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李宗荣：《理论信息学概论》第六部分
第6章 信息能:构成宇宙的第四要素
宇宙万物具有两个最基本的性质，物质属性和信息属性。以往的科学和哲学对事物的物质性研究得比较充分。自维纳以来，开始注意事物的信息属性，即把所有的研究对象“一分为二”，它们既是物质的，又是信息的。于是，有宇宙构成要素三元论（物质、能量、信息）的说法。我们认为，还应当再向前进一步，把推动事物运动的能量“一分为二”，既有物质能，又有信息能。承认信息能（即“信息处理能力”）在本质上不是物质能，它应当是构成宇宙的第四个要素。“宇宙构成要素四元论”是本书立论的一块理论基石。据此，信息能在信息科学中的地位，才能像以往的“能量”在物理学中的地位一样，被确认下来，被深入地加以研究。当然，信息能具有与物理能不同的性质，比如难以量化，实验的可重复性差，没有精确的预见性，等等。它需要科学层次论和信息科学范式给予合理性证明。
§6.1 能量一分为二：物质能与信息能
6.1.1 什么是信息能
在理论信息学的层次上看，信息能是信息运动的动力和新信息创生的能力。信息能的英文表达是information energy，或info-energy。
在1999年10月号的美国杂志American Gas（美国汽油）上，登出K．Cuccinell的论文Can you keep a secret?（你能保守秘密吗？）该文有一个80多英文字的摘要，译成中文是：
“在撤消（水电限量供应的）管制规定之前，在能源工业中，个人隐私不会是一个倍受关注的问题。在今天的竞争环境中，公共事业公司必须与（水电等）能源提供商（energy suppliers）共享他们的客户数据（consumer data）；因为有‘理论’说，卖方所拥有的关于客户的信息能（information energy）越多，那么他们所能提供的能源产品、价格和提供的服务就越好。为了满足顾客和卖方之间相互抵触的需要，公共事业公司能够求助于密码技术，用来保护客户的隐私不受侵犯[1]。”
在1999年11月，K．Cuccinell又在Public Utilities Fortnightly（公共事业双周刊）上发表题为Consumer privacy? It’s a cyber cinch（客户的隐私是网络时代中的必然问题）的文章。作者重申上述“理论”，并明确说明，所谓信息能还包括客户的“敏感数据”（如客户的经济状况和生活嗜好），建议卖方通过客户授权口令，阅读加密的客户光盘只读存储器[2]。
在上述两篇文章中，K．Cuccinell十分明确地使用了两个能量的概念：其一，是传统意义上的物理学的能量、能源（energy）；其二，是客户数据，客户信息，信息能（information energy）甚至包括客户的经济状况和生活嗜好等等。作者一再说明一个“理论”，关于客户的信息掌握越多，或者说信息能越强，那么卖方所提供的产品、价格和服务就越好。显然，这里不是物理能，而是信息能在推动着能源提供商—公共事业公司—客户之间的互动的过程。
2001年，在湖北大学数学与计算机科学学院“生命信息学讨论班”上，李宗荣、田爱景、余克庆等提出质疑：宇宙构成要素“三元论”（物质、能量、信息）就够了吗？物理学的能量概念能够圆满解释信息运动的过程，说明新的信息创生的机理吗？当时，对上述两个等价问题给出了否定的回答：“不能”，“不够”。李宗荣明确地提出了关于“信息能”的概念，并合成了一个新的英文术语information energy，简称为infonergy（不是后来用的info-energy）。在“信息能”概念的基础上，还提出一个信息科学的假说：信息能，即信号和符号的能量，是信息系统调整内部结构、协调其外部功能的动力，是一切生命行为的根本原因。其理由是：从表面上看，好象是物理学的能量在推动着信息运动，比如计算机必须要电源；但是，从根本上说，信息能（程序或算法的能力）才是推动信息运动的根本原因。更进一步，我们提出，构成宇宙的基本要素是四个：物质，物质能；信息，信息能。这就是“宇宙构成要素四元论”的命题。在2002年7月31日至8月2日在中国北京召开的第四届中日韩医学信息大会上，李宗荣、田爱景、吴晓玲、廖名学共同发表了题为Information Energy：the Fourth Component Element in the Universe（《信息能：构成宇宙的第四要素》）的论文，介绍了上述研究成果，主张把智力的重要性提到前所未有的高度，并把开发和利用智力资源作为一切生命体或包含生命现象的复杂系统追求生存与发展的首要策略。该英文论文被会议程序委员会收录进论文集《CJKMI’2002》。该论文的中文版发表在《中国医药卫生信息》2002年创刊号第401-404页[3]。
在2003年7月《湖南师范大学社会科学学报》上刊登中南大学商学院博士生陈建国副教授的文章《信息的新财富观与组织学习的信息能循环机理》。他的研究结论是：
“财富价值的本原是能量，信息能是社会系统财富增值链的终点；社会系统的可持续发展必须以积累和运用信息能为最高目标；信息选择依靠社会系统的多重信息能催化循环机理实现社会的组织学习，积累可持续发展所必须的信息能只有通过社会的组织学习方式才能实现[4]。”
陈建国认为，“信息能是社会系统能量结构的重要组成部分，是人类社会在生产过程中不断培育、积累的具有最高能级的智慧能。”“以信息为核心的信息能包括了主体学习周期的所有环节，如信息、知识、技能以及获取和应用信息的能力。”“人类的生产过程是一个一物质为载体的能量物质产出和以知识为代表的信息能产出共生的过程。”
2004年6月，在美国Global Power Report（全球能源报告）上发表一篇新闻，题为AES subscribes to 86% of Gener capital increase； plans to sell stake（AES公司承购86%的Gener股本增值，计划出售股份）。在消息中说：
“通过AES公司信息能机构（AES Infoenrgy），拥有了96.7%南巴西公共事业公司，为在信息能（infoenergy）市场上开始股权收购而向证劵管理局登记。该信息能机构（Infoenergy）将为每一份常规的或特约的信息共享服务提供Ｒ$9，360元，并且估计该项业务花费R$15亿元（合4亿8千万美元）[5]。”
2004年10月，李宗荣在华中科技大学系统科学研究所答辩通过了题为《理论信息学：概念、原理与方法》的博士学位论文。其中，用两章（6．宇宙要素四元论：物质，物质能；信息，信息能。 7．信息能与物质能的统一与进化。）的篇幅比较系统地论述了信息能的概念，信息能与物质能的关系，它们的相互转化与共同进化等。该论文全文在2004年第12期至2005年第5期《医学信息》上分六期连载[6]。
从以上中美学者的论述可以看出，在物质能之外确实存在一个关于信息能的概念，其内涵和外延大致相同，在中英文学术交流中使用着。
6.1.2 “信息能”概念的合适吗？
2005年11月5-7日，在北京师范大学召开的“信息科学交叉研究学术研讨会“上，有的学者提出，“信息能”的概念不合适。其理由是：能量是物理学的术语，不能与信息捏到一起，而且译成英文是Information Energy，更不合适。当场，四川大学陈雨思副教授站起来反驳说：仅仅用物理学能量的概念来解释信息学现象是不够的；信息既然是一种抽象的存在，当然有一种逻辑的力量在起作用；信息能的术语我们都用习惯了。在会后，李宗荣与持不同意见的学者展开讨论。后来，大家都认为，既然物理学的能量不能说明信息（基因，特别是人类文化）进步的机理，当然需要一个表示“信息Power”、“信息Force”，或“信息Capacity”的词。
那么，用Information Energy在英语中合适吗？我们暂且不说美国学者已经多次使用它的事实，就是从美国英语词典中都可以看出：把Information 和Energy捏在一起正是词中的本来含义。在美国的Webster’s New World Dictionary （Third College Edition）“韦伯词典”（大学版第三版）第49页上，在Energy的词条的解释中首先说，它的来源是“LL energia < Gr energeia < energes， active， at work < en-，in + ergon， work”。然后，解释它的第一个意义：“orig. force of expression or utterance.”译成中文，可以是“该词最初的（本来的）含义：表达或话语的力量”。语言或文笔的力量，当然是信息学的力量，而不是物理学的力量。在“Energy”的解释中，第五个才是：“Physics the capacity for doing work：” 译成中文是：“物理学术语 做功的能力”。
在国内的世纪版（Century Edition）《新英汉词典》（A New English-Chinese Dictionary）中，Energy的意义为：（1）活力，干劲，（语言、文笔等的）生动有力；（2）精力，能力，力量；（3）【物】能，能量，能源。这里，第三个解释是物理学的专门术语。
所以，在中英文词典关于Energy的解释中，可以被分为两个类型：信息学的力量，物理学的力量。由此可见，说Information Energy 和 Material Energy，在词源学和语义学的意义上是有依据的。
正如我们暂时地撇开事物的物质属性有利于讨论信息属性那样，暂时地撇开物理学能量有利与讨论信息学能量。在人类社会层次上信息能就是“智能”。其实，如果赞成把“智能”概念泛化，那么广义的智能就是信息能，即信息“做功”的能力。物理学术语“功”（Work）本来的意义就是做工作，做事情。人们做报告、写文章、出主意就是信息学意义上的做功。
当然，用Capacity或Force， Vigor等也可以表示能力。但是，用来表示文笔、话语、信息能力的词，就数Energy最合适、最贴切。把它用来表示物理能力还是后来的事情。所以，把Energy一分为二，它包括信息能和物质能，既表明它们互补，又体现出对Energy本来意义的回归，还可以表达由物质科学范式向信息科学范式转换的大趋势。这样，确立了信息能的地位，在物质、（物理学）能量、信息之后，加一个信息能（或广义智能）的概念，就水到渠成了。宇宙构成要素“四元论”是必然的结论。
6.1.3 物理学能量不是信息运动的真正动力
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，推动信息过程的能量果真是物理能吗？
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？信息和推动信息运动的能量显然不能混为一谈。比如计算机中的数据是信息载体，推动数据运动的是程序、是数据搜索与处理的“引擎”。程序是某种算法的实现步骤，而算法是人类思维能力的形式化与外化。离开了程序，只给计算机通电，它什么也不能做，数据只能处于静止的存储状态。
显然，要将给定的100个数据由大到小排出顺序来，必须编写一个排序的程序才能完成任务。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。这样，就需要一个新的基本概念：“信息能”（Informational Energy， or Infoenergy for short）。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， or Matenergy for short）与信息能两个大的类别。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。一个人满腹经纶，却可能不会应用，智能很低，无所作为。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。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。“宇宙构成要素四元论”是人们的生活常识所能理解和接受的。
6.1.4 物理学能量不能解释信息增生的机理
世间万物既是物质的，又是信息的。对于一切生命体和包含生命现象的复杂系统，其信息特征是本质的、关键的。我们绝不会认同这样一种观点：人不过是处理物质与能量的活体。那岂不等于说，人只是生男育女的酒囊饭袋？人首先是一个不断成长的信息处理系统，不断地积累知识，提高智能。为实现人生最高追求而不断学习、适应、创新，才是人们一生活动的主要形式和内容。人是如此，动物亦然，连机器人也是[7]。难怪有的专家把生命定义为“信息处理系统”[8]。
在生命世界中，信息现象比物质现象更为重要。那么，在非生命、无机物世界中有没有信息和类似于智能的现象存在呢？根据生命信息进化论原理[9]，任何高级复杂的生物智能总来自初级的智能行为。尽管在较高层次上涌现出新的特征和规律，但是它也必然包含着低层次上的基本特征。如果向下追朔到DNA的信息活动，那就是生物大分子结构的相互识别，自我组织，以便实现自身结构的复制和增生。这一特征同晶体在结晶过程中的能力是一致的。只不过这时的信息特征是非生命的，而且其信息过程极为原始、简单而已[10]。
可能会有不同意见，认为：结晶体的形成只是个物质过程而已，靠物理的力推动运动过程，与信息和智力不沾边。我们认为：物质过程和信息过程是同一过程的两个方面。如同一枚硬币的两面，同时存在，不可分离。比如计算机系统，在微电子学专家看，100%是个物理过程。但在软件工程师看来，那本质上是一个信息过程，因为其过程虽然包含物质的运动，能量的消耗，但其本质上是信息（数据、知识、决策等等）运动。所以，某事物是物质的还是信息的，看你的观察角度如何。就象一个圆柱体，从顶部往下看是一个圆，从侧面投影是一个矩形，而这圆和矩形的确存在于一个统一体中。
在人类文明层次上观察，智能和知识虽然有联系，并可以在一定条件下相互转化，但显然不是一回事。离开智能活动，知识处于完全静止的存储状态，是死的。比如，已经消失的一个人种曾创造过灿烂的历史文化，但其书面记录至今无人能解读它。这种信息的存在岂不是没有一点活力？所以，“知识就是力量”的前提条件是：有人的智力对知识的认识和利用。一般地说，信息是一种潜在的力量。特殊地说，科学技术只是一种潜在的生产力。
信息能是构成宇宙第四要素命题的提出和被广泛接受，只是个时间早晚问题。它是信息社会运转动力在理性上的升华。对人类社会发展与科技进步而言，智能要素扮演着关键性角色。无论对个人、单位、民族，还是对动植物、人造复杂系统，他们要在进化与竞争中争取优势地位，其智能进化都是十分重要的。教育与训练是人们增加知识、增长才干的速成方法。教育不仅是知识传播，更重要的是智能的提高。智能不仅是接受、理解和运用知识的能力，更是知识创新的能力。知识的活化与增生，全靠智能的作用。所以全社会应当把开发和应用智力资源提高到十分重要的地位。
6.1.5 信息科学需要一个“信息能”的概念
我们需要一个概念来表达信息运动和信息生成的“动力”。如果说物理学的能量概念勉强可以说明化学信息过程的机理，那么到了生物和人类社会的层次上，物理能的解释能力受到局限，甚至丧失了。在每一个恩爱情仇的故事中，当事人的行为的调控都是感情、认知、判断、决策。虽然这种信息行为要由分子、原子、夸克来作为物质承担者，但是物理学的定律绝对不能给出合理的解释。这就像上班时间车流高峰必然堵车，武汉高校故意把放假的时间错开以减小对交通系统的冲击。这些是用强力、弱力、电磁力和万有引力不能够加以解释的。对于计算机系统，物理学的微电子学专家只能解释其硬件过程，不能解释其软件过程。所以，物理学的解释不能代替信息学的解释，信息的过程只能用信息学的力量来解释。
过去，物理学可以撇开对象的信息侧面，专注于物理的、化学的、生物的、甚至社会的物质运动，研究“社会物理学”。今天，信息学当然也可以暂时地撇开对象的物质特性，专注于它的信息规律性。就是在物理学中，水分子的运动规律并不是必须用氢气和氧气分子的运动规律来解释。联合国的游戏规则与家庭成员之间的游戏规则不会是一样的。如果这些显然的道理仍然不能改变一个人的“思维定势”或他心目中的“科学范式”，那么就难以继续讨论下去了。
6.1.6 T．史东尼的泛化智能及其局限性
英国物理学家T. Stonier论述了从宇宙构成的物质“一元论”到物质、能量“二元论”形成的过程。16世纪伽利略提出能量的概念，到19世纪焦耳论述不同种能量转换规律，才确定了能量的科学定义。20世纪中叶，电话网及计算机技术的进步，N. 维纳提出物质、能量、信息“三元论”并被逐步接受。在人类进入21世纪之初，我们认为科技文明应当进入到四元论层次，明白地确认信息能（智能、或泛智能）的地位。T. Stonier几乎用一整本专著探讨智能和智能谱问题。他认为，人有智能，动植物有智能，海豚有智能，植物的本能行为包含智能。智能行为不一定需要神经系统和大脑。在一般亚生物系统之中也有智能，而在晶体、黏土的结晶过程中也有类似智能的行为[11]。
事实上，T. Stonier已经把智能（Intelligence）的概念泛化了。但是他没有抽象出信息能的概念并把它上升为宇宙四大要素之一的高度。其认识局限的根源首先来自维纳三元论的束缚，其次是物理学思维定势的禁闭，因为要把他倡导的“信息物理学”纳入物理学体系，必须服从E=mc2公式。这样，信息必须是与能量可以转换的，最后实现与物质转换。于是，他把信息定义为“组织一个系统的能力”，并说“一个系统失去的能量刚好等于信息增加”。在此基础上他把智能定义为：物质运动的一种状态和情况[12]。因此，我们认为，提出四元论不仅是对三元论的一种发展，也是对维纳思维模式的突破，是认识论、方法学上的重大进步。
§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
在非生命世界里，信息的相互作用还没有同物质的相互作用分别开来，系统结构的稳定程度完全由物理学的力量所决定。（这类似于早期的计算机系统，没有软件和硬件的区分，计算机生产厂家把软件作为硬件的“操作说明书”，以随机资料的方式提交给用户。）在物质系统世界里，低层次的系统常常更加稳定一些。当一个系统瓦解时，它的各个组成元素自身的系统结构还常常可以继续保持。例如，分子瓦解了，原子结构不变；原子核破坏了，其中的质子和中子还可保持完整。在生命世界里，氏族公社解体了，家庭还在；家庭破坏了，个人还在；生物个体死亡了，它的某些器官、组织和细胞可以仍然具有活力；细胞凋亡了，许多生物分子并不破坏。为什么会这样呢？因为信息的作用是以微弱的物理力的作用表现出来的，它的作用效应当然不如强大的物理力。而且，物理力是盲目的，没有价值判断，没有自由选择，不会在作用过程中突然地改变主意，所以具有较为稳定的作用效应。在生命领域中，在较高层次上，物质的相互作用较弱，而信息的相互作用较强。高层次系统的稳定性主要是靠信息的力维持的。一个国家、一个团体、一个家庭的凝聚力，就是信息的力，即信仰的力，传统的力，文化的力，等等。
关于系统的复杂性问题，一般地说，低层次上的系统具有较高的“物质复杂性”，而高层次上的系统具有较高的“信息复杂性”。不可以笼统地说，低层次系统具有较高的复杂程度。如果不考虑信息的作用，依照物质科学一家之言，就会说：“上层系统并不是一定比它的下层系统更复杂。比如象H2 O这样的分子，其结构要比组成它的氢和氧的原子结构简单得多。细胞群体的结构要比组成该群体的细胞的结构简单。” 拉兹洛指出：“当我们从初级组织层次的微观系统走向较高层次的宏观系统，我们就是从被强有力地、牢固地结合在一起的系统走向具有较微弱和较灵活的结合能量的系统。”“系统进化创造出来的等级不单单是结构等级，而且还是控制等级[13]。”较高层次上系统的复杂性主要表现在它的信息调节与控制的复杂性。
6.2.2 物质系统构成的层次性
物质进化的层次性，指非生命界和生命界物质系统层次在宇宙进化过程中由低到高的顺序排列。这里所说物质系统的层次，并不是指物质结构上的分层排布现象，而是依据它们在系统结构上的关系划分层次的高低。自然界的任何物质形态都是一个系统，或是一个系统的组成元素。低层次的系统含有成为高一层次系统组成元素的内在条件，并在一定的环境条件下转化为高一层次系统的组成元素。高层次的系统中因此也就包含了低层次的系统，并可以在一定的条件下瓦解为若干个低层次系统[14]。
层次性是物质系统之间的纵向联系，而一个物质系统与其环境中的其他物质系统之间的相互作用，则是物质系统之间的横向联系。横向联系是纵向联系的基础。由于横向联系的存在，若干个物质系统之间以物质和能量的相互作用为基础，通过信息和信息能的交换，互相选择与约束，在结构上协同，在功能上放大，各方原有的自由度减弱，部分属性丧失，形成了一个整体，产生出一些新的结构、属性和功能，于是就产生了一个高层次的物质系统。高层次的系统与相同级别上的其他系统的横向联系和相互作用，产生更高级别的系统。随着每一个新物质层次的形成，总会有新质的突现和新功能的问世。这样，物质系统便由简单到复杂，由低级到高级，不断进化，系统之间的纵向联系也就在进化的过程中逐步地建立起来了。
自然界中各种各样的物质形态可以划分为非生命世界和生命世界两大类。在非生命世界中，夸克是目前已知的最低物质层次。若干夸克结合在一起可以构成基本粒子（强子）。若干个基本粒子（主要是质子和中子）通过强相互作用而构成原子核。原子核通过电磁相互作用而构成分子。这几个层次属于微观领域。分子结合起来而构成分子体系、凝聚态物体以及卫星、小行星、恒星等，这些属于宏观领域。由基本粒子、原子、分子所构成的恒星通过引力的相互作用构成星系和星系团，星系团通过引力的作用构成总星系，成为目前已知的最高层次。星系及其以上的物质层次统称为宇观领域。
在生命世界中，最低的物质系统层次是生物大分子——蛋白质与核酸。生物大分子组成细胞器，细胞器组成细胞。细胞是生命活动和生物体形态结构的基本单位。细胞的形态和生理功能发生分化，形成不同的生物组织，不同的组织形成器官，由器官组成了执行各种生理功能的系统，不同的系统组合成生物个体。个体联合而成为种群，它是物种存在和繁殖的基本单位。生活在一定区域的不同生物种群形成生物群落，生物群落及其所生活的无机环境又构成生态系统。地球上所有的生物和它们的物理环境组合起来就是生物圈，这是生物界的最高层次。
6.2.3 科学知识进步的层次性
在宇宙间存在三类进化着的系统：物理系统，基因系统，文化系统。对于这三种系统，运动的推动力和相互作用是不相同的、逐步进化的，新的运动规律是在进化过程中逐步产生的。在第7章第2节中将从另一个角度讨论这个问题。
（1）物理系统中的四种基本相互作用力
宇宙产生于没有物质、没有空间和时间的世界。在大爆炸之初，极高的宇宙温度不允许其他的粒子生存，不存在任何有形的物体，没有进行任何“实证研究”的对象。当时能量的形式是热辐射。热，控制着四种基本的物理力（强力、弱力、电磁力和万有引力）的出现。辐射本身以光子的形式产生和存在。光子的碰撞产生电子和它的反粒子。正是在热能的耗散过程中，产生了其他粒子，如中微子、夸克等。由于宇宙的进一步冷却，一些结合力开始发挥作用，产生新的物质组合。在弱力的作用下，夸克结合为基本粒子。在强力的作用下，质子和中子结合成原子核。在宇宙温度进一步下降，更有意义的现象出现了。在降到3000K时，由于电磁力的作用，氢核与氦核大量地捕获电子，形成原子。然后，分子结合生成分子体系和凝聚态物质。在引力场的作用下，氢、氦等中性原子逐渐凝聚为原星系、星系团和总星系[15]。在物理世界，系统内部和系统之间的相互作用力，是无机物的力，是盲目的力。在纯粹物理力的作用下，事物的运动完全遵循物理学法则。通过对物质和能量的量化，可以用数学公式描述物理运动规律。
（2）生物系统中基因程序和信号控制的能力
在地球上，我们受惠于太阳能的耗散和地球自身温度的降低。只是在合适的气温下，经过化学变化，才可能产生氨基酸、碱基、核糖、磷酸等单体。在离子和带电荷的表面，单体发生聚合反应，产生多聚体。能够复制的多聚体就是生命的雏形。在遗传密码产生之前就有了复制能力。在各种多聚体中，核酸多聚体在竞争和选择中脱颖而出。由于RNA具有酶的功能，便成为第一个成功的自我复制的大分子，也是最简单的无细胞的复制系统。地球上的第一批生命体由简单的自我复制的RNA分子组成，它们能够合成蛋白质等，最后这种RNA生物体产生DNA。DNA起着更可靠更稳定的遗传信息的作用。当能够自我复制的大分子以及能量物质进入到相对封闭的膜里面之后，产生细胞内外的信号通信和控制，生命的形式就进入到更高级的形式——细胞。细胞的共生现象导致多细胞系统。细胞间的信息传导与控制需要细胞分工，使得负责信息处理的细胞“专业化”，最后形成动物和人类的高级生物信息系统[16]。生命的本质是生命信息在时间和空间上的传递。所以，无论人还是其他生物，无论多细胞还是单细胞，无论有细胞复制还是无细胞复制，物质是载体，信息是本质；生物实体的寿命是十分有限的，生命信息却可以无限传递。这种运动形式，显然在物理学运动形式之外。生物运动靠的是生物自己新陈代谢中产生的力量。基因和信号系统是生物运动变化的组织者。
（3）社会系统中文化模式的影响与控制力
人类社会不同于蚂蚁和蜜蜂的社会。它不仅靠生物信号实现通讯与控制，主要靠符号文化实现知识的存储、创新和积累。人是理性的、能制造工具的动物，但是在本质上人是创造和使用符号的动物。符号是指一群人所认可的、能有意义地表达其自身及自身之外的事物的东西。符号是文化的载体。文化是人类的精神产品，有其自身的发展规律。R．道金斯提出文化基因MEME（密姆）的思想，把密姆看成是文化遗传的单位。如同精子和卵子可以离开现存的身体，进入到下一代的身体，密姆作为知识结构的单元，可以通过一个头脑到另一个头脑的自我复制，完成自身的繁殖。社会是一个有机体、一个自组织的系统。它具有自己的稳定性和延续性，也在从简单向复杂的方向进化着。在社会的运动变化中起主导作用的是文化模式。文化并不属于个别人，在个人眼中是外在之物，有时还是一种强制力量。它在许多方面迫使人们修正自己的行为。文化的力量像一只看不见的手在控制着经济、政治、社会心理、现代文明。在我们个人遇事做出决定的时候，总是受到一大堆来自家庭、组织、社区、种族、社团、政府和历史时代的压力，常常感到“人在江湖，身不由己”。人类的进化包含基因和文化两个方面。有了蜜姆，即使没有生物特性的进化，思想体系自身也能够进化。因此，涉及到人的社会事实只能用文化模式来解释，而不能用人类的物理、生理、心理特征来解释[17]。
6.2.4 科学知识体系的年轮模型
人们分别从物质和信息两个侧面单独考察宇宙间的现象，形成物质类科学和信息类科学两个大的知识体系。在物质科学中，以运动规律和它的物质承担者的一致性为原则，基本的运动层次分为：物理运动（微观、宏观、宇观），化学运动，生命运动，社会运动。“以不同的物质系统及其不同层次作为研究对象，形成了不同的学科及其分支学科。”在信息科学中，以运动规律和信息类别的一致性为基础，则可以看到信息的基本层次行为：无机信息，生物信息，文化信息。传统学科，特别是物理、化学，生物学，侧重于研究信息载体的特性。从人类基因组计划开始，生物学转向对基因信息的研究。对于信息的研究，形成了信息物理学、信息化学，生物信息学，文化科学，社会信息学，等等。
如果换成全方位的视角，从物质和信息两方面综合观察，从宇宙现象的进化层次上看，随着进化树的生长，在宇宙现象中不断出现具有新特征的事物，产生新的相互作用以及新的运动过程和规律，于是就形成物理、生物、文化等性质不同的层次（或领域）。随着进化层次的升高，事物之间物理力的作用逐次递减，而信息力的作用逐次递增。信息力是生物（或人造的目的系统）对物理力的大小和作用方向实施控制的程序的能力。由于研究对象的层次性，不同领域中的科学家共同体都会采取不同的世界观、方法论和理论体系，形成互不相同的科学范式。我们认为，按各类知识所描述的现象的进化程度，可以得到“知识层次论”，或“科学层次论”。即是把整个人类知识体系分为三个不同的层次：理化科学、生物科学、社会科学。它像树木的年轮那样，外层以内层为支撑，但外层具有不同的、更为丰富的内容。基因的自组织能力，必然以物理、化学的力为依托，但同时基因编程和运行程序的能力却不是物理、化学理论可以充分解释的，至于高等生物的“信号脑”和人类的“符号脑”则完全有一套特殊的运行机理，构成更为丰富的内容。在社会层面上，符号文化有特定的运动规律。当然，不能说生物力和物理力不存在了，而是说，社会学意义上的强制力的运用，驾奴和调节生物的力、物理力的作用方式和范围。理化定律，生物学原理照样存在，并发挥作用，只是其作用必须服从于、服务于文化力规定的“目标”和“程序”。
在这种科学的“年轮模型”中，不同的层次又有各自的内部结构。它们都可以有相应的数理性与反思性的学科，如逻辑、数学、哲学，等等。物质科学和信息科学分别在每一个层次上从不同的侧面研究对象，属于交叉科学或者横断科学。这样，“科学层次论”以宇宙进化的自然观为基础，把每一类科学都放在特定的位置上，既承认各类科学的特殊性和适用范围，又肯定它们之间的连贯性和一致性。甚至可以认为，科学层次论是一种比较合适的构造统一科学的途径。在这样一个科学的整体框架中，各类学科对号入座，各得其所。物理主义、生物主义、观察社会现象的个人主义，等等，便不攻自破。
当代科学的发展需要一个“科学层次论”之类的理论，与奎因提出的科学整体论互补。至于怎样称呼它，并不重要。一旦有了理论需要，它早晚会出生，总是会发展。但是，由于它切中了当代科学发展中的时弊，就像“重新洗牌”的主张一样，要打破了现有的力量均势，可能导致资源和“利益”的重新分配，所以它必然会遇到反对和抵制。
§6.3 宇宙构成要素四元论
人类对整个自然和自身的认识过程，可以看成逐步发现宇宙构成要素和掌握新要素演变规律的历史。换言之，一部科学发展史就是用科学的方法和手段逐步深入地研究物质、能量、信息和智能的过程。尽管对这些要素的研究不可能孤立地、独立地进行，但是我们仍然可以大致地把科学进程分为四个时期。如果我们把古代科学看成是科学的萌芽期或科学史前期的话，那么物质科学时期从16世纪中叶开始，以哥白尼的《天体运行论》（1543年）为标志；能量科学时期从19世纪中叶开始，以赫尔姆霍兹建立能量守恒体系（1847年）为标志；信息科学时期从20世纪中叶开始，以香农、冯诺伊曼和维纳的开创性著作为标志（1947年）；智能科学时代从20世纪末开始，以信息能概念和宇宙构成要素四元论的提出为标志（1999年）。
智能（Intelligence）的概念的出现是非常久远的事件。把人类智能过程物化、工具化，在语言、文字、印刷术、计算机、网络的发明中，步步深入。关于人工智能概念的提出在1956年，但是人类智能向工具和机器的转移，经历了算筹、算盘、机械式计算机、电器式计算机、电子数字计算机等多个发展时期。但是，这些主要是一些人造智能的技术，而不是智能科学本身。真正的智能科学至少要包含天然智能科学、人工智能科学和它们的结合。现在所说的人工智能科学不仅侧重于技术、理论成分不足，而且它的观念基础是“物质、能量、信息”三元论，没有寻找信息运动和信息创生的动力和机理的理论自觉性，更没有在信息概念的基础上专注于研究“信息能”的目标。信息能不仅仅是人类智能，还有其他生命和非生命形式的“智能”，是广义的智能。T 史东尼虽然没有提出信息能的概念，但是他泛化了智能概念，提出“宇宙智能谱”，成为信息能概念和宇宙构成要素四元论产生的前奏。
6.3.1 宇宙构成要素一元论
在科学发展的史前期，人类对物质的世界只有感性的认识，缺少理性升华。而且，原始的物质的自然观同宗教信仰是联系在一起的。人们对日月星辰、风雨雷电、生老病死的现象迷惑不解，所以有一种虚幻的自然观，即原始的宗教。自然崇拜和图腾主义由此而生。这些认识来自于考古学的发现，比如原始的壁画和埋葬品等，以及根据现代的“活化石”——当前最原始的部落习俗和古籍中关于远古人类的传说。所以，初级的物质一元论还没有同神学划清界限，谈不上科学的物质观。
1543年，波兰天文学家N 哥白尼发表《天体运行论》，矛头直接指向宗教神学的地心说。同年，比利时解剖生理学家A 微萨留斯发表《人体构造》，有力地驳斥了教会奉为经典的盖伦医学体系。他们分别从天体和人体向封建神学发动攻击，谱写了自然科学的独立宣言。1687年，牛顿发表《自然哲学的数学原理》，完成了自然科学的第一次理论综合，科学地解释了地球上的物体和天空中的物体的统一的运动规律。至此，关于组成世界的物质，人们看到了它的多样性，否定了上帝存在的必要性；关于物质的状态，人们看到了它的运动性，甚至不是必须有“上帝的第一推动”；关于物质发展变化的规律，也有了深入的了解。
人类要揭示物质运动、变化的内在机理，就必须有一个新的概念，能量。宇宙构成要素一元论向二元论的进步是必然的了。
6.3.2 宇宙构成要素二元论
牛顿的机械力学三定律用“力”的概念说明质点运动的过程。但是，仅仅用力的概念不能圆满解释一个常见的现象：一个金属球下落时的速度可以使它跳回来达到原来的高度。至于在热现象中的运动，仅用力的概念也难加以解释。于是，有人提出“活力”的概念加以补充，但反而造成了混乱。1807年，T．杨提出用“能”的概念来代替活力，代表运动的量，和“力”的概念划清了界限。
能量转化与守恒定律是十九世纪中三大科学发现之一，是由许多人各自独立研究得到的。1837年，德国化学家莫尔提出运动形式的转化，除了机械运动，还有化学亲和力、内聚力的运动，电光热磁运动等。1840年，迈尔发现病人的静脉血的红色与气温有关系，食物的消化与体热和机械功之间有相互影响的关系，并认为机械能、热和化学能是可以相互转化的，并且等价。但是他的论文却不被杂志编辑所接受。拉瓦锡从氧化反应推断，热血动物的热可能是从他们所吃的食物燃烧的化学能产生的。李比希也设想，动物的机械能以及他们的体热可能来自他们所吃食物的化学能。焦耳研究了电的热效应，揭示了电与热这两中形式之间相互转化和守恒的规律。1842年，格罗夫在英国伦敦皇家研究院作了《自然界各种力的相互关系》的报告，提出多种运动形式在一定条件下都可发生转化，并不出现力的消失。1846年，他的报告以书的形式发表。
德国物理学家赫尔姆霍兹不仅从运动形式的范围上指出了能量守恒的普适性，而且提出新的概念证明了这一定律的普适性。1847年，他在柏林物理学会的讲演中，提出了“位能”和“动能”的概念，又给出了万有引力场、静电场、静磁场等的位能表示，还指出了动能加势能永远不变的原理，从而是能量守恒原理成为一个严密的知识体系。
能量守恒与转化定律到1960年左右基本上得到了科学界的公认。该定律是继牛顿力学体系之后，物理学的又一次大的综合，从能量的角度把力学、热力学、光学、电磁学、声学等联系成一个有机的整体，有力地指导了这些学科以后的发展。可以说，关于能量的概念和能量守恒的理论是整个自然科学的基石。人们可以说，世界统一于物质，世界也统一于能量。
6.3.3 宇宙构成要素三元论
单纯从电力资源消耗的角度看，工业用电是强电，通信用电是弱电。与工业用电量相比，通信用电量几乎可以忽略不计。那么，这两种以电力驱动的过程有没有区别，有没有本质的区别呢？
维纳在他的CYBERNETICS or control and communication in the animal and the machine（控制论：在动物和机器中的控制与通信）中，第四章专门讨论了“计算机器和神经系统”的问题。在该章末尾，作者说：
“作为最后的评述，我要说明，一个大的计算机器，无论它是机械的或电子的设备，还是我们人的头脑，都要消耗一定的能源，这些能源以热的形式耗费并散掉。血液在离开大脑时的温度总是比它流进大脑时高几分之一度。没有任何其他的计算设备能够像人脑那样经济地利用能源。在计算机ENIAC和EDVAC中，电子管的灯丝消耗数千瓦能量，并且除非配置足够的通风和制冷设备，该系统将遭遇发热所带来的麻烦，机器的参数因发热而迅速改变，最后导致功能崩溃。然而，机器所花在每一步操作上的能量却十分微小，并且甚至还没有形成设备功能的足够程度。早期的唯物主义声称，机械的脑并不像肝脏能分泌肝汁一样分泌思想，也不像肌肉表现出行为那样以能量的形式表现出来。信息就是信息，它不是物质，也不是能量。今天，不承认这一点的唯物主义者再也不能生存下去了。”
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。
6.3.4 宇宙构成要素四元论
应当说，宇宙构成要素三元论的形成是人类科学世界观、方法论的重大进步。它居然承认，在运动着的物质和物质的运动之外，还有别的存在。它在传统的唯物主义概念体系上撕开了一个大口子。世界是物质的，同时世界又是信息的。宇宙万物的物质特性和信息特性相互依赖，相得益彰。甚至在我们人类生活的环境中，信息系统的作用常常远远地大于物质系统。物质决定精神和精神决定物质，就像“鸡生蛋和蛋生鸡”一样相互缠绕，难于作出非此即彼的选择。所以，对于个人、群体、民族和国家，开发信息资源的确是比开发物质和能量资源更为重要。
但是，关于宇宙构成要素的认识到三元论就够了吗？我们认为，三元论中有一种“对称性的破缺”。物质是具体的、物理的，而信息是抽象的、逻辑的；物质本身具有的能力就是它的运动，那么信息本身也应当具有运动的能力才对；前者是具体的力量，后者是抽象的力量。在人类社会的层次上，信息的主要形式就是知识，感性知识和理性知识。知识就是知识，它不是智能；知识的多少和智能的高低并不是一回事。这个命题可能不会有人反对。那么，推而广之，一般地说，信息和信息能不是一回事。在计算机中，待处理的数据和处理数据的程序，怎么是一回事呢？还有，如果在物理学中有物质的质量和能量之间的相互转换的话，那么，信息也应当和信息能互相转换，正如我们常常看到人们的知识和智能之间相互转换一样。这样一来，由三元论向四元论提升，好象是很自然的一件事情。
一般地说，宇宙间的任何事物都有表征它自己的能力。这种表达可以理解为一种信息。但这种信息是天然的，如果没有信息处理系统对它加以认识和解读，它就是死的。只有被信息系统感知后，自然信息才能被“激活”、“活化”，才开始运动。这就是说，信息能不是信息。如上文所述，信息能显然也不是物质和物质能。所以，信息能（或智能、泛智能）是物质、物理能和信息所不能包含的构成宇宙的第四要素。关于宇宙构成要素四元论的表述，可以有几种不同的方式。一种是从学术意义的严密性考虑，把能量概念一分为二，有物质能和信息能，那么所谓的“四元”就是：物质、物质能；信息、信息能。这样，就增加了两个新的术语，显得麻烦。如果我们沿用物理学中“能量”的概念表示“物质能”，用“智能”的概念在泛化的意义上表示“信息能”，那么，我们可以说，构成宇宙的四个基本要素是：物质、能量、信息、智能[18]。
而且，如同质能转换，也有知识和智能的转换，可以用公式 P = I C 2 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。正是信息生产能力的快速增长造成信息的爆炸式增长[19]。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。
本章思考题和练习题
1．维纳说：“信息就是信息，不是物质，也不是能量。”你是如何理解这个命题的？
2．如果我们说，构成宇宙的基本要素只是物质、能量和信息，有缺陷吗？为什么？
3．物理学中的能量概念是我们所熟悉的。你认为，用物理能的概念能够解释信息过程吗？请以计算机或生物信息过程加以说明。
4．“信息能”（information energy 或infoenergy）在国内外学术文献中都有使用。你认为这个概念的合理性是什么，或者你认为使用这个概念有什么问题？
5．宇宙的进化是可以分层次的，人类的科学知识也可以分为若干个层次。你认为怎样分层比较合适，这两种层次之间有什么关联？
6．如果说在物理学中，能量以及能量转换的概念把不同的物理学科联系起来，那么在信息学中信息能及其转换的概念可以把不同种类的信息过程联系起来吗？试说明之。
本章主要征引和参考文献
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第7章 理论信息学的三个基本定律
本章通过与热力学基本定律的类比，提出信息学三定律。第一定律说，信息不守恒；第二定律说，信息能与时俱增；第三定律说，信息增长没有上限。其中，第二定律是核心。因为它本身就是对另外两个定律的有力的“旁证”，而且可以抗衡热力学第二定律（熵增原理）、主导宇宙进化的趋势，所以，关于信息学第二定律的论述，比第一、第三定律的篇幅要长得多。我们从物理学、生物学和文化学的层次上分别论述信息学第二定律：在开放系统中信息负熵趋于极小，也就是信息能趋于极大。而作为理论上的准备，又引出了信息熵与信息负熵的概念，揭示负熵进化的层次性。
§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
热力学第二定律，即熵增原理，揭示了在宇宙演化方向上的一种不可逆的趋势，即能量退化，热平衡，或热寂。同时，还指出与熵增原理并行地存在一个“能量统一与进化的原理”，所以在宇宙中同时存在退化与进化两种趋势，才会出现生命、人类和语言文字及符号信息系统。在这一章里，我们要比照热力学的三个基本定律，提出信息学的三个基本定律。一般地说，热力学过程是物质过程，而不是信息过程。那么，将信息学与热力学进行类比，有什么依据呢？
宇宙间的能量具有多种形式。在宇宙大爆炸之初，能量的形式只是热辐射。随着温度的降低，才出现核能、电磁能、引力能；形成凝聚态物质之后，才出现动能、势能、内能、化学能，等等[1]。任何一种形式的能都可以转变为热能。所以，热能演变的趋势在一定程度上反映着宇宙演变的方向。另一方面，生命的起源与进化在本质上是生命信息的起源与进化的问题。生命物质的结构、形态与功能都是由生命信息所控制和决定的，生物DNA和人类文化MEME的进化代表着宇宙演化的方向。达尔文的生物进化论所揭示的正是生命物质的进化论。在它的背后，是生命信息的进化论。更一般地说，信息进化是整个宇宙进化的本质。于是，热力学和信息学就分别揭示出两个相反的趋势。在这个意义上，它们是可以类比的，而且是采用反向思维的方式进行类比。
为了探讨信息现象的共同规律，我们需要“大胆假设，小心求证”，需要“解放思想，事实求是”。对于同一个现象，可以采用多种视角进行观察。比照热力学的定律，反向思维得到信息学的定律，只是其中的一种。信息学的基本定律可能还有许多个，需要我们用多种方式去发现。
7.1.2 从热力熵、统计熵、信息熵到负熵
玻尔兹曼从微观的角度指出，热力学第二定律是关于大量分子或其他粒子的概率特性的描述。它说明系统倾向于从高度有序的、相对不可几的组态，向更为无序、统计上更可几的组态发展。在他运用统计方法所导出的热力学第二定律中，对于熵概念作出了统计力学意义的解释：
S = k LnW （7-1）
式中，k是玻尔兹曼常数，W是系统宏观状态所对应的微观状态数目。玻尔兹曼提出熵是一种几率，一种混乱度的描述。这是物理学最深刻的思想之一。
香农在关于通讯的数学理论中得到，当信源为等概率事件时，
H = k logN （7-2）
式中，k是一个常数，N为信源所输出的某一组消息事件中包含的消息的数目。选择适当的对数底数，使（7-1）、（7-2）中的系数k相等，那么两个公式在形式上就完全一致了。于是，可以认为香农的信息量公式与玻尔兹曼的统计熵公式是等同的。由于这种形式上的一致性，香农把他的公式叫做信息熵。在通讯领域中称之为香农熵。
在《生命是什么？》中，薛定谔提出负熵的概念，用以表达与熵增相反的演化方向——熵减过程。他借助玻尔兹曼方程（7-1），给出了负熵的数学表达式
- S = k log （ 1/D ） . （7-3）
式中，D是无序的量度。他说，“‘负墒’的笨拙的表达可以换成一种更好的说法：取负号的熵，它本身是有序的一个量度。”
维纳从信息的控制和反馈的角度出发，得到信息量公式，与香农信息量公式差一个符号，与薛定谔的负熵概念和描述公式完全相同。所以，他经常强调“信息即负熵”。
以上关于热力熵与信息熵，熵与负熵的概念的引入和使用，都运用了“数学相似类比”的推理方法[2]，也可以叫做“协变类比”方法。但是，类比推理论证是不严格的，它的高度创造性和高度不可靠并存[3]。不当类比的结论很可能是错的。因为，类比方法的合理性并不能保证它的正确性。其局限性来自于类比推理的客观基础，即自然事物之间的差异性限制了类比的范围和结论。如果根据相似的属性的存在进行类比，所推出的属性，正好是事物的差异性，那么结论就是错的。
香农根据他的信息量公式与玻尔兹曼的统计熵公式相似，于是把信息量叫做信息熵。这是一个错误的类比，结论错。其实，如本书第3章第2节所述，公式在形式上的同构，并不表示其含义完全相同，或基本相同。在热力学中熵表示一个物质系统中热能做功能力的衰竭程度，类比过来，信息熵的含义当然就是表达一个信息系统中智能衰竭程度，换言之，信息量越大表明信息系统能力的衰败程度越高。是这样吗？不是。从逻辑上分析，信息量越大应当表明信息系统能力越强，或者说信息量越大信息系统越进步。显然，香农的类比结论与所需要表达的意思正好相反。
从类比的角度上说，维纳和布里渊等把信息说成是负熵，把信息与秩序联系起来，是一大发现。但是，绝对地把信息说成负熵也有问题。因为如果把信息熵与热力熵一对照，或者把两者放在一起，给人的印象是：物质的演变趋势是衰败，信息的演变趋势是进步。在自然界和人类社会，正在发生的演变是这样的吗？又不是！因为信息的进化与物质的进化相伴而行，信息的进化决不会建立在物质退化的基础上。在人脑中的物质和信息，在计算机中的硬件和软件，不都是“携手并进”的吗？
从自然和社会常识可知，物质可以退化，也可以进化；信息可以退化，也可以进化。没有物质的进化，达尔文所说的生物进化就完全不可能了。如果没有信息的退化，信息进化的竞争动力从何而来？在社会文化领域中，知识老化、过时，旧理论的一部分和整体被新理论所取代，等等，都是信息退化的例子。这样，物质熵（Material Entropy）可以增加，也可以减少；信息熵（Informational Entropy）可以增加，也可以减少。于是，就有：两类正熵和两类负熵，即物质熵与物质负熵（Material Neg-entropy）以及信息熵与信息负熵（Informational Neg-entropy）。
7.1.3 理论信息学借用负熵概念
任何新理论、新学科的发生和发展，都需要从已有的思想资源吸取营养，包括借用概念、类比结论、移植方法等。但是，这种借用、类比和移植不是生搬硬套，而是灵活应用。比如，“统计熵”揭示出热力学“熵”的统计力学的意义。至于“负熵”的概念，就远不是“取负号”的热力熵了。在我们的研究中，从物质熵到信息熵，从物质负熵到信息负熵，概念的借用不是指它们外延的物理意义，只是指它们内涵的逻辑意义，用熵表示衰败与退化，用负熵表示成长与进化。
如果我们接受智能概念的泛化，那么信息负熵所表达的是信息熵减，就是“智能”的增长。信息负熵趋于极小就是智能趋于极大。依据信息的分类，可以把智能分为三个基本的类别：人类符号智能，生物信号智能，物理信号智能。它们对应着宇宙中三个世界的划分：人类世界、生物世界、无机世界。如果说人类智能以生物智能为基础，那么生物智能则以无机智能为基础。如果我们能在这三个层次上分别地论述信息负熵趋于极小，那么在整体上说，关于信息学第二定律的论述就基本完成。
系统的“智能”是什么？它是系统进行信息处理的能力，包括对自身信息的处理和对环境信息的处理。前者叫做自组织能力，后者叫做自适应能力。一个系统如果自解体，就谈不上适应环境了。在人类社会的层次上，自组织程度远远地超过了生物层次，“适应环境”进化为认识环境、改造环境、重塑环境。人类通过探索自然和社会现象中的客观规律，运用科学技术知识从事生产和社会实践。生物适应环境是被动的，较少主动地改变环境，生物信息现象主要表现为自组织。在物理、化学层次上，信息现象基本上就是自组织。所以，本书由浅入深，从无机界的自组织现象开始讨论，然后是生物界的自组织和自适应，最后论述人类社会的自组织和对环境的认识与改造。
§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
当然，在学术界中也有的学者主张，信息同物质和能量一样，是守恒的。比如，《广义信息论》一书中，在揭示“Shannon信息理论的局限性”之后，把关于广义信息的数学理论说成是统一的信息科学，称广义信息论是对香农信息论进行“自然推广”[4]。在“后记”中说，“Shannon信息论的改造到此基本完成。”在“引论”中，引用题为《论信息守恒》的论文，说信息守恒已经在论文中用数学方法证明了[5]。2005年11月5-7日在北京召开的“信息科学交叉研究学术研讨会”会上，该书的作者表示并不再坚持“信息守恒”的观点了。
此外，有《信息时代与信息科学》的书在归纳信息的基本特性时指出，“信息守恒是客观事物（信源本体）固有的特性[6]”。人是客观事物，也是信源本体，人所拥有的信息、所能发送出去的信息显然是不守恒的，除非他是一个固步自封、永不学习的人。但作为一个一般的命题，说信息守恒，无论从个体还是从群体的角度看，都是不对的。
7.2.2 物质常变与信息消失的倾向
热力学第一定律（First Law of Thermodynamics）说，宇宙间的物质和能量是守恒的。但是，信息学第一定律（First Law of Informatics）说，信息和信息处理能力是不守恒的。这在自然、社会常识的范围内是很容易理解的。自然界里的生物靠DNA编码的程序决定物种个体的生命周期，甚至包括生老病死的基本过程。DNA信息从无到有，信息的增长倍数为M / 0 = ∞，其中M为某个自然数。而且，DNA呈增长趋势。在动物界，灭绝物种的DNA就消失了，有的在化石中留下记录。人类创立文字和符号，建立文化科学知识体系，这里有N / 0 = ∞，其中N为某个自然数。文化科学知识在加速增长着。灭绝的人种，逝去的历史，也可能造成信息的消失，由考古工作者们去发掘。信息不守恒包含两种可能的倾向：一是消失，二是永存。
如苗东升所说，信息不守恒是一种“奇异特性”，给人以“神秘性”感觉。由于物质不灭、能量守恒，凡是涉及物质、能量的系统属性都是可以累加的，即具有加和性，整体等于各个组成部分之和[7]。笔者将在第13章第3节论述，所谓整体大于部分之和，即系统的涌现特性，绝不可能使由部分到整体的构成中物质和能量有所增减。系统整体特性的涌现必然与信息和系统的信息处理能力有关系，因为只有信息和信息能不守恒，是可以增长的。从信息和信息能的角度刻划整体与部分关系的特征，都是非加和性的，不可以用还原论方法有效处理的。这正是复杂性增长的根源。我们说世界由简单到复杂的不断演化，复杂性的增加并不意味着物质和物理能的增减，而是系统的结构和功能的复杂性增加，归根到底是信息和信息能的变化和增减。
7.2.3 信息复制与信息长存的倾向
物质常变，但是变化后的物质存在总有一定的结构形式。从根本上说，信息的存在方式正是事物的结构形态。所以，信息是永远不会消灭的。无论是无机信息、生物信息、文化信息，都是如此。但是，如果随着物质的变化，信息不断地改变，那么就没有任何信息可以保留下来。在常识范围内，我们知道生物DNA和人类文化是可以保留、保存的，其中的原因在于它们可以复制。显然，只要借以存储信息的这种物质的结构能够复制，信息就得到保存和延续了。
物质结构的复制在自然界是一种普遍现象。比如，盐和糖的结晶就是延续结构的例子。生物DNA具有自动拷贝的能力。人类文化通过教育和传播在一代代人之间复制。由于因特网的建立和发展，人类文化的传播与复制能力不断加强，也为新的文化科学知识的增长打下了基础。
7.2.4 信息创生与信息增长的倾向
自从宇宙演化由物质演化提升到化学演化的水平之后，物质的结构信息就产生了质的飞跃。特别是在出现有机分子、生物大分子之后，物质的微观结构越来越复杂。可以自我复制的DNA与RNA的出现，表明生物信息的创生进入到新的阶段。随着细胞的出现，多细胞生物的产生，动物和高等动物、人类的诞生，生命信息的增长呈现指数增长的方式。
在人类发明了语言、文字之后，人类的科学文化知识有了在人脑之外的“存储器”。由于印刷术、计算机、因特网的发明，人类以一个整体来进行思维，信息的创造达到了前所未有的高速度。由此可以看出，信息的创生和增长是一种客观规律，不以人们的意志为转移的。
§7.3 信息学第二定律：信息能与时俱增
热力学第二定律（Second Law of Thermodynamics）说，在封闭系统中熵只增不减；信息学第二定律（Second Law of Informatics）说，在开放系统中信息负熵只减不增。本章从物理学、生物学和社会学三个层次上对信息学第二定律进行论述。
7.3.1 演化物理学层次上的自组织现象
（1）自组织的环境与条件：系统开放
普里高津所创立的“耗散结构理论”对自组织理论体系作出了突出贡献，它详细、准确和深刻地揭示了自组织现象形成的环境与产生的条件。按照耗散结构论，开放是自组织现象发生的必要条件之一。所谓耗散结构就是一种远离平衡的开放系统（力学的、物理学的、化学的、生物的、乃至社会的、经济的、文化的系统），在与外界不断交换物质和能量的过程中从原来混乱无序的状态转变为一种时空上或功能上有序的新结构。为什么开放与孤立对于系统的自组织具有完全不同的意义呢？主要原因在于系统与外界之间有着熵交换以及熵流的方向。
在孤立系统条件下，系统与外界环境没有任何物质、能量交换，因而没有熵交换。按照孤立系统的热力学第二定律即熵增原理，孤立系统内部只有熵增加。用符号deS表示系统与环境的熵交换，diS表示系统内部的熵产生，用dS表示系统的总熵值。对于孤立系统有dS = diS ≥ 0，因此，孤立系统只能走向混乱和无序，不可能发生自组织行为。在开放条件下，系统的熵dS则由熵产生diS和熵交换deS两部分组成，即
dS = de S i + di S.
在开放条件下，热力学第二定律要求熵产生di S非负，也就是di S ≥ 0。而对外界给系统不断注入的熵流则没有确定的要求，熵交换可以大于、等于也可以小于零。若de S > 0，相当于外界向系统输入熵，本来系统就已经有熵产生，外界再继续给系统增熵，则系统将会变得更加无序。若de S = 0，相当于孤立系统，当然系统也不会走向有序。若de S < 0，相当于系统输出熵，当外界向系统输入足够的负熵时，即
∣de S∣> di S，
则系统本身的熵就可能降低，系统的熵减少就会走向有序。换言之，在熵交换de S小于零的情况下，只要这个负熵流足够强，除了抵消掉系统内部的熵增di S外，还能余下一部分使系统的总熵减少，从而使系统进入相对有序的状态。由此可见，开放性是系统产生自组织现象的必要条件[8]。
可惜，在普利高津的理论中完全不涉及信息的概念，他纯粹在物理学的应答域中讨论自组织现象，他能够走多远，可想而知。
（2）自组织的动力机制：竞争、协同与序参量支配
若无开放的条件与环境，自组织不可能出现。但是，如若没有一种内在的动力机制，这些条件就不能发挥作用。哈肯所创立的协同学理论较多地涉及到自组织形成的内在机制：竞争、协同与序参量支配。所谓竞争，就是系统间或系统内各要素或各子系统间相互争胜、力图取得支配和主导地位的活动与过程。竞争是系统演化最活跃的动力。所谓协同，指系统中许多子系统（它们通常属于相同种类或几个不同种类）的联合作用。对于自组织的系统，诸多要素间常常存在着非线性的相互作用。
描述和处理自组织的动力过程，仅仅指出何种矛盾或机制发挥作用还不够，现代自组织理论的发展，已经能给出刻画某些有序结构的不同类型和程度的定量化概念和判据。哈肯把相变理论中的“序参量”概念推广到协同学，找到了描述自组织动力过程的定量化概念。“序参量”本来是相变理论中的概念，是原苏联物理学家郎道为描述连续相变而引入的，在相变研究中起了很大作用。在相变理论中，描述系统理论有序程度变化以及与之伴随的对称性质的变化的物理量被称为“序参量”。它的基本特征是，在相变的旧结构下，序参量为零，从相变点始，序参量取非零值；在不同问题中，序参量的结构和含义很不同，是特殊性问题，而一旦找到序参量，以后的描述就是普遍的了。在协同学理论中，由于把序参量概念从平衡系统推广到了非平衡系统，因此与相变理论相比，协同学的序参量概念更为丰富和深刻。
哈肯在讨论自组织问题时，引入了信息的概念，出版了题为《信息与自组织——复杂系统的宏观方法》，十分可贵。但是，他同样地局限于物理-数学方法，他的《高等协同学》一书对于没有相当数学背景的人完全没有可读性。序参量的概念使得他的理论基本上局限于物理学之内，是“硬”的，而在其他领域，如他所称，是“软”的[9]。
（3）超循环：化学分子的自组织
艾根等人通过多年的研究认为：化学进化与生物进化之间必然有一个分子自组织阶段。这个阶段完成了从非生命物质向生命物质转化的质的飞跃，这种质的飞跃过程就是超循环组织形成的过程。它导致了唯一的一种带有普遍适用的三联体密码和唯一的手性分子（L型氨基酸）的普遍利用。
循环是指多种事物或要素互为因果形成的一个封闭圈，即因与果的相互作用。循环是自然界中普遍存在的现象，如碳循环、氮循环、生命循环等等。根据其反应特点的不同，循环反应又可分为反应循环、催化循环、超循环三个反应等级。
反应循环是循环反应中一种比较低级的组织形式，是指一种相互关联的化学反应序列，其中某一步的一种产物恰好是先前一步的反应物。最简单的反应循环是由酶参加的三元循环。底物S在酶E的作用下转变为产物P，E又进入下一次循环。
催化循环是自然界中存在的另外一类循环，它的中间物不仅能够复原，而且还是自身反应的催化剂。催化循环是比反应循环更高级的组织形式，是指至少存在一种能对反应本身进行催化的中间物的循环反应。简单的催化循环是自复制单元的复制，可用下式表示：
X为反应底物，E为催化剂，I为自复制单元即信息单元。这类反应可用符号I表示。最常见的催化循环是单链RNA分子的定向复制。
超循环是更高级的组织形式，是通过催化功能把自复制单元或自催化单元连接起来的高级循环形式。它是循环的循环。在超循环中的复制单元不仅指导自身的复制，而且控制着下一个复制单元的复制。超循环是“拟种”克服“信息危机”的必然结果，是较大信息量的自复制单元协同竞争的必要前提。通过超循环把若干个自复制单元整合成某种协同系统，为翻译机构和复制机构的建立提供了物质保证。翻译机构和复制机构的形成，促进了复制精确度的进一步提高，反过来复制精度的提高又促进了信息量的增加。
反应循环、催化循环、超循环作为循环反应的不同等级结构，各有其不同的特点。反应循环作为一个整体相当于一个催化剂，它可以使一些不易发生的反应变得容易进行；催化循环是信息与功能结合的循环，它保证了信息在逐代传递中的相对不变；超循环是凭借功能耦合形成的循环的循环，它通过了竞争、选择、协同等方式，完成了非生命向生命的转化。当反应条件固定不变时，三者的反应速度在反应开始后也各不相同（图7-1）[10]。
图中，反应循环的产物随时间呈线性增长，催化循环的产物随时间呈指数增长，超循环的产物随时间呈双曲线增长。
7.3.2 基因的复制和生物信息的增生
（1）生命字典的阅读：DNA计算机
构成我们身体的每一个细胞都携带着巨大数量的信息，它决定我们的身高、相貌等从父母那里得来的遗传性状。这就是遗传信息，由DNA分子所载荷。DNA分子的物理尺寸与它编码生物遗传信息的功能是相适应的。编码人的全部遗传信息的DNA分子包含约30亿个碱基对，总长度为99cm。 遗传信息在DNA分子上按一定的区段组织起来，每一个区段指导细胞合成一种特定的蛋白质分子，被称为一个基因。基因在分子水平上是由脱氧核糖核苷酸形成的线状分子。如果用字母代表硷基，基因实际上是一种由A、T、G、C四个字母排列成的字符串，一部生命“字典”，如图12-2中DNA链所示。蛋白质的氨基酸序列就是由这些字符串规定的。
图7-2 生命的字典如何阅读
在细胞内一个特定的DNA片段（即一个基因），如何精确地转化成相应的蛋白质？DNA直接以自身为模版装配蛋白质中的氨基酸并无可能，因为在DNA 和氨基酸之间根本不存在物理对应性。事实上，DNA对蛋白质装配的控制是间接进行的。它先制造自己的RNA拷贝，让这个副本成为蛋白质的模版。这两个阶段分别叫做“转录”和“翻译”。整个工作过程如图7-2所示[11]。当一个DNA片段松开，其中的一条链为信使RNA的合成提供密码，蛋白质的制造也就开始了。接着，信使RNA在核糖体上翻译产生氨基酸。每一个三联体RNA编码一个特殊的氨基酸，这些氨基酸连接起来形成一个多肽链或一个蛋白质。
RNA聚合酶以延伸复合体的形式，在DNA分子上的移动过程，可以被看作一种“分子马达”的运动形式。这种分子马达的特殊之处在于，它运动的结果使一个分子延长，而不象别的分子马达运动过后只留下热、无机磷和二磷酸腺苷。使用激光捕获单分子实验技术，人们不仅实际观察到了RNA聚合酶沿着DNA模板链随着产物延伸而移动的过程，而且还测定了这个分子马达移动的速度是每秒钟10个碱基，所产生的向前的力相当于1.4
10-13 N（牛顿）。转录启动以后RNA聚合酶在每一个碱基位置上都面临3种可能的选择：向前移动延伸RNA；向后回滑切除错误掺入的碱基；从DNA模板上脱落下来终止转录。这种工作过程与使用两条带子的图灵机的理论模型是完全一致的。
（2）多细胞生物的信息处理与生物脑的进化
单细胞生物的自组织和对环境的自适应都是它自身独立完成的。多细胞生物在单个细胞的自组织和自适应的基础上形成多细胞网络整体的自组织和自适应、自创生的机制。细胞之间形成分工，一部分细胞专门负责信息处理，逐步进化为神经细胞，多个神经细胞构成神经网络和神经系统。随着动物所处环境日益复杂和急剧变化，动物机体的结构与功能日益复杂，神经系统的结构与功能不断发展。神经系统在进化中从无到有，从原始的网状神经系统、梯状神经系统、链状神经系统直到脊椎动物的管状神经系统的出现，经历了一个漫长的过程。有的生物物种可能因为某种原因停留在进化过程的某个阶段，不再前进或进步缓慢。
原生动物是最原始的单细胞动物，呈一团形态不固定的原生质，如变形虫。它完全不含神经成分，依靠原生质直接感受刺激、传导信息和作出反应。原生动物虽然不具神经成分，但细胞浆的表里分化却预示着神经组织的产生。胞浆表层与外环境关系密切，新陈代谢旺盛，质地较致密。神经组织将由此表层演化而来。
动物界的演化是由单细胞动物进化到多细胞动物。其中，无脊椎动物占动物界的绝大多数。腔肠动物是只有两个胚层的原始多细胞动物，如水螅已分化出感觉细胞和效应细胞，在两者之间出现了神经节细胞。神经节细胞通过其丝状突起彼此联合成神经网。腔肠动物这种原始的神经系统的出现，使动物对环境的适应性反应有了发展。环节动物以蚯蚓为代表，外形上已有明显的头部，身体分节，每一节有一对神经节，头部的一对神经节特别大，叫咽上神经节，是脑的最初形式。
脊椎动物身体中轴具有由多个脊椎骨连接而成的脊椎，并有坚硬的头骨。神经系统在脊椎动物身上不再是次要的东西，而是整个机体的主导者，整个身体都受神经系统控制而活动，因此便有了发展到自我意识的可能性。由于动物生存环境的变迁和感觉分析功能的发展，脑的进化表现为大脑皮层的发展。大脑皮层是覆于大脑半球表面的、主要由神经细胞的胞体所构成的灰质层。新皮层的出现，赋予大脑新的功能。从此大脑不只是嗅觉的中枢，还具有初步的分析信息、发布信息的功能。旧皮层管理内脏的活动，新皮层的作用主要是适应环境。通常所说的大脑皮层意指新皮层。由于新皮层细胞数量急剧增加，表面积强烈扩张，将进化早期出现的旧皮层挤到大脑半球的内部，新皮层在大脑半球表面出现沟裂纵横、此起彼伏。在高等哺乳动物灵长类中，特别是到了人类，脑部的发展几乎是爆炸性的，达到登峰造极的地步，几乎压盖了脑的其他部位。
总观神经系统的演化历程，充分显示出神经系统所经历的进化过程：从无到有、从简单到复杂、从分散到集中，再到向头部集中，皮层形成，直至功能皮层化 [12]。其中，信息处理功能上的需要是进化的动力，结构上的演变是对“信息价值判断”的适应。
7.3.3 社会思维能力的增长
（1）人脑中的第二信号系统：语言符号信息系统
按照巴甫洛夫的条件反射学说，把大脑皮层处理的信号分为两类。第一信号是现实的具体的物理信号，比如食物、灯光、铃声等。对这种具体信号发生反应的大脑皮层机能系统称为第一信号系统。第二信号是现实的抽象信号，例如“食物”等词语。“食物”一词并不代表某一具体食物，而是一切具体食物属性的概括与抽象化。语言文字是在具体信号的基础上形成的，是具体信号的信号。对第二信号发生反应的大脑皮层机能系统称为第二信号系统。第一信号系统是人和动物共有的。第二信号系统是人类特有的。它的发展与完善使人类借助于语词使现实信号化，对一切现实事物进行抽象的概括，产生思维活动，形成判断和推理，做出计划和决策，创造文化科学技术，几乎无限制地扩大人类对主客观世界的认识能力和改造能力。
第二信号系统的形成与语言条件反射的建立，是人类条件反射活动的最大特征。它在第一信号活动的基础上逐步形成。这是一个不断学习和发展的过程。初生婴儿只有一些先天的非条件反射，如吸吮反射（食物反射）、眨眼反射（防御反射）和朝向反射（将眼球转向光源的探究反射）等。出生后大约半个月，发生自然的食物条件反射，并按一定的顺序先后形成各种内抑制过程，一个月即有分化的形成，2个月出现消退抑制。大约4个月时，婴儿第一信号系统的基本活动就在非条件反射的基础上形成了。从6个月起，在和周围人们发生正常接触的生活条件下，小儿开始学说话。最初通过摹仿的方式形成语词联系，并且由于多次的重复而巩固。这时候，小儿可以将一些词语的声音和一定的事物或现象联系起来，从而开始形成第二信号系统的活动。1周岁的小儿可能会说几个词语。生后第二年是小儿言语活动和第二信号系统迅速发展的时期。开始，小儿将第一信号系统的单纯声音信号转化为在某种程度上具有抽象意义的词语信号。随着活动范围的不断扩大，生活与学习的经验日益丰富，语言条件联系日益加强。同时，由于大脑皮层的分析和综合活动进一步发展，产生了现实的概念化，出现抽象的思维[13]。在经过幼儿园、小学、中学、大学的教育之后，不仅建立了完善的语言符号系统，而且具有了从事发现、发明的能力，可以为文化科学知识的进步做出特有的贡献。
（2）社会性思维：存储、复制、传播与创新
思维活动符号化的意义：从人的个体思维到社会思维。人类信息可以分为信号与符号两个层次。信号是生物共有的，符号是人类特有的。生物信号又可以分为两个级别：单细胞信号和多细胞信号。单细胞生物和级别更低的生命形式，主要靠DNA程序在生物物理和生物化学过程的基础上进行信息调控。多细胞生物直到符号产生之前的人类，由于细胞之间的分工，整个生物肌体的运动不直接由DNA控制，而是由细胞之间的信息网络所支配。这个信息网络进化的高级阶段便是神经系统和大脑。人脑是信号脑和符号脑的结合。信号脑是在单个神经细胞DNA控制基础上的神经细胞网络构成的控制系统。所以，人脑中的信息过程可以分为四个层次：物理化学层次，DNA层次，神经网络层次（信号脑）和语言符号层次（符号脑）。从总体上看，符号脑在信号脑的基础上工作，但是信号脑仍然有它自己独立的功能。这种独立性就像控制骨格肌的运动神经和控制内臓器官的自主神经具有明确的分工。在一定意义上可以说，符号处理是一个逻辑过程，可以由机器代劳，但信号处理可以是非逻辑、非线性、情绪化的过程。信号脑与符号脑的联合与独立，使逻辑思维与非逻辑思维既有联系又有区别，因而具有不同的结构和功能。从本质上看，计算机所替代的是符号脑的机械、逻辑思维功能，并没有替代信号脑的创造性功能。
在一定意义上，我们可以把计算机逻辑模型用来观察整个人类文化进步的过程。在符号产生之前，也许有不少天才人物出现，但是他们的精神产品没有记录，不能流传下来。人类靠信号脑发明了文字以后，逐渐形成符号脑，社会就不仅生产物质产品，它也进行符号信息的生产、存储、传播和加工处理。个人的能力和寿命都是有限的，他只能是在局部范围内、在较短时间中起作用的符号发生器和符号传播站。在计算机中，不能工作的零部件可以被随时撤换，个人的逝去标志符号发生器和中继站自动地从社会信息系统中消失。而社会是一个庞大的连续工作的符号处理机，不会因为若干个发生器的消失而停机。显然，符号作为这个处理机的编码系统的基本字符，是系统存在的先决条件。人类思维活动符号化的意义，在于实现个体思维到社会整体思维的转变，使思维活动的社会化成为可能。
文化的复制、传播与创新。社会文化是一种超生物现象，是人类特有的能力（即使用符号的能力）所促成的各种事件的总和。这些事件是观念、信仰、语言、工具、器皿、风俗、情感和制度，它们构成各民族的文明。从上一代传到下一代，从一部落输入到另一部落，文化的各个要素根据自身的规律而发生交互作用。于是，文化构成一个超生物或超机体的事件类型，一种自成体系的过程。
超机体的文化层次上的现象当然可以还原到生物的层次上加以处理，甚至可以降低到无机物的层次上进行讨论。因为文化是人类的文化，家庭、宗族、社会、法律、制度都是以人为中心展开的文化，而人类不过是一个生物物种。同时，构成生物的有机大分子、细胞、骨头、肌肉、器官、身体的是氧、碳、氢、氮等非生命的物质，以及它们的原子、分子、离子等。但是，这些事实和还原论的研究方法并不能破坏各个层次的自身完整性，甚至也不缩小各层次之间的区别[14]。物理学用质量、动量、加速度、大气阻力等概念来处理流星、穿过大气的飞机、飞鸟、游鱼等物体的运动，但是不关心飞机、鸟、鱼之间的区别。生物学就必须对生物与非生物进行区别，对生物的不同种类进行区别，对高等生物的生理和心理进行区别。文化学则要解释不同的文化传统、风俗习惯、生活方式、政治态度等对于生理特征相同的人们的行为产生不同的影响。某一层次的系统可以还原为较低一级层次的事件，从而对该层次的构成作出一定的阐明，这一做法无疑是有价值的。然而，每一个事件的种类，每一个系统，每一个层次，都必须在它自己的层次上才能得到透彻的说明和理解。
文化现象构成了独立而特殊的研究领域。文化只能当作文化来解释。文化基因（MEME）是文化遗传的单位[15]。文化超出了心理学的解释范围。所以，文化是超生理、超心理的现象。人类行为同时受到生理、心理、社会文化三重因素的影响。物理学在处理自由落体运动时，可以不计空气的阻力，仿佛空气的阻力并不存在。同样，文化学证明了，可以把文化从人类机体那里分离出来单独处理，好象文化是独立与人类之外的，似乎它也有自己的生命，有自己进化的过程和规律。这正是文化学所要研究的内容。
（3）人类符号文化的进化
关于波普尔的“世界3”理论。我们在第8章第3节曾提到波普尔三个世界的理论。他把世界上一切现象分为三大类：第一类命名为世界1，是物质状态的世界，或物理实体的宇宙，从化学元素开始，直到病毒、植物和动物等生命有机体；世界2是精神状态的世界，即人的主观世界，包括意识状态、心理素质和非意识状态；世界3是思想内容的世界，实际上是人类精神产物的世界，包括文艺作品、科学理论和科技产品。世界2（主观精神世界）是从世界1（客观物质世界）中派生出来的，世界3（客观精神或客观知识世界）是从世界2中派生出来的。世界3是精神的，区别于世界1的物质性；它是客观的，区别于世界2的主观性。他强调世界3的客观性、自主性以及同世界1和世界2的相互作用。
我们认为，波普尔三个世界理论的精髓是：人类精神产品构成的世界是客观的、自主的。他首先为自主的世界3的存在性作辩护，实际上是在争取世界3的哲学本体论地位。他把知识分为两类：主观主义的知识和客观主义的知识。前者属于世界2，后者属于世界3。客观意义的知识是没有认识者的知识，即没有认识主体的知识。这里，他所揭示的是信息与它的载体的相对独立性，即信息的可分离、可转移、可变换的特性。在这种“自主性”认识的基础上，才可能有“切题的认识论”。在他心目中，“传统的认识论集中于第二世界或主观意义上的知识，离开了科学知识研究的正题。”“研究在很大程度上是自主的客观知识世界3对于认识论具有决定性的重要意义。”所以，他认为，“正是通过我们和世界3之间的相互作用，客观知识得以增长，知识的增长同生物的发展即动植物的进化十分近似。”所以，简而言之，认识论研究的对象就是知识自主进化的客观规律。这是对传统哲学认识论的的原则性批评，是一种持基本否定态度的批评。
从理论信息学的角度来解读波普尔的论点，他争取世界3的本体论地位、批评传统认识论对世界3的视而不见，是正确的。如果从整个宇宙信息进化的全程看，客观的符号世界是非符号的、信号世界进化的结果。信号世界又可以一分为二，无机信号和生物信号。据此，将宇宙分为物理世界、生物世界和文化世界可能更为合理。这种分类强调了符号世界的相对独立性、自主性，同时避免把非人类的物种和无机物混为一谈，不致于抹杀生命与非生命的本质区别。波普尔把牙痛作为既是精神状态又是物理状态的例子。高等动物显然也会有牙痛发生，但是按波普尔的划分，因为它们不会讲话、没有发明和使用符号，于是便没有精神活动，只有物理活动。所以，全部的生物都属于世界1。其实，动物的情感、动物的语言、动物的智能与人类相比，只是程度的区别。
文化增长的数据：指数曲线。人类文化可以分为物质文化和非物质文化两类。我们称非物质文化为符号文化，即以符号为载体的文化。符号文化的主体是关于自然、人文和社会的知识系统。这里主要以自然科学知识为例讨论文化的增长的问题。关于科学知识的增长问题，恩格斯在1844年曾提出科学按几何级数增长的问题。他说，科学的“进步和人口的增长一样，是永无止境的”。“科学的发展速度至少也是和人口增长的速度一样的；人口的增长同前一代的人数成比例，因此在最普通的情况下，科学也是按几何级数发展的[16]。”
人类认识发展的实际情况也正是这样。亚里士多德的重力学说存在了大约2000年；牛顿力学统治了物理学达200年之久；道尔顿-阿伏加德罗的原子分子学说（即认为原子是不可分的）在100年间是关于物质结构的占统治地位的观点；卢瑟福和波尔原子结构学说的鼎盛期，没有超过10年。人类认识进化的速度，突出表现在认识成果的增长上。人类知识总量的增长，如以1750年人类知识总量为2倍，那么1900年就增至4倍，1950年增至8倍，1960年增至16倍。即人类知识总量由2倍增至4倍需要150年，由4倍增至8倍需要50年，而由8倍增至16倍只需要10年。最近30年以来的发明和发现，比过去几千年的总和还要多。
据联合国教科文组织“世界科学技术情报系统”的统计，发现科学知识每年的增长率50年代为9﹒5%，60年代为10﹒6%，70年代为12﹒5%，现在的增长率则更高。科技文献数量每7年到10年翻一番，尖端科学技术，如微电子技术文献数量，每两三年就翻一番。美国美以美教会大学的图书馆员弗里蒙特.赖德，通过计算美国主要大学图书馆的藏书量，发现其每隔16年增长1倍。他以美国耶鲁大学为例指出，耶鲁大学图书馆在18世纪初期，大约拥有一万册图书。由此开始，该图书馆以每16年增加1倍的速度发展，到1938年，它的图书应增加到大约260万册。实际上，到了1938年，它已经拥有274万册，接近了“标准”的增长率。弗里蒙特.赖德还估计，到2040年，耶鲁大学图书馆将大约有2亿册图书。
20世纪以来，技术的进化带来知识的急剧增长。美国科学家普赖斯采用定量方法，把科学知识的增长事态描绘为指数增长曲线。这种知识量的激增，是和知识的更新周期缩短相联系的。这主要表现在知识老化加快上。据统计，20世纪初，新技术、新产品老化周期为40年，50年代约15年，70年代8—9年，80年代则更短。据日本电器学会对三菱、松下、日立等几家公司的技术人员调查表明，70年代知识废旧的速度比40年代快3倍。美国1976年大学毕业生在学校里学到的知识到1980年就有50%陈旧了[17]。
§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
热力学第三定律（Third Law of Thermodynamics）说，绝对零度不能达到，即不能达到温度的下限；信息学第三定律（Third Law of Informatics）说，任何信息量都可以达到，即没有一个确定的信息量的上限。换言之，信息学现象的规律表现出相反的趋势，物理世界的复杂性，生物DNA和人类文化基因MEME的进化没有极限，即不存在上限。甚至可以说，任意有限的人类知识总量都可以达到。关于信息增生的机理在本章第3节中已有叙述，毋须重复。
纵观人类文明发展的历史，可以看出：信息的积累大致呈指数函数的方式在增长。有专家说，增长的方式几乎是双曲函数。现在，人类通过基因工程已经可以改变自然的基因进化过程，人类活动的范围已经扩展到月球、火星。可以预计，设计新的生命形式，走出太阳系，移民到其他星球，只是时间早晚的问题。
是否在实现人类的远大目标之前，可能有飞来的横祸摧毁地球？是否在太阳失去光辉之前，人类还没有找到新的居住地？是否在现在所处的宇宙无限膨胀到“冷寂”或在以后的某个时刻开始收缩又回到大爆炸的起点，人类最终难逃厄运呢？在第14章第2节，我们将依据天体物理学和宇宙学家最新的研究成果，提出自己的看法。尽管这些认识在目前还不是完全确切的“实证”结论，但是可以勾画出一个大致的宇宙进化的图景。
当然，如殷正坤所说，“科学的发现完成于假说的证明”，而“表现为严格全称陈述的科学定律和理论在逻辑上不可能得到最后证实，在这个意义上它们也都是假说。”“一旦一个科学家把某种想法发展为一种似然的假说，尔后的发展就是按假说-演绎法进行了。从似然的假说中推演出某些推断（预见或说明），然后与观察和实验结果（检验陈述）加以比较。”这种比较可以有三种结局：（1）推断与观察或实验结果完全矛盾，于是假说被证伪而遭抛弃；（2）假说经受住了检验，得到了证据的验证或支持，然后转变为公认的定律或理论；（3）某些推断与观察、实验结果相符，另一些则与之矛盾，于是修改、修正、完善、精炼这个假说。“这表明发现与证明是不可能分开的[18]。”虽然我们称谓了信息学的三个基本定律，但它们仍然是一种假说，其合理性靠检验，靠没有可以将其证伪的反例。所以，本书对信息学三定律的论说只是相关讨论的一个开头。
7.4.2 没有自然力量能阻止信息增长
人类科学文化知识的增长是没有上限的，首先是因为不存在一种自然的力量来约束这中增长。当地球还是一个比较理想的住所的时候，我们可以预测、预防它与其他星球的碰撞。在发达国家，设立有专门的科学研究基金，支持对地球运行轨道上可能出现的有害飞行物进行研究。当太阳不能发出光芒给地球供暖之前，人类就通过向外星球移民，逐渐地把地球上的人口“疏散”到比地球更适合人类生存和发展规律的地方。
既然有许多个宇宙存在，我们只是居住在其中的一个。那么，将来的科学与技术可以支持人类，不仅到月球上居住，到火星上去居住，甚至到其他宇宙空间去生存和发展。
7.4.3 没有人为力量能阻止信息增长
就人类文化科学知识而论，没有任何人为的力量能够阻止文化的进步与科学技术知识的增长。这个结论已经被科学技术发展的历史反复地证明了。在宗教神学的统治下，有过残酷迫害科学家（比如布鲁诺）的事件发生，但是它并没有能够吓倒追求真理的人们。科学家们冲破重重困难，照样前进。
在科学主义已经成为社会思潮主流的情况下，更是不会出现人为因素阻止科学进步的情况。尽管在有些时候，由于科学上习惯势力的影响，由于人们的不理解，因而拒绝接受一些创新的研究成果（比如遗传学），致使一些科学学说在较长的时期内不被科学界的主流所承认，但是由于科学理论的顽强生命力，它必然茁壮成长起来，旧的学说迟早要被新的学说取而代之。这也是被现代科学和当代科学的发展所一再证明了的。前苏联由于意识形态的原因而批判遗传学、控制论、博奕论，致使不少正直的科学家致死、致伤，但是这种“人祸”迟早会得到清算，科学技术发展的脚步仍然大步地继续前进。
本章思考题和练习题
1．宇宙退化论的理论依据是热力学第二定律，即熵增加原理。如果信息学主张宇宙进化论，必须发现与熵增原理相对立的规律。试说明信息学与热力学类比的依据。
2．试述物质常变与信息消失的倾向。
3．信息的复制使信息不灭，信息创生使信息增长。试举例说明。
4．普利高津把物理学分为存在的物理学和演化的物理学。试述演化的物理学中所发生的自组织现象。
5．试述基因层次上的信息复制与信息增生。
6．试述人类文化层次上的信息复制与信息增生。
7．美国学者普赖斯用人类的文本文献（著作、论文、专利、音像制品等）的量化数据，说明科学文化知识的爆炸式增长的趋势。试用你个人的观察和体会说明同样的结论。
8．理论信息学的三个基本定律是从宏观现象的角度得到的结论。还是从宏观的角度，可以举出推翻这些假说的反例吗？试讨论之。
本章主要征引和参考文献
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