“黑箱”问题

今天，人们可以在许多科学研究领域遇到“黑箱”的概念，但它并不意味着真正的黑箱，而是控制论中的一个重要概念。黑箱方法作为一种现代科学方法，越来越受到人们的重视，并与现代科学技术手段相结合，广泛应用于社会生活实践中。

1945年，控制论的创始人维纳在一篇文章中写道:“所有的科学问题都是从‘封闭的盒子’问题开始的”，“几个可供选择的结构被密封在‘封闭的盒子’中，研究它们的唯一方法是利用封闭盒子的输入和输出。”维纳的“封闭盒子”就是我们今天所说的“黑盒”。

“黑盒”到底是什么？粗略地说，所谓黑盒是指其内部结构和机制尚不清楚，但其功能和特点可以通过外部观察和实验来了解。在现实生活中，许多客观事物可以被视为黑箱，当它对人来说是不可能的，或者当客观条件不允许深入剖析它们的内部细节时(因此它们不能详细理解它们的内部结构和特征)。为了让读者对黑盒的概念有一个直观的理解，让我们从“大脑之谜”开始。

大脑之谜，也称为身心问题，是科学研究史上长期未能圆满解决的难题。无数科学家和哲学家毕生致力于深入的讨论和研究，提出了各种假设和理论。思维究竟是如何来自物质的？大脑功能的具体活动机制是什么？回答这一系列问题并不容易。人们可以利用物理分割来研究物质的结构和性质。化学分解和合成也可以用来理解不同物质的组成。然而，这些方法超出了研究大脑思维功能的范围，因为即使大脑按照这些方法的要求被打开并进行解剖学分析，也只能是对已经失去思维功能的大脑材料的理解。这样，在科学研究面前，大脑的思维过程是一个难题，只能看到它的外观和表现，而不能深入到它对其机制的内在理解。它就像一个打不开的盒子。里面的一切对我们来说都是黑暗和未知的。

在高能物理学中，有以下事实:当物质高度分裂时，将会有无法再分裂的粒子。这时，人们只能用科学仪器观察它的行为，而不能再通过划分来理解它的内部结构。对于这些问题，必须开辟新的研究途径。幸运的是，控制论中提出的黑箱研究方法为我们研究这些问题提供了可能性。

所谓黑箱法是指在系统内部结构不清楚的情况下，利用外部观察和测试方法获取系统(即黑箱)的输入输出特性。根据这一信息，一个科学的方法来研究它的功能和性质，探索它的结构和机制，而不打开“黑箱”。人们常说“一个人知道自己的脸，但不知道自己的心”。如果一个人相当于一个黑盒子，那么我们可以通过“听他的话，观察他的行动”来“了解他的心”。这是一种行为分析方法。

黑盒方法的原因并不神秘。在我们的日常生活中，人们有意识或无意识地使用这种方法。例如，看电视，如果你必须了解电视的内部结构和工作原理才能看电视，恐怕不会有很多人能看电视。然而，尽管人们不知道电视机的内部结构和机制，但是他们知道按下哪个开关来打开它，调整哪个开关来获得清晰和稳定的图像效果，什么是错误的，等等。这些都是我们黑盒方法的具体表现。然而，黑盒法最典型的应用是中医看病。中医主要通过“望、嗅、问、切”等外部观察来做出诊断、开处方和用药。有时当你对疑难杂症没有把握时，可以先服用探索性药物观察病人的反应，并随时增减药物观察疗效。一旦你掌握了疾病，你就可以大胆地开出正确的药方。从人体的输入特点出发，这种“辨证治疗”的方法是黑箱法的精髓。上面引用的例子主要是让读者对黑箱方法有一个基本的了解，但控制论中的黑箱方法作为一种科学研究方法，有其自身的特点和独特的表达方式。随着科学技术的不断发展，系统动态观测的黑箱方法已经发展成为现代控制理论的一个重要分支——系统辨识。辨识是指通过外部观测系统获得系统的输入输出数据，然后用数学方法确定系统的结构和参数，获得定量描述系统动态特性的数学模型，并在此基础上实现系统的最优控制。