维纳传:信息时代的隐秘英雄

六一门科学的诞生　　　　　　　　　　　　　　天才每个时代都有，但是这些天才总是处于麻木状态，直到发生异常事件，天才才会被激发并勇敢向前。——德尼·狄德罗　　　　　　　　1940年夏，和以前很多个夏天一样，维纳在新罕布什尔州乡下农舍附近的大熊营地池塘里仰面朝上来回游泳，湖面宁静。维纳嘴里叼着雪茄，镜片闪闪发光，气球般的大肚子在波浪里滚动。但是此刻，他的思绪飞到4 000英里外的地方。　　在欧洲，在纳粹德国更加先进的武器的支持下，西班牙国民军打败了共和国的守卫者，赢得了内战。意大利法西斯和德国签订了“钢铁条约”，希特勒国防军的战争机器横扫整个大陆。到1940年春，奥地利、捷克斯洛伐克和波兰都被完全征服，丹麦、挪威和低地国家被迫臣服。6月，33万同盟国部队在敦刻尔克被赶出欧洲大陆。法国沦陷，一个月后，纳粹德国空军战机越过英吉利海峡，开始了惨烈的不列颠之战。　　从南北两极，轴心国把整个世界撕裂为两半。维纳离开中国后不久，日本的军事入侵演变为对亚洲大陆的全面战争。在南京，30万中国人被屠杀，另外有100多万人在黄河战死、淹死。1940年5月，为了阻击日本入侵，美国总统罗斯福将美国海军太平洋舰队调往夏威夷，进行战争威慑。　　维纳密切注视着事态的每一次进展，预感灾难即将来临。整个令人心神不定的夏天，维纳或者在大熊营地池塘懒散地游泳，或者到凉爽的怀特山脉徒步。他在家里热情接待来自被围困国家的同事，和女儿们一起到野外郊游时也努力保持着欢悦的情绪。虽然距离珍珠港事件爆发还有一年多时间，但是他和同事们都清楚，美国参与第二次世界大战是不可避免的结局，新的战争将提出前所未有的科学和技术挑战。　　麻省理工学院副校长范内瓦·布什一年前调往华盛顿，担任卡内基研究院主任。这是一个私人基金会，致力于基础研究，它已经成为美国科学的主要资助机构。范内瓦·布什来自新英格兰，他做事高效、干练，在这个美国知识界至高无上的位置上，他可以直接给政府官员提供军队事务在科学方面的建议。1940年6月12日，盟军从敦刻尔克仓皇撤退后一周，布什在白宫会见了罗斯福总统。根据总统的行政命令，他被任命组建新的国防研究委员会，并担任主任，负责启动并协调美国国防科学研究。他采取的**项主动措施是组织一个由700所大学和研究机构形成的网络，其职责是为战争相关的科学和技术项目招募人员。他还给同事写信，恳请他们提出建议，以在即将到来的战争中更好地和科学家合作。　　维纳很乐意提供他自己的建议。　　1940年9月，维纳给布什写了**份备忘录，接下来的一段时间，他们之间都有书面往来。维纳回顾了他**次世界大战期间在阿伯丁训练场工作的经历，总结了自己和很多科学家、工程师多次合作的得失，介绍了他正在和阿图罗·罗森布鲁斯讨论的关于跨学科科学研究价值的情况。他建议布什采取一个大胆的战争研发战略：“组建由不同学科领域的科学家组成的小型、机动的团队，联合开展技术攻关……将研究成果移交给一个开发团队，再一起攻克下一个难题。”　　布什从未对维纳的建议做出回应。维纳认为他的关于组建跨学科团队开展战时科学研究的建议不会有什么结果，但是他的结论也许有些过早。几个月后，布什再次和罗斯福总统会面，随即美国国会授权组建第二个研究机构——美国科学研究与发展局，属于独立的联邦机构，布什任主管。布什主管的国防研究委员会和美国科学研究与发展局一起协调6 000名美国科学家从事和战争有关的科研活动，包括从事绝密的原子弹理论和技术研究的著名的曼哈顿计划。就像维纳建议的那样，这些科学家多数是协同工作，以小型、流动、跨学科的团体形式，解决一个又一个棘手的问题，直到战争胜利。　　维纳还有其他要考虑的事情，它们将直接影响人们为战争所做的种种努力。1940年9月11日，他给布什寄送备忘录前10天，到新罕布什尔州的达特茅斯学院参加美国数学协会的夏末会议。会议期间人们不再像平常那样闲聊学术问题，而是很严肃地讨论肆虐欧洲的战争冲突。在会议室外的走廊里，有台电传打字机，这个技术展示吸引了维纳的注意力，它通过长途电话线同美国电话电报公司位于纽约总部的新型“复杂数字计算器”连接起来。机器的发明者是36岁的贝尔实验室数学家乔治·R.施蒂比茨。他向围观的人介绍了这台机器。看到这帮数学协会成员不怎么相信，他于是进行了首次实际远程计算演示。　　和布什的模拟微分分析机一样，斯蒂比茨为贝尔实验室建造的这台机器还不是真正的计算机，它没有内存，也没有处理逻辑操作指令程序的内部系统，但它朝这个方面迈出了一步：它是世界上首台数字电子计算器，处理的是离散量而不是连续量。它能够在一分钟内通过一排450个两位电话继电器开关进行复杂数字的基本数学运算。观众中有两位马上理解了这台机器的意义。一位是宾夕法尼亚大学莫尔工程学院的约翰·莫奇利，他不久就和同事J.普雷斯伯·埃克特开始了**台可编程数字计算机的研发，名为埃尼阿克（ENIAC）。　　另一位就是维纳。贝尔实验室模型1号继电器式计算器的生动演示，重新点燃了他关于自动计算的全部念头，自从在中国和李郁荣合作建造电子模拟计算机的努力失败后，他就雪藏了这个念头。回到麻省理工学院后，他整理了关于有必要建造更好的计算机来支持科学家和工程师的战时科研活动的想法。在1940年9月20日的一个长篇备忘录中，他将十多年前提供给布什的想法加以扩展，拟出五条指导计算机设计的简明指令。他的新指令是**次对功能完善的现代计算机进行的描述，也可能是首套技术参数。　　维纳声明，他偏向数字计算方法而不是模拟方法，他向布什建议说：“计算机器设备应该是数值的……而不是基于度量的。”布什的微分分析机就是度量式的。他极力主张使用真空电子管，这是他从20年代以来一贯的看法，他强调指出“为了确保更快的速度”，计算机“应该依赖电子管，而不是齿轮或机械继电器”。几天前他看到的贝尔实验室装置就是使用了齿轮或机械继电器。他衷心赞同施蒂比茨使用的“二进制计算方法……而不是十进制”，这也是维纳10年前首次使用处理一系列数学数据的方法。接着，维纳提议使用新的电子记忆系统，采用在线圈或金属磁带上记录微观电磁痕迹的方式，给新的计算机器提供“新的数据储存设备，能够很快地记录数据，可靠地保存、读取和删除数据，并且很容易被调用来存储新的数据”。　　*后，维纳用了很大的篇幅呼吁发明计算机软件，通过逻辑指令程序指导计算机进行运算，但是当时在他的脑海里，程序的概念更多是硬件的而不是软件的。他这样建议布什：　　　　整个运算顺序被设置在机器本身，这样从数据被输入到产生*终计算结果，都不需要人的干预，所有必需的逻辑决策都被内置在机器本身。　　　　维纳向布什明确表示，这些建议不是他脑子里冒出的虚无缥缈的概念，而是具体可行的想法，有实际的计算方法做为基础，全世界的数学家和工程师都在对这些计算方法进行理论和样本试验上的探索。英国数学家艾伦·图灵在1936年写的一篇论文中提出关于可以进行数字计算的“通用”机器的假设，美国工程师、艾奥瓦州立大学的约翰·V.阿塔纳索夫1939年建造了一个具有上述特征的原型机。但是，维纳是**个将这些分散的概念整合在一起，具体提出建造具有内部逻辑程序的全电子计算机建议的人。　　布什回复确认收到了维纳的备忘录，但是几个星期后，他向维纳给出临时意见，说他不太确信这种设计方案是否可行。1940年12月底，布什拒绝了维纳的建议。他断然拒绝了维纳建造一个全电子数字计算机的提议，拒绝分派任何其他人参与这样一个项目，坚持认为：“它毫无疑问是个长期类型项目，而目前要尽可能利用这些领域里的合格人才来从事短期能见到成效的工作。”　　那时，两人都没有意识到，在战争结束前，维纳极具远见的备忘录中提到的每一个想法都将在一台无所不包的机器里得到实际应用，或者得到积极的研发。　　　　1940年，计算机是布什襁褓中的宝宝，也是少数数学家和电气工程师的“宠物项目”。维纳知道，研究计算机不是他战时科学研究的领域，但他非常急切为之做贡献。他写信给布什：“我希望在这个紧急时期，你能为我提供一个小小的角落，让我为这项任务做点儿事情。”然后，他着手寻找一个合适的岗位，以便充分发挥他的特殊才能，运用他的新数学方法和前沿通信理论来解决现代战争中面临的实际问题。　　1940年秋天，欧洲局势发生了不祥的转变。不列颠之战初期，德国实行闪电战，夜间轰炸英格兰广大乡村地区的城镇，现在转而集中力量对伦敦进行狂轰滥炸，后来被称为伦敦大轰炸。从9月到11月这段顶峰时期，德国轰炸机向伦敦投下了1.3万吨炸弹和燃烧装置，为了在英国人民中制造恐怖气氛，挫败他们的士气，并*终打败他们。但是，英国人没有屈服。　　伦敦大轰炸开始不久，一个由英国技术专家和军事官员组成的高级代表团来到华盛顿，带来一件绝密防卫武器——*新开发的“空腔磁控管”微波雷达装置。当时美国科学界刚刚开始考虑在现有的长波雷达技术的基础上开发新型雷达，英国的这种高能量、高分辨率的雷达装置为美国提供了技术改进的思路。英国将其电子宝贝交给了布什和他的国防研究委员会研究团队，作为交换美国帮助英国解决三个*为紧迫的战术和技术需求问题：机载微波雷达系统以帮助英国战斗机夜间拦截来犯德国轰炸机；远程地面雷达系统以引导英国轰炸机轰炸欧洲大陆的目标并顺利返航；改进防空炮弹的瞄准雷达和火控系统以挫败德国的大轰炸，帮助盟国军队取得空中优势。对布什而言，*后一项极具有诱惑力，他相信，空袭防御不仅是英国的需要，也是美国战备*重要的问题。　　几个星期之内，关于国防研究委员会新研究项目的消息在布什召集的科学家中间悄悄传开，维纳也找到了他战时研究工作的新挑战，即发明一种更好的方法来引导和控制防空炮火。他没有对外宣布，开始低调地展开研究工作。像国防研究委员会的每一个研究项目一样，这是一项秘密研究工作，受战时严格的安全规则的限制。维纳瞄准了自己的目标。他知道，自**次世界大战的空战以来，现代战机的速度和操控性大为改善，这使防空炮火瞄准变得更为困难。他将防空炮兵面临的挑战比作射击“飞行的鸭子”的游戏，成功的猎手会“引导”目标，预测子弹和鸟儿的飞行轨迹，瞄准鸟儿飞行的前方，使两者刚好在空中相遇。　　这项复杂的战争任务远远不只是计算普通的火炮射程表那么简单。维纳现在的主要任务就是进行预测：根据快速移动的战机的过去位置和不断变化的当前位置的准确信息来预测它的未来位置，然后计算关键的射程和瞄准参数，瞄准后在极短的时间内准确开火。这是他第二次寻求设计出一种电子系统，来模仿并“取代一种人类独有的功能”。从20世纪20年代开始，他试图取代的**个功能是繁重、复杂的脑力计算劳动。现在，他努力设计一种电子系统，能够想象并预测未来事件，然后采取前瞻性行为，这是类似于人类智力的超级绝活。　　这项任务非常艰巨，但还有其他障碍。一战期间，炮弹可以通过简单弹道来瞄准固定的或者缓慢移动的目标，而二战时期的新式战机更为灵敏，飞行员是王牌飞行员，受过规避动作的训练。他们之字形的飞行线路不是线性的，非常不规则，很难预测飞机的未来位置，就像大黄蜂的飞行线路或者醉汉穿过足球场地的行走路线。在每一次飞行操作中，敌机飞行员都会突然转向，进入完全不同的飞行轨迹，每一个新的飞行轨迹就意味着有多个可能的未来位置。　　这项技术挑战是为维纳的天赋和专业技能量身打造的。绘制并预测敌机的飞行线路，他可以借鉴早年用数学方法绘制布朗运动中不规则运动颗粒的轨迹的经验，运用在维纳-霍普夫方程和佩利-维纳准则中他首创的过滤和预测新统计工具，也可以借鉴早年和布什共同参与的模拟计算研究以及和李郁荣合作研究的电子线路和复杂校正网络。　　维纳手中还有一个强大的新工具供他使用。20世纪30年代中期雷达的出现，为无线电波的实际运用开辟了新天地。雷达（无线电探测和测距）利用电磁辐射弱电流，不仅仅可以用来传播携载有声信息的电子信号。10年前，人们发现无线电信号在传播途中遇到金属物体会折射回来。工程师了解到，这些被反射回来的无线电信号可以被捕捉并加以分析，从而让人们了解到有关移动物体的位置和距离等具体信息。英国人的新微波雷达让现有的雷达技术产生了飞跃性的进展。它使用的短波、高频脉冲可以通过小型的移动设备发射，能够侦测不同高度的小型飞行物体。它强大的信号可以轻松穿越云层，白天和晚上同样有效。　　对于维纳和其他审视这项新技术潜力的科学家而言，其应用前景是诱人的：反射雷达波可以被开发利用以准确预测敌机未来的位置，使用电子手段将之和防空炮火的瞄准系统连接起来，进行自动瞄准、开火。 　　1940年11月初，维纳向塞缪尔·H.考德威尔教授提出一项建议，表达了他的想法。考德威尔是麻省理工学院的工程师，具体负责运用布什的微分分析机来解决实际战时问题。考德威尔赶紧让维纳保密，这让他很沮丧，因为他被禁止和外人谈论此事。维纳提出一个实验性构想，来解决飞行器的预测问题。他和考德威尔以及另外一位麻省理工学院的工程师花了三个星期时间，在布什的微分分析机上试运行新的数学预测理论。结果是令人鼓舞的，但也纯粹是假设性的。维纳和考德威尔共同起草了一份文件，详细描述了研制新的试验性设备的构想，这个新设备可以将维纳的数学理论转化为机械运动。1940年11月22日，考德威尔向D2部门（国防研究委员会下属的火控部门）递交了一份正式提案。　　圣诞节前不久，提案被批准，维纳的战时项目开始实施。　　　　　　 朱利安·比奇洛是麻省理工学院的一位年轻员工，彬彬有礼，极度追求细节的准确性，他是参加这个项目的首席工程师。1936年，比奇洛获得麻省理工学院硕士学位，到美国国际商业机器公司工作。4年后，罗斯福总统宣布进行和平时期征兵，比奇洛所在的当地征兵委员会计划让他提前入伍。他匆忙回到麻省理工学院工程系领取他的证书，并希望获得一份延期入伍的证明。　　1940年圣诞节前夕，比奇洛27岁，他被招到工程系主任卡尔·怀尔兹的办公室。怀尔兹不仅同意给他一个延期入伍的证明，而且要求他必须延期。　　比奇洛回忆说：“他说：‘你不能去参军。我们这里需要你和维纳一起工作，你要弄清楚他试图干什么，或者他实际在干什么。没有人知道他在说什么。’”怀尔兹派比奇洛去见沃伦·韦弗，他是纽约洛克菲勒学院主任，也是位受人尊敬的数学家，负责国防研究委员会D2部门的火控研究工作。短暂闲聊后，韦弗也确信麻省理工学院需要比奇洛。比奇洛是偶然碰到维纳的，当时维纳正在麻省理工学院工程系的走廊里漫步。他们聊了起来，“在我们的讨论过程中，我明白了，他关于预测器的想法比现有的一些想法要更为灵活”。　　他是这项工作的合适人选。比奇洛可以理解维纳的技术语言，同样重要的是，这位镇定自若的新英格兰人可以完美地克服维纳反复无常的个性。1941年年初，两人借用了2号楼2楼数学系的244空教室，开始在黑板上工作起来。维纳给自己的新合作伙伴简要介绍了火控问题，他给比奇洛讲解射击飞行中的鸭子所涉及的数学问题，一边讲一边在黑板上草草写下图表和微分方程。他还给比奇洛讲解了他的理论研究工作和在布什微分分析机上测试过的公式。然后两人开始讨论炮兵在战场上实际碰到的火控问题。　　两人来到位于弗吉尼亚和北卡罗来纳海滨的陆军基地，实地观看了战机飞行，参观了*新大炮和陆军防空司令部正在开发、测试的新式武器。通过几次实地参观，他们了解到实际火力控制的具体情况，这比射击鸭子要复杂得多。他们也了解到，美国武器装备和轴心国空军力量之间差距越来越大，自**次世界大战以来，美国的武器装备近乎没什么进步。　　*好的德国轰炸机能以每小时300英里的速度飞过轰炸目标，高度可到3万英尺。炮弹飞行到这一高度需要的时间是20秒。击中目标的点与飞机被瞄准的点之间差不多有两英里，要准确命中目标不是一项简单的任务。需要多达14个人组成的小组不断地用双筒望远镜跟踪飞机的位置，将它不断变化的位置信息传递给负责计算的人，他们再手工计算出飞机的预期位置，再将它的坐标传给炮手，炮手使用手动摇柄转动笨重的炮塔进入瞄准位置，*后向指定的会合点发射一阵炮弹。维纳觉着这个过程非常有趣，也觉得它太过笨重、可笑，改进的时机成熟了。