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理论信息学概论

李宗荣 著

中国科学技术出版社

2010年8月

内容提要

本书较为系统地介绍了理论信息学的基本概念、原理和方法。其中，主要包括信息、信息二重性、信息能、信息熵、宇宙智能谱、宇宙构成要素、物质-信息关系模型、计算模型、信息科学范式、信息科学世界观等基本概念；信息科学的三个基本原理是：信息不守恒、信息能与时倶增、信息增长没有上限；信息科学的方法是信息涌现论。同时，本书介绍了理论信息学在整个信息科学中的地位、它与应用信息科学（工具信息学与领域信息学）之间的关系、它的实际应用、它的研究目标、方法与课题等内容。作为理论信息学概括的原材料、本书主要内容的铺垫，我们介绍了工具信息学（通信理论、控制论、计算机科学），领域信息学（自然信息学，化学、生物与医学；以及社会信息学，语言、传播与心理）。

本书构思独特，立意高远、取材新颖、表述通俗、简明易懂，是一本关于信息科学基础理论的好教材。本书可以作为大学高年级本科生、研究生开设理论信息学或信息学基础理论课程的教材或教学参考书。对于计算机科学、通讯科学、控制理论以及自然信息学和社会信息学等专业或相关专业的学者，在从事信息理论思维或一般信息学理论问题研究时，它也是一本较好的参考书。

编写委员会成员

主  编： 李宗荣

副主编:  李  柯，张  凌

编  委： 王京山，朱自先，何华灿，张  凌，陈少华，

李宗荣，李  柯，金新政，游  俊

简 要 目 录

序  言：W.霍夫基希纳，P.迈尼尤恩，M.邦格

1．绪  论

第一编  信息科学：应用信息学与理论信息学

2  信息科学及其发展简史

3  理论信息学的研究对象：应用信息学

4  理论信息学的产生与发展

第二编  理论信息学的基本概念和原理

5  信息定义、分类及“信息二重性”

6  “信息能”：构成宇宙的第四个要素

7  理论信息学的三个基本定律

第三编  人类社会中的物质能与信息能

8  信息能与物质能的统一与进化

9  生命信息进化论

10  智能：社会前进的根本动力

第四编  新的世界模型与信息科学方法论

11  “两个世界”理论与信息科学世界观

12  信息科学的方法：涌现论

第五编  理论信息学的应用及其发展前景

13  理论信息学的应用

14  理论信息学研究的目标、方法与课题

后  记

目    录

W.霍夫基希纳教授的序言

P.迈里尤恩教授的序言

M.邦格教授的序言

1  绪  论

1．1  理论信息学的基本问题

1．1．1  物质与信息

1．1．2  物理学能量与信息学能量

1．1．3  物质过程与信息过程，物理学规律与信息学规律

1．1．4  物理学方法与信息学方法

1．2  为什么要学习理论信息学

1．2．1  国家信息化与行业信息化的要求

1．2．2  “学科信息化”的要求

1．2．3  学习和生活的要求

1．2．4  革新世界观、人生观的要求

1．3  怎么样学习和应用理论信息学

1．3．1  准备一个开放的、乐观的学术心态

1．3．2  掌握工具信息学和若干领域信息学的基本知识

1．3．3  领会理论信息学的基本概念、原理与方法

1．3．4  思考本学科、本领域中信息现象的规律

第一编  信息科学：应用信息学与理论信息学

2  信息科学及其发展简史

2．1  信息科学和它的基本结构

2．1．1  科学：应用科学与理论科学

2．1．2  科学：物质科学与信息科学

2．1．3  信息科学，信息技术和信息工程

2．1．4  信息科学：自然科学，还是社会科学

2．2  应用信息学与理论信息学

2．2．1  什么是应用信息学

2．2．2  应用信息学的结构

2．2．3  什么是理论信息学

2．2．4  理论信息学的目的和内容

2．3  信息科学发展简史

2．3．1  信息概念的产生和变迁

2．3．2  通讯、计算与图书馆信息研究

2．3．3  信息科学发展历史时期的划分

3  理论信息学的研究对象：应用信息学

3．1  工具信息学

3．1．1  人类信息工具的演变：从人工、机械、电子到程序

3．1．2  通信理论

3．1．3  控制理论

3．1．4  计算机科学

3．2  自然信息学

3．2．1  工具信息学在自然科学领域中的应用

3．2．2  化学信息学

3．2．3  生物信息学

3．2．4  医学信息学

3．3  社会信息学

3．3．1  俄美日中社会信息学及其比较

3．3．2  语言信息学

3．3．3  传播信息学

3．3．4  心理信息学

4  理论信息学的产生与发展

4．1  现有信息理论的局限性

4．1．1  香农通信理论的适用范围

4．1．2  计算技术和工具：机械化与形式化

4．1．3  领域信息学的学科局限性

4．2  完整的信息科学知识体系没有建立起来

4．2．1  “数学大厦常常是先修好楼层再打地基”

4．2．2  完整的信息科学知识体系没有建立起来

4．2．3  “1+4+3”：信息科学的知识框架

4．3  科学与社会发展需要理论信息学

4．3．1  众多的应用信息学需要公共的理论基础

4．3．2  人文科学需要理论信息学

4．3．3  社会科学需要理论信息学

4．3．4  “国家信息化”需要理论信息学

4．3．5  工业社会向信息社会转型需要理论信息学

4．4  国内外关于信息科学基础理论的研究

4．4．1  在北美和欧洲的统一信息理论研究

4．4．2  中国学者进行的信息科学基础研究

第二编  理论信息学的基本概念和原理

5  信息定义、分类及“信息二重性”

5．1  对信息定义的评述

5．1．1  比较流行的信息定义

5．1．2  关于信息定义的评述

5．1．3  信息定义的领域性与层次性

5．1．4  在领域与层次的交叉中定义信息

5．2  理论信息学的信息定义与分类

5．2．1  理论信息学的信息定义

5．2．2  对理论信息学定义的诠释

5．2．3  理论信息学中信息的分类

5．3  信息存在与运动的二重性

5．3．1  关于信息特性研究的回顾

5．3．2  信息存在方式的二重性

5．3．3  信息运动动力和规律的二重性

5．4  信息的度量与信息过程的量化表达

5．4．1  信息载体的度量和纯粹信息的度量

5．4．2  信息过程量化的必要性和信息内容量化的有效性

6  “信息能”：构成宇宙的第四个要素

6．1  能量一分为二：物质能与信息能

6．1．1  什么是信息能？

6．1．2  信息能概念的合理性

6．1．3  物理学能量不是信息运动的真正动力

6．1．4  物理学能量不能解释信息增生的机理

6．1．5  信息科学需要“信息能”的概念

6．2  科学体系的层次性和“年轮模型”

6．2．1  系统中物质和信息的相互作用

6．2．2  物质系统构成的层次性

6．2．3  科学知识进步的层次性

6．2．4  科学知识体系的年轮模型

6．3  宇宙构成要素四元论

6．3．1  宇宙构成要素一元论

6．3．2  宇宙构成要素二元论

6．3．3  宇宙构成要素三元论

6．3．4  宇宙构成要素四元论

7  理论信息学的三个基本定律

7．1  关于信息熵与信息负熵

7．1．1  信息学与热力学类比的依据

7．1．2  从热力熵、统计熵、信息熵到负熵

7．1．3  理论信息学借用负熵概念

7．2  信息学第一定律：信息不守恒

7．2．1  关于信息守恒的观点

7．2．2  物质常变与信息消失的倾向

7．2．3  信息复制与信息不灭的倾向

7．2．4  信息创生与信息增长的倾向

7．3  信息学第二定律：信息能与时俱增

7．3．1  演化物理学层次上的自组织现象

7．3．2  基因的复制和生物信息的增生

7．3．3  社会思维能力的增长

7．4  信息学第三定律：信息增长没有上限

7．4．1  人类文化科学知识的爆炸式增长

7．4．2  没有自然力量能阻止信息增长

7．4．3  没有人为力量能阻止信息增长

第三编  人类社会中的物质能与信息能

8  信息能与物质能的统一与进化

8．1  熵增原理及其推论：能量退化论

8．1．1  熵增原理和宇宙热寂说

8．1．2  热力学的价值判断：“熵恒增 = 能贬值”

8．1．3  宇宙退化论和宇宙进化论

8．2  信息能与物质能的统一与进化

8．2．1  物理能与信息能的统一

8．2．2  物理能与信息能“品质”的提升

8．2．3  自由能的进化

8．3  运动形式和运动机理的统一性

8．3．1  物理世界运动的统一性

8．3．2  信息世界运动的统一性

8．3．3  运动统一论与“统一科学”

9  生命信息进化论

9．1  达尔文进化论的功绩和局限性

9．1．1  达尔文生物进化论产生的背景

9．1．2  达尔文进化论的要点及核心

9．1．3  达尔文理论存在的难点问题

9．1．4  达尔文理论的局限性

9．1．5  对达尔文理论的发展

9．2  物理进化、化学进化、生物进化与社会进化

9．2．1  物理、化学、生物、社会进化的层次

9．2．2  生命物质进化与生命信息进化

9．2．3  由物质生命科学走向信息生命科学

9．3  生命信息进化的机理

9．3．1  关于生命信息学的研究

9．3．2  “智能”概念的泛化

9．3．3  “宇宙智能谱”

9．3．4  生命信息进化的机理

10  智能：社会前进的根本动力

10．1  机器进化的必然----智能化

10．1．1  人类的新的进化方式

10．1．2  生物进化与机器进化

10．1．3  机器的起源与进化

10．1．4  机器进化的方向：人工智能

10．2  人类智能与人工智能

10．2．1  人类信息能：智能

10．2．2  人类智能的特征

10．2．3  关于人工智能的概念

10．2．4  人工智能的起源与发展

10．2．5  人工智能的研究方法

10．3  智力是人类社会发展的关键

10．3．1  关于划分人类文明史的依据

10．3．2  什么是决定未来社会发展的关键性因素

10．3．3  树立智能价值观

10．3．4  智能时代的经济、政治、军事智力战

第四编  新的世界模型与信息科学方法论

11  “两个世界”理论和信息科学世界观

11．1  物质与信息的关系：“两个世界”理论

11．1．1  宇宙万物的物质与信息二重性

11．1．2  宇宙万物的空间与时间二重性

11．1．3  物质与信息的关系模型：对立统一的“两个世界”

11．2  古希腊、中世纪、近代以来世界观的演变

11．2．1  希腊人世界观的双重遗产

11．2．2  基督教的世界观

11．2．3  现代的世界观

11．2．4  科学与人文：两个世界的分裂与对立

11．3  信息科学的世界观

11．3．1  世界观与“科学世界观”

11．3．2  心理学中的世界观

11．3．3  信息科学的世界观

11．4  信息主义的时代精神

11．4．1  什么是信息主义

11．4．2  社会转型：从E社会进入U社会

11．4．3  用“信息主义”命名新的时代精神

11．4．4  信息主义应当从神灵主义和物质主义学到些什么？

12  信息科学的方法：涌现论

12．1  方法与科学方法

12．1．1  什么是方法、科学方法

12．1．2  科学方法论及其认识论基础

12．1．3  科学研究中的经验方法与理性方法

12．2  科学的实证方法与信息时代的要求

12．2．1  孔德的科学发展“三阶段论”

12．2．2  实证方法在信息时代必须发展

12．3  理论信息学方法：信息涌现论

12．3．1  物质科学还原论的适用范围

12．3．2  物质系统整体上的涌现特征

12．3．3  理论信息学方法：信息涌现论

            12．4  信息科学范式

12．4．1  图灵与冯·诺伊曼的计算模型

12．4．2  计算在宇宙中的普遍意义

12．5  关于科学范式的转型

12．4．1  物质科学范式的使用范围及其局限性

12．4．2  物理学羡慕症和数量化情结

12．4．3  由物质科学范式向信息科学范式的转变

12．4．4  方法论、科学观和世界观的信息学转向

第五编  理论信息学的应用及其发展前景

13  理论信息学的应用

13．1  作为自然信息学的理论基础

13．1．1  从分子化学、超分子化学到“软化学”

13．1．2  分子识别、信号及信息化学

13．1．3  超分子逻辑转换器件：化学的“逻辑门”和“程序”

13．1．4  范式转变：从凝聚态到组织化、适应性物质，再到有思想的物质

13．2  为人文社会科学的方法论提供信息学依据

13．2．1  人文社会科学研究对象的自为性与价值性

13．2．2  研究对象的特殊性对社会科学研究方法的影响

13．2．3  为人文社会科学方法论提供理论依据

13．2．4  为人文社会科学范式提供科学基础

13．3  说明系统科学的研究方向

13．3．1  传统系统科学主要研究系统的物质特性

13．3．2  传统系统科学无法说明生物系统和社会系统

13．3．3  系统科学与信息科学在学术研究的前沿相遇

13．3．4  一般信息系统论与理论信息学互补

13．3．5  实现信息系统学与理论信息学的合作与双赢

13．4  与热力学“合作”说明格埃难题

13．4．1  什么是格埃难题

13．4．2  信息熵增与信息熵减

13．4．3  对格埃难题的解答

13．5  人的本质以及与脑死亡相关的伦理问题

13．5．1  人体：多层次的信息网络

13．5．2  心肺死亡与脑死亡

13．5．3  脑死亡的伦理学

14  理论信息学研究的目标、方法与课题

14．1  理论信息学“问题”的类型与结构

14．1．1  科学问题及其分类

14．1．2  理论信息学问题的目标和应答域

14．1．3  理论信息学面临三个瓶颈问题

14．2  理论信息学学科的发展目标

14．2．1  理论信息学建立和发展成熟的标准

14．2．2  理论信息学的合理性证明需要新的规则

14．2．3  理论信息学要求信息哲学的本体论承诺

14．3  理论信息学的研究方法

14．3．1  理论信息学研究必须以方法创新带动知识创新

14．3．2  对工具信息学和领域信息学的大综合

14．3．3  空间上现实横向与时间上历史纵向跨学科综合法

14．3．4  在应用、理论与哲学间跨层次的综合法

14．4  有待进一步研究的若干问题

14．4．1  理论信息学处于发展的初级阶段

14．4．2  有待进一步研究的若干问题

后  记

序言1

一个国际信息科学发展的里程碑

W.霍夫基尔希纳

奥地利维也那理工大学计算机科学系

我很高兴地接受邀请，为这本书写一个序言。这本书不仅对信息学的理论基础作出了杰出的贡献，而且，更为重要的是，它将成为在世界范围内信息科学发展的一个里程碑。

实际上，我从20世纪90年代初期就关注统一信息理论(Unified Theory of Information)的探索。当我在维也那理工大学计算机科学系开始我的职业生涯的时候，我的良师益友，技术评价与设计专业B.夫雷斯勒教授和我一道，开始了关于信息结构起源的跨学科研究项目。我们的研究目标是，阐明信息的概念，并且试图发现一个基础，以便在各不同学科、看似各不相同的术语之间寻求可能的统一。我们最初的观念是：对于计算机科学和信息学，“信息”也许是一个基础概念，就象物理学中的“能量”那样。

在那种学术思想的指引下，我接触到讨论信息科学基础（Foundations of Information Science, FIS）的一个学术社团，该组织的成员来自不同的学科。在那么早的年代里，信息科学只是图书馆科学，档案科学等的一个代名词，除了指代若干关于具体信息的学科以外，它什么也不是。从那时直到现在，在学术界使用信息科学一词，其共同的涵义就是如此。当然，它有时的表述比上述含义多一些：在物理学、化学、生物学、社会科学、人文学科，和艺术当中，使用这个或那个信息概念的科学研究者，都隐含地包括像逻辑和数学那样的规范科学，以及像计算机科学那样的技术学科。简而言之，当时所讨论的是“与信息有关的科学”。

在1996年召开的第二届国际信息科学基础研究会议上，我作了“关于统一信息理论的探求”的学术报告，并围绕这个主题开展了积极的活动。尽管有相当数量的科学家到今天仍然怀疑形成一个普遍适用的信息概念的可行性，但是一批坚定的少数派科学家仍然在进行着若干尝试，以统一的方式提出假设并从理论上说明信息。2005年，在巴黎召开的国际信息科学基础大会上，汉斯٠冯٠贝耶教授向他的听众提出一个调查题，结果显示：关于上述“可行性”的判断，支持和反对的人数各占50%。

尽管“统一论者”仍然不是主流，但是在世界范围内，他们在从事相当数量的创造性的研究，可以这么说，他们正等待着被串联和组织起来。而且，在这个前进方向上，中国武汉华中科技大学社会信息科学研究中心，肯定地属于已经获得最多成果的单位之列。现在摆在读者面前的这本书，提供了该方向上研究主题的一个引导性的概论，甚至成为了中国大学的一门教学课程。而在世界的其他地方，兴趣广泛的研究者们却迫于为他们的学术立场进行辩护，以对抗占据优势地位的偏重实际操作的教学态度。这种教学态度与一批新自由主义者伴随而至，他们主张削弱传统教育政策、以便用更具实际操作性的方法实现教学目标。

与此同时，人类面临全球性挑战，并且极度地需要得到紧急处理。复杂的问题需要能够适当处理其复杂性的策略。这就是为什么我们特别需要信息科学的理由。

在我看来，今天关于“信息”的科学和技术社会（techno-social）发展关系的状态，能和当年马克思所面对的“劳动”（labor）的状态相比较。在他那个时代，劳动可以成为而且必然成为了科学研究的对象，因为劳动事实上已在社会上获得了一种新的角色。在社会生活中，劳动变成某种更为抽象的东西，也就是说，在社会上人们可以不考虑劳动的具体的物质特征。马克思称之为一种“真实抽象”（real-abstraction）。这种抽象发生在资本主义诞生的年代。一方面，劳动在一个真实的世界里与人们实际地面对，但另一方面，这些具体的劳动又成为科学思想中形成一般劳动概念的基础。正因为这种抽象，劳动的概念才可以被追溯到以往人类历史的社会生活中，并且把其他不是工业劳动的现象也归入到劳动概念的范畴，尽管它们具有不同的表现形式。使用这种“真实抽象”的方法，我们也许可以假设，信息成了当今社会的一个关键性角色，负责推进新科学的理解和新理论的建立。事实上，信息已经转变为一种真实抽象，也构成了发现一般理念的基本原理：当从工业社会的视角观察的时候，劳动涉及到人类的历史；而从信息社会的视角观察的时候，信息也涉及到人类的历史。信息在社会的发展中所扮演的角色，已经发生了质的改变，并且这种改变在人类历史上是史无前例的。信息，已经成为我们生存的支柱，和通向未来的桥梁。正是信息，被用来缓和和减少摩擦，实现若干系统的功能，完成人类社会的组织：从个人到种族、到国家、到全球村，从经济到政治、到文化，从社会到生态、到技术，从社会王国到生物王国、到物理王国。总之，在人类自身的发展过程中存在许多需要干预（intervention）的领域；如果在所有这些领域中没有自觉的和谨慎的干预，那么人类的继续生存和顺利发展将是不可能的。这种干预的目标是把异化、分裂和瓦解造成的世界重新联结起来，所以干预在本质上是信息的；但是当干预从人类向生物、向物质延伸的时候，它要求深入地理解我们居住的世界上所有不断发生着的信息过程。

技术，特别是计算机、信息和通信技术，以及互联网，为复杂的管理和社会的进步做出了实质性的贡献。但是，因为没有确它们服务于人类，所有这些应用技术都毫无意义（就像作为网络社会的参与者，从我们的经验所知道的，那些最终沦为精巧的小玩艺儿的东西）。我们需要一个好社会、一个全球性的可持续发展的信息社会的设想，以便指导这些技术的设计和实现。信息科学能够为实现这个目标提供一种科学的基础。

在这一点上，批评面向技术（technology-oriented）的途径所固有的缺点，就是很重要的了；作为一门信息科学的传统计算机科学的局限性则首当其冲。在真实世界的系统中，信息的生成远不是一种机械过程，因此远不是可以用公式定义、用数学函数表达，或者在一台计算机上就能加以实现。仅仅是在机械过程的情况下，数学变换方法才是有效的，它可以明确地由原因模式导出结果模式。这些智力方法由规范科学，比如形式逻辑、数学或计算机科学等所提供；它们都需要从一个假设，一个结果或一个计算机操作出发，演绎推理出一个结论。机械过程能够被映射为算法过程，该过程使用清晰的、无二义性的指令，在执行一般运算的计算机帮助下实现算法。但是，在原则上，信息的发生要避免实现算法化。就像马利奥٠邦格在2003年的著作《涌现与汇聚》（第152页）所指出的那样，“事物同它的人工模拟并不是一回事。特别是，一个物理的、化学的、生物的、社会的过程的计算机模拟，并不等于原来的过程：最多，它只是某些方面与原来的过程相象而已。”机器并不能自己判断和选择。不这样主张，就会模糊机械设备工作的方式和具有主观行为特质的系统（进化系统，如自组织系统）的工作方式之间的区别。至多我们能够说，概率计算是模拟真实世界系统的非严格决定过程的一种方式，但并不是真实世界中这些过程运行的严格方式。根据定义，演绎并不产生创新；同样地，根据定义，算法也不能产生创新；根据定义，计算照样不能产生创新。信息科学将不得不详细阐述涌现论的信息基础。

我希望，这本书能够广泛地传播。它为这个领域作出了杰出的贡献。

W. 霍夫克齐勒，于西班牙，2009年10月

序言2

关于信息科学的内涵

——为什么需要一个扩展的信息科学知识体系？

佩德罗·迈里尤恩，西班牙萨拉戈萨大学

我非常感谢李宗荣教授的邀请，为他的《理论信息学概论》准备一个介绍性的评注。这是一个很好的机会，我可以向进入这个新的特殊学科的中国学生说点什么。我希望与同学们分享某些经历和概念性的思考，谈谈大家所挑选的这个学科，即信息科学（或者“理论信息学”），它的由来和基础。

信息几乎不是一个新的术语。在第二次世界大战以后的10年间，“每一个人都在谈论信息” 。从科学的角度说，信息时代的真正起点是随着信息的多样化发展而开始的，其中包括克劳德·香农、罗伯特·维纳、约翰·冯诺伊曼、阿兰·图灵、詹姆斯·沃森与弗朗西斯·克利克、格雷戈里·贝特森等人的推动。有些思想家主张一种朴素的观点，即在一些新的领域（例如信息论，控制论，计算理论）中几乎能够自动地产生的，不仅有新技术，而且有新的综合性的观点，而这种观点能够为我们理解自然和社会提供更多的逻辑连贯性。仅仅在一代人之后，这种观点不能承受随后产生的人工智能、人工生命、复杂性科学等相关领域的挑战，对它的不满情绪日渐增长。许多深邃的思想家，以及杰出的科学家与工程师，如罗伯特·罗森、迈克尔·康拉德、戈登·斯卡罗特、奥托·罗斯勒、松野一郎、汤姆·斯托尼尔等，不谋而合地认识到那些学科结构的不足，认识到发展一种新的观点以涵盖各种不同层次的需要；这种观点能够沿着一个系列性的形式的与非形式的信息过程行进，而这些信息过程又在自然的不同领域和人造的环境中受到高度的重视。关于信息的新观点，适应性，复杂性和智能就成为绝对的必须。迈克尔·康拉德就是支持1994年在马德里召开首届信息科学基础研讨会的科学界的领导者（参见康拉德，1996年；迈里尤恩，1996年；斯卡罗特，1998年）。

为什么从信息论向新领域（如控制论）的简单扩展，是不够的呢？为什么我们还需要继续努力，研究信息科学基础理论，成立新的信息科学研究所呢？或者说，为什么我们需要一本新的教材，如读者手中的《理论信息学概论》呢？这不是一个容易回答的问题，因为它涉及到信息的最基本主题的讨论。在我看来，答案至少可以分解为对于三个问题进行的阐述。

第一，什么是“信息现象”的根本特征？因为香农通信具有数值分析的最显著特征，就认为信息仅仅出现在“工程通信”之中吗？并不真的是这样；在关于信息现象的任何自然主义的解释中，例如在活细胞之间、整个生物体或人类个体之间的通信中，我们都能发现一个复杂的信息过程的相互缠绕：卷入一个生命周期的对象，自我生产的“需要”或“缺乏”，内检测，表达（和编码），通信传输，接收（和解码），意义建构，解释，适应性（智能）回应，等等。有趣的是，在不同组织的王国，我们都可以指出处理整个信息现象特征的精细信息子系统的进化过程，例如细胞的信号系统和中枢神经系统（并且，在我们自己的社会中，存在广泛的交流和知识系统的涌现）。归结到一点，就是那些专门信息子系统占领了细胞基因组和代谢预算的很大的一部分（我们自己新陈代谢中约20％用于大脑）。因此，我们只能在通信频道的特点中寻找信息吗？或只是因为在编码/解码过程中信息更容易被度量，就不到其他过程中寻找信息呢？让我们认真地接受进化论的智慧；让我们在信息的完整性上，在信息与整个生活结构的无缝连接中，全面科学地考察信息现象。

第二，信息科学能弥合历史上“硬”、“软”科学的分裂吗？近半个世纪以来，C.P.斯诺的一个奇特演讲和后成论文，引发了一个相当长时期的强烈争论。其论文的标题为“两种文化与科学革命”（斯诺，1959年），主要讨论自然科学和人文学科的断裂。斯诺的观点实际上已经被两个著名的欧洲哲学家A.N.怀特海和J.O.加塞特提出来了。这种断裂是严格的专门化教育必然导致的困境；累进式的狭隘知识分布在越来越小的学科领域，由此在知识体系内部，自然科学以及社会科学和人文学科，两个庞大的阵营的从业人员之间的紧张关系日渐增长。最近的“科学论战”的冲突事件正是源自于这种分裂（阿什曼与巴林格，2001年）。有趣的是，从信息的角度来看，我们可以在完全的字面意义上使用“硬”与“软”的分界。实际上，我们所讨论的，正是两种非常不同的存在方式。在一方面，硬的、刚性的、无生命的东西赋予了固定和永久的、自给自足的结构；另一方面，生命的，自适应的东西则总是在决策、自我生产和改变自身结构，其中存在着一个与载体相伴的信息和能量的连续变换。而这就是我们这个时代的重大悖论。“软”的对象，因为考虑到它的极端内部复杂性不可以用状态变量和公式形式来表达，也不可以用香农理论或玻尔兹曼理论的指标来描述，所以在传统上习惯地被“硬”的科学家们所忽视，但是今天它却已经成为宏大的科学革命的课题，比如基因组学，蛋白质组学，生物信息学，系统生物学等新的领域。我们戏剧性经历了的故事是，只是由于这种软的与硬的观点的相互融合，在理解和探索生物信息现象得过程中，我们才能获得现代的伟大进步。这项技术的进步，很可能将扩展到目前神经信息科学和系统神经科学的发展，也可能扩展到对社会信息和社会网络的信息的研究。因此，为什么我们不能设想，在所有这些新的领域中，存在关于信息过程的统一的理论思考？在这个意义上说，发展信息科学的新的努力，并没有从根本上同传统“信息科学”的专业实践区分或分离开来（这好像很奇怪。一方面它以“硬”的信息论为中心，另一方面它以“软”的知识论为中心）。反之，扩展的信息科学所需要的是联合，要在已被人为分割的科学传统之间建立一座桥梁。而这本教科书的多学科的内容，正是有关这座桥梁的活生生的例子。

第三，扩展的信息科学与其他基本学科之间的关系是什么？如果我们认为，宇宙信息和量子信息处理是处于信息相关探索中最活跃的地区；此外还有其他重要信息领域，如分子识别，生物信息，系统神经科学，社会信息，等等，一个以信息为中心的还原论的观点看起来几乎是不可避免的。信息科学好像是最基础的学科，甚至超过了精确的物理学。但是，不应该是这样。信息科学不仅促进主要学科之间建立非等级式的联系，也凸显出这些学科之间的相互作用，并且推动多学科知识系统在社会现象中的使用。从范式上看，知识的社会性创造是一种信息过程。不同的学科“处理”它们的特殊信息方式，创造出新的知识，并把它保存在文献记录中；与此同时，这些知识又被广泛地传播，以便它能被实际应用，并且与所有其他学科的要素结合而实现知识重组……。在那里，一切似乎都可以做信息分析。我们的确看到一个“集中的神经系统”的行动。从这个角度来看，现有科学方法本身的特点似乎是，一个问题解决者团体，为了满足该问题的分解在逻辑条件上的一致，他们的工作必须在时间上和空间上是分离的。然而，学科并不是孤立的领域，为着它们需要解决的问题，会不断地融合并重新编排其中的内容，产生一代又一代的内生学科（比如，信息物理学，物理化学，生物物理学，生物化学，生物能学，生物工程，社会物理学，社会生物学，心理社会学，神经精神病学，社会信息学等）。然而，在传统的科学哲学中，知识的重组几乎被忽视，尽管这种知识重组在当代科学技术的社会中大量的存在。据估计，在过去的30年中科学领域的数量增加了一倍：从70年代的3000个左右的学科和分学科，到现在的差不多7000个学科。事实上，科学已经成为一个庞大的系统，我们迫切需要新的理论观点，来说明社会如何创立、使用、并重组这样一个庞大的知识领域。信息科学应当有责任推进这些新的研究，这对于真正可持续基于知识的社会的成就，很可能将是至关重要的……。

事情就是这样。这本书本身就是一个理论概念化和社会实践的多学科融合的光辉榜样，它的中心正是围绕着我们所提倡和讨论的信息科学的主题。中国学生很幸运，能够运用这些新的思想，以自己特有的方式工作；确切地说，他们将不得不比传统的学科工作得更努力，但是却能得到完成任务和智力训练的机会，这是理所当然的。我对他们的良好祝愿是，毫无疑问，有些人将会在明天成为今天我们迫切需要的信息科学家！

佩德罗·迈里尤恩

信息科学家及信息科学基础理论的共同创始人

萨拉戈萨（西班牙），2010年6月。

参考书目：

【1】K.M.阿什曼＆P.S.巴林格（编辑）：《科学战争之后》。纽约：汝特里基，2001。

【2】M.康拉德：《进化，发展和智能中跨范围的信息处理》。载《生物系统》，1996（38），97-109。

【3】P.C.迈里尤恩：《第一次关于信息科学基础会议：从计算机和量子物理，到细胞，神经系统，和社会》。载《生物系统》，1996（38），87-96。

【4】G.C.斯卡罗特：《一类信息科学的公式：关于信息的自然属性的工程视角》。载《控制论和人类知识》，1998，5（4）7-17。

【5】C.P.斯洛：《两种文化与科学革命》。剑桥：剑桥大学出版社，1959（1998年编）。

序言3

信息高速公路上的七个坑洼：一种哲学的视野

马里奥·邦格

麦吉尔大学哲学系，加拿大蒙特利尔

众所周知，二战后兴起的信息革命极大地影响了工业生产，商业，日常生活和文化。事实上，信息与计算技术（ICT, Information and Computing Technology）已经改变了我们的生活，工作，思考，交往和竞争的方式。但是，这些转变的确切性质仍然是一个有争议的问题。这种不确定性主要来自理论信息学知识的缺乏。反过来，这种不足主要是由于比较年轻的理论信息学科还没有公认的、统一的论述。我们相信，《理论信息学导论》这本书将能填补这个空白，因为它从多个方面一般而详细地论述了信息和计算技术。

由于这本书是信息科学家和工程师的著作，我们可以理解，它采用了信息科学家共同体的立场来对待上述有争议的问题，而忽视了其中一些由专题文献所论述的问题。如果他们不相信这些问题，他们就不会积极而有效地在这些领域做多少工作。作为一个哲学家，我的责任是采取一种怀疑的态度，扮演一个难以操控的辩护士角色，希望能够节制地对待创新者们特别热心研究的问题。那么，让我对信息和计算技术投下可能引起偏见的一瞥。

作为一个哲学家，我所主要感兴趣的是信息和计算技术提出的以下问题：

1．计算机的能力和局限性是什么？

2．我们离科学研究实现自动化还有多远？

3．软件如何地不同于硬件？

4．信息熵和物理熵之间的联系是什么？

5．信息与能量有什么关系？

6．物质是由信息构成的吗？

7．当代社会在多大程度上具有信息社会的特点？

第一个问题，关于电脑的能力和局限性，有一个简单的答案：电脑能够完成任何构造良好的计算机程序所说明的任务。因此，如果没有程序，它就不能执行任务。于是，原来的问题就可以简化为：是否存在着不能够被程序性说明的任务？答案是：有的，对自发性和创造性任务不能进行编程。这样，它们只能存在于计算机所能做的事情之外。自发性任务不能进行编程，因为“程序自发性”本身是一个矛盾的术语。创造性任务也不能被编程，因为设计程序的目的是准确地解决那些用已知术语所表达的公式化的问题。而认知上的创新包括在未知的思想之中。换言之，不能设计出一种程序用来发现将要研究的问题，或者发明具有创新性质的思想。

第二个问题的答案，与科学研究实现自动化的可能性有关，实际上部分地包含在第一个问题的答案中了。实际上，科学研究的目的在于探索未知的知识。一个人可以而且必须规划关于未知的探索，这种规划可以用电脑辅助。但是，我们不能指望电脑可以完成如下的基本任务：陈述待研究的问题，选择处理该问题的方法，发明新的假设或实验设备，就它与先前知识的兼容性，它的原创性、可行性、或重要性等进行评估。人们肯定可以发明一种装置，用来探测新型的粒子或天体，办法是给观测设备安装一种警报器；每次探测对象出现时警报器总是被启动，而警报器对于其他任何情况都不会反应。人们也可以设计一个程序，来通过与已知数据的比较，评估一个新结果的真值和效率。但是，不能设计出程序用来发明新的设备或算法。人们甚至可以编程一个设备从数据找到实验规程，但相应的公式将只包含涉及具体数据的概念，比如位置，角度，速度，压力，温度，浓度，电流，电压和频率。问题中的公式将不包含高层次的概念，比如质量，动量，能量，熵，概率，不变性，演变，公正，或福祉。总之，信息和计算技术在科学研究的常规性例行阶段上是非常有用的，它也总是最耗时的工作，但是它并不能在研究工作的创造性阶段提供支持，就更不用说替代它了。

第三个问题涉及到的硬件与软件的区别。这种区别在心理上，技术上，和社会上都是很重要的。试想下列人们之间的不同倾向：电脑工程师，固体物理学与电子学领域的专家，熟悉图灵机和计算语言的软件工程师。但我主张，这种区别从本体论上看是肤浅的，因为一个软件就像一个硬件一样，是由物质材料做成的。以至于当我们购买一个软件的时候，我们得到的是诸如磁盘之类的物质对象，而不是一组非物质的思想。诚然，某物可以执行他物给它的“命令”而去做什么，但是它们两者都不能独自地去做任何事情：只有计算机-软件-用户的联合才是一个功能系统，也就是说，这个联合系统才能够有所作为。

物理学的熵和信息论的熵有什么关系呢？在我看来，它们表面上看起来相同，仅仅是因为它们共享一个在形式上相同的公式“H = - Σ p_i In p_i”。但是，它们所指称的对象有很大的不同：在第一种情况下它指热力学系统，而在第二种情况下它指的是消息。这就是物理学熵为什么不像信息论熵那样，而是法则性地涉及热量，温度，和其他物理特性。此外，热力学第二定律讨论一个封闭系统的物理学熵，而不是信息论熵。信息论熵涉及到跨越信息系统的通信，所有这一切都是开放的。

第五个问题涉及到信息和能量之间的关系。虽然信息理论不使用能量概念，但是通信工程却不能回避能量，因为它直接处理的是物质系统，而能量正是所有物质对象的共同特征。更确切地说，在通信过程中，信息流总是加载于电磁波之类的能量流。因此，信息不能够替代能量，这与流行观点的说法刚好相反。问题就在于，信息专家可以对通信频道的物质对象不大感兴趣：它可能是铜，玻璃纤维，或虚无缥缈的空间。但是，通信工程师却必须对物质材料感兴趣，否则他将不能够设计出任何通信系统的实际结构。总之，尽管信息理论忽视能量概念，但通信工程却必须同时使用能量和信息这两个概念。

问题六：“物质的东西（its）由信息的单元（bits）所构成”，这个说法对吗？一个肯定的答案说：它是通向物理学的信息理论途径的假设，是一种数字本体论的命题。这种奇怪的观点具有它自己的理由：物理的定律都可以被翻译成计算机程序。但是，这种理由并不充分，因为我们必须首先有一些物理学的法则，然后才能把它们数字化。还因为，物理学法则的对象是电子和星球那样的物质实体，而不是信息系统；信息系统是非常特殊的事物，是一些表征思想的信息载体，而非自然的实体。所谓的“物质的东西由信息的单元所构成”（its from bits）的想像很容易产生误解，它让人们回忆起一种“高论”：句子和文本之类的信息集合没有物理特性，只是物质实体才具有；即便有的物质实体恰好被用来编码或携带信息的时候，它也不具物理特性。简而言之，没有物质就没有信息，即使大多数物体都没有编码信息。声称物质是信息单位的聚集体，这是把真实的事物与关于它们的模型的一种合并，纯属“奇思妙想”。对于妄图使物质非物质化的唯心主义者而言，这是他们又一种失败的努力。

最后一个问题，关于我们已经进入了信息社会。这种观点的正当理由是，信息和计算技术已经改变了我们的生活，思考，工作和交流的方式。环顾四周，你会看到很多人在通过手机或短信谈话，他们太忙了，以至于不想浪费时间，去与对方直接谈话、诊察自己的生活，规划工作的日程。然而，这些情况主要发生在工业化都市的公共场所里：它不会发生在大多数的工厂和车间，也不出现在绝大多数人生活的第三世界的场所。通信总是与人文现象具有共同的空间，因为人类在本质上是喜好交际的。但是对于信息单位（bits），我们并没有像物质产品那样种植它，食用它，穿戴它，或敲击它。毫无疑问，如果所有的通信渠道突然间全部关闭，我们的日子会变得极为困难，但是社会生活不会停止。我们将继续使用能源，种植蔬菜，喂养婴儿，挤出牛奶，运输货物，来回度步，看书学习，练习演奏，从事教学，等等。信息渠道为我们提供了大量的美好事物，但作为一种“代价”，我们不得不共同面对全部的文化垃圾和它们所扩散的政治毒素。总之，现代社会仅仅在一定程度上与半个世纪前的社会有所不同。并且社会交往方面的发生的变化具有两面性：弱的联结（与陌生人和相识之间）变得更强，而强的联结（与亲戚和好朋友之间）却被削弱，因为温暖的面对面的互动正在被冰冷的屏幕到屏幕的通信所取代。

到此，讨论完了我所列出的信息高速公路上坑洼的清单。我想请读者自己决定：这些坑洼是否能够被填平？或者，如我所怀疑的那样，它们是无关紧要的？因为它们有点像信息产业的宣传广告和流行观点，而不是本书正文中所介绍的信息科学与技术。

第1章  绪  论

本章是全书的引言。同学在选课的时候，首先要问：我为什么要选这门课程？它对我有什么用途？作为老师来讲授这门课，首先也要介绍这门课的主要内容，说明它要解决什么问题，它对于社会、对于学生个人有什么功用，学生为什么应该选修这门课程，还要告诉学生怎样学习这门课程等等。简明扼要地回答这些问题，就是本章的任务。

§1.1  理论信息学的基本问题

理论信息学和应用信息学是整个信息科学的两个大的分支。它们的学科分工就像理论数学（基础数学）与应用数学、理论物理与应用物理、理论化学与应用化学那样，前者探索信息现象中的基本概念、原理和方法，后者解决社会生产、生活和学习中具体的信息处理问题。计算机系统、通信手段、控制设备是我们处理信息的主要工具，是构成工具信息学的主要技术的基本内容。由于工具信息技术的广泛应用，在几乎所有的领域中产生了关于特定信息处理的学问，即领域信息学，比如化学信息学、生物信息学、医学信息学等等。工具信息学和领域信息学这两门应用信息学先后发展起来之后，带动了理论信息学的建立和发展。理论信息学是对应用信息学知识的概括和提炼。

理论信息学作为一门独立的学科必然有它特定的研究对象，特殊的研究方法，以及为它所独有的研究结论，它对科学进步和社会发展能够起到其他学科所不能替代的作用。换言之，它所关注的基本问题与其他相关的学科是不同的。即是说，要么其他学科不关心这些问题，要么其他学科所关心的角度、范围和层面是不同的。比如，信息现象中的动力学问题，或信息能量的问题，没有其他学科提出和讨论它。在一定的意义上，人工智能学科研究机器智能，是对人类智能的模拟。人工智能是信息能的一种，但不是全部。它没有上升到一般的信息处理和信息创生机理的层次上认识问题，主要是在技术、工具和应用的层次上进行研究。还比如，几乎所有的社会成员都关心国家大事、谈论信息问题，但是人们对信息问题的关注所采取的视角都具有特定的领域性或层次性。所谓领域性就是研究者针对的问题总是发生在某个具体的信息领域，比如工业自动化，医疗信息化，国防信息化，金融信息化，等等。所谓层次性是指研究者的活动，要么在具体学科之中，比如计算机信息、生物遗传学信息；要么在一般的科学意义上，比如理论信息学；要么在更为抽象的哲学层次上，如关于信息的哲学思考或信息哲学。

所谓理论信息学对某个问题的“关心”，是在全部应用信息学的基础之上，以信息哲学为指导，在一般的科学意义上展开讨论。这种讨论既具体又抽象。说它具体，是因为它对工具信息学和领域信息学的实际模型进行思考，看得见、摸得着。说它抽象，是因为它的概念、原理与方法必须“一般化”，以便在每一个应用信息学的学科中能够通用。下面，我们从理论信息学特定的视角来观察和分析它的四个基本问题。

1．1．1  物质与信息

物质与信息的关系问题是一个古老的命题。只不过几千年来，它以一些特殊的形式被表达出来，比如，肉体和灵魂，物质和精神，存在和意识的关系问题等。任何学过哲学课程的同学都能背诵：世界是物质的，物质是运动的；物质第一性，精神第二性；精神是特殊物质，即大脑的功能；物质决定精神，精神对物质具有反作用；等等。这些理论是不错的。但是，它们具有一定的片面性。这种片面性的根源来自前苏联的《联共布党史》第四章第二节的经典论述，来自于我国翻译出版的前苏联科学院哲学研究所在1957年出版的《马克思主义哲学原理》^[1]。半个世纪过去了，人类由工业社会步入了信息社会，我国哲学社会科学研究者们的成果早已修改了历史上的“标准答案”，推陈出新，与时俱进了，而教科书却基本上在念“老黄历”。它已经与信息社会中的科学、技术相抵触了。理论信息学的探讨，在哲学信息观上是从批评和补充传统答案开始的。

在我们认为带有封建迷信色彩的某些说法中有一定的科学性。比如，一个人突然间失去意识，“灵魂出窍”了；或者一个昏迷的人突然间“灵魂附体”，清醒过来了。试想，这同计算机的操作系统突然失灵，整个系统变得瘫痪，然后系统加载、重装微软公司的视窗操作系统Windows，计算机又完好如初，十分类似。实际上，古代的人们就抓住了人类生命信息的某些特征，只是没有用信息科学的术语和原理加以表达。还比如，我们说革命先烈的“精神”可以与世长存，永垂不朽，这与我们把计算机软件在机器上拷来拷去，常拷常新，一点儿也不会用旧，在本质上表达的是同一个道理。我们还能看到，有的复印机生产的复印件比原件更清晰、更漂亮。在人才市场上，真正起作用的并不是人们的肌肉和骨胳的力量，而是知识和智慧的力量。同一个小伙子在身体条件基本没有变化的条件下，先后取得高中毕业文凭、学士学位、硕士学位、博士学位，甚至到发达国家的著名大学做了几年博士后研究，他的工资待遇（人才市场上的“销售价格”）就会直线上升。这时候，我们还在背诵“物质第一性，意识第二性；物质决定精神，精神反作用于物质”，岂不是有些滑稽？

我们如何参考神学猜想、哲学思辩的命题，在应用信息学的基础上，提出一般科学意义上的物质和精神关系的学说呢？在本书中，读者将会看到，精神现象是人类特有的生命信息现象，而生命信息与非生命信息之间有本质上的一致性。否则，由冰冷的金属结构所构成的计算机怎么可能帮助人脑存储数据，分析处理，作出决策呢？IBM计算机“深蓝”（Deep Blue）如何能同人类顶尖棋手卡斯帕诺夫对弈，并战而胜之^[2]呢？对于任何生命系统或仿生系统，其信息子系统都起着调节、控制和决定的作用。一个政党，思想路线正确了，没有枪可以有枪，没有打过仗可以打胜仗，没有政权可以取得政权。相反，在有的社会主义国家中，执政党由于思想路线严重错误，就失去政权、失去军队、失去人心、失去工作，集体“下岗”了。从维纳1947年提出“信息不是物质”的命题开始，信息作为一个哲学范畴、科学术语以及人们日常工作、生活、学习中的“口头禅”，日益深入人心、家喻户晓。可是，我们对它的认识还十分肤浅。要不然，为什么在半个多世纪中信息科学界关于“信息”竟然拿不出一个令人满意的“科学定义”来？在本书中，第5章将在理论信息学的视野中，专门讨论信息及其定义的问题。

到底是物质决定信息，还是信息决定物质？一位科学哲学家说，这个问题不大容易给出一个是或否的回答，或者给出一个非此即彼的答案；它就像“鸡生蛋、蛋生鸡，哪个在先”的问题一样。我们大致上可以说，两种情况都有。物质和信息相互依赖、互相促进；在进化的过程中，它们相辅相成、相得益彰。

1．1．2  物理学能量与信息学能量

自维纳提出信息不是物质，也不是能量之后，一些学者把信息说成是构成宇宙的第三个要素，于是“开发物质、能量、信息三大资源”的说法为全社会广泛接受。有的学者对此进行理论上的解说：宇宙万物皆由物质构成形体、能量引起运动，信息实行控制。既然信息不是物质，那么事物的运动就分为物质运动和信息运动两个方面，那么这两个方面运动的推动力都可以归结为物理学的能量吗？在第5章，我们将清楚地看到，信息是信号和符号的含义，是一种抽象的、逻辑的存在；在第10章，我们将进一步了解到，信息不守恒，而且DNA和人类文化呈增长的趋势。那么信息复制和创生的动力，是物理学的力量，还是另外的一种抽象的、逻辑的力量呢？

本书在第6章明确提出“信息能”的概念，把推动事物运动、变化的能量分为物质能和信息能两种；指出信息能是管理和调节物质能的一种能量，信息能是在物质、物理学的能量、信息之后的第四个要素，提出宇宙构成要素“四元论”的观点。计算机软件工程师把他们开发的程序称之为“数据搜索引擎”，在计算机专家系统的结构中专门设有信息能驱动的“知识推理机”。机器人总是由硬件系统和软件系统组成。机器人的听、看、说、做等是软件系统决定的。如果不启动软件系统，即使它自带电源，却不会有任何动作。一个人饱读诗书，满腹经伦，而不会应用，不能解决实际问题，可能一事无成。这些事实说明，对于信息的演变和创生，光有物理学的能量是不够的，还要程序（算法）的力量；光有信息（知识）也是不够的，还要有运用知识的力量。正如在物理学中有物质的质量和能量相互转换的公式一样，在信息学中有信息和信息能相互转换的公式。在人类社会中，则是知识和智能之间的相互转换。

知识和智能之间，既有联系又有区别。对于一个学生，学习的目的当然是掌握较多的知识，但是更为重要的是运用所学知识，提高分析问题和解决问题的能力。死记硬背的学生常常能在考试中得到比较好的分数，但是一进入到社会就显现出高分低能的情况。知识非常丰富的人，并不一定就是处理问题能力非常强的人。一个人体力很强显然不等于脑力也很强。有时说某人“四肢发达，头脑简单”，就是这种意思。一个单位引进人才，不是引进他那100多斤的块头，而是引进他头脑中的知识及创新能力。他头脑中已有的知识固然重要，但更为重要的是他的“智能”，是他运用已有的知识和条件继续创新的能力。所以，与开发信息资源相比，开发智能资源更为重要。无论一个人，一个单位，一个民族，还是一个国家，都应当把开发智能资源放在最为重要的地位。

按照人类对宇宙构成要素一元、二元、三元、四元的认识逐渐深入的程度，以科学知识的水平为标准，可以把人类社会的发展分为五个历史时期：

（1）科学史前时期：公元16世纪中叶以前。人类处于原始社会、奴隶社会和封建社会之中，社会的组织结构不断改变，但是人类关于自然的认识非常浅薄，原始的自然观和原始的宗教支配着人们的思想和行为，科学处于萌芽状态，它孕育在原始的生产技术当中。

（2）物质科学时期：自16世纪中叶至19世纪中叶，历时300年。物质科学伴随欧洲资本主义生产关系从封建社会内部逐渐形成和发展而兴起。在当时先进生产力的推动下，真正的以实验科学面貌出现的物质科学出现在科学的历史舞台上。到17世纪末、18世纪初，产生和建立了较为完整的经典力学体系，而且初步确立了生理学和化学。又可以称这个时期为“经典科学”时期。

（3）能量科学时期：自19世纪中叶到20世纪中叶，历时100年。19世纪中叶，能量守恒与转化定律发展成了一个严密的知识体系，继牛顿之后完成了物理学的又一次大的综合，从能量的角度把机械力学、热力学、光学、电磁学、声学等联系为一个有机的整体，它也是整个自然科学的基石。能量科学的建立推动物理学走向成熟。这个时期又可以称为“近代科学”时期。

（4）信息科学时期：自20世纪中叶到21世纪初，历时50年。在1946-1948两三年内，冯诺伊曼、香农和维纳分别提出计算机模型、通信模型和控制模型，工具信息学技术得到迅速发展，并且逐步影响到整个社会生产和生活的所有领域，催生了一大批领域信息技术的繁荣，形成信息市场、信息产业、信息经济、信息时代。这个时期又可以称之为“现代科学”时期。

（5）智能科学时期：自20世纪末、21世纪初开始。随着人们将智能的概念泛化为一般的信息处理能力，提出抽象的、逻辑的信息能的概念，并提出宇宙构成要素四元论的观念，智能科学成为科学研究的一个热点。如果说物理学在本质上是能量科学的话，信息学则是一门关于智能的科学。关于智能转化和创生的理论需要建立和完善。这个时期又可以称之为“当代科学”时期。

关于宇宙构成要素一元论至四元论的发展过程，本书第6章有较为详细的论述；关于信息能与物质能的统一与进化，在第7章中介绍。

1．1．3  物质过程与信息过程，物理学规律与信息学规律

任何事物都是物质和信息的统一，任何事物的演变过程都既是物质的过程也是信息的过程，其中既有物理学的规律又有信息学的规律。有时候，我们专注于事物的物质特性，便说它是物质；当我们撇开其物质特性的时候，又可以说它是信息。比如，新闻记者采访中需要收集信息，但是他所收集到的东西都是信息的载体，是物质的，比如资料、照片、录音带、录像带等等，信息就被这些载体负荷着。还比如计算机系统，它是物质的系统，也可以说它是信息系统。计算机的工作过程既是物质的过程，也是信息的过程。这两种过程是联系在一起，不可分割的。但是，我们也要清醒地看到：物质过程和信息过程所遵循的规律是不一样的。比如计算机，它的硬件系统由电子工程师维护，而它的软件系统由算法和程序设计专家负责。

一般地说，学生读书主要是一个信息过程，不是物质的过程，尽管在阅读、背颂、记忆、作业、讨论、应试中也伴随着生理的、化学的与物理的过程。如果说物理学研究的是物质运动的规律，那么信息学研究的是信息运动的规律。通信信息学研究信息传输的规律，计算机信息学研究数值计算、数据处理和知识推理的规律，控制理论研究实现信号控制和符号控制的规律。各门领域信息学则运用工具信息学的技术和工具，去研究特定领域中信息过程的规律，比如医学信息学研究发生在医学领域中的信息处理过程，有核磁共振、计算机人体断层扫描等特殊技术与工具。

信息过程与物质过程联系在一起，既相互支持又相互影响。比如，一个人学骑自行车就是实现物质过程与信息过程的相互配合。从动力学角度考虑，在物理学的意义上，人靠手臂的力量掌握自行车的龙头以决定前进的方向，靠腿部的力量驱动踏脚板旋转，自行车克服地面摩擦力而前进。但是，在信息学的意义上，这一切都在人脑的控制下进行。一个人学骑自行车主要不是因为四肢的肌肉不足，要通过骑车训练；而是心力和脑力不足，通过训练手臂的配合能力以及根据具体的路面和周围来往行人、车辆以决定自行车的启动和刹车，加速和减速，躲闪和绕道的能力，尽可能快速而方便地到达目的地。所以，学骑车的过程中真正获得提高的是信息处理的能力，即信息能，而不是四肢肌肉的能力，即物质能。物质的能力在学骑车之前就已经具备了，信息的能力是在骑车过程中，特别是在摔跤过程中吸取教训，不断总结，才能提高。有的人在学骑车的过程中因为摔了一跤，就再也不学了，以至于总是不能具备骑车的本领。

那么，一般地说，信息学有些什么普遍的规律性呢？本书在第10章中予以介绍。在理论信息学的视野中，信息运动有三个最基本的规律：信息不守恒，信息能与时俱增，信息量增长没有上限。

1．1．4  物理学方法与信息学方法

一般地说，任何科学研究都必须遵循共同的方法学，这就是经验的方法和理性的方法。所谓经验的方法就是观察的和实验的方法，而理性的方法则是抽象的和逻辑的方法。因为认识事物必须接触事物、了解事物，否则认识无从谈起，所以必须采用经验的方法^[3]。但是人的感觉常常并不能直接地、立即地把握事物的规律性，必须通过思索，对感觉材料进行加工、处理，才能抓住本质，否则认识就会停留在事物的表面现象上，所以科学研究需要理性的方法。但是，物理学和信息学所研究的对象具有完全不同的特征，它们在运用经验方法和理性方法时的侧重点不同，所采用的具体方式也不相同。

物理学研究的对象是物质。物质的特征具有实物特性和空间特性。在日常生活中，人们每时每刻都在观察，运用视觉、触觉、嗅觉、味觉来看、触、嗅、尝。物理学的观察是科学的观察，是人们在自然发生的条件下，通过自身感官或借助于科学仪器，有目的有计划地考察研究对象，从而获得有关被观察事物的主观映象的一种科学方法^[4]。“自然发生的条件”是指不人为地干预、改变和控制的自然现象。观察方法是天文学研究的主要方法，通过对天体的位置、分布、运动、结构等因素的观察来进行研究。地质学，矿物学，生物分类学等学科领域的常用方法也是观察^[5]。科学观察，可以直接导致重大发现。比如，达尔文以博物学家的身份乘“贝格尔号”军舰进行了为期五年的环球航行，从欧洲到南美洲、澳洲、亚洲，对各地的动物、植物和地质构造进行了观察研究，提出了以“自然选择、优胜劣汰”为核心的生物进化理论，第一次把生物学放到了科学的基础上^[6]。有人通过计算确定了一颗未知行星的轨道，加勒通过观察在预计的天空位置上发现海王星，从而证实了300年前哥白尼的学说。

在物质科学研究中的观察结果只是局限于描述自然事物的现象层面，所以仅仅靠科学观察来获取经验材料是不够的，还必须通过科学实验来揭示自然事物的本质。科学实验的方法是人们根据一定的科学研究目的，运用一定的物质手段（科学仪器和设备），人为地控制和变革客观事物和过程，暴露它们在自然条件下无法显露的特征，以便深入地研究自然界的一种方法。观察方法是在“自然发生的条件”下进行的，而通过科学实验人们可以干预研究对象，创设特殊条件来揭示客观事物本质的活动。比如，对于直接观察不到的现象，人们可以借助仪器通过科学实验去发现；对于瞬间即逝或缓慢变化的自然现象，利用模拟手段可以重现或加速，使之成为现实的研究对象；对于自然界还没有出现的东西，可以通过人工创造，使它呈现在我们面前；等等。这样，科学实验的方法具有简化、纯化和强化研究对象的作用，具有加速或延缓研究对象变化过程的作用，成为物质科学，特别是物理学的主要的研究方法^[7]。

与物质科学的观察和实验方法相比，信息科学的观察和实验则完全是另外一回事了。尽管信息的载体是物质的，一样可以观察和实验，但是信息是信号和符号的含义，是抽象的和逻辑的存在，严格地说信息是不可以直接观察的，也不能用物理学的方法来进行实验。比如，在计算机和我们大脑中存储的论文、图片、画像、声音都不能直接观察。某人的行为动机不可以直接观察，我们可以直接观察的只是他的行动。但是，仅仅通过对行动的观察能判断其动机吗？一个人可以设法掩盖他的真实动机，以相反的行动表示出来。在两军对垒的时候需要“兵不厌诈”，迷惑敌人，引导敌人犯错误。心理学家和社会学家不能够像物理学家那样，根据一定的研究目的，运用一定的物质手段（科学仪器和设备），人为地控制和变革人类活动和社会进程，暴露人们在自然条件下无法显露的特征。不要说成人，就是小孩子，当发现有人在注意他的时候，甚至拿他作为“实验对象”的时候，他所显露出来的特征，就完全的不自然了。

还有，既然信息不是物质载体本身，而只有载体才能够用物理学的方法进行度量、用数学公式描述其运动规律，那么信息作为信号和符号的含义，我们研究纯粹的信息，就不能直接量化，并用数学公式加以描述。比如，在计算机系统中，对于硬件设计可以用数理解析的方法进行，但是软件的设计则必须用另外一套方法进行。我们绝对不可能用一个代数方程组或微分方程组把微软公司的Windows程序表达出来，然后给一个时间T和一个输入数据的量值就可以根据公式求出结果。所以，要求信息科学的研究向物理学看齐，把量化、重复实验、公式描述和准确预见的方法学作为“标准”强加于信息科学，是错误的。其实，就是在物质科学体系内，也不是“一刀切”的。比如，气象学是“不容怀疑的科学”，但是气象预报与经验事实的误差常常高达20%。某些自然过程，如宇宙大爆炸、太阳系的演化，地质的变迁，是不可能重复的，更没有办法做实验。量子力学的成果表明，对于微观粒子如电子的运动，我们只能求出概率性的分布函数，而不能准确地确定其轨道，这就是所谓的测不准关系。关于人文社会科学研究，朱红文在《社会科学方法》中说：“一个错误的理论如果披上华丽的数学外衣，虽能迷惑人于一时，但只能离真理更远。要把各种复杂的社会历史问题都进行准确的定量描述既无可能也无必要。人类的知识活动形态是多种多样的，而自然科学只不过是其中的一种形态。如果无论什么都想以数理解析方法来解决，那可是相当无聊了^[8]。”

值得特别注意的是，主张把数量化、公式化作为标准科学方法的学者中，常常以革命导师马克思的一段话作为“尚方宝剑”：一种科学只有成功地运用数学形式时，才算达到了真正完善的地步。这些人的本本主义的思想方法堪称一绝。在马克思的时代，物质科学都没有完善地建立起来，信息科学是一个半世纪以后的事情。马克思所用的“科学”一词当然地指物质科学（至今，人们还常常把科学作为自然科学的代名词），而不指人文社会科学，更不是预指今天的信息科学。马克思本人在资本论的写作中确实在一定程度上运用了数学方法，但是他所创立的整个马克思主义理论体系是以“数学形式”表达的吗？我们可以学着爱因斯坦，做个虚拟的“理想实验”：马克思本人正在用笔记本电脑撰写他的《1844年经济学-哲学手稿》，突然间他的一个手机响，来了一则短消息询问：“一门科学达不到数学形式化的程度，就没有完善吗？”可以猜想：他一定像讨厌假马克思主义者而曾经说过“我不是马克思主义者”那样，因为反感误用他的“语录”而回答说“我不是马克思。”

那么，信息科学的方法是什么呢？本书在第3章介绍计算机科学、通信理论和控制理论等工具信息学及其应用的基础上，在第11章中较为细致地讨论“理论信息学的方法论”问题。

§1．2  为什么要学习理论信息学

1．2．1  国家信息化与行业信息化的要求

以计算机为核心的信息技术是人类历史上发展最为迅速、对社会进步影响最大的一门技术。电力技术把人类社会带进了电气化的时代，计算机技术则把人类社会带进了一个信息化的时代。以机械技术为基础的电力技术所辅助和替代的是人们的体力劳动，而以微电子技术为基础的计算机技术所要辅助和替代的是人们的脑力劳动。一旦人们从简单、机械式的脑力劳动中解放出来，把时间、精力用来从事复杂的、创造性的脑力劳动，那么文化科学知识爆炸式增长的速度更快，各行各业的信息化和整个国家的信息化进程会大大加快^[9，10]。

大学是我们国家劳动后备军的培养基地。大学生毕业后，无论立即就业，还是先进入硕士、博士学位的学习，然后再就业，他们迟早都会加入到行业信息化和国家信息化的劳动队伍中来。同学们在校期间必须接受两种信息化的教育。其一，是工具信息化；其二，是观念信息化。工具信息化教育让学生掌握实际的信息处理技术，毕业后能够具体地完成所在领域和行业的信息作业。观念信息化教育让学生具备信息化的世界观和方法论，毕业后能够对所在领域和行业的信息过程进行科学的分析和设计。学生们通过学习计算机、通信、控制等课程掌握工具信息化的知识，而通过理论信息学的课程熟悉观念信息化的概念、原理与方法。

1．2．2  “学科信息化”的要求

学科信息化是苗东升提出来的一个概念。邬焜的一个类似的提法为“科学的信息科学化”。信息科学对其他学科的冲击和影响主要表现在以下三个层面：（1）从“XX学”到“信息XX学”，比如从“经济学”到“信息经济学”；（2）从“XX学”到“XX信息学”，比如从“生物学”到“生物信息学”；（3）信息科学本身的发展^[11]。

一般地说，学科的信息化主要包括三个步骤。以医学为例，信息化过程是：（1）使用计算机进行医学信息处理，开展计算机医学应用研究，用计算机系统改造医学领域原有的手工的和机械的信息处理方式，实现电子化、自动化和智能化；（2）在关于医学领域传统的生理病理过程研究成果的基础上，深入认识其伴随着的信息过程，揭示医学领域信息现象特有的规律性，建立“医学信息学”；（3）联络其他学科领域的信息学，在跨学科的交叉与合作研究中，透过种种信息过程的特殊性，找出其共有的一般特性和运动规律，建构一般信息理论，并以此为基础，把医学信息学推向完整和成熟的阶段，确立医学信息学在整个信息科学体系中的地位。

每一个大学生进入社会之后，必然会遇到所在学科的信息化问题。如果他工作在高等院校和科研院所，那么如何使他所在的学科信息化则是他从事教学和研究的主要任务之一。在本书中，我们将会看到，物理、化学、生物、天文、地理这些传统的物质科学学科正在信息化，研究者门正在建立和发展信息物理学、信息化学等信息物质科学。另一方面，在快速发展的工具信息学的带动下，领域信息学的发展突飞猛进，比如生物信息学、医学信息学等学科的技术和产品占领越来越大的市场份额，反过来推动各门学科加速进步。在这种情况下，熟悉和掌握信息化工具与观念是十分必要的。

1．2．3  学习和生活的要求

2005年12月12日，本书一名编委用“大学生自杀”作为主题词在“中国学术期刊网”上检索，查到学术杂志上发表的124篇论文^{[12，13，14]}。以“大学生自杀”作为检索词，在“百度”网上搜索，在0.001秒内找到相关网页2 030 000篇。其中，最引人注目的是《复旦大学才女从留学生楼23层高楼跳下自杀身亡》。复旦大学留学生楼一女生坠楼事件发生在“预防自杀日”(9月10日）的前两天，坠楼身亡的是该校的一名女研究生。目击者称，该女子从留学生宿舍楼的23层楼坠落至二楼延伸的平台上，当场身亡。据了解，坠楼女子并非留学生，而是复旦2001级某系研究生杨某，今年25岁。

据其大学本科同学讲，杨某是当年该系唯一一名考上本系研究生的同学，本科期间成绩也相当优秀。与杨某同读研究生的同学告诉记者，在读研期间杨某与老同学仍保持联系，但平时性格较为内向。对于此前有媒体报道的“坠楼者可能是因为感情原因自杀”的说法，一名不愿透露姓名的复旦学生表示这一说法并不准确，称坠楼女子与其男友关系不错。一名曾于上个月见过杨某的原复旦学生表示，当时正在实习的杨某并没什么不对劲的地方，还向已经跨入工作岗位的同学请教实习中遇到的一些问题。

在杨某自杀2天后的日子，正是世界第一个“预防自杀日”。国外从19世纪开始真正把自杀作为社会现象和病理现象进行研究。目前每年全球约有100万人自杀。日本超过3万。台湾在2000人以上。在我国，对自杀现象的研究曾一度成为禁区。一向保密的中国自杀率先后由国家统计局在《中国社会统计资料》和世界卫生组织卫生统计年报上发表。1991年7月1日，南京危机干预服务中心成立，这是全国首家危机干预中心。各地危机干预中心也开始发展、建设。1992年12月在南京召开第一届全国自杀预防和危机干预讨论会。1994年，中国心理卫生协会危机干预专业委员会的成立，正式放开对这一科研领域的研究，有关调查研究还得到了政府的认可和资助。来自我国卫生部门的消息称，每年约有28.7万人自杀死亡，除此之外还有约200万名自杀未遂者，自杀已成为我国人群中排名第5位的死因。据了解，上海市心理咨询中心的咨询热线，几乎每天都会接到有自杀倾向的人拨打的咨询电话，他们都存在着或多或少的情绪抑郁问题。各高校对心理咨询的试点是在1990年前后，在20世纪90年代得到快速的发展。目前几乎每一个高校都有心理咨询老师，较大的院校甚至有独立的心理咨询机构。在这些年积累了一定的经验，这些都有利于大学生的危机干预。一位不愿透露姓名的教育界人士告诉四川新闻网记者，据说去年在四川地区的高校里，就有将近10名大学生自杀成功。而更早在1999年，北京师范大学纪宏教授在1378名大学新生中做过的一份调查结果显示，偶尔有自杀想法的学生占调查总人数的25%，经常有此想法的占7%。

试想，一名学生经常产生“自杀”念头，他要作出是否自杀的判断以及如何自杀的选择和设计，还可能学好各门功课吗？或者，他或她偶尔有自杀的想法，那么对生活显然了无兴趣，哪还有读书的动力？即使从来没有想到过死，但是在学习和生活中感到不顺，情绪低落，斗志乏力的同学至少占到50%左右。我们在教学班上让学生自由讨论，大家估计：目标明确、方法得当、富于进取、成绩明显的同学只在25%左右。这足以说明，学校的首要任务不是改善伙食、讲授知识，而是关爱学生的心灵，帮助他们胜任愉快、积极向上。放大来看，整个社会的和谐首先是心灵的和谐，它是行为和谐的前提条件。在科学家队伍中，英年自尽的为数不少。计算科学理论的奠基人图灵，24岁发表他的成名之作，二战中破译德军密码有功，被授予国家勋章，42岁就服毒身亡。所以，接受“一个人有两条生命”的观点，特别关爱“信息生命”的活力，充分发挥“物质生命”的潜力，是每一个学生和社会成员都必须特别注意的。学习理论信息学，首先要受惠在自己的信息生命。

1．2．4  革新世界观、人生观的要求

在许多人看来，一讲到世界观、人生观，就会觉得那是哲学问题、理论问题，与我们的日常学习、生活和工作没有关系。其实，这是一种误解。所谓“世界”，就是指“自然界和人类社会的一切事物的总和。”而“世界观”是“人们对世界的总的根本的看法。由于人们的社会地位不同，观察问题的角度不同，形成不同的世界观。”世界观也叫“宇宙观”。我们每一个人对所处的“世界”都有一个基本的看法。哲学家、理论工作者当然可以有他们对世界的看法，我们一般社会成员对世界也可以有自己的看法。

但是，我们形成对世界的看法之前，并不需要甚至也不可能对整个宇宙，对所处的地球，对整个社会的各个方面，都有全面的了解和仔细的观察。人们常常只能根据自己所处的环境，在自己力所能及的认识范围内，确定自己对世界的看法。就是专业的科学家、哲学家，也很难说他们对整个宇宙、整个地球、整个社会有足够充分的了解。严格地讲，这种人就没有。因为，现代文化科学知识体系划分很细，过去古希腊学者中那种上知天文、下知地理、还知道人间一切的学者不可能再有了。就像一个医生，由于现在专业分科很细，如果他说什么病都可以看，那么他肯定不会样样都精通。所以，必须承认各人都是根据他自己所处的环境、所接触的“世界”来决定他对世界、对人生的看法。

所谓“人生”是人的生存和生活。这是我们观察、认识世界的主要内容。“人生观”是“对人生的看法，也就是对于人类生存的目的、价值和意义的看法”。所谓“价值”，是人生观和世界观决定的。价值观是人们对各种事物和现象的价值进行认识和评价时所持有的基本观点，是个体将客观事物内化为个人行为的过程。而在价值观体系中，占主导地位的是“人生价值观”，它是人们对自身的社会地位、人生目的、意义以及个人与社会集体、人与人之间的关系等进行认识和评价时所持有的基本观念，决定着人生总的价值目标。它主要形成于青年中期，即大学阶段。这时人们的主体意识增强，他们对自己所学习的专业和所担任的工作，其性质和任务都已较确定，能够积极主动地对自我和客观事物做出价值判断和选择，但由于其辩证思维能力和社会实践经验的不足，又往往使他们的价值判断和评价具有局限性，并且较容易受到社会不良价值观的影响。

那么，当代大学生的人生价值观具有什么样的特点呢？

（1）关于“人生目标”。它是人们思考、确定并追求对人生具有重要意义的目标。它涉及“人为什么而活着”的问题，也是人生观的核心问题。由于每一个人的思想水平、社会地位、所处环境不同，对人生价值目标的追求也就不同。当代大学生大多生长在改革开放年代中，对改革开放有许多亲身经历和深刻感受，亲眼看到我国综合国力的日益提高，社会生产力的巨大发展和人民生活的不断改善，他们拥护党的领导，对建设有中国特色社会主义有信心。不少大学生在政治上积极要求进步，同时他们努力学习，希望以后能为社会作贡献，认识到个人价值不仅包括社会对个人的尊重和满足，而且包括个人对社会的责任与贡献。调查显示，认为“社会利益高于个人利益”赞成者占52、3%，但也有不少大学生则注重个人价值的实现。调查显示，认为人生目标在于“对社会既要作贡献，又要为自我目标的实现而奋斗”的学生达55、4%，赞成“在作贡献的同时能得到个人实惠”的学生达56、1%，而认为“金钱不是万能的，但是没有金钱则是万万不能的”的学生则占79、8%。这表明当代大学生的人生目标已经由集体本位向个人本位偏移，由单极目标向多极化发展，有实用主义和功利化的倾向。

（2）关于“人生手段”。它是人们为达到一定的人生价值目标而采取的途经和方法。为了实现人生价值目标，人们需要采取多种手段，不同的手段，其性质、效果也就可能不同。在市场经济条件下，价值规律的作用要求等价交换，优胜劣汰，因而竞争机制引入了人们生活的各个方面，激发了人们的参与意识与竞争意识。作为天之骄子的大学生们，自然也就渴望学到更多的知识和本领，参与公平竞争，力求在竞争中取胜。调查显示，赞成“成功 = 自己努力 + 天时地利 + 机遇”的学生占70、6%。但是也有少数学生受不良思想的影响，认为竞争就是不择手段，是权钱交易，如有15、2%的学生认为“成功 = 后台 + 投机”。这就表明当代大学生在人生手段上的多样性和差异性。

（3）关于“人生评价”。它是人们根据一定的价值标准，对人生有无价值和价值大小所作出的判断。人们在社会生活中，总会根据一定的价值标准，对人生和社会行为的价值进行评价，并由此产生值得不值得、幸福不幸福的价值感和意义感。调查表明，大多数学生是积极进取、乐观向上的，面对挫折，有一定的应对能力。有专家曾用21个描绘不同人生评价的词汇，让学生根据自己的亲身体验排序作出选择，结果表明排列前三位的是自信乐观、心平气和和充满理想，当然也有一部分学生选择焦虑忧郁和与世无争等，这也就表明了大学生的人生评价状况具有复杂性和多样性。

（4）影响大学生人生观形成的因素。从发生学的意义分析，价值观的形成有两个直接的客观前提：需要和自我意识需要。就每个大学生来说，人生价值观念首先来自社会。市场经济犹如一把双刃剑，一方面推动了我国经济的发展，培养了人们自立、自强的精神，强化了人们的竞争意识。另一方面却使人们在利益面前丧失理性，少数社会成员经不起金钱的诱惑腐化堕落，给国家造成了巨大损失，对大学生正确人生观的树立也带来了负面影响，从某种程度上动摇了他们的理想信念，强化了一些大学生当官发财的理想。从其自身来看，现在的大学生大多是独生子女，家庭条件优越，被父母当作小皇帝宠着，许多父母把他们看作自己理想实现的延续，这样在中学以及以前的教育过程中学习和升学是其主要目的，其他的社会活动一律免谈，这就使他们在人生价值观上存在种种弱点，如只求索取、不讲奉献、贪图享受、急功近利、好逸恶劳等^[18]。

如果说人脑是信息生命系统的硬件核心，那么一个人的世界观和人生观则是他信息生命的软件核心。不断更新信息生命软件的“版本”，是大学生和其他社会成员做到与时俱进的一个必要前提。

§1．3  怎么样学习和应用理论信息学

1．3．1  准备一个开放的、乐观的学术心态

理论信息学来自于对应用信息学的概括和归纳，它的技术资料和知识背景当然是具体的。但是，理论信息学具有高度的抽象性，这样才可能具有应用的普遍性。比如，在传统意义上，按照《现代汉语词典》的说法，智能指人们认识和改造世界的能力。在人类社会的层面上，“智能”的概念具有当然的合理性，没有人反对。在计算机系统中“人工智能”的概念也能被技术界和工程界广泛接受，但是在其他领域中却有许多人不接受。在他们看来，人是活的，有血有肉，计算机是死的，一堆铁，怎么会有“智能”呢？同样的问题是：动物有智能吗？植物，微生物、细菌、病毒有智能吗？“自私的基因”具有良好的适应环境和调整自身的能力，有办法谋求生存和发展，它们好像是有记忆、能学习，也挺“聪明”的。但是，能说它们有智能吗？在超分子化学中，正在建立信息化学和信息物质科学的一批学者说，超分子反应中就有智能行为。在建立物理信息学的一批专家中主张宇宙间的一切都是信息。既然有信息，就存在信息处理能力，就有某种程度和意义上的“智能”。这岂不是说，宇宙万物都有智能了？那么，智能的本质是什么？信息复制、变化、创生的机理是什么？为了展开对这类问题的深入讨论，我们需要引入新的概念----信息能。信息能是在人类社会、整个生物界、人造系统、非生命的自然界中普遍存在着的一般的信息处理的能力。相应地，在物理学意义上所说的“能量”实质上只是“物质能”。

正如知识与智能密切相关但知识并不等于智能一样，信息与信息能也密切相关但并不是一回事，二者不能相互代替。这样，我们在说开发物质、能量、信息三大资源的时候，就感觉到好像缺了什么。因为，物质的质量和能量可以互相转换，人类知识和智能可以互相转换，一般地说，信息和信息能也是可以互相转换的。这里好象有一个对称破缺。如果补充三种资源的空缺，我们就可以说，世界上的资源应当有四个：物质，物质能；信息，信息能。这就是宇宙构成要素“四元论”^[19]。为了照顾已经习惯了的、说顺口了的术语，我们把信息能用广义的智能（简称为智能）来代替，于是四元要素可以表述为：物质、能量；信息、智能。这样，四元论有了两种表述（在下文中，我们不加区别地使用它们）。第一种表述，概念的科学性更好，但比较拗口；第二种表述，说起来很顺，但是容易误会。因为有人会问：智能是宇宙的基本要素，岂不是说宇宙之初就有智能，宇宙万物都有智能，不就是唯心主义的“万物有灵论”吗？正如坚持传统的标准的社会主义观念，就根本不能接受现在的市场经济一样，坚持传统的物理学、标准的教科书哲学就根本不能接受信息能和四元论的概念和理论。

在一定意义上说，理论信息学所要主张的是在继承传统物质科学的基础上，发展出与之互补的、不同的、甚至是相反的概念、原理和方法。比如，物质和能量守恒，信息和智能不守恒；过去说，信息是一种“负熵”，现在说：有物质熵和物质负熵，也有信息熵和信息负熵；在有的学者眼中，物理的数学的方法是唯一标准的科学方法，在本书中对人文社会科学中的这种“物理学羡慕症”和“数量化情结”持批评态度；传统的物质科学范式在不少领域中仍然占有优势地位，但是本书坚决地主张，信息社会的发展急需全面确立信息科学范式的主导地位；如此等等，不一而足。所以，我们学习理论信息学必须要准备一个开放的学术心态。

为什么还要求乐观的学术心态呢？在国内外都有一部分学者认为，与繁荣的应用信息学相比，理论信息学的未来是“悲观”的。因为只有在所有的应用信息学学科全部成熟或基本成熟之后，才可以有一般信息理论或信息科学通论的概括。而且，就是到了那个时候，谁来做这个概括呢？不可能有一位学者把计算机、通信、控制理论搞通，又对所有的信息技术应用领域都十分熟悉。这样，从理论上说，存在一个社会发展和科学进步都需要理论信息学，但是却不可能得到它。我们认为，应用信息学和理论信息学的发展是相辅相成的、互相促进的；而且每一门学科的建立和发展都是一个不断进化的过程。有了一个初级的版本，就有修改版和高级版。即使不专门从事理论信息学的研究，对它的发展也要报一个乐观的、向前看的态度。

1．3．2  掌握工具信息学和若干领域信息学的基本知识

了解了领域信息学的知识，特别是比较熟悉工具信息学之后，学习理论信息学就容易得多了，因为有了一定的实践经验作为基础。比如，对通信和控制原理比较了解和熟悉，就容易理解计算机内部的通信和控制，一旦掌握了用电子元件构成“与门”、“或门”、“非门”等逻辑电路的方法，用组合电路和时序电路实现二进制算术和逻辑运算途径，以及十进制数与二进制数之间的转换、任意符号同0和1符号串之间的转换的原理之后，就掌握了整个计算机系统进行运算和数据处理的工作原理。如果对图灵理论计算模型和冯诺伊曼实际计算机模型比较熟悉，那么理解理论信息学的方法论就没有任何困难。如果读者具有用某种计算机语言（比如，C，PASCAL，或FoxPro等）进行程序设计的经验，那么就容易理解信息系统的本质是“程序”，而程序就是“算法”，是计算机能够接受和懂得的关于“计算过程”的表达方式。

本书介绍了信息科学的三个基本定律：信息不守恒；信息能与时俱增；信息的增长没有上限。有的专家说，它们可以作为信息学的基本公理来使用，因为它们在人们的日常生活的经验中都可以得到理解。比如，物理学中物质的绝对运动和变化的规律，决定着信息载体的效用迟早会消失，信息的丧失是永久性的。生物和人类的信息处理能力是在进化着，增长着。DNA和人类文化的进步不可能有限制。来自于自然和人为的限制都是无效的。宗教势力对科学家的残酷迫害都不能阻止科学的进步，在和平发展、科教兴国、发展数字化地球的时代中科学的进步只能是加速度的方式。这种思维方式要求我们在学习和研究理论信息学时必须采用跨学科的方式。如果我们同时对信息物质科学有一定的了解，那么将更是有利。比如，当我们知道双带图灵机的工作原理，又知道DNA聚合酶在打开了的基因双螺旋上的工作方式，那么必然会为大自然的杰作和人类智慧的创造感到惊讶，欣然承认“宇宙的本质是计算”命题具有相当的合理性。这样，关于本书的阅读就会变得十分生动、有趣。

当然，在本书的教学过程中并不要求额外地去专门阅读应用信息学的著作或者信息物质科学的书籍，我们已经在那些著作中进行挑选，把十分必要的相关知识引进到这本书中来了。读者只是把本书中所提到的某些学科的知识掌握，就足够理解理论信息学的基本内容。

1．3．3  领会理论信息学的基本概念、原理与方法

运用读者所具有的应用信息学知识甚至日常生活经验，理解理论信息学的概念、原理和方法是不困难的。比如，信息的一个本质特征是所谓的“信息二重性”，即信息存在方式的二重性以及信息运动的形式、动力和规律的二重性。从信息学的角度看，信息和它的载体是可以剥离的。比如，军队中的长官给下级发出命令，要下级做什么。其中，命令的内容是信息，发出命令的方式靠载体。他可以直接口头命令部下，让传令兵转达他的口谕或书信，可以打电话、发电报，等等。我们透过不同的载体形式容易抓住信息内容。显然，载体的运动方式和规律，与信息本身并没有本质的联系。信息过程中载体和信息的两分法也容易理解。比如，一道简单的算术题3 + 4，可以用幼儿园小朋友的办法，用扳手指头的方式计算，也可以用小学生的珠算或心算方法计算，甚至可以用计算器来计算。在不同的计算方式中，具体的物理过程可以不同，但是其中的信息过程却是一致的。又比如，要把一个班50名同学的英语成绩由高分到低分排出一个顺序来，用人工做和计算机程序做，其物质过程分别由神经系统的生物学的力和供应给计算机的电力在推动；但是在本质上，50名同学的英语成绩的数据“运动”的方式和目标，靠人和计算机从事这一项数据处理任务的“算法”或“程序”来完成。研究信息运动过程中载体的规律靠物理学、化学、生物学等物质科学学科，而研究信息运动的规律则要靠信息科学学科。

在根本上说，信息科学研究的对象是非物质的、抽象的、逻辑的对象。它不可以被我们直接观察、度量、以数学公式表达其运动规律，光靠物理学的、物质科学的方法是不能解决信息学问题的。因为信息是信号和符号的含义，只有以对载体的感觉为基础，才能对它们的意义加以理解，才能对信息进行“操作”。物质科学操作的是实物，信息科学操作的是“概念”。所以，物质科学以观察和实验为基础，而信息科学以感觉和理解为基础。在物理学成熟并获得巨大成就之后，有一批物理学家认为，有了物理学就够了，一切其他的学科都可以还原为物理学，成为物理学的应用学科。然后，以物理学的观念和方法统一全部的科学学科。最早的社会学家，如孔德等人，学着物理学的观察和实验的方法，要建立数量化的、用公式描述的社会物理学，其中包括社会动力学和社会静力学。但是，时至今日，社会物理学并没有建立起来。心理学家，比如华生，提出行为主义的研究路线，认为只有通过人的行为，即可以看得见、摸得着、可以记录、可以重复的物质身体的运动，来研究心理学，他们把观念、意识、理解等驱逐出心理学领域。但是，几十年之后，人们发现，必须把“意识”请回心理学。物理学主义的思想路线逐渐地被人们抛弃，它也赶紧修改自己的版本，撤消强硬的物理主义路线。

信息科学学科的建立是以物理学、数学为基础的。没有离散数学和微电子学就没有电子计算机的诞生。通信、计算、控制理论都可以看成是物质科学和数学科学的研究成果的应用。正是因为如此，整个工具信息学的硬件基础十分强大，而软件理论十分薄弱。甚至在计算机软件工程中，最早的理论模型就来自对物质硬件工程的模仿。在软件工程理论中，所谓的“瀑布模型”就是硬件工程的移植或照搬。在土木工程中，最初是明确用户的需求，想盖教学楼还是盖舞厅；然后根据工程资金、施工期限等方面的限制，进行初步设计；在同用户交流、取得同意之后，实施扩大的初步设计（简称“扩初”）；经过建筑工程设计的质量审核之后，就交给建筑施工队按照图纸进行工程施工；房子盖好了要进行检测、验收，认定合格之后交给用户使用；在使用过程中还根据需要进行维护和局部的修正与改造；直到房屋的废弃或推倒重建。这就是一座房屋的“生命周期”。如此成功的工程经验，照抄过来，软件专家提出计算机“软件生命周期”和“软件工程”的概念，画出自顶向下的瀑布模型图，从需求分析开始，经过初步设计、详细设计、编码、测试、用户试用、产品移交、运行维护，直到软件报废，软件由“诞生”抵达“死亡”。这样看起来十分科学的模型，经过30多年的软件开发实践，证明它并没有能够在本质上描述软件开发的基本过程，于是产生了螺旋模型等新的软件工程理论模型^[20]。

可以说，迄今为止，计算机软件产业并没有建立在科学的理论基础之上，软件工程处于摸索之中。在房屋建筑中，没有打好地基、也没有建好第一、二层，决不可能固定第三层的框架结构；房子没有封顶，决不可能安窗户、装玻璃。但是，软件开发却可以从中间开始，研究软件的核心功能和效率。严格地说，软件的生产是一次性的；与硬件产品的复制相比，软件的复制几乎不需要成本和投入。推广开来，一切信息产品都是如此。有的数学家就说，数学常常是先修好了房屋再打地基。信息科学也是这样，发达的应用信息学和落后的理论信息学形成鲜明的对比。我们认为，信息科学方法的理论基础的完善，可能还需要几代人的努力。

1．3．4  思考本领域、本学科中信息现象的规律

我们学习和研究理论信息学的目的是为了应用。本书编委会的成员大都体会到，信息科学基础对于我们了解自己、理解人生、指导学习都会有帮助。我们甚至认为，自己是所研究的信息科学方法的直接受益者，包括保持健康和推动工作。本书作为本科生和研究生课程的教材，在湖北大学、北京师范大学、华中科技大学等院校使用的时候，同学们来自计算机、通信、数学、物理、化学、生物、医学、新闻、外语、体育等多个学科，任课老师都要求同学们把理论信息学的概念、原理和方法运用到日常生活中、运用到所学的专业领域中去，解释和说明那里的信息现象和其中的规律性，都取得了较好的成绩。湖北大学的近40名同学的课程论文都制作PowerPoint文件在课堂上讲演，其中4名同学的论文被2005年4月召开的一个全国大会ISITA’05录用，并在会议上报告。其中张丹和李路的文章获得会议青年学者优秀论文奖^[21]。北京师范大学硕士生刘琼慧的课程论文被首届中国信息科学交叉研究研讨会录用，在大会上报告后被收入论文集正式出版。华中科技大学胡安娜等六名硕士生的课程论文被《卫生软科学》杂志刊登在2005年第12期上^[22]。

在教学过程中，任课老师和同学们都体会到，我们不仅要把信息科学技术和工具应用到每一个学科，用计算机网络系统处理那里的信息问题，更要用信息科学的概念和原理到每一个领域，揭示那里的信息规律。前者是学科的“工具信息化”，后者是学科的“观念信息化”。在一定意义上说，后一个任务更重要，也更艰巨。所谓信息物质科学（信息物理学、信息化学等）的研究方向正是要揭示物质科学领域中相关信息现象中的客观规律。与此形成对照的是，在人文社会科学中，那些本来就是信息学科的领域，除了心理学等大量地采用信息科学的术语之外，许多学科较少地以信息学语言明确揭示其中的信息现象和信息过程的规律性。有些学科，比如新闻传播学，其中所采纳的信息模型仅仅是信息通信模型，基本上不用计算和控制模型。实际上，新闻传播的目的就是控制，新闻的策划、采集、制作、发放等过程全部是一种“计算”或智能活动过程。当然，这里是广义的计算，不是算术、代数或微积分计算。

此外，在一些学科的研究中，因为没有理论信息学的指导，常常犯有基本概念和原理的错误。这些错误甚至出现在某些领域信息学专著、教材、论文中。比如，有的学术专著说信息与生命同在，同时诞生，生命出现之前没有信息。其理论依据是：信息是通讯与控制的中介，没有通讯和控制就没有信息。生命出现之后才可能有通讯和控制现象发生。还比如，说信息是物质和精神的中介，物质通过信息作用于人类精神，在精神变物质的过程中也把信息作为中介。在国内有较大影响的所谓“全信息”概念中包含着对语用学的误解和误用。本来，语言学中的语义学和语用学都是关于语言语义的学问。其间的区别在于：前者研究静态语义，而后者研究动态语义^[23]。但是，有的学者根据语法学、语义学、语用学的字面意义，望文生义地把语用学说成是关于语言的效用和价值的学问。在这种误解的基础上，把它们借用到信息学中来，提出任何信息都是语法信息、语义信息、语用信息的统一，把它们用统一的数学公式加以描述，而且以这种“全信息”的概念为基础搭建关于全信息的理论体系。严格地讲，关于信息的科学理论和关于信息的价值理论具有完全不同的学科性质。信息科学问题是关于信息现象及其规律的学问，而信息价值问题是关于信息的作用和评价的学问。科学命题的真理性对一切人都成立，而价值命题根本谈不上真理性，它的合理性（或合目的性）却因人而异。在理论上说，把信息科学和信息价值混为一谈的错误，休谟早已在哲学的层次上予以解决。他认定关于研究对象“是怎样”和它“应当怎样”之间，虽然有联系，但绝不是一类问题^[24]，人称“休谟定律”，即“是”和“应该”之分，亦称“事实”和“价值”之分。同一则消息中所载荷的信息可以是一些人欢天喜地，而使另外一些人如雷轰顶。信息价值问题显然不是一个科学问题，我们讨论信息概念和信息科学原理，怎么可以拿它作为基础呢？

所以，由工具信息化过度到观念信息化仍然有较长的路要走。这正是建立和发展理论信息学学科和开设理论信息学课程的客观需要。我们高兴地看到，编写这门新学科的教材，开设新的课程很有成效。从几所大学的“试点”情况看，来自不同学科领域的同学们在听了理论信息学课程之后，在他们本学科教师的帮助下，大都能有一定程度的创见。比如，听了理论信息学课程之后，情报学专业的硕士生们就说，把英文术语Information Science译成情报学并不合适，还不如译成信息科学。如果把情报学看成一门应用信息学，它在整个信息科学体系中的地位才是非常明确的。一部分学过生物学和医学的同学在学了“生命信息进化论”的有关知识后，认真研究达尔文的生物进化论，提出我们必须建立和发展信息时代的进化论思想。正是在本学科领域中有新的独到的见解，所以同学们才能写出有一定创新意义的科学研究论文。

本章思考题和练习题

1．理论信息学是怎样的一门学问？它与你学过的信息学技术和工具有什么联系？

2．理论信息学的几个基本问题是什么？为什么说它们是基本问题？

3．在理论信息学所要解决的基本问题中，你对哪个或哪几个问题有兴趣？有什么与本书所述不相同的观点和看法？

4．你对哪几个行业的信息化工作比较满意？你对信息化工作有什么切身体会？

5．在你有过的教学和研究工作的经历中，你接触到哪几个学科的信息化？

6．你认为身体健康与心理健康之间的关系如何？你对大学生自杀有什么看法？

7．什么是世界观、人生观？讨论这些问题有实际意义吗？

8．你打算怎样学习理论信息学？

本章主要征引和参考文献

[1] 前苏联科学院哲学研究所．马克思主义哲学原理．中国人民大学出版社编译室译．北京：人民出版社，1959，7．

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[24]  N．布宁，余纪元．西方哲学英汉对照辞典．王柯平等13位译者译．北京：人民出版社，2001，2．

第2章  信息科学及其发展简史

理论信息学是整个信息科学的基础。在系统地介绍理论信息学的主要概念、原理和方法之前，必须首先说明信息科学的概貌。本章概略地讨论信息科学的目的、内容和结构，以及应用信息学和理论信息学在其中的地位和作用，简要地回顾信息科学发展的历史，指出它已经经历的信息科学的史前时期、工具信息学时期、领域信息学时期，和理论信息学时期的若干重要史实。

§2.1  信息科学和它的基本结构

2.1.1  科学：应用科学与理论科学

科学（Science）与文化（Culture）一样，是个难以界定的名词。人们对于“科学”，可以有不同的理解。到目前为止，没有任何一个人给科学下的定义为世人所公认。英国学者J.Ｄ.贝尔纳认为，科学在不同的时期、不同的场合有不同的含义。科学有若干种解释，每一种解释都反应出科学某一方面的本质特征。人们更多地是从一个侧面对其本质特征加以揭示和描述。更重要的是，科学本身也在发展，人们对它的认识在不断地深化^[1]。给它下一个永世不变的定义，非常困难，也并不十分必要。但是，把众多的科学定义加以概括，提出一个可以为多数人接受的共同概念，以加深我们对科学的理解和认识，却是必要的，可能的。

我们可以从哪几方面考察科学的特征呢？N.A.拉契科夫在《科学学：问题·结构·基本原理》中指出，“科学，犹如其他社会现象——政治、法律、道德、艺术、宗教——一样，可以从三个主要方面加以考察。第一，从理论方面考察，可以把科学看作是知识体系，看作是社会意识形态；第二，可以看作是一定形式的社会劳动分工，看作是一种科学活动，这种活动与科学家和科学机构之间关系的整个体系相联系；第三，从科学结论的实际应用方面考察，从科学的社会作用方面考察。”

本书对科学的考察，主要是从第一个方面进行的。宋健等著《现代科学技术基础知识》中给出了三个科学的定义，我们赞成其中的第二个：“科学是反映客观事实和规律的知识体系^[2]”。可以说，目前的大部分辞书给科学下的定义，都强调“科学是知识体系”，认为“科学是关于自然、社会和思维的知识体系”。20世纪初，人们认识到科学是由很多门类交织组成的知识体系。此时，数学、物理、化学、天文、地理、生物等基础科学和电力、机械、建筑、钢铁、医药等工程学科及管理学科都比较成熟了。科学已不只是事实和规律的知识单元，而是这些知识单元组成的学科，学科又组成学科群，形成一个多层次组成的体系。

从20世纪中叶开始，随着通信、控制，特别是计算机科学技术的飞速发展，以及这些信息工具学科在几乎所有科学领域中的广泛应用，催生了大批的交叉学科与新兴学科，整个人类科学知识体系的结构版图发生重大改变。原来，社会以物质产品生产为主，数理化、天地生为基础的关于物质现象的知识体系占据着科学版图的重心和绝大部分位置，在书店、大学都是如此。但是现在，由于社会劳动力的主体生产信息产品，以通信、控制和计算为基础的关于信息现象的知识体系正在变成科学知识体系的主流和主导，在书店中计算机、自动化类的图书的比例越来越大，在几乎所有的大学里一无例外地开设计算机课程，甚至设立计算机科学与技术专业、计算机科学系、计算机科学学院。在大专院校、科研院所中科研人员的比例和科研经费的划拨也出现了向信息科学和技术倾斜的情况。如果说，半个多世纪以前，许多青年人的志向是成为一名数学家、物理学家、化学家的话，现在更多的青年人要当计算机科学家，通信和自动控制领域的专门家。

科学家是系统掌握某一方面知识并能利用这些知识对诸多现象作出解释的人。科学史表明，科学家不只是知识的发现者，更重要的还是知识的综合者。古今中外的大学问家，都是在综合知识中创造，在发现知识中综合而成为科学家的。在综合化过程中按照内在的逻辑关系把已知知识（或定理）条理化、系统化，发现矛盾和空白，再作观察，实验论证，得出新的原理，补充和完善知识体系，这是一种科学过程^[3]。过去，物质科学发展的历史说明了这个结论的正确性。今天的信息科学的发展也正在给出具体而生动的证明。

工业时代的科学家是卓越的、伟大的。如果说，信息时代的成就远远超过工业时代的话，那么信息时代科学家们的创造将是物质科学家们无法比拟的。伟大的时代呼唤并造就伟大的科学家。正如美国信息物理学家T 史东尼所说：我们的时代“需要信息科学自己的卡诺、克劳修斯、开尔文、焦耳、赫尔姆霍兹、吉布斯、麦克斯韦、玻尔兹曼、能斯特、爱因斯坦，等等^[4]。”

任何一门科学都可以分为应用学科和理论学科两个大的分支。所谓应用学科，就是跟人类生产、生活直接联系的科学，比如医学、农学等。所谓理论学科，就是比较抽象的知识体系，它在日常工作和学习中难有具体用处。这样，数学中有应用数学（计算数学）和理论数学（基础数学）之分。物理学可以分为应用物理学和理论物理学，化学分为应用化学和理论化学，生物学分为应用生物学和理论生物学，等等。对于新兴的信息科学，当然也可以分为应用信息学与理论信息学。

2.1.2  科学：物质科学与信息科学

对于同一个研究对象，不同的人由于具有不同的知识背景和经历、不同的兴趣和目的，可能采取互不相同的视角进行观察和研究，因而得到关于共同研究对象的各具特色的结论。比如，生物进化作为一种自然现象和人类社会现象，许多学者都可以从自己感兴趣的角度进行研究。生物学家研究地球上生物进化的机理和规律性，医生研究人类与进化和遗传有关的疾病与治疗，社会学家认为生物进化的高层次即人类社会文化的进化比DNA的进化更有研究意义，天体物理学家说生物和社会化是我们所在宇宙进化的一个局部现象，宇宙学家称我们所处的宇宙只是众多进化着的宇宙构成的大家庭中的一员，等等。

对于自然界、生物界、人类社会中的信息现象，人们可以从哪些方面、从哪些角度进行研究呢？一般地说，可以从神学、哲学和科学的不同视角，运用不同的方法进行观察和研究。在科学的领域中，当人们用物质的观点看世界，研究物质运动的规律，就得到物质科学的知识体系；在此基础上，用信息的观点进行观察，就可以发现以物质载体为依托的信息的演变，也有自己的特点和规律性，于是产生信息科学的概念、原理和方法。

本书主要从科学的角度，运用科学研究方法来考察宇宙信息现象，基本上不涉及对信息现象的神学猜测和哲学思辩。本书所采取的视角是：把信息科学看成是关于宇宙信息现象的知识体系。本书的任务是叙述信息科学的知识体系的内容和结构。其中，重点叙述理论信息学的概念、原理与方法。

“信息科学”的英文是Information Science。信息学，Informatics，是它们的简称。在本书中，对这两个词不加区别地使用。当然，在国内情报学界中有许多学者把Information Science译成“情报学”，尽管其中不少人主张干脆译成信息学以归一律。在日本，Information被译成“情报”。按照我们的理解，尽管信息学不可以理解为广义的情报学，但是情报学却可以看成狭义的信息学。在本书的术语体系中，情报学是领域信息学中的一个分支学科。

任何系统化的学问要构成一门独立的学科，都必须具有自己独特的研究对象、研究内容、研究目的和方法，进而形成具有特色的理论体系。情报学正是把“情报”定义为“被激活了的知识”，认定关于这种特殊知识的知识体系构成一门独立的学科。信息科学要成为一门独立的学科，也必须是一个有特色的理论体系。一般地说，信息科学是以信息和信息能（Information Energy，或者Info-energy）作为研究对象，以信息的本质特征和信息运动规律作为研究内容，以信息方法为手段，以扩展人类智能为主要研究目标的一门科学。简而言之，信息科学是关于宇宙间信息现象的知识体系。它讨论信息对象的存在方式和变化的规律。它由信息哲学提供本体论支持、方法论指导和价值论约束。

为了便于描述和讨论，不引起歧义和误解，这里简要地说明“科学”与“学科”（Discipline）之间的联系与区别。在本书中，科学是指相关的科学知识体系。任何科学知识体系都可以划分为一门或多门学科。总的说，全部科学学科构成一个分层次的系统。它分为许多门类，每一个门类下面又可以分为一级学科，在一级学科下面又分为若干个二级学科。比如，“计算机科学与技术”作为一级学科，它的上级学科门类是“工学”，它下面的二级学科包括：“计算机软件与理论”；“计算机系统结构”；和“计算机应用技术”。我们说“科学研究”，一般是指某个科学学科领域中的研究，或者若干个学科领域之间的跨学科的交叉研究。这里，第二种研究又叫“交叉科学研究”。反过来，从“学科”的角度看“科学”概念，它们之间的区别相当大。一个“学科”，比如计算机学科，它除了包含有该学科的科学知识内容之外，还包含该学科的研究、教育、制度等内容。比如，在讨论计算机科学与技术的“学科建设”的时候，在研究它何时发展成为一门独立的、成熟的学科的时候，所涉及到的内容就远远不仅仅是它的知识体系了。在第14章第1节，我们讨论理论信息学学科建立和发展成熟标准的时候，要展开论述。但是，如果我们讨论问题局限于科学知识体系之内，那么科学与学科这两个术语含义基本相同。比如，计算机科学与计算机学科，可以换用，不加区别。

信息科学或信息学科，研究各类信息现象，从最简单的信息过程（比如，“是”或“非”的逻辑判断）到最复杂的信息过程（比如，人脑的意识和思维），从非生命的信息（比如，物理、化学过程中的信息）到生命信息（比如，DNA信息的复制、人类文化的增长），从天然信息（比如，宇宙射线）到人工信息（比如，计算机和机器人），从单一的领域信息（比如，生物信号）到跨领域的信息（比如，各类生命信息），从具体的信息（比如，广告信息等实在的信息）到一般的信息（在抽象意义上的信息），等等。信息科学或信息学科，也研究各类信息处理能力，包括无机物的理化反应能力、生物信号处理能力、人类智能、计算机人工智能，等等。这是信息科学区别于其他科学的最根本的特点之一，也是信息科学能够成为一门独立学科的最根本的前提。传统的自然科学的研究对象是各种层次、各种形态的物质以及物理、化学中的能量，对于像生物遗传、人类思维这种典型的信息现象和智能问题，也只是从物质结构和能量转换的视角去考察它们，用解剖学的方法去研究，所以不可能抓住信息过程的本质及其运动规律。中医经络学说在本质上是生命信息学，但是从物质科学的视角观察，就不可能承认它的科学学科的地位。

信息科学的研究内容是在各个信息领域（比如，自然、生物、社会等）中信息的个性特性和运动变化的特殊规律，以及贯穿一切领域的信息共性和共同规律。在认识的不同领域和不同层次上，它都要回答信息是什么，信息有什么基本性质，信息运动的规律是什么，信息运动的动力学原理是什么，等等。以往关于信息科学的研究对象和内容的讨论主要抓住了信息现象的形式，较少触及信息现象的内容；同时，较多地关心信息现象的“个性”，较少地关心它的“共性”。比如，我们在计算机领域、通信领域、遗传学领域、新闻传播学领域、文学艺术领域中，信息的含义具体而明确，少有争议。但是，一般地，什么是“信息”，有没有一个关于信息的定义是可以在每一个领域中通用的呢？这就是信息科学基础理论研究，或理论信息学所要研究解决的问题之一。

在信息科学的研究内容方面，还有一种倾向，即不大注意信息现象的动力学机制，更没有研究贯穿一切信息领域中的信息能的法则。我们比较容易感受到信息的存在和变化的形式。比如，IBM“深蓝”与人类顶尖棋手对弈中，可以看到的是棋子的移动，容易从棋子的移动分析各自的“棋路”，但是，真正在起作用的是各自所遵循的策略和规则，这正是他们的“智能”（Intelligence）的真正体现。信息处理的能力（信息能）在信息学中的地位同物理学中物质能的地位应当是一样的。信息科学的目标正是在于提升人类智能。如果我们承认，高等动物都有某种程度智能的话，那么低等动物、植物、DNA有智能吗？生物基因信息，人类文化信息由少到多，由简单到复杂，信息进化的机理是什么呢？它与事物物质形态的进化之间是什么关系？信息科学也应当回答这些问题。

人类对信息现象的认识，正在由浅入深、由局部到全局地发展着。在人类对物质现象的认识中经历过的发展也是这样的。比如，在物理学中，人们首先容易感觉、观察的是各种实物的存在方式和运动的过程与轨迹，较难认识到：物质所具有的做功的能力才是物体运动的原因，事物之间的联系和相互作用力决定着存在和运动的方式。在比较深入研究地球上物体运动的规律之后，才可能把天体运行规律和地球上宏观事物运行规律统一起来。信息科学的发展也正在由关注形式到关注内容，由研究过程到研究过程背后的动力学机制。

信息科学研究中使用的方法种类繁多，按其普遍性程度可以分为三个层次：第一层次是各门领域信息学科的特殊的研究方法，比如通信、控制、计算方法，关于人体射线断层扫描法等；第二层次是各门信息学研究的一般方法，主要是实验方法、理性方法，特别是涌现论方法；第三层次是最具有普遍意义的哲学认识论方法，如物质与信息两分法，信号与符号两分法等，生物信号与非生物信号两分法等。

2.1.3  信息科学，信息技术与信息工程

（1）信息科学的基本结构

从总体上说，信息科学分为两个大的部门，“理论信息学”（Theoretical Informatics）和“应用信息学”（Applied Informatics），就好像数学可以分为理论数学和应用数学，物理可以分为理论物理和应用物理，化学可以分为理论化学与应用化学一样。

理论信息学又叫“一般信息学”（General Informatics）。理论信息学是对一切信息现象、对每一门信息学科都适用的公共理论，它通用于解决每一个具体领域的信息理论问题，是整个信息科学的基础和核心。当然，理论信息学也可以叫做“信息科学通论”，就像整个医学科学分为两个大的部分：医学通论和医学各论。北京大学徐光宪院士在2005年北京“信息科学交叉研究学术探讨会”上说：“信息科学可分为四大分支：信息科学通论、自然信息科学、工程和技术信息科学、人文和社会信息科学。在自然信息科学下面，又可分为：物理信息学、化学信息学、生物信息学、地理信息科学等。”

在应用信息学的学科中，计算机科学、通信理论和控制理论比较特殊，是关于人造的信息处理工具的科学，我们称之为“工具信息学”（Tool Informatics）。这三门工具信息学学科在几乎所有的科学知识领域中都得到应用，使得相应的学科计算机化、智能化、信息化，从而产生该领域中的一门信息学。我们统称这些信息学为“领域信息学”（Domain Informatics），也可以称之为“部门信息学”（Department Informatics）。这样一来，应用信息学这个信息科学的门类可以分为工具信息学和领域信息学两个分支。各门应用信息学各自面向特定的学科，都只在某个具体的信息领域中起作用，而且主要是对相关领域信息技术的综合，较少理论上的探索与提炼，因而是不完整的。其中，领域信息学可以解释成工具信息学的具体应用。

通常，我们必须把科学实证与宗教信仰和哲学思辩区别开来，科学就是科学，它不是哲学，更不是宗教。但是，关于信息的知识体系，又可以包括关于信息的哲学反思，因为无论我们讨论信息的存在、对它的认识以及关于信息的价值判断，都可以在领域信息学、理论信息学和哲学信息学三个层次上进行研究。所以，我们认为关于信息的知识体系是一个庞大的学科群，包含信息科学和信息哲学两个大的类别。按照学科抽象程度的高低，可以把关于信息的知识体系分为不同的层次，如图2-1所示。

 钱学森把当代科学横向划分为四个层次：哲学、基础科学、技术科学、工程技术^[5]。类似地，我们可以把信息科学划分为：信息哲学、信息理论、信息技术、信息工程。这里，信息技术和信息工程合起来大致等于领域信息学的内容，即主要是关于信息技术及其应用的知识。理论信息学是信息理论的核心。如果说，理论信息学主要回答“为什么”的问题，那么领域信息学主要回答“怎么样”的问题。钟义信明确地指出，信息科学的基本学科体系或层次是：① 信息科学的哲学研究，或称之为信息哲学；② 信息科学的基础理论研究；③ 信息科学的技术应用研究^[6]。

（2）信息科学与信息技术

对技术的本质和意义进行考察研究，始于古希腊。亚里士多德曾把技术看成是制作的智慧。在罗马时代，工程技术发达，人们对技术不只看到“制作”这个实的方面，也看到了“知识形态”虚的方面。17世纪，英国人培根提出要把技术作为操作性学问来研究。到18世纪末，法国科学家狄德罗在他主编的《百科全书》条目中开始列入了“技术”条目。他指出：“技术是为某一目的共同协作组成的各种工具和规则体系”。阐明技术概念的这段话提出5个要点：① 把技术与科学区别开来，技术是“有实用目的的”；② 强调技术的实现是通过广泛“社会协作”完成的；③ 指明技术的首要表现是生产“工具”，是设备，是硬件；④ 指出技术的另一重要表现形式----“规则”，即生产中使用的工艺、方法、制度等知识，这就是软件；⑤ 和科学体系一样，把定义的落脚点放在“知识体系”上，即技术是成套的知识系统。直到现在，许多辞书上的技术定义，基本上没有超出狄德罗的技术概念范畴^[7]。

一般地说，科学与技术是辩证统一的整体，它们之间的关系是既有区别又有联系。首先，科学与技术不是一回事。科学回答的是“是什么”、“为什么”的问题，技术回答的是“做什么”、“怎么做”的问题；科学提供物化的可能，技术提供物化的现实；科学是发现，技术是发明；科学是创造知识的研究，技术是综合利用知识于需要的研究。区分科学与技术，不是要将它们分开、隔离。要认识到，对于科学来说，技术是科学的延伸；对于技术来说，科学是技术的升华。我们注重科学时要想到技术，注重技术时要想到科学。

其次，要把科学与技术统一考虑。科学中有技术，如物理学有实验技术；技术中也有科学，如杠杆、滑轮中也有力学。技术产生科学，如射电望远镜的发明与使用，产生了射电天文学；科学也产生技术，著名例证，如下所示：

1831年  发现电机原理                 1882年  生产出发电机

1862年  发现内燃机原理               1876年  生产出内燃机

1925年  发现雷达原理                 1935年  制造出雷达

1928年  发现青霉素                   1943年  生产出青霉素

1938年  发现核裂变                   1945年  生产出原子弹

1948年  发现半导体                   1954年  生产出半导体收音机^[8]

这就告诉我们，在某一个特定的领域中，关于科学发展和技术进步之间的关系，有两种情况。一种是理论领先，带动技术进步，比如先有电磁理论，后有它的应用。另一种是技术先行，然后才有对技术的概括和提炼，上升为理论，比如激光技术在先，理论在后。

在物质科学学科体系的总体发展中，大致上先有数学、物理、化学、生物等基础科学，然后才有电力、机械、钢铁、医药等工程学科，即先有理论后有技术。但是，从信息科学知识体系的总体上看，信息科学与信息技术的关系，属于第二种情况，先有技术后有理论。以计算领域为例来看，关于计算工具的发明和计算技术的发展在先，而关于计算理论的发展在后。在图灵提出理论计算模型之后，热衷于机械式和机电式计算技术的专家们对之不予理睬，力图沿着旧的技术路线前进。只是在冯·诺伊曼把图灵模型转变成具体实用的计算机逻辑结构模型，显示出巨大威力的时候，人们才转换到新的技术轨道上来，从而推动计算、通信和控制技术高速发展。当人们把三门工具信息学技术应用到各个信息处理领域之中后，产生了化学信息学、生物信息学、医学信息学等一大批领域信息学工程学科。但是，理论信息学却进展缓慢。在计算领域中，又一次出现了技术在先、理论在后的情况。工具信息学和领域信息学发展在先，而它们的理论综合在后。

在一定意义上说，计算的历史又一次出现重“计算技术”，轻“计算理论”的情况。在应用信息学家看来，理论信息学的研究几乎是软科学和哲学，用处不大。关于一般信息理论研究的生命力在于它的发展和应用，因为“发展是硬道理”。信息科学学科体系发展的当务之急，是把已有的信息技术和应用信息学作为开展科学综合的原材料，建立概括性的公共的理论信息学，为整个信息科学知识体系奠定理论基础，同时求得在更广阔领域中的深入应用。

本书的主题是研究理论信息学的基本概念、原理和知识结构。但是，作为理论信息学抽象的原材料，我们必须讨论工具信息学和各领域中工程信息学学科的问题，否则理论信息学就成为无源之水、无本之木。在一定意义上，本书所要做的就是一种建立统一的信息理论（UTI，Unified Theory of Information）的尝试。

（3）信息技术与信息工程

人们在生产、制造和工作中，都需要运用某些技术和工具。工具是技术的物化。有时需要投入巨大的人力和物力，需要采用巨大而复杂的设备，我们便称之为“工程”，如土木工程、机械工程、化学工程、采矿工程，水利工程等。在信息技术和信息工具的应用中，出现通讯工程、控制工程、各种信息系统的硬件工程和软件工程等等。国家信息化工程，数字地球工程等是通信、控制和计算等信息处理工具的综合运用。

有的学者把通信理论和计算机学科命名为“工程信息学”，与自然信息学和社会信息学分立，有某种道理。但是，“工程信息学”应当是关于所有信息工程的学问，显然不只是通信与计算而已。如果把通信、计算和控制学科称之为“工具信息学”，则因巨大而复杂的信息工具的综合运用而构成各种信息工程，顺理成章，不容易产生歧义和误解。限于主题和篇幅，我们对信息技术和信息工程不予赘述。

2.1.4  信息科学：自然科学，还是社会科学

目前，无论是工具信息学专家还是领域信息学的学者，绝大多数人都会自然地认为：信息科学是属于自然科学的。因为，处理各类信息的手段，无论是机器还是生物，都是自然科学研究的对象。但是，处理信息的人和机器，除了有自然特性之外还有社会特性，除了处理信号之外还处理符号，而符号是人类社会特有的现象。一个人如果不能处理符号、不具有社会性了，那么“他”与动物的“它”就没有了区别，就只能在DNA和生物信号的层次上处理信息，与人类的社会文化毫不相干。那么，目前的信息科学处理符号信息了吗，加入社会文化的演变和进步过程了吗？

计算机的理论模型，无论是图灵模型还是冯·诺伊曼模型，无一不是以人类大脑的计算为现实原型进行抽象的结果。人脑之区别于动物脑，不仅是大小、结构的差别，更有功能的差别。人脑主要是符号脑，同时是信号脑，而动物脑只是信号脑。为了探究人体的生理活动的规律，可以用动物做实验，然后在人体上验证。开发一种新的药物，也可以先拿动物做实验，再征求人类自愿者进行临床实验，最后才能进入商业流通，广泛地临床使用。关于人的认知活动也可以这样吗？不行。如果说，人类在生物机体的“硬件”上与动物没有大的区别，那么二者在“软件”上却有着本质的不同。只有法西斯德国和日本才用人类活体进行非人道的实验。关于人脑结构和功能的认识所以进展缓慢，这是最为主要的约束条件之一。

在人工智能研究中有一个“行为主义学派”。它认为智能取决于感知和行动，提出智能行为的“感知—动作”模式。他们主张，智能不需要知识、不需要表示、不需要推理，智能行为只能在现实世界中与周围环境交互作用中表现出来。他们认为，人工智能研究中的“符号主义”和“连接主义”对真实世界客观事物的描述及其智能行为工作模式是过于简化的抽象，因而不能真实地反映客观存在。所以，其代表人物布鲁克斯在1990、1991年相继发表论文，对传统人工智能进行了批评和否定。他利用150个传感器和23个执行器，构成了一个像蝗虫那样的6足行走的机器实验系统^[9]。显然，这不能叫做“机器人”，只能叫做“机器虫”。我们能够假定，让这个机器虫系统可以逐步地像人类那样，发明语言、文字、印刷术、计算机和因特网吗？所以，行为主义的人工智能路线在信号的级别上无论达到什么样的高度，与符号级别的人工智能仍然不在同一个档次上，不可同日而语。

所以，从根本上说，信息科学既具有自然科学的特征，又具有社会科学的特征。可是，在人文社会科学家中较难发现持这种观点的学者。因为，在他们看来，信息科学模型就是香农的通信模型，就是信源、信宿和信道。通信可以在信号的级别上进行，控制也是一样的。人类制造的模拟式电子计算机就是信号计算机，不具有符号处理功能。在宇宙中，在信号级别上的通信、计算和控制，不为人类所独有，生物也能做得到。但是，符号级别上的通信、计算和控制却是人类的“专利”。它很难、甚至不可能转让给其他生物，哪怕是高等脊椎动物，如大猩猩它们。

在理论信息学工作者的眼中，全部的人文社会科学学科，没有一门不是信息学。让我们看看人文科学中的文、史、哲，和社会科学中的经济、政治、社会学。全部的文学艺术作品，同自然科学家的创造一样，是人类信息产品的一种。如果说，文学艺术家的作品必须具有唯一性，科学家的作品也要求唯一性。我们有了曹雪芹的《红楼梦》，就不再需要别人也去写红楼梦了；有了牛顿的力学三定律，也不需要他人再来个力学三定律。文学艺术和科学上的抄袭、赝品都在“打假”之列。历史是什么？实物的或符号的保存而已。它们在文化人类学家眼中都是文化。哲学是符号体系，动物的信号思维不可能有哲学学科。经济学研究的对象首先是物质产品的生产，其过程当然是物质的，但同时又是信息的，而且越来越是信息的，比如钢铁和煤炭的生产自动化、智能化，汽车生产线的无人化。到了知识经济时代，信息产品居于社会生产的主流，经济学正在成为信息学。政治是关于权力、利益分配的学说，武则天和慈禧个人的肌肉力量可以略去不计，她们靠的是“权术”，一种“话语权”，信息的力量。社会学讨论社会的结构和功能，显然不是从社会的物质侧面研究问题，而是社会信息系统的结构和功能。在这6门主要学科之外的人文社会科学学科中，也难找出一门非信息学科来。在本书第14章第1节，我们将看到，化学这门标准的物质科学在本质上也是一门信息学。物理、化学、生物都要成为信息化的物质学科，或者称之为“信息物质科学”，学者们对于人文社会科学的信息特性的认同只是时间早晚的问题。

现在，我们再看信息科学，它当然既是自然科学的，又是社会科学的。就像“信息”概念揭示出宇宙万物在物质特征之外的信息特征，信息科学在物质科学揭示“世界统一于物质”之后揭示出“世界统一于信息”。如果人文社会科学家能像自然科学家那样，自觉地揭示各自所在学科和领域中的信息本质，那么人类关于建立“统一科学”的梦想就要实现了。

§2.2  应用信息学与理论信息学

2.2.1  什么是应用信息学

应用信息学是在理论信息学之前发展起来的信息学科，它们主要是信息技术和信息技术在特定领域中具体应用的知识体系。前面已经提到，关于信息技术和工具的学科称之为工具信息学；关于信息技术与工具在各个领域中应用与开发的学科被称之为领域信息学。这样，应用信息学自然地分为工具信息学和领域信息学两类。

最早产生的是通讯、计算和控制三门工具信息学。它们实际上是在研究人工信息过程的基础上，以机械、电子的方式模拟人类信息过程，制造出信息通信、计算和控制的工具供各个信息处理领域来使用。当计算机系统、通讯手段和控制设备作为信息处理工具，在自然和社会领域中得到广泛应用的时候，在各个领域中开展了大量的信息工程，包括信息硬件工程和信息软件工程，从而产生出大量的领域信息学学科。比如，将计算机技术、通讯和控制技术用于医学信息处理，人们把有关方面的知识称之为“计算机医学应用”，后来称之为“医学信息学”。在美国，Computer Application in Medicare和Medical Informatics两个词作为同义词，并存地使用了很长一段时间。这时候，计算、通讯与控制就主要地表现为“工具学科”的性质。领域信息学可以看成是工具信息学和相关技术在各个领域中应用的结果。

一般地说，各门应用信息学的研究对象、具体内容和目标是不相同的。工具信息学主要研究计算、通讯和控制三种信息处理的工具，他们相互之间是互不相同的。在众多的领域信息学中，所使用的信息工具基本上是相同的，只是所要解决的问题有各自的特殊性，因而也开发出各种特殊的信息处理设备。比如生物信息学，研究遗传信息的收集、存储、检索和应用，医学信息学研究医疗过程中信息处理的计算机化、智能化，而图书馆信息学研究馆藏信息的存储、表示、检索、利用，等等。在遗传信息分析中，研究出基因芯片，在医学信息处理中研究出计算机化X射线分层造影摄影术 （CT，Computerized Tomography）等。应用信息学在“数量”上构成信息科学与技术的主体内容。相应地可以说，理论信息学在“质量”上构成信息科学的基础理论。

2.2.2  应用信息学的结构

应用信息学是一个庞大的学科群，有着它自己的结构和功能，需要分类型、分层次地加以研究，如图2-2所示。（该图的制作中参考了闫学杉于2004年9月14日在北京大学报告中的内容。）对于应用信息学所提供的思想资源进行梳理和综合，是建立理论信息学的必要条件。

一般地说，宇宙信息现象可以按照进化的顺序分为三个大的类别：自然信息，社会信息和工具信息（人工信息）。这是按照信息进化在时间上的顺序排列的。自然信息中包含物理信号和生物信号两种；社会信息主要指人类符号信息，关于人的生理信息应当属于生物信息的范畴；人工信息是人为的信息过程，在信息技术支持下的通信、控制和计算等信息过程，不包括人类口语、文字流传、手工印刷等人类个体性行为的信息过程。由于工具信息学的特殊地位和作用，它们便先于各门自然信息学和社会信息学而发展成熟，成为这些学科得以产生的基础。

在人们对自然、社会和人工信息过程的研究当中，进展是不平衡的，它们的成果被互相借用。比如，在古代人们就探索计算理论和制造计算工具，但是直到微电子技术高度发达，关于人脑工作机理的认识达到相当的程度，才能造出“电脑”来。冯·诺依曼逝世前的一部未完成的著作是《计算机与人脑》。当计算机信息学和通讯信息学发展到比较适用、可以普及的程度时，又被广泛地用于自然和社会信息的各个领域，推动那里的信息学迅速发展。也就是说，当工具信息技术和科学发达到较高级的程度时，就被应用到传统的通讯、控制、计算以外的领域当中，与特定的领域信息过程相结合，产生专门的信息技术，于是就有自然科学和人文社会科学学科中的各种专门的信息学，比如物理信息学、化学信息学、生物信息学、医学信息学、语言信息学、管理信息学、传播信息学，等等。

由于第二次世界大战中军事上的直接需要，各国动员和组织了国家的财力、物力和人力，优先地发展了通信、计算与控制的理论和技术，为世界人民战胜法西斯作出了重大贡献。战后，科学家们有了精力和时间从理论上进行归纳和总结，分别由香农、冯•诺伊曼、维纳等学者提出通信、计算和控制的概念、原理和方法，逐步形成了通信理论、计算机理论和控制理论。其中，控制是目的，通信是前提，计算是核心。在一定意义上说，计算机系统本身就是通信、控制和计算三项功能的完美结合。没有通讯便没有控制，没有通信和控制就不可能实现计算。反过来，在通信和控制中也离不开计算。正是由于通信系统和控制系统的计算机化，才有今天的国际信息网络和人类对地球以外的人工系统的有效控制。

由于和平建设的需要，以通信、计算和控制为主要内容的信息科学理论与技术取得了高速的发展，它们在各个领域中的应用越来越广泛，促进了各行各业的信息化和自动化，促进了整个国家的信息化、智能化。如果说，工业革命把物理学的能量送到了人类生产与生活的每一个角落，使那里机械化、电气化，那么信息革命的历史任务是用信息处理的能力武装社会大机器的每一个环节，使之自动化、智能化。物理工程师用各种电动机推动剃须刀、自动扶梯、塔式起重机等电子的机械的设备，信息工程师用各种计算机让手机、照相机、机器人变得非常“聪明”。在各个领域中的信息理论和技术的归纳和总结，形成了相关领域中计算机应用知识体系，进一步升华变成为各门“领域信息学”，如图书馆信息学、生物信息学、医学信息学，等等。

计算机应用和领域信息学之间有本质的区别吗？比如，在美国就对计算机医学应用和医学信息学这两个概念的异同讨论了10多年，然后才认定医学信息学可以作为一门独立的学科存在，并开始培养医学信息学的本科生、硕士生和博士生。就在计算机武装医学信息过程的同时，整个生物学和医学科学的知识体系也在经历一个信息化的过程。工具信息学学科的概念、原理与方法影响了生物学家和医学专家的思维模式。他们重新看待生物过程和医学过程，发现它们都是信息过程，于是有数字人体、数字医学等新的概念出现。传统学科“信息化”的过程反过来又推动对于应用信息学的提炼，理论信息学的产生是历史的必然。

2.2.3  什么是理论信息学

在数学中，应用数学的任务是解决具体的数值计算问题，而理论数学或基础数学的任务则是揭示客观世界的数量化特征和数学逻辑的特征。可以说，应用数学主要是计算的技术和工具，而基础数学是计算的理论和观念。前者主要解决“做什么”、“怎么做”的问题，而后者主要解决“是什么”和“为什么”的问题。在应用物理和理论物理，应用化学和理论化学之间也有类似的分工。同样，应用信息学学科和理论信息学学科也分别扮演着技术知识系统和理论知识系统的角色。当然，在科学与技术之间划出绝对的界限是很难的，也没有必要。我们只是作出一种大致的原则性的认定。

从根本上说，理论信息学是整个信息科学的基础部分，是对应用信息学的归纳和提炼。自20世纪20年代以来，关于信息的知识体系迅速发展。最初称之为通信理论、信息论。相应地，关于这个知识体系的基础，最初认为是香农关于通信的数学理论，所以才有一些学者致力于推广香农理论，以建立“广义信息论”甚至信息科学。后来，随着计算机科学和技术的蓬勃发展与广泛应用，人们认为计算机无所不能地处理一切信息问题，便改称计算机科学为信息科学。的确，把计算机作为计算工具和思维模型，应用于自然科学和社会科学的学科中，催生了一大批领域信息学。这时，理论计算机学科就当然是信息科学的基础，于是，计算机医学应用可以说成信息科学与医学的交叉学科研究，等等。在提出建立统一信息理论（UTI， Unified Theory of Information）之后，学者们终于把信息现象中的共性问题和个性问题加以区别，认为信息通信、控制和计算都属于人工信息过程，显然不能涵盖自然信息现象和生命信息现象。这时，对于信息知识体系的基础研究才进入到新的水平，提升到“理论信息学”的高度。

过去和现在从事通信、计算和控制理论研究的学者一定会说，他们所研究的领域中都有自己的理论体系。这当然是有道理的，但是也不尽然。在此，我们不谈通信和控制理论问题，而以人们比较熟悉一些的计算理论为例进行讨论。显然，冯 诺伊曼的计算机逻辑模型是关于计算工具的结构的理论，不是真正的关于计算的理论，布尔的理论、图灵的理论、波斯特等人的理论才是。如果数学家们站出来说，那些都是数学科学的理论，而不是计算机科学的理论；计算机科学不过是物理科学的微电子学和数学科学的离散数学、构造性数学的结合与应用；那么，计算机科学家们如何才能够说明“计算机科学具有自己坚实的、系统的、独有的理论基础”呢？所以，有的专家说，只有计算机技术，没有计算机科学，并不是很过分的。

正如维纳在《控制论——在动物和机器中的通信与控制》中所指出的，通信的原理和控制的思想在人、动物、机器中是一致的。冯·诺伊曼说，计算机、人脑、细胞的计算原理是相通的。他们在说这些话的时候，都经历着角色的变换：由信息通信、计算和控制工程师的角色转换为一个信息科学家，甚至信息哲学家了。维纳说：“信息就是信息，不是物质，也不是能量。今天，不承认这一点的唯物主义再也不能生存下去了。”这时候，他是在讲哲学问题，预见在信息时代中的哲学家们不能不承认信息的哲学本体论的地位。维纳提出的是哲学命题，是他所研究的科学命题的升华。在工具信息学科内，我们可以看到，机械的电子的通讯、计算与控制设备中可以量化并以数学公式准确表达只是信息的物质载体，而不是信息本身。信息不是物质，这个命题的正确性在生物信息过程和社会文化过程中更加明显地可以观察出来。

所以，我们在发展领域信息学的时候，不仅使用了通信、计算与控制的技术和工具，而且使用了以工具信息学为基础的理论信息学和信息哲学的知识，来为之“鸣锣开道”。换言之，有许多工程师、科学家和哲学家都在与香农、冯·诺伊曼、维纳进行着同样的或类似的思考。其间的区别仅仅在于思考的深度不同，自觉性不同，以及表达的条理性、系统性不同。建立和发展理论信息学就是在信息哲学的观念指导下，以应用信息学的知识为原材料，进行提炼，得到在一般的信息科学意义上的概念、原理与方法。如果应用信息学以技术和工具的形式推动社会信息处理电子化、智能化的话，那么理论信息学以观念和方法的形式推动人们对自然现象、思维现象和社会现象中固有的信息过程及其规律进行深入的揭示和说明。所以，产生了“工具信息化”和“观念信息化”的说法。

理论信息学的研究对象是一般意义上的信息和信息能，它的研究内容是在宇宙间一切信息现象中起作用的规律，它的研究方法是在各类信息过程中通用的程序和规则，它的研究目标是为领域信息学确立公共的理论基础，为整个信息科学大厦奠基，也为信息哲学提供科学依据。

2.2.4  理论信息学的目的和内容

如果说建立和完善应用信息学的目的是要解决我们在生产、生活和学习中的信息处理的实际任务的话，那么理论信息学的研究和建立是为了解决我们在观察自然、社会和思维现象中的认识问题。在本质上，物理过程、化学过程、生物过程、思维过程、社会过程都是信息过程。利用工具信息学和领域信息学的手段，当然可以使它们“信息化”。但是，实现“工具信息化”的自觉性来自于对过程认识的“观念信息化”。所以，包括教育信息化、国防信息化、城市信息化、企业信息化、农村信息化、卫生信息化等的“国家信息化^{[10，11，12]}”中，必然包含着工具信息化和观念信息化两个方面的任务。如果说，现在的每一个在校学生和社会成员都必须学习计算机科学技术知识的话，那么他们也必须同时学习理论信息学的基本知识，才能够做一个清醒的、自觉的信息化工作者。

具体地说，理论信息学研究的任务就是：揭示宇宙间一切过程的信息本质，刻画和描述信息过程的特征，分析过程中信息演变和创生的内在驱动力，刻画信息处理和生成能力转化的客观规律。有了这种一般的认识，就可以把应用信息学建立在坚实的理论基础之上，指导工具信息学和领域信息学的实际工作者减少盲目性、增加自觉性，做好工作，加速推动科学和社会的进步。

理论信息学包括三个方面的内容：① 关于信息的最一般的概念，主要是信息的本质，信息的特性，信息的定义，信息的分类，信息的度量，信息与物质，信息与智能，信息熵与信息负熵，信息能与物理能，能量的统一与进化等。② 关于信息现象的一般原理，比如信息演化在“量”和“质”方面的守恒问题，信息过程的动力特性，信息能演变的趋势，信息与信息能之间的相互转化等。③ 基于信息概念和信息原理的推论、结论、知识体系。

严格地说，理论信息学和信息学理论并不完全是一回事。在领域信息学中不仅有技术和应用，也有相应的理论，比如理论计算机学科就是例子。当然，领域信息学中的理论并不能顶替理论信息学的位置，理论信息学也不是领域信息学中理论的简单的“拼盘”。理论信息学把它们作为自己生长的基础和进行加工的思想资源。

关于上述内容的讨论，本书的安排是：理论信息学在整个信息科学中的地位在第2章，理论信息学的研究对象（工具信息学、自然信息学和社会信息学）在第3章，理论信息学的发展史在第4章，理论信息学概念信息和“信息二重性”在第5章，基本概念信息能的概念在第6章，信息学的三个基本定律在第7章，信息能与物质能的关系在第8章，生命信息能的进化在第9章，“智能”是社会前进的动力在第10章，理论信息学的世界观在第11章，信息科学方法论在第12章，“理论信息学的应用”在第13章，理论信息学研究的目标、方法与课题在第14章。

§2.3  信息科学发展简史

2.3.1  信息概念的产生和变迁

在20世纪20年代之前，信息概念在东西方的使用，尤其在英语和汉语中的使用，其范围一直局限在人类日常生活和文学作品领域里，含义多指关于人的消息或事物的报道。从20世纪20年代起，一些数学家开始尝试着把这个概念引进统计学。此后不久，通讯科学家把它引进到电子通讯工程研究中，但它的主要应用范围仍旧局限于人类生活和文学作品里。这种局面一直延续到20世纪20年代后期。

从1948年开始，由于香农就通讯工程信道容量的研究创建了一套出色的统计理论，一时间，信息概念在通讯工程中开始流行起来，并第一次超越了它在人类生活和文学作品中的出现频率。同时，由于维纳关于在生物和机器中通讯和控制问题的研究成果的问世和普及，信息概念又迅速地扩展到了生物学、哲学、心理学、神经病理学和语言学等研究领域。据统计，至20世纪80年代初，信息被引进的学术领域已不下30门。而至20世纪90年代中期，这个可观的数字已扩展至50余门。今天，在任何一门社会科学分支中，如果不想看到“信息”的出现已经是一件非常困难的事情，而在过去看来和信息概念完全不相干的物理、化学、生物、天文、地理和部分技术科学中，也随时能够见到“信息”概念的频繁出现。

关于信息概念的产生和变迁，闫学杉用以下的表格（表2-1）的形式给以简明的描述。

表 2-1  信息概念的产生和变迁

2.3.2  通信、计算和图书馆信息研究

（1）关于通讯的信息论研究

由于信息概念在使用领域上的不断膨胀，使得人们一直希望出现一门真正的信息科学，它所关注的信息，既不仅是文献学家所说的那种，也不仅仅是计算机科学家所说的那种，它的范围应该更加广泛。于是，在20世纪80年代末至90年代初，一种朝着这个方向努力的第三种信息科学出现了。这种信息科学有时被称之为“广义信息论”，它不仅包含了香农信息论的内容，有时还包括信号处理方面的内容。更重要的是，它试图把工具的、自然的、生物的和社会的等众多类型的信息也作为它的研究范围。人们期望它会成为新的信息科学的代表。但由于这种信息科学仍旧把基础建立在香农的概率信息理论之上，而香农理论至少在解释细胞信息和社会信息方面是失败的，因而这种信息科学的基础从一开始就表现出某种脆弱性。我们可以把这种信息科学叫作“概率论信息科学”。

在中国，北京邮电大学钟义信教授于1988，1996，2002年连续出版《信息科学原理》三个版本，致力与建立“广义信息论”，当时也叫“信息科学”。他于2005年出版信息科学原理（教程）。它们主要包含四个方面的内容：第一，信息科学的定义和体系；第二，全信息理论；第三，用全信息理论把原先相互独立发展的识别论、通信论、知识论、决策论、智能论、控制论、系统论综合成为一门统一的信息科学理论；第四，信息科学方法论。

在美国，1989年由纽约斯普林格—沃拉格出版了H．若尼克夫的著作《现实的幻觉》，其中包含五个方面的内容：第一，信息度量的数学问题；第二，物质的测度与信息；第三，信息处理系统与信号检测原理；第四，生物信号检测与信息处理；第五，模式的结构与知识。

（2）计算机科学领域中的信息研究

1959年，在美国宾夕法尼亚大学莫尔电子工程学院，首次出现了“信息科学”的概念，它被用来代表一组计算机方面的课程。但此后的计算机学术界，并没有在信息本体或更大的范围上就信息的理论问题进行任何探讨，使其仅限于计算机科学可以用信息科学来指称的形式上。四年后的1963年，第一次计算机与信息科学（Computer and Information Sciences）的国际会议在美国西北大学举行，它后来被简称为COINS-63会议。这种会议以后每三年举行一次。这种现象被美国计算机学会课程专业委员会注意到了，1968年，在给计算机科学的本科生进行课程设计时，该委员会提出建议，希望把计算机科学称作“计算机与信息科学”，其目的是“能够在更大的范围内考虑问题并强调正在被处理的信息”。

目前，在计算机科学领域中，关于计算机科学的定义，大致有如下几种说法：

① 有人认为它是研究计算机器的学科；

② 有人认为它是研究程序设计的学科；

③ 有人认为它是研究信息处理的学科；

④ 也有人认为它是研究算法的学科；

⑤ 而西蒙和纽威尔则说，它是一种研究符号处理的学科。

（3）图书馆与信息科学研究

20世纪60年代中期，计算机在文献检索试验方面闪露出的曙光，极大地刺激了图书馆学家们的兴趣，他们迅速地用“信息科学”这个概念来代表他们对文献信息的研究。于是，人们只好用“图书馆与信息科学”（Library and Information Sciences）和“计算机与信息科学”（Computer and Information Sciences） 来区分上述两种所谓的“信息科学”：图书馆学与计算机科学。1970年，英国的《自然》、美国的《科学》，以及《美国经济评论》、《美国文献学》等杂志上刊登的数百篇论文，论述信息、科技文献学、文献计量学、科学交流和传播、计算机信息检索。

1970年，纽约R.R.伯克出版社出版了T.萨拉塞韦克编辑的《信息科学导论》（Introduction to Information Science），其中主要论述了四个方面的内容。

第一，信息的基本问题。即信息概念的含义、信息的属性和信息传播过程等；

第二，信息系统。即信息检索系统、信息的获取、信息的表示方式、信息的组织、处理及检索过程等；

第三，信息系统的评价。即信息系统中人的因素、信息系统的测试、信息和经济增长等；

第四，科学交流和普通的传播理论。

2.3.3  信息科学发展历史时期的区分

关于信息科学的发展，许多著作家都是以香农信息论为起点进行介绍，即把香农1948年发表《关于通信的数学理论》作为信息科学的开端。这有一定的道理，因为香农的确综合了前人的成果，并且把他们的结论大大地向前推进了。但是，正如香农本人在关于信息论的原始论文中所说，“奈魁斯特和哈特莱的文章已奠定了这一理论的基础。”而且，他在论文的注解当中说，他的“通信理论显然地受到维纳的许多基本思想和理论的影响^[13]”。任何信息都是以形式与内容、具体与抽象相结合的方式存在和变化的。与控制和计算相比，只有通信能够只研究信息的形式，而不考虑信息的内容（含义），宣布通信工程与信息的语义无关。实际上，通信只是控制和计算的基础，信息过程的核心是计算，目的是控制。在一定意义上说，通信的重要性远不如计算和控制。但是，在“控制”只是极少数军事专家的工作，而“计算”更是身居象牙塔尖顶的时代，人们把通信理论说成是整个的“信息论”是完全可以理解的。但是，现在我们回顾这段历史，就不能从当时公众的接受程度看问题，必须从事实和科学的角度来研究信息科学理论发展的内在逻辑。

为了明确理论信息学在整个人类科学知识体系中的地位和作用，必须首先给信息科学历史的定位。在第1章，我们提到，可以把科学的发展分为史前时期、物质科学时期、能量科学时期、信息科学时期、智能科学时期等五个历史时期。第六个时期就应当是物质、能量、信息、智能统一的科学时期。现在，换一个视角，如果把物质科学和能量科学合并，把信息科学和智能科学合并，那么也可以把科学知识体系的发展大致地分为四个时期：科学史前期、物质科学时期、信息科学时期、统一科学时期。人类对自然和社会的认识，经历了史前期（神学阶段和形而上学阶段，详见第12章第2节）之后，开始用经验的、理性的方法考察它们的物质特性，建立了以物理学为代表的物质科学体系。从通信、计算与控制等信息工具为生产、生活服务开始，人类便进入了信息科学时期，自觉地考察自然和社会的信息特性。到信息科学基本成熟，特别是它有了自己独特的基础理论之后，综合物质科学和信息科学、建立统一科学的任务才能真正提到议事日程。

可以把信息科学的发展分为五个历史时期：信息学史前期，工具信息学时期，领域信息学时期，理论信息学时期，统一信息学时期。信息学史前期与工具信息学时期的划分以1924年为界。所谓工具信息学是对通信信息论、控制论和早期计算机理论的统称。在20世纪30年代初期，通信、控制、计算的技术和理论都已经到了比较成熟的程度，但是靠科学家个人的努力和有限的财力，无法完成需要巨大投资和科学家通力合作的信息工程。第二次世界大战中，所有的大国都几乎全力以赴地投入战争，为了争取主动、赢得战争，以巨大的人力、财力、物力推动通信、火炮控制以及计算机等方面的技术与工程迅速发展。香农、维纳、冯·诺依曼等科学家当时就分别在通信、控制和计算机领域中活跃地工作着。他们在战时的工作，终于在战后不久开花结果。第一台现代电子数字计算机、通讯理论和控制论分别于1946-1948年间公诸于世。把整个工具信息学开花结果的年代定为现代信息学的起点，显然是不合适的。

在香农之前，人们已经发现通信的效率与可靠性之间的要求存在一种理论上的极限。在一定的条件下，要同时实现上述两个要求，会遇到不可克服的困难：要减少噪音的干扰，消息传输速率就得降低；反之，提高了传输速率，就不能有效地避免噪扰。这样，从电讯通信的实践中提出了一种发展相关数学理论的要求^[14]。1924年，奈魁斯特和库普弗缪勒各自独立地提出，电讯信号的传输速率与信道频带宽度之间存在着比例关系。这种想法被哈特莱在1928年推广了。此外，哈特莱还提出，有可能用信号数的对数来作为信息的量度。信息是可测的，可以用数学方法对信息从数量上加以测度，这是信息论的一个重要概念基础。他明确指出，电信号通过频率、时间和幅度等基本参数的变化来反映所携带的信息，但是通信系统中信息数量的大小仅与发信者在字母表中对字母的选择方式有关，而与信息的语义无关。在此基础上，他导出了第一个信息度量的公式：

I = logSⁿ = n logS.

其中，S是字母表的字母数目，n是每个消息所含的字母数目。

控制理论发展的初期，在二战前是以反馈原理为基础的自动调节理论，主要用于工业控制。因为军事需要，它才用于设计飞机和船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等武器装备。二战前的机电计算机以继电器为元件，速度较慢，主要原因是没有将逻辑算法同开关电路结合起来。1937年，在美国麻省理工学院做研究生的香农在白煦教授的指导下，撰写了“接点电路的符号分析”的论文，解决了用电子线路实现布尔代数逻辑运算的问题，为电子计算机的研制开辟了道路^[15]。

领域信息学的发展，以1959年为起点。因为在这一年，美国宾夕法尼亚大学莫尔电子工程学院首次提出“信息科学”的概念，用来代表一组计算机方面的课程^[16]。自从计算机课程走进课堂，计算机被用来解决各个领域内的具体信息处理的问题，相应领域中特有的信息学就开始生长了。计算机普遍、广泛、深入地运用，是领域信息学大量涌现的主要原因。比如，在医学信息处理领域内，开始叫计算机医学应用，后来相关知识系统化，就形成医学信息学这个新的学科。

从1994年国际上召开第一次关于信息科学基础理论研究的会议，提出建立统一信息理论以来，开始了理论信息学的新时期。闫学杉提出统一信息学是关于“共性”的信息学，而部门信息学是关于“个性”的信息学^[17]。两者也可以分别称之为一般信息学和领域信息学。它们进一步被分别称之为理论信息学和应用信息学，如同数学可以分为理论数学和应用数学一样。这种区分有利于指示两者之间的目标与分工，说明理论信息学的建构方式：对领域信息学的跨学科大综合。可以估计，大约在奈魁斯特理论提出100周年时，理论信息学就可以成为一门完全成熟的学科。那以后，统一信息学的研究就可能全面展开了。

本章思考题和练习题

1．什么是科学？什么是技术？信息科学与信息技术的关系怎样？

2．信息科学属于自然科学，还是属于社会科学？或者它属于第三种科学？

3．什么是工具信息学？你对三门主要的工具信息学了解最多的是有哪一门？

4．什么是领域信息学？你对计算机在哪几个领域中的应用有比较多的了解？

5．理论信息学的目的和任务是什么？

6．你在日常生活、工作和学习中，接触到哪些与信息有关的实际问题？如果把它们上升到理论的层次上分析，有意义吗？

本章主要征引和参考文献

[1] 李建珊．科学方法论概览．北京：科学出版社，2002. 58-61．

[2] 宋健．现代科学技术基础知识．北京：科学出版社，中共中央党校出版社，1994，6．

[3] 宋健．现代科学技术基础知识．北京：科学出版社，中共中央党校出版社，1994，6．

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[14] 钟义信. 信息科学原理（第三版）. 北京： 北京邮电大学出版社， 2002，10.

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