36、自动化（1/1）

科学的逻辑36、自动化：准备有声小说在线收听

瓦特为改良蒸汽机发明的离心调速器是对自动化概念的早期应用，实际上，它是一个闭环的负反馈控制系统。当进入蒸汽机的蒸汽流量过大时，转速升高，带动离心调速器将进汽阀门关小，导致转速降低，当转速过低时，离心调速器则自动将进汽阀开大，导致转速升高，因此可以将蒸汽机转速稳定在合理的范围内。

反馈的概念是自动控制的关键。在每一个闭环控制系统中，将输出的物理量取一个设定值，当实际输出与设定值有偏差时，就将这个偏差反馈到输入端，并按照一定的规则影响输入值，造成输出值靠近设定值，减少与设定值的偏差，随着时间的推移，最终控制在设定值附近的小范围内，实现自动控制。如今的工业生产装置越来越大，其内部的结构也越来越复杂，如果没有先进的自动控制技术，调整控制庞大的工业装置是不可想象的。正是自动化技术在工业生产的各个环节发挥作用，用很少的人控制大型装置才成为可能。在多数生产装置中，需要控制某些关键部位的物理量，比如温度、压力、管道内流体的流量、储罐中的液位等等。自动化的优点不仅仅是可以对某个物理参数进行自动控制，大幅度的降低操作人员的劳动强度，更是因为自动化方法是一种普遍化的方法，在大量千差万别的场景之中，都可以用相同或相似的方法进行处理。就像工业装置中最常用的PID自动控制方法，也就是比例积分微分控制法，只需要人为调整三个参数的大小，就可以应用到大量完全不同的工业环境中，实现高效的自动控制。

自动化的思想也可以从工业应用扩展到更广泛的领域，大量的学习过程和处于基本不随时间变化的稳态过程都有自动化思想的影子。比如在小孩学走路的过程中，目标是走直线，但实际路线走偏了，这个实际值与目标值的偏差反馈到大脑，大脑协调身体纠正这个偏差，最终回到直线上来。自然界中的生态系统也具有内在的自我调节机制用来保持自身的稳定性，生态系统经历了漫长的演化，内部存在着错综复杂的相互作用，已经形成了一个整体，内部如果出现偏离平衡状态的波动，就会触动生态系统的反馈机制，使系统回到原来的状态。由此可见，自动化应该是一种从不稳定状态向稳定状态过渡的过程，并最终稳定在某个状态。当我们学习某个知识或某项技能时，起初学起来费时费力，不得要领，为了掌握这种知识，需要不断的钻研练习，相当于在某个循环结构中不停的重复，但每一次都不是简单的重复，而是就像元素周期表一样，是一个螺旋上升的过程。在学习的循环往复中，逐渐接近目标值，最终成功掌握这门技能。这样一个不断向目标值靠近的过程就像一个自动控制过程，每一次结果与目标的偏差用来控制下一次结果，最终完成目标值所需要的精度。

闭环控制系统的反馈概念成就了自动化的广阔天地，如果将闭环与反馈这样的自动化观念推广一下，引入到基础物理之中，会发现一些有意思的事情。在基础物理中，我们经常关心的是某个物理量随时间的演化规律，这个我们关心的物理量最好是关于时间的一阶或二阶微分方程的形式，这样我们就可以依据现在的状态和边界条件预言其它时刻物理量的值。在这里，时间的方向起着重要的作用，正是热力学第二定律要求时间之箭必须向熵增的方向演化，事物之间才有了因果联系，我们才可以依据因果律预测未来。但是如果将未来的某个物理量反馈回来，使之形成一个闭环系统，会出现什么呢？这种状况似乎是外祖父悖论的一个例子，要实现时间从开环状态变成闭环控制，好像必须调转时间箭头，这是目前的物理学禁止的。但是事情并没有想象中的那么严重，因为经典力学告诉我们，至少对部分的物理体系，我们是可以通过演化方程预测它的未来的。未来还没有发生，但我们知道它过一会要出现，这样就为我们改变未来提供了可能。我们将通过自然科学方法推算出的未来作为初始值，它可能是我们不希望发生的，然后将我们希望发生的另一个不存在的未来作为目标值，将两者的偏差计算出来，再反馈到现在，我们依据这个偏差改变现在的物理系统的初始条件或者边界条件，这样系统就会向另一个未来演化，并且偏离初始值而更接近我们的目标值，当我们依据新的初始或边界条件计算出第二次初始值后，就可以计算新的偏差，并第二次反馈到现在，进一步修改现在的初始边界条件。最终，我们可以以足够的精度让系统演化到我们希望的那个未来。

通过反馈改变未来或许有些不可思议甚至好像是不可能的，但是这样的情形我们经常会遇到。例如，一个德高望重的桥梁专家说，经过我的观测和计算，这座桥年久失修，再有半个月就要塌了。于是人们在他的带领下对桥梁进行了修缮和加固，半个月之后，这座桥没有坍塌，仍然可以正常使用。又如，一个资深天文学家依据天文望远镜传回的大量精确数据和理论计算表明，一个月之后，一颗小行星就要撞击地球，于是各国政府紧急联合起来，向太空中的小行星发射核弹，改变了它的运行轨道，一个月后，小行星与地球擦肩而过。

这样的反馈机制将未来与现在联系起来，让现在与未来的因果关系变得模糊起来。按照现在量子论的观点，未来是不确定的，同一个原因可能会产生不同的结果，一个电子通过双缝，可能会落到第一条亮条纹处，也可能在第二条处。如果以上这些逻辑推理没有太大的问题，我们的前辈为预测未来前仆后继所做的这些努力是有意义的，因为很可能，预测未来的目的就是为了改变它。