サイバネティクス：動物と機械における制御とコミュニケーション

9．学習と自己複製機械について

10. 脳波と自己組織化システム

ウィーナーは、本書のアイデアの起源は、ハーバード大学医学部で10年間にわたって開催された一連の会合にあると述べている。この会合では、医学研究者や医師が数学者、物理学者、エンジニアと科学的方法について議論を交わした。彼は自身のアプローチの学際的な性質を詳しく説明し、ヴァネヴァー・ブッシュとの共同研究や彼の微分解析器（原始的なアナログコンピュータ）について、また将来のデジタル計算機の機能と設計原理に関する初期の考察についても言及している。彼はサイバネティクス分析の起源をライプニッツの哲学に遡り、普遍的記号論と推論計算に関する彼の研究を引用している。

この章のテーマは、ニュートン力学によって支配される時間可逆過程と、熱力学第二法則に従う時間不可逆過程との対比を探ることである。冒頭の節では、天文学の予測可能な性質と気象学における課題を対比させ、カオス理論の今後の発展を予見している。実際、天文学の場合でさえ、惑星間の潮汐力によって宇宙論的な時間スケールで一定の減衰が生じるため、厳密に言えばニュートン力学は厳密には適用できないと指摘している。

この章は、20世紀初頭の2人の科学者、ウィラード・ギブスとアンリ・ルベーグの、全く独立していて一見無関係な研究の概観から始まる。ギブスはニュートン力学と熱力学への統計的アプローチに取り組んでいた物理学者であり、ルベーグは三角級数の理論に取り組んでいた純粋数学者であった。ウィーナーは、ギブスが提起した疑問に対する答えがルベーグの研究に見出されると示唆している。ウィーナーは、ルベーグ積分が、統計力学の基礎に関するギブスの研究の妥当性を確立する上で、予期せぬ重要な意味を持っていたと主張している。ギブスのエルゴード仮説の厳密な証明を提供するためには、ルベーグによって確立された意味での平均と測度の概念が緊急に必要とされていた。^{[ 6 ]}

統計力学におけるエントロピーの概念とその熱力学におけるエントロピーの概念の用法との関係が展開される。思考実験「マクスウェルの悪魔」の分析を通して、エントロピーの概念と情報の概念との関連性が示される。

本書の中でも特に数学的な内容が濃い章の一つです。変化するアナログ信号を数値サンプルのシーケンスとして伝送または記録する方法について解説し、過去60年間にわたるデジタルオーディオとテレメトリの発展の基礎を築きました。また、ウィーナーがクロード・シャノンと共同で開発した、帯域幅、ノイズ、情報容量の関係についても考察しています。この章と次の章は、本書の出版以来数十年にわたって発展してきた自動化システム、デジタル通信、データ処理の基礎原理の中核を成すものです。

この章では、自動制御システムにおける負のフィードバックの数学的処理の基礎を築きます。冒頭では、さまざまな形態の運動失調症患者を例に、フィードバック機構の不具合の影響を説明します。続いて、鉄道信号、サーモスタットの動作、蒸気機関の遠心ガバナーについて論じます。章の残りの部分は、これらのプロセスすべてを支える原理の動作を数学的に定式化することに費やされています。その後、自動航法や、凍結路面での操舵といった非線形状況の制御など、より複雑なシステムについて議論します。最後に、生物における恒常性維持プロセスに言及して締めくくります。

この章は、アナログコンピュータとデジタルコンピュータ（ウィーナーはそれぞれ類推マシンと数値マシンと呼んだ）の相対的な利点についての議論から始まり、デジタルマシンの方が精度が高く、電子的な実装は機械式や電気機械式の実装よりも優れており、二進法は他の数値尺度よりも好ましいと主張している。処理すべきデータと、そのデータを処理するために用いられるアルゴリズムの両方を保存する必要性、そして適切なメモリシステムを実装する際に伴う課題について議論した後、彼は二進デジタルコンピュータと生物の神経構造との類似点を指摘している。

彼がコンピュータのメモリシステムを実装するために推測したメカニズムの中には、「高速に充電または放電できる小型コンデンサ（今日の用語でいうところのコンデンサ）の大規模なアレイ」が含まれており、これは現代のダイナミックランダムアクセスメモリチップの基本技術を予見するものであった。

ウィーナーが計算機やデータ処理機械の望ましい特性として列挙した原理のほぼすべてが、1950年代初期のメインフレームから最新のマイクロチップに至るまで、デジタルコンピュータの設計に採用されてきた。

この短い章は、中枢神経系における物理的現象と個人の主観的経験との関係を哲学的に考察するものである。主に、網膜からの神経信号が視覚野の表現へと変換される過程に焦点を当てている。また、眼の機能に関わる様々なフィードバックループ、すなわち、光量を制御する虹彩の恒常性維持機構、対象物に焦点を合わせるための水晶体の調節機構、そして注意を向けた対象物を中心窩の詳細な視覚領域に捉えるための複雑な反射運動についても探究する。章の最後には、盲人向け読書機の実現に向けた取り組みが抱える課題の概要を示す。

ウィーナーはこの章の冒頭で、自身は精神病理学者でも精神科医でもなく、精神的な問題が脳が計算機として機能できないことによるものだと主張しているわけではないと断りを入れている。しかし、脳とコンピュータの類似点を考察することで、有益な研究の糸口が開かれるかもしれないと示唆している。（彼が「計算機」という古風な表現を用いたのは、執筆当時、「コンピュータ」という言葉が日常的な計算を行うために雇われた人を指していたためである。）そして彼は、同じ問題に対して2つまたは3つの計算機構が同時に動作することで、エラーを認識して修正できるという意味での「冗長性」の概念について論じている。

本章では、生物の階層構造の概要と、カツオノエボシなどの共生生物のコロニーの構造と組織についての考察から始め、人間社会の構造との類似点、そして社会の規模と複雑さが増すにつれて直面する課題を探ります。

この章は、チェスをプレイする機械を構築する可能性についての考察で締めくくられており、ほとんどの人間プレイヤーよりも優れたプレイができるものの、専門家レベルには達しない機械を構築することは可能だろうと結論付けている。1940年代当時、コンピューター技術の状況を考えると、そのような可能性はほとんどの評論家にとって全く空想的なものに思えたが、その後の出来事は、この予測を裏付け、さらにはそれを上回る結果となった。

ウィーナーは、生物の学習過程の考察から始め、議論をジョン・フォン・ノイマンのゲーム理論、そして軍事状況への応用へと広げます。次に、チェスをプレイするコンピュータが過去の成績を分析し、パフォーマンスを向上させるようにプログラムする方法を推測します。続いて、闘牛士と雄牛、マングースとコブラ、あるいはテニスの対戦相手同士の例に見られるように、紛争の進化についての議論へと進みます。彼は、『魔法使いの弟子』のような様々な物語を取り上げ、文字通りの意味で「魔法」的なプロセスに頼ることが、逆効果または破滅的な結果を招く可能性があるという見解を示します。この議論の文脈は、核兵器の時代において、戦争戦略の責任を機械に委ねることには慎重である必要があるという点に注意を促すことでした。この章は、自己複製機械の可能性と、この分野におけるデニス・ガボール教授の研究についての議論で締めくくられます。

この章は、自然選択による進化のメカニズムについての議論から始まります。著者はこれを「系統発生的学習」と呼んでいます。これは、生存と繁殖の成否によって引き起こされるフィードバック機構によって駆動されるためです。また、経験に応じて生涯にわたって行動が変化する現象を「個体発生的学習」と呼んでいます。著者は、どちらのプロセスも非線形フィードバックを伴うと示唆し、学習プロセスは脳波計で観察できる電気活動の波のリズムのパターンの変化と相関していると推測しています。このような機器の初期設計における技術的な限界について議論した後、著者は、より高感度なインターフェースと高性能な増幅器が開発され、測定値がリアルタイムでペン型検流計によって記録されるのではなく、数値解析のためにデジタル形式で保存されるようになれば、この分野はより実り豊かになるだろうと示唆しています。これは、執筆時点では唯一利用可能な技術でした。彼は次に、フーリエ解析による波形の数学的処理に関する提案を展開し、光速不変性を確認したマイケルソン・モーリー実験の結果の処理との類似点を指摘する。この実験は、アルバート・アインシュタインが特殊相対性理論を発展させるきっかけとなった。本書の他の多くの内容と同様に、これらの示唆は将来の発展を予見するものであり、実りある研究と探求の方向性を示唆するものでもある。