论维纳的偶然性宇宙观，本文主要内容关键词为：宇宙观论文,偶然性论文,维纳论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
控制论创始人维纳(Norbert Wiener,1894—1964)作为一位“自动化时代的哲学家”，对偶然性宇宙观的信仰与探索，对统计方法的阐发和倡导，深刻地影响了20世纪科学家的科学思想方法，改变了世界科学的图景。正如他当年所指出的，偶然性的宇宙观必将对科学方法和哲学认识论产生深远影响。因此，分析探讨维纳的这一思想，无疑具有重要意义。
一、经典统计论
严格决定论是机械论科学思维方式的主要特点。这种思维方式把组成物质的最终实体作为自己的考察对象，而科学所要解决的基本上是带有两个变量的问题，确定为数不多的客体之间的因果序列。在严格决定性理论中，所有的概念和联系都被认为是属于同一层次中的东西，都可以精确表述它们之间的关系。大自然的规律是数学规律，上帝是几何学家。
追溯科学发展和人类认识的历史，维纳指出，严格决定论的科学思维方式远在古巴比伦时代，在最古老的天文学中就出现了。这门合乎理想的单纯的科学告诉人们，在过去和未来若干年代中，日食、月食等现象都是在可预测的周期中出现的。太阳系中发生的一切事件的模型，都像是一个轮子或几个轮子在转动。无论在托勒密的本轮说中或在哥白尼的轨道说中都是如此，天体的音乐顺唱和倒唱都是一样的。除了初始位置和方向外，顺转和逆转的两个太阳仪之间的运动没有任何差别，它们都是被严格决定了的。最后，这一切被牛顿归结为一组抽象公设并推演出一门严格的力学。
牛顿力学的巨大成功使严格决定论成为近代科学对客观世界认识和解释的基础与框架，并深刻地影响了近代的哲学。正如维纳所说，从17世纪末到19世纪末，牛顿物理学一直独霸天下，几乎无人反对。它把宇宙描写成一切都是按照某种定律精确地发生的。宇宙是一台结构严密的机器，未来的一切都是由过去的一切严格决定的。
随着科学不断向纵深发展，严格决定论的局限性日益暴露并陷入深刻的矛盾之中。维纳尖锐地指出，没有一门科学完全符合严格的牛顿式样。牛顿力学在很大程度上只是对世界的一种看法。即便天文学也存在耗散系统。用维纳的话来说，引力天文学也有逐渐衰减的摩擦过程。亿万年的潮汐演化现象使太阳系的面貌发生了巨大的变化，只不过在人类存在的短暂的宇宙瞬间，与作为刚体运动的行星运动比较起来其影响微乎其微。维纳还揭示，即使在牛顿的著作中也隐含着重要的统计思想：我们永远都不可能完全精确地给定力学系统的初始位置和动量，我们只知道它的某种分布。因此，实用物理学不能不考虑事件的不确定性和偶然性。
维纳敏锐地看出，达尔文的进化论可以说是最先将思维的概率性引入研究中的实验科学理论。达尔文关于自然选择、物种变异的思想，给偶然性以不可替代的地位。尽管它的理论尚不可能利用缜密的科学分析工具，一开始只有比较粗糙的形态，不像一块在创造性的艺术家手下变成完美雕像的大理石，而像那些点缀在犹地(uath)城山峪谷上的风蚀的沙岩柱。维纳以查理·达尔文研究进化论、他的儿子乔治·达尔文研究潮汐进化论、他的孙子查理爵士研究量子力学这一事实，说明统计的、进化的观点正在渗透到科学的各个领域。
维纳强调，为摧毁严格决定论垄断地位作出最大贡献的是波尔茨曼和吉布斯。虽然在他们之前麦克斯韦等人已经考虑过，大量粒子所组成的世界只能用统计方法来处理，但是彻底应用一种令人鼓舞的新思想，把统计学更彻底地引入物理学，使统计方法不仅对极其复杂的系统有效，而且对于像力场中的单个粒子这种简单系统也有效的，则是波尔茨曼和吉布斯的贡献。这次革命的结果，使得今天的物理学已不再处理那些必然的事情，而是处理那些可能发生的事情了。此后物理学中就破除了或者修改了牛顿体系的严格基础，而吉布斯的偶然性就极其明显地成了物理学的全部基础。基于上述看法，维纳称吉布斯是统计思想方法的“精神之父”，并把20世纪物理学的第一次大革命首先归功于吉布斯，而不是爱因斯坦、海森伯或普朗克。
事实上，概率论作为一门抽象的数学理论，从17世纪以来就得到了迅速发展，随后进入自然科学许多学科，成为表达相应客观物理过程的有效工具。但是古典概率论的奠基者们虽然研究了大量的随机现象，却拒绝承认偶然性的合法地位。拉普拉斯本人对概率论有很大贡献，但作为严格决定论的代表人物，他认为概率问题的出现是因为我们的知识不完善。20世纪的科学泰斗爱因斯坦虽然在量子领域作出了十分重要的统计理论的开创工作，但在哲学自然观上仍然固守经典的严格决定论。
维纳指出，爱因斯坦的相对论同吉布斯的统计力学形成强烈的对照。因为爱因斯坦与牛顿一样，基本上还是依赖于绝对严密的力学，没有引进概率的观点。而吉布斯正好相反，他的研究从一开始就是概率性的。在吉布斯看来，当一个动力系统像一个陀螺自由地自旋那样按其自身的规律发展时，其情况酷似流体的流动。吉布斯把这种流动作为一种几率的流动。一个粒子在一个时刻上处于这种特殊空间的一给定区域中的几率，跟它在随后一个时刻上处于先前已流入过的那个相应区域中的几率相等。
因此，典型的流动方程不再是牛顿力学传统观点包含速率的常微分方程组，而是一组积分方程。这些积分方程以这样的方式把过去的分布同将来的分布关联起来，即若把不同的过去分布叠加起来，也就等于是把相应的未来分布叠加了起来。这是一个输出的同输入的相一致的线性系统。
吉布斯的统计方法不仅在较复杂的情况下远比牛顿方法容易，而且从逻辑观点上看要比牛顿方法优越。牛顿物理学进行不精确的观察，给它们以不存在的精确度；计算这些不精确的观察应当导致的结果，然后将这些结果的精确度与原始数据的不精确度拉平。而吉布斯则以严格的精确水平来处理观察到的不精确的数据，并试图不经过任何完全确认这些数据的阶段来计算这些不完全精确的结果。
然而吉布斯的统计观点还存在不足。维纳指出，第一，吉布斯本人的工作是把偶然性观点叠加在牛顿体系上的，他只研究服从全部牛顿的那些系统的概率。吉布斯的理论实质是新的，但其相应的一些考虑同牛顿却是一样的。第二，由于吉布斯所需要的概率理论还远未出现，他的统计力学缺乏数学严格性。第三，吉布斯没有充分估计到新理论的哲学价值。总之，吉布斯的统计力学还是一种有限制的决定论即经典统计论，他所开创的工作亟待后人去完成。
维纳极为重视探究20世纪初科学思维方式从严格决定论向经典统计论的变换。因为正如微观世界的物质运动规律无法借助牛顿力学来反映与揭示一样，通讯与控制理论所面对的问题也不能基于传统方法来解决。自动控制系统的特点在于它能根据周围环境的某些变化来决定和调整自己的运动。因此要建立关于自动控制的理论，不突破传统的思维方式，不摆脱拉普拉斯决定论，是绝对不可能的。维纳指出灵敏自动机的理论是一个统计的理论，通讯工程的机器根据单独一次输入而产生的动作是不会使人感到兴趣的。这种机器若要充分发挥作用，它就必须对全部输入都作出令人满意的动作。这也就是说，对一类从统计上预期要收到的输入作出统计上令人满意的动作。它的理论应该属于吉布斯统计力学的范围，而不应当属于牛顿力学的范围。正是在这个意义上，维纳把产生控制论的思想萌芽追溯到1919年。这一年他开始了概率论的研究，并在随后的岁月里对数学和哲学都作出了独特的贡献。
二、偶然性宇宙观
维纳在统计思想上的独特贡献，首先在于他作为一个数学家有力地推进了概率论的研究，完善并发展了随机性数学模型，并创造性地运用于量子理论，运用于信息与控制理论，进而从哲学自然观上揭示了偶然性世界图景，揭示了我们同宇宙关系更为普遍、更为基本的客观规律，确立了新的科学思维方式，改变了科学界对偶然性的认识。
严格决定论是与确定性数学模型相联系的。产生于16—17世纪的近代科学革命，把数学方法成功地运用于物理学。然而，从伽利略到牛顿用于描述物理世界的工具只能是确定性数学模型。从19世纪以来，变革与取代严格决定论的数学思想逐步走向成熟。维纳敏锐地发现，20世纪早期数学发生了具有历史意义的变化，趋向于一个更加复杂的世界观。牛顿、莱布尼茨的简易微积分，讨论的是点和依赖于点的变量，而今要研究曲线的不规则行为：“曲线世界有着比点的世界更为丰富的组织结构。洞悉这全部丰富内容的任务留给了20世纪。”(维纳，1987年，第19页)
作为吉布斯的后继者，维纳面临的课题是：要把概率的概念推广到包括这样的概率，在那里所研究的各种偶然事件不是用平面上的点或空间中的点来表示，而是用空间中轨线那样的东西来表示。这样勒贝格积分便成了维纳孕育或然性思想并取代严格决定论的理论前提。这一随机性数学模型的革命性功能可以借用法国数学家皮卡德的一句话加以说明：如果牛顿和莱布尼茨想到过连续函数不一定有导数——而这却是一般情形——那么微分学就决不会被创造出来。
人们大多忽略了维纳的统计思想对推动量子力学实际发展的重要作用。这也许是因为维纳涉猎量子力学的时间短暂，而当年这个领域上众星灿烂、人才辈出；或者是因为创立控制论的辉煌业绩掩盖了他在相距甚远的科学领域所作出的贡献。事实上维纳在1922、1924、1925年三次访问哥廷根大学，他的统计新观念、他关于广义调和分析的工作都使人们十分感兴趣，并引起了密切注意。维纳就他的研究所作的讲演深受欢迎。当年正致力于物理学研究的数学大师希尔伯特尤其对广义调和分析的问题表现出极大的兴趣。维纳关于调和分析的悖论也像量子论一样，其中关于普通量值的那些定律并不连续下降到非常小的范围。他的这一观点同在哥廷根勃兴的日后被称为量子力学的那些新的物理思想非常合拍。几年后，海森伯提出了著名的测不准原理。他指出，一个粒子在位置可以用高的精确度来测量的那些条件下，动量就只能以低的精确度加以测量，反之亦然。维纳认为，测不准原理与他所揭示调和分析的悖论在本质上是完全相同的。“事实上海森伯终于用我至少五年之前就已介绍给哥廷根大学的那种调和分析来解释它。”(同上，第84页)
量子力学统计诠释的提出者玻恩曾希望维纳提供帮助，将离散的矩阵力学推广成带有连续性，以便同光谱连续部分的连续性相当。这一工作是高度抽象、高度专门性的，维纳成功地把现成的矩阵推广成算符的形式。自此，算符就一直是量子论的一个不可缺少的部分，它证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性。差不多同时，英国的狄拉克也独立地引进了算符。
量子力学理论是典型的或然性规律。由于测不准原理，量子力学中所得到的几率是作为波函数的模的平方出现的，它不同于宏观世界大量现象的领域。这里有一定的统计规律性，遵循这些规律性便可在一定程度上预见个别现象的概率。量子力学的态，表征的是微观客体所固有的潜在可能性、客观地存在的倾向或趋向。而从潜在到现实的生成又要同无穷多的、同客体密切程度各不相同的内部外部条件相联系，是以随机的形式出现的。
或然性规律的确立，是20世纪科学思维方式的一次重大的规范变换。维纳指出，海森伯的巨大贡献就在于他用或然性的世界代替了吉布斯的仍然是准牛顿式的世界。虽然不少著作还在继续进行这场争论，爱因斯坦和德·布罗意在某些方面仍然坚持认为一个严格的决定论世界要比一个偶然性的世界更能被人们接受，但是这些大科学家在同占压倒优势的年轻一代的斗争中只能勉强守住阵脚了。
二战期间，维纳从事了设计高炮射击装置的研究，其基本目标就是给高射炮的射击控制系统配备一种相当于射程表的机械装置，它将自动地使高射炮获得对飞机的必要提前量，以便使炮弹击中飞机。因此维纳所要解决的问题，一是飞行曲线的预测理论，二是实现这个理论的装置。
根据飞机过去一系列的位置及速度的数据来预测其未来位置、方向及速度，维纳称这为时间序列的外推问题。他指出，最优预测问题的解决取决于要加以预测的时间序列的统计性质。运用多年来概率论研究的成果，维纳设计了一种统计模型，给出使成功的概率达到最大的精确含义。
维纳思想的发展远远超出了他的原始动机。他把统计思想进一步推向整个科学的广大领域，把通讯工程变成为一门统计科学，变成为统计力学的一个分支，揭示了一切科学的统计本质，并指出：“它在哲学上是正确的，而且它可望改变精密和半精密科学的整个面貌。”(维纳，1987年，第219页)的确，在维纳表述这一思想的几年前，他已经提出过宇宙是一个偶然性的宇宙。在《人当作人来使用》一书中，他写了一篇序言，标题就是“偶然性宇宙的观念”。他认为偶然性是宇宙本身结构的基本要素，它是随机的、不完善的、甚至不合乎理性的。他说：“从总体来看，在概率性的世界中，我们处理的不再是涉及一个特定的真实宇宙的数量和陈述，取而代之的是提出一些问题，这些问题在大量相似的宇宙中可以找到答案。因此，偶然性就不仅成为物理学的数学工具被接受下来，而且成了物理学的一个不可分割的组成部分。”(同上，第7页)
彻里教授认为，维纳对通信领域的主要贡献，在于他把整个通信和控制问题建立在统计观念的基础上。维纳从电滤波器中的噪声与消息问题中，独立地建立了一个关于信息量的统计理论。在这个理论中，单位信息量就是对具有相等概念的二中择一的事物作出单一选择时所传递出去的信息。
维纳认为，完全信息里没有可度量的东西：如果世界只有必然性，那就不存在信息和通信了，同样也不存在控制了。因为在这个世界里一切都井然有序而又必然，熵就到处为零，就无所谓熵或不确定的增减，也就没有信息、通信和控制了。因此，他认为正是统计方法和它揭示的宇宙偶然性，才使人们看到通信和控制的存在，认识到它们的本质；通信和控制乃是作为控制系统的宇宙局部区域对整个宇宙总趋势的反抗。我们这个世界既没有牛顿物理模式的那种严格性，也没有最大熵，即热寂状态的那种没有细节的灵活性。在这两种状态下，都不可能发生真正新的东西。
三、新的参考系
维纳运用统计方法建立信息论和控制论，并把它上升为一般的科学思维方式。随着时间的推移，维纳的这一真知灼见越来越被普遍承认。很多现代著名自然科学家都从不同方面提出，扬弃了经典意义的决定论并承认有一个比它更为普遍、更为基本的客观规律在起作用，是20世纪同它以前的科学思想的分野。或然性规律的阐明和确立，改变了我们关于客观世界图景及同宇宙关系的认识，改变了科学家的思维方式，是科学发展的现阶段的重要标志。
多伊奇教授在评价维纳的或然性思维方式对科学思想所作出的贡献时指出，维纳的见识在某种程度上可以和伽利略在力学中扭转方向的思想相比：“伽利略的革命性解释，把我们从立足于静止的参考系换到立足于运动的参考系，而维纳和吉布斯的贡献，则鼓励我们在社会科学中从一个决定论的参考系坚决地转到或然性的参考系。”(多伊奇，第137-138页)
维纳的观点使我们想到，与其把或然性看作决定论的一种特殊的、很麻烦的情形，倒不如把决定论看作或然性的一种特殊的、易于处理的情形，即概率接近于0或1的那类情形更能接受。与此相反，严格决定论并没有给或然性留一席之地，就像在有理数域内，无理数并不被承认；在实数域内，虚数并没有存在的权利一样。但是在扩展了的实数域和复数域内，有理数和实数就分别作为一种特殊的情形包括在其中了。当然，概率为0或1这两个概念的含义，除表示完全确定和完全不可能外，它们还有更深一层的意义，即概率为1的事件可以是由许多概率为0的事件集合构成的。
参考系的变换表明我们原有视野的急剧扩大，对原有认识的强烈冲击。世界运动不息，我们对客观规律的本质的理解也随之而发展。诚如恩格斯所说：“永恒的自然规律也愈来愈变成历史的规律。”(恩格斯，第216页)时至今日，既然我们的时钟早已不用发条机构制成，我们的思维方式为什么还要抱着机械决定论不放呢？
“你信仰掷骰子的上帝，我却信仰完备的定律和秩序。”(《爱因斯坦文集》第1卷，第415页)这是爱因斯坦在1944年给玻恩的信中提出的著名异议。在这里，爱因斯坦虽然指的是量子力学，但同时也完全代表了他对经典力学严格决定论所持的哲学观点。爱因斯坦明确表述，他与玻恩的科学期望已成为对立的两极。
爱因斯坦的表白是令人深思的。20世纪初的物理学革命尚未产生一种独立的哲学以对抗并取代早已根深蒂固的机械论世界观，就像维纳对吉布斯方法的评价一样。物理学大师对自己的新思想的哲学意义缺乏充分认识，他们的革命尚未导致整个科学思想的变革。这样，我们对二战之后发生的第二次科学革命也就不难理解了。这场革命被称为复杂系统论革命，它包括控制论革命在内。这场革命不仅克服了物理学革命的局限性，并且改变了哲学世界观。如今科学已经提出上帝或许能在掷骰子的同时，创造出定律完备和秩序井然的宇宙万物。因此问题与其说在于上帝是否掷骰子，不如说在于上帝怎样掷骰子。
可见，参考系的变换是一场根本性的变革。它是一个历史的过程，其间充满着思想观念上的较量。不妨以维纳多次分析的气象学为例。从1940年代以来，维纳就一再揭示气象学的统计本质，指出运用吉布斯方法的优点。他说：“一个有效的气象学上的方法必定并具动力学和统计学两种性质。有明显的迹象表明，气象学中的统计因素不可能减少到最低限度，否则整个研究有失败的危险。”(维纳，1987年，第218页)
但是，美国气象学家汤普森指出，直到20世纪70年代，实际上参加数值天气预报的研究者都对气象预报问题采取严格的决定论观点，即大气的未来状态完全取决于它现在的状态。他严厉批评说：如果误差分布变得愈来愈散，那么这种预报可能还不如瞎猜，甚至比只凭气候平均值来预报更坏。对许多气象学家来说，统计力学的概念和技巧仍然是陌生和深奥的。汤普森不得不大声疾呼：“宇宙间统计秩序随处可见，而决定论则绝无仅有。不懂得这一点的人在这个日益复杂混乱的世界里就会束手无策。”(斯蒂恩，第171页)
统计论思维方式对于传统的决定论观念的更新，在社会科学领域也走过了一条独特的道路。统计方法在社会科学上的运用，可以说开始于17世纪佩第与格龙特关于死亡统计表的研究，尔后由比利时天文学家奎特勒加以恢复。1835年及其后若干年，他证明概率的理论可以应用于人类的问题。他把正态分布应用于人体的身高、胸围、犯罪、婚姻、自杀的计量。他的《社会力学》一书是有意与拉普拉斯的《天体力学》相对而取名的。
社会科学在许多方面不同于自然科学。按照维纳的说法，在自然科学中我们同我们所研究的现象进行相当松弛的耦合，我们只是从这种耦合中得出集体性的总的解释，虽然这种耦合对我们说来还不够松弛到可以完全忽略的程度。但在社会科学中极难使被观察的现象和观察者之间的耦合减到最低程度，我们同我们的研究对象太一个鼻孔出气了。因此，它们不能给我们提供大量的可以验证的、有意义的信息，如同我们在自然科学中可以希望得到的那种信息一样。但是，有一点是毫无疑问的。维纳认为，统计观点迫使我们对有序或者规律性采取一种新的态度。他写道：“从我对控制论感觉兴趣的一开始，我就已经完全领会到，我发现的那些可以用在工程学和生理学上的有关控制和通讯的想法，也可以用在社会学和经济学方面。”(维纳，1978年，第246页)经济科学在20世纪中叶以来急剧而有效地向模型化、定量化演化，不能不说大大得益于统计思维方式。
对于复杂的社会经济系统而言，无论是宏观模型还是微观模型，都不可能完全采用严格决定论的数学处理方法。维纳指出，计量经济学即经济动力学遇到的根本性困难，是纳入这一动力学中的那些数值量都没有确切的定义，它们都必须看作是粗略的统计估计量。有谁精确知道怎样来规定需求量，又怎么用能使大多数经济学家感到满意的方式来量度需求呢？任何两位经济学家都无法核对任一给定时刻美国的失业人数。因此，对于计量经济学来说，不仅要对它所处理的各个量如需求、存贷等等，有符合精确和严密性的标准，而且应当从一开始就认识到，我们所处理的那些量是统计性质的、不完全精确的，并且我们应当转而对它们作统计的处理。
对统计方法在社会科学中的运用，维纳所持的态度体现了一个科学家的严谨作风。他认为由于种种条件的限制，统计思想在科学的适当领域中还只渗入了开头几步。因为要得到一个有用的社会统计，就需要处于基本上稳定的条件下的长久的统计游程，正如精密的光学鉴别需要有大孔径的透镜一样。为此，有人觉得维纳对统计方法的运用显得有些保守。然而，在控制论被人滥用、被一些不高明的理论家用来当作时髦的包装品、被某些人当作万灵药的岁月，维纳强调统计方法的条件性，应该说是明智的。