发现信息能，利用信息能（1）
陈雨思
(四川大学,电子信箱 chenyusi5225@yeah.net)
2001年8月公布于 http://entropy.com.cn
[摘要]本文在现有系统研究成果的基础上，通过对各种流体现象的分析，进行了取势作用与变构作用的区别；基于系统三象理论，提出了信息子的概念；讨论了可产生变构作用的变构区的特点；分析了信息子作用的多样性、系统变化路线对信息子作用的约束、信息子对于作用的选择等问题。在此基础上，导出了信息能计算基本公式，给出了各种具体情况下的信息能计算公式，最后指出了信息能发现对系统科学研究的价值，以及信息能合理开发利用对于人类生存和发展的意义。
[关键词] 信息能；取势作用与变构作用；信息子；变构区；信息能计算；信息能利用
[中图分类号] N941.4 ［文献标识码］ A [文章编号]
作者在《信息定义与信息的本质》一文中，曾经就信息能问题进行过讨论，并且强调了信息能研究对于人类的巨大意义。本文打算进一步来讨论信息能。我们要再次强调指出，信息能是一个全新的科学问题，信息能研究是一个全新的科学领域，具有重大的科学意义和人文意义，希望有更多的科学工作者来从事这项研究。
1.1能量的本质
能量是人们常用的一个术语，人们把能量当作一种可以获得或失去东西，这是对的，因为有能量转化与守恒定律在支持我们。但是深究一下，能量是什么？则可以知道，能量是运动的量度。
为了量度物质运动，人们进行了许多探索。在伽利略时代已出现了“能量”的思想，但还没有“能”这一术语。17世纪出现了“活力”这一名词，它相当于现在的动能的两倍。1807年正式出现了“能”这一概念，后来又出现了“功”的概念，有人又把“能”定义为“做了功的力”，能量可以用功来测量，这样，力与能终于区分开来。1853年克尔文把能量定义为∶从给定状态以任何方式达到某零态时，在系统外产生的“用机械功单位来量度的各种作用的总和”。能量概念得以确认。
人们根据大量实验确认了能量守恒定律，即不同形式能量之间相互转换时，其量值守恒。焦耳热功当量实验是早期确认能量守恒定律的有名实验，而后在宏观领域内建立了能量转换与守恒的热力学第一定律。康普顿效应确认能量守恒定律在微观世界仍然正确，后又逐步认识到能量守恒定律是由时间平移不变性决定的，从而使它成为物理学中的普遍定律。
可见，能量是对于运动的一种量度。这种量度与功相关。
能量这一概念有其应用范围，根据广义相对论，在一定条件下就不再能使用能量这种量度。
再深究一下，如果运动形式不同，运动的量度也应该有所不同。
有没有能量不能量度的运动形式呢？有！“结构的变化”就是能量不能量度的运动形式。而这时，“熵”等概念就要起作用。
能量概念作为对于运动的一种量度，具有其应用范围，这就为信息能的出现提供了空间。当然，信息能是以能量为基础的。
1.2 净能量从何而来？
为了弄清能与信息能的关系，我们还是从麦克斯韦的一段话开始讨论。在许多年以前，麦克斯韦在描述了火药棉的爆炸之后，指出：“在某些情况下，功的耗费可能是无限小，因此通常它并不和此后所得出的能量成一定的比例。例如，岩石被风霜松开并在山边某一特定地点保持平衡，一个小小的火花点燃巨大的森林，一句话引起一场世界战争；一个小小的孢子使所有马铃薯枯萎；一个小小的胚芽使我们成为哲学家或者白痴。在一定水平之上的所有存在都有它的奇点，水平越高，奇点就越多。在这些点上，物理量值太小以致不被有限的存在物所重视的那种影响，却可能产生出最重要的结果。”
值得注意，麦克斯韦在这段话中把“功的耗费”与“此后所得出的能量”相提并论。应该指出，“功的耗费”是施于系统的，而“此后所得出的能量”是系统发出的，可以把“此后所得出的能量”的一部分拿来补充“功的耗费”，这样，就有∶“此后所得出的能量”－“功的耗费”＝系统得出的净能量，这部分净能量是怎么得来的呢？是靠“功的耗费”吗？但是“功的耗费”已经补充了，功的“实际耗费”为零，得的只是净能量。净能量是由于施加作用的系统和接受作用的系统的结构改变而致，这就预示着一种新的作用和新的能量，即改变系统状态或结构的信息作用和信息能的存在。
1.3麦克斯韦妖的启示
热力学第二定律指出∶在孤立系统中过程总是沿熵增加的方向进行。克劳修斯据此提出了“热寂说”的观点。“热寂说”提出后，受到麦克斯韦的挑战，他设想∶将一个容器分为A、B两部分，中间有一个小孔，有一个“妖精”能打开或关闭孔道，它只允许快分子从A到B，慢分子从B到A，这样，就在不消耗功的情况下使A部分温度降低，B部分温度升高。这个“妖精”就是著名的麦克斯韦妖。1951年布里渊指出，“妖精”要能识别分子，首先要照亮分子，这就要输入能量，引起熵的增加，由此断定“妖精”是不存在的。
麦克斯韦妖的提出，给我们一个重要启示，即通过“妖精”识别分子，可以使快分子与慢分子分开，虽然这种分开与热力学第二定律不矛盾，但是它却改变了分子系统的状态,“妖精”识别分子，也就是获取分子的信息，这就意味着一个一般性结论∶信息的获取和利用可以改变系统状态。由此结论，就启发我们去关注信息作用和信息能。
1.4 熵流与信息流
在孤立系中，信息的作用没能充分发挥出来，而在非孤立系中，有可能形成新的有序结构，叫耗散结构，耗散是指系统维持这种新型结构需要外界输入能量和物质。
虽然普里戈金学派在他们的动力学方程中没有考虑信息地位，但是用熵流和熵产生来讨论耗散结构的形成，已经涉及到了信息作用的问题。哈肯学派把信息论引入协同学，进一步说明了信息的重要作用。
1.5信息和反馈
耗散结构论和协同学似乎侧重讨论系统规律，而控制论侧重讨论系统控制，N.维纳把控制论定义为：“研究动物和机器中控制和通信的科学。”维纳发现，动物和机器中控制和通信的核心问题是信息、信息传输和信息处理；维纳把与系统稳定密切相关的反馈理解为从受控对象的输出中提取一部分信息作为下一步输入，从而对再输出发生影响的过程；维纳还把信息和反馈概念用来研究动物的内在运动机制。这样，信息和反馈就不仅成为系统控制的首要概念，而且成为系统规律的首要概念。信息在系统中的作用进一步展现。
1.6放大器的象征意义
信息能概念虽然还未出现，但作为信息能象征的装置却早已经存在了，这就是自动化技术工具中处理信号的重要元件—放大器。放大器是增加信号幅度或功率的装置。放大器的放大作用是通过输入“信号”控制能源来实现的，也就是通过输入“信息”控制能源来实现的。这里也可以有一个算式∶“放大的能量”－“输入信息的能量耗费”＝放大的净能量。同样的问题，放大的净能量是怎么得来的呢？是靠“输入信息的能量耗费”，但是“输入信息的能量耗费”已经补充了，“输入信息的能量耗费”实际为零，得的只是放大的净能量，这放大的净能量是怎么来的呢？
放大的净能量同样来源于系统状态或结构的变化，谁使系统状态或结构变化呢？因为“输入信息的能量耗费”实际为零，故只能是信息的结构使系统状态变化，故而信息具有一种能力，也就是使系统状态变化的能力，这种能力，就是信息能。
2.取势作用与变构作用
一个开放系统总有物质、能量和信息的流动。为了研究信息作用和信息能，我们来考虑系统的物质流、能量流和信息流。
不失一般性，就以电流为例。
电流流动符合欧姆定律：
I=(u1－u2)/R
其中，I是电流强度；(u1－u2)是电压差；R是电阻。
由公式可见，电流强度的取值，决定于电压差和电阻R，改变电流强度可以有两种方法，一是改变电压差，因为电压差又叫电势，这可称为取势作用；二是改变电阻，因为电阻与电器的材料、结构有关，这可称为变构作用。所以改变电流强度可以通过取势和变构两种方法达到目的。
其他各种流体都有类似于电流的情况。如∶
热流率符合付立叶定律，其取势作用决定于温度梯度；变构作用决定于导热系数。
分子流率符合菲克扩散定律，其取势作用决定于浓度梯度；变构作用决定于扩散系数。
液体流动符合柏努利关系，其取势作用决定于液体压差和高差；变构作用决定于流动阻力。
可以证明信息流也存在取势作用和变构作用。
现假设分别采用取势作用和变构作用，以达到改变某流体流率的同样目的，我们可以有一个算式∶“取势作用的能量耗费”－“变构作用的能量耗费”＝“两种作用能量耗费差”。
当“两种作用能量耗费差”小于0时，变构作用表现为动力损耗，如摩擦消耗能量等。
当“两种作用能量耗费差”等于0时，变构作用与取势作用对流率变化的影响没有区别。
当“两种作用能量耗费差”大于0时，变构作用对流率变化的影响超过取势作用。
特别是当两种作用能量耗费差远远大于0时，变构作用对流率的变化起主导作用。此时，很小的能量输入就会引起流率的很大变化，出现一种小参量役使大参量的现象。而由于在一个系统中，取势作用亦可通过变构作用来控制。因而，取势输入亦决定于变构输入，这就可以使整个系统的稳定、运动、发展都决定于变构作用，形成一种小能量役使大能量，小参量役使大参量，小系统役使大系统的情况。这恰恰是前述麦克斯韦在许多年前指出的现象的根本原因。
3.系统三象与信息子
在《系统结构与系统三象》一文中，本文作者曾讨论过忽略了某些物质性质和能量性质的纯粹信息系统,并指出这样的信息系统仍然具有三象性。现在我们讨论更一般的、某些物质性质和能量性质不可忽略的、非纯粹的信息系统。
在同一文章中，作者还指出∶任何系统点上实在性、能量性、信息性不可分离地共存，并在一定的系统参照系中得以表现，就是系统三象性的意义。系统三象性决定了任何系统都有信息性，而从任何系统都有信息性的意义上讲，任何系统都可看作信息系统，而任何系统受到的任何作用，如力、能量、原子、分子、原子团、分子团、电滋波、电脉冲、机械刺激等的作用，均可视为信息作用。如果与变构相联系，则这些作用的信息性质就体现得更为充分。
当然，在一般情况下，信息仅含极小的物质、能量，不过，这些物质、能量并不是无足轻重的，其重要性在于∶
(1)这些物质、能量是信息的载体。在通讯研究中，由于信息传递技术的需要，人们把信息和信息载体进行区分，以进行有效的编码、译码，达到精确传递信息的目的。但是，对于信息作用研究，信息和载体是不可分的。
(2)这些物质、能量体现了信息的结构。因为任何信息总要通过物质、能量的特定状态来表示；或者说通过物质、能量的某种结构(排列组合)来表示。
(3)这些物质、能量是信息的变构作用得以发生的前提。变构作用的特点是极小的物质、能量可以使系统发生巨大变化，信息要对系统起大的作用，则这种作用必须是变构作用，而且这种变构作用必须通过信息中包含的物质、能量来实现。
根据上述原因，为了强调信息中所含物质、能量的重要性，我们把含极小物质、能量的信息称为信息子，并且把信息子理解为可以通过作用于系统的某些部分而使系统发生巨大变化的含极小物质、能量的一种结构。
信息子作用也就是信息作用，这是自然界中存在的另一种类型作用，即通过信息子而施加于系统的信息作用，其作用的结果是改变系统的结构。