参考资料:
时代的叛徒,未来的使者
2018年6月中旬,我应邀赴斯德哥尔摩参加瑞典皇家理工学院的一次博士论文答辩。答辩开始之前,我问参会的其他教授:“维纳死在哪里?”没想到,来自欧美五国的五位同事和当地的教授不但不知道,有的还反问:“Who is Norbert Wiener?”(谁是诺伯特·维纳?)原来,这里没人知道赛博理论之父——鼎鼎大名的诺伯特·维纳教授,更不知道他就死在这座校园里。
其实,纵观维纳的一生,悲剧是其褪不掉的底色。维纳猝死之后,他的批评者说,其瑞典之行是“觊觎诺贝尔奖”的一次游说之旅;但支持者则反驳道,维纳访问瑞典就是为了传播赛博理论,而不是去游说诺贝尔奖委员会的。他们都忘了或者根本就不知道,维纳的工作曾经直接帮助四人获得了三个诺贝尔奖——玻恩(获得1954年物理学奖)、海森堡(获得1932年物理学奖)、沃森和克里克(获得1962年生理学或医学奖)。
1925年,玻恩曾亲赴麻省理工学院,直接和维纳合作。他需要依靠维纳的帮助,来调和摇摇欲坠的原子粒子模型与突如其来的波函数之间的关系。尽管两人合作发表的论文奠定了量子力学的基础,但玻恩承认他没有完全理解维纳的计算方法,也“几乎没有接受”维纳的波函数理论的核心概念。然而,数年后,玻恩因“对波函数的统计阐释”获得了诺贝尔奖,他曾公开承认维纳是“卓越的合作者”。关于量子力学、波函数,可参见量子化的物质波
1927年,玻恩的学生海森堡运用维纳“几年前……在哥廷根介绍过”的谐波分析方法推导出了著名的测不准原理,并因此获得诺贝尔奖。按照维纳自己的说法,他10岁时完成的第一篇哲学论文《无知理论》就讨论了所有知识的不完整性,这成了他终生坚持的理念,而海森堡的测不准原理不过是这一理论的一个具体体现而已。关于量子力学、调和分析,可参见HiFi和量子力学——测不准原理
1951年,年轻的沃森来到剑桥大学,此时,维纳的赛博理论在英国的影响达到高潮,这使沃森和克里克产生了利用赛博理论分析DNA(脱氧核糖核酸)分子结构的想法。1953年,他们给《自然》杂志写信,提出“赛博理论将在细菌层面的研究领域发挥重要作用”的推断。几周后,他们公布了DNA的分子结构与模型,并因此获得诺贝尔奖。克里克随后正式提出“信息是生物系统的一项基本属性”的观点,清晰地揭示了生命的新奥秘,但其运用的模式和“10年前维纳提出的模式惊人地相似”。关于DNA、信息,可参见生命演化的计算原理
面对这些诺贝尔奖,无人知道维纳内心的真实感受,他是否认为自己也应该获得诺贝尔奖呢?世人不得而知。可以确定的一点是,维纳觉得世人没有给他应得的赞扬,这是他患上狂躁抑郁性精神病的重要原因之一,维纳终生受其所害。关于躁郁症,可参见双相障碍
计算机
众所周知,今天我们看到的计算机都是基于所谓的“冯·诺伊曼体系结构”设计制造的,但其真名应该是“维纳-冯·诺伊曼体系结构”还是“冯·诺伊曼体系结构”?维纳从20世纪20年代初就开始进行现代计算机的研究,早于目前已知的绝大多数现代计算机先驱。他于1925年秋与麻省理工学院工程系的新秀、第二次世界大战时的美国军事科研领袖布什进行了合作。布什在战后以《科学 无尽的前沿》一书而闻名于世。
1936年,维纳曾来清华大学任教,同他的第一个博士毕业生李郁荣教授一起提出了离散计算机的设想,并安排清华大学向麻省理工学院购买相应设备器件,希望进行实验,可惜因种种原因被时任麻省理工学院院长的布什否定。美国参加第二次世界大战后,维纳于1940年再次向布什提出现代计算机设计的“五项原则”,但依然没有得到回应。
冯·诺伊曼最初参加赛博理论的梅西会议,主要目的就是了解维纳关于计算机设计的构想,这让维纳十分兴奋,产生了把冯·诺伊曼从普林斯顿大学“挖”到麻省理工学院做数学系主任的想法,并立即付诸行动。为此,维纳于1944年底将美国研究电子计算和相关技术领域的顶级数学家,以及人工神经元网络计算的主要理论专家召集起来,与冯·诺伊曼在普林斯顿大学开了为期两天的会。后来,还把他在这一方面最得力的助手介绍给冯·诺伊曼,推进相关工作。
终于在1945年6月底,他们正式提出了今天被称为“冯·诺伊曼体系结构”的现代计算机体系结构。按照冯·诺伊曼自己的描述,其计算机是第一台“将维纳提交给布什的五项原则整合为一的机器”。这就是美国军方和学界有人认为,“冯·诺伊曼体系结构”的真名应该是“维纳-冯·诺伊曼体系结构”的原因。然而,计算机界人士没有此种看法。
信息论
现代信息论之父是香农还是维纳?这可能是最让维纳伤心与悲愤的问题。维纳自其学术生涯之始,就萌生了现代通信与信息论的思想,一直把自己视为信息时代的“先驱和引路人”。
第二次世界大战期间,他像帮助自己的学生一样,毫无保留地帮助已经毕业但不断来麻省理工学院找他答疑的香农,特别是关于熵的研究,但最后却拒绝再见香农,因为他觉得香农是来“挖他脑浆”的。最让维纳恼火的是,他关于现代通信与信息论最核心的研究和成果,被香农的上司(一位数学家)束之高阁,划为“绝密”材料归档,而且轻蔑地将其称为“黄祸”,只有极少数人才可以看到。
更可气的是,香农与他的这位上司抢在维纳之前发表了著名的《通信的数学理论》,成为现代通信和信息论的奠基之作。而维纳因为签署了保密条约,迟迟无法发表自己的成果。这也是至今还有人为他愤愤不平,认为维纳才是真正的信息论之父的原因。关于通信的数学理论,可参见信噪比和位深
有人认为香农的熵只是把维纳的熵改了正负号重新解释,这相当于没改,香农主要是靠重新解释和转述他人的成果而出名,从布尔代数到维纳的信息论都是如此。香农也承认自己的“新数学理论的一些中心观点要归功于维纳”,而且“明确地说,通信理论的提出,在很大程度上要归功于维纳的基本哲学和理论”。
香农晚年否认了“‘信息论’这个词是由他创造的”,他的夫人进一步解释道:“‘这件事’让香农烦恼过好几次,但到那时,他也无法控制了。”在相当大的程度上,维纳就是因为信息论这个词被人占用而发明了“赛博理论”一词,维纳试图挽回局面。而且,信息论里面除了通信、信息,还添加了智能这一研究领域,但却少了控制这一研究领域。
AI
AI的英语原名是否就是“Cybernetics”(赛博理论)?维纳对AI的起步与发展到底做出了多大的贡献?这是一个极其复杂但又十分有趣的问题。我无法回答,但我知道,维纳自己也不知道他做出了多大贡献。维纳的思路与方法,直到今天才发挥作用,并将在未来的类脑智能、类人智能和社会智能研究中发挥更加重要的作用。
说维纳是主流AI领域的“叛徒”,是因为他背弃了自己从业初期以逻辑分析开路的主流逻辑智能道路,回到少年时代以动物生理研究和计算手段研究AI的初心。在他的理念赢得一大批人,特别是青年学者的支持后,他的“循环因果论”又引起了学者的重视。
麦卡洛克和皮茨因此坚信,大脑的神经元网络连接就是头尾相连的生物。他们于1943年提出“人工神经元”计算模型,开辟了计算智能和认知科学的新时代。然而维纳却又一次“背叛”了自己的追随者,在毫无警示的情况下与麦卡洛克和皮茨等人决裂,致使“金三角”分道扬镳。这就是AI史上无人愿意提及的一段黑暗历史。
“离维纳的赛博理论越远越好”,这就是当时提出“AI”一词的青年人麦卡锡的想法,他曾在“赛博理论”和“自动机”两个词之间犹豫不决,最后选择了“AI”一词。麦卡锡1948年在加州理工大学读书时因听冯·诺依曼讲维纳的认知和赛博理论而萌生了研究智能计算的想法,后来他表示:“AI本应叫赛博理论,或智能自动化。”这正是20世纪40年代末到60年代初流行的“自动智能”“自动计算”思想。
可惜,没有维纳的参与,面对新生的AI,作为源头的赛博理论很快就在“较量中败下阵来,不仅没有得到资金的支持,还失去了自己的地盘”。但“维纳的科学在科技新时代更广阔的领域赢得了人心”。深度学习和AlphaGo(阿尔法狗)的成功,在相当程度上证明了维纳的远见,更重要的是,证明了维纳的认识对未来智能的影响。
如果用当下AI领域流行的话来说,那么我对维纳的评价应该是这样的:我不知道自己是否知道维纳是何人,但我知道,自己真的不知道维纳对科技领域,特别是智能科技领域的贡献有多大。我认为这个世界对维纳最大的不公就是把布什列为互联网的第一位先驱。现代通信和网络技术的真正奠基人和赛博空间的创造者其实是维纳。在相当程度上,诺伯特·维纳就是时代黑暗的叛徒,未来光明的使者。关于互联网,可参见Internet –> Web
肤浅意味着遗忘,深刻意味着记忆。——佚名
赛博理论的起点在清华大学?
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,维纳在创立赛博理论前夕,到北京工作了一年,这是当年清华的一件盛事。在他的自传中,把这一年说成是对赛博理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麻省理工学院的一样完善。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。”
数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贻琦校长的邀请,“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。哈达玛和维纳的讲学是这期间清华大学最重大的学术事件。
1935-1936年间,维纳接受了已学成回国在清华大学电机系任职的李郁荣的建议和推荐,并获得了清华大学校长梅贻琦以及数学系主任熊庆来的邀请,来到了北京,在清华大学同时出任数学系和电机系客座教授。
期间,他在数学系和李郁荣合作研究Fourier变换数学滤波器,于是后来有了维纳滤波器,这项研究还让他获得了一项发明专利。维纳滤波器是当时线性滤波和预测理论中最为重要的科学成果,成为后来通信理论及其工程应用发展的关键。关于滤波器,可参见Wiener滤波和Kalman滤波
他又和李郁荣一道与工学院院长、另一名麻省理工学院博士海归顾毓琇合作,研究模拟计算机的数字化。1940年,基于在清华与李郁荣和顾毓琇的合作研究成果,维纳给罗斯福总统的科学顾问布什写了一封长信,提出了设计新型电子计算机的几条原则——不采用模拟程式而利用数字程式;使用电子元件而非机械部件;采用二进制而不是十进制;在机内存放数据和计算表格,等等。
布什当年在麻省理工学院任职,是李郁荣的博士导师。作为国家科学顾问和曼哈顿计划的推手,布什当然十分明白并赞同维纳的想法。但布什却没有向维纳提供相应的科研经费,因为他不认为这个庞大的计划有可能在二战结束之前完成。后来布什很快就发现自己错了——历史上第一台高速数字电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)于1945年在宾夕法尼亚大学电子工程系的实验室诞生。由游戏引擎的起源可知,数字电子计算机的早期开发者是麻省理工学院的先驱,然后是硅谷和斯坦福的接力者。
维纳非常珍惜他在清华的这段经历。他在1954年出版的《我是一个数学家》书中说,他宁愿选择在清华大学任职客座教授的1935年作为他后来创立赛博理论的起点——看来他当时在清华已经有了关于赛博理论的基本构思。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。
维纳在清华期间还和华罗庚结为好友。1936年,华罗庚获得中华文化教育基金会每年1200美元的乙类资助,可以作为访问学者去英国剑桥大学进修,维纳便亲自写信把华罗庚推荐给了哈代。维纳回国后,又鼓动普林斯顿的冯·诺伊曼去清华访问。当时冯·诺伊曼夫妇很感兴趣,于是维纳正式向梅贻琦、熊庆来以及李郁荣分别写了推荐信。可惜两个月后抗日战争爆发,全盘计划化为乌有。
1948年,维纳的Cybernetics出版了,书名来自希腊语κυβερνήτης(kybernḗtēs),原意是舵手或调速器,人们将其译为“赛博理论”,一门新兴学科由此诞生。在Cybernetics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。”
在中国,Cybernetics也叫做控制论,它源于钱学森的Engineering Cybernetics翻译为工程控制论。实际上,赛博理论包含更多内容