了“被录用者定期核查,不被录用的人员将被除名”的官僚程序,最后感谢他“杰出的合作”。

可是,他最伟大的成就还在后面呢。

关于赛博理论的诞生,可参见赛博理论的梅西会议