《情报学理论方法》系列讲座之九.pptVIP

理论信息学的三个基本定律（“情报学理论方法”系列讲座之九） 李 宗 荣 于华中科技大学医药卫生管理学院 2005年9月26日 主 要 内 容 信息学与热力学类比的依据 信息学第一定律：信息不守恒 关于信息熵与信息负熵 信息学第二定律：信息能与时倶增 信号脑、符号脑与文化MEME的增长 信息学第三定律：信息增长没有上限 基 本 思 路 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，信息不守恒；第二定律，信息能与时俱增；第三定律，信息增长没有上限。 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。 作为理论上的准备，引出了信息熵与信息负熵的概念，揭示负熵进化的层次性。 热能的演变与信息能的演变 宇宙间物理学的能量具有多种形式。任何一种形式的物质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。 宇宙信息能的演变以生命信息的进化为逻辑链条。理化信息进化是生物DNA进化的基础，人类文化MEME的进化是它的高级阶段。所以，信息能演变的趋势也在一定程度上代表着宇宙演化的方向。 热力学与信息学的趋势相反 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，而且是可以采用反向思维的方式进行类比。 在对比中提出信息三定律 信息学第一定律：“信息不守恒” 无机信息随载体的消失而消失。生物DNA可能被复制。发达的符号文化可能永存。 信息学第二定律：“信息能与时俱增” 物理世界中自组织能力增加；生物界DNA和生物信号控制能力增长；人类科学技术水平的指数式增长。 信息学第三定律：“信息增长没有上限” 由物质复杂性向信息复杂性进化，生命信息系统的复杂性增长是没有极限的。 第一信息定律：信息不守恒 信息学第一定律说，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。人类创立文字和符号，建立文化科学知识体系，在加速增长着。 信息不守恒包含两种可能的倾向：一是消失，二是永存。灭绝的人种，逝去的历史，也可能造成信息的消失。 可以用数学证明“信息守恒”？ 在学术界中也有不少的学者把物质和能量“守恒”的结论推广到信息学，主张：信息同物质和能量一样，是守恒的。 《广义信息论》一书的作者在“引论”中，引用自己的题为《论信息守恒》的论文，说“信息守恒”的命题已经被他在论文中用数学方法证明了。 信源具有“信息守恒”特性？ 《信息时代与信息科学》的作者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”。 在通信中，决没有信息增长，但也不守恒。在通信之外，确有信息增长，更不守恒。人是客观事物，也是信源本体，人的信息、所能发送的信息显然是不守恒的。一般而论，说信息守恒，在微观和宏观上都不对。 熵概念的拓宽和泛化 克劳修斯的热力熵公式：dS = dQ/T 波尔兹曼的统计熵公式： S = k LnW 香农的信息熵公式： H = k logN 薛定谔的负熵公式： - S = k log(1/D) 只借用熵与负熵概念内涵的逻辑效用，舍弃其外延的含义。 类比方法能创造，也不可靠 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，也可以叫做“协变类比”方法。 类比推理论证的高度创造性和高度不可靠并存。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、维纳、薛定谔的类比 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。这个类比，来自冯诺依曼的“馊主意”。在西方学术界否定的声音迟早会成为主流。 维纳和薛定谔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，信息有增加与减少两种趋势。 理论信息学对熵概念的借用 在熵概念的泛化、借用过程中，它越来越脱离最初的意义。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，也不全指指它们内涵的逻辑意义，而是在功能上：用熵表示衰败与退化，用负熵表示成长与进化。 物质和信息：两类熵增与熵减 从自然和社会常识可知，信息可以退化，也可以进化。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