Raymond Ruyer-信息起源（一）

原文选自 Cybernetics and the Origin of Information 第 5 章 The Origin of Information

作者：Raymond Ruyer（1954）

[R. A. Fischer，]克劳德-香农（Claude Shannon）与诺伯特-维纳（Norbert Wiener），皆可算作第一个精确地对信息量（the quantity of information）之概念加以定义的人。[1] 正如我们所见，所谓"基本信息"， 其实就是二选一式的（alternative）"是-否"——或者说，就是任何其他 "二进制"决定：1 或 0，右或左，等等。此即信息单位，或被称作 "哈特利（hartley）"：

0← α· b →1

A P B

Figure 5.1.

如果我们必须精确地对一条直线上的一个点加以定位，或者对一个给定的图形加以描述，那么信息量必然是无限的。实际上，描述、定位或测量，从来都并非完美无缺的。 让我们考虑一个点 P，我们只知道其位于 A 与 B 之间的某条直线的某一部分上。随后，我们可以通过对左半边的 0 或右半边的 1加以显示（signifying），来知晓其位于左半边上，然后，在这左半边的右半边上，依此类推。二进制数的形式为 0、010101 … 对我们的信息加以表示的二进制数，永远不会是一个 由1 和 0来组成的不确定数列。 信息之精确度是有限的。例如，这里逗号后的第五个数字是不确定的。 信息量仅限于逗号后的四位数字。从 AB 到 ab ，所获得的信息量相当于概率之对数。 而对它加以表示的公式，正是熵之公式，熵同时是概率之对数，不过符号相反。信息是一种负熵（negative entropy）。

这一结果是令人惊讶的，甚至显得 "耸人听闻"。然而，这是自然而然的，且颇易理解。假设直线AB 代表着处于某一均匀温度下的金属棒。我们提高 ab 区的温度。 根据热力学第二定律，温度很快便会趋于平衡，重新变得均匀：系统之熵增加了。在前面的例子中，随着 ab 区之缩小，于 A 与B 之间，有关 P 点的信息也随之增加，而在加热棒这一具体实例中，随着温度之均衡，以及 ab 区同整个 AB 区的合并，熵亦随之增加。 熵之增加相当于信息之减少，反之亦然。同样，这并无任何特别之处，因为信息乃结构（或组织）之同义词，而熵则是解体（disorganization）之同义词。只要 ab 区的温度高于金属棒之其他部分，那么金属棒作为一个整体，便具有一定程度的结构；从词源学的意义上讲，它是 "信息的（informed）"，也因此，作为一个观察者，我便是知情的（informed）（惯常意义上的"informed"），亦即，知道在 ab 区发生了一个特定事件。当熵达到最大值时，整个金属棒的热运动（ thermal agitation），乃同质的，信息是最小的；先前不同的概率之区域融合在一起。再举个例子， 如果我用坏掉的粉笔在一块坏石板上写字，粉笔灰在整个石板表面上迅速地作均化（homogenization），这一现象便类似于熵之增加，同时也就是信息之损失：写出的字变得难以辨认。如果电话或收音机中的 "静电"达到一定的强度，又或者当调频太弱并下降至使静电得以触发的波动水平，语音就会变得模糊不清。

尽管如此，考虑到任何机器，无论多么精密——包括计算器或反馈自动机——都只能增加熵（因为它们是根据热力学原理运行的），所以它们显然只能对信息加以减少。

电话或收音机中的背景噪声，可以扰乱信息，但所无法想象的则是，纯粹的偶然波动能对已遭扰乱的信息加以复原，抑或无中生有地对信息加以创造。这就像水壶烧开后却结冰般不可能（impossible），或者说，未必（improbable）。熵之方向，乃最有可能发生的状态；信息之符号却正好相反，因此它是一种 "反可能性/概率（anti-probability）"，或者用阿瑟-爱丁顿（Arthur Eddington）的一句老话来说，是一种 "反偶然（anti-chance）"。 "偶然"无法对反偶然予以解释。 机器对信息的机械传播，无法解释信息本身，因为机器只能使信息衰变，或者充其量，只能对信息加以保存。 控制论无法摆脱这一矛盾。 如果 "机器对信息的任何操作皆无法获得信息"，而另一方面，如果 "毫无理由的......为什么活有机体之基本运作模式，不能与自动机之运作模式相同"，[2]那么信息从何而来？

十九世纪末，正是能量衰变原理得到普及的时候，人们也提出了类似的问题。 人们不禁要问，能量之"更高级"形式从何而来？随即，人们得出了对整个宇宙皆行之有效的，形而上学的与神学的答案。 它们甚至为上帝之存在提供了新的证明。既然宇宙就像一只其发条正在松开、解旋（unwinding）的时钟，那么一开始便一定有人先给时钟上过了发条。 十八世纪不合时宜的 "钟表匠上帝"又以 "上发条者"的面目出现了。 上帝不再是伏尔泰、帕利笔下的钟表匠*，而是上发条的人*。

但是，对整个宇宙皆有涉及的问题，往往容易让人怀疑，其提出的理由不够充分，这也许是对的。 今天，很少有哲学家，甚至相比之下更少有科学家，会对能量之"初始缠绕/上条"问题多么关注。

相反，信息之起源与创造问题，却是确切、有条件（limited）而不容忽视的。如果甲通过电话同乙通话，或者甲在石板上给乙留言，那么信息之起源显然同有机体甲有着某种关系。发出的信息，显然并非凭空产生的。其（有意识的）发送者本身已经在一个社会环境（其中存在着无数信息工具）中，知情、受指、获教（informed, instructed, and educated）。但在这种特殊情况下，他仍然扮演着发明（或创造）之源泉的角色。对信息加以口述的人，比对信息加以书写的人，发明了更多。他是熵之 "发条"，确切地说，是一个积极的信息提供者。认为世界上单单存有纯粹的传递者（transmitters），是荒谬的。在信息之传播前，还有被创造的信息。人们几乎在这里便被引诱着停止了讨论，并被引诱着，在不做进一步的研究的情况下，便对控制论加以讨伐，就像不假思索地谴责永动机项目一般。

然而，控制论者和机械论者，试图用自催化（autocatalysis）、波动（fluctuation）与耦合系统（coupled systems）等概念来挽救其论点。让我们来看看他们的 "解决方案"。

他们首先指出——在这一点上，我们认为他们是对的——如果信息量之数学公式与熵之数学公式相同，而符号相反，那么信息同熵之间，便会出现不对称：机器无法对（其所传输的）信息的精确度加以提高，但它可以 "扩展（extend）"信息。报纸的印刷机无法纠正标题中的错别字，但却能将文章印刷成千上万份。

如果我们不再对（信息的）数量作过多考虑，而是考虑信息之扩展，那么熵之（正常）增长同信息之扩展，彼此之间并不存在矛盾。 报纸的印刷机在运转并印刷成千上万份报纸时，会消耗电能，而电能通常会转化为热能。因此，其运行之结果既是信息之扩展，也是熵之增加。在有机结构中是如此重要的自催化化学现象，定然亦乃这种信息的延伸：自催化作用之分子，在某种程度上将自己的形式印刻于数十亿个相邻分子上。

另一方面，在一个并非孤立、绝缘的系统中，通过同世界其他地方的——或者说，更大的——系统进行能量交换，熵可以减少而非增加，只要增长之总量大于减少之总量，这当然不违背热力学原理。 那么，生物显然是非孤立/绝缘的系统。 如果我们说它们可以违背卡诺原理，甚至暗示它们因此具有完全特殊、非凡的特性，那么便如控制论者与机械论者所强调的那样，只是在玩弄文字游戏。它们始终代表着耦合系统。倘若它们是孤立、绝缘的，就会显得非同寻常，但如果我们将 "生物-食物"或 "生物-阳光"系统视作一个整体，它们就一点也不奇怪。水在冰柜中结冰并不奇怪，但就像水在热炉子上结冰亦极其不可能/未必（improbable）一样，因为冰柜使用电力，就像报纸之印刷机一样。就像所有热引擎一样，冰柜创造了局部的 "秩序"，但代价是更大和更普遍的 "无序"。

植物之光合作用是一种奇迹般的上升（go uphill）——而非下跌——之反应。 但不应忘记的是，植物分子所捕捉到的光量子，直接为它们提供了（上升所需的）能量。[3] "植物-光 "系统所走的，乃下坡路，尽管孤立地看，植物是走上坡路的，而且似乎通过对熵的减少，来增加自由能。考虑一下通往细砾石地面的楼梯。如果不刮风下雨，砾石就无法回到楼梯上。 然而，一场大雨会使许多小石子蹦跳至较低的台阶上，而极少数的小石子，会偶然地跃至颇不可能的高度。

因此，这些关于耦合系统、波动与自催化的概念，将提供一种方法，来对"生物是如何在对普通物理定律予以遵守的同时，通过对其结构之复杂性加以增加，从而不仅扩展了信息，亦增加了信息量"加以理解。 例如，叶绿素分子在植物胚芽中，便有自己的 "分子"或 "类型"。 另一方面，也是最重要的一点，分子类型之结构本身可能是突变（该突变由紫外线、伽马射线或宇宙射线引起）之累积的结果——就是说，这些突变逐渐 "积累起来"。

总之，光合作用之现象为对不可调和的矛盾加以调和，提供了主要要素。 活有机体之形成，便是一种巨大的光合作用。有机结构是由（更富能量的）光子所引起的突变，累积而成的，另一方面，同生物体相 "耦合"的能量流，也很容易解释，这些结构之运行过程中的局部上升运动。甚至，心理发明（psychological invention）也可以被视作一种布朗运动，它涉及到的并非分子运动，而是大脑状态，其中一些幸运的波动被捕捉并保持了下来。他就像 "秩序之涌流"上的——或或者说，"负熵"之上的——工厂，也正如任何其他真实系统一样，他也会衰变、退化，只不过是通过涌流之引导（channeling the current）的方式，来使局部的上升运动暂时得以可能。 打电话所需的能量，来自前几天摄入的食物，以及信息本身的结构。 也就是说，将食物能量转化为 "话语能量"，其所用到的复杂通道，来自于生物物种成为文明人以来，通过突变、选择和保留而逐步构建起的，有机结构与社会结构。

总之，这就是当代众多科学家—— Erwin Schrodinger、Harold F. Blum、Pierre Auger、Norbert Wiener 和 Joseph Needham——所提出的解决方案。这同赫伯特-斯宾塞（Herbert Spencer）的旧理论并无本质区别，斯宾塞也是通过将物质之整合/集成同随之而来的运动之耗散结合起来，以对结构之进化——亦即结构之显像——加以"解释"。这个 "解决方案"是建立在多种错误、混淆之上的。恰是它所包含的唯一有效论点——即，尽管熵、信息之数学公式是对称的，但它们实际上并非完全对称——破坏了论证之所有其他部分。

I. "秩序（order）"一词含义模糊。 它既指一种同质的秩序（例如，涌流中的所有水分子使磨盘朝同一方向转动），也指一种组织（该组织于多重层次上加以结构）中的复杂结构秩序（例如，磨坊与磨坊主的身体具有组织结构）。 向最大熵——或者说，无序——的常态（normal）演化，将破坏掉这两种意义上的秩序。 在磨坊之下层蓄水池中，水分子向各个方向作随机运动；另一方面，如果没有任何东西对经典物理定律加以违背，磨坊与磨坊主便注定会在毁灭与死亡中，失去其结构。相反，信息只是第二种意义上的秩序，尽管有某些明显的例外。情况一：巴尔扎克在《Physiology of Marriage》中用随机选择的印刷字母，写了整整一章。情况二：假设另一位作者怀着同样幽默的意图，独独用字母 x 撰写了整整一章。情况三：尽管第二种情况下的作文之构成（composition）乃同质的，尽管完全由 x 组成的页面，其秩序可谓完美，但读者在一种情况下所获得的信息，并不比在另一种情况下获得的信息更多。为了让所印刷的字符传达一些信息，它们必须被组织成单词和短语，而单词和短语本身是由意义之统一性构成的。[4]

如果我们对这三种情况下的信息量加以测量，我们会发现第一种情况（巴尔扎克的章节）下的信息量等于 0，因为字母乃随机选择的，但在第二种和第三种情况下，它们具有相同的正值。 然而，这与实际情况相悖，因为 x所组成的章节，同巴尔扎克的章节相比，并没有告诉我们更多的信息。 更确切地说，"哈特利（hartleys）"[即信息单位]之数量取决于我们的习惯。如果我们认为每个 x 皆被选作该章的一个重要字母，那么两种情况下的信息量便是相同的。如果我们假定，作者是出于幽默之目的，而想用同一个字母来组成一章，那么信息量就只能通过对这一字母的选择，来加以衡量。

我们倒没必要因此而否定掉信息量之数学定义，但必须认识到，其表面的与相对的性质。在欧洲语言之工业印刷中，我们使用大约 80 个字符。 由于 6 个二进制符号（1 与 0）有 64 种可能的排列方式，而 7 个二进制符号则有 128 种可能的排列方式，因此印刷书籍中的每个字符，基本上相当于 7 个信息单位。 这种测量方法无法对牛顿的《原理》、卡雷姆的布道集（a collection of Careme’s sermons）抑或关于马赛（Marseilles）的历史书予以区分，就像“一米"本身并不能对丝绸与棉花加以区分一样。对信息的衡量，就像所有的衡量一样，必须明智地进行，并同一定的心理背景相对应。如果为了巴尔扎克著作之再版，排字工人有义务对初版的排字 "布丁"（typographical "pudding" ）加以完全复制，那么相对于这一意图，我们可以赋予其工作以积极的信息价值。但是，在这种情况下，排字工人最好还是别给自己制造这种荒谬的困难。

因此，我们看到，在第二种情况下，信息之概念乃任意地被应用的，它是绝对相对的，尽管我们总是可以测量之。相反，在第三种情况下，信息是一种绝对的现实：字母所组成的短语（phrases），具有一定的意义。在这里，我们并无必要反对地说，对于一个不懂法语的中国人来说，情况 I 和情况 III 并没有任何区别，因为我们可以翻译出 III 的意义，而非 I 的意义。我们也没有必要反对地说，这至少仍是相对于一个聪明的读者的存在而言的，而且，在没有人的情况下，文本 III 的意义或 "绝对信息"并不比 II 或 I 多——这将使我们回到这样一个假设，即，信息之绝对性实际上并非出现在人的身上，而是出现在 "文本-人"这个系统中。如果我们再次反对说，文本 III 只是在其他可能的组合中偶然地产生的，在没有其他意识的情况下，其意义并不会比任何其他偶然的组合更多，那么我们是完全正确的。但这样一来，我们就承认，偶然（the chance）本身并不能创造真实的信息，这与论题本身是相反的。

II. 我们不难看出，对"秩序"一词的两种含义所作的区分，对于信息之起源问题的重要性。 我们假定的宇宙初始状态，是自由能最大化与熵最小化，它所代表的，是一种同质秩序，而非结构化秩序。这种初始状态类似于文本 II。因此，我们理解——并同意——科学家们的观点，他们并没有认真对待神学家与哲学家们的说法，他们声称在这种初始状态中发现了 ——"上发条"的——上帝手指之痕迹。我们可以很容易地将宇宙之某些模型，想象成曲率或扭矩（torsion），这样，同质秩序之明显损失就会得到补偿，因为同质秩序总是相对于所选择的参照物而言的。 举一个简单但清晰的例子，如果在球形空间之 0 点发生爆炸，爆炸之碎片最终会同自身相接，并汇聚到反向点（antipodean point），就像对这次爆炸加以再现的倒放片（reversed film）一样。因此，在这样的空间中，熵——或相关的量——只会增加至某个最大值，之后就会减少。同样，如果有更低的水位，让磨坊得以工作的水，同样可以再次得到使用。诚然，在我们的星球上，海平面是一个无法逾越的界限；但在整个宇宙中，我们很难看到有什么东西，能够起到 "海平面"的作用]。

因此，物理学家并不关心熵之上升运动的与同质秩序之起源的神学问题，是正确的。但是，如果他们认为信息的、结构秩序的起源问题同样无需担忧，那就大错特错了。宇宙之任何曲率或扭矩，皆无法自动地重建磨坊，或复活磨坊主。

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