第七章:控制的兴起

7.1 古希腊的第一个人工自我

像大多数发明一样,自动控制的发明也可以溯源到中国古代。在一片风尘滚滚的平原上,一个身穿长袍的小木人站在一根短柱上,身子摇摇晃晃。柱子立在一对转动的车轮之间,拉车的是两匹套着青铜挽具的红马。

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这具人像身着公元九世纪飘逸的中式长袍,一只手指向远方。当马车在草原上驰骋的时候,连接两个木头轮子的齿轮吱呀作响;在这些齿轮的神奇作用下,柱子上的小木人总是坚定、准确无误地指向南方。当马车左转或右转的时候,带有联动齿轮的轮子就根据变化作出反向修正以抵消车子位移,确保木人的手臂永远指向南方。凭借坚定的意志,木人自动地追寻着南方,永不知倦。它为王师指路,保证整个队伍不在古代中国的荒郊野岭中迷失。

中世纪中国的发明天才们心思真是活络阿!居住在中国西南惠水河汊的农民们,想在围炉宴饮时控制酒量,就发明了一个小装置,通过它的自行调节来控制住心中对酒的躁动渴望。宋代的周去非便在他云游溪峒的游记中记述过这种颇具酒趣的吸管。吸管以竹制成,长约一寸半,可自控酒量,牛饮小啜各得其乐。一条银质「小鱼」浮动其中,饮者或许已经酩酊大醉,无力啜饮,那么吸管里的金属鱼就会自动下沉,限制住梅子酒的暖流,宣告他的狂欢之夜已然结束;如果饮者吸饮过猛,同样不会喝到什么,因为浮标会借助吸力上升,堵住吸管。只有不疾不徐,平稳啜饮,才能享受到酒精带来的乐趣。[1]

不过,细考起来,无论是指南车还是酒吸管都不是现代意义上真正的自动(即自我控制)装置。这两个装置只是以一种最微妙、最隐晦的方式告诉它们的人类主人,要想保持原来的行为状态就得作出调整,而改变行进方向或肺部力量这类事情则被交给了人类。按照现代思维的术语来说,人类是回路的一部分。要成为真正的自动装置,指向南方的木头人就应该自己改变车的行驶方向让它成为指南车。至少它的手指尖得挂一根胡萝卜,挑逗马(现在马在这个回路里了)跟着前进。同样地,不管人使多大的劲来嘬,酒吸管也都应当能自行调节酒的流量。不过,虽然算不上自动,指南车却使用了差速齿轮,这可是现代汽车的变速器在一千多年前的老祖宗,也是在磁力指南针无用武之力的武装坦克上辅助驾驶员的现代自瞄准火炮的早期原型。从这个意义上说,这些机巧的装置其实是自动化谱系上一些奇妙的流产儿。事实上,最早的、真正意义上的自动装置要比这还早一千年就出现了。

克特西比乌斯[2]是公元前三世纪中叶生活在亚历山大港的一位理发师。他痴迷于机械装置,而且在这方面也颇有天分。他最终成为托勒密二世[3]治下的一名机器工匠,正儿八经地制造起人工物品来。据说,是他发明了泵、水压控制的管风琴和好几种弩炮,还有传奇的水钟。当时,克特西比乌斯作为发明家的名气,堪与传奇的工程学大师阿基米德[4]相媲美。而今天,克特西比乌斯被认作是第一个真正自动装置的发明人。

当时而论,克特西比乌斯的钟可谓非常准确,因为它能自行调节供水量。在那之前,绝大多数水钟的弱点在于推动整个驱动装置的存水器在放空的过程中,水流的速度会逐渐减慢(因为水越少、越浅,水的压力就越小),因此也就减慢了钟的运行速度。克特西比乌斯发明了一种调节阀,解决了这个积年难题。调节阀内有一个圆锥形的浮子,浮子的尖端向上戳入一个与之配套的、倒转的漏斗中。水从调节阀中的漏斗柄处出来,漫过浮子,进入浮子漂浮的杯中。这时,浮子会浮起来进入倒扣的漏斗将水道收窄,以此限制水的流量。当水变少的时候,浮子又会往下沉,重新打开通道,让更多的水流入。换句话说,这个调节阀能够实时地找到恰当的位置让「刚刚好」的水通过,使计量阀容器中的流量保持恒定。

克特西比乌斯的这个调节阀是有史以来第一个可以自我调节、自我管理以及自我控制的非生命物体。从这个意义上说,它也就变成了第一个在生物学范畴之外诞生出来的自我。这是一个真正自动的物体——从内部产生控制。而我们现在之所以把它看成是自动装置的鼻祖,是因为它令机器第一次能够像生物一般呼吸。

而我们之所以说它确实有一个自我,是因为它置换出的东西。一股能够持续不断地、自动地进行自我调节的水流,转换成了一座能够不断进行自我调节的时钟,这样一来,国王就不再需要仆人来照顾这座水钟的水箱。从这个角度来说,「自动的自我」挤出了人类的自我。有史以来第一次,自动化取代了人类的工作。

克特西比乌斯的发明是二十世纪全美国风行的装置——抽水马桶的近亲。读者们可以看出克特西比乌斯的浮阀实际上是陶瓷马桶上半部分箱体中浮球的祖先。在冲水之后,浮球会随着水位的降低而下沉,并利用其金属臂拉开水阀。放进来的水会再次充满水箱,成功地抬起浮球,以便它的金属臂在水位精确地达到「满」的位置时切断水流。从中世纪的角度看,这个马桶通过自动起落的方法来保证自己水量充足。这样,我们就在抽水马桶的箱体内看到了所有自治机械造物的原型。

大约在一个世纪之后,同样生活在亚历山大港的海伦[5]琢磨出了很多种不同的自动浮力装置。在现代人的眼里,这些装置就像一系列严重弯折曲绕的厕所用具。而事实上,它们却是用于派对的精巧分酒器。比如说那个「喝不净的高脚杯」,这东西能够不断地通过它底部的一个管子给自己续杯,让杯子里的酒保持在一个恒定的水平。海伦写了一本百科全书巨著——《气体力学》[6]——里面塞满了他的各种发明。那些发明,即使以今天的标准来看依然显得不可思议。这本书在古代世界中曾经被广泛地翻译和复制,产生了无法估量的影响。事实上,在之后的两千年里(也就是说延续到十八世纪的机械时代),没有一种反馈系统不是以海伦的发明为鼻祖的。

其中有一个特例,那是17世纪的一位名叫科内利斯·德雷贝尔[7]的荷兰人想出来的。此人集炼金术士、透镜研磨匠、纵火狂和潜艇癖于一身(他曾经做出不止一艘能潜到1600米以下的潜水艇!) 。正是德雷贝尔在胡乱地以各种手段提炼金子的时候,发明了恒温器。这个恒温器是另一个影响全世界的反馈系统的范例。作为一个炼金术士,德雷贝尔当时怀疑实验室里的铅之所以变不成金子,可能是因为加热元素的热源温度波动太大的缘故。所以在十七世纪二十年代,他自己拼凑了一个可以对炼金原材料进行长时间适温加热的迷你熔炉,就仿佛地底深处那些界定了冥府的含金石经受灼烧熔解的情形。德雷贝尔在小炉子的一边连接了一个钢笔大小的玻璃试管,里面装满了酒精。受热之后,液体就会膨胀,于是把水银推入与之相连的第二个试管,而水银又推动一根制动杆,制动杆则会关闭这个炉子的风口。显然,炉子越热,风口被关得更久,火也就越小。冷却了的试管会使制动杆回缩,从而打开风口让火变大。在乡下使用的那种普通的家用恒温器,跟德雷贝尔的这个装置的道理一样——目的都是要保持一个恒定的温度。不幸的是,德雷贝尔的这个自动炉并没炼出金子来,而德雷贝尔也从来没有向世人公开过这个设计,结果他的自动化发明消失得无声无息,没有造成任何影响。一百多年之后,才有一个法国的乡绅重新发现了他的设计,做了一个恒温器用于孵化鸡蛋。

詹姆斯·瓦特[8],这位顶着蒸汽机发明者头衔的人,运气就没有这么背了。事实上,早在瓦特能够看到蒸汽机之前几十年,有效运转的蒸汽机就已经在工作了。有一次有人请年轻的工程师瓦特修理一台无法正常工作的、早期的小型纽科门[9]蒸汽机。这台拙劣的蒸汽机弄得瓦特颇为沮丧,于是他开始着手对它进行改进。大约在美国革命发生的时候,他给当时的蒸汽机增加了两样东西,一样是改良性的,另一样是革命性的。他那项关键的改良性创新是把加热室和冷却室分开,这样一来,他的蒸汽机的功效变得极其强大。如此强大的功效需要他增加一个速度调节器来缓和这种新释放的机械力。跟往常一样,瓦特把目光转向了那些已经存在的技术。托马斯·米德[10]既是机器匠,也是磨坊主。他曾经为磨坊发明过一个笨拙的离心调节器,只有在磨石速度足够快的时候才把磨石降到谷粒上。它调节的是石磨的输出功率,而不是磨石的动力。

瓦特琢磨出了一项根本性的改进。他借鉴了米德的磨坊调节器,把它改良成一个纯粹的控制回路。采用这种新的调节器,他的蒸汽机就自己掐住了自己动力的喉咙。他这个完全现代的调节阀。可以自动让当时变得颇为暴躁的马达稳定在某个由操作者选定的恒定速度上。通过调整调速器,瓦特就能够任意改变蒸汽机的转速。这就带来了革命。

和海伦的浮子以及德雷贝尔的恒温器一样,瓦特的这个离心调速器在其反馈中也同样是透明的。两个铅球,分别装在一条硬摆杆的两端,挂在一根柱子上。柱子旋转的时候,这两个球也会转起来,这个系统转得越快,它们飞得越高。与旋转的摆成剪状交叉的联动装置把柱子上的滑动套筒顶起,扳动一个阀门,一个通过对蒸汽进行调整从而控制旋转速度的阀门。球转得越高,这些连动装置关闭的阀门越多,降低旋转速度,直到达到某个回转速度(以及旋转中的球的高度)的均衡点。这种控制跟物理学本身一样可靠。

旋转其实是自然界里一种陌生的力量。不过,对于机器来说,它就是血液。在生物学中,唯一已知的轴承存在于精子那转动着的鞭毛螺旋桨的连接处。事实上,除了这个微型马达之外,所有带着基因的东西都不会有转轴和轮子这些东西。可是,对于那些没有基因的机器来说,旋转的轮子和转动的轴承,却是它们生存的理由。瓦特所给予这些机器的,是那种让它们能够对自身的革命形成控制的秘笈,而这,恰恰就是瓦特的革命。他的发明广泛而迅速地传播开来。也正是因为他的发明,工业时代的工厂才能够以蒸汽作为动力,引擎才能够规规矩矩地进行自我调节,而所采用的,恰恰是这种万能式的自我控制:瓦特的飞球调控器。自供应的蒸汽动力催生了机器厂,机器厂生产出新型的发动机,新型发动机催生了新型的机床。它们都有自我调节装置,给滚雪球式的优势累积法则提供着动力。工厂里每一个可见的工人,都被上千个不可见的调控装置所围绕。今天,一个现代工厂里同时工作的可能有成千上万的隐蔽的调节装置。而它们的工作伙伴,可能就只有一个人。

瓦特获取了蒸汽在膨胀时如同火山般爆烈的力量,然后用信息来驯服它。他的飞球调控器是一种原汁原味的信息控制,是最初出现的非生物的控制回路之一。一辆汽车和一个爆炸的汽油罐之间的区别就在于,汽车的信息——也就是它的设计——驯服了汽油那种残暴粗野的能量。暴乱中燃烧的汽车与印地500车赛中超速行驶的赛车的能量与器质相当。而赛车的系统受到临界量的信息控制,从而驯服了喷火的巨龙。一点点的自我认知,就可以把火所带有的全部热量和野性驯化得服服帖帖。人们驯服狂暴的能量,把它从荒蛮之中引入自家后院、地下室、厨房乃至在客厅,服务于我。

要是没有那个安安分分转动着的调控器所构成的主控回路,蒸汽机根本就是不可想象的装置。没有那个自我作为它小小的心脏,它会直接炸毁在它的发明者面前。蒸汽机所释放出的巨大能量,不仅取代了奴隶,还引发了工业革命。然而转瞬间,一场更为重要的革命随之悄然而至。要不是有迅速推广开来的自动反馈系统所引起的信息革命与之并行(虽然难以发现),工业革命也就不成其为革命了。如果如瓦特蒸汽机一般的火力机械缺失了自我控制系统,那么所有被这种机器解放出来的劳动力,就又都会束缚在照看燃料的工作上。所以说是信息,而不是煤炭,使机器的力量变得有用,进而予取予求。

因此,工业革命,并不是为更加复杂周密的信息革命作出准备的原始孵化平台。相反,自动马力本身就是知识革命的第一阶段。把世界拖入信息时代的,是那些粗糙的蒸汽机,而不是那些微小的芯片。

控制饮酒量的装置:参见周去非(宋朝,1135~1189)的《岭外代答》。其实这个「吸管」不是放在嘴里吸,而是插在鼻子里吸,即所谓「鼻饮」。

克特西比乌斯(Ktesibios):古希腊工程师,发明家。公元前三世纪中叶生活在埃及托勒密王朝下。

托勒密二世(King Ptolemy II,公元前308~前246):古埃及托勒密王朝国王。他利用宗教巩固王朝统治,将版图扩展至叙利亚、小亚细亚和爱琴海,在位期间国势处于全盛时期。

阿基米德(Archimedes,约公元前287~前212):古希腊数学家、发明家,以发现阿基米德原理(即浮力原理)而著称,在数学方面的发现有圆周率以及球体、圆柱体的表面积和体积的计算公式。

海伦(Heron, 10~75):是一个非常重要的几何学家和机械学家。

《气体力学》:The Pneumatica

科内利斯·德雷贝尔(Cornelis Drebbel):荷兰发明家,建造了第一艘能航行的潜水船。

詹姆士·瓦特(James Watt, 1736.01.19~1819.08.19):英国著名的发明家,是工业革命时的重要人物。他改良了蒸汽机、发明了气压表、汽动锤。后人为了纪念他,将功率的单位称为瓦特。

纽科门(Newcomen):英国工程师,蒸汽机发明人之一。他发明的常压蒸汽机是瓦特蒸汽机的前身。

托马斯·米德(Thomas Mead):英国发明家,磨坊主。