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第二章:信息守恒与文化

已有 4129 次阅读 2011-9-5 03:58 |个人分类:文化遗传杂想|系统分类:论文交流

守恒,就是事物从一种形式转换成另一种形式时,没有内容的丢失。 ―作者

信息守恒定律

信息守恒就是波守恒。事物的守恒多是不依赖人的感觉而客观存在的。人的主观感觉常常妨碍人们全面地认识事物的守恒性。当人们看到物质燃烧后没有了的时候,曾以为物质是可以被消灭的;看到一块石头静静地躺在那儿时也曾认为它不是在运动着的;看到一个木球撞了油灰球后动能减少了,也认为能量是可以丢失的。现在科学家们知道上述概念都是不全面的。为什么呢?因为人们总是以“看到”的为基础,对我们所看不见的形式则要等技术发展了,通过实验等可以“看见”了时才承认。这是正常的,因为人们毕竟要从感觉到的现象入手来研究“存在”这个概念。首先通过人的自然感官认识事物的存在,确定其主观存在形式。然后,随着认识的发展,进一步认清事物存在的其它形式,即客观存在形式,最后才是定性和定量地研究各种形式间的关系以构成对该事物较完整的认识。例如对物质不灭定律的认识,就有赖于认清物质的存在形式有固态、液态、气态三态,并且物质之间存在着化学反应。这样,人们就便于理解,在我们的感觉之外(看不见的)物质还以其它形式存在着,并且在各种形式的转换过程中物质并没丢失。烧掉的木头变成了气体和灰等,形式变了,原来的内容并没丢失。对运动绝对性的认识则有赖于认清物质的运动形式是有不同层次的,除我们能感到的星体或物体运动外,还有我们看不见的分子运动和粒子运动。所以要全面认识事物,首先就得认清事物的存在形式,尤其是那些存在于我们感觉范围以外的形式。

能量被认为是守恒的。这个概念的获得取决于人们对物质存在和运动形式的了解(如图2-1所示)。物质存在的形式(物体、分子、粒子)被认清后人们就有了物质不灭的认识。



而物质存在形式不同,运动的方式就不同,能量形式也就有了相应的差别。于是人们认识到了运动的绝对性和能量的守恒性。定量研究的结果表明,动能、内能、辐射能等形式可以相互转换,而在转换过程中总能量不丢失。

信息守恒定律是能量守恒定律合乎逻辑的推理结果(参见图2-1)。信息守恒定律要求机械波、物质波和电磁波三种形式可以转换,并在转换过程中“波”不丢失。定性地分析,这是可理解的。因为波是能量的传播形式,各种形式的能量传播和转换都与波有关。所以,如果在波形式的转换过程中出现了不平衡,出现了丢失,就等于说能量不守恒了。在定量方面,一般认为任何运动着的颗粒都具有波粒二象性。当能量游离于传播者和受传者时则表现为粒的性质。另一方面,颗粒越大的运动物质,粒的性质越明显(对粒子性的描述用能量E和动量P两个参量)。而越小的运动颗粒所表现出的波的性质就越明显(用波长λ和频率表述波)。关于波粒二象性的统一描述,有德布洛意关系式:


h为普朗克常数,C为光速。

一般认为这个关系式适用于整个“粒子”的质心运动。从这个关系式我们可以推出,“粒子”质心运动的波长变化(△λ)一定与运动粒子的动量变化(△P)和能量变化(△E)成反比。即:



但我们知道,动量和能量总是守恒的,一个物体损失的动量或能量等于另一个获得的:


因此总动量P和总能量E的变化总是为零(守恒);


综合(2)式,得:


因为△P2+△P1=0,所以△λ=0,△λ1=-△λ2
这就是波守恒的表述,也就是信息守恒定律的定量描述。它告诉我们,一个物体传播出去的信息(波)等于另一个物体所获得的。与任何守恒的事物一样,信息也是不能创造和消灭的。信息只能有形式的转换。如果有量的变化也是某一种形式量的变化,宇宙中的总信息量是不会变的,它是随着物质的不灭而永存的。人类所“创造”的信息是消耗了其它形式和信息所换来的。同样,在消耗“人造”信息的同时,它也会转换成另一种形式的。值得强调的是,信息的存在和信息的被理解是两码事,要时刻记住人所能感受的信息是有限的。守恒的只是信息本身,而信息在哪些物体间传播,在物质的哪个层次上传播是不受限制的。正因为如此,信息作用才有多样性和多效性的。

信息的直接功能在系统中体现

在多数情况下,信息局限在某些物质之间引起相互作用以形成一个系统。每个系统都有其特征性的信息,称为系统信息。它可被构成系统的物质理解并做出反映。例如在人类系统中,语言就是系统信息,它可被系统的成员所理解。随着系统信息量的增加,最终会产生功能异化而产生出新的子系统。新系统的形成多伴有新信息形式的出现,信息所联系的成员也发生了变化,从而产生了新的效应。以生物系统为例,其系统信息是基因(借化学能的有序形式表达的信息。详见下一节),当基因在生物系统中量变到某一时刻时就产生了质的改变,出现了可相互交流的语言(文化信息),信息所联络的成员也就有了修改,新系统就宣告成立了(见文化进化)。实际上,太阳系、地球、生物界、人类社会等都是宇宙这个大系统内信息流动到某一时刻时派生出的子系统。信息在各系统内作用的总效应是使该系统的结构和功能趋于稳定、平衡。子系统的出现往往增加了母系统的有序程度,从而增加了它的稳定性。子系统的产生是母系统稳定存在不可避免的。

信息不以人的感觉而存在

那种认为信息“是物质的客观属性在人脑中的反映”的说法是片面的。因为这种说法暗示“人头脑中没有反映到的就不是信息”。事实是,信息并不依赖人的感觉而存在,就象我们看不见的气体同样是物质的存在形式一样。信息也有不同的层次(见图2-1),我们能感受到的只是它极小的一部分。信息的作用范围极为广泛。它不仅能减少人所能感觉到的系统内的不确定性,而且能减少那些人所不能感觉到的系统的不确定性。任何信息的接受者都要对信息作出反应,因为任何物体都要对能量作用作出反应。但反应的程度取决于物体对信息理解的程度,越是血缘关系近的系统信息越容易被理解。总之,从地球的形成到人类的出现无一不是信息作用的结果,从山崩地裂到谈情说爱也都是信息的功能结果。所不同的只是信息所连通的物体有别罢了。一个台风给地球的信息与一个概念给人的信息是类似的。我们理解了,而大自然接受了台风。不要以为只有人才能感受信息,合适的说法应该是“人是作为一种物质在感受信息的”。在接受信息方面,人没有多大的特殊性。

如果对信息守恒在人身上的体现感到困惑,就想一想能量守恒是怎样在人身上体现的。当研究人体的能量守恒时,人摄入的“能量是与食物氧化燃烧所获的能量等值的,而消耗的能量也是用作的功和热辐射等参量衡量的。很简单,只把人看成是一个能吸收和转化能量的物体。当考虑信息守恒时,我们也只把人看成是个可以接受、转换信息的物体,而不考虑信息被理解的情况,因为不管是否被理解信息总是存在的。人类以语言为信息,其目的是希望受传者获悉,如果有人听见了这个信息则信息作为人际交流的目的就达到了,这是狭义的信息。当我们说话没人听时,声波就会转换成其它的波(有人听时也如此),因而信息并没消失,这是广义的信息。狭义的信息以人的感知为前提,强调信息在人脑中的反映。广义的信息以波守恒为前提,是守恒的,不可消灭的。

 广义信息说的意义在于它使人们有机会在一个更广泛的基础上讨论事物存在的问题,也就是遗传的问题。因为按照这个说法,任何存在的事物都是信息作用的结果,事物的过去,现在和未来都是由信息运动决定的。某一事物的形成和发展取决于特定的信息作用方式。从哲学的角度看,广义信息说比狭义信息论更唯物,因为它认为信息可以完全不依赖人的感知而存在并发生作用。

 用信息守恒和广义信息说的观点分析生物遗传和文化遗传,我们就很容易发现它们之间存在着的共性和联系。

宇宙的信息系统

事物以系统的形式存在
我不敢问宇宙,太阳系统和地球是怎样形成的之类的问题,因为问了也无从回答。于是就认定存在的就是必然的。但又感到,一切必然的存在都是偶然的。广义信息说至少能对存在的必然性做一番解释。

尽管科学家们对宇宙是怎么形成的、宇宙早期是怎样的、宇宙世界是否在变等问题还在争论,可他们都大胆地认定宇宙是有边的,是个关闭的大系统。于是事物的运动就万变不离其“中”了。在宇宙范围内物质是不灭的,能量是守恒的。鉴于象一滴水一样汇入小溪跳入江河,奔向大海。然而,这些运动绝不是紊乱的,运动的结果是使整个宇宙系统达到结构和功能上的平衡。太阳系被安排在这儿,地球被放在这儿虽然很偶然,可一旦它存在了就是必然的了。是什么的必然呢?是信息作用的必然。
地球的太阳系的形成和存在是宇宙内物质相互作用的结果,是宇宙信息交流的结果。不管这种信息交流持续时间的长短,最终由于有了太阳系等,宇宙大系统趋于稳定了。有了地球(和其它行星)太阳系稳定了。地球的存在对太阳来说太重要了,至少与太阳对地球的重要程度相似。在地球形成以后,它就一刻也没停地跟太阳和其它星球及全宇宙对话。这种信息交流的结果使地球一会儿冰雪覆盖,一会儿翻江倒海。山峰的突起就象人身上的丘疹一样,此起彼伏。然而这些运动是必要的,它使地球趋于稳定。尽管人们做了最大的努力,可还是不能很好地理解星际交流的语言,我们不知道太阳或其它星球是用什么样的语言让地球发生种种变故的。但很明显的是,变故的信息是来自外界的,是上级系统传下来的。

宇宙信息的传递和我们政府文件的传达一样,是有一定的渠道的,呈一定等级的。一个等级就是一个系统,它有一定的成员组成,有特定的信息形式和相应的系统功能。以太阳系为例,虽然我们不知道该系统特有的信息形式,可我们知道它是由九大行星和太阳组成的,系统成员之间信息交流的结果是使上级系统(或同级系统,见文化进化)来的信息在系统内合理分布,从而使系统趋于平衡、有序。

一般说来,任何系统都是通过衍生出子系统或向子系统输出不稳定因素而达到自身的稳定的。子系统就是母系统的信息缓冲垫,可以减小母系统接受信息后的振动,从而增加其稳定性。以地球系统为例,它本身是太阳系统的一个子系统,其存在增加了太阳系系统的稳定性。然而它自身的稳定性则靠形成新的子系统来维持。新系统就是生物系统。在生物系统出现以前,地球作为太阳系统的一个子系统也是不稳定的,激烈的能量作用携带的信息使地球发生翻天覆地的变化。这种信息量逐渐增加终于导致了化学进化的启动。从46亿年前地球诞生算起约10亿年,是化学进化的时代,也就是子系统形成的时代。那时候,星际信息交流的结果已使地球有了生成有机物的环境――原始大气和海洋,有外界传来的和内部积聚的能量。于是各种原子不满于被离子键捆得牢牢的,它们在放电、热、光和冲击波的作用下(上级信息的作用下)形成较自由的、多样化的共价键化合物――简单的中间体有机物。又是在外来的和相互间的信息交流过程中形成了氨基酸、核酸碱基、糖等基本的生物体有机化合物。再以后是氨基酸进化到低肽,从核酸碱基进化到核苷酸,即形成了寡聚体。这样就基本上完成了从有机物质向生命进化这一化学进化的过程了。生命在此时还是个偶然性。

当蛋白质和核酸结合在一起时,生命系统就形成了。蛋白质可以进行“能量代谢”,核酸有“自我复制”的功能。两者一起形成“维持机体的构造”。

生物系统的形成在信息守恒上有着重要的意义。首先,它改变了信息形式:外来的物理信息(辐射能、冲击波等)被转换成了化学信息。其次,信息所联接的成员不同了,从无机物变成了有机体。由于新系统的形成,地球作为一个较稳定的系统使太阳系等上级系统更有序、更稳定了。地球与其它星球间的信息交流(或能量作用)显得更平稳了。生物系统形成以后,由星际信息交流所带来的能量在地球上有了更合理的分布,那些原来可能造成剧烈反应的信息能量被生物系统缓冲了。生物安静地接受各方面的信息,又把它们转化。这样,生物在成为地球的一个子系统的同时自身也就组成了一个大系统。在与外界交流时其功能是作为子系统维护母系统的有序性。在进行内部交流时信息的功能是使本系统趋于稳定。于是就有了生物的遗传和进化。

系统的划分依据是信息质量

系统的划分多半是人为的,但任何分类都该有客观依据。宇宙信息系统的划分依据是:系统语言,包括语言的形式和内容。任何应用同一形式语言(信息)或同一内容语言的物质(系统成员)都可归为一个系统。系统间的血缘关系,取决于是否在所用语言的形式或内容上有相似或相同。新衍生出的子系统常在语言形式或内容上与母系统一致。以生物系统为例,其系统语言(系统信息)是基因,基因所代表的信息形式是化学能的有序状态。任何生物以此为基本信息,在基因的基础上进行一切生物功能活动。由于基因是所有生物所共用的信息形式,所以共用这一信息形式上的生物就构成了一个系统。在另一方面,虽然生物所共用的信息(基因)在形式上相同,但在内容上还有差异,即在质上是相同的、量上有差异。因此,应用同一内容语言的生物又各自形成子系统。在子系统内,遗传信息可以通过繁殖活动交流、增殖。子系统之间划分的依据是生殖隔离。种间(系统间)的区别实质上就是信息信的不可交流性造成的。在生物分类中,物种的划分就是以生殖隔离为依据的;地貌的变迁和气候的改变先在生物属内产生地理隔离和繁殖季节的隔离。在这些隔离机制的基础上,物种产生了广泛的变异,当两个彼此隔离并变异了的物种再碰到一起已不能繁殖后代了的时候,新种就形成了。新种的形成是基因从量变到“质”变的结果,所谓“质”变并不是基因的化学结构(即信息形式)发生了改变。如我们前面讨论过的,在生物系统形成以后其信息的形式就不变了,改变的只是基因的量和多个基因的组合方式。所以,新物种形成的实质是量的差异。这种差异对基因的交流形成阻力、造成不可交流性。因此,可顺利交流信息的生物群体就构成了一个系统,称为种。

人类是生物大系统中的一个子系统,也称人种。从生物学的角度讲,所有人都可通过有性繁殖来传递、交流生物信息――基因。人之所以自成系统是因为与其它物种间存在生殖隔离,即基因的不可交流性(自然状态下。在实验室的人工条件下及病理条件下是可以交流的,因为在分子水平上并不存在种间差异。)。然而,从信息的角度讲,人类系统的存在有着极大的意义。因为在人类系统中不仅流动着以化学形式存在的信息,而且还有以物理-化学形式存在的信息――思因(详见下一章),更有以物理形式存在着的人造的文化信息。文化信息是人类系统所独有的,这一信息形式的产生是生物进化的结果。所谓生物进化,就是随着基因量的增加,思因(可暂时理解为思维机制,详细描述见后)发生质的改变,这种质变到了人类就是创造社会性文化信息的能力。严格来讲,所有生物都具有思维的能力,广义的思维是指物体对外界信息的能动性反应。思维的能力(与思因的质有关)是随基因的量变而增强的。所以在生物系统中基因在量变着,思因在质变着。而到了人类系统,基因的量基本稳定了,思因的形式(质)也稳定了,改变着的是思因的量和文化信息的质。

关于思因的本质,文化的产生和进化等问题,在以后的章节中会有更详细的讨论。本章的目的是要说明,无论是基因还是人类文化都是宇宙恒量信息的一部分。所以都遵守同一个信息作用法则,即减少本系统的不确定性、使系统趋于稳定。信息本身是不可消灭的。被埋藏的文化信息和腐烂了的作物一样,前者的信息形式转变了,后者的能量形式转变了,但谁也没被消灭。虽然信息是不灭的,但随着信息形式的不同,内容的不同(即质和量的不同),以及信息所联接的物体的不同,信息就具有了特性,这一特性决定了某些信息经常在一个范围内起作用。在一定范围内起作用的信息可被称为系统语言。无论是宇宙,生物还是人类系统,都有其自己的语言,这种系统语言可被系统成员所理解。子系统的语言是母系统的派生物,是伴随子系统的形成而产生的。一般说来子系统受母系统信息的支配。系统语言作用的结果是使系统和谐,以适应生存的环境。

为了更好地理解信息系统的层次,我借助信息系统树来图示说明(见图2-2) 

图2-2,宇宙信息系统树

图中实线表示我们较关心的信息系统。虚线是与实线同级(兄弟)系统的省略,同时也代表向兄弟系统或子系统延伸形成网格结构的可能性。至于这颗树根生何处,能长多高等问题请参见文化进化一章。对这一系统树,我所能做出的解释是有限的。因为我对天体物理学、地质学等几乎是连门都找不到,是典型的门外汉。但用信息守恒的观点看待科学,会发现每门学科无不是在研究某一系统的信息或语言,研究信息的形式或内容,交流的方式,联系的对象和作用的结果等。如生物学家就是研究生物系统信息――基因的结构形式,功能活动和作用规律的,人类学家或社会学家就是研究在群中流动着的文化信息是怎样作用的,作用的结果如何等。相信每个科学家都能说出他所研究领域内的信息形式来的。广义信息说在科学研究上也有些指导作用,它能使科学家较容易地找出研究对象中的作用规律。方法是:先定义系统的范围,即构成系统的要素。找出系统内可相互理解的信息,即系统语言。研究语言的结构,用法。最后去发现系统语言是怎样使系统和谐稳定的。于是就发现了现象后面的规律。

生物和人类系统各有独特的“中心法则”

在这本书里,作者就试用这种方法,通过比较生物系统(已被很好地描述了)和人类文化系统,来说明文化发展、变化和规律。从图2-2中我们不难看出,人类系统是生物系统的一个子系统。两者既有联系又有很大的不同(见表2-1)



很明显,所有人类系统的因素都是以生物系统的相应因素为基础的。没有基因,没有基因产物(蛋白质)就不会有思因。在谈及人类的社会性以前(即在考虑人类文化以前),人类首先是个最高级的生物子系统。在环境长期作用下,人有了敏锐的感官,可以感受地球上最常见的,与生存关系密切的可见光、声、味、温等信息。不仅如此,人类还可以根据得到的有关信息做出较其它动物准确、有利的反应,即思因的进化达到了最高点,以致于突破其它生物所共有的内思维系统而产生出完整的外表达体系――社会性文化。因为人类是生物的一个子系统,所以一定要遵守生物系统信息作用法则,即所谓的中心法则,DNA→RNA→蛋白质。意为生物信息的流动方向是从DNA,经RNA(核糖核酸,是DNA上蛋白质之间信息联通的中介体)到蛋白质的。中心法则说明生物的性状(蛋白质所构成机体的结构和功能)是由基因(DNA)决定的。生物的遗传中心法则很容易被社会学家误解,社会达尔文主义就曾经认为,既然人的思维和行为也是蛋白质的功能,所以寻根找去,基因就是行为的决定者了。他们把生物遗传中的中心法则扩展为“DNA→RNA→蛋白质→人的行为”。于是,在科学上人们力图找到决定各种行为和思维(如犯罪和天才)的基因,应用到社会领域就是血统论甚至种族灭绝政策。“扩展”中心法则的错误在于,它混淆了系统界限,把问题简单化了。人的思想和社会行为已不属于生物系统的范畴了,因为在人类系统内,我们有除基因外的另一种特征性信息。这一信息(思因)和基因相似,有它自己的中心法则,即有它自身的信息作用规律。

我希望我能发现规律,可规律总是先发现我。我认识它吗?






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