申论作为四论之一的信息科学，本文主要内容关键词为：申论论文,科学论文,信息论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：G20 文献标识码：A 文章编号：1000-5919(2000)06-0089-07
江泽民主席在为美国《科学》杂志撰写的社论中，把代表20世纪最重要的科学理论概括为“四论”。[1]其中，相对论、量子论和基因论属于自然科学的基础科学，它们的科学地位早有公论。按照通行的看法，信息论不属于自然科学而属于新兴的横断科学，不属于基础科学而属于技术科学，把它同其他三论并列起来，作为20世纪另一最重要的科学理论，是一个新提法，难免会有异议。笔者认为，从科学学、科学史和科学社会学的视角看，这是一个极有意义的新概括，有必要给以较为详细的讨论。
信息论与世界图景的描绘
基础科学理论探索的首要任务和功能是揭示客观世界的奥秘和规律性，描绘科学的世界图景。基础自然科学的每一项重大理论成果都在某些方面揭示出新的宇宙奥秘和规律性，丰富科学世界图景，或纠正已有世界图景的重大错误。一般来说，技术科学，如空气动力学、电工学、运筹学等，不担负这种任务。但信息论是个例外。
“信息论”是一个歧义很大的学术用语。狭义的信息论通常指通信的数学理论，主要创立者为申农，维纳也有重要贡献。申农的贡献主要有：揭示通信信息的实质是消除随机不确定性，提出信息熵概念，建构通信系统模型，发现三个编码定理，系统地给出通信中信息运动的定量描述，建立如何在通信中同噪声作斗争的科学理论。维纳的贡献有：独立提出信息的度量方法，建立滤波理论，阐明信息与控制的关系等。这些都属于技术科学层次的工作，不涉及科学世界图景的描绘。申农本人曾强烈反对把通信的数学理论引申应用于通信工程之外，甚至“在他的出版物中避免信息论这个称谓”[2](P48)。
申农的看法有些过分狭窄。信息论的完整提法是信息理论，凡有关信息本质和运动规律的理论认识，只要为实践所证明了的，都是信息理论的成果。维纳在技术科学层次对信息的研究远不如申农那样系统、深入，学术界把申农认定为技术科学层次信息论的主要创立者是公正的。但维纳对信息的研究已经超出技术科学层次，进入基础科学和哲学层次，作出有深远影响的工作，这又是申农无法比拟的。正是维纳的这些工作，开辟了从信息角度描绘科学世界图景的道路，极大地深化了人类对客观世界的认识，对社会产生了广泛的影响。这种广义的信息理论，除了申农关于语法信息的研究，还包括有关语义信息、语用信息、全信息以及从其他角度对信息的探索，特别是在基础科学层次对信息的探索，也包括哲学家对信息的探索。虽然这些工作至今尚未形成如狭义信息论那样的理论体系，但都深化了人类对信息的认识，对于未来建立更深刻更普适的信息理论做出贡献。按照我们的理解，江主席所提四论中的信息论，应当指这种广义的信息理论。
维纳在研究信息中得到的最深刻的思想，集中表现于这样一个命题：“信息就是信息，不是物质也不是能量。不承认这一点的唯物论，在今天就不能存在下去。”[3](P133)它引发了关于信息是什么、客观世界如何构成等问题的长期而激烈的争论，至今未有定论。信息论出现之前科学对世界图景的描绘都是物质一元论的，这在哲学上无可非议，因为哲学把物质定义为不以人的主观意志为转移的一切客观存在。但自然科学对物质有其特定的诠释，把物质和能量区分为两个科学概念。维纳所说的不同于能量和信息的物质，属于自然科学的物质概念，通俗地讲就是质料、材料。按照物理学原理，静止质量不为零是物质不同于能量的本质标志。如此理解的物质概念虽然不同于哲学的物质概念（哲学把能量看作物质的一种特殊存在形式），但二者并不矛盾，它们是差异而相通的。
关于信息的实质，维纳命题只给出一个否定的回答，指出信息不是什么，未回答信息是什么。由此招致一些崇尚严格性的科学家的不满，指责他不负责任。这些学者的意见有某些道理，但思想是肤浅的。在科学尚未充分提供正面回答信息是什么的条件下，维纳采取谨慎态度，符合科学精神。何况，在科学史上否定性命题有时比肯定性命题更能够深刻反映世界的本质。维纳的命题即如此。以维纳命题的提出为标志，人类开始明确地把信息与物质和能量区分开来，看作构成客观世界的第三种要素，是对科学世界图景的重大修正，表明人类终于在物质意识和能量意识之外又具备了独立的信息意识。这种觉悟的取得是人类建设信息文明的理论源头，意义非同小可。自然科学只描述世界的“硬件”，信息论第一次涉及到世界的“软件”，硬件和软件一起才能全面描绘现实世界的科学图景。相对论、量子论和基因论描绘的只是自然界的科学图景，完全属于自然观，信息论描绘的世界图景不限于自然界，也包括人类社会，以及波普尔所谓的世界3，属于对客观世界更完整的描绘，从而大大扩展了我们对客观世界的了解。在这个意义上，信息论完全有资格与其他三论并列起来，未来的人类或许还会发现，信息论的提出要比其他三论有更深远的意义。
以维纳的否定性命题为起点，经过半个世纪的探索，我们对信息实质的理解在不断深化。信息不同于物质和能量的最奇异之处，在于物能具有守恒性、独占性，信息则是不守恒的、可共享的。客观世界能够由低级到高级不断进化，人类能够不断创造新事物，都根源于信息的这种奇异特性。由此又引申出信息具有可虚拟现实的特性，不但可以虚拟既存的现实，还可以虚拟可能的现实，即在宇宙演化史上因对称破缺选择被淘汰了的可能性，如太阳从地球的西方升起。随着信息的这些奇异特性逐步获得科学的理论阐述，我们的物质观、时空观、运动观等都可能发生意想不到的改变，使科学世界图景更加丰富多彩。
信息论与科学的发展
申农的《通信的数学理论》和维纳的《控制论》于1948年问世后立即引起学术界的强烈反响，不同领域的学者都感到信息对他们是一个很有用的概念，信息观点可能给本学科带来全新的发展前景。尽管申农一再强烈反对，学者们仍然致力于阐述各自领域的信息概念，以信息观点考察本学科的问题。半个世纪以来，科学界掀起一波又一波信息热，每一波都取得许多收获，形成一系列新学科。据马克鲁普的统计[4](P6)，到80年代初已经出现40多个涉及信息研究的新学科。今天的局面又有许多重要的新进展。由信息论引发的这种冲击波对科学事业的影响，主要表现于以下三个层面：
第一，从“××学”到“信息××学”。现代科学经过长期不断地分化、交叉、组合，不仅形成越来越多的学科，而且每个学科都积累了巨量的信息和知识，亟待做类似门捷列也夫发现元素周期律那样的收集、分类和整理工作。由于信息量太大，这类工作已经难以像门氏那样单靠人脑来进行，好在有了计算机这种强有力的信息或知识处理工具，这类工作已有可能立即着手进行。在现有的“××学”中，借助计算机进行知识的收集和整理，以发现新的规律和原理，形成“信息××学”的新分支，是现代科学发展的一种潮流。
第二，从“××学”到“××信息学”（注：目前文献中对“信息××学”和“××信息学”两个术语的使用比较混乱，笔者建议作如下区分：“信息××学”的研究对象还是“××学”的传统内容，但以信息科学技术为工具手段进行归纳整理；“××信息学”改变了研究对象，即以“××信息”（如物理信息、化学信息、生物信息等）为研究对象。）。信息意识从物、能意识中独立出来，使不同领域的学者觉悟到，从信息观点考察本学科的基础理论问题，用信息、识别、编码、通信、反馈等概念解释本领域的客观过程，可能发现新现象，概括出新规律。从“××学”中生长出“××信息学”，也是现代科学发展的潮流。例如，基因论是用信息观点研究遗传现象而建立的“生物信息学”分支。又如，列恩以分子识别、化学信息和化学反应智能化三个概念为核心，开辟了化学信息学新方向，促使化学进一步理论化[4]。
第三，信息科学本身的发展。以上两点可以归结为“学科的信息化”，是科学发展在当前和今后很长时期内一个引人注目的特点。其结果极大地丰富了现代科学的内容，改变着科学王国的版图。这一局面足以表现信息论的发展对整个科学体系的巨大影响。但它并非信息论对现代科学之影响的全部，重要的还在于开辟了信息科学发展的新阶段。
在我国，一种颇有影响的观点认为，信息论属于系统科学，是系统科学中的一门技术科学。确实，讲系统必然要讲信息，信息是系统的组织力，系统的不同部分通过交换信息而整合在一起，组分之间的相互识别、相互作用、相互回应都通过信息来进行。系统对环境的适应也需通过交换信息来实现。研究系统必须运用信息概念，从信息角度提出和解决问题。但科学的发展越来越表明，尽管研究信息运动要使用系统观点和方法，信息问题却不能完全归结为系统问题，对于客观世界三大构成要素之一的信息，需要一个独立的科学门类来研究。信息科学是同自然科学、社会科学、思维科学等并列的又一大学科门类，是系统科学之外的另一门新兴横断科学。信息理论首先应属于信息科学，它同系统科学是交叉关系，而非从属关系。尤其是申农信息论属于信息科学而不属于系统科学，它并不明显强调系统观点和方法。如果承认系统科学与信息科学有重叠部分，那么，属于系统科学的信息理论应着重于从信息观点研究系统的形成、运行、演化的规律，不妨称为系统信息论。建立这种学科所追随的研究路线应是维纳的，而不是申农的。
信息科学是专门研究信息的学问。就像自然科学是从物质运动的角度考察客观世界、数学科学是从数量关系的角度考察客观世界一样，信息科学是从信息运动的角度考察客观世界的学问。它应当撇开信息运动的一切具体背景，不涉及对象的物理的或化学的或生物的或经济的或其他的特殊规定性，仅仅研究对象的信息特性。申农信息论就是这样一个科学理论，因而无法划归其他学科门类。信息科学的本体部分就应由这样一些纯粹研究信息运动的学科组成。我们说申农理论是一种特殊的信息论，缺乏普适性，是指它只考察通信过程的信息问题，而信息运动不限于通信一种形式。但它是科学史上第一个撇开其他特性仅仅关心信息问题的科学理论，其重大意义之一在于证明信息科学是一个独立的科学门类，申农理论是信息科学诞生的标志。
作为现代科学体系的一大门类，信息科学无疑也具有钱学森所说的“三个层次一座桥梁”的体系结构[5](P178)。拿这个观点看，应当说信息科学的体系已经初步建立，但很不完整。在工程技术层次上，早已建立了信息工程。在技术科学层次上，有申农信息论。技术科学层次的信息科学至少还应该有一门可以和通信的数学理论相媲美的有关信息处理的数学理论，人们往往把它称为计算机科学，似乎不够恰当。计算机科学由两大部分组成，研究计算机这种特殊的人造物质系统的理论应属于自然科学体系中的技术科学，单就信息处理的规律性来研究计算机的才属于信息科学体系中的技术科学。今天，有了计算机科学、计算数学等学科的长足发展，有了各方面处理信息的丰富实践经验，有了各种各样的“信息××学”，经过总结、提炼、综合，建立一种信息处理的一般数学理论或许已具备了可能性。
信息科学体系不完整主要表现在它的基础科学层次至今基本还是空白。类似于系统科学的基础科学那样，建立信息科学的基础科学不外乎两条路，一是从它的技术科学层次的已有知识中进行概括和提炼，二是从其他学科基础理论的信息研究中吸收和借鉴有用的东西。无论“信息××学”，还是“××信息学”，都属于“××学”与信息科学交叉的产物，一般应归属于“××学”的新分支，而非信息科学的新分支，至少不是信息科学的本体部分。但它们毕竟是研究信息问题的，必定会深化和扩展对信息本质和运动规律的认识，对信息科学本身是强有力的推动。“信息××学”直接提供的是有关信息处理一般理论的建筑材料。“××信息学”则有助于把握“××学”领域的信息特殊本质和运动规律，直接为建立基础科学层次的信息理论准备条件。如果我们对物理、化学、生物、社会、心理等领域的信息特性和运动规律都获得深刻的认识，就有条件寻找它们的共性，提炼出属于基础科学层次的一般信息概念，建立信息运动的普适原理，信息科学的基础理论便呼之欲出。当然，鉴于信息具有前述迥异于物质和能量的那些属性，信息概念的科学界定、信息运动规律的刻画必定有不同于自然科学的规范和方法，目前人们对这些知之甚少，建立信息科学基础理论的条件尚不成熟。但我们有理由相信，这个重大科学任务将在21世纪得到解决。
信息论与技术的发展
人类生活中涉及的信息作业多种多样，有信息的获取、表示、固定、发布、传送（通信）、处理、存储、检索、提取、控制、接受、利用等。它们最初都是人利用自身的感官、大脑、手以及肌体的其他部分进行的。把这类功能外化或物化，为利用外界物质能量从事各种信息作业所创造出来的设备、工具，以及设计和使用它们的方法、程序等，统称为信息技术。其中具有决定意义的是信息传输（通信）技术和信息处理技术。
在一定意义上说，现代交通运输技术同时也是现代通信技术，用飞机传送信息的数量、速度、经济性与前工业文明依靠人力和马匹的通信不可同日而语。但它们仍然是物能输运技术的附属物，不是本征意义上的通信技术。只有在发明了人工电信道和利用天然电磁场进行通信的设备和相关的方法、技能之后，才算有了独立于物能输运技术的通信技术。电子通信肇始于19世纪30年代，主要得力于电磁理论的巨大进展。但通信过程不仅有物能运动，还有信息运动，物能运动是手段，信息运动才是通信的本质规定性。由于没有关于信息的科学理论指导，在最初一百多年中电子通信技术的发展相当缓慢。由于通信的实践向人们提出一系列自然科学不能回答的问题：什么是信息？通信线路中传送的究竟是什么？信息传送和能量传送有何联系与区别？信息能否度量？如何既无浪费又准确地传递信息？如何在噪声中通信？正是这些问题把人们的注意力引向信息实质的探索和定量研究，在奈魁斯特和哈特莱等人早期研究（20年代）的基础上，申农等人完成了信息理论的奠基工作。获得理论指导的通信技术终于在50年代以后取得飞速发展。
信息论直接推动了通信技术的大发展，进而推动整个信息技术的大发展。电子计算机的发明使信息处理技术现代化，实现了信息处理技术的革命。计算机技术的发展也从信息论获益匪浅。电子计算机的出现使各种信息作业的运作方式都发生了革命性的变革，它们相辅相成，共同构成现代化的信息技术。计算机的信息处理能力、因特网的联通能力、电视的可视化能力三者相结合，使信息技术产生巨大的飞跃，出现系统论所强调的整体涌现性。以信息高速公路和因特网为代表的电子信息网络技术在90年代的出现，代表信息技术发展的一个具有分水岭意义的新高度。人类的每一种文明都有相应的信息技术，但惟有电子信息网络技术是支撑新型文明的信息技术。
信息技术硬件的创新既依赖于自然科学理论的创新，也依赖于信息理论的创新；软件的创新则主要依赖于信息理论和数学的创新。现代技术特别是高新技术越来越走向综合，信息技术正在迅速渗透到其他技术中。不仅控制技术、系统技术、人工智能、空间技术等与信息技术无法分开，就是环境技术、生物技术以及社会技术等等，都离不开信息技术。所有这些技术都体现了人们对信息的理论认识的深度。信息理论研究影响的是整个现代技术。基础科学层次和技术科学层次信息理论的新发展，人们对信息的理论认识进一步深化，必将对未来技术的全面发展产生我们今天无法估计的影响。
信息论与社会的发展
自然科学理论的伟大创新，包括相对论、量子论和基因论，一般通过两个途径影响社会：一是以新的科学思想和新的自然观改变人们的精神面貌，二是通过转化为新技术改变生产力进而改变人们的生活和工作方式。信息科学对社会的影响有重要的新特点。独立的信息意识的形成，关于信息实质、运动规律和定量性质的科学知识的积累，信息概念日益成为现实生活各个领域普遍使用的科学概念，现代信息技术的广泛应用，这一切对社会发展的影响或冲击之迅速、直接、全面、巨大和深刻，是其他科学理论和技术创新难以比拟的。信息时代、信息社会、信息文明等概念的提出和迅速传播，是强有力的证明。
冲击的直接性。一切开发物质、能量的新技术直接改变的是人与自然的关系，然后才间接地改变人与人的关系。信息技术直接改变的主要是人与人的关系，然后再影响人与自然的关系。使用网络成为网民生活不可或缺的组成部分，是对人类社会生活在形式和内容上空前剧烈的变革。冲击的直接性包含冲击的迅速性，特别表现于信息高新技术的负面影响。支撑工业文明的各种新技术的负面影响，如污染环境，在新技术投入应用几十年甚至上百年后才能充分暴露出来。信息网络技术的负面影响几乎是与它的形成同步出现的，网络生活社会化的起点几乎就是网络犯罪、网络不道德行为等的起点。
冲击的全面性。信息科技影响的范围囊括政治、经济、文化、军事各大领域，每个领域中又冲击到所有子领域，如经济生活中的农业、工业、服务业等，文化生活中的学术、文艺、教育、体育等，可以说一切空间、区域、专业以至社会生活的所有角落都在经受这种冲击。信息高新技术的影响，几乎波及人际关系的一切方面，师生关系、同学关系、同事关系、亲友关系、上下级关系、劳资关系等等；波及人的活动方式的一切方面，工作方式、学习方式、授课方式、写作方式、交往方式、交易方式、经营方式、公关方式、娱乐方式、购货方式、医疗方式等等，无一不在信息化中持续地改变着，新事物层出不穷。
冲击的深刻性。通信是文明的源头，是社会的粘合剂，通信模式从一个侧面规定了社会的组织模式甚至文明的形态，并体现于一切人际关系和人的活动方式中。因此，通信模式改变的水平反映社会组织模式以至文明形态改变的广度和深度。人类历史上已经有过或可能建立的各种文明形态，都有相应的通信模式来支撑。人的本质是人的社会关系的总和。电子信息网络及网络生活的普及将极大地扩展和深化人的社会关系，全面提升人性，丰富人的“类”本质，马克思憧憬的个人全面发展第一次有了现实可能性。就其负面影响看，没有适当调控的网络生活也可能导致人性的扭曲，导致人的“类”本质的弱化、异化甚至丧失。人际关系的这些大变化必然导致社会生活的重新整合，产生新的社会形态。电子信息网络的普及和发展带来的将是全新的文明形态，对于这一点今天已经少有异议。
冲击的全球性。电子信息网络技术之前的通信技术和交通运输技术已经在一定程度上实现了人类交往的全球化，但仍然是非即时性的全球交往。电子信息网络技术的发展将实现全球尺度上的即时通信，地球人类的交往终于有可能真正摆脱空间的制约和时间滞后的影响，王勃“天涯若比邻”的梦想，即今人津津乐道的“地球村”，具备了实现的可能性。整个地球人类如此紧密联系而形成的这个特殊复杂巨系统，其规模、复杂程度和动力学特性的丰富性都是空前的，必然涌现出人类迄今未曾遇到的新特点、新问题、新规律，何者是福，何者为祸，难以预料，人类必须谨慎对待。
这一切都对信息理论提出了新要求：给迅猛发展的社会信息化潮流中出现的种种现象、问题、困难、矛盾作出理论解释，为设计因应之道提供思路。在信息文明建设的起步阶段，信息理论的发展尤其具有关键作用。必须看到，发达国家与发展中国家之间的重要差别之一是国民信息意识的差别。发达国家国民强烈的信息意识有两个源头：一是半个世纪以来一波又一波的信息科学研究热潮，关于信息的各种理论见解、著作、学说、学派不断涌现；二是信息技术的普及带来现实生活各方面的信息化。相比之下，我国至今在信息科学特别是信息理论方面基本处于引进阶段，没有自己创立的学派、学说，因而也就没有培育本民族信息意识的独特理论源头。这就注定我们在实现社会信息化、建设信息文明方面还会落后一个不太短的时期。世界历史的既成格局是：在发达国家由工业文明向信息文明过渡的同一时期，我们只能把补工业文明之课与建设信息文明结合起来，毕其功于一役。完成这一历史大任必须有先进的信息理论做指导。因此，大力发展信息科学，完善它的学科体系，推进不同层次的信息理论研究，应该作为21世纪我国科学发展的重点之一。
本文吸收了北京大学交叉信息科学研讨会的成果，冯国瑞、阎学杉同志对初稿提出宝贵意见，谨致诚挚的谢意。
收稿日期：2000-07-18
标签：信息科学论文; 科学论文; 信息论论文; 信息技术的发展论文; 文明发展论文; 申论论文; 自然科学论文; 系统科学论文; 系统论论文; 通信论文;