信息论与编码 关于信息定义与本质概念讨论的我见Word文件下载.docx

1、目前可以搜寻到的有关信息的定义和概念的论述不下百种，虽然人们从不同领域、不同角度提出的信息定义和概念仍然存在很大差异甚至相互矛盾，并且不断还有人提出新的观点和看法，但毕竟已逐步在深化对信息的认识，长期争论本身也说明信息概念的深刻性和复杂性。近几年，一些学者提出全信息理论、统一信息理论、一般信息学及广义信息论等，都是试图在更宽广的领域和更深层次上揭示信息概念的实质。中国科学院编写的21世纪100个交叉科学难题一书中已把“信息是什么”列入这100个难题之一。在广大科学工作者的努力下，相信这个科学难题终究会得到更好解决。而对信息本质概念的清楚认识，又必将对进一步推动信息科学的发展。本着学习和探讨的态

2、度，本文也将对信息的本质概念进行一些分析和探讨。定义是揭示概念内涵的重要逻辑手段，概念清楚了，正确和准确的定义自然可以形成。如何分析信息概念的本质和得到体现信息本质概念的信息定义，我们有两个基本出发点：第一、力图从辩证唯物主义哲学高度探讨信息的实质。维纳的“信息不是物质，信息不是能量，信息就是信息”的信息概念应该有所突破，我们应该在分析物质、能量和信息的基本关系中明确回答：信息究竟是什么？第二、应使所分析的信息定义和本质概念在所有具体领域中具有普遍适用性，也即应涵盖各种具体领域中有关信息定义和概念的内涵，尤其是在客观物质世界与主观认识世界这两个不同层次的领域中，信息概念应具有本质上一致的联系。

3、 这也是我们分析信息本质希望达到的目标。2. 客观物质世界中的信息概念分析客观物质世界中的信息又可称为本体层次的信息，也有人称之为“客观信息”或“本征信息”。分析客观物质世界中本体层次的信息概念，本质上就是要分析信息与物质的关系，要明确回答：信息在人类社会形成以前和人意识以外是否客观存在？为此，我们有必要首先对辩证唯物主义哲学物质观的基本观点简述如下：（1） 世界是物质的，物质是不依赖于人的意志而独立存在的客观实在。（2） 物质世界是处于永恒运动之中的，运动是物质存在的普遍属性和存在方式。（3） 运动的物质必处于一定的时、空间之中，时间、空间也是物质客观存在的形式。（4） 运动的物质总是具有一

4、定能量。（5） 运动的物质又处于全面、普遍的相互联系、相互作用之中。 本体层次信息概念正是在上述辩证唯物主义物质观基础上形成和建立的。 2.1 本体层次信息概念的形成 信息与事物属性关系的基本分析 根据上述辩证唯物主义的物质观，客观现实世界中的任何事物（事物可以理解为运动的物质）都具有以下普遍属性： （1） 运动属性，运动方式、运动状态等。 （2） 空间属性：形状、大小等。 （3） 时间属性：年龄、生命期、发展阶段等。 （4） 物理属性：重量、质量、速度、颜色、强度等。 （5） 化学属性：分子结构、原子量等。 （6） 系统属性：组成要素、内部结构、有序性等。（7） 反映属性：与其他事物的联系方

5、式、联系程度等。（8） 能量属性：能量的性质、大小等。 这些普遍属性既是各种客观事物共同本质特性的反映，也是事物之间千差万别的表现。事物之间的差别，实际上就是事物属性之间的差别。物质的客观存在也正是通过事物的属性来表征的。我们注意到，在已经提出的各种信息定义中，有许多都是与事物属性有关的，有的则直接把信息定义为客观事物的某种属性，如事物的运动状态、系统结构、有序性、不确定性、能量不均匀性及反映属性等等。虽然这些信息定义的内涵仍很不相同，概念也比较混乱，但至少说明信息概念的形成是与客观事物属性有密切关系的。它启示我们有可能从分析信息与事物属性的关系入手来进一步探索信息概念的本质。在本体层次中，信

6、息与事物属性的关系也实际上反映了信息与物质的基本关系。信息与事物属性究竟是什么关系？它们之间有什么区别？有什么联系？我们首先可以列举一些自然界中很容易观察到的现象和比较自然形成并容易被接受的信息概念来进行分析，例如： （1） 两物体相撞而互相产生的裂痕、凹痕等印记，都反映了对方质量、速度、形状等属性的信息。（2） 地球上的昼夜变化，反映了地球绕太阳自转的运动状态信息。（3） 地震现象反映了地球内部结构状态和能量的变化信息。（4） 树干横截面上的树轮数反映了此树的年龄信息。（5） 恐龙化石的样式反映和传递了亿万年前曾经实际存在过的恐龙动物的基本属性信息等。 由以上例子可以看出，信息概念的形成是与

7、客观事物相互联系和相互作用的特性密切相关的。事物在相互联系和相互作用过程中，一事物的属性可能会反映到与其有联系的另一事物的属性之中。这个在“一事物属性中所反映的另一事物的属性”常被自地然称为“信息”，我们认为，这应该是信息概念最基本的内涵。信息的这一基本概念也可考虑使用“信息是被反映的物质属性”的信息定义，它直接表述了信息与物质和属性的基本关系。“信息是客观事物普遍属性的表征”的信息定义也表述了相似的信息概念内涵。因为“属性的表征”与“属性的反映”具有基本相同的含义。“表征”这一术语，英文与token、representation或characterization等词义相近，具有代表、表示、表

8、现、象征、印记等含义。可以说，“信息是被反映的物质属性”和“信息是客观事物普遍属性的表征”，是对信息概念较抽象的概括，而“信息是一事物属性中所反映的另一事物的属性”则表述得更具体和“直白”。基于以上认识，我们可以对信息与属性之间既有区别又有密切联系的辩证关系作进一步分析：一方面，信息并不等同于属性，它是“属性的表征”，“属性的反映”或“被反映的属性”。“属性”与“属性的反映”显然是不相同的概念。事物的属性是与它所直接依附的事物不可分割的，当事物发生变化或消失（转化），该事物的属性也将发生变化或消失，但反映在他事物属性中的该事物的属性信息，由于它已脱离了它所表征事物的客体，即使该事物已经消逝，表

9、征该事物属性的信息却还可能在他事物属性中继续存在。如我们所举的恐龙化石的例子，实际的恐龙早已在亿万年前消逝，但表征恐龙属性的信息却仍然在恐龙化石的属性中反映出来，告诉我们亿万年前的恐龙是什么样子的；另一方面，信息的概念仍是与属性密切相关和不可分割的，这不仅因为信息是事物属性的表证，任何信息的内涵总是表征或反映某种客观事物的某种属性，而且任何信息又都是在某一具体事物的某种具体属性中反映出来的，离开具体事物的具体属性，也不可能有任何信息存在。这里还应强调指出，在上述信息定义中，我们使用的是“普遍属性的表征”，也就是说，信息可以表征或反映包括运动状态、结构、质量、形状、速度、能量、有序性、不均匀性等

10、一切物质属性，而不仅是某一种具体属性。这样定义，就更能揭示信息概念的本质，也更具有普适性。根据以上分析，我们可把本体层次的信息用“本体层次的属性信息”来表述，或简称为“属性信息”，它一方面表示信息与属性既有区别又密切联系的关系，一方面也为了与以后要讨论的“认识层次的知识信息”区别。 2.2 本体层次信息概念的深化 信息可传递性分析上面对信息概念形成的基本分析中，我们已经指出了信息可以脱离它所表征的事物而被反映到与它相联系的另一事物的属性之中，因而已初步揭示了信息的可传递性，它可以从一事物传递到另一事物之中。所举恐龙化石的例子，也说明了信息在时间域的可传递性。信息的可传递性对于理解信息的本质具有

11、特别重要的意义。众所周知，信息论正是在通信工程中研究信息的传输特性而产生的，人的认知过程以及后面我们要讨论的认识层次的信息概念，都是以本体层次上信息的可传递性为基础的。为了进一步分析信息的可传递性，我们构造了如图1所示的信息传输系统模型。图中原端事物通过一系列的中间事物与目标事物相联，以便研究原端事物属性是如何通过中间事物反映到与它并不直接联接的目标端事物属性之中的。根据辩证唯物主义的物质观，事物之间相互作用首先也应该是物质的作用，但运动的物质都具有一定能量，在物质相互作用过程中，必定同时伴随着能量的作用。在物质、能量的作用下，作用端事物的某种属性就会反映到被作用物中而留下“印记”，这个“印记

12、”，实际上就是作用端事物的属性信息通过物质、能量的作用“传输”到被作用端物体中的表现。所以，事物之间普遍存在的相互联系，除了物质和能量的相互作用外，必定伴随着信息的传输和作用。事物之间物质的相互作用、能量的相互作用、属性的反映和信息的联系是一个统一的不可分割的过程。在此过程中，物质的相互作用是本质的，能量的作用是派生的，属性信息的反映则是物质、能量作用的结果。图中显示，事物之间的联系有直接联系和间接联系两种：直接联系通过事物之间物质、能量的直接作用而影响和改变事物的属性；间接联系则是事物之间通过若干中间事物而形成的联系，在这种间接联系过程中，原端事物的属性通过若干中间事物之间的直接联系被间接地

13、反映到目标端事物的属性之中，形成一种间接的信息联系。在这种情况下，目标端事物并没有与源端事物产生直接物质和能量的相互作用，但却反映了源端事物的某种属性。正因为此，人们有时对直接联系的相互作用，较多的看到物质和能量的作用；而对间接联系的相互作用，则更多地看到信息的作用。实际上，无论是直接联系还是间接联系，物质、能量与信息的相互作用都是不可分割的，但间接联系中的信息作用确实是更明显和更重要些。物质世界事物之间存在的普遍联系中有许多直接的联系，但更大量是间接联系。因此，间接联系的系统有时被称为信息传输系统或通信系统。作为信息传输系统，图中原端事物可称为信源、目标端事物可称为信宿，中间事物则可称为信道

14、。根据以上对信息传输过程的基本分析，我们可进一步指出客观物质世界中信息传输的以下一些重要特性：（1） 信息传输的广泛性。事物之间的普遍联系，包括空间域和时间域的广泛联系，因此图中所示信息传递模型，不仅表示信息在空间域的传递，而且也表示在时间域的传递。事物空间域的联系应包括横向和纵向两个方面的联系：横向联系是事物与它的周围相关事物（环境）的联系，事物通过这种空间横向的联系和作用，一定会在它自己的属性中反映出它周围相关事物的某些属性；纵向联系是事物通过表面的属性反映出它内部结构的一些本质属性，例如地震的现象反映地球内部热能、地质结构等属性信息的变化。事物时间域的联系体现了事物运动和发展的特性。地球

15、结构的演变、生物物种的进化和人类本身的发展等都是信息在时间域传输作用的体现。所以，信息的传递在客观物质世界中具有时、空域中无限的广泛性。（2） 信息传输的综合性。也由于事物联系的普遍性，图中目标端事物属性中所反映的与其相联系事物的属性信息，是多方面信息传递的综合，如地球上植物的生长情况，既反映了太阳光和热传递过来的太阳的属性信息，也反映了地球土地土质、肥、水等的属性信息。即使同一事物传递过来的信息，也可能是该事物各方面属性信息的综合。而且，事物又是不断在运动、变化和发展的，在客观物质世界中，任何具体事物在给定时空所呈现的属性，也是不同时期获得相关事物属性信息的综合。如树干的年轮，就是每年增加一

16、圈，而综合反映出树的树龄的，并且它也反映了地球绕太阳公转的运动属性。（3） 信息传输的不定性。图中目标端事物（信宿）通过中间事物（信道）从原端事物（信源）得到的属性信息最终也是在物质、能量的作用下被反映到目标端事物的属性之中的。因此，信宿最终获得信源多少信息，不仅与信源端发出信息的多少，而且与信道的属性和信宿的属性都有关，而这三方面的因素，由于受到环境变化的影响，都有很大的不确定性，因此，在事物普遍联系的客观物质世界中，任何一个具体的信息传输过程，信宿能够经信道从信源获得多少属性信息有很大的不确定性。例如，地球上生物进化的过程中，不同地域、不同时期产生不同的物种，有的物种被淘汰了，有的物种发展

17、了，都是这种信息传递不确定性的体现。（4） 信息传输的级联性。也由于事物普遍联系的特性，图中源端事物、中间事物和目标端事物都是相对的。事实上，在普遍联系的客观物质世界中，任何一个具体事物，它既可作为信宿从与它相联系的事物接收信息，也可作为信源向与它相联系的事物发送信息，当然它也可作为中间事物传递信息。图中的目标端事物，并不是信息传递的最终点，它可级联的传递下去。我们现代人虽然与几万年前的古代原始人已有很大差别，但仍然反映着原始人的许多基本属性信息，这些信息就是一代、一代人级联的传递过来的，而且还将继续级联的传递下去。信息传递的这种级联特性不仅在客观物质世界中存在，而且还将把客观物质世界的属性信

18、息级联的传递到主观认识世界和人造技术世界，对于建立认识层次的信息概念也有重要意义。2.3 信息概念中内容与形式的辩证关系 根据上述对信息传递过程及有关特性的分析，我们可以看出，信息的传递，仍然是通过物资、能量的作用来改变目标端事物的属性而实现的。因此，源端事物的属性，是被融入到了目标端事物属性之中，成为目标端事物属性的组成部分，只能通过目标端的属性和属性变化被表征出来。换句话说，源端事物的属性信息内容是以目标端事物属性的形式表现出来的。一般而言，在事物普遍联系的客观物质世界中，任何具体事物的属性中，都综合的反映着许多与它相联系事物的属性信息内容，并通常以它比较外在和表面的属性，如颜色、形状和状

19、态等比较容易“观察”到的属性为形式，来表征它比较内在和本质的属性内容，包括环境影响、内部结构、历史情况和发展趋势等。这些内容也正反映了与相关事物联系中传递过来的属性信息。因此，信息概念应该是信息形式与信息内容的结合，也即以事物外在和表面属性为形式来表征其内在和本质属性的信息内容。例如树干截面的同心圆形状是树的一种表面属性，它表征着树龄的内在属性信息内容，地球昼夜变化是地球表面的一种状态属性，它表征着地球自转周期及地球与太阳相对运动规律的本质属性信息内容。信息形式与内容既是有区别的，又是密切联系、不可分割的，任何信息内容都需要一定信息形式来表现，任何信息形式必定反映一定的信息内容。信息的概念，总

20、是信息内容与信息形式的统一体。并且，无论是信息内容还是信息形式又都是与事物属性密切联系的。考虑到信息内容与信息形式的这种对立统一的辩证关系，我们是否可以把信息的本质定义和概念进一步表述为：“信息是以一事物属性为形式所反映的另一事物的属性内容”。 信息的这一概念，实际上也是把传统的属性概念引伸和扩展了，也即，客观物质世界中，任何事物的属性，应该是它表面属性与它所反映的本质属性（传递过来的与该事物联系的其他事物的属性信息内容）的统一。从这个意义上讲，我们也可以把属性信息的概念用“广义属性”的概念一来表述，而把传统的，在给定时空域中“看”到的具体事物属性称为狭义属性。这也体现了信息与属性之间深刻的辩

21、证关系。 还应指出，从信息传递的过程看，信息内容与信息形式的关系又是可变的：这一方面是指同一信息内容可以不同的信息形式表现和传递，信息在通过中间事物传递过程中，源端事物发出的属性信息内容是反映到不同中间事物的不同属性中的，也即是通过不同中间事物的不同属性形式进行传递的；另一方面是指信息内容与信息形式的相对和嵌套关系，源端事物属性信息通过中间事物传递给目标端事物过程中，从中间事物和目标端事物看，传递和接收的是源端事物发出的信息内容，但从源端事物本身看，它发出的属性信息，往往只是他比较表面的属性的反映，也即是它的信息形式，它还反映着更多的信息内容。信息形式与信息内容的这种既统一又矛盾的辩证关系，反

22、映了客观事物普遍联系的复杂性和多层次性。 关于信息形式与信息内容辩证统一的概念，事物通过表面属性形式表征其内在属性信息内容的概念以及以变换不同信息形式来传递和存贮信息内容的概念，在后面我们要讨论的认识层次信息概念中，也具有极为重要的意义。 2.4 本体层次信息概念的有关哲学思考 我们曾指出，本体层次信息概念是在辩证唯物主义哲学物质观基础上形成和建立的的，实际上，信息概念的建立，也将丰富和发展辩证唯物主义物质观，对此我们可进一步讨论如下：（1） 信息是物质存在的表征辩证唯物主义哲学的物质观强调了物质的客观存在性，把物质与存在视为同义语，但具体事物仍是千差万别的，事物的差别正是事物属性的差别。物质

23、客观存在的概念体现了各种具体事物的同一性、统一性，而属性的概念则体现了各种具体事物的差异性、多样性。离开客观存在谈“物质”就无法与唯心主义哲学观区分；但如果离开属性谈“物质”，则物质也将成为难以认识的抽象概念，也容易被唯心主义利用。因此，从哲学的角度，人们常直接把属性作为“物质存在的表征”。信息的概念扩展了属性的内涵，它不仅体现在给定时空域中某一具体事物的属性，而且还体现在无限时空域中与该事物有联系的其他事物的属性。因此，如果说用属性概念表征客观事物的直接存在，那么，信息概念不仅可以表征事物的直接存在，而且还可以表征事物的间接存在，即可以表征现时已不存在但曾经存在过的事物，以及表面上不存在而实

24、际上存在的事物。（2）信息概念更明确地揭示了物质世界普遍联系和运动发展的本质辩证唯物主义哲学观不仅要在唯物观上与唯心主义者划清界限，而且要以辩证思维方法与形而上学严格区分。形而上学观也可以承认物质的客观存在，因此仅用“属性”表征物质的直接存在，仍可能被形而上学观点接受，因为它容易被理解为静止、孤立物质的“属性”。信息概念则正是在强凋事物普遍联系和运动发展的辩证思维方法基础上形成和建立的，因此是与形而上学观点完全对立的。信息在时空域的可传递也进一步揭示了物质世界运动变化和发展的本质和规律。（3） 信息在人类社会以前、以外与物同在 由于信息概念和有关理论的研究是从人类社会中人与人之间进行通信和信息

25、交流开始的。因此，在信息科学发展中，一直有一种观点认为：“信息只在人类社会之中存在，在人类社会以前和以外不存在信息”，或者认为“被人感知的客观事物属性才成为信息”。这种观点，只承认认识层次的信息存在，而不承认本体层次的信息存在。容易把信息概念误解为只是人类精神领域的东西。根据信息是被反映的物质属性的基本概念，只要承认客观事物是普遍联系、相互作用的，就应该承认信息在人类产生以前就是与物同在的。近代生物信息学，发现DNA双螺旋分子结构（结构是一种属性）中反映了遗传信息，使生物遗传机制的研究有了重大突破，也科学地说明了信息在自然界生物进化中的关键作用，也证明了信息在自然界中的客观存在。人类社会认识层

26、次的信息概念，仍是自然物质世界本体层次信息概念的延伸和发展。（4） 丰富了这对哲学范畴的内涵 本来是一对哲学范畴，其基本含义是：事物内在的本质属性内容需要通过某种外在的表面属性的形式来表现，它反映了客观事物的层次性和复杂性。信息概念的引入，从时、空域广泛间接信息联系的分析，扩展和延伸了事物内部本质属性的内涵，因而揭示了传统哲学范畴中，和的关系，都是事物之间信息联系和传递的结果，而信息概念也由于通过信息内容与形式的辨证统一而得到深化。信息是物质存在的表征也正是从事物本质属性与表面属性的结合上表征的。这也正是人类大脑思维能够通过事物表面属性认识事物本质属性的客观物质基础。（5）物质、能量、信息关系

27、的辩析 人们常把物质、能量和信息相提并论，如称它们为人类社会发展可利用的三种基本资源，也有人称它们为组成世界的三基元。前者从人类社会可利用资源的角度把它们并列为三种基本资源，似有一定道理；但后者把它们并列为组成世界的三基元，从本体层次的哲学意义上，似值得商权。辩证唯物主义哲学的物质观有一个重要观点是：“世界除了运动的物质，什么都没有！”，世界只有通过各种属性信息来表征的物质存在，运动状态、系统结构和质量等也都是一些表征物质存在的属性信息，能量虽然在事物相互作用及信息传递中起着重要作用，但它仍然是运动物质的一种属性 做功的能力，事物能量的性质和大小，仍然是信息表征的一种事物属性内容，能量也不可能

28、脱离物质单独存在。物质、能量、信息三基元组成世界的提法，容易使人误解为物质、能量、信息是并列的组成世界的三种不同成分（元素）。3. 主观认识世界中的信息概念分析主观认识世界中的信息概念，又可称为认识层次的信息概念，也有人称为“主观信息”。分析主观认识世界中的信息概念，本质上是要分析信息与认知，信息与知识以及信息与科技的关系，也应进一步揭示哲学意义上存在与意识，物质与精神的关系。为此，我门也先把辩证唯物主义认识论的基本观点简列如下：（1） 物质、存在是第一性的，精神、意识是第二性的。（2） 物质世界是可以被感知的。 （3） 人通过实践认识客观世界，从感性认识能动地发展到理性认识，然后再通过实践改

29、造世界。 （4）实践 认识 再实践 再认识，这个过程不断反复，使认识逐步逼近客观世界的实际，逼近真理。认识层次信息概念正是在上述辩证唯物主义认识论基础上形成和建立的。 3.1 认知过程的基本信息分析人是在自然界长期演化和进化过程中形成的一种具有生命和大脑思维功能的高级自组织体，但他仍然是客观世界中的一个客观物质实体。所以在客观世界事物之间普遍相互联系和作用的过程中，人与他周围的客观事物之间也必定存在着各种联系和相互作用。客观事物的属性通过各种力、场、光、声及分子物质扩散等物质的传输介质作用于人的各种器官并传递给大脑。在大脑中产生对这些客观事物属性的印记或反映，就形成了人对客观事物的初步感性认识

30、。由此可见，所谓人对客观事物的认识，实际上就是对客观事物属性的认识，是表征客观事物属性的信息。所以，在人类的主观认识世界中，我们可以把信息的基本概念直接归结为“人对客观事物的认识”。它是客观事物属性在人脑中留下的印记，或者说，是“在人脑属性中所反映的客观事物的属性”。这与本体层次属性信息的概念是基本一致的。人脑的反映属性是物质反映属性的高级形式为了进一步研究客观事物属性是如何反映到人的大脑中去的，我们构造了如图2所示的个人认知系统模型。如图所示，人的各种外部器官，如眼的视觉、耳的听觉、鼻的嗅觉、舌的味觉、皮肤的感觉及皮肤的触觉等都具有信息采集功能，大脑具有信息处理和存贮功能，遍布人全身的神经系统具有信息传输功能，口、手、