维纳控制论：数学界的大突破

当我们在河岸上看到悠闲自得的艄公轻轻地摇着橹，小船在他的操纵下稳健地航行。谁能联想到这里面竟蕴含着一门新兴的科学?这就是由美国数学家维纳所创立的“控制论”。

“控制论”这个名词来源于古希腊，原意是“舵手”，古希腊哲学家柏拉图曾经把掌舵的艺术称做控制论。1948年一本旷世奇著《控制论》在美国出版了，它的作者就是诺伯特·维纳。

孜孜不倦的神童

1894年11月16日维纳诞生在美国密苏里州的哥伦比亚。他的父亲祖籍犹太人，后来加入俄国国籍，依靠自己的拼搏来到了美国，成为一名斯拉夫语教授。维纳从小天资聪颖，才思敏捷。尤其在学习数学课时表现出非凡的天才，老师和同学们都把他叫做“神童”。然而他的父亲却不以为然，常常对他提出更高更严格的要求。在父亲的熏陶下，小维纳养成勤奋好学的习惯。8岁那年他开始学习解析几何，11岁进入大学学习。先是数学，接着读哲学、语言学，后来对生物学特别喜爱。14岁时又考入美国最著名的大学之一——哈佛大学。在那里开始他学习动物学，但父亲从他的发展考虑却硬要他学哲学。维纳采纳了父亲的意见，改学哲学。几年后他获得哈佛大学数理逻辑博士学位。当时他年仅18岁。

维纳并不以此为满足，1913年他以“访问学者”的身份前往英国投师于大哲学家罗素。罗素对他非常器重和关心，告诉他要学好哲学先要打下严格的数学基础，并提议要他学习爱因斯坦的相对论。大师的指点使维纳眼前豁然开朗。此后他又出国前往德国“哥廷根大学”求学。那时这所享有世界盛誉的大学中聚集着一批来自各国的最优秀的数学家和物理学家，在那里他虚心向大数学家希尔伯特学习函数论。

正当他潜心学习之际，第一次世界大战爆发了。1915年他返回了美国，被安排在阿伯丁射击场编制高射炮射击参数表。

战后他又回到大学，1920年担任了麻省理工学院的数学讲师。在教学的同时他还如饥似渴地学习勒贝格积分、测度论、泛函分析等当时最新的数学知识。他在学习中不断探索与研究。他研究了湍流，考察过布朗运动，对吉布斯的统计力学加以改进，对数理逻辑、概率论、调和分析研究出了新的成果。由于他在数学上的成就显赫，1931年被选为美国数学会会长。

博采众家之长

20多年的不懈努力并非徒然，进入而立之年的维纳已经拥有相当丰富的现代数学知识，步入世界著名数学家的行列。但他却不满足于现状，他深知深奥的传统数学只有同实际问题结合起来，才可能有较大的发展和突破。那时，正是世界上第一台电子计算机诞生的前夜，计算机的研制已经引起科学家们的关注。维纳很快与埃克特(世界上第一台电子计算机的设计者之一)、布什(第一台模拟计算机的设计人之一)交上了研究的伙伴。

后来美国的贝尔电话实验室送来一名叫李郁荣的中国留学生，请麻省理工学院代为培养。维纳作为李郁荣的博士导师，他们一起合作研制发明了用于电话的新式继电器。这项发明专利被贝尔电话实验室买去。这个成果使维纳考虑到把滤波技术用于生物神经和肌肉电势的测定。为以后发展起来的生物控制论奠定了基础。

在维纳从事电话研究之际，第二次世界大战爆发了。维纳积极参加了反法西斯战争。他在一项空防工程中研究飞行曲线，并同工程师比格劳合作解决预测问题以及实现这个理论的装置和结构。它涉及到了反馈，即用飞机的理论位置和实际位置的误差作为输入来加以调节，这也是生物神经控制活动中一种典型机制。

维纳对自然科学的探索是多方面的。当他研究了工程技术问题中的反馈之后又发现了生命体本身的控制系统也存在着反馈问题。于是他虚心向墨西哥生理学家罗森勃吕特学习神经生理学的知识。同时他还与心理学家克留弗，经济学家摩根斯顿，数理逻辑学家皮茨以及计算机设计家等等交上好朋友，不断取长补短，从他们那里汲取各学科中丰富的营养。他就像一只辛劳的蜜蜂，从科学的百花丛中不停歇地吸取各种花粉，然后精心酿造成精美甘甜的花蜜。

探索科学地图上的空白区

当维纳研究了高射炮射击的控制问题和工程技术中的控制问题，以及生命体中的控制问题之后，发现它们尽管不是同一学科，但从“控制”机理这个角度却存在着共同之处。即都存在一个“反馈”问题。它像一个幽灵，搅扰得维纳整日为之思索，坐卧不宁。为了弄清这一共性问题，维纳开始仔细地研究和探索。(www.xing528.com)

要完成这项涉及众多学科的工作不能单靠一个人，必须由众多科学家合作来承担。在维纳周围已经聚集了一批世界上第一流的科学家。他们之中有从事电工学研究的，有从事神经生理学研究的，有从事逻辑学的等等。维纳常常将他们邀请到家里以一种有趣的方式进行学术交流。大家都围着圆桌吃饭，谁也不摆架子，饭后由一名客人讲述自己一篇论文的概要，然后大家各抒己见，进行研究讨论。下一次再换一位，这样的论文交流使大家感到格外亲切、融洽，同时新的科学思想、科学理论得到很快发展。维纳的控制理论以及反馈等重大问题就是在一次又一次这样的讨论中逐步得到解决。

大器晚成

经过数年的准备之后，1943年维纳组织参与控制论研究的一班人在普林斯顿高等研究院第一次正式对控制理论作了系统讨论。1945年，他又在墨西哥数学会上主持讨论了控制论问题。1946年春天，他在纽约，再一次对控制论中的核心问题“反馈”做了专题研究。到了1947年维纳与图灵又进一步对控制论的思想方法做交流。直到1947年10月维纳的划时代著作《控制论》才最后定稿。第二年即1948年该书正式在美国出版。此时维纳已经54岁了。“控制论”几乎耗费了他大半生的精力。

《控制论》是在现代数学、自动控制技术、通讯技术、电子计算机、神经生理学诸学科基础上相互渗透，由维纳等科学家的精炼和提纯而形成的边缘科学。它主要研究信息的传递、加工、控制的一般规律，并将其理论用于人类活动的各个方面。这门科学一经创立，就用它独有的崭新的思想方法推动和促进自然科学、工程技术，以至社会科学、人文科学的发展和进步。随着各种不同学科的需要目前已出现了用于工程技术的“工程控制论”；用于生物科学的“生物控制论”；用于经济管理体系的“经济控制论”等众多分支。

比方说，工业生产的合理安排、工业生产中所需要的各种机械手和机器人的设计，飞机、飞船、远洋巨轮的自动导航系统的设计等等都以工程控制论的方法和理论作指导。

生物控制论的研究使人们对生物的神经系统、内分泌系统、肌肉运动系统、呼吸及血压系统的控制作用有了新的认识。同时对人工心脏、人工肾、假肢等人造器官的研究和改进都起着重要的指导作用。

70年代以后控制论在社会科学方面得到越来越广泛的应用。1975年国际控制论和系统会议的主题就是“控制论和经济科学”，1978年在阿姆斯特丹召开的关于控制论的国际会议主题是“控制论和社会”。随着控制理论的发展和完善，它将广泛应用于生产、科研、生活、人文科学各个方面。

永不停歇

科学的发展犹如大江东去，永无止休。从维纳的《控制论》诞生至今已经半个世纪过去了。这门科学从理论上几经重大变化。1960年以前《控制论》基本采用维纳书中的观点和方法，即从时间序列观点上处理信息的转换、提取、加工和预测。所用的数学工具主要是数理统计和调和分析。现在人们称这种“控制论”为“经典控制论”。

从1960年开始在美国数学家卡尔曼和俄罗斯数学家帮德里等人的努力下使《控制论》在理论上有了重大突破，获得了进一步发展，通常称之为“现代控制论”。

70年代以后，又有人提出用频域、时域统一处理控制系统的新方法，使《控制论》又进入了第三代。

1964年一代科学巨匠维纳心脏停止了跳动。但他带给人类的新的思想火花对世界科学技术的进步产生不可估量的巨大影响。在他的新思想的启示下，一场世界性的科学技术革命的风暴将展现在我们面前。