金觀濤 華國凡：當我們無法“打開黑箱”時，還能如何認識世界？｜雙體實驗室

大家好，我是船長。

在我們探索世界的道路上，是否曾思考：我們真正認識一個事物的方式，究竟是要深入其內部、拆解其結構，還是可以通過外部的輸入與輸出來把握其規律？面對復雜系統，我們常常感到內在機制如同一個無法透視的“黑箱”，未知遠大于已知。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系統的情況下依然能夠認識和改造對象的智慧路徑。

金觀濤老師與華國凡老師認為，控制論將客體視為由可觀察變量與可控制變量構成的系統，主張通過外部輸入與輸出的關系來推斷內部機制，從而逐步構建認知模型。這種方法并非回避深入，而是在認知階段與實際條件限制下的一種有效策略。從孟德爾的遺傳實驗到巴甫洛夫的條件反射研究，從未被完全打開的地球內部到生命系統的微妙活動，“不打開黑箱”的方法在科學史上一次次展現出其獨特的解釋力和實踐價值。

在今天，我們面對日益復雜的自然與社會系統，從人工智能到生態系統，從大腦認知到社會治理，完全“打開黑箱”往往困難重重甚至不可行。此時，重溫控制論中的黑箱思想，不僅是一種方法論的回溯，更是一種認知態度的提醒——在未知面前，我們依然可以通過觀察與互動來理解、預測并干預系統。這或許正是在不確定性時代中，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 》

當我們無法“打開黑箱”時，還能如何認識世界？

文/金觀濤 [美]華國凡

黑箱本質：主客體的變量定義

控制論把人們認識和改造的對象看作黑箱。

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

圖： 客體的可控制變量

通過可觀察變量，人們對客體進行觀察，了解客體的存在及其變化，認識客體。通過可控制變量，人們對客體實行控制，創造使客體變化的條件，改造客體。此外，通過主體和客體的反饋耦合，在客體被認識和改造的同時，主體的精神活動也被認識和改造。因此，人們的實踐活動，從根上來說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描述。

對于一個客體，我們用一組可觀察變量和可控制變量構成的系統來描述它。這個客體系統也就是一個黑箱。在這里，系統和黑箱是兩個等價的概念。為什么要叫黑箱呢？

黑，意味著一些未知的東西。關鍵也就在這個問題上。我們知道，客觀事物是復雜的，在人們認識的一定階段，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，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。正是從這個意義上，控制論把一個客體稱為黑箱。

認知路徑：打開與不打開

控制論認為，認識客體黑箱有兩種不同的方法。 一種叫不打開黑箱的方法， 一種叫打開黑箱的方法。

不打開黑箱的方法就是不影響原有客體的黑箱結構，通過研究黑箱外部的輸入、輸出變量，推理黑箱的內部情況，探求黑箱的內部結構。而打開黑箱的方法，則要通過一定的手段來影響原有客體黑箱，直接觀察和控制黑箱的內部結構。

例如一只手表，它的分針和時針的運動有某種聯系。所謂不打開黑箱，就是從外部觀察長針和短針的運動，尋找它們運動的規律。或者去撥動柄軸，輸入一定的變量，觀察長針和短針運動的關系。通過這些觀察，來尋找變量之間的約束，構想它們之間的聯系機制。而打開黑箱呢？干脆把表殼打開，直接觀察手表內部的齒輪轉動，研究長針和短針之間的聯系。顯然，這是兩種完全不同的方法。

我們打開表殼，原來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，原有的黑箱就發生了變化。原有的系統增加了新的變量，就形成一個新的系統，也就是構成了一個新的黑箱。

圖：打開表殼的手表

科學演進：從模型到突破

不打開黑箱和打開黑箱這兩種方法都是人們經常要用到的。不但對于研究表針運動這樣簡單的問題，對于一些更復雜的問題，也是如此。我們來分析一個遺傳學方面的例子。

19世紀60年代，奧地利神父孟德爾用豌豆做了一些實驗。他把具有不同性狀的豌豆進行雜交，然后觀察雜交豌豆下一代的性狀。孟德爾仔細地記錄、統計了他的實驗結果后，提出了一種假說。他認為，豌豆的性狀是由某些“因子”控制的。例如，關于種子顏色的一種因子將使種子長成綠色，另一種因子則使種子長成黃色。這些“因子”，也就是后來生物學家所稱呼的基因。

圖：格里高爾·孟德爾

孟德爾發現，每一個豌豆植株的每一個特征都由一對因子來控制，其中從父本和母本各傳來一個。基因有顯性和隱性的區別，由基因控制植株的性狀。盡管孟德爾假設了關于基因的種種性質，但基因究竟是什么東西，孟德爾并不清楚。他一輩子也沒見過基因，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，孟德爾所使用的是一種典型的不打開黑箱的方法。豌豆的遺傳機制對孟德爾來說就是一個黑箱，這個黑箱的輸入是父本和母本的性狀，這些性狀是可以控制的，也就是可以由實驗者選擇的。這個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系統。而基因對孟德爾來說是尚未被觀察到也尚未能加以控制的變量，它在遺傳黑箱的內部。孟德爾只是通過對黑箱外部輸入、輸出的分析研究假定了基因的存在。這種根據黑箱外部的輸入、輸出而提出的關于黑箱內部情況的假定，在控制論中稱為模型。

通過建立模型，人們解釋了黑箱的輸入和輸出之間為什么會具有這種或那種聯系。模型只是一種假設，它不一定表示黑箱內部的實際結構。人們利用模型來研究黑箱，總結黑箱的變化規律，控制黑箱。這只是認識的一個階段。

隨著人們觀察手段和控制手段的進步，一個黑箱原來未能觀察到的變量可能成為可觀察變量，原來不能控制的變量也可能成為可控制變量，我們預先提出的模型被證實或部分證實了，這時候我們說，原來的那個黑箱被我們打開了或部分打開了。

以關于遺傳機制的研究為例，20世紀初，不少生物學家發現，孟德爾的基因與在顯微鏡下看到的細胞染色體有聯系。生物細胞中的染色體和基因一樣，成對存在，一個來自父本，一個來自母本。美國生物學家摩爾根（Thomas Hunt Morgan）和他的同事通過對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位置，從而作出了果蠅的基因“坐落圖”。一對果蠅染色體里至少有1萬個基因，而一對人的染色體里可能含有2萬至9萬個基因。正是這些染色體上的“等位基因”決定了生物的性狀。

摩爾根關于果蠅的遺傳的研究使其獲得了1933年的諾貝爾生理學或醫學獎。如果我們把摩爾根的工作與孟德爾做一個對比，可以發現，孟德爾的黑箱被摩爾根打開了，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。

從認識的角度來看，一方面，打開黑箱標志著人們認識的深化。人們在打開黑箱后，發現了新的變量。這使得不打開黑箱時所發現的變量之間的聯系，從黑箱內部得到了解釋。新變量提供了原有變量之間聯系的聯系，使人們能夠更精確、更本質地探討黑箱的變化規律性。另一方面，打開黑箱增強了人對黑箱的控制能力。人們獲得了新的控制手段，能夠從原有黑箱的內部來控制黑箱的變化。

但是，打開黑箱是相對于原來那個黑箱而言的。一旦我們打開了一個黑箱，發現了一批新的變量，一個新的黑箱也就形成了。打開黑箱只意味著我們對黑箱的性質有了新的了解，我們認識和改造事物的能力增強了一些。但在人類認識的任何一個階段，我們不可能通曉事物的一切內在聯系，還有許多變量是我們依然無法觀察和控制的。

更精確地說，打開黑箱在任何場合只是打開了黑箱的某一個層次。客觀事物的黑箱總是一層套一層的，永遠不會完結。摩爾根發現了性狀和染色體上基因位點的聯系，我們說他打開了黑箱。但染色體又是一個黑箱。染色體的物質基礎是什么？為什么染色體能夠控制性狀？對這些問題，摩爾根也不清楚。摩爾根以后的生物學家對此繼續深入研究，發現了基因通過酶起作用，發現染色體中決定遺傳的物質是脫氧核糖核酸（DNA），進而又發現脫氧核糖核酸的分子結構和遺傳密碼。這樣，黑箱一層又一層地被打開了。

方法意義：為何不打開仍重要

人們打開了一層黑箱，又得和新的黑箱打交道。在人類認識的任何階段，人們總得研究一些未被打開的黑箱。因此在任何時候，人們總得采用一些不打開黑箱的方法來研究問題，解決問題。

有些人認為，只有打開了黑箱，才算真正認識了黑箱，在打開黑箱之前，僅僅從黑箱的輸入與輸出來研究黑箱，并根據輸入、輸出之間的關系來建立黑箱內部結構的模型，這些都不算對黑箱的認識。

持這種觀點的人沒有看到，我們的主體認識與客體之間歸根結底是通過輸入、輸出相互聯系的。從本質上來說，我們只能通過黑箱的輸入、輸出變量來認識黑箱、改造黑箱。因此，采用不打開黑箱的方法在人類認識的任何階段都不失為一種重要的實踐手段。

打開黑箱的方法相比，不打開黑箱的方法具有簡單易行、不破壞黑箱原有結構等優點。因此，在以下幾類系統的研究中，這種方法就顯得特別重要：

（1）某些內部結構非常復雜的系統。這類系統被人們稱為特大系統，又叫特大黑箱。它們的內部不但變量眾多，相互關系也錯綜復雜，我們即使打開了黑箱，也往往只能從某一個局部來觀察它們。采用不打開黑箱的方法，反而有利于人們從整體、綜合全局的角度來考察問題。

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

（3）人類在某一階段掌握的、某一類打開黑箱會嚴重干擾本身結構的系統。例如生物體就是這樣的系統，生物體是活生生的有機體，它的內部各部分有嚴密而復雜的組織。目前為止，我們打開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了，這個黑箱的結構就會受到嚴重的破壞，我們所觀察到的內部結構與黑箱未被打開時可能大不相同。

當然，我們不否認隨著科學的進步，人類總有一天會找到打開生命系統、大腦等黑箱的新手段。但在沒有新的打開手段之前，采用不打開黑箱的方法來研究，顯然會有獨特的長處。

科學史上有一個非常生動的例子，可以說明黑箱方法的意義。著名生理學家巴甫洛夫是怎樣研究大腦的？比如研究狗的視覺，狗是通過區分不同的顏色（不同波長的光），還是通過區分光的亮度，來辨別周圍事物的呢？顯然，到目前為止我們只能用不打開黑箱的辦法對其進行研究，因為我們采用現有的打開手段，即便打開了狗的大腦，也無法了解狗是怎樣看見事物的。

巴甫洛夫想了一個辦法。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，并通過一定的喂食訓練，用條件反射原理建立輸入與輸出的聯系。

結果他發現，在不給狗食物的情況下，給它看不同顏色的東西時，它的唾液分泌紊亂，不能按照原先建立的條件反射來分泌一定量的唾液。這說明，狗不能區別不同的顏色。

而給它看同一顏色但亮度不同的東西時，唾液分泌量是有規則的，可以按原先建立的條件反射來分泌唾液，而且這種區分能力比人敏感得多，達到0.001燭光的精確度。可見狗是色盲的，它是通過區別外界事物的發光亮度來“看見”事物的。在狗的眼里，外界事物只是一幅黑白相片，而在我們人的眼里，外界事物是一幅五彩繽紛的圖畫。很明顯，這里巴甫洛夫采用了不打開黑箱的研究方法。

圖：巴甫洛夫的狗

本文系摘選自《控制論與科學方法論》一書第五章節第1節。為便于閱讀，部分段落做了拆分和刪減，推文標題為編者所擬，學術討論請以原文為準。文中部分配圖來源于網絡，如有侵權請聯系公眾號后臺刪除。

內容編校：舒婷

編發 審定：船長

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