文档介绍：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。