《机器崛起》 | 影响深远的控制论，起源竟然是一次空战

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《机器崛起》 | 影响深远的控制论，起源竟然是一次空战

2017 年 10 月 15 日 德先生 小德

《机器崛起：遗失的控制论历史》

（Rise of the Machines: A Cybernetic History）

托马斯·瑞德（德）著

王晓郑心湖王飞跃译

机械工业出版社 2017年5月版

“赛博”：只闻其声，不见其人

从书名《机器崛起：遗失的控制论历史》不难想到，本书作者是为唤醒人们对维纳cybernetics（控制论）历史贡献的记忆，以使维纳的cyber科学在智能时代仍然能激发人们创新的梦想。如今，cyber几乎存在于现代领域的每一个角落，人们将cyber前缀置于许多其他事物面前，例如Cyberspace（赛博空间）、Cyberwar（赛博战）等，这些词听起来颇具科技感、更前卫、更时尚、更引人注意，但有时也更具讽刺意味。

如果对当今的cybernetics研究做一番粗略的审视，结果就会使我们一头雾水。也许我们会想当然地认为cybernetics作为一门学科的自主性和独立性不容置疑。然而，这门学科在建制化上的不足令人吃惊：在全世界范围内开设cybernetics本科专业的高等院校屈指可数；以cybernetics为名的学会鲜可寻得；以cybernetics为名的国际学术期刊也寥寥无几；cybernetics研究机构更是凤毛麟角。这一现实状况可以说是困扰当今知识界的一个重要问题。

目前，cyberspace、cyberworld、cyberculture等单词已经进入了英文词典，并成了引领时尚的词汇，这是cybernetics在今天这个信息时代还能长袖善舞的证据。简短、上口的“赛博”两字无处不在地使用，也足以说明维纳cyber理论的神奇所在。然而，令人不解的是，既然维纳如此伟大，cybernetics如此神奇，在现实生活中，人们也经常在说“控制”、“反馈”这样的字眼，但提起“赛博学”“维纳”，为什么绝大数人竟会茫然不知？为什么当人们顺口说出“物竞天择，适者生存”时，会在脑海里闪出“进化论”“达尔文”；在谈及“时空弯曲”“光速不变”时会自然想到“相对论”“爱因斯坦”？人们对系统学科和创立者会自然而然地进行追溯，为什么赛博学同样对科学研究、社会系统、人类思维方式有着直接二广泛的重大影响，却遭遇如此不同的境遇呢？《机器崛起》一书似乎可以指引我们寻找到相应的答案。

防空问题拉开控制论的序幕

历史表明，《控制论》诞生的一个关键机缘，是第二次世界大战——特别是在这次史诗般的对决中出现的防空问题。为了把致命的新型轰炸机打下来，地面炮兵需要复杂的弹道计算机——要比人类这种“计算机”更快更准确地执行动作，并能读取预先计算好的的射程表，为此必须发明机器来完成这一任务。不久之后，用当时的特殊语言来说，“机械大脑”（mechanical brains）便开始“思考”。机器之崛起由此拉开序幕。

时间退回到77年前的1940年，欧洲大陆上空战云密布，波云诡谲。就在前一年，纳粹德国百万大军闪击波兰，第二次世界大战爆发后，紧接着1940年4月25日，德军又以迅雷不及掩耳之势，攻陷荷兰、比利时、卢森堡、挪威等国。6月22日，法国投降。敦刻尔克大撤退后，阿道夫·希特勒又将目光瞄向了孤悬海外的英伦三岛。

1940年6月开始，著名的“不列颠空战”拉开了序幕。8月1日，希特勒发布了第17号元首令，下令纳粹空军“在可能的最短时间内听令并集中一切力量战胜英国空军”。因此，8月份的空袭变得更加密集了。在9月初德军的攻击战略发生改变后，希特勒选择了伦敦作为首要攻击目标。9月15日，200架德国轰炸机在重型战斗机的护航下向英国首都伦敦发起了进攻。这轮打击持续了数月之久。白天，德军轰炸机和战斗机席卷英格兰东南部；到了晚上，他们就对伦敦发起空袭。10月15日和16日晚，纳粹空军增强了打击力度，向伦敦派出了235架轰炸机。英国的防御系统不堪一击：用了8326枚炮弹，伦敦的地面守军仅仅摧毁了两架德军轰炸机，损坏了两架轰炸机。这一年的战争以一场大火席卷伦敦宣告结束，在12月29日和30日晚上，这场大火吞没了圣保罗大教堂，并因此闻名于世。整个12月，英军仅仅击落了14架德军飞机。

在这一系列奇妙的事件中，在夜色中投向伦敦的德军炸弹帮助触发了一次名副其实的科学及工业研究的爆发性进展。

随着飞行器不断变得更加强大、快速，要使用质量平平的高射炮把飞行器击落，即使可能，也会非常困难，而使用由撞击引发爆炸的炮弹直接击中飞机几乎是不可能的。然而准确设置定时引信却随着速度和距离的增加而变得更加艰难，因此，“空中防御问题”成为了摆在众人面前的当务之急。

美国陆军航空队B-17“飞行堡垒”，腹侧携带球形炮塔，1944年至1945年被投入战场。

在当时最先进的斯佩里炮塔里，炮塔与炮手相互独立地工作，火炮可以在近距离范围内进行瞄准。虽然该机器具有避免炮手在战斗压力下打到自身所乘飞行器的保护机制，但是抵御进攻敌机的过程却不是自动化的。尽管如此，炮塔仍使人—机互动达到了一个新的水平。

工程师经常使用“鸭子射击”来解释目标预期位置的变化所带来的挑战。有经验的猎人看到飞行的鸭子，其眼睛通过神经将视觉信息传送到大脑，大脑计算出步枪射击的合适位置，手臂调整步枪的方位，预测鸭子的飞行轨迹并提前锁定目标。随着步枪扳机的扣下，两个分离的过程结束了。猎人的射击运动模仿了一个工程系统：猎人是网络、计算机和执行器三者的一体化。用远处快速移动的敌机代替鸭子，用高射炮炮台代替猎人，要完成眼睛、大脑和手臂的工作则成为一项重大的工程挑战。这项工程挑战将奠定控制论的基础。

炮手躺在斯佩里球型炮塔中的情景

与此同时，许多最为聪明的工程师已开始在战争中从事控制与通信方面的工作，这甚至早在控制论将其机理阐明为闭环“反馈”之前。空中对战问题已足够困难，但从地面角度来看，防空问题更加令人苦恼——简单地观察到目标已经是一个挑战。当容克Ju 88轰炸机（Junkers Ju 88，一种用于大规模空袭的新型德国轰炸机）靠近并进入到炮手的视线时，再向其开火可能为时已晚，因为敌机已经太过接近了。在地面上抵御飞机进攻，需要在人类肉眼看见之前就能观察到它们。防御需要扩展感官，并提高其感知能力，通过雷达即可解决这些问题，当时的雷达系统能够在黑夜中引导探照灯。但在1940年，即便是最好的雷达系统，由于波长较长，测量也不够精准。

SCR-584自动跟踪雷达的拖车型号，一种为地对空防御种的火力控制而设计的系统

这个问题的解决方案在理论上很简单，但实际操作起来却很难：使用更短的波长，或称为微波。高频短波有一个非常关键的优势：波长越短，操作员看到的图像分辨率就越高。物理学家们虽然知道微波的存在，但没人能想出一种以大功率产生并发射微波的方法使之用于雷达设备。

幸运的是，英国伯明翰大学的研究人员已在1939年下半年作出了一项轰动性的发现，并将其命名为“多强磁控管”（cavity magnetron）。这个微小且奇妙的装置卓越非凡，它可以产生令人梦寐以求的波长低于10厘米、最短可达3厘米的短波。更妙的是，飞机和船只都可以携带磁控管所用的更加微小的天线。有了它，人们将不仅始终能够在敌人看到自己之前以高分辨率观察到敌人，而且这项技术还承载着更多的希望——雷达将变成可移动式的，使飞机能够在最黑的夜晚飞行，船只能在最浓的雾中穿梭。

SCR-584有140个真空管，重达10吨，成本大概是十万美元。通过与新式近炸“VT”引信的结合，SCR-584在对抗V-1巡航导弹时提供给了有效的防御

除了需要雷达提高感知侦测能力之外，射击控制，即精确地操控那些复杂的枪炮进行瞄准同样重要。地面亟须一个独立的机械化大脑来做出这一预测。当时最先进的计算机是斯佩里公司研制的机械化计算机“M-7”，由1.1万个部件组成，重达850磅。然而，这台“计算机”实际上只是一台没有计算功能的机械化搜索装置。

因此，研制出一款能够实时计算的电子计算机的任务迫在眉睫。贝尔电话实验室（Bell Telephone Laboratories）的大卫·帕金森（David Parkinson）提出电子计算的想法并在此基础上发明了“瞄准计算机”（range computer），而这所有的灵感却来源于一个梦。

当帕金森在电瓶记录仪上进行研究时，欧洲发生了令人震惊的敦刻尔克战役，德军的势如破竹被媒体大肆报道，铺天盖地的新闻极度困扰着29岁的帕金森。在一个晚上，他做了一个“最为生动而又奇特的梦”：

我发现自己和一名防空高射炮炮手一起在炮坑或是掩体旁边……那儿有一门炮……它偶尔发射一下。但令人印象深刻的是，它每一炮都能击落一架敌机。三四炮之后，一名炮手朝我笑了笑，并招手示意我靠近它。当我靠近时，他指向了大炮左耳轴暴露在外的末端。那儿安装的是我的电平记录仪的控制电位计！

醒来后，大卫·帕金森觉得这个奇怪的梦并不难理解：如果将钢笔比作枪炮，电位计能够快速且准确地控制钢笔的运动，那么它同样可以快速且精确地控制炮火的移动——只需要将信号放大即可。

不久，贝尔团队设计的计算机（M-9）诞生了，他们将数学置入机器的闭环反馈之中，这一突破在当时尚属首次。贝尔的计算机使炮火射击指挥仪能够计算简单的数学函数，例如借助电阻器、电位器、伺服电动机和弧刷等计算正弦和余弦。就这样，数学经放大之后，可以驱动一台90毫米的重型高射炮了。

但是这一最先进的炮火射击指挥仪仍有其局限性，目标瞄准是个开环控制：炮弹发射之后便不会再反馈。约翰·霍普金斯大学提出一种接近反馈回路的巧妙控制方法：近发引信们也被称为“可变时间引信”（variable-time fuse）或简称“VT引信”。炮弹将变得聪明，具有感知能力，当且仅当接近德军轰炸机时才会爆炸。

要关闭最后的防控反馈环还需要几个发明。首要问题是构建微型的玻璃真空管，类似于应用在助听器中的那种类型。这种易碎的玻璃管要能够承受M-114榴炮弹射击时的加速度冲击。测试的过程充满艰辛：约翰·霍普金斯大学的学者们首先利用他们从桥梁和摩天大楼设计中汲取的方法来强化这种助听器式真空管。然后他们将这些真空管放置在钢制容器中，用铅块猛击，高速晃动，并使用自制的滑膛枪对其进行射击。他们发现，这些玻璃真空管需要借助橡胶杯和蜡制化合物进行冲击缓冲。经过艰苦的测试，他们取得了成功：微型玻璃管能够在榴弹炮的射击中幸存下来了。这种微型无线电台还需要一个微型的发电装置。约翰·霍普金斯大学的工程师们研发了一种液体电池。

无线炮弹的发明是一个重大突破，然而纳粹自己无法设计出无线炮弹，因此他们对这种价值炼成的近发引信垂涎不已。炮弹的大规模生产对上万名工厂工人进行了保密，生产真空管的工人们甚至被告知他们在制造助听器。这种引信的使用如此保密，以致它只被允许用于开放水域的战斗，因为一旦出现哑弹，海洋会吞噬整个秘密。

采用这种新技术的指挥官们欣喜若狂，美国第三陆军总司令乔治·巴顿甚至预料，该设备将使战争的本质发生改变；“当所有军队都得到这种炮弹时，我们将不得不制定一些新的作战方针。”

控制论应用前后：两种截然相反的战况

4年后的1944年6月13日，伦敦被一阵不同寻常的防空警报惊醒了，7枚来袭的德国V-1导弹拉开了这个夜晚的序幕。这是一种新型德军武器，一架完全无人驾驶的飞行器，它会将自身撞向目标，而不仅是投掷一枚炸弹。

世界上首枚巡航导弹是德国的喷射推进式炸弹，或称为V-1

当德军的V-1导弹从其轨道发射器起飞扑向伦敦的大地时，一个精细、复杂且高科技的系统正在英吉利海峡的另一边静静等候它们的到来。微波正以不可见的、更快的脉冲，以每秒钟高达1707次的频率温柔地触摸着自主炸弹的表面。这些微波调动了一个复杂的反馈闭环，正筹划将许多正在靠近的导弹在空中撕碎。到1944年夏天，大约有500门大炮已准备就绪，其中许多装备了带有新式引信的炮弹，为对付即将到来的V型炸弹。

1944年7月的第4周，79%的穿越了英吉利海峡的V-1导弹都被击落了。8月的一个星期天，德军向英吉利海峡对岸发射了105枚V型导弹，但仅有3枚命中目标，数据相比于四年前，发生了翻天覆地的变化。

1944年夏末发生在英吉利海峡上空的对抗具有非凡的意义：在此之前，从未有任何一种自主性武器与另一种自主性武器在人为干扰如此之少的情况下发生冲突。战争的未来已可预见。现在我们看到了第一场机器人战争的开端，这场战争是自动机对抗自动机，VT机器人对抗V-1机器人。人为失误正逐渐从竞赛中消除：未来，机器将战斗到底。

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