A. H. 路易(A. H. Louie) 著 李恒威, 張若曦 譯

(浙江大學(xué) 哲學(xué)系， 浙江 杭州 310007)

一、 預(yù)覽

羅伯特·羅森開創(chuàng)了有關(guān)預(yù)期系統(tǒng)(anticipatory systems)的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)論述， 這個理論為預(yù)見(foresight)研究提供了概念基礎(chǔ)。 本文是一篇介紹性導(dǎo)論(1)像本文這種針對一般讀者的簡明扼要的論述不可能觸及太多細(xì)節(jié)。 作者希望通過對關(guān)系生物學(xué)的蜻蜓點水式的介紹能激起一些讀者的興趣， 以促使他們進(jìn)一步探究這個主題。 讀者若想進(jìn)一步了解， 可參閱作者的新書《超出生命本身》(More than Life Itself)(Louie, 2009)。。 本文解釋了自然界中預(yù)期系統(tǒng)的普遍性。 預(yù)期系統(tǒng)的當(dāng)下行為取決于內(nèi)在預(yù)測模型所產(chǎn)生的“未來狀態(tài)”或“未來輸入”。 然而， 這種對因果性的明顯違背完全是一種錯覺。 預(yù)期系統(tǒng)的特定主題和關(guān)系生物學(xué)(relational biology)的一般方法， 為預(yù)見和規(guī)劃提供了重要的工具。

二、 羅伯特·羅森

羅伯特·羅森(1934—1998)， 20世紀(jì)最重要的理論生物學(xué)家之一。 他撰寫了大約250篇研究論文和10多部著作， 它們既關(guān)注生物過程理論的發(fā)展， 也關(guān)注其含義。

他很早就開始發(fā)展這種觀念: 生物學(xué)應(yīng)該以功能而非結(jié)構(gòu)的概念為基礎(chǔ)， 在理解生命和生物體的基礎(chǔ)時， 功能才是首要的關(guān)注點。 他接著探討了建立基于功能的生物過程模型的可能性。 結(jié)果證明， 這些做法完全不同于基于結(jié)構(gòu)思想的還原論的處理， 而且也比基于結(jié)構(gòu)思想的還原論的處理更一般。 他的老師尼古拉斯·拉舍夫斯基(Nicolas Rashevsky)開創(chuàng)了該領(lǐng)域最初的決定性研究， 并將這種研究進(jìn)路命名為“關(guān)系生物學(xué)”。

在他所有出版物中， 以下三本著作被稱為羅森三部曲：

《自然系統(tǒng)的測量和表征的基本原理》(FundamentalsofMeasurementandRepresentationofNaturalSystems)(1978)；

《預(yù)期系統(tǒng): 哲學(xué)、 數(shù)學(xué)和方法論基礎(chǔ)》(AnticipatorySystems:Philosophical,Mathematical&MethodologicalFoundations)(1985)；

《生命本身: 綜論生命的性質(zhì)、 起源和制造》(LifeItself:AComprehensiveInquiryintotheNature,Origin,andFabricationofLife)(1991)。

羅森科學(xué)的綜合論述就體現(xiàn)在這些論著里。 (之后， 當(dāng)我提到《預(yù)期系統(tǒng)》這本著作時， 我會用縮寫的AS來表示， 而當(dāng)提及“預(yù)期系統(tǒng)”這一對象本身時， 我會用它的全稱(2)羅森在1979年的前六個月里完成了《預(yù)期系統(tǒng)》一書。 就在他剛完成初稿時， 我被錄取為他的博士研究生。 我是第一個閱讀本著作的人， 因此我從一開始就與這一主題聯(lián)系在一起。 由于種種外部原因， 這本書直到1985年才出版。 佩加蒙出版社(Pergamon Press)出版的書早已絕版， 盡管人們可能會從大學(xué)圖書館(或者從資源豐富的二手書商)那里找到復(fù)印版。。 )

三、 “我們現(xiàn)在應(yīng)該做什么”

在某種程度上， 這個“應(yīng)然問題”是生物學(xué)家、 經(jīng)濟(jì)學(xué)家、 政治學(xué)家、 城市規(guī)劃者、 未來學(xué)家等形形色色的人都想知道的同一個問題。 然而無論提出這些問題的語境有何不同， 他們在制定政策以及預(yù)測并規(guī)劃未來時的基本關(guān)注點是一樣的， 簡言之， 即做出預(yù)見。 在這些不同領(lǐng)域中， 尋求的實際上是一種決策技術(shù)。 但是任何技術(shù)必須以基本原理為基礎(chǔ): 一門科學(xué)， 一種理論。 形成政策這項技術(shù)的理論基礎(chǔ)是什么？羅森提出， 是預(yù)期系統(tǒng)理論。 注意“預(yù)期”的概念并不新奇[例如， 可以參看羅伯特·波利(Roberto Poli)在這一期中的文章]， 但是當(dāng)羅森寫這本書的時候， 對預(yù)期的進(jìn)行系統(tǒng)性的研究還剛剛開始。

那么預(yù)期系統(tǒng)是什么？以下是羅伯特·羅森的定義：

預(yù)期系統(tǒng)是一個自然系統(tǒng)， 它包含一個關(guān)于自身及其環(huán)境的內(nèi)部預(yù)測模型， 這使得該系統(tǒng)可根據(jù)模型對下一時刻的預(yù)測而改變當(dāng)下的狀態(tài)。

相比之下， 值得注意的是， 反應(yīng)系統(tǒng)(reactive system)只能在當(dāng)前對已經(jīng)發(fā)生在因果鏈中的變化做出反應(yīng)， 而預(yù)期系統(tǒng)的當(dāng)下行為則涉及過去、 現(xiàn)在和未來。 預(yù)測模型的出現(xiàn)正好將未來拉進(jìn)當(dāng)下； 因此一個有“好”模型的系統(tǒng)在許多方面表現(xiàn)得好像它可以預(yù)期未來一樣。 基于模型的行為需要一個能適應(yīng)它的全新范式——一種“預(yù)期范式”。 這一范式擴(kuò)展但并沒有取代迄今為止主導(dǎo)著自然系統(tǒng)研究的“反應(yīng)范式”(reactive paradigm)。 “預(yù)期范式”使我們得以窺見系統(tǒng)行為的新的和重要的方面。

鑒于“零誡”(Zeroth Commandment)所宣稱的“客觀因果性”， 預(yù)期的觀念在科學(xué)中是頗具爭議的：

你不應(yīng)該允許未來狀態(tài)影響當(dāng)下狀態(tài)的改變。

在系統(tǒng)理論的各個層面上， 預(yù)期幾乎總是被排除在研究之外(3)注意， 在“系統(tǒng)理論”中的單數(shù)形式系統(tǒng): 不是“諸系統(tǒng)理論”。 最后一個用法是一個因多次重復(fù)而被接受的錯誤， 這是一個“三人成虎”的典型例子。 僅僅考慮一下“集合論”“群論”“數(shù)論”“范疇論”， 等等。 當(dāng)然， 人們在每個主題中研究的對象不止一個！事實上有人會以所有格的方式說“諸集合的理論”“諸群體的理論”“諸數(shù)的理論”“諸范疇的理論”……； 為此有人說“諸系統(tǒng)的理論”。 但關(guān)鍵是當(dāng)有關(guān)數(shù)學(xué)對象的名詞(實際上任何名詞)被用作形容詞時， 就不能使用復(fù)數(shù)形式。。 造成這種現(xiàn)象的原因在于過去幾個世紀(jì)“科學(xué)”中所隱含的某些基本方法論預(yù)設(shè)：

“真實的科學(xué)研究”(genuine scientific inquiry)賴以存在的根本基礎(chǔ)是因果性原理(預(yù)期系統(tǒng)顯然違背了這個原理)； 并且“真的客觀科學(xué)”(true objective science)不能從最終因(final cause)來論證(但是預(yù)期系統(tǒng)似乎體現(xiàn)了一種目的論的形式)。

下面我們將詳細(xì)討論這兩個科學(xué)的特征。 但是讓我們先來考慮幾個預(yù)期系統(tǒng)的實例。

生物學(xué)中充滿了這樣的狀況， 即生物體可以產(chǎn)生并維持關(guān)于自身及其環(huán)境的內(nèi)在預(yù)測模型， 并且為了控制當(dāng)下的目的而使用模型來預(yù)測未來。 從這個意義上說， 很多生物行為都是基于模型的。 從分子到細(xì)胞， 到生理， 再到行為， 每一個層面都是如此， 并且從微生物到植物， 到動物， 再到生態(tài)系統(tǒng)， 生物圈的所有部分也都是如此。 但這并不只限于生物界； 人類水平的預(yù)期行為多得不可勝計， 似乎隨處可見: 這些例子從避免遭遇危險， 到運(yùn)動策略， 甚至到萊納斯(Linus)在萬圣節(jié)的南瓜地里等待偉大的南瓜(Great Pumpkin)等不一而足(4)萬一某些讀者沒有意識到這個參考文獻(xiàn): 萊納斯(Linus)是一個來自查爾斯·M.舒爾茨(Charles M. Schulz)《花生漫畫》(Peanuts)(?聯(lián)合菲徹辛迪加公司)中的角色， 這部漫畫是50年來世界上最受歡迎的連環(huán)畫。 萊納斯提前過了一個節(jié)日， 并期待萬圣節(jié)大南瓜的到來: “在萬圣節(jié)的夜晚， 大南瓜從南瓜地里爬出來， 帶著他的玩具袋在空中飛， 送給世界上所有的好孩子！” 這是一個預(yù)期系統(tǒng)的例子， 其中預(yù)測模型有一些缺陷， 而且更快的時間線走得有點太快了。 想要快速瀏覽的話， 你可以找一段1966年電視特別節(jié)目《偉大的南瓜， 查理·布朗!》的視頻。。 基于模型的行為是社會、 經(jīng)濟(jì)和政治活動的本質(zhì)。 因此， 理解基于模型的行為的特征對我們希望開發(fā)某些技術(shù)來控制這些系統(tǒng)或者以新方式改變系統(tǒng)基于模型的行為都是至關(guān)重要的。

應(yīng)該澄清一下， 羅森對預(yù)期的用法并不涉及“看到”或者說感知近期或遙遠(yuǎn)的未來的能力——這里并不存在預(yù)知(prescience)或通靈現(xiàn)象。 相反， 羅森認(rèn)為一定存在有關(guān)自我、 物種和演化環(huán)境的信息， 它們被編碼在所有生物系統(tǒng)的組織中。 他觀察到， 隨著時間的推移， 基于應(yīng)用于未來的投射關(guān)系， 這些信息能夠因果地作用于生物體的當(dāng)前行為。 因此， 雖然沒有違背外部事件建立的時間， 但生物體似乎能夠建立一個時間的內(nèi)部代理者(internal surrogate of time)作為模型的一部分， 并可以操縱模型產(chǎn)生預(yù)期。 尤其是， 這一“時間的內(nèi)部代理者”必須比真實的時間跑得快。 正是在這個意義上， 內(nèi)部模型的自由度允許時間的多尺度和可逆性從而產(chǎn)生新信息。 千萬不要將預(yù)期系統(tǒng)中的預(yù)測模型與任何關(guān)于未來的“確定性”(甚至概率)相混淆。 更確切地說， 這是一種基于運(yùn)行在更快時間尺度上的模型的斷言。 未來還沒有發(fā)生: 生物體有一個關(guān)于未來的模型， 但這并不是關(guān)于未來的明確知識。

四、 前饋

預(yù)期行為涉及了前饋(feedforward)的概念(5)“反饋”(feedback)的一個更恰當(dāng)?shù)膶Ρ仍~應(yīng)該是“前饋”(feedforth)， 但可嘆的是， “前饋”(feedforward)是控制系統(tǒng)理論中一個根深蒂固的術(shù)語。， 而不是反饋。 前饋與反饋的區(qū)別非常重要， 它們的區(qū)別如下。

反饋控制的本質(zhì)在于它由誤差驅(qū)動； 換言之， 校正行為的激勵是系統(tǒng)的實際當(dāng)前狀態(tài)與系統(tǒng)應(yīng)該處于的狀態(tài)之間的差異。 換句話說， 反饋控制系統(tǒng)必定在開始控制前已偏離了它的名義行為(nominal behavior)。

另一方面， 在前饋系統(tǒng)中， 根據(jù)某個連接當(dāng)下輸入與其預(yù)測結(jié)果的模型， 系統(tǒng)行為被預(yù)置了。 因此， 前饋系統(tǒng)的本質(zhì)是， 當(dāng)前的狀態(tài)變化是由根據(jù)世界的一些內(nèi)部模型導(dǎo)出的預(yù)期的未來狀態(tài)決定的。

由內(nèi)省可知， 我們的多數(shù)意識活動都以前饋的方式產(chǎn)生。 我們通常根據(jù)我們感知到的東西決定現(xiàn)在做什么， 這將是在之后某時我們行動的結(jié)果。 我們借以預(yù)期的媒介事實上是一個模型， 它能使我們將未來拉進(jìn)當(dāng)下。 我們根據(jù)模型的預(yù)測來改變當(dāng)下的行動方針。 我們行動的刺激因素不只是當(dāng)下的知覺印象(percepts)； 它是在這些狀況下的預(yù)測。 我再次強(qiáng)調(diào)“預(yù)測”并不是預(yù)知， 而只是“一個預(yù)期模型的輸出”。 換句話說， 我們當(dāng)下的行為并不僅僅是反應(yīng)性的， 它也是預(yù)期。

五、 模型

羅森對預(yù)期系統(tǒng)研究的最新穎的地方是， 他將預(yù)期系統(tǒng)視為單一的存在者， 并將預(yù)期系統(tǒng)的所有屬性與其包含的模型特征聯(lián)系起來。 當(dāng)然， 已經(jīng)有許多研究規(guī)劃、 預(yù)測和決策的方法， 但是它們往往集中于特定環(huán)境下的模型合成和模型調(diào)度的策略方面。 羅森的《預(yù)期系統(tǒng)》完全不關(guān)注這種類型的策略。 相反， 《預(yù)期系統(tǒng)》處理在整個系統(tǒng)中出現(xiàn)的行為關(guān)聯(lián)， 它依據(jù)的不過是這一事實: 當(dāng)下行為是根據(jù)所預(yù)測的未來情況產(chǎn)生的。 例如， 它沒有考慮到在不確定或不完全定義的環(huán)境中支配了許多與決策有關(guān)的文獻(xiàn)的各種外推和相關(guān)過程。 《預(yù)期系統(tǒng)》更關(guān)心基于模型行為的全局屬性， 不管模型如何生成， 也不管它是否一個“好的”模型。 換句話說， 《預(yù)期系統(tǒng)》關(guān)注預(yù)期系統(tǒng)的屬性， 而不是如何構(gòu)建預(yù)期系統(tǒng)。

一個模型可以形式地定義為在建模關(guān)系中的兩個系統(tǒng)之間的交換函子(6)對于還不熟悉“函子”(functorial)一詞的讀者來說(它是從范疇的數(shù)學(xué)理論中產(chǎn)生的一個概念)， 他們只需將它理解為“關(guān)于一種映射， 這種映射考慮到除了輸入和輸出之外的過程”。的(commutative functorial)編碼和解碼(7)我在FuMee 1中的第二堂課的主題是建模關(guān)系。 然而， 在當(dāng)前這篇文章中， 只討論這個特別闡述的一小部分。 讀者可以參考《預(yù)期系統(tǒng)》(如果能找到復(fù)印本的話)， Rosen (1991)以及 Louie (2009)更詳細(xì)地討論了這個主題， 羅森將這個主題視為科學(xué)的起點。。 直觀上， 我們可以只采用“模型”的常用意義：

作為理論理解的基礎(chǔ)而提出的對系統(tǒng)的簡要描述；

事物的概念或心智的表征； 或者

對與感興趣系統(tǒng)相異的結(jié)構(gòu)的模擬， 但共享一系列重要的功能屬性。

羅伯特·羅森在《預(yù)期系統(tǒng)》結(jié)尾處寫道：

因此， 對預(yù)期系統(tǒng)的研究本質(zhì)上涉及善和惡的主觀概念， 因為它們體現(xiàn)在塑造我們行為的模型中。 從深層意義上講， 對模型的研究就是對人的研究； 并且如果我們能就我們的模型達(dá)成一致， 我們就能在其他所有方面達(dá)成一致。

構(gòu)想預(yù)期行為理論的關(guān)鍵是“模型”概念。 兩個系統(tǒng)之間關(guān)系的什么特質(zhì)使得我們可以斷言其中一個系統(tǒng)是另一個系統(tǒng)的模型？這個屬性的本質(zhì)在于， 我們可以通過研究一個不同的系統(tǒng)(也就是它的模型)來了解我們所感興趣的系統(tǒng)的新東西。 粗略地說， 建模關(guān)系的本質(zhì)就是將特定系統(tǒng)特征的編碼和相應(yīng)的解碼指定給另一個系統(tǒng)的相應(yīng)特征， 從而使模型的含義(implication)對應(yīng)于系統(tǒng)中的因果性。 因此， 在準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)意義上， 一個關(guān)于模型的定理就變成了一個關(guān)于系統(tǒng)的預(yù)測。 如果嚴(yán)格地來說， 這個結(jié)果就是一般建模關(guān)系理論。 這一理論有很多重要含義: 對更一般的隱喻情況， 對給定系統(tǒng)的不同模型之間相互聯(lián)系的方式， 以及對共同模型下不同系統(tǒng)之間的比較方式。 這個情況可用圖1表示。

圖1 原型建模關(guān)系

當(dāng)它們的蘊(yùn)含結(jié)構(gòu)之間存在全等(congruence)時， 自然系統(tǒng)N與形式系統(tǒng)F之間存在建模關(guān)系。 全等的必要條件涉及所有四個箭頭， 并且可以表述為“不管一個人是跟隨路徑c還是依次跟隨路徑ε,i,δ， 他都能到達(dá)同系統(tǒng)的目的地”。 用圖表示為：

如果滿足這一關(guān)系， 我們可以說F是對N的模擬。

另外， 如果推理蘊(yùn)含i本身被因果蘊(yùn)含c中的編碼ε所蘊(yùn)含， 即如果：

也能被滿足， 那么我們可以說F是N的模型， 并且N是F的一種實現(xiàn)。

一個過程的模擬對所蘊(yùn)含的結(jié)果提供了一種可替代的描述， 而模型是一種特殊類型的模擬， 它還額外地對表征過程本身的映射的蘊(yùn)含結(jié)構(gòu)提供了一種可替換描述。 尤其是， 獲得模擬要比獲得過程模型更容易。

舉例如下。 例如， 克勞迪亞斯·托勒密(Claudius Ptolemy)的《煉金術(shù)》(Almagest)(約公元150年 )包含對許多天體表面運(yùn)行的解釋。 托勒密系統(tǒng)的本輪和均輪， 后來根據(jù)偏心和等點進(jìn)行了調(diào)整， 提供了很好的幾何模擬， 因為有足夠的參數(shù)來確定這些圓環(huán)， 所以任何行星或星體的軌道都可以通過天空中的這些圓形軌跡合理精確地表示出來。 盡管事實上托勒密并沒有給出任何物理理由來解釋為什么行星會一圈又一圈繞著天空中任意位置旋轉(zhuǎn)， 但他的模擬在1400年里一直是標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)觀點。 當(dāng)然， 自那以后， 天體力學(xué)已經(jīng)逐漸被哥白尼、 開普勒、 牛頓和愛因斯坦等人提出的更好的理論所更新。 每一次完善都能解釋更多運(yùn)行的基本原理， 而不僅僅是運(yùn)行軌跡。 托勒密本輪的普適性如今被認(rèn)為是一種外來的人為的數(shù)學(xué)產(chǎn)物， 與底層的物理狀況無關(guān)， 正因為如此， 基于此所做的軌道表征只能被視為模擬， 而不是模型。

再者， 社會科學(xué)中很多所謂的“模型”實際上只是復(fù)雜的曲線擬合， 也就是模擬。 這些活動類似于斷言: 因為給定的曲線可以用多項式近似， 所以它必須是多項式。 另外， 沒有曲線形狀理論的曲線擬合是模擬， 模型要求理解曲線是如何以及為什么會形成其形狀。

模擬描述； 模型解釋。

注意， 在通常情況下， “模擬”與“模型”這兩個詞常常是同義詞。 有些人用“模型”來表示數(shù)學(xué)理論， 而用“模擬”表示數(shù)字計算。 然而， 我在上面所提到的是羅伯特·羅森根據(jù)精確的范疇理論對這兩個詞做的定義。

六、 自然法則

人們普遍認(rèn)同， 在從事科學(xué)研究時， 沒有哪個人——無論他是實驗者、 觀察者還是理論家——不相信自然遵循法則或規(guī)則并且這些自然規(guī)律至少可以部分地被心智理解。 自然遵循規(guī)律這一點經(jīng)常被歸入因果性的觀念中。 簡言之， 對這些因果律或關(guān)系的闡釋意味著人們可以用某種適當(dāng)?shù)恼Z言在世界的事件與命題之間建立一種對應(yīng)關(guān)系， 以至于事件之間的因果關(guān)系能準(zhǔn)確地反映在相應(yīng)命題之間的蘊(yùn)含關(guān)系上。

“自然的法則”(Law of Nature)或自然法則(Natural Law)由兩個獨立的部分組成。 其中第一個由這樣一種信念或信仰組成， 即認(rèn)為外部世界發(fā)生的事件并不是完全隨意或異想天開的。 就正面來說， 這種信念認(rèn)為， 世界上的一系列事件是由明確的關(guān)系， 即因果性支配的。 沒有這樣的信念， 就沒有所謂的科學(xué)。 因果性和一般蘊(yùn)含觀念確保了一種人們在自然和科學(xué)中所期望的規(guī)律性。 大致說來， 我們可以確信相同的原因隱含相同的結(jié)果。 因此， 在因果世界中人們看到法則在運(yùn)行， 而事件本身也正因此可以被理解。

組成自然法則的第二個信念認(rèn)為， 心智可以把握事件之間的因果關(guān)系， 并可以用語言明確地表達(dá)出來。 自然法則的這個方面假定: 在語言的句法結(jié)構(gòu)與其外部指稱的語義特征之間存在一種關(guān)系。 這種關(guān)系在性質(zhì)上不同于語言或形式主義中的蘊(yùn)涵(即將純粹的語言實體聯(lián)系起來的含義或推理)， 并且不同于事件之間的蘊(yùn)涵(即外部世界中事件之間的因果關(guān)系)。 因此， 自然法則假定: 在外部世界的事件與這些事件的語言表達(dá)之間存在蘊(yùn)涵關(guān)系。 換句話說， 它假定在含義(語言或形式體系的純粹句法特征)與因果性(自然法則的純粹語義和語言之外的成分)之間存在一種全等關(guān)系。

概括來說， 自然法則對自我及其周圍環(huán)境做出了兩個分離的斷言：

我們在環(huán)境中感知到的一系列事件或者現(xiàn)象并不是隨意的: 現(xiàn)象的世界展現(xiàn)了各種關(guān)系(例如因果關(guān)系)。

現(xiàn)象之間假定的關(guān)系至少部分能被人類心智感知和理解， 即通過認(rèn)知的自我(the cognitive self)。

科學(xué)同等地依賴于自然法則的這兩個分離的信條。 第一部分(即存在因果秩序)是科學(xué)以抽象形式存在的保證， 而第二部分(即這個因果順序可以通過含義的秩序表現(xiàn)出來)是科學(xué)家得以存在的保證。 兩者都是需要的。

簡言之， 宇宙中的邏輯、 秩序和規(guī)則性是可理解的。

七、 因果性

在系統(tǒng)理論的形式化研究中， 預(yù)期概念已經(jīng)被拋棄， 因為它似乎違背了因果性。 我們所受的教導(dǎo)是， 當(dāng)下的狀態(tài)改變不可能取決于未來狀態(tài)， 未來不能影響當(dāng)下。 現(xiàn)在我們表明， 這個限定不過是牛頓反應(yīng)范式(Newtonian reactive paradigm)的人為產(chǎn)物。

然而無論在細(xì)節(jié)和重點上我們用以構(gòu)建系統(tǒng)模型的語言有多么不同， 它們都代表了牛頓力學(xué)的語言。 對系統(tǒng)描述過程而言， 兩個分離的成分是必要的； 它們是：

1. 用瞬時系統(tǒng)狀態(tài)的相關(guān)概念說明在任何特定瞬時下的系統(tǒng)是什么；

2.作為當(dāng)下或過去狀態(tài)以及施加在系統(tǒng)上的力的函數(shù)， 即動力學(xué)， 說明系統(tǒng)是如何改變狀態(tài)的。

對瞬時狀態(tài)的描述涉及說明一組恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)變量， 而對系統(tǒng)如何改變狀態(tài)的描述涉及說明系統(tǒng)運(yùn)動方程。 牛頓反應(yīng)系統(tǒng)的另一個名字是“動力系統(tǒng)”。

簡單來說， 牛頓范式的假定是：

1. 物理系統(tǒng)由它的構(gòu)成參數(shù)定義， 并且展現(xiàn)為一序列的時空事件。 系統(tǒng)行為是這一序列的某一屬性。

2.事件世界可以有效地被劃分為兩個不同領(lǐng)域。

3.第一個領(lǐng)域的特征是規(guī)則和秩序——自然法則領(lǐng)域。

4.在第二個領(lǐng)域中， 沒有可辨別的規(guī)律性——初始條件領(lǐng)域。

5.物理學(xué)=系統(tǒng)法則+初始條件。

在個語境中， 因果性是“過去蘊(yùn)涵現(xiàn)在， 現(xiàn)在蘊(yùn)涵未來”。

只要我們把自己限制在這些假定之下的牛頓的力學(xué)方程中， 就不可避免地要涉及傳統(tǒng)的因果觀， 如此一來預(yù)期系統(tǒng)顯然會被排除在討論之外。 然而， 當(dāng)我們根據(jù)時間映射的輸入-輸出之間的關(guān)系來繼續(xù)考慮系統(tǒng)時， 我們發(fā)現(xiàn)因果性只需要規(guī)定與原因和結(jié)果有關(guān)的自然規(guī)律， 而沒必要包括內(nèi)在的前向時間約束。 因此預(yù)期行為不僅是可能的， 而且因為一般的輸入-輸出關(guān)系中也包含牛頓力學(xué)的特殊情況， 所以它實際上限制較少， 因此在某種意義上是通用的。

八、 目的論

我們現(xiàn)在來考慮這個主張: 預(yù)期系統(tǒng)在本質(zhì)上涉及目的論或最終因， 因此必須排除在科學(xué)之外。 前饋行為似乎有某種目的， 或者是目標(biāo)導(dǎo)向的。 這個目標(biāo)實際上是內(nèi)在于將被預(yù)測的未來狀態(tài)與當(dāng)下的狀態(tài)改變聯(lián)系在一起的模型。 但行為是目標(biāo)導(dǎo)向的這一說法正是許多科學(xué)家所反感的， 他們認(rèn)為這違背了牛頓范式。

這個“目的性”(teleophobic)主張可以追溯到亞里士多德的因果性觀念， 他認(rèn)為任何物理事件都有四種不同類型的“原因”。 讓亞里士多德的這一說法與上述討論相適應(yīng)， 如果我們將某一瞬間一個可觀察量的當(dāng)前值視為這樣一個事件， 如果我們只用牛頓力學(xué)定律來表達(dá)事件之間的關(guān)系， 那么我們就可以說：

初始條件是事件的質(zhì)料因(material cause)；

系統(tǒng)的構(gòu)成參數(shù)是它的動力因(efficient cause)；

而系統(tǒng)規(guī)則是它的形式因(formal cause)。

這三種原因窮盡了牛頓表達(dá)式中所有的量和關(guān)系； 因此， 這個事件已經(jīng)沒有空間留給第四種最終因了。 這個觀點本質(zhì)上成為斷言科學(xué)解釋(它預(yù)先設(shè)定只能體現(xiàn)在反應(yīng)關(guān)系中)不可能涉及最終因的全部基礎(chǔ)。 此外， 由于最終因預(yù)先假設(shè)了未來狀態(tài)和/或未來輸入， 因此根據(jù)這一論證我們必須斷然排除預(yù)期系統(tǒng)。

然而， 在物理學(xué)中， 我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在許多情況下， 當(dāng)下事件似乎是由隨后事件決定的。 當(dāng)然， 這些情況并不是由反應(yīng)法則直接控制的。 一個明顯的例子是那些遵循“最優(yōu)原則”的系統(tǒng)， 比如光學(xué)中的費(fèi)馬原則(Fermat’s principle)或者力學(xué)中漢密爾頓原則(Hamilton’s principle)； 這里物理過程所描述的實際路徑是由它的終端狀態(tài)和它的初始狀態(tài)決定的。 在物理化學(xué)的勒·夏特列爾原理(Le Chatelier’s principle)和楞茲的電學(xué)定律中也可以看到類似的目的論方面。 這些原理表明， 當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時， 它會產(chǎn)生抵消擾動并恢復(fù)平衡狀態(tài)的力。 它們是從最小作用原理推導(dǎo)出來的。 而且， 系統(tǒng)向“最小自由能”“最大熵”等狀態(tài)的轉(zhuǎn)變涉及了一種向其運(yùn)動的最終因的隱含特征。 確切地說， 在概率論中也會遇到同樣的情況。 其中一系列收斂論證(統(tǒng)稱為大數(shù)定律)主張， 極限概率對隨機(jī)過程的連續(xù)步驟具有明顯的吸引力， 盡管這些步驟是獨立的。 總之， 即使物理學(xué)中的動力學(xué)定律表達(dá)了關(guān)于因果性的傳統(tǒng)觀點， 但它們在數(shù)學(xué)上等價于這類原理， 即未來狀態(tài)可以回溯地作用于當(dāng)前的狀態(tài)變化。

我們應(yīng)注意， 隱含的目的論本身并不足以定義預(yù)期系統(tǒng)。 最優(yōu)化——或者在另一方面被決定的未來仍然構(gòu)成一個反應(yīng)系統(tǒng)。 預(yù)期系統(tǒng)需要利用來自它的預(yù)測模型的信息改變當(dāng)下， 如此一來一個可能不同于最初預(yù)測的未來就可能產(chǎn)生。

九、 預(yù)期系統(tǒng)

在分析并處置了那些被舉證用以將預(yù)期系統(tǒng)排除在系統(tǒng)理論之外的正式論證后， 現(xiàn)在讓我們樂觀一點， 并且用一些綜合論證來建構(gòu)一個樣本預(yù)期系統(tǒng)(在這篇介紹性的闡述中必然是非正式的)。

假設(shè)給我們一個感興趣的系統(tǒng)S。S可能是一個生物個體， 一個生態(tài)系統(tǒng)， 一個社會系統(tǒng)或一個經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。 為了簡便起見， 我們假定S是一個普通的(即非預(yù)期的)動力系統(tǒng)。 正如我們已經(jīng)看到的， 這個事實允許我們基于初始狀態(tài)和系統(tǒng)輸入的知識來預(yù)測S的未來狀態(tài)。 事實上， 這個動力學(xué)法則本身已經(jīng)表明了一個S的預(yù)測模型。

但是讓我們用另一個物理系統(tǒng)M來明確地體現(xiàn)S的預(yù)測模型。 我們要求如果S的軌道是以真實時間為參數(shù)， 那么相應(yīng)地，M軌道也可用一個比真實時間快的變量為參數(shù)。 因此， 在稍后時刻針對M的任何可觀察量都可以充當(dāng)S的某些相應(yīng)可觀察量的行為的預(yù)測者。

現(xiàn)在我們應(yīng)該允許M與S是耦合的， 即允許它們以一種特定方式相互作用。 對于最簡單的模型來說， 我們完全可以允許一個針對M的可觀察量的輸出是系統(tǒng)S的輸入。 那么這會產(chǎn)生一種情況， 即S的未來狀態(tài)正在控制S當(dāng)下狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。 而這正是我們上述所描述的預(yù)期行為。 很明顯上述構(gòu)造并不違反因果性； 事實上， 我們在預(yù)測模型概念以及因此對系統(tǒng)M的描述中已經(jīng)援用了因果性。 雖然復(fù)合系統(tǒng)(M+S)完全是因果性的， 但它的行為仍然是預(yù)期的。

同樣， 我們可以構(gòu)建一個系統(tǒng)M， 其輸出體現(xiàn)了對系統(tǒng)S輸入的預(yù)測。 在這種情況下，S當(dāng)下的狀態(tài)改變將取決于有關(guān)S未來輸入的信息。 我們再次看到， 盡管這在任何意義上都沒有違背因果性， 但是我們的系統(tǒng)仍會展現(xiàn)出預(yù)期行為。

我們從如上的論斷中可以看到預(yù)期行為會在任何系統(tǒng)中產(chǎn)生：

包含一個關(guān)于自身和/或其環(huán)境的內(nèi)部預(yù)測模型；

并且以至于它的動力學(xué)法則實質(zhì)地使用了其內(nèi)部模型的預(yù)測。

從這一觀點來看， 預(yù)期系統(tǒng)可以被看作一種特殊類型的適應(yīng)控制系統(tǒng)。

《預(yù)期系統(tǒng)》還討論了許多其他的耦合模式， 它們允許S影響M， 并且這相當(dāng)于在S活動的基礎(chǔ)上升級或改進(jìn)模型系統(tǒng)M。 就當(dāng)前這個例子而言， 我們完全可以假定: 系統(tǒng)M配備一組效應(yīng)器E， 這些效應(yīng)器或者作用于S自身， 或者作用于S的環(huán)境輸入， 從而改變S的動力學(xué)屬性。 因此我們會有一種圖2展示的情形， 被描述為一個輸入-輸出系統(tǒng)。

圖2 預(yù)期系統(tǒng)

一個預(yù)期系統(tǒng)S的蘊(yùn)涵如下：

S擁有模型子系統(tǒng)M；

模型M與S～M的一組可觀察量之間存在正交性；

S～M的可觀察量的變化率(適應(yīng)性)取決于M；

模型M的結(jié)果產(chǎn)生了差異——如果M缺席， 那么S就會有不同的行為表現(xiàn)； 并且M是一個預(yù)測模型——通過觀察M的一個當(dāng)下狀態(tài)， 我們可以獲得與S的未來狀態(tài)有關(guān)的信息。

十、 誤差

自然系統(tǒng)總是多于它的任何模型。 換句話說， 根據(jù)定義， 模型是不完全的。 因此， 在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下， 由模型預(yù)測的行為會偏離系統(tǒng)實際展示的行為。 一方面這為誤差和系統(tǒng)故障理論提供了基礎(chǔ)， 另一方面也為理解涌現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。 在基于預(yù)測模型的任何綜合控制理論中， 理解這一點都是至關(guān)重要的。

預(yù)測可能達(dá)不到它的目的。 一項關(guān)于計劃如何出錯的研究可以說明這一點； 實際上從所吸取的經(jīng)驗教訓(xùn)中更新模型是預(yù)期系統(tǒng)的本質(zhì)。 預(yù)期中誤差的原因可以分為：

糟糕的模型；

糟糕的效應(yīng)器； 以及

副作用。

一個糟糕的模型可能來自技術(shù)、 范例或狀態(tài)對應(yīng)的誤差， 所有這些都由于不恰當(dāng)?shù)挠成涞暮瘮?shù)映射。 總之， 錯誤的編碼導(dǎo)致錯誤的模型。 恰當(dāng)?shù)剡x擇內(nèi)部預(yù)測模型M以及微調(diào)其更新過程對預(yù)期系統(tǒng)的成功而言顯然都至關(guān)重要。

當(dāng)效應(yīng)器E不能操縱S時， 當(dāng)它不能正確地操作狀態(tài)變量時， 或者僅僅當(dāng)它不能相應(yīng)地對來自M的信息做出反應(yīng)時， 它就是有缺陷的。 因此對預(yù)期系統(tǒng)的精心構(gòu)建也取決于對效應(yīng)系統(tǒng)E的選擇、 設(shè)計和編程， 也取決于對“合意的”和“不合意的”反應(yīng)區(qū)域的劃分。

本質(zhì)上講， 副作用的產(chǎn)生是因為結(jié)構(gòu)有許多功能， 而功能可能由多個結(jié)構(gòu)執(zhí)行。 一般來說， 因為模型事實上是不完全的， 因此通常結(jié)果是: 效應(yīng)器E會對計劃的S產(chǎn)生額外的影響， 并且E與S之間規(guī)劃好的相互作用模式也會被這些外來的影響改變。

對錯誤的預(yù)期系統(tǒng)的診斷和處理常常類似于用于神經(jīng)學(xué)和心理學(xué)中的程序。

我們可能會進(jìn)一步問， 系統(tǒng)如何生成預(yù)測模型？在這一點上， 我們可以引用一些一般個體發(fā)生原理， 并借助于自然選擇， 來獲得某種理解。 最后， 鑒于系統(tǒng)用預(yù)測模型來決定當(dāng)下行為， 我們該如何觀察系統(tǒng)以便決定它所使用的模型的性質(zhì)？

十一、 來自生物學(xué)的教訓(xùn)

為了控制的目的而有意識地生成和運(yùn)用預(yù)測模型是智能的某個基本直覺特征。 然而， 完全同類的基于模型的行為也不斷出現(xiàn)在低級生物組織中。 例如， 許多簡單的生物體是負(fù)向光性的， 它們傾向于遠(yuǎn)離光。 現(xiàn)在黑暗本身在生理上是中性的， 它沒有內(nèi)在的生物學(xué)意義(至少對非光合作用的生物體來說)。 然而， 黑暗往往與其他生理上非中性的特征相關(guān)聯(lián)， 例如潮濕和沒有視力的捕食者。 從生物學(xué)角度看， 向性(tropism)可以看作對這種相關(guān)性的運(yùn)用， 這種相關(guān)性實際上是有關(guān)環(huán)境的預(yù)測模型。 同樣地， 秋天樹葉的脫落和植物的其他生理變化， 顯然是適應(yīng)冬天的環(huán)境， 這不是由環(huán)境溫度引起的， 而是由白晝長度引起的。 縮短的白晝與隨后出現(xiàn)的冬天之間存在著明顯的相關(guān)性， 前者在生理上是中性的， 而后者則為了適應(yīng)控制的目的而構(gòu)成一個預(yù)測模型。 從最簡單的向性到生理學(xué)中最復(fù)雜的激素調(diào)節(jié)機(jī)制， 在生物圈中可以找到無數(shù)個這種預(yù)期適應(yīng)的例子。

既然前饋或預(yù)期控制似乎是無處不在的， 因此也就為我們提出了許多全新的問題。 其中有以下幾點。 如果我們不知道系統(tǒng)所使用的模型， 那么我們能說我們真正理解這些系統(tǒng)的行為嗎？根據(jù)對系統(tǒng)的測量和觀察， 如何可能確定模型的特征？更一般地， 在何種情況下系統(tǒng)有可能包含關(guān)于其世界的內(nèi)部模型？建構(gòu)有效的前饋控制模型的系統(tǒng)效應(yīng)器與指示器(環(huán)境信號)之間必須存在什么樣的關(guān)系？感知相同的環(huán)境但卻配備不同模型的不同系統(tǒng)的行為如何整合在一起？(最后一個本質(zhì)上是關(guān)于沖突和沖突解決的問題。 )

剛剛提出的問題直接關(guān)系到當(dāng)前搜索預(yù)測和規(guī)劃技術(shù)， 從而指導(dǎo)我們在政治、 社會和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的行為。 隱含在這一搜索中的看法是， 我們的社會及其制度在控制論或反應(yīng)的模式下不再能有效地運(yùn)作； 它必須以某種方式轉(zhuǎn)變成一個預(yù)測或預(yù)期的模型。 也就是它必須變得更像生物體， 而不是一臺機(jī)器(8)英國遺傳學(xué)家和演化生物學(xué)家J.B.S.霍爾丹(J.B.S. Haldane)曾說過， 人們對一種新的科學(xué)觀點的反應(yīng)有四個發(fā)展階段: (1)完全胡說八道。 (2)這有趣但有爭議。 (3)是真的， 但沒有什么重要性。 (4)我從來都是這么說的。 對于羅森的科學(xué)來說， 當(dāng)我30年前還是他的研究生時， 世界肯定處于第一階段； 現(xiàn)在我認(rèn)為它已經(jīng)發(fā)展到第二階段的某一地方了。。

在應(yīng)對我們這個世界的各種挑戰(zhàn)時， 生物系統(tǒng)的特性將提供至關(guān)重要的見解。 羅伯特·羅森喜歡說: “從生物學(xué)中得到的第一課就是， 要從生物學(xué)中學(xué)習(xí)很多東西。 ”的確， 從演化的角度來看， 生物學(xué)相當(dāng)于一部有關(guān)如何有效地解決復(fù)雜問題以及如何不解決它們的大型百科全書。 生物學(xué)為我們提供了在龐大和多樣化人口中進(jìn)行合作而非競爭活動的存在證據(jù)和具體例子。 生物學(xué)是關(guān)系之共性的科學(xué)， 而關(guān)系包含著生命的本質(zhì)意義。 這些見解代表著要收獲的自然資源， 這種資源對我們最終的生存而言可能比食物和能源等更有形的生物資源更為重要。 但是要取得這樣的收獲， 我們需要制造合適的工具。 我相信來自關(guān)系生物學(xué)的關(guān)于自然的概念將幫助我們學(xué)習(xí)如何做到這一點。

(譯自Foresight, Vol.12 No.3,PP.18-29)

(譯者注: 原文參考文獻(xiàn)略。 摘要為譯者依原文摘要撰寫。 文內(nèi)一級標(biāo)題的序號為譯者所加。 )