信息能：信息世界运动变化的真正动力——兼评《物信论——多层次物质信息系统及其哲学探索》，本文主要内容关键词为：信息论文,信息系统论文,多层次论文,物质论文,哲学论文，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：G201文献标识码：A文章编号：1671-7023(2007)01-0085-05
1.从广义信息视角解读物理学，多出来什么
罗先汉在《北京大学学报(自然科学版)》2005年第3期上的论文《物信论——多层次物质信息系统及其哲学探索》(以下简称为《物信论》)中，认为新世纪的唯物主义形式可以是“物信论”，即物质与信息既彼此不同、又相辅相成：信息要以物质为载体，物质的生存发展要由信息来引导[1]。这不是一种纯粹的哲学思辨，而是一位自然科学家运用新的世界观和方法论来重新审视物理世界、生物世界和人类社会，深入分析物理信息(即物质信息)、生物信息和社会信息中信息对物质的依赖和引导。我们认为，科学与人文的交叉与融合不仅是人文、社会科学工作者的任务，也不只是他们需要科学精神的武装；其实，每一个科学学科都需要人文精神的引领，自然科学家要主动地进行哲学反思。即使不讨论《物信论》的科学与哲学学术思想的内容，单看作者致力于科学与人文结合的精神，就难能可贵。当前，自然科学学术期刊上这类文章实在不多。
在一定程度上说，《物信论》一文是作者另两篇文章，即《关于广义信息论的探讨》[2] 和《物质信息与大脑意识》[3] 的续篇。作为一个天文学研究者，作者把广义信息的概念应用到了物理学、生物学、人文社会科学当中。但是，我们看到：现时的许多物理学家持有相反的观点。他们认为，物理学并不需要信息；物理学关于熵和负熵的概念，足以解释与信息类似的全部自然现象。当前，许多学者和公民已经比较习惯于社会和生物层面的信息现象，进一步则应当让他们比较了解并认同：从广义信息的视角解读物理学，比原来的相应学科知识就是不同。《物信论》的贡献之一就在于：把“信息对物质依赖和引领”，从社会学、生物学的领域推进到物理学、天文学的领域。那么，如何回答马蔼乃在交叉信息科学研讨会上经常提出的一个问题：从广义信息的视角解读物理学，多出来了什么？
科学的目的在于认识世界，以利于改造世界。人类对世界的认识包括物质和信息两个方面。几百年来，物理学的进步带动了几乎所有科学学科的发展，成为物质科学学科的基础和典范。物理—数学方法差不多成为科学方法的标准。正如欧阳康所说，当代科学和整个人类文明面临的一个重大理论问题是：寻求世界的信息统一性。关于世界的统一性，过去说，世界统一于物质。这不错，但是只解决了一部分问题，即世界的基础，因此受到挑战和批评。它基本上使用还原论方法。为了解决世界的多样性、层次性的问题，还必须探索事物自组织的机理和复杂性产生的根源。物质和能量是守恒的，宇宙在进化中由简单到复杂；物质结构和运动形式的多样性，来自信息的复杂性和多样性。所以，关于世界信息统一性的认识是当代科学发展的一个前沿问题，是当代科学工作者的一种时代任务[4]。对此，物理学应当，也可以有所作为。
如果说，传统的物理学是全部物质科学的基础的话，那么，信息物理学将是全部信息科学的基础。为什么呢？让我们用溯因法考虑。如今庞大的科学知识体系是人类大脑的精神产品。人脑的知识生产能力，即信息处理能力，来自于初级的人类智慧。从跨物种的进化观点看，人类智能的前身是高等动物的信息处理能力，而它又来自于低等动植物、甚至单细胞的信息处理能力。继续追问，就轮到DNA、蛋白质等有机大分子，以及有机小分子、无机分子、原子、基本粒子、夸克了。对于信息科学基础理论研究者来说，他们宁愿认定信息是宇宙万物的普遍性质，而不是部分事物才有的特殊性。他们反对有人说：在宇宙间生物出现之后才有信息，等等。因为，在生物和非生物之间并没有绝对的界限。而且，如果生命现象中DNA的复制是信息过程，那么非生物现象中的结晶过程同样是物质结构的复制，为什么就不是信息过程呢？既然DNA和结晶体的自组织是信息过程，那么其他分子、原子、甚至基本粒子的自组织、自生成，为什么又不是信息过程呢？于是，最好的假说便是：自宇宙大爆炸以来，信息与物质同在，二者相辅相成。但是，如果整个的物理学不承认信息，那么信息学就没有最初的根基，就难以确定信息进化的起点。所以，美国物理学家T.Stonier关于信息科学和信息物理学的“三部曲”能得到信息科学家们的一致赞赏和认同。这样，从广义信息的视角看物理学，多出一个信息物理学，可以为信息科学知识大厦奠定坚实的基础。在工业社会中，物理学已经功勋卓著；在信息社会，物理学将要再立新功。
2.关于信息的最根本的性质：非空间特性
现在几乎所有的学科都热心于信息问题的研究。但是，信息到底是什么？如何给出关于信息的科学定义？在不同的认识层次上，在不同的学科中，关于信息可以有不同的说法，它们构成一个关于信息定义的网络。是否可以说，对定义有着不同的表述，其适用范围也不相同，但是，不同层次和不同学科关于信息本质特征的认识应当基本一致。[5] [6] [7]
信息对于物质载体有绝对依赖性，所以没有脱离物质载体而存在的信息。它必然是物质的，具有物质的特性；同时，它对于特定载体具有相对独立性。所以，物质仅仅是它存在的依托，信息可以变换这种依托。从根本上说，信息是非物质的，具有非物质特性。信息的物质特性只是它的形式和现象，而非物质特性才是它的内容和本质。正是从信息的这个本质特征出发，才可以说信息不是物质，也不是能量。
维纳关于“信息就是信息，不是物质，也不是能量”的名言，在学术界已经家喻户晓。信息不是物质，具有非物质特性，对此，已没有多少反对意见了。但是，物质特性多多，那么，信息非物质特性最主要的表现是什么呢？笛卡儿把世界分为广延实体(物质)和思维实体(心或精神)，他认为对精神现象不能基于物理特性作机械的解释。物质(material being)的根本特性就是它的广延性或空间特性(spatial)。据此，它才可以被观察、被量化，才可以用物理学理论加以说明。与此相反，信息不能被直接观察、不能用物理—数学方法进行研究的根本原因在于没有空间特性。由此，它才可以被转换、被复制、被“思维”、被改写(进化)，才可以在物质载体短暂生命的接力(遗传)中求得永生。所以说，信息作为非物质的事物(immaterial being)，主要表现在它的非空间特性(non-spatial)。
当信息的载体由无机信号经过生物信号进化到人类符号之后，人们把握它不仅要感觉，而且要理解，信息的非空间特性表现得最为明显。作为物质存在的一个小方凳，它有体积、有重量，所以，它可以被公众参观；它的运动符合机械学、物理学的法则。但是，在大人和小孩的头脑中关于这个方凳的“印象”(或概念)，就不能说有多大的体积，有多重；也不能被其他人直接观察；其运动规律符合认识论的法则。印象的深浅与好坏完全取决于个人目的和意愿。关于那个小方凳的“印象”一旦形成，其传播与演变过程就可以与那个实在的凳子没有关系。即使在小方凳被毁坏以后，人们依然可能在梦中见到它，在谈话中提起它。同样，某位科学家的理论一经产生和记录，便可以独立于他的大脑而存在和发展。至于人类所创造的文化和科学技术知识体系的非空间特性，就更是显而易见的了。正是由于人类文字和科学符号的发明，事物的抽象含义有了符号的指示，反倒是容易把握了。正是在这种意义上，马蔼乃说，随着进化，“隐信息”变成了“显信息”。
3.信息运动变化的真正动力不是物理学的四种力
自维纳提出信息不是物质和能量以来，信息作为构成宇宙的第三要素的观点逐渐地被学术界和全社会广泛接受。开发和利用信息资源已经成为人们的日常工作任务。有的学者对宇宙构成要素“三元论”进行解说：世间万物皆由物质构成其形体，能量提供运动的动力，信息实现对运动的控制。这其中隐含着一个假设：物理学的能量不仅推动物质的运动，而且推动信息的运动。但是，推动信息过程的动力果真是物理学的四种力(强力、弱力、电磁力、万有引力)吗？
从表面上看，好像是的。如果切断计算机的电源，它就什么也做不了。但是，仅仅给计算机供电，它就能完成信息处理任务了吗？显然，要将给定的100个数据由大到小排出顺序来，必须编写一个正确的排序程序才能完成任务。正因为如此，计算机软件工程师把他们的产品叫做数据处理“引擎”。计算机中的数据之所以能“运动”起来，完全是软件作为引擎在起作用。物理能量只是保证信息引擎工作的基本条件。所以，以算法为核心的程序(即“信息引擎”)是引领物质生存和发展的发动机；而由“物质能”所负载的“信息能”，是信息世界运动变化的真正动力。这样，就需要一个新的基本概念：“信息能”(Informational Energy)。它刻画信息处理(或者计算)的能力。“能量”(Energy)总概念应当包含物质能(Material Energy)与信息能两个大的类别。就像宇宙万物是物质和信息的对立统一，“能量”则是物质能和信息能的对立统一。对于人类来说，信息就是知识(Knowledge)，包括感性知识和理性知识；信息能就是智能(Intelligence)，主要是符号处理的能力。机器的信息处理能力是人工智能。正如物质不是能量，知识并不等于智能，尽管它们之间有着联系。一般地说，信息并不等于信息能。信息能是构成宇宙的第四要素。宇宙构成要素“四元论”(物质、物理能，信息、信息能)是人们的生活常识所能理解和接受的。
信息指的是状态，而信息能指的是能力。所以，信息并不等于信息能，但是它们在一定的条件下可以互相转换，有点像物理学中的“质能转换”那样。由于信息和信息能的抽象性，它们之间的转换不是以一方的消失为另一方产生的前提条件。在人类社会中，知识和智能之间的转换条件、过程和结果可能具有十分复杂的情况。关于知识和智能的转换，我们建议用公式P=IC2表达，其中P为智能，I为知识量，C为知识创新系数。信息处理本身包含着信息生产，也包含着信息处理能力的生产。正是信息生产方式的无消耗性和信息生产能力的快速增长，造成信息的爆炸式增长。如果说，物理学终归还是关于能量的科学，那么信息学终将是关于智能的科学。宇宙进化的表现是物质结构和信息的进化，在本质上是推动物质运动的“物理能”和对信息进行处理的“信息能”的进化[4]。
4.“智能”概念的泛化和“宇宙智能谱”
按照《现代汉语词典》的解释，“智能”是人类特有的认识世界和改造世界的能力。这也就是说动物和其他生物不可以有智能，机器更不会有智能。在计算机科学界，特别是在人工智能界，人们普遍地认为：所谓人类智能，不过是人类具有的一种高级的信息感知和处理的能力；高级的能力是从较低级的能力进化而来的，如果没有低等的动物智能作为基础，决不会凭空冒出人类智能来，否认进化论，就只有接受上帝造人的学说。人类中心主义认为，人是宇宙的中心，一切都为了人而存在，因为人而演化。但是，达尔文的进化论抽掉了人与动物之间的绝对界线；细胞学说抽掉了动物与植物之间的界线；生物遗传学说认为从人、动物、植物、细菌、病毒，到能够自我复制的DNA、RNA等生物大分子，表现出生命的机理是相同的。当然，人脑的智能不仅有生物信号处理，还有人类特有的符号处理。但是，计算机、机器人同样可以进行信号和符号的处理。IBM“深蓝”可以打败人类顶尖棋手，如果我们坚持说它没有一点智能，岂不是在说人类精英的智能还不如“没有智能”的机器，那么，全人类的尊严何在呢？“深蓝”要人教它，才会下棋。人从小学到大学，不也是需要“教”，才能进入社会劳动大军吗？学生超过老师，体现出进步。深蓝的“老师”远不是深蓝的对手，不也是“青出于蓝而胜于蓝”吗？
在美国和英国的词典中，对智能(Intelligence)的解释并不局限于“人”的能力，而是首先泛指从经验学习和理解的能力、获取和保存知识的能力，然后指出也包括人类精神的能力(mental ability)。如果说，汉语词典的解释浸透着“以人为本”的人文精神的话，英语词典的解释则贯彻了“实事求是”的科学精神。科学的目标是揭示客观现象的规律性。从无机物的物理、化学反应能力，到生物信息处理能力，再到人类的符号处理能力，以及机器的人工智能，不是在向我们显示一个进化的逻辑链条吗？当然，机器不会谈恋爱，不可能生孩子，与人是不同的。但是，科学的类比与抽象总是要局限于某个特定的视角，数学、物理、化学均是如此，信息科学所取的视角就是信息和信息处理能力(即信息能)。在科学界，在社会上，有一部分人不赞成把智能的概念泛化，这很正常。不同的，甚至对立的理论立场、价值观念、逻辑判断的存在，对科学的发展是必须的、有益的。
宇宙信息的进化可以从无机信息、生物信息到文化信息的跃迁看出来，但是更要从宇宙中信息处理能力(智能)的逐步提升进行考察。这种智能的进化的事实集中表现为：在宇宙间存在一个智能由低到高进化的谱带，即“宇宙智能谱”。这几乎已是国内外研究者的共识。美国物理学家T.Stonir的专著中用一章的篇幅来描述这个智能谱(Intelligence Spectrum)[8]。中国学者钟义信指出：“可以想象一个连续的智能水平空间，按照事物的相对智能水平，把人、机器、动物、植物等都安排在这个空间中的适当位置，一切事物都具有某种水平的智能，只是智能水平的高低程度不同而已：人具有最高的智能水平，无生命的事物具有最低的智能水平——无智能，其他则介于这两者之间。”[7] 关于生命信息学的研究中提出宇宙信息进化的四维模型，都把宇宙智能谱作为一个基本的事实和出发点。
5.信息能：整个信息科学研究的中心
如果说在信息社会中信息的概念十分重要的话，那么信息能的概念应当更为重要。维纳对事物一分为二，把信息从物质那里分离开来，指出信息不是物质。而更有意义的认识是：对“能量”一分为二，把信息能从物质能那里分离开来，指出在本质上推动信息运动的力不是物理学的力，而是信息学的力。正如宇宙万物皆是物质和信息的统一体，信息能和物质能也是统一的。又像符号是信号的信号那样，信息能是控制物质能的能。物理能是初级的信息能，信息能是高级的物理能。于是，能量的统一和进化就成为合乎逻辑的理论。
物质和能量是整个物质科学的中心概念，信息和信息能(即知识和智能)是整个信息科学的中心概念。在一定意义上说，信息科学在本质上是“智能科学”，包括人脑智能、社会智能；计算机智能、Internet网络智能。在一定意义上说，信息科学主要是研究人类智能的本质和知识创新的机理，信息技术主要是开发一种人工智能技术去替代人的某些脑力劳动。
在经典力学中，把可以做功的能称为自由能。如果把机械运动中“功”的概念泛化，那么在物理学、生物学和社会科学中都存在大量的自由能做功的现象。当然，不同领域中做功的表现和度量可能相差悬殊。一般地说，两个过程的耦合，可以使其中一个以非自然的方向进行。比如，在机械力学中，滑轮上的单个重物总是倾向于下落，但若把两个滑轮上的重物连接起来时，较重的物体就将较轻的物体升高；在物理学中，一个强大的电磁能可以把较大的铁块吸引过来；在化学中，一个化学反应提供的能可以使另一个反应向着非自然的方向进行，使该系统中的熵减少。在生物学和人类社会学中，这种现象更多。换言之，实现控制的能可以是物理能、化学能、生物能和人类文化能。于是，使其他事物按照非自然的方向进行的能力会越来越大。所以说，能量的进化在由低级的阶段向高级的方向前进。
人类社会的发展水平与能量利用的级别相适应。首先是自然能，包括自然的水能、风能以及人力、畜力所提供的能。然后是人工转换的能，比如燃烧煤、石油产生热能，转换成电能。用于自动控制的弱电能，计算机能就是信息能。于是，有热机驱动的时代，电机驱动的时代，计算机驱动的时代。所以，社会的进化与能量的进化有关。当然，人类不断增长的对于物质产品和信息产品的需求，对人类的认识世界和改造世界的能力会提出挑战，人类探索大自然奥秘的任务永远不会完结。但是，与此相关，人类知识的积累和智能的增长都是可以没有极限的。
感谢北京大学马蔼乃教授、朱照宣教授和闫学杉副教授主持的关于交叉信息科学的跨学科系列讨论，他们对文章的形成给予了支持和帮助。