信息簡史（簡體書）

引子

通信的基本問題是，在一點精確地或近似地復現在另一點所選取的訊息。這些訊息往往都帶有意義。
——克勞德?香農，《通信的數學理論》（1948）
在1948年這重要的一年之后，后來的人們自以為可以找出當時激發了克勞德?香農工作靈感的某些實用目的，但這只是事后猜測罷了。而他本人對此的看法迥然不同：我任由思緒信馬由韁，種種設想會不時地冒出來。就像個科幻作家，我一直在思考的是：“假如是這樣，事情又會如何呢？”[1]
也正是在1948年，貝爾電話實驗室對外宣布他們發明了一種小型電子半導體。這是“一種出奇簡單的設備”，真空管能做的任何事它都能做，而且效率更高。它小巧玲瓏，小到一個巴掌里放得下上百個。這年5月，科學家們成立了一個委員會來為它命名。委員會給貝爾實驗室的高級工程師發放了選票，列出了幾個備選名字，如“半導體三極管”（semiconductor triode）、“微型真空管”（iotatron）、“晶體管”［transistor，由varistor（壓敏電阻）和transconductance（跨導）兩個詞混合而成］等。最終，“晶體管”脫穎而出。“它可能將對電子和電信行業產生意義深遠的影響。”貝爾實驗室在新聞稿中這樣宣布道。但這一次，現實超出了廣告的溢美之詞。晶體管引發了電子產業的革命，為電子技術的微型化和普遍應用開辟了道路，而它的三位主要發明人也很快獲得了諾貝爾獎。對于貝爾實驗室來說，它是皇冠上的明珠。然而，如果細究在那一年發生的重要進展，晶體管還只能屈居次席，因為它只是這場革命的硬件部分。
另一項更為意義深遠、也更為基礎的發明，出現在一篇專題論文中。這篇論文連載于7月和10月出版的兩期《貝爾系統技術期刊》上，共79頁。這次可沒有什么新聞發布會。論文的題目既簡單又宏大——《通信的數學理論》，而其傳達的內容也很難用三言兩語說清。但它是個支點，整個地球都將因此而被撬動。和晶體管一樣，這項發明也引入了一個新詞：比特（bit）。這個名字并沒有經過什么委員會的投票，而是由這篇論文的唯一作者、時年32歲的克勞德?香農自行選定的。[2]現如今，比特已經躋身英寸、英磅、夸脫、分鐘之列，成為量綱的一員。所謂量綱，就是測量的基本單位。
但它測量的是什么呢？“用于測量信息的單位”，香農寫道，仿佛信息是種可測可量的東西。
表面上，香農是貝爾實驗室數學研究組的成員，但他基本上獨來獨往。[3]當這個組撤離紐約的總部，搬到新澤西州郊野的新辦公室時，他留了下來，常常待在舊辦公樓的一個舒適的小開間里。這幢樓矗立在紐約西街上，是座12層高、沙磚結構的龐大建筑，背靠哈德遜河，面朝格林尼治村。香農不喜歡乘班車往返上下班，而是喜歡留在繁華的街區，在那里，他可以聽到夜總會里吹奏的爵士黑管樂。那時，他正羞澀地追求一位在貝爾實驗室微波研究組工作的年輕女士。微波研究組就在街對面的兩層辦公樓里，那棟樓原先是納貝斯克餅干公司的廠房。大家都覺得香農是個聰明的小伙子。從麻省理工學院畢業后不久，他加入了貝爾實驗室，從事與戰爭相關的工作，先是研發出了一種自動火控高射炮指揮儀，然后又集中精力研究保密通信（密碼學）的理論，并用數學推導證明了所謂“X系統”的安全性——X系統是指英國首相丘吉爾和美國總統羅斯福之間的專用電話線路。因此，上司即使弄不明白他留下來究竟要搞些什么名堂，倒也樂得對他聽之任之。
在20世紀中葉，美國電話電報公司并不要求其研究部門立即產出什么成果，甚至允許它們在看不出具有明確商業目的的數學或天體物理學方面自由研究。盡管如此，它們所做的多數現代科學研究還是直接或間接地與公司力圖使所有人都相互聯系起來的使命息息相關。范圍雖然廣闊，但這家電話公司的核心業務量卻一直以來沒有明確的描述。據美國人口普查局年度統計摘要中有關“通信”的內容，截至1948年，每天有超過1.25億次的通話要經過貝爾系統那2.22億公里的電纜和3100萬門電話機進行傳輸。但這些數字只是對通信量的粗略估算。摘要還統計了幾千家無線電廣播電臺、幾十家電視臺的數據，以及報紙、圖書、宣傳手冊和信函的數量。[4]郵局可以計算信函和包裹的數量，但貝爾系統傳輸的究竟是什么，又應該以什么單位來計數呢？傳輸的肯定不是通話，也不是字詞，當然更不是字符。或許只是電而已吧。公司的工程師都是電氣工程師，他們個個都明白，電在這里替代了人說話的聲波，空氣中的聲波進入送話器就會被轉換成電波。而電話之所以比電報先進，關鍵就是因為有了這種轉換。作為電話的前驅，電報已然顯得老舊而古怪了。電報有著完全不同的轉換原理，它用的是點和劃組成的編碼，而且這套編碼不是基于聲音，而是基于書面的字母表（字母表本身也是一種編碼）。細看之下，我們能發現這其中抽象和轉換的鏈條：點和劃代表字母表中的字母；字母代表聲音，并相互組合成字詞；字詞則代表意義的某種根基，而這恐怕最好還是留給哲學家討論吧。
貝爾系統早在1897年就聘請了公司的第一位數學家喬治?阿什利?坎貝爾。他是明尼蘇達人，曾在哥廷根和維也納學習。他很快遇到了早期電話傳輸中的一個嚴重問題：信號在電路中會失真，傳輸距離越長，失真就越嚴重。坎貝爾給出的解決方案既用到了數學，也用到了電氣工程學知識。[5]他的老板則被告知不必太在意兩者的差別。香農在學生時代就對成為工程師還是成為數學家猶豫不決，然而在貝爾實驗室，不管愿不愿意，他都要面對電路和繼電器。不過，他最樂此不疲的還是鉆研抽象符號。大多數通信工程師都專注于物理問題，如放大和調制、相位失真以及信噪比降級等，香農則喜歡博弈和謎題。他最早被密碼學吸引，始于年少時閱讀埃德加?愛倫?坡的偵探小說。他像喜鵲一樣搜集故事里的蛛絲馬跡，試圖去破解疑案。在麻省理工學院做研究助理的第一年，他的工作是操作一臺百多噸重的原型計算機——萬內瓦爾?布什制造的微分分析機。這臺機器使用巨大的旋轉齒輪、機軸和機輪來解微分方程。在22歲那年，香農在碩士論文中把一個19世紀的思想，即喬治?布爾的邏輯代數，應用到了電子電路的設計上。（邏輯和電，這是多么不尋常的組合！）后來，他又有機會與數學家、邏輯學家赫爾曼?外爾合作，后者教給他什么是理論：“理論允許意識‘跳出自身的影子’，超越經驗而把握超驗，但這只能借助抽象符號實現（這一點是不證自明的）。”[6]
1943年，英國數學家、密碼破譯專家阿蘭?圖靈為了一個加密方面的任務造訪了貝爾實驗室。午餐期間，他與香農就人造思維機器的設想交換了意見。（“香農不僅僅想向這樣一臺大腦中輸入數據，他還想把文化的東西灌輸進去！”圖靈驚呼道，“他想給它來點兒音樂！”[7]）香農同樣也和諾伯特?維納打過交道，維納曾在麻省理工學院教過他，并在1948年提出了“控制論”這門研究通信和控制的全新學科。與此同時，香農也開始特別關注起電視信號來，不過視角比較獨特。他在想，可否采用某種手法打包和壓縮電視信號，從而更快地加以傳輸。邏輯和電路的結合產生了新的結晶，就像是基因和編碼的結合一樣。為了尋找一種統一的框架來梳理他頭腦中的各種想法，香農開始著手整合一種有關信息的理論。

理論的原材料在20世紀早期的世界里隨處可見，信件和口信、聲音和影像、新聞和指令、數字和圖表、信號和標識，不一而足。無論是通過郵局、電線還是電磁波，它們都在川流不息地流動著。然而，還沒有一個詞能夠概括所有這些東西。香農在1939年寫給麻省理工學院的萬內瓦爾?布什的一封信中寫道：“時斷時續地，我一直在研究傳遞信息（intelligence）的一般系統的某些基本屬性。”[8] intelligence一詞有著悠久的歷史，語意豐富。托馬斯?埃利奧特爵士在16世紀寫道：“現在intelligence作為一個文雅的說法，用來表示通過相互交換信件或口信達成協議或約定。”[9]不過除此之外，這個詞還有了其他多個含義。一些工程師，尤其是貝爾電話實驗室的工程師，開始使用information一詞。他們用這個詞來表達一些技術性概念，如信息的數量、信息的測量等。香農后來也采納了這個用詞。
為了能應用于科學領域，必須給信息（information）一詞賦予某些特定含義。回首三個世紀前，當時物理學的發展已經到了難以突破的地步，但隨著艾薩克?牛頓將一些古老但意義模糊的詞（力、質量、運動，甚至時間）賦予新的含義，物理學的新時代開始了。牛頓把這些術語加以量化，以便能夠放在數學方程中使用。而在此之前，motion（運動）一詞（僅舉此一例）的含義就與信息一樣含混不清。對于當時遵循亞里士多德學說的人們而言，運動可以指代極其廣泛的現象：桃子成熟、石頭落地、孩童成長、尸體腐爛……但這樣，它的含義就太過豐富了。只有將其中絕大多數的運動類型揚棄，牛頓運動定律才能適用，科學革命也才能繼續推進。到了19世紀，energy（能）一詞也開始經歷相似的轉變過程：自然哲學家選取這個原本用來表示生動有力或強度的詞，使之數學化，從而賦予了它在物理學家自然觀中的基礎地位。
信息這個詞也不例外，它也需要一次提煉。
而對它加以簡化、精練，并以比特度量后，人們發現信息幾乎無處不在。香農的理論在信息與不確定性、信息與熵，以及信息與混沌之間架起了橋梁。它的出現最終引發了光盤和傳真機、電腦和網絡、摩爾定律以及世界各地的“硅巷”。信息處理、信息存儲以及信息檢索等也應運而生。人們開始將鐵器時代和蒸汽時代之后的時代稱為信息時代。“人類曾經以采集食物為生，而如今他們重新要以采集信息為生，盡管這看上去有點不和諧。” 馬歇爾?麥克盧漢在1964年如此評論道。[10]時值電子計算和賽博空間（cyberspace）剛剛出現，他的預言走在了時代的前面。
現如今，我們已經可以清晰地認識到，信息是我們這個世界運行所仰賴的血液、食物和生命力。它滲透到各個科學領域，改變著每個學科的面貌。信息理論先是把數學與電氣工程學聯系到了一起，然后又延伸到了計算領域。在英語國家稱為“計算機科學”的學科，在一些歐洲國家則被稱為了“信息科學”。現在，甚至連生物學也成為了一門研究訊息、指令和編碼的信息科學。基因封裝信息，并允許信息的讀取和轉錄；生命通過網絡擴散；人體本身是一臺信息處理器；記憶不僅存儲在大腦里，也存儲在每一個細胞中；如此等等。而隨著信息理論的興起，遺傳學也得以迅猛發展。DNA是信息分子的典型代表，是細胞層次上最先進的訊息處理器——它是一份字母表、一種編碼，用60億比特的信息定義了一個人。進化生物學家理查德?道金斯認為：“處于所有生物核心的不是火，不是熱氣，也不是所謂的‘生命火花’，而是信息、字詞以及指令……如果你想了解生命，就別去研究那些生機勃勃、動來動去的原生質了，從信息技術的角度想想吧。”[11]生物體中的所有細胞都是一個錯綜復雜的通信網絡中的節點，它們一刻不停地傳輸和接受信息，不停地編碼和解碼。進化本身正是生物體與環境之間持續不斷的信息交換的具體表現。
“如此看來，信息環路成為了生命的基本單位。”研究細胞間通信長達30年之久的維爾納?勒文施泰因如是說。[12]他提醒我們，信息一詞在科學中比在日常生活中具有更為深刻的內涵：“它意味著一種組織和有序的普適原理，也是對此的精確衡量。”基因在文化上的對應物是模因（meme）。在文化的演化過程中，模因扮演著復制者和傳播者的角色——它可能是一股思潮、一陣時尚、一封“連鎖信”，又或是一種陰謀論。運氣不好的話，模因也可能是種電腦病毒。
隨著貨幣逐漸完成從實體到比特的轉身，從而能夠存儲到電腦內存和磁條上，使世界金融得以在全球神經網絡上運行如儀，經濟學也逐漸認識到自身實際上是一門信息科學。即便是在貨幣看上去是一種物質財富，在口袋、貨艙或銀行金庫里顯得沉甸甸時，它也是一種信息。無論是硬幣、紙幣，還是金幣、貝殼，它們都只不過是階段性的技術，用以表明誰擁有什么的信息。
那么，原子呢？物質有它自己的“通貨”，而所有科學中最硬的物理學看起來似乎已經臻于成熟。然而，物理學同樣發現自身受到了一種全新思維模式的沖擊。第二次世界大戰以后，物理學家迎來了他們的黃金時代，當時科學界的重大新聞似乎都是有關原子裂變和核能利用的。物理學家將自身聲譽和研究資源都押在了研究基本粒子及其相互作用規律、建造巨型加速器，以及發現夸克和膠子上。對于這門高高在上的學科而言，通信研究簡直與它風馬牛不相及。在貝爾實驗室時，香農沒有考慮過物理學的事，而粒子物理學家也不需要比特。
而后，突然之間，他們需要了。漸漸地，物理學家和信息理論學家殊途同歸。比特是另一種類型的基本粒子：它不僅微小，而且抽象——它存在于一個個二進制數字、一個個觸發器、一個個“是”或“否”的判斷里。它看不見摸不著，但當科學家最終開始理解信息時，他們好奇信息是否才是真正基本的東西，甚至比物質本身更基本。他們提出，比特才是不可再分的核心，而信息則是萬事萬物存在的本質。對此，物理學家約翰?阿奇博爾德?惠勒（他的研究跨越20世紀和21世紀，是與愛因斯坦和玻爾都曾合作過的最后一位健在者 ）就用了一句頗具神諭意味的、由單音節詞組成的句子加以概括：“萬物源自比特（It from Bit）。”[13]“任何事物——任何粒子、任何力場，甚至時空連續統本身”都源于信息。這為我們提供了另一種方式來解讀觀察者悖論：實驗結果會因為它是否被觀察到而受影響，甚至被決定。觀察者不僅在觀察，而且還在提問和講述，而這些提問和講述最終都必須由離散的比特表示出來。惠勒有點隱晦地寫道：“我們所謂的實在（reality），是在對一系列‘是’或‘否’的追問綜合分析后才在我們腦中成形的。所有實體之物，在起源上都是信息理論意義上的，而這個宇宙是個觀察者參與其中的宇宙。”因此，整個宇宙可以看作一臺計算機——一臺巨大的信息處理機器。
而解開這個謎團的關鍵就是不見于經典物理學的所謂量子糾纏（quantum entanglement）現象。一旦粒子之間或量子系統之間發生了量子糾纏，那么即便相隔廣袤的時空，它們的基本屬性也仍然相互關聯。即使相隔數光年，它們仍然能夠共享某些實際存在，但又不只是實際存在那么簡單的東西。這時會出現幽靈般的佯謬，無法解釋，除非我們最終能夠理解量子糾纏是如何編碼信息的，無論是以比特的形式，還是以其量子力學對應物——量子比特（qubit）的形式。當光子、電子以及其他基本粒子發生相互作用時，它們實際是在做什么呢？其實是在交換比特、轉換量子態以及處理信息，而物理定律就是處理信息時所用的算法。因此，每一顆正在燃燒的恒星、每一個星云、每一粒在云室中留下幽靈般痕跡的粒子，都是一臺信息處理器，而宇宙也在計算著自己的命運。
那么，宇宙的計算量有多大？速度幾何？它可以容納多少信息，內存空間又有多大？能量和信息之間有著怎樣的聯系？翻轉一個比特的能量開銷又是多少？這些問題可不好回答，但它們也不像乍聽上去那么神秘莫測。物理學家和量子信息學家（這是種新興職業）正并肩奮斗來解答這些問題。他們計算之后，給出了初步的答案。（惠勒認為，“整個宇宙的比特數，無論以何種方式計算，都是10的一個很大次方”。[14]而根據塞斯?勞埃德的說法，宇宙的運算能力“不會超過在 個比特上執行 次基本邏輯運算”。[15]）他們也以全新的視角來審視熱力學的熵，以及臭名昭著的信息吞噬者——黑洞。惠勒因而宣稱：“未來，我們將學會用信息的語言去理解和表達全部物理學。”[16]

隨著信息的功能越來越多，變得難以計數，它開始顯得有些過多了。現在人們會抱怨說，“TMI（too much information，信息過多）”。信息疲勞、信息焦慮以及信息過剩，是我們遇到的新問題。而信息過載這個魔頭及其惱人的走狗，如電腦病毒、電話忙音、網頁死鏈以及PowerPoint演示文稿等，也讓我們深受其害。所有這一切，同樣多多少少也和香農有牽連。世界變化得實在太快。約翰?羅賓遜?皮爾斯（就是那個提出了“晶體管”這個名字的貝爾實驗室工程師）在回顧香農提出信息論時可能受到的影響時說道：“現在很難還原在香農之前的人們所面對的世界圖景。盡管我們可以閱讀他們留下的著作，但我們很難重拾那種無邪、無知而蒙昧不察的狀態。”[17]
不過，我們對于過去確實有了新的認識。早在《新約?約翰福音》里就有說，“太初有道（word）”。而我們稱自己的物種為“智人”（Homo sapiens），也就是有智慧的人；后來又有人單獨區分了其中的現代人（Homo sapiens sapiens），也就是“智人中的智人”。普羅米修斯贈予人類的最寶貴的禮物，到底還不是火種：“我為人類發明了數，這是所有科學中最最重要的，還有排列字母的技術，這是繆斯諸藝的創造之母，借此可以把一切都牢牢記住。”[18]字母表是諸信息技術中的奠基性技術。而電話機、傳真機、機械計算器，以及最終的電腦，它們只是用以存儲、操作和傳遞知識的種種工具中的晚近發明。這些有用的發明已經融入我們的文化當中，成為我們日常詞匯的一部分。比如談到“數據壓縮”，我們知道這和“壓縮某種氣體”的“壓縮”截然不同。我們也知道信息可以被處理為信息流，被解析、分揀、匹配和過濾。iPod和等離子電視已成為我們家居的一部分，而發短信和用搜索引擎也融入了我們的日常技能。我們掌握這些技能，精于此道，才驀然發現信息在生活中無處不在。但其實它一直都在那里。它曾經同樣遍布于我們祖先的世界中，不論是實實在在的花崗巖墓碑，還是隱隱約約的竊竊私語，到處都有它的身影。打孔卡片、收銀機、19世紀的差分機以及電報線路，都為編織那張我們身處其中的信息網作出了貢獻。每一種新出現的信息技術，都在當時催生了信息存儲和傳輸的新需求。隨著印刷術的發明，出現了新的信息組織工具，如匯編詞匯的字典、梳理知識的百科全書，以及整理事實的年鑒等。很少有信息技術會徹底過時，每一種新興技術都會為其前輩技術賦予新的理解。因此，托馬斯?霍布斯在17世紀時就抵制他所在時代的新媒體炒作，說：“印刷術的發明，固然是天才之舉，然而較之于字母的發明，并沒什么大不了。”[19]在某種程度上，他說得沒錯。每一種新出現的媒介，都會對人類思維的性質加以改造。長遠來看，所謂歷史，就是信息逐步從自發到自覺的一個過程。
有些信息技術在當時就會受到重視，有些則不會。但有一種技術，長久以來被嚴重誤解，這就是非洲會說話的鼓。
注釋
[1] Robert Price, “A Conversation with Claude Shannon: One Man’s Approach to Problem Solving,” IEEE Communications Magazine 22 (1984): 126.
[2]“晶體管”一詞由約翰?羅賓遜?皮爾斯創造。“比特”一詞則由約翰?懷爾德?圖基（John W. Tukey）最早提出。
[3] Interview, Mary Elizabeth Shannon, 25 July 2006.
[4] Statistical Abstract of the United States 1950. 更準確的數字是：3186家無線電廣播電臺和電視臺、1 5000份報紙和雜志、500萬冊圖書和宣傳手冊，以及400億件信函。
[5] George A. Campbell, “On Loaded Lines in Telephonic Transmission,” Philosophical Magazine 5 (1903): 313.
[6] Hermann Weyl, “The Current Epistemological Situation in Mathematics” (1925), quoted in John L. Bell, “Hermann Weyl on Intuition and the Continuum,” Philosophia Mathematica 8, no. 3 (2000): 261.
[7] Andrew Hodges, Alan Turing: The Enigma (London: Vintage, 1992), 251.
[8] Letter, Shannon to Vannevar Bush, 16 February 1939, in Claude Elwood Shannon, Collected Papers, ed. N. J. A. Sloane and Aaron D. Wyner (New York: IEEE Press, 1993), 455.
[9] Thomas Elyot, The Boke Named The Governour (1531), III: xxiv.
[10] Marshall McLuhan, Understanding Media: The Extensions of Man (New York: McGraw-Hill, 1964), 302.
[11] Richard Dawkins, The Blind Watchmaker (New York: Norton, 1986), 112.
[12] Werner R. Loewenstein, The Touchstone of Life: Molecular Information, Cell Communication, and the Foundations of Life (New York: Oxford University Press, 1999), xvi.
[13] John Archibald Wheeler, “It from Bit,” in At Home in the Universe (New York: American Institute of Physics, 1994), 296.
[14] John Archibald Wheeler, “The Search for Links,” in Anthony J. G. Hey, ed., Feynman and Computation (Boulder, Colo.: Westview Press, 2002), 321.
[15] Seth Lloyd, “Computational Capacity of the Universe,” Physical Review Letters 88, no. 23 (2002).
[16] John Archibald Wheeler, “It from Bit,” 298.
[17] John R. Pierce, “The Early Days of Information Theory,” IEEE Transactions on Information Theory 19, no. 1 (1973): 4.
[18] Aeschylus, Prometheus Bound, trans. H. Smyth, 460–461.
[19] Thomas Hobbes, Leviathan (London: Andrew Crooke, 1660), ch. 4.