金觀濤 華國(guó)凡：當(dāng)我們無(wú)法“打開(kāi)黑箱”時(shí)，還能如何認(rèn)識(shí)世界？｜雙體實(shí)驗(yàn)室

大家好，我是船長(zhǎng)。

在我們探索世界的道路上，是否曾思考：我們真正認(rèn)識(shí)一個(gè)事物的方式，究竟是要深入其內(nèi)部、拆解其結(jié)構(gòu)，還是可以通過(guò)外部的輸入與輸出來(lái)把握其規(guī)律？面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)，我們常常感到內(nèi)在機(jī)制如同一個(gè)無(wú)法透視的“黑箱”，未知遠(yuǎn)大于已知。而控制論提出的“黑箱方法”，恰恰為我們提供了一種在未能完全打開(kāi)系統(tǒng)的情況下依然能夠認(rèn)識(shí)和改造對(duì)象的智慧路徑。

金觀濤老師與華國(guó)凡老師認(rèn)為，控制論將客體視為由可觀察變量與可控制變量構(gòu)成的系統(tǒng)，主張通過(guò)外部輸入與輸出的關(guān)系來(lái)推斷內(nèi)部機(jī)制，從而逐步構(gòu)建認(rèn)知模型。這種方法并非回避深入，而是在認(rèn)知階段與實(shí)際條件限制下的一種有效策略。從孟德?tīng)柕倪z傳實(shí)驗(yàn)到巴甫洛夫的條件反射研究，從未被完全打開(kāi)的地球內(nèi)部到生命系統(tǒng)的微妙活動(dòng)，“不打開(kāi)黑箱”的方法在科學(xué)史上一次次展現(xiàn)出其獨(dú)特的解釋力和實(shí)踐價(jià)值。

在今天，我們面對(duì)日益復(fù)雜的自然與社會(huì)系統(tǒng)，從人工智能到生態(tài)系統(tǒng)，從大腦認(rèn)知到社會(huì)治理，完全“打開(kāi)黑箱”往往困難重重甚至不可行。此時(shí)，重溫控制論中的黑箱思想，不僅是一種方法論的回溯，更是一種認(rèn)知態(tài)度的提醒——在未知面前，我們依然可以通過(guò)觀察與互動(dòng)來(lái)理解、預(yù)測(cè)并干預(yù)系統(tǒng)。這或許正是在不確定性時(shí)代中，我們依然能夠保持理性與探索勇氣的重要思維依托。

圖： 雷尼·馬格利特 《人類之子 》

當(dāng)我們無(wú)法“打開(kāi)黑箱”時(shí)，還能如何認(rèn)識(shí)世界？

文/金觀濤 [美]華國(guó)凡

黑箱本質(zhì)：主客體的變量定義

控制論把人們認(rèn)識(shí)和改造的對(duì)象看作黑箱。

任何一個(gè)客體事物，它和作為主體的人的關(guān)系總可以歸結(jié)為兩個(gè)部分。一部分是客體對(duì)主體的作用，包括主體所接收到的客體的信息，以及客體對(duì)主體的各種作用、影響。它們反映在客體的輸出中，可以用一組變量來(lái)表示，這組變量被稱為這個(gè)客體的可觀察變量。另一部分是主體對(duì)客體的控制作用，包括主體傳遞給客體的信息，以及主體對(duì)客體的各種作用、影響。它們反映在客體的輸入中，也可以用一組變量來(lái)表示，這組變量被稱為這個(gè)客體的可控制變量。

圖： 客體的可控制變量

通過(guò)可觀察變量，人們對(duì)客體進(jìn)行觀察，了解客體的存在及其變化，認(rèn)識(shí)客體。通過(guò)可控制變量，人們對(duì)客體實(shí)行控制，創(chuàng)造使客體變化的條件，改造客體。此外，通過(guò)主體和客體的反饋耦合，在客體被認(rèn)識(shí)和改造的同時(shí)，主體的精神活動(dòng)也被認(rèn)識(shí)和改造。因此，人們的實(shí)踐活動(dòng)，從根上來(lái)說(shuō)都可以表示為主體和客體之間的反饋耦合，都可以用 可觀察變量和可控制變量來(lái)描述。

對(duì)于一個(gè)客體，我們用一組可觀察變量和可控制變量構(gòu)成的系統(tǒng)來(lái)描述它。這個(gè)客體系統(tǒng)也就是一個(gè)黑箱。在這里，系統(tǒng)和黑箱是兩個(gè)等價(jià)的概念。為什么要叫黑箱呢？

黑，意味著一些未知的東西。關(guān)鍵也就在這個(gè)問(wèn)題上。我們知道，客觀事物是復(fù)雜的，在人們認(rèn)識(shí)的一定階段，任何客體總有許多情況是我們還不了解的，任何客體也總有許多變化是我們還不能控制的。也就是說(shuō)，任何客體除了可觀察變量和可控制變量之外，還有一大批尚不可觀察和尚不可控制的變量。正是從這個(gè)意義上，控制論把一個(gè)客體稱為黑箱。

認(rèn)知路徑：打開(kāi)與不打開(kāi)

控制論認(rèn)為，認(rèn)識(shí)客體黑箱有兩種不同的方法。 一種叫不打開(kāi)黑箱的方法， 一種叫打開(kāi)黑箱的方法。

不打開(kāi)黑箱的方法就是不影響原有客體的黑箱結(jié)構(gòu)，通過(guò)研究黑箱外部的輸入、輸出變量，推理黑箱的內(nèi)部情況，探求黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而打開(kāi)黑箱的方法，則要通過(guò)一定的手段來(lái)影響原有客體黑箱，直接觀察和控制黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

例如一只手表，它的分針和時(shí)針的運(yùn)動(dòng)有某種聯(lián)系。所謂不打開(kāi)黑箱，就是從外部觀察長(zhǎng)針和短針的運(yùn)動(dòng)，尋找它們運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。或者去撥動(dòng)柄軸，輸入一定的變量，觀察長(zhǎng)針和短針運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。通過(guò)這些觀察，來(lái)尋找變量之間的約束，構(gòu)想它們之間的聯(lián)系機(jī)制。而打開(kāi)黑箱呢？干脆把表殼打開(kāi)，直接觀察手表內(nèi)部的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，研究長(zhǎng)針和短針之間的聯(lián)系。顯然，這是兩種完全不同的方法。

我們打開(kāi)表殼，原來(lái)一些不可觀察和不可控制的變量成為可觀察和可控制的了。由于增加了新的可觀察和可控制變量，原有的黑箱就發(fā)生了變化。原有的系統(tǒng)增加了新的變量，就形成一個(gè)新的系統(tǒng)，也就是構(gòu)成了一個(gè)新的黑箱。

圖：打開(kāi)表殼的手表

科學(xué)演進(jìn)：從模型到突破

不打開(kāi)黑箱和打開(kāi)黑箱這兩種方法都是人們經(jīng)常要用到的。不但對(duì)于研究表針運(yùn)動(dòng)這樣簡(jiǎn)單的問(wèn)題，對(duì)于一些更復(fù)雜的問(wèn)題，也是如此。我們來(lái)分析一個(gè)遺傳學(xué)方面的例子。

19世紀(jì)60年代，奧地利神父孟德?tīng)栍猛愣棺隽艘恍?shí)驗(yàn)。他把具有不同性狀的豌豆進(jìn)行雜交，然后觀察雜交豌豆下一代的性狀。孟德?tīng)栕屑?xì)地記錄、統(tǒng)計(jì)了他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，提出了一種假說(shuō)。他認(rèn)為，豌豆的性狀是由某些“因子”控制的。例如，關(guān)于種子顏色的一種因子將使種子長(zhǎng)成綠色，另一種因子則使種子長(zhǎng)成黃色。這些“因子”，也就是后來(lái)生物學(xué)家所稱呼的基因。

圖：格里高爾·孟德?tīng)?/p>

孟德?tīng)柊l(fā)現(xiàn)，每一個(gè)豌豆植株的每一個(gè)特征都由一對(duì)因子來(lái)控制，其中從父本和母本各傳來(lái)一個(gè)。基因有顯性和隱性的區(qū)別，由基因控制植株的性狀。盡管孟德?tīng)柤僭O(shè)了關(guān)于基因的種種性質(zhì)，但基因究竟是什么東西，孟德?tīng)柌⒉磺宄Ｋ惠呑右矝](méi)見(jiàn)過(guò)基因，他所觀察到的只是豌豆的性狀，諸如種子和花的顏色、莖的高矮等等。

顯然，孟德?tīng)査褂玫氖且环N典型的不打開(kāi)黑箱的方法。豌豆的遺傳機(jī)制對(duì)孟德?tīng)杹?lái)說(shuō)就是一個(gè)黑箱，這個(gè)黑箱的輸入是父本和母本的性狀，這些性狀是可以控制的，也就是可以由實(shí)驗(yàn)者選擇的。這個(gè)黑箱的輸出則是雜交后子代的性狀，這些性狀是可以被觀察到的，由輸入、輸出的性狀變量組成了一個(gè)系統(tǒng)。而基因?qū)γ系聽(tīng)杹?lái)說(shuō)是尚未被觀察到也尚未能加以控制的變量，它在遺傳黑箱的內(nèi)部。孟德?tīng)栔皇峭ㄟ^(guò)對(duì)黑箱外部輸入、輸出的分析研究假定了基因的存在。這種根據(jù)黑箱外部的輸入、輸出而提出的關(guān)于黑箱內(nèi)部情況的假定，在控制論中稱為模型。

通過(guò)建立模型，人們解釋了黑箱的輸入和輸出之間為什么會(huì)具有這種或那種聯(lián)系。模型只是一種假設(shè)，它不一定表示黑箱內(nèi)部的實(shí)際結(jié)構(gòu)。人們利用模型來(lái)研究黑箱，總結(jié)黑箱的變化規(guī)律，控制黑箱。這只是認(rèn)識(shí)的一個(gè)階段。

隨著人們觀察手段和控制手段的進(jìn)步，一個(gè)黑箱原來(lái)未能觀察到的變量可能成為可觀察變量，原來(lái)不能控制的變量也可能成為可控制變量，我們預(yù)先提出的模型被證實(shí)或部分證實(shí)了，這時(shí)候我們說(shuō)，原來(lái)的那個(gè)黑箱被我們打開(kāi)了或部分打開(kāi)了。

以關(guān)于遺傳機(jī)制的研究為例，20世紀(jì)初，不少生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，孟德?tīng)柕幕蚺c在顯微鏡下看到的細(xì)胞染色體有聯(lián)系。生物細(xì)胞中的染色體和基因一樣，成對(duì)存在，一個(gè)來(lái)自父本，一個(gè)來(lái)自母本。美國(guó)生物學(xué)家摩爾根（Thomas Hunt Morgan）和他的同事通過(guò)對(duì)果蠅連鎖的遺傳性狀的研究，成功地推斷出控制遺傳性狀的基因在染色體上的相對(duì)位置，從而作出了果蠅的基因“坐落圖”。一對(duì)果蠅染色體里至少有1萬(wàn)個(gè)基因，而一對(duì)人的染色體里可能含有2萬(wàn)至9萬(wàn)個(gè)基因。正是這些染色體上的“等位基因”決定了生物的性狀。

摩爾根關(guān)于果蠅的遺傳的研究使其獲得了1933年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。如果我們把摩爾根的工作與孟德?tīng)栕鲆粋€(gè)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，孟德?tīng)柕暮谙浔荒柛蜷_(kāi)了，摩爾根所觀察和控制的不僅是生物的性狀，他還觀察了生物染色體上基因的位點(diǎn)。

從認(rèn)識(shí)的角度來(lái)看，一方面，打開(kāi)黑箱標(biāo)志著人們認(rèn)識(shí)的深化。人們?cè)诖蜷_(kāi)黑箱后，發(fā)現(xiàn)了新的變量。這使得不打開(kāi)黑箱時(shí)所發(fā)現(xiàn)的變量之間的聯(lián)系，從黑箱內(nèi)部得到了解釋。新變量提供了原有變量之間聯(lián)系的聯(lián)系，使人們能夠更精確、更本質(zhì)地探討黑箱的變化規(guī)律性。另一方面，打開(kāi)黑箱增強(qiáng)了人對(duì)黑箱的控制能力。人們獲得了新的控制手段，能夠從原有黑箱的內(nèi)部來(lái)控制黑箱的變化。

但是，打開(kāi)黑箱是相對(duì)于原來(lái)那個(gè)黑箱而言的。一旦我們打開(kāi)了一個(gè)黑箱，發(fā)現(xiàn)了一批新的變量，一個(gè)新的黑箱也就形成了。打開(kāi)黑箱只意味著我們對(duì)黑箱的性質(zhì)有了新的了解，我們認(rèn)識(shí)和改造事物的能力增強(qiáng)了一些。但在人類認(rèn)識(shí)的任何一個(gè)階段，我們不可能通曉事物的一切內(nèi)在聯(lián)系，還有許多變量是我們依然無(wú)法觀察和控制的。

更精確地說(shuō)，打開(kāi)黑箱在任何場(chǎng)合只是打開(kāi)了黑箱的某一個(gè)層次。客觀事物的黑箱總是一層套一層的，永遠(yuǎn)不會(huì)完結(jié)。摩爾根發(fā)現(xiàn)了性狀和染色體上基因位點(diǎn)的聯(lián)系，我們說(shuō)他打開(kāi)了黑箱。但染色體又是一個(gè)黑箱。染色體的物質(zhì)基礎(chǔ)是什么？為什么染色體能夠控制性狀？對(duì)這些問(wèn)題，摩爾根也不清楚。摩爾根以后的生物學(xué)家對(duì)此繼續(xù)深入研究，發(fā)現(xiàn)了基因通過(guò)酶起作用，發(fā)現(xiàn)染色體中決定遺傳的物質(zhì)是脫氧核糖核酸（DNA），進(jìn)而又發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸的分子結(jié)構(gòu)和遺傳密碼。這樣，黑箱一層又一層地被打開(kāi)了。

方法意義：為何不打開(kāi)仍重要

人們打開(kāi)了一層黑箱，又得和新的黑箱打交道。在人類認(rèn)識(shí)的任何階段，人們總得研究一些未被打開(kāi)的黑箱。因此在任何時(shí)候，人們總得采用一些不打開(kāi)黑箱的方法來(lái)研究問(wèn)題，解決問(wèn)題。

有些人認(rèn)為，只有打開(kāi)了黑箱，才算真正認(rèn)識(shí)了黑箱，在打開(kāi)黑箱之前，僅僅從黑箱的輸入與輸出來(lái)研究黑箱，并根據(jù)輸入、輸出之間的關(guān)系來(lái)建立黑箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型，這些都不算對(duì)黑箱的認(rèn)識(shí)。

持這種觀點(diǎn)的人沒(méi)有看到，我們的主體認(rèn)識(shí)與客體之間歸根結(jié)底是通過(guò)輸入、輸出相互聯(lián)系的。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，我們只能通過(guò)黑箱的輸入、輸出變量來(lái)認(rèn)識(shí)黑箱、改造黑箱。因此，采用不打開(kāi)黑箱的方法在人類認(rèn)識(shí)的任何階段都不失為一種重要的實(shí)踐手段。

打開(kāi)黑箱的方法相比，不打開(kāi)黑箱的方法具有簡(jiǎn)單易行、不破壞黑箱原有結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。因此，在以下幾類系統(tǒng)的研究中，這種方法就顯得特別重要：

（1）某些內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)被人們稱為特大系統(tǒng)，又叫特大黑箱。它們的內(nèi)部不但變量眾多，相互關(guān)系也錯(cuò)綜復(fù)雜，我們即使打開(kāi)了黑箱，也往往只能從某一個(gè)局部來(lái)觀察它們。采用不打開(kāi)黑箱的方法，反而有利于人們從整體、綜合全局的角度來(lái)考察問(wèn)題。

（2）至今為止，人們所擁有的手段尚不能打開(kāi)的黑箱。例如我們要研究地球內(nèi)部的構(gòu)造，但迄今還不能直接觀察地心深處的情況，我們用鉆機(jī)打洞的辦法，充其量只能取到地下幾十千米處的巖層樣品， 這對(duì)于半徑6000多千米的地球只不過(guò)觸及了一點(diǎn)皮毛，地球是一個(gè)遠(yuǎn)未被打開(kāi)的黑箱。那么人們是怎么知道地球深處有地幔、地核等構(gòu)造的呢？原來(lái)人們是通過(guò)地球表面的一些輸入、輸出的變量來(lái)研究地球的，如地磁、地電、地變形、地球化學(xué)、超聲波等。人們通過(guò)觀察和分析這些變量數(shù)據(jù)，建立了關(guān)于地球深處情況的模型。這是一種典型的不打開(kāi)黑箱的方法。

（3）人類在某一階段掌握的、某一類打開(kāi)黑箱會(huì)嚴(yán)重干擾本身結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。例如生物體就是這樣的系統(tǒng)，生物體是活生生的有機(jī)體，它的內(nèi)部各部分有嚴(yán)密而復(fù)雜的組織。目前為止，我們打開(kāi)這類黑箱的辦法主要還是解剖。一旦我們采用解剖的方法把黑箱打開(kāi)了，這個(gè)黑箱的結(jié)構(gòu)就會(huì)受到嚴(yán)重的破壞，我們所觀察到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與黑箱未被打開(kāi)時(shí)可能大不相同。

當(dāng)然，我們不否認(rèn)隨著科學(xué)的進(jìn)步，人類總有一天會(huì)找到打開(kāi)生命系統(tǒng)、大腦等黑箱的新手段。但在沒(méi)有新的打開(kāi)手段之前，采用不打開(kāi)黑箱的方法來(lái)研究，顯然會(huì)有獨(dú)特的長(zhǎng)處。

科學(xué)史上有一個(gè)非常生動(dòng)的例子，可以說(shuō)明黑箱方法的意義。著名生理學(xué)家巴甫洛夫是怎樣研究大腦的？比如研究狗的視覺(jué)，狗是通過(guò)區(qū)分不同的顏色（不同波長(zhǎng)的光），還是通過(guò)區(qū)分光的亮度，來(lái)辨別周圍事物的呢？顯然，到目前為止我們只能用不打開(kāi)黑箱的辦法對(duì)其進(jìn)行研究，因?yàn)槲覀儾捎矛F(xiàn)有的打開(kāi)手段，即便打開(kāi)了狗的大腦，也無(wú)法了解狗是怎樣看見(jiàn)事物的。

巴甫洛夫想了一個(gè)辦法。他把給狗看不同顏色或同 一顏色但亮度不同的東西看作對(duì)狗的大腦的輸入，把狗的唾液分泌情況看作其大腦的輸出，并通過(guò)一定的喂食訓(xùn)練，用條件反射原理建立輸入與輸出的聯(lián)系。

結(jié)果他發(fā)現(xiàn)，在不給狗食物的情況下，給它看不同顏色的東西時(shí)，它的唾液分泌紊亂，不能按照原先建立的條件反射來(lái)分泌一定量的唾液。這說(shuō)明，狗不能區(qū)別不同的顏色。

而給它看同一顏色但亮度不同的東西時(shí)，唾液分泌量是有規(guī)則的，可以按原先建立的條件反射來(lái)分泌唾液，而且這種區(qū)分能力比人敏感得多，達(dá)到0.001燭光的精確度。可見(jiàn)狗是色盲的，它是通過(guò)區(qū)別外界事物的發(fā)光亮度來(lái)“看見(jiàn)”事物的。在狗的眼里，外界事物只是一幅黑白相片，而在我們?nèi)说难劾铮饨缡挛锸且环宀世_紛的圖畫。很明顯，這里巴甫洛夫采用了不打開(kāi)黑箱的研究方法。

圖：巴甫洛夫的狗

本文系摘選自《控制論與科學(xué)方法論》一書第五章節(jié)第1節(jié)。為便于閱讀，部分段落做了拆分和刪減，推文標(biāo)題為編者所擬，學(xué)術(shù)討論請(qǐng)以原文為準(zhǔn)。文中部分配圖來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系公眾號(hào)后臺(tái)刪除。

內(nèi)容編校：舒婷

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