2008_Info_4

第二部分  信息概念

信息概念的发展及其哲学意义

罗先汉

（北京大学物理学院天文学系）

一、通用信息概念及信息分类

信息概念自古以来就经历着错综复杂的发展过程。顾名思义，可以把信息理解为在相当程度上确切信赖的情况消息。例如，古代的敌情烽火台，现代的交通指示灯，就含有这种意义。进一步看来，信息是事物的实在状态及其相关规律（自然规律、社会规则等）^[1]，如烽火点燃时应准备对付外敌、红灯发亮时应停止前进等，才具有一般信息（广义信息）的含义^[2]。在通常情况下，如果人们只看到事物的实在状态而不知道相关规律，如看到红灯发亮却不知道应停止前进，只能说是获得狭义信息而未达到广义信息的境地。在精密科学领域，事物的实在状态可由若干特征参量的取值决定，而相关规律则是这些参量应满足的方程。

上述事例的信息属于人类文化信息（简称人文信息），因为事物的实在状态由人工控制，而相关规律也是人为约定的。人文信息更多的是以语言文字、公式图表等形式表达的。如交通守则上写出“红灯亮时应停止前进”这样的文字，就是一种常见的人文信息。对于这种人文信息，人们不仅需要通过知识的学习加以掌握，而且需要通过亲身实践加以应用，以免停留在“纸上谈兵”的地步。

比人文信息更加广泛的信息是自然信息。人类出现以前自然界提供的所有信息都是自然信息；在人类出现以后，凡是没有受到人的意识形态影响的所有物质信息，也都是自然信息。在这里涉及事物实在状态及其相关规律的一般信息概念依然适用，只是都不以人的意志为转移。例如，北极星提供的方位信息，日月运行状态提供的时间信息，以及风雨雷电提供的气象信息等，都是人们常见的自然信息。

显然，自然信息是客观信息，而人们对自然信息的认识则是主观信息，亦即自然科学方面的人文信息。历史表明，随着科学技术状况的发展和文化教育水平的提高，人们所掌握的这种主观信息会日益逼近客观信息，但相关过程是极其复杂而曲折的，而且永无止境。除自然界外，人们对自身乃至社会的规律性认识，也是主观信息，是属于社会科学方面的人文信息。这种信息的正确程度，也需要在实际生活中不断地加以检验和发展。

二、不同学科领域的信息

2.1 通信科学^[3]

一般将信息从发送方传输到接收方的行为称为通信。1948年美国工程师申农发表“通信的数学理论”一文，就是关于通信的信息理论的代表作。通信的关键是要迅速而准确地解决信息的长距离传输问题，即要求对以电磁波为载体的信息进行编码，以便在接收端通过解码而从强大的信道噪声背景中提取微弱的信息。

2002年4月，美国航天局的一个大型抛物面天线向1977年发射的“旅行者”1号探测器发送的信息，就是一种编码信息，即在每一比特信息后额外加一个比特，错误率只有万分之一。该信息以光速传递了11个小时后，成功地启动了该探测器的备用设备，使其继续正常运行。从而显示了申农信息理论的重大技术应用成就。

然而，通信的基本问题只是要求在接收方尽可能精确地复现发射方提供的信息，如设备启动信息、语言图像信息等。对于同这些信息相关的规律，如语言的含义及其应用等，则要另当别论。因此，通信科学中所谓的信息只是一种狭义信息，尚未达到广义信息的境地。

2.2 物理学

物质信息概念表现得最简单、最确切的领域是普通物理学。例如，经典力学表示物体下落距离与时间平方成正比的自由落体运动定律（S=1／2 gt²），热力学关于理想气体的压强、体积和温度应满足的状态方程（PV=NkT），电磁学关于通过一段导体的电流与该导体两端的电压成正比的欧姆定律（U＝IR）等，均可作为信息科学研究的典型事例。在这些事例中，物质的状态参量，就是相应方程中的物理量，它们提供的只是狭义信息。而有关物理量之间的规律性联系，即有关参量所应满足的相应方程，才具有广义信息的含义。这些用语言文字乃至公式符号表达的信息，是自然科学方面的人文信息。由于经得起许多次物理实验的重复检验，因而才称得上是比较符合客观自然信息的主观人文信息。

最常见而又很复杂的物理信息是大气物理信息。自古以夹，一般人只能凭感觉说出当时当地天气的阴晴冷暖，而不知道未来情况如何，以致经常发出“天有不测风云”的感叹。这显然是只粗略地知道小范围内大气物理狭义信息的表现。随着各地气象台站观测手段的完善，以及经常性卫星云图的获得，人们可能掌握的有关大气运动实在状态的信息（以大气压力、温度和湿度等参量表征），也日益扩大和精细。特别是这些状态参量之间的联系，可由根据热力学和流体力学基本规律所建立的大气运动方程组表示。这样，再通过计算机进行数值计算，便可作出未来若干时期内有关晴、阴、风、雨以及温度高低、湿度大小等内容的天气预报。现代人们都在自觉或不自觉地分享着这种由狭义信息导出广义信息的普通科学成果。由于气象观测数据的取值及所用方程组模式的近似性，这些成果（如暴雨、台风预测）往往只能以概率的形式通报。

2.3 天文学^[4]

虽然地球也是一个行星天体，但是一般将地球以外的领域作为天文学的研究领域。因为人们很难到那里实地考察，所以只能主要通过观测天体发出的电磁波（光子）信息进行研究。在宇宙最常见的四种基本粒子（光子、电子、质子和中子）中，光子的速度最大，静止质量为零，而且是电磁相互作用的媒介子，最适合担任天文“信使”的主角。然而，地面上观测的天体电磁波（光子）信息，只是一种实测参量较少的狭义信息。要回答该信息是由什么样的天体机构发出的问题，就需要建立相应的理论模型加以解释。前提条件是宇宙中物质的基本成份（四种基本粒子）都相同，并且有关的自然规律在天地间普遍适用。

例如，地面观测的太阳电磁辐射宏观信息，包括总辐射功率（光度）和光谱型（表面温度）等，需要一个合适的太阳内部结构模型进行解释。假设太阳是一个由大量微观粒子（基本粒子、原子及其离子等）组成的、各向同性、非均匀的动态平衡气体球，分别给出球内任一体积元的氢、氦和较重元素的质量与总质量的比值，及其状态参量（经过统计平均的密度、温度和压力等）应满足的一系列物理方程；通过反复调整模型参量进行计算的步骤，使其导出的太阳外层参量值（光度、表面温度等）与实测值尽可能相符合，则整个太阳内部结构模型就比较真实可信。这种模型拟合的结果，不仅显示了太阳上氢氦聚变反应的巨大威力，而且指出了维系太阳内部多层（核心层、辐射转移层、对流层）有序结构的力量，是一定份额的质量亏损所换得的能量，太阳内部的氢燃料还足够供应它继续这样存在几十亿年。

由于不同层次的天体以及天体的不同演化阶段所发出的由光子携带的信息不同，也就是相应的电磁波的“花样”不同，通过模型拟合方法所揭示的天体机构也丰富多彩^[2]。以20世纪六十年代四大天文发现为例：几乎均匀各向同性的微波背景辐射的发现，揭示出“大爆炸”几十万年后宇宙早期火球的存在；射电源的光学证认，导致星系层次的新天体——类星体的发现；奇异的射电脉冲信号，竟然是高速自转的中子星发出的，从而意外地找到恒星晚期的一个新归宿；通过射电谱线观测所发现的星际分子云，既可能含有老恒星衰亡时的遗迹，又可能是诞生新恒星的母体。这些观测研究结果表明，以天体物理学为主要标志的现代天文学是真正研究天体演化的科学。而如果仅停留在天体电磁辐射狭义信息阶段，不去追究相关的广义信息，则这一切成果都无从谈起。

2.4 生物学

一个完整的有生命之物（生物）是从细胞生成开始的。细胞核内的脱氧核糖核酸（DNA），是生物信息的物质载体。这种信息不仅引导生命的诞生和成长，而且还能够遗传给后代子孙。以人类为例，在适宜的外部环境下，随着时间的推移，人的一个受精卵细胞，由于受到DNA所携带的信息的控制，会逐步向空间展开，以致生成数以万亿计的细胞，并自动形成与其对应的各种组织、器官和系统，直至成为一个结构复杂而有序的人体巨系统。显然，在这里的信息，是客观的自然信息，而且含有广义信息的意义。

然而，人们以观察实验等手段所揭示的生物信息，是带有主观性的人文信息。虽然这种人文信息是在日益逼近相应的自然信息，但两者之间的差距仍然很大。人类基因组工程的第一批研究结果表明，人的DNA是由四种核苷酸按一定顺序以碱基配对的双螺旋形式排列而成，而DNA上称为基因的片断只有3.5万——4万个。对于回答这些基因是怎样协同工作的，各个基因的启动和关闭如何控制，以及某些基因缺失和基因突变会产生什么影响等问题，则要另当别论。虽然经常有基因方面发现相关经验规律的报道，但并未上升到理论定律的高度，即尚未达到掌握广义生物信息的地步。

一般说来，广义生物信息是由生命物质的实在状态及其相关规律来表征。而从根本上说，生命物质的实在状态应由四种核苷酸（DNA上的T、A、C、G，转录到RNA上即为U、A、C、G）特征参量的取值来表征^[2]，而相关规律则是这些参量所应满足的一系列方程。因为从核苷酸到氨基酸再到蛋白质的过程，相似于从基本粒子到原子再到分子的过程。既然四种基本粒子特征参量的取值及相关规律，能够大体上解释我们所处宇宙的演化情况，那么，四种核苷酸所携带的广义信息，似乎也应该能够大体上解释我们自身生命的进化情况。

现在的问题是，核苷酸的物理特征参量（特别是电磁参量）还没有精确的取值，而核苷酸遵从的碱基配对经验法则还没有上升到理论定律的高度，特别是从生命体各个层次上发出的光子信息迄今还很难精细探测。这就无法建立一个关于生命内部结构的理想模型，使其导出的外部表现与实测的生命宏观信息相符。联想到太阳几十亿年来一直在自身物质信息的引导下向外界发出强大的光和热，而太阳能源之谜直到20世纪人类发现相对论和量子力学以后才得以真正破解。这似乎暗示生物基因之谜的真正破解期待着新世纪自然科学的新发现。

2.5 脑科学^[1]

诸多学科领域的信息研究表明，信息既要以物质为载体，又能对物质的生存发展发挥引导作用；结构层次愈繁多的物质，所携带的信息愈复杂。而引导人类大脑皮质特殊活动的信息，则是最为复杂的信息。这种信息实际上是大脑皮质神经元的兴奋和抑制状态按相关规律进行传播和处理的过程，与思维和意识方面的精神活动相对应。

在现代脑科学的基础上，根据宏观经验推测，主要在大脑皮质内神经元网络的活动大致遵循以下规律：（1）兴奋中心主导律：某个神经元的兴奋，以离子、分子的流动等方式传播到附近的许多神经元，进而形成“兴奋灶”，主导着人的相关活动。当人集中精力注意某个事物或完成某项任务时，他的大脑皮质的相应区域就会形成这样的枢纽性兴奋灶。（2）兴奋与抑制的相互诱导律：这个区域内兴奋灶的开启，往往易于导致其它区域内兴奋灶的关闭，因为脑内物质和能量供应有一定限度。例如，人在紧张的脑力劳动后从事轻松的体育锻炼会得到积极性休息，以及采用针刺疗法进行麻醉和止痛等，都是上述相互诱导律发挥作用的表现。（3）兴奋与兴奋的条件反射律：两个或两个以上区域内的神经元多次同时（或相继）发生兴奋，进而导致各个兴奋灶之间形成某种联系。在此后一段或长或短的时期内，只要一个兴奋灶启动，其它兴奋灶也会同时（或相继）启动。例如，某事物的声音和图像信息会在人的大脑皮质不同区域产生深刻印象，以致可能形成条件反射式的联系。又如，与一个人每天规律性的起居作息活动相对应的各个大脑兴奋灶之间，有可能形成链锁性条件反射式的联系。

主要在大脑皮质内展开的高级神经信息活动，是人区别于其他动物和机器并作为“万物之灵”的根本标志。这种信息活动的复杂性大体上有以下表现：（1）通过物质（包括能量）交换控制的自然信息活动，同以语言、文字、公式、图表等表征的人文信息活动，在大脑内交错出现。其中的人文信息活动，与人的年龄、经历以及受教育情况等密切相关，不同人之间相差很大。（2）受多种利害关系的左右，人的内心活动与外在表现有时很不相同，以致给人以真假难辨、“知人知面不知心”的印象。（3）大脑的功能，特别是认知、学习、记忆、语言等高级功能，应当是分散于脑的若干区域，甚至是很多区域相关活动的总和，它既是定位的，又具有相当的整体性。

对于20世纪初期的人来说，从一个人身上取下一个基因去作研究，就如同要从人的大脑里提取一束思想加以检验一样，都是“荒谬”的。然而，随着DNA双螺旋结构的发现，以及人类基因组工程研究成果的取得，今天人们不仅知道基因是生命信息的物质载体，而且还知道基因组所取的具体形式。与此相联系，大脑神经网络是人类精神信息的物质载体己日益得到公认，而这种网络所取的具体形式，要从基本设想阶段进入全部实证阶段，则还要走相当漫长的一段路。

2.6 社会科学^[5]

社会的根本要素是人。每个人既有物质生活需要，以开展新陈代谢之类的自然信息活动；又有精神生活需要，以开展区别于其他生物的人文信息活动。

人们为了持久有效地生存发展，必须结成各种组织（国家行政组织、专业职能组织等），开展经济建设和商品交换、学校教育和科学研究以及思想舆论和法律规范等诸多方面的活动，以便不断地满足日益增长的物质生活和文化生活需要。

社会信息是社会成员的物质和文化生活状况及其调节控制规律。而社会信息网络的中心，则通常是社会中央组织的核心，因为其决策的制订和推行对整个社会的生存发展起着至关重要的作用。例如，我国解放前后不同时期（抗日战争、文化大革命等）社会发展的经验教训，均可从当时中央主要领导人的一系列决策中找到基本答案。

在和平建设年代，人们面临更加全面和复杂的情况。作为当代我国社会中央组织的核心——以胡锦涛同志为总书记的党中央，看来业已根据历史和现实的情况，对社会的未来发展开始制订出一个日趋完善的“总体设计”蓝图。即在现有自然环境和国际环境的条件下，以经济建设为基础，以文化建设为先导，通过从中央到地方一系列物质文化信息调控的步骤，逐渐缩小城乡差别和地区差别，向有中国特色的社会主义和谐社会迈进。

上述文化建设包括思想道德、法律规范、文学艺术和科学技术等诸方面的内容。值得强调的科学技术是人类对自然物质信息在一定程度上的理论认识和实际应用，起着推动社会生产发展和政治进步的重要作用。人类经历的石器、铜器、铁器、蒸汽、电气、原子和信息等各个时代，都对以上论断分别提供了典型例证。还应指出的是，文学艺术中的想象力，往往对科学技术创造有一定的借鉴作用；而科学技术在人类社会中的应用情况，则难免受到思想道德和法律规范方面的制约。

三、关于物信论的哲学意义^[5]

恩格斯曾经指出，唯物主义的形式必将随着自然科学划时代的发现而改变^[8]；并认为唯有“物质及其运动和变化的规律”，才是永恒的东西^[9]。在这里如果把物质的“运动和变化的规律”理解为物质的“信息”，则物质及其信息就是“永恒的东西”。这种以物质信息表达的论点——物信论，认为信息要以物质为载体，物质的生存发展要由信息来引导；物质和信息之间存在的既彼此不同又相辅相成的对立统一关系，是永恒不变的；精神只不过是发展到高级阶段的大脑物质所携带的一种复杂信息。因此，应当认为上述物信论是在20世纪自然科学大发展的基础上，试图既改变唯物论的形式，而又保留其合理内涵的一种哲学探索的新见解。它的主要哲学意义可以从通用信息的角度在以下诸方面展开讨论。

3.1 本体论

不同学科领域的信息，揭示的是诸多层次的物质系统所携带的信息。这些物质信息可划分为非生物信息和生物信息两大类别。非生物信息包括天体信息、普通物理信息和无线电通信信息等，一般仅涉及基本粒子、原子和分子等较少层次的物质信息，可用精密科学方法进行从定性到定量的分析研究。而生物信息则包括普通生物信息、大脑神经信息和人类社会信息等，是在非生物信息的基础上又迭加有核苷酸、氨基酸和蛋白质等诸多层次的物质信息，通常只能用复杂性科学方法进行以定性为主的分析研究。

物质系统的通用信息，一般用系统组元物质的实在状态及其相关规律来表示。在精密科学领域，系统组元物质的实在状态可由若干特征参量（如太阳大气的密度、温度和压力，地球大气的压力、温度和湿度等）的取值决定，而相关规律则是这些参量应满足的一系列物理方程。在涉及生物界的复杂性科学领域，系统组元的实在状态及其相关规律，受当代科学水平的限制，只能根据已有实测结果和实践经验加以推理，并作出预期性判断。如生物细胞核内DNA上四种核苷酸的排序状况及其遗传变异规律，大脑神经元的兴奋和抑制状态及其传播处理规律，社会成员的物质和文化生活状况及其调节控制规律等。

作为包容天地万物的可观测宇宙，是迄今已知最大的物质信息系统。然而，年龄小于1秒的早期宇宙，只不过是一个逐渐胀大的微小混沌体。那里的极高温度和密度，使得物质只能以粒子混合形式存在。诸如光子、电子、质子和中子等基本粒子所携带的信息，由这些粒子的特征参量（光速、能量、质量、电荷等）的取值及其有关的相对论和量子力学规律决定，是控制宇宙后来演化进程的基本物质信息。因为这种物质信息是往后相继形成的各种天体信息和生物信息的基础，所以称得上是现代本体论意义上的物质信息，也就是用现代科学解读的老子之“道”。^[2]、[5]

3.2 发展观

从现代科学达到的水平看来，关于物质与信息既彼此不同又相辅相成的对立统一规律，是宇宙万物发展的根本动力；这种规律是以中心主导、层次依从、和谐生存的形式表现出来的。

首先，宇宙早期微小混沌体内由基本粒子所携带的信息，随着宇宙的膨胀才相继建造出星系、恒星和行星等诸多层次的天体系统^[6]。如果基本粒子的特征参量不是有效数字达八九位这样的取值^[7]，则宇宙会按另外的情况发展，不可能出现生物和人类。其次，作为高级智慧生物的人，其发育和遗传信息早就由受精卵细胞核内的脱氧核糖核酸（DNA）所携带，并在适宜的环境条件下才相继生成众多的细胞、组织、器官和系统，直至形成结构复杂而有序的人体。如果DNA上核苷酸的排序情况有所短缺或变异，则会出现不可想象的发展情况。

以中心主导、层次依从、和谐生存的形式表达的关于宇宙演化和生物进化的对立统一观律，对于人们理解自然界、人类社会和思想意识的发展均具有重要意义。诸如太阳系的太阳信息，社会系统的领导核心信息，以及人体系统的大脑神经信息等，均在各自的领域内发挥关键性主导作用。问题是怎样处理好层次依从关系以达到和谐生存发展的目的。

3.3 认识论

“实事求是”格言的前提，是客观事物本身具有规律性。从物质信息的角度看来，客观事物本身都携带有相应的信息，问题是怎样沟通自然信息与人文信息之间的联系，从狭义信息导出广义信息，使主观信息符合客观信息，以达到认识的目的。

认识的一项基本原则是必须以宇宙的自然信息为出发点和落脚点。因为作为高级智慧生物的人类出现以前，宇宙早就存在，生物也早就存在，并在各自信息的引导下经历过漫长的演化路程。人类对自然物质信息的认识虽然不断取得进展，但是直到20世纪，才在认识太阳能源、生物基因等方面取得突破性进展，还有更多的不解之谜需要继续揭示和认识。

值得注意的是，人们在对自然和社会的认识上取得某些重要进展以后，往往易于将这些认识无条件地推广应用到更加广大的领域，如将牛顿经典力学应用到天体演化领域，以及将革命战争经验应用到和平建设领域等，都会造成不同程度的挫折和失败。因此，只有不断地解放思想，才能自觉地踏上求真务实的正确认识道路。

【点评一】“物信论”是一种承认物质和信息双重存在的理论，由此出发可以建立某种全新的哲学。但信息并不直接就是“事物的实在状态及其相关规律”，如果是这样，就无法把信息和物质自身的存在方式和运动状态加以区分。只有把信息看成物质存在方式、状态和相关规律的显示或表征，才能把物质和信息区别开来，并由此建立物质和信息双重存在和演化的统一性理论。另外，将“物质的状态”看作狭义信息，而将“物质运动的规律”看作广义信息的划分也值得斟酌。通常，把信息严格限定在通讯范围或生物及人的主观活动范围的理论被看作是狭义信息理论，而主张自然界普遍存在信息活动的理论被称为广义信息理论。显示物质状态的信息和显示物质运动规律的信息都应属于广义信息理论。（邬焜）

【点评二】提出物信论有可能是哲学上的重要创新，值得深入研究。但把信息定义为“事物的实在状态及其相关规律”，似可商榷。应区别状态与状态信息、规律与规律信息，事物的状态不能传递，能传递的是有关状态的信息；客观规律不可加工，被加工的是有关规律的信息。对自然信息和人文信息的区分亦需斟酌，欧姆定律无论如何编码，表达的都是自然信息，而不是自然科学方面的人文信息。（苗东升）

参考文献

l.罗先汉，物质信息与大脑意识，系统辩证学学报，2004（1），13-18

2.罗先汉，关于广义信息论的探讨，北京大学学报（自然科学版），2001（3），425-432

3.李衍达，信息世界漫谈 北京：清华大学出版社，广州：暨南大学出版社，2000，18-27

4.罗先汉，天体演化，太原：山西科学技术出版社，2001，9-24，97-112，140-145

5.罗先汉，物信论—多层次物质信息系统及其哲学探索，北京大学学报（自然科学版），2005（3），440-447

6.罗先汉，天地人系统的复杂性研究，系统辩证学学报，200l（4），10-13

7.彭桓武，徐锡申，理论物理基础，北京：北京大学出版社，1998

8.恩格斯，路德维希·费尔巴哈和德国古典哲学的终结，马克思恩格斯选集.北京：人民出版社，1995，228

9.恩格斯，自然辩证法，马克思恩格斯选集，北京: 人民出版社，1995，279

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作者通讯地址：100871，北京大学物理学院天文学系