关于理论信息科学的基本知识

1. 理论信息学的含义与特点

论信息学是整个信息科学知识体系的理论基础，适用于全部信息科学学科和所有的信息现象。它的研究对象首先是已经建立起来、比较成熟的信息科学分支学科，比如通信科学、控制理论、计算机科学、机器人学，以及由于信息科技的应用而产生的大量应用信息科学学科，比如物理信息学、化学信息学、生物信息学、医学信息学学等；它还广泛地研究生命信息现象，比如心理信息、人文信息、社会信息等。它的研究任务是归纳、提炼出适合所有信息学科、所有信息现象的最一般的信息概念、信息特征、信息原理与信息方法。理论信息学的第一个特点是它的高度的抽象性；它的抽象是信息科学学科中最高级别的抽象；如果进一步抽象，就到了哲学的层次。比如，人文信息、生物信息与计算机信息的定义截然不同，理论信息学的定义必须包融一切、涵盖一切。因此，理论信息学的概念、原理和方法具有第二个特点，广泛的适用性。比如，哲学把信息定义为“非物质的存在”，理论信息学把信息定义为“信号与符号的含义”。前者是后者的再抽象，后者适用于一切信息科学学科和信息现象，因为到处都是（也只是）那里的信号与符号所载荷着“含义”，即纯粹的信息。

1.1 什么是理论信息学？

在数学中，应用数学的任务是解决具体的数值计算问题，而理论数学或基础数学的任务则是揭示客观世界的数量化特征和数学逻辑的特征。可以说，应用数学主要是计算的技术和工具，而基础数学是计算的理论和观念。前者主要解决“做什么”、“怎么做”的问题，而后者主要解决“是什么”和“为什么”的问题。在应用物理和理论物理，应用化学和理论化学之间也有类似的分工。同样，应用信息学学科和理论信息学学科也分别扮演着技术知识系统和理论知识系统的角色。当然，在科学与技术之间划出绝对的界限是很难的，也没有必要。我们只是做出一种大致的原则性的认定。

从根本上说，理论信息学是整个信息科学的基础部分，是对应用信息学的归纳和提炼。自20世纪20年代以来，关于信息的知识体系迅速发展。最初称之为通信理论、信息论。相应地，关于这个知识体系的基础，最初认为是香农关于通信的数学理论，所以才有一些学者致力于推广香农理论，以建立“广义信息论”甚至信息科学。后来，随着计算机科学和技术的蓬勃发展与广泛应用，人们认为计算机无所不能地处理一切信息问题，便改称计算机科学为信息科学。的确，把计算机作为计算工具和思维模型，应用于自然科学和社会科学的学科中，催生了一大批领域信息学。这时，理论计算机学科就当然是信息科学的基础，于是，计算机医学应用可以说成信息科学与医学的交叉学科研究，等等。在提出建立统一信息理论（UTI， Unified Theory of Information）之后，学者们终于把信息现象中的共性问题和个性问题加以区别，认为信息通信、控制和计算都属于人工信息过程，显然不能涵盖自然信息现象和生命信息现象。这时，对于信息知识体系的基础研究才进入到新的水平，提升到“理论信息学”的高度。

过去和现在从事通信、计算和控制理论研究的学者一定会说，他们所研究的领域中都有自己的理论体系。这当然是有道理的，但是也不尽然。在此，我们不谈通信和控制理论问题，而以人们比较熟悉一些的计算理论为例进行讨论。显然，冯诺伊曼的计算机逻辑模型是关于计算工具的结构的理论，不是真正的关于计算的理论，布尔的理论、图灵的理论、波斯特等人的理论才是。如果数学家们站出来说，那些都是数学科学的理论，而不是计算机科学的理论；计算机科学不过是物理科学的微电子学和数学科学的离散数学、构造性数学的结合与应用；那么，计算机科学家们如何才能够说明“计算机科学具有自己坚实的、系统的、独有的理论基础”呢？所以，有的专家说，只有计算机技术，没有计算机科学，并不是很过分的。

正如维纳在《控制论——在动物和机器中的通信与控制》中所指出的，通信的原理和控制的思想在人、动物、机器中是一致的。冯·诺伊曼说，计算机、人脑、细胞的计算原理是相通的。他们在说这些话的时候，都经历着角色的变换：由信息通信、计算和控制工程师的角色转换为一个信息科学家，甚至信息哲学家了。维纳说：“信息就是信息，不是物质，也不是能量。今天，不承认这一点的唯物主义再也不能生存下去了。”这时候，他是在讲哲学问题，预见在信息时代中的哲学家们不能不承认信息的哲学本体论的地位。维纳提出的是哲学命题，是他所研究的科学命题的升华。在工具信息学科内，我们可以看到，机械的电子的通讯、计算与控制设备中可以量化并以数学公式准确表达只是信息的物质载体，而不是信息本身。信息不是物质，这个命题的正确性在生物信息过程和社会文化过程中更加明显地可以观察出来。

所以，我们在发展领域信息学的时候，不仅使用了通信、计算与控制的技术和工具，而且使用了以工具信息学为基础的理论信息学和信息哲学的知识，来为之“鸣锣开道”。换言之，有许多工程师、科学家和哲学家都在与香农、冯·诺伊曼、维纳进行着同样的或类似的思考。其间的区别仅仅在于思考的深度不同，自觉性不同，以及表达的条理性、系统性不同。建立和发展理论信息学就是在信息哲学的观念指导下，以应用信息学的知识为原材料，进行提炼，得到在一般的信息科学意义上的概念、原理与方法。如果应用信息学以技术和工具的形式推动社会信息处理电子化、智能化的话，那么理论信息学以观念和方法的形式推动人们对自然现象、思维现象和社会现象中固有的信息过程及其规律进行深入的揭示和说明。所以，产生了“工具信息化”和“观念信息化”的说法。

理论信息学的研究对象是一般意义上的信息和信息能，它的研究内容是在宇宙间一切信息现象中起作用的规律，它的研究方法是在各类信息过程中通用的程序和规则，它的研究目标是为领域信息学确立公共的理论基础，为整个信息科学大厦奠基，也为信息哲学提供科学依据。

1.2 理论信息学的目的和内容

如果说建立和完善应用信息学的目的是要解决我们在生产、生活和学习中的信息处理的实际任务的话，那么理论信息学的研究和建立是为了解决我们在观察自然、社会和思维现象中的认识问题。在本质上，物理过程、化学过程、生物过程、思维过程、社会过程都是信息过程。利用工具信息学和领域信息学的手段，当然可以使它们“信息化”。但是，实现“工具信息化”的自觉性来自于对过程认识的“观念信息化”。所以，包括教育信息化、国防信息化、城市信息化、企业信息化、农村信息化、卫生信息化等的“国家信息化”中，必然包含着工具信息化和观念信息化两个方面的任务。如果说，现在的每一个在校学生和社会成员都必须学习计算机科学技术知识的话，那么他们也必须同时学习理论信息学的基本知识，才能够做一个清醒的、自觉的信息化工作者。

具体地说，理论信息学研究的任务就是：揭示宇宙间一切过程的信息本质，刻画和描述信息过程的特征，分析过程中信息演变和创生的内在驱动力，刻画信息处理和生成能力转化的客观规律。有了这种一般的认识，就可以把应用信息学建立在坚实的理论基础之上，指导工具信息学和领域信息学的实际工作者减少盲目性、增加自觉性，做好工作，加速推动科学和社会的进步。

理论信息学包括三个方面的内容：

第一，关于信息的最一般的概念，主要是信息的本质，信息的特性，信息的定义，信息的分类，信息的度量，信息与物质，信息与智能，信息熵与信息负熵，信息能与物理能，能量的统一与进化等。

第二，关于信息现象的一般原理，比如信息演化在“量”和“质”方面的守恒问题，信息过程的动力特性，信息能演变的趋势，信息与信息能之间的相互转化等。

第三，基于信息概念和信息原理的推论、结论、知识体系。

严格地说，理论信息学和信息学理论并不完全是一回事。在领域信息学中不仅有技术和应用，也有相应的理论，比如理论计算机学科就是例子。当然，领域信息学中的理论并不能顶替理论信息学的位置，理论信息学也不是领域信息学中理论的简单的“拼盘”。理论信息学把它们作为自己生长的基础和进行加工的思想资源。

1.3 理论信息学产生的思想背景及大致过程

从20世纪末叶开始，国内外一批信息科学家为着建立一个完整的信息科学知识体系，开始致力于探索它的基础理论。美国与欧洲的学者把这种理论称之为“一般信息理论”，中国学者称之为“理论信息学”。21世纪初，中国学者率先完成了概念和理论上的突破，出版了《理论信息学导论》，

理论信息学是中国学者的原创性研究成果。20年代末期，在香农、维纳、冯诺依曼开创的物理主义信息思维的框架下，美国与欧洲信息科学理论家仍然执着地运用数量化与公式化的方法研究信息的本质和“一般信息论”（General Informatics）。中国学者则从阴阳说和辩证法的观念出发，认定有一种与“物质”的实在性相反的“非物质”的实在性，并且把信息定义为宇宙万物的非物质特征，从物质与信息对立统一的大背景中研究信息的本质与定义；2002年，提出了“理论信息学”（Theoretical Informatics）的概念，2004年，建立了第一个理论信息学的概念、原理与方法的知识体系；2006年，出版《理论信息学导论》；2008年，提出信息科学的世界观；2010年，出版加入了信息世界观的《理论信息学概论》。

国际信息科学学会会长、奥地利维也那理工大学计算机科学系W.霍夫克齐勒教授在为该书写的“序言”中说，作者“为信息科学的理论基础做出了杰出的贡献”，所取得的研究成果是“一个国际信息科学发展的里程碑”。这表明，我国学者已经在信息理论探索方面在世界上占有了一席之地，并且具有了领先的优势。2012年，我们开始的课题正是在理论信息学与心理学的交叉学科研究中展开；从根本上说，这项研究是理论信息学的学术立场、观点和方法在心理学研究中的应用；我们提出了“信息心理学”的概念，并从理论心理学、基础心理学一直讨论到应用心理学。容易推知，我们在这方面的研究也是国际领先的；在2013年5月莫斯科第五届国际信息科学大会上我们报告该成果时，引起高度关注和响应。

1.4 理论信息学的初步应用成果

理论信息学的概念和知识体系建立起来之后，它的第一个应用是说明信息的载体和信息本身的关系，进而一般地说明物质和信息的关系，由此得到信息科学的世界观（简称信息世界观）。原来，物质与信息是共生的，宇宙万物都具有“物质-信息二重性”，它们在逻辑上一分为二，在物理上合二为一。比如，计算机系统是如此，手机也是如此，它们通过导线连接，沟通彼此。更进一步，我们发现，柏拉图的物质与非物质（形式，或信息）如何相互联系与相互作用的难题得到破解；同样地，笛卡尔关于延展之物与可思之物的相互关系也得到合理地说明，不需要再到松果腺里面去寻找答案了。如果像这样提供信息科学的实验的、经验的论证与说明，那么西方哲学史上关于宇宙的“物质-非物质”二重性难题的评价和取舍，需要重新评述、重新讨论。理论信息学的诞生不仅为信息科学大厦奠定基础，也为人类世界观的转型开通了道路。这些成果集中表述在李宗荣的博士后研究工作报告《论信息科学的世界观》中。

其次，理论信息学用来说明人类物质文化与非物质文化的关系，提出了“信息文化学”的基本概念和知识框架。物质文化是以人类创造的物质实体为载荷的文化，文化蕴含其中，比如中国的长城，罗马的竞技场等。在这种意义上，动物也能够创造它们的“物质文化”，比如燕窝、蜂巢、蚁穴等。非洲的切叶蚁能够以树叶为饲料培养它们所需要的食用菌种，其生产过程组织的精细程度、安全防毒的高超技艺，令人叫绝。可以想象，它们也一定有自己的文化传承途径，有自己的学校和学位授予机制。如果把它们的智慧和能力全部归结为“本能”，是一种物种之间的“歧视”。当然，它们那里有社会管理，不可能有“社会管理学”；有建筑，不可能有建筑学，等等。为什么？它们没有文字，没有文化的符号记载；而我们人类，具有非物质文化，即信息文化。当然，光有文字是不够的，还需要形式逻辑的思维方式和建构理论的不懈追求。与西方文化相比，这是中国传统文化的致命“短板”。如果不从西方直接拿过来，再给我们五千年，恐怕也难得提出自己的欧式几何、非欧几何、微积分，等等。所以，撒切尔夫人撂下话来：出口原始创新的概念和理论产品，才是真正的大国、强国。上述的研究成果部分地发表在李宗荣、田爱景的《社会信息学导论》中，部分地记录在李宗荣的第二篇博士论文《信息复杂性研究》中。

理论信息学的第三个应用成果，就是“信息心理学”。在2010年版《理论信息学概论》中，专门有一节书的篇幅讨论“心理信息学”，一万字左右。在理论信息学的视野中，人类作为一个物种，它的信息包含两个基本的层次，生物信息和文化信息。人类个体以其短暂的生命延续着人种的生存和发展。我们个人传承着永远不会死去的生物基因DNA和文化基因MEME。个人的生理系统和心理系统分别完成这两个任务。在对信息文化学有了一定的研究成果之后，通过考察“信息心理学”就能够揭示社会文化与个人心理如何相互联系、相互作用的内在机制。而且，个人的物质和能量系统只是他的信息和智能系统的载体和支撑。这样，信息心理学的任务就是研究人类知识创造和积累的形式以及人类智慧发生和发展的机理。据说，计算机模拟的人工智能步履艰难；这实属意料之外，却在情理之中。我们连心理学家都没有搞明白自己的智能，如何能让机器搞明白人工智能？从人类思想史的大尺度上看，自物理学为首的自然科学发展成熟以后，过去研究世界物质现象的哲学家们转换阵地，开始与研究信息现象的哲学家合流。所以，绝大部分哲学家是信息学家，它们研究哲学信息学。武汉大学张掌然教授研究的“问题哲学”就是一个典型的例子，当然他又是科学心理学教授，还是哲学心理学家。我们的信息心理学研究直接得益于戴正清、佘双好、张掌然三位教授的指导与点拨，是我们的幸运。

2. 理论信息学的基本概念和原理

信息的定义是理论信息学的第一个基本概念，它可以在不同的层次、不同的范围进行。我们可以给出信息的哲学定义和科学定义。哲学把信息定义为“非物质的存在”，以“永恒”为特征。从信息科学的角度，我们可以在理论信息学、基础信息学、应用信息学三个层次下定义。理论信息学的定义，“信息是信号与符号的含义”，适合所有基础信息学和应用信息学的学科。信息的本质特征是它的“物质-信息二重性”，即信息的载体是物质的，其运动符合物理学法则，而纯粹信息自身佘非物质的，其演变符合信息学法则。关于理论信息学的原理，这里介绍宇宙构成要素“四元论”，说明人类认识物质、能量、信息、智能的历史顺序；同时介绍信息现象所遵循的三个最基本的原理：信息不守恒，信息能与时剧增，以及信息增长没有上限。

2.1 理论信息学的信息定义与分类

2.1.1 信息是什么？

信息是什么？维纳说：信息不是物质，也不是能量；信息就是信息。有人说，下定义不能用否定的方式，拒绝接受维纳的定义。问题在于，信息作为与物质同等级别的概念，最大的概念，何以能用种+属差的方式下定义？物理科学和唯物主义哲学给“物质”概念下过这样的定义吗？笛卡尔提出广延之物与思维之物的区分，两者统一于人脑；在本质上，我们可以提出物质与信息的区分，两者统一于宇宙中的万事万物。

信息是什么？信息概念所要揭示的关于信息的本质特征有两个：第一，信息在形式上是物质的，是具体的，不能离开物质载体而存在；第二，信息在本质上是非物质的，是抽象的，是载体的含义，而不是载体本身。如果非要给一个肯定形式的科学定义，笔者建议一个“工作定义”（Working Definition）：“信息是信号与符号的含义（Information is the meaning of signal and symbol）。”其中，“信号”与“符号”是信息的载体，“含义”就是“纯粹的信息”。我们很容易在常用词典中找到上述三个术语的解释。

这个定义不是哲学的，其中不需要表述“存在”的术语，不需要表述“主体”、“认识”、“中介”与“客体”的术语，也不需要表述“效用”或“价值”的术语。它是一个科学的定义，但不是在工具信息学和领域信息学的层次上，所以它使用的术语必须是在科学知识体系中最基本、最基础、最常见的概念，以作为不加定义的基本概念使用。这个工作定义仅仅使用了三个基本概念：“信号”、“符号”、“含义”。信息是非物质的存在，这个命题可以看成是哲学定义，它来自于宇宙万物的两分法：物质与非物质。

理论信息学的信息定义记录了第二次信息学革命的成果。在第一次信息学革命中，“信息”不再是“形式”、“灵魂”等抽象的概念，而成为具体的人们可以操作的对象；它以信号或符号的形式“物化”在通讯、计算和控制的工具之中，可以加以数量化和公式化的处理。这是必要的、有益的。但是，其中包含着物质主义思维框架的束缚，妨碍人们剥去它的物质的外壳，索取其信息的内核，即掌握其中信号和符号的含义。在第一次信息学革命中，信息的定义有几十种，甚至上百种；第二次信息学革命中信息的定义实现了一种原则性的超越，它承认信息的载体，更加强调那种不是载体而是载体的内容的“纯粹”信息。

理论信息学把信息定义为“信号与符号的含义”；它适合一切信息科学的学科，包含所有的基础信息学和应用信息学，因为无论它们有什么特殊性，那里都在讨论某种特定的信号和符号，信息是其“含义”。含义是抽象的逻辑的存在，是非物质的存在，它符合哲学定义的要求。

2.1.2 对理论信息学信息定义的诠释

符号是人造的，是信号的信号。符号的含义通过人对于符号的感知和理解来把握。信号的含义通过人的感知就可以把握。信号可以是天然的，也可以是人为的。天然信号的“含义”是大自然赋予的。因为事物间总是相互作用的，所以每一个事物都在一定程度上代表着与它相联系的其他事物，都具有某种客观存在的“含义”。这种信息具有本体论层次上的意义。显然，人工信号本身也带有本体论层次上的信息，同时又可以由人赋予它以特定的“含义”。这种信息同时具有认识论层次上的意义。

物质科学已经比较透彻地研究了载体本身的物质特性以及载体的本体论含义（载体的物质运动规律），而信息科学则要在此基础上研究载体的认识论含义（信息的运动规律）。心理学研究人的精神现象，即大脑的认识论信息过程。实体的物质和抽象的精神之间如何相互作用呢？原来，精神现象的存在和运动，必须以物质载体的存在和运动为依托。这样，该载体运动的过程，既代表着信息运动，又是实在的物质运动。它当然可以在物理学规律的作用下，对于其他的物质过程（比如，人的躯体运动）起到调节和控制的作用。所谓“心物二元论的困惑”，即抽象的思维和实在的躯体如何能相互作用的问题，以这种分析为基础比较容易得到解释。

在心理学中，心理信息可以是“信号”，也可以是“符号”。比如，弗洛伊德所说的表现人类性本能的“力比多”就是心理过程中的信号，所谓无意识的欲望以及梦境等都是心理信号。在理论上，任何信号都是可以度量的，因为它只是心理信息的载体，具有物质的特征；但是，人类心理信号非常微弱，度量的难度很大。但是，心理信息是心理信号的“含义”，它是不能用自然科学方法度量的。所以，站在自然科学的立场上批评弗洛伊德，可以说他的理论不能得到科学实证；相反，站在信息科学立场上，可以说他的理论符合信息科学的实证标准。登月的“嫦娥”与“玉兔”系统都是由物质系统和信息系统组合而成，它们分别按照物质科学与信息科学的不同实证标准在工作着。弗洛伊德所说的“超我”肯定是“符号”的，因为“道德化的自我”来自于社会文化中的道德标准，它肯定是符号的，不会是信号的。但是，就像符号进入计算机后变成信号的形式进行处理，文化符号在人脑神经系统中的编码是信号的，而不可能还是符号的。心理系统在进行输入/输出的时候，会发生符号与信号之间的转换。

2.1.3 理论信息学中信息的分类

“信息”是什么？柏拉图认为在物质的存在之外有“非物质”的存在；物质的特征是变化，非物质的特征是永恒。他认为，“理念”（Idea, Form）是非物质的，是比变化的“实在”更有意义、更为重要的实在。难道不是这样吗？柏拉图的著作不断地在复制中以同样的面貌永生，他的实在的“躯体”到哪里去了？我们的身体是那种“又在又不在的在”。某个人由幼年、少年、青年、壮年、老年、到百年，每一个时刻的他都是他，又不是他。

有人说，物质的实体才是实在，是直接的实在；抽象的信息是“虚在”，是间接的实在。那是受到物理主义的影响。也许由于受到教育的影响，又在数学和计算机软件的环境中工作与生活，我天然地认为：有一个非物质的、意义的世界；它是实在的，不是虚在的；它是直接的，不是间接的。当您每天使用计算机上网的时候，当您全神贯注地玩智能手机的时候，当您与家人和朋友彻夜交谈的时候，当您面对许多学生做报告的时候，当您撰写论文和著作的时候，您所经历的信息过程，难道不是实在的和直接的吗？某些理论家和哲学家完全不顾自己和他人经历着的现实，按照几十年来物理主义思维习惯，保持着自己错误假设基础上的逻辑一致性，终究会发现：他们离信息时代的时代精神越来越远。

关于信息的分类，见图1。

                            图1 信息分类图

如果以信息所具有的非物质特性来观察，以“含义”的抽象程度为标准，可以把宇宙信息分为两大类：信号和符号。信号（物理的或生物的，天然的或人工的）是某种物体或事件，它的功能是表示自身或其它的物体或事件。信号的意义同它的物质载体形式联系在一起，因而可以通过感官加以确定。信号可以分为物理信号和生物信号两类。物理信号和生物信号的区别主要表现在信息载体、信息推动力的不同。无论物理学的力还是生物学的力，都是物质的力。符号比信号远离信息载体的物质特性，它是人类的创造物。符号是使用者赋予特定意义的事物。符号是人类知识的载体。而符号本身又必须具有一定的物质载体形式，否则就不能被我们所感知。但是，感知符号的物理存在并不足以理解符号信息。符号的含义只能通过非感觉的、符号的方法才能把握。符号运动中的力是非物质的力，是人类的智力，也就是一种“计算”的能力。冯.诺依曼“输入-处理-输出”模型是对符号行为过程的抽象。

此外，在心理学中更为常用的信息分类方式为：信息分为非生命信息与生命信息，生命信息又可以分为非人类信息与人类信息，人类信息继续分为生理信息与心理信息。因为有DNA为核心的生理信息，人类成为活着的物质系统；因为具有MEME为基础的心理信息，人类成为活着的信息系统。人类具有物质和能量代谢功能，但他自身并不直接生产物质和能量；但是，人类能够直接生产知识和智能。这才是人活着的目的和人生的价值。信息心理学主张“信息人假说”：人的本质不是酒囊饭袋，而是一个活着、富于创造的信息系统、符号系统。这些，构成信息科学家所认定的世界观、人生观和价值观。

2.2 信息载体与纯粹信息存在与演变的二重性

按照信息科学的世界观，计算机一分为二，硬件与软件；人一分为二，生理与心理；宇宙一分为二，物质与信息。信息是平行于物质世界的一个相对独立的世界，它有自己的不同于物质世界的发展方向和模式，不可能用物理学法则来解释。这样，我们讨论信息的时候，总是要涉及信息载体与纯粹信息，在此基础上研究信息存在与演变的过程，就可以清楚地看到其中的二重性：信息载体按照物理学的规律运行，而纯粹信息按照信息学的规律运行。

没有绝对的“裸信息”，信息必然具有自己的物质载体，但是信息又不是载体本身，而是载体的含义，有“纯粹信息”。所以，就像计算机分为硬件和软件，它们各自遵循不同的运行规律和法则，在心理信息的讨论中，包含它的物质载体和纯粹信息本身两个方面；认知神经科学研究的是心理硬件，就算人们把每一根神经的活动都搞清楚了，也不能代替心理软件工程师的责任，把心理过程搞清楚了。

2.2.1 信息存在方式的二重性

首先，信息对于物质载体的绝对依赖性以及它对于特定载体的相对独立性。与物质的范畴一样，信息是我们用来认识宇宙现象的最普遍的概念。我们应当首先从最高的层次上，或者说在最大的范围内研究信息的特性。换言之，信息的最为普遍的本质属性，应当在信息与物质的关系中寻找。半个多世纪以来，在科学界和哲学界已经逐步形成一个共识：信息不是物质，但又离不开物质。一般地说，任何信息对象都可以研究它的两个方面：信息的物质载体（Informational Carrier）和纯粹的信息内容（Pure Information）。在所有信息现象中，都有两个特性同时存在着：信息对于物质载体的绝对依赖性以及它对于特定载体的相对独立性。我们把这两种不可分割的特性（绝对依赖性和相对独立性）合并，统称为“信息的二重性”（Duality of Information）。

其次，信息的抽象特性、非物质特性、非空间特性。信息二重性的一个等价的表达是：信息既具有物质特性，又具有非物质特性即抽象特性。信息对于物质载体有绝对依赖性，所以没有脱离物质载体而存在的信息，它必然是物质的，具有物质的特性；同时，它对于特定载体具有相对独立性，所以物质仅仅是它存在的依托，信息可以变换这种依托。从根本上说，信息是非物质的，具有非物质特性。信息的物质特性只是它的形式和现象，而非物质特性才是它的内容和本质。正是从信息的这个本质特征出发，才说信息不是物质，也不是能量。信息的二重性是它的基本特性。而信息的抽象特性主要表现在它的非空间特性。信息的二重性和抽象特性既是信息科学的基本观点，又是它的基本方法。在科学研究中，我们可以承认但是又暂时地撇开事物的物质特性，专注于它的信息特性和信息过程的规律；在信息和数字化工程中，我们以信息过程为主导，通过硬件和软件两个子系统的配合，实现设计目标。

2.2.2 信息运动动力和规律的二重性

信息存在的二重性决定着信息运动的二重性。信息运动必然由相互关联的两种运动方式组成：其一是物质载体的运动，其二是纯粹的信息运动。它们分别由不同的能量所推动，服从不同的运动规律，于是便有信息运动动力的二重性和信息运动规律的二重性。从根本上说，信息运动的动力不是物质的力（四种基本的物理力），而是信息的力（各种“信息处理引擎”的力），也就是广义的“智力”。无论天然智力还是人工智力，都需要物质载体。

我们应当从两个方面考察信息运动的规律。一方面是纯粹信息运动的规律，另一方面是信息载体运动的规律。珠算是个简明的例子。在信息过程中，算法和程序，才是计算的实质。至于选用何种物质载体，利用何种物理能量，不是最重要的因素。信息运动的规律不是物理学的规律，而是信息学的规律。关于信息运动的一般规律是各个领域信息规律的抽象。最基本的信息学规律有三条：信息不守衡，信息能与时俱增，信息增长没有上限。它们与热力学三定律恰成对照。

在心理现象中，心理信息与它的神经载体是对立的统一。以自然科学为背景的心理学使用数量化与公式化的方法所能够研究的只是心理过程的物质特征，该过程符合物理学的原理。但是，纯粹的心理信息过程的推动力首先是我们的“动机”，情绪和情感是这个动力的“放大器”。我们的动机与价值判断相一致，决定某事情做与不做；至于某事情如何做，那要由我们的智慧来决定。所以，动机只是“开关”，真正推动心理过程沿着“路线图”和“时间表”运行的是基于人类知识系统的“智力”（智慧的力量）。

2.3 理论信息学的要素四元论与三个基本原理

自维纳提出信息就是信息，不是物质也不是能量之后，一个“物质、能量、信息”的三元论宇宙要素观逐渐形成。它比“物质、能量”二元论的观点进了一步，承认宇宙间有非物质、非物理学能量的客观存在。波普尔的三个世界理论认为，在物质世界和人类精神世界之外，存在着一个概念的世界，也就是客观意义上的观念世界，它是可能的思想客体的世界，有着自在的理论及其逻辑关系、自在的证据、自在的问题境况等。如果我们把他的第三世界扩充为非物质的信息世界，那么精神世界便可以一分为二：人类精神（心理）活动的内容（心理信息）+精神活动的物质载体；前者与第三世界相通，后者与第一世界相通；于是三个世界归结为物质与信息两个世界了。

在本质上说，波普尔的第三世界是人类精神（心理）活动所创造的世界，具有非自然的、超自然的特性；它是一个符号的世界、信息的世界。如果说，物质世界运动的动力来自于物理学的能量，表现为四种基本的物理学力（强力、弱力、电磁力、万有引力），那么信息世界演变、发展、爆炸式增长的动力来自何处？如果我们注意到生物基因和文化基因从无到有，是不守恒的、增长的，那么它显然不能用遵循守恒法则的物质和物理学能量来说明，必须某种新的概念来解释。在创立理论信息学的过程中，我们称这种未知的信息世界的推动力量为“信息能”、“广义智能”。显然，波普尔第三世界成长的动力就是人类的“智能”。至于埃博拉病毒发展、变异、进化到感染医务人员，像艾滋病毒那样严重威胁人类健康，其中的病毒信息能，需要生物学家深入研究。心理学家的任务是研究人类智能的组成、结构和运行机制，以及它何以造就一个非自然的、非物质的知识的世界、信息的世界。

2.3.1 宇宙构成要素四元论

理论信息学认为，科学关于宇宙构成要素的认识，经历了从一元论到四元论的发展过程。起初，人们只是研究物质对象的特征及其运动；后来物理学花了一百多年确认了能量的存在，以及质能转换的规律。到20世纪中叶，信息作为第三个要素被承认；本世纪初，理论信息学提出第四个要素，信息能，并提出信息与信息能之间存在的相互转换。四元论可以表达为：物质、物质能，信息、信息能；为了与人们常用的术语一致，四元论也可以表达为：物质、能量，信息、智能。在第二种四元论的表达中，能量特指物理学能量，智能不仅指人类智能，而是“宇宙智能谱”（T.斯托尼尔）意义上的广义智能。这样，狭义的能量是物理学的能量，广义的能量包含物质能与信息能。维纳说，信息就是信息，不是物质，也不是能量。现在，我们可以说，信息能不是信息，也不是物质和能量。

构成宇宙的四个要素可以分为两组：物质、能量，信息、智能。能量与物质同在，且可以相互转换；智能与信息（知识）同在，也可以互相转换。这样，我们可以说宇宙万物具有“物质-信息二重性”，它是宇宙构成要素四元论的简化表述。物质科学，比如物理学、化学、生物学等，研究对象的物质与能量特性，而信息科学，比如计算机科学、机器人学等，研究信息与智能。因为“信息”是“非物质的存在”，所以物质-信息两分法是“A与非A”分类的一种。这种分类既没有遗漏，也没有重复，是科学的分类。据此种分类依据，可以把科学一分为二：物质科学与信息科学。

人类心理活动从表面上看，它是人类中枢神经系统（即大脑）的功能，但在本质上是心理信息系统的功能。前者只是物质载体，后者才是纯粹信息。所以，心理过程而不是物质过程，而是信息过程。据此，我们认定：心理学是信息科学的一个分支学科，而不是物理学或生物学的分支学科。

2.3.2 理论信息学的三个基本原理

在物理学中，热力学的“熵增原理”证明：在宇宙演化的方向上，有一种不可逆转的趋势，即能量逐渐地退化、然后走向热的平衡，或熱寂。但是，生物学家说：不对！地球上到处都是朝气蓬勃、欣欣向荣。物理学家立即反驳说：地球在消耗太阳的能量，迟早它要连同整个太阳系一起，走向熱寂。现在，信息科学家驳斥“宇宙退化”，给出“宇宙进化”的新解释：进化的动力和表征不是物质，而是信息；从物质的视角看像似退化，但从信息的视角看却是进化；在信息学世界中，信息学的三个基本定律在起作用，它们使得具有守恒特征的物质和物理学能量，表现出日益复杂的结构和功能，于是我们拥有进化的地球、进化的太阳系和进化的宇宙。

信息学第一定律说，“信息不守恒”。这在自然、社会常识的范围内是很容易理解的。DNA信息从无到有，呈倍数增长。人类创立文字和符号，建立文化科学知识体系，从无到有，爆炸式地增长。生物DNA和人类文化MEME可以保留和传承，因为它们可以复制。由此可见，信息的创生和增长是一种客观规律，不以人们的意志为转移。显然，人的心理信息也是不守恒的。

信息学第二定律说，“信息能与时俱增”。生物和人类的信息处理能力是在进化、增长着。从无机物几乎近于零智能的层次，进化到人类大脑智能最高的层次，延伸出机器的“人工智能”，属于跨物种的智能增长。在某个物种内部，一个生物个体必须不断地“学习”，适应环境变化，其“思维”能力与时俱增。心理学正是需要揭示四、五十公分长，六、七斤重的婴儿成长和发育的心路历程。

信息学的第三定律说：“信息的增长没有上限”。任何特定的信息量都可以达到，宇宙间没有一个确定的信息量的上限。生物DNA和人类文化基因的进化没有极限，即不存在上限。就人类文化科学知识而论，没有任何一种力量能够阻止文化的进步与科学技术知识的增长。心理学的任务正是揭示人类知识创新过程的特征和运行机制。

人类心理活动所获取的信息以及人类智力，都是不守恒的；它可以与时俱进，与时俱增。所以，我们的身体需要一种生物学的体内平衡，而我们的思想更加需要不断地学习，以适应新的情况，不断地求得生存和发展的更大空间。本书关于要素四元论和信息三原理的介绍十分简单，有兴趣的读者可以参阅相关的论文和著作。

2.4 信息科学范式——冯·诺伊曼计算机模型

范式（Paradigm）一词来自拉丁文，原意指语法上词尾变化的规则，库恩借用它表示“范例”、“模型”、“模式”。具体地说，“范式”一词是指科学家集团认识中的三种根本成分：一是集团所采用的符号概括；二是为集团提供类比和给人们以启发的模型；三是作为具体的题解的范例。对于科学共同体的成员来说，范式既是他们在心理上所共有的信念，又是他们在理论和方法上所共有的模型或框架。那么，信息科学的范式是什么呢？

1948年，香农发表《通信的数学理论》，标志着通信模型和通信信息论的诞生。同年，维纳出版《控制论》，提出了信息控制模型，系统地阐述了控制理论。所谓计算模型是刻画计算这一概念的一种抽象的形式系统。由于观察计算的角度不同，便产生了各种不同的计算模型。在20世纪30年代，关于计算模型的研究就取得了突破性进展。哥德尔、丘奇、图灵、波斯特等人提出了一批计算模型，如递归函数、λ演算等，其中图灵机从计算的一般化过程来研究计算，更接近普通人计算的思想方法。而且图灵机构造简洁，在运行原理中隐含了存储程序的原始思想。

1946年冯.诺依曼等人针对第一台电子数字计算机ENIAC提出研究报告《电子计算机装置逻辑结构初探》，确定了现代存储程序式电子数字计算机的基本结构和工作原理。在1949—1952年间，英国和美国造出了四台基于冯.诺依曼体系结构的计算机。此后，具有存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五种逻辑结构，采用二进制、存储程序、顺序处理、按地址访问存储器、软件与硬件完全分离运行方式的“冯·诺依曼计算机”，不断地推陈出新，一代又一代地“进化”。半个多世纪以来，不少人试图从根本上突破所谓的冯·诺依曼结构，日本第五代计算机计划甚至把设计新的计算机结构作为一个重要目标。但是，至今冯·诺依曼模型仍然是信息科学共同体的不可动摇的基本信念。如果说图灵机是较好的理论计算模型，那么冯·诺依曼计算机则是目前唯一的实用计算模型；随着“计算”概念的泛化，冯·诺依曼计算模型也就成为信息过程的一般模型，被广泛地应用于自然、社会和思维现象的研究中。

 图2  冯·诺伊曼模型机器组成结构图

如图2所示，计算机由五个设备组成：输入设备和输出设备，存储器，运算器和控制器。其中，输入和输出是人与计算机进行交互的两大部件，其作用分别是将信息输入计算机和输出计算机。存储器是一种数据或信息的存储部件，它分为很多存储单元，并按照一定的方式进行排列。运算器又称为算术逻辑单元（ALU），它由很多逻辑电路组成。当控制器把数据送给（ALU）后，它能根据指令完成算术运算或逻辑运算。控制器由时序电路和逻辑电路组成，它的任务是负责从存储器中取出指令，确定指令的类型并对指令进行译码，控制整个计算机系统一步一步地完成各种操作。随着技术的发展，运算器和控制器现在一般都做在一个集成块中，合称为中央处理器（CPU）。计算机中的各种控制和运算都由CPU来完成，因此，人们把CPU称为计算机的“心脏”。

理论信息学家认为，计算机理论模型和实用模型，是图灵和冯诺依曼等人对人类符号信息加工过程的模拟，是人脑实际工作模型的抽象。冯诺依曼计算机模型中的输入/输出设备类似于人脑的输入/输出器官，它的控制器实际上是人脑动机、情绪、感情、价值观体系的模拟，它的存储器是人脑记忆（知识和经验）系统的模拟，它的运算器是人类智慧和智力产生的系统。所以，人类心理系统就在逻辑上也可以看成是五个子系统的综合，它们是：信号与符号的输入，动机与情绪，思维与智慧，记忆与知识，以及知识与能力的输出。当然，在计算机的抽象中舍去了人类的生物学特征和社会文化特征，更重要的是机器不可能模拟人类的原始创新活动的功能和机理。所以，信息加工认知心理学一方面为心理学的研究提供了前所未有的新思路、新模型，但是它离揭示心理系统特有的、本质的特征和规律仍然相距很远。详细解说见本书第三篇第十章。

2.5 完整信息学科体系的建立

库恩与波普尔的科学范式理论的运用，在本质上是以自然科学的成就为基础，以物理学为科学的标准，来对其他科学学科做出评估。自然科学是研究物质的，而心理现象虽然具有物质的载体，但是在本质上是非物质的心理信息。物质的发展与变化的规律容易观察或实验，可以建立自然科学（物理学、化学、生物学等）的数量化、公式化的知识体系。由于人的心理现象特别复杂，它既有自然性也有社会性，既有客观性也有主观性，既有物质载体特性更有信息的本质特性，所以心理学很难使用数学-物理方法进行研究，很难成为自然科学那样的物质科学的学科，也就无法成为像物理学那样的规范科学。

在理论信息学建立和发展之前，信息学的状态与心理学十分相像。研究信息的每一个学科，都宣布自己是唯一正宗的信息科学学科，学科沙文主义几乎无处不在。计算机科学通过国际大会宣布改名为“信息科学”。人工智能科学说，不对，计算机的使命不过是实现人类智能工具而已，人工智能才是核心。控制论说，人工智能的目标不过是控制而已，控制才是信息系统的灵魂。通信理论则说，全部的人类文化就是通信，通信使得人之为人，社会之为社会。只是本世纪初理论信息学建立和不断发展之后，各门应用信息学在公共理论的基础上找到了自己的定位，整个信息科学的知识体系才完整地建立起来。李宗荣提出了这个体系的基本框架为“1+4+3”结构。它分为三个层次，由下而上是：理论信息学、基础信息学（工具信息学）、领域信息学（部门信息学）。基础信息学包含通信、控制、计算和机器人，领域信息学包含自然、社会和人文。

图3 信息科学学科体系的“1+4+3”结构

在图3中，通信、控制、计算与机器人是信息处理的工具，信息处理的对象是“自然”、“社会”和“人文”。人文学科不是运用整体主义的方法，从社会的整体考察，而是运用个体主义的方法，从个人的角度来展开研究研究。理论信息科学认为：心理学研究的不是人的生理现象，而是人的心理现象，其中包括人生的价值、个人的理想与幸福；它不是物理学的分支，也不是生物学的分支，而是信息科学大家庭的成员；它不属于自然信息学和社会信息学，而是人文信息学的一个分支学科；它是文学信息学、历史信息学和哲学信息学的基础学科。从根本上说，心理学的发展需要信息科学基础理论的支持。所以，研究和应用理论信息学的成果，是心理学自身发展的需要。

3 信息科学世界观的建立

在我们人类的远古祖先那里，刚刚发明文字不久，当时没有科学，也没有哲学，只有非常原始的宗教。但是，在原始人那里便有了关于世界的两分法：自然物和自然力，被他们的感官所知；神灵和魔力，存在于他们的幻想之中。所以，原始人既有对自然力和自然物的直接崇拜，又有对神灵和鬼魂的崇拜；这两类崇拜构成希腊文化的出发点。柏拉图说：世界上的实在有两类，物质的和非物质的；物质的实在是变动的，非物质的实在是永恒的；非物质的实在具有更加重要的意义。实际上，基督教世界观把神灵崇拜推到了极点，而现代世界观把自然物崇拜推上了顶峰。在科学革命之前，因为没有物理科学而信仰神灵；在工业社会中，没有信息科学而信仰物理主义。在信息科学范式的指引下，对立的双方（自然与神灵，物质与信息，物质文化与非物质文化）将合而为一，分裂将不复存在。

柏拉图说，各种具体事物的原型的“相”构成的世界才是哲学家和科学家们应当研究的。所谓的相，就是各种理论中的基本概念，就是我们在网络上搜索的“关键字”；信息世界就是以为数众多的“相”为节点而构成的网络。（这就是波普尔的“世界三”。）柏拉图把世界“一分为二”，后来笛卡尔把人分为可思之物与延展之物，这些都是正确的；但是西方世界的思想家无法合理地将对立的双方“合二为一”，即说明物质世界与非物质世界的关系，身体与心灵的关系；所以，他们的理论一直在西方思想界无法立足，这是因为西方文化以“分析”为主，遵循形式逻辑，强调“A不是非A”。现在，我们在西方文化深刻分析的基础上，运用东方文化的思想，以“综合”为主，遵循辩证逻辑，强调“A可以是非A”，就提炼出物质与信息的关系模型，构造出信息科学的新型世界观。

3.1 物质与信息：两种“实在”的分裂与对立

世界观是人类知识大厦的基石。在一定的意义上，世界观和方法论是一回事。在观察现象、解释问题时它是“观点”，而在处理问题、把握进程时它是“方法”。美国思想史家R 塔纳斯在《西方思想史》的序言中说，西方的文化与思想的历史就是“从古希腊人至后现代主义的西方世界观的历史”。他认为，西方主流高等文化中几种重要的世界观是：希腊人的世界观、基督教的世界观、科学革命后的现代世界观。“今天，西方思想似乎正在经历一场划时代的变革，其重要性也许比得上我们文明史上的任何一场。”为提出一种新的信息科学的世界观作铺垫，本文说明，科技与人文的对立表现出两种相互抵触的“实在”观念（物质实在和非物质实在）为基础的世界观的竞争；同时，我们以西方思想史为背景，依次考察了人类以前曾经经验过的三种世界观。

1959年，英国学者C P斯诺明确地提出了“两种文化”（即科学文化与人文文化，或者物质文化与非物质文化，即信息文化）的问题。人们通常认为，现代科学是无神论的；它的开端和兴起一般被追溯到16和17世纪，追溯到培根、哥白尼、牛顿等等。事实上，两种文化的分裂与对立由来更久。因为，科技与人文的分裂在本质上是两种截然不同的“实在”观念的冲突。在基督教世界中，它表现为上帝创造和统治世界；在希腊社会中，它是柏拉图主义对原子主义的钳制；在原始宗教时期，表现为崇拜、神话与巫术。在人类社会的原始时代，宗教作为无所不包的上层建筑，也就是社会制度。

关于自然的神话是宗教的来源和最早的形式。神话传说是人类早期生活的全面记录，以一种浪漫的想象来表达他们的理性探索：世界和人生的起源及归宿，人类自身的存在及其意义是什么，为什么会是这样，等等。一神或多神，都只是一种信仰的对象。在无神论者看来，上帝耶和华六天创世说完全是胡扯。但在古时候，除了基督教的创世说之外，还有埃及的太阳神“拉”开天辟地说，中国的盘古开天辟地说，巴比伦大神马尔都克之子创世说，以及古希腊关于宇宙生成的说法，等等。

在原始人那里，没有科学，没有哲学，于是神话中的各种人格神灵、天体神灵、自然神灵和动植物神灵的众多形象，构成了他们精神认知上的世界全景。由于对于物质世界的规律性几乎全然不知，在自然力量面前显得十分渺小无能，他们只能寄希望于想象中的神灵。神灵是人类最早的精神产品。巫术为氏族消除灾祸，为患者跳舞治病，为无生育的妇女求子，为死去的人们祝福，在其背后起作用的都是神灵的观念。因为生活的需要而生产出的神灵，作为一种普遍性的社会产品而得到广泛的应用。

在原始人那里，“灵”统辖着自然，而“魂”支配着自身。梦，又是一种人类早期难以理解的自然现象。我们的祖先常常为梦——这种荒诞离奇的现象所困扰。庄周梦蝶的故事在中国脍炙人口。梦是怎么一回事？为什么白日里劳动、嬉戏的情景会在梦中出现？为什么能与死去的亲人在梦里重逢？为什么有的梦让我们喜不自胜，有的梦让我们毛骨耸然？为什么我们愿意重温旧梦、希望梦想成真？做梦时，有什么离开了我们的躯壳，还是有什么进入到自己的躯壳？如此等等。1872年，英国著名的人类学家和宗教学家泰勒提出一种理论：原始人根据睡眠、出神、疾病、死亡、梦幻等生理和心理现象的观察，推论出与身体不同的灵魂观念，然后把灵魂观念应用于万物，产生了万物有灵论，成为一切宗教的源泉。

所以，在原始人那里便有了关于世界和宇宙的两分法：感官可知的自然物和自然力，以及存在于幻想之中的神灵和魔力。有些神学家把原始宗教分为两个类别：一类是对自然力和自然物的直接崇拜，另一类是对神灵和鬼魂的崇拜。在一定的意义上，希腊文化的出发点就是这两类崇拜。柏拉图思想充分地体现了希腊理性主义和希腊神灵崇拜的独特结合。他说，世界上的实在有两类：物质的和非物质的；物质的实在是变动的，非物质的实在是永恒的；各种具体事物的原型的相构成的世界才是哲学家和科学家们应当研究的。德谟克利特思想则是希腊理性主义和希腊自然物崇拜的独特结合。实际上，基督教世界观把神灵崇拜推到了极点，而现代世界观把自然物崇拜推上了顶峰。在科学革命之前，因为没有物理科学而信仰神灵；在工业社会中，没有信息科学而信仰物理学主义。在信息科学范式的指引下，对立的双方将合而为一，分裂将不复存在。

3.2 历史上不同世界观的较量与竞争

3.2.1 希腊人世界观的双重遗产

古希腊文化的主流是师生相传、不断发展的苏格拉底、柏拉图、亚里士多德所确定的思想传统。在一定程度上说，西方思想演变唯一重要的基础、关键立场和出发点是柏拉图的原型观点。所以，才有一个说法：西方哲学可以看成是柏拉图哲学的注解。

通常所理解的柏拉图哲学，是以其主要学说即主张存在原型的相[Ideas]或型[Forms]为中心。这一主张要求对“实在”的态度与我们通常的态度有部分不同，不过这是一种含义深刻的不同。这些型乃原初的，而传统实在的各种可见物体乃这些型的直接派生物。这些型拥有存在的一种特性，即某种程度的实在，这种存在高于具体世界的存在。于是，原型构成了世界，而且还超越世界。它们构成了各种事物隐藏的本质。某一事物可以不复存在，但这个别事物所体现的那种普遍性质却可以永存。那种普遍性质是出自这个别事物的一种独立的实体；由于它是恒定不变的，永远不会消逝，所以它在实在中具有较高的位置。

我们的感官不会体验到绝对的相等，完全的圆，真正的直，但是智力可以在感觉之外领悟到“相等”、“圆”和“直线”。柏拉图认为，相的范例乃数学。对物质世界的安排是依照数学上“数”的相和“形”的相来进行的。这些相是看不见的，凭借智力才能领悟。圆、三角和数不是人的头脑强加给各种自然现象的，相反，它们乃是超自然的、超经验的存在物，既不依赖于变动的各种现象，也不依赖于觉察它们的人的头脑，而是独立存在的。在数学方面对大脑进行训练，对从事哲学事业是绝对必须的，因此，按照传统，在他建立的学园大门的上方刻有这样几个字：“不懂几何学者不得入内”。许多伟大的哲学家同时又是数学家，就是因为他们学习、研究、生活在一个相的世界中，坚信相的世界中有内在的秩序和规律性，自觉地接受和发扬柏拉图传统。

根据柏拉图的观点，存在的基础乃各种原型的相，它们构成一切有形体的东西的无形基质。世界的真实结构不是靠感官来揭示，而是靠智力来揭示；处于最佳状态的智力有机会直接接近支配实在的相。一切知识均以相的存在为先决条件。原型王国决不是具体世界的一个不真实的抽象名称或一个假想的隐喻，相反，在这里被认为是实在的真正基础，它决定了实在的秩序，使实在是可以认识的。所以，相既是一种本体论（关于存在的理论）的基本成分，又是一种认识论（关于知识的理论）的基本成分。

希腊古典思想是一种双重遗产，因为希腊思想还创立了截然不同的假设与趋势。它有时被称之为爱奥尼亚传统。其代表人物是泰勒斯（Thales）、阿拉克西曼德（Anaximander）和阿拉克西米尼（Anaximenes）。爱奥尼亚的思想家们根据物质原则和过程来寻求对于实在的解释，而不是求助于抽象的、非物质性因素，或者其他类似的东西。他们试图以物理的、经验的范畴来所解释经验到的物理事件及自然界的规律性，比如经常被观察到的物质，它的过程和属性。爱奥尼亚人拒绝接受仅有非物质性领域才是真实（Real）的存在的观点，认为普通的物理现象是真正实在的重要组成部分。而且，由于感觉给我们提供了进入物质性领域的途径，感觉经验和观察就提供了关于实在（即物质性领域的实在）的真实信息和片段性真理。

另外一些希腊思想家走得更远，比如像德谟克利特和留基伯（Leucippus）这样的原子论者，他们宣称唯一存在的实在是由各种各样的原子组成的。原子论者后来被认为持有这样的观点，即一切事物都仅仅是由运动中的物质微粒组成的。尽管这不尽准确，原子论者的确认为，最终支配实在的基本原则不是心灵的映射、理性或者理智。但是，希腊世界观的双重遗产却又有着共同的立场，有某种相似之处。它们相互补充，部分对立。它们在令人紧张的对比中起作用。它们既是不稳定的，又是具有高度创造力的。它们构成现代世界观的重要源头。它们在苏格拉底身上得到范式体现，在柏拉图对话中得到对位性生动表现，在亚里士多德哲学中得到光辉的、有重大影响的妥协。

3.2.2 基督教的世界观

基督教兴起的源头是希伯来人的宗教传统。在古代近东，出现了信奉一神论宗教的特定民族，它摆脱了更早时候的崇拜诸多自然神论的背景。他们把神学和历史结合在一起。希伯来人相信，唯一的绝对的上帝既作为世界的创造者，作为历史的主宰，又作为人类的救世主，高于且超越于其他一切存在物。信赖上帝、承认上帝对世界的最高权威，帮助上帝去实现自己的意图，就可以把和平、公正和幸福带到人间。天国将被建立，正直的人将得到提升，邪恶的人将受到惩罚。在经过若干世纪的悲痛和失败之后，一个救世主式的人物将会出现，由于他的神力，历史本身将找到其胜利的终点。

犹太人宗教信仰的实质，取决于一种强烈的企盼，即企盼上帝会通过戏剧性的转变人类历史，来积极地重建自己对世界的统治权；到耶稣的那个时候，主要企盼的是一个肉身救星的出现。保罗神学理论的实质在于，相信耶稣不是普通常人，而是基督，即上帝的永世的儿子，他化身为男人耶稣，来拯救人类，使历史得到可称颂的结局。在保罗的领导下，这个小规模的宗教运动迅速蔓延到帝国的其他地区，小亚细亚、埃及、希腊、罗马本地，并开始将自己发展成一个世界性的基督教会。到公元4世纪末，基督教已成为罗马帝国法定的国家宗教。在“中世纪”一千年间，基督教会成了将西方与古典文明统一起来，并保持与古典文明的联系的这样一种社会公共机构。先是在一些修道院，后来又在大学里，完善古典文化遗产的努力，造就了公元5世纪初奥古斯丁的理论，在这种种族成分、政治成分、宗教成分和哲学成分的复杂的溶合中，逐渐产生了西方基督教世界共有的一种全面的世界观。

那么，基督教世界观和柏拉图世界观有什么样的内在联系呢？我们大致能从两个方面看到。其一，柏拉图哲学本身就有着神学的渊源，他和老师苏格拉底具有浓烈的宗教情绪；在一定意义上，他的理想国就是地上的“天国”，他的哲学王就是道成肉身的救世主。其二，属于知识阶层的基督徒们，觉察到将希腊哲学与自己的宗教信仰结合起来的需要；古代与中世纪的思想路线倾向于按照类型、象征和共相来考虑，于是柏拉图理论为理解基督教信念系统提供了哲学上最为先进和复杂的框架。

尽管柏拉图的哲学专心致力于辩证法的精确和思想的缜密，但其本身却为一种宗教浪漫主义所渗透，这种浪漫主义不仅影响了柏拉图哲学的本体论的范畴，而且影响了其认识论的策略。在柏拉图去世后的几个世纪中，一批又一批哲学家发展了柏拉图思想，创立了“新柏拉图主义”哲学。他们将一种更为明显的神秘主义成分融入柏拉图哲学，于是希腊理性哲学到达了终点，并逐渐演变成另一种更彻底的宗教精神，一种超理性的神秘主义。

另一方面，基督教知识分子觉察到：实现希腊哲学传统和基督教信仰的结合，既是为了满足他们自己，给基督教的奥秘带来表达得清楚有力的形而上学的见解，也是为了帮助希腊和罗马的文化理解基督教的奥秘。柏拉图哲学的基本原理这时在基督教背景中求得了佐证，并找到了新的含义。一切善来自上帝，来自精神，而一切恶皆源于人类自身罪恶的本性，源于肉体。人的灵魂处在与自身生物性的基本本能的直接冲突之中，并因肉体之乐和物质世界潜在的诱骗而受到损害。人的有形之躯时常作为魔鬼的居所和罪孽的起因而受到谴责。无论一个人在今世遇上怎样明显的成功或失败，与那些个人的灵魂所已获得的永恒的命运比较起来，这些成或失败算不了什么。个体精神对上帝的探求乃首要的，而历史和尘世只不过是上演这出戏的舞台。从今世逃往来世，从自我逃往上帝，从肉体逃往精神，构成了人类生活的最遥远的目标和方向。

3.2.3 现代的世界观

到中世纪全盛时期的末期，一种新的世界观表现在基督教母体内部。现代思想的诞生过程是一个相互重叠、相互交织的文化时期，亦即文艺复兴、宗教改革及科学革命的时期。

文艺复兴字面上的意思是“再生”，指发生在15世纪和16世纪的古希腊学术的复兴。文艺复兴运动最初在意大利开始于一种艺术家的运动。中世纪的艺术成为讲述圣经故事和理论的工具，试图唤起关于来世的精神品质。随着文艺复兴，人类在今世的生命拥有了直接的价值，拥有了激动人心的存在意义，实际上西方人重新获得了生命。正是从意大利文艺复兴充满活力的文化源头诞生了一种全新的与众不同的西方人格。其特点是个人主义、世俗化、强调意志、兴趣和动机的多元化、富于创造性的发明、乐于拒斥对人类行为的种种传统限制。这种精神很快就传遍了整个欧洲，形成现代性格的基本轮廓。

只有当文艺复兴的个人主义精神进入神学领域以及基督教会的信仰层面，欧洲才爆发了反抗罗马教会的宗教改革。德国神父马丁•路德所代表的宗教改革家认为，教会的所作所为完全背离了它的理想，其等级制度显然太过腐化，其教义传统也与最初的启示相距甚远；要从内部改革这个堕落的结构已毫无疑义，在神学上也大谬不然。路德的反抗犹如星星之火，在整个16世纪引发了一系列的文化反响，迅速地扩张成为一场国际动乱。罗马天主教会被推翻。一个“新教”的基督教教会团体由此诞生，最终与当时仍然大致自成一体的基督教世界观彻底决裂。

科学革命作为对文艺复兴的最后表现，对现代世界观做出了突出贡献。在意大利接受教育的哥白尼恰好处在文艺复兴的巅峰时期。哥白尼的洞见导致并象征着现代世界观与古代和中世纪世界观的重大根本性决裂。亚里士多德的地心说宇宙观与人们司空见惯的经验常识完全一致，所以成为近两千年的思想传统。自从经院派把希腊传统赋予宗教意义之后，基督教世界观就与亚里士多德宇宙观密不可分了：天地本质上两相分别，天堂、地狱和炼狱的宇宙结构，做圆周运动的行星有众天使围绕，上帝的宝座高高在上，在属灵的天堂和属肉的地球之间演绎着人类生命的道德戏剧。哥白尼学说使得所有这一切破坏殆尽！到牛顿把天上的和地球上的力学所有已知现象统一在一套完整的物理学定律之下的时候，近代科学世界观就形成了。

在概括近代世界观的时候，可以看到它的主要原则。（1）中世纪基督教的宇宙，为上帝所创造，在上帝的统治之下；现代的宇宙不具人格的形象，受有规律的自然法则的支配，只有通过物理和数学的术语才能够认识。（2）基督教的二元论强调精神的、超然地凌驾于物质的、具体的之上，现在则大多颠倒了过来，物质世界成为人类活动重要关注的中心。（3）古典时代的宇宙论以地球为中心，环绕着的天是超然的、原型的力所在的场所，这种力规定和支配了人类按照天体的运动的生存；中世纪的宇宙论维持了这种相同的总结构，按照基督教的符号象征对此重新作了解释；而现代的宇宙论则置作为行星的地球于不确定的无限的空间，完全排除了天与地的两分。（4）与中世纪的基督教的世界观截然不同，在现代，人的自主得到了完全的肯定，而与此同时则是任何会阻碍人的天赋权利以及生存的自由意志和个人的自我表现的可能性的宗教信仰或制度结构越来越受到贬低。

3.2.4 现代世界观的危机

到19世纪和20世纪早期，现代科学达到了黄金时代。它的各个分支发展迅速，学术和研究机构到处设立，以科学与技术的系统联系为基础的实际运用也日新月异。人们对科学的信心，对科学无限地提高人类知识、健康和普遍福利的状况的力量的信心，促成了一种特有的时代的乐观主义情绪。但是，20世纪的两大发展极大地改变了科学在认知和文化上的地位，一个是对科学的理论性的、本质的发展，另一个是对科学的实际的、非本质的发展。

就前者而言，在物理学上若干惊人发展日积月累地影响下，古典的牛顿宇宙论先是缓慢地而后迅速地被打破了。不仅经典的现代科学长久确立的确定性遭到了极大的削弱，到20世纪30年代，早期科学概念的每一种主要假设实际上都遭到了反驳，如原子不可入、时空绝对性、现象因果性、观察的客观性等等。测不准原理极大地削弱了牛顿的严格决定论。科学观察和解释如果没有影响观察对象的性质就不能进行。自从笛卡尔以来一直占主导地位的还原论纲领被很多人认定：它没有注意到事物的性质中最有意义的东西。在人类心理中某种不能还原的非理性因素，现在竟然出现在物质世界的结构本身之中。

就后者而言，笃信牛顿学说的康德的先天范畴——空间、时间、实体、因果关系——再也不能用于所有现象了。科学所提供的知识随观察者、他的物质条件、他的流行的科学范式以及他自己的理论假设为转移。而且，面对新的证据，科学的基本原理任何时候都可能被推翻。20世纪中叶，现代科学的灿烂新世界开始遭到广泛而严厉的批判。当自然科学和政治重大行动共同密谋生产和使用原子弹的时候，科学所固有的道德中立性没有了。文明本身现在由于自己的创造力而被带入了险境。人文主义者的矛头直指科学所造成的事与愿违的后果。在20世纪的晚期，包括达尔文进化论在内的以前的科学的传统的范式结构，日益受到相互冲突的材料和他择性的理论的压力。

世纪之交，一些观察家开始感受到，这些发展可能是人类价值观念的倒转的不祥之兆。以前可以信赖的科学的世界观现在受到了根本的怀疑，因为科学的概念框架正在全球范围明显地产生和加剧与人性相悖的种种问题。如果所有的科学假设都要经受严格的、客观公正的检验，那么科学的世界观本身，这个在现代占统治地位的元假设，看来可以通过它在经验世界中造成的有害的、相反的结果而被确定无疑地证伪了。对科学的乐观主义的信仰，即认为世界的困境只要通过科学发展和社会工程就可以得到解决，现在已经遭到了驳斥。西方正再度失去其信仰，这一回不是对宗教的信仰，而是对科学的信仰，对自主的人类理性的信仰。

一种预示大变动的调子开始弥漫于文化生活的许多方面。“随着20世纪的发展，可以越来越频繁地、越来越强烈地听到丧钟鸣响，宣布西方伟大的思想和文化事业几乎每一个领域的衰落和灭亡、解构和崩溃：神学的终结、哲学的终结、科学的终结、文学的终结、艺术的终结、文化本身的终结。”（P431）西方思想遵循了这样一条发展轨迹，到20世纪末已大部分破坏了现代世界观的基础，令当今的思想日益丧失既有的确定性，不过也从根本上开启了各种以前从未涉足的道路。如今，那反映并表达这种前所未有的处境、现代思想的逐渐成熟和自我毁灭，这样一种不同寻常的思想的感觉力，便是后现代主义思潮。

3.2.5 后现代主义：颠覆“现代”，解构自身

西方思想史的每一次重大的划时代转变似乎都是从一种原型的献祭开始的。仿佛是为了奉献给一种新的重要文化观点的诞生，每一次其主要的先知都遭受了某种具有象征意义的反响强烈的审判和殉难：例如苏格拉底在古典希腊诞生之际受审并被处死，耶稣在基督教诞生之际受审并被钉死于十字架上，伽利略在现代科学诞生之际受审并被定罪。根据各种流传的说法，后现代主义思想的主要先知是尼采，这是由于他的激进的权力意志说，他的杰出的批判的感觉力，以及他对西方文化中刚出现的虚无主义强有力的、深刻的、内心充满矛盾的预言。他在20世纪的黎明曙光中死去，他最后几封信的署名是“被定在十字架上处死的人”。

后现代主义到20世纪末成为有广泛影响的世界性文化思潮。这个思想大潮由若干思想汇合而成，比如实用主义、存在主义、马克思主义、心理分析、女权主义、解释学、解构和后经验主义的科学哲学等。这里不可能逐一地介绍它们，但是需要指出，其中最明确地、自觉地自称是“后现代主义”是分析哲学。它认为，有意义的哲学活动只是对语言进行分析。正是语言分析产生出最为激进的怀疑的认识思潮。它的一个基本论点是：人类的一切思想是最终为生活的极具特色的文化—语言的形式所产生和限制的。人类知识是由某些解释者所组成的特定地方社团和社会实践的历史上的偶然的产物。在无限地倒推的过程中，文本仅仅与另一个文本相关，在语言之外没有什么可靠的基础。人们绝不能逃脱“能指”的游戏。

后现代主义的共同特征是猛烈地抨击自柏拉图以来的主要哲学传统。在讨论中，盛行库恩的“范式”概念。后现代主义的范式其本质就是对一切旧有范式的颠覆。它具有绝对的批判意识。这种意识解构一切，因为其自身的逻辑而被迫对其自身也作这样的解构，最后也难于证明自己是正确的。于是，后现代主义的思想之开放性和不确定性的另一面就在于缺乏任何一种世界观的坚实基础。按照R 塔纳斯的说法，“不存在什么‘后现代主义的世界观’，也不可能形成什么后现代主义的世界观。（P439--440）”由于缺乏任何切实可行的、令人信奉的世界观，旧的假设仍然在兴妖作怪，它还在提供人类思想和活动的越来越行不通的、危险的蓝图。于是，从现在的支离破碎中揭示出一种可信的和富有成效的一致性，就成为一项紧迫而艰巨的思想任务。

随着21世纪的到来，许多沉思之士从多种角度感觉到一种紧迫性。作为一种文明和一个物种，我们的历史处于加速发展之中，但同时又出在一个真理的重要转折关头，人类精神的前景、地球的前景，又像是在风雨中飘摇。我们可以感受到即将发生的时代转变和强大高潮的到来。“话说天下大事，合久必分，分久必合。”当前游弋不定的状况和令人困惑的形式，可能事实上是一段动乱时期的终场，它代表了转向另一个新时代的划时代的转变，产生一种新的文明形式和一种新的世界观，其原则和思想与历史上的原则和理想截然不同，也可能有一次古老的观点和理想的伟大再生。一种新的世界观出现的真正可能性有赖于更加重大的文化动力，它就是信息科学的基本“原型”——图灵和冯•诺伊曼的关于“计算”的逻辑模型。

3.3 理论信息学奠基的信息世界观

3.3.1 世界既统一于物质又统一于信息

在科学与哲学诞生之前，物质与信息两种不同的取向就成为早期人类思考问题，追求生存与发展的基本思考。随着物理学的成熟，一个物质科学的世界观逐渐形成：世界上除了物质和物质的运动，什么都没有了。信息科学技术模拟人脑，造出可以战胜人类棋手的电脑。于是，一个信息科学的世界观就形成了：宇宙万物都是物质与信息的对立统一。我们在物质与信息关系模型的基础上提出“两个世界理论”，阐述了信息科学的世界观，进而命名一种“信息主义”的时代精神。这样，宇宙万物具有“物质-信息二重性”，人类的“生理-心理二重性”，计算机的“硬件-软件二重性”，手机的“机芯与操作二重性”，物质与信息相互接触与相互作用的双重关系模型。世界既统一于物质，又统一于信息！从人类远祖就是“物质-信息二重性”！

维纳提出信息不是物质，也不是能量，断言不承认信息的唯物论不能再继续下去了，之后宇宙元素“三元论”被承认了；但是，半个多世纪以来，信息仍然只能是被物质所“决定”的存在，是物质存在本身的“反应”，它只能伴随着物质的存在而存在。第一次信息学革命未能触动唯物论的世界观，许多信息哲学家的观念和理论被束缚于物理主义的框架之中。第二次信息学革命提出物质与信息如何对立统一的理论模型，解决了柏拉图和笛卡尔二元论面临的难题。

第一次信息学革命的成果，包含信息科学、信息哲学、社会认识论、个体认识论（科学心理学）等，是人类思想史上的重大进步，是信息主义时代精神的初步体现。在第二次信息学革命到来的时候，随着世界信息统一性原理的提出和证明，关于宇宙构成要素四元论的论述，以及物质-信息对立统一科学模型的建立，一个信息科学的世界观逐渐形成。它是对唯物主义世界观霸主地位的颠覆，是对基督教唯心主义一元论和物理学唯物主义一元论的终结。一个完全体现信息主义的学科群，比如新信息科学、新信息哲学、新社会认识论、新个体认识论等正在产生或建立。我们相信，随着新的世界观和方法论的普及，柏拉图和笛卡尔二元论思想将得到补充、完善和推广，人类思想史将向我们展示出一条否定之否定的逻辑轨迹：柏拉图的物质-信息相割裂的二元论→基督教唯心主义一元论→物理学唯物主义一元论→信息科学的物质-信息辩证二元论。这是《周易》所制定的阴阳相生相克法则的生动体现。

世界上纷繁复杂的现象的共同性或统一性是什么？传统教科书说，它是“物质统一性”；并且用不到400字的篇幅，给出了自然科学和哲学的“证明”。它当然很有道理。我认为，如果把宇宙理解为具有无限的空间和时间特征的一切事物存在的总和，那么它还具有“信息统一性”，在此也可以给出科学和哲学的证明。

（1）世界的物质统一性的证明。

恩格斯曾经指出，世界的真正的统一性是它的物质性,而这种物质性不是魔术师的三两句话所能证明的,而是由哲学和自然科学的长期的和持续的发展来证明的。而现在通行的哲学原理教材大都把世界物质统一性的证明分为两部分:一是科学证明,二是哲学证明。作这种理解和解释,在一定程度上都符合恩格斯的本意。

第一,世界的物质统一性能由哲学来证明。世界的物质统一性可以是一个哲学命题, 它是人们对宇宙、对整个世界的根本观点,是对哲学基本问题做出的唯物主义的回答。要论证这一问题,显然要涉及到自然、人类社会和思维三大领域。但是,自然科学、社会科学和思维科学研究的是各自的领域,而这种只涉及某一个领域的科学,是回答不了关于整个世界的问题的,即使全部具体科学的成果相加,也还是不能证明这一问题。

第二,世界物质统一性的证明又离不开各门具体科学。哲学对这一问题的证明,要以各门具体科学的成果作为自己的论据。为此,必须对各门具体科学的成果进行分析、综合、概括和总结。由于各门具体科学必须经过长期的发展,达到一定的科学水平,才能以自己的成果作为哲学论证这一问题的充分论据。所以,哲学要证明这一命题,有赖于自然科学的长期的和持续的发展,由于有了一定的科学成果,还需要运用科学的世界观和方法论,才能进行概括和总结,才能科学地证明这一问题,所以,要证明这一命题,还需要哲学自身的长期的和持续的发展。

可见,哲学教材上的科学证明,实际上是哲学利用各门具体科学的成果来证明这一问题,而并不是各门科学的证明;而所谓哲学证明实际上讲的是哲学是怎么样证明这一问题的,即讲的是证明这一问题的过程和方法。

（2）世界的信息统一性的证明。

世界上纷繁复杂的现象的共同性或统一性是什么？传统教科书说，它是“物质统一性”；并且用不到400字的篇幅，给出了自然科学和哲学的“证明”。它当然很有道理。我们认为，如果把宇宙理解为具有无限的空间和时间特征的一切事物存在的总和，那么它还具有“信息统一性”，在此也可以给出科学和哲学的证明。

世界的信息性以及信息多样性基础上的信息统一性，已经被20世纪中叶香农的信息论、维纳的控制论以及图灵和冯·诺伊曼的计算机理论初步地证明了。香农最早使“信息”概念科学化，提出信息的最小度量单位，即“位”（bit）；无论哪个层次、哪个领域中的信息都可以用bit来表示。维纳在《控制论》中揭示出人类、动物和机器中通信与控制的特殊性与统一性。他说：

早期的唯物主义声称，机械的脑并不像肝脏能分泌肝汁一样分泌思想，也不像肌肉表现出行为那样以能量的形式表现出来。信息就是信息，它不是物质，也不是能量。今天，不承认这一点的唯物主义者再也不能生存下去了。

图灵在分析人脑计算的机理的基础上，提出了图灵机的理论模型。冯·诺伊曼分析了人脑思维与计算机运算的过程，他说：“对神经系统作最直接的观察，会觉得它的功能显而易见地是数字型的。”“神经脉冲可以很清楚地看作是两值符号”，“神经元可以当作是基本的逻辑器官，因而它也是基本的数字器官。”神经系统的“复杂性”表现在它的“功能结构和功能的作用”。他还说道，在遗传现象中，“基因本身，很显然地是数字系统元件的一部分。”。

美国物理学家斯通尼尔(T. Stonier)提出建立“物理信息学”。他认为，从无机世界开始，世界进化的每一步都是信息进化的一个链条，宇宙信息处理的能力不断地提高，然后他提出“宇宙智能谱”的概念。他说，无机界中粘土、糖、盐等物质的结晶，就是结构的复制，是信息过程。有机分子的复制开始了简单的生命过程，病毒、细菌的出现是较高级的生命形式，而细胞的出现则展示了地球上生命的个体，多细胞植物、动物、人类的出现是生命形式的进化，以人为细胞组成的社会是最高级的生命形态。贯通全部生命活动的信息可以分为两个基本的层次：生物基因DNA和人类文化MEME。

由于计算机工程技术和产品的广泛应用，在人类所有的生产、生活和研究领域都产生一门与信息科学交叉的学科──领域信息学，比如医学信息学、生物信息学、人文信息学、社会信息学等，揭示出信息的特殊性。在众多领域信息学的基础上，关于理论信息学的研究则揭示出信息的统一性，成为通往信息哲学的桥梁。我们认为，既然在科学家手中的计算机芯片在植入人体之内以后，能够与人的神经系统联合工作，这个事实告诉我们，最高级的人类生命信息与最初步的无机信息之间，存在信息的通信、控制与计算。处于信息进化论过程的这两个极端被连通起来了。这样，宇宙间的“信息统一性”被无可怀疑地以理论与实践相结合的方式证明了。现在，关于信息特殊性基础上的信息统一性，任何怀疑论者可以提出什么形式的质疑呢？

（3）信息是真实的实在与直接的实在。

物质是实在的，是真实的实在。这个命题在日常的生活经验和常识中得到验证：我们可以看到物质，触摸物质，直接地变革物质。但是，信息是非物质的存在，是信号与符号的含义，信息是实在的吗？信息是真实的实在吗？

对此，不同的科学与哲学分别给出不同的答案。物理学和唯物论认为，只有物理学、化学、生物学研究的对象才是实在的，其他现象（比如人类精神活动等）可以还原为理化生的过程，那不是独立于物质存在以外的存在，是不实在的。有的哲学家说，信息如同镜中花、水中月那样，是完全依赖于物质实在的，是虚假的实在（即虚在），是间接地存在。物理学革命以来的几百年间，全球学者和社会大众就是这样认定的。在中国，60多年以来，唯物主义成为官方哲学。中国哲学家关于“信息”的哲学思考，当然是非常有意义的，符合新的时代精神，但是却都不能不被深深地盖上自然科学与自然哲学的烙印。今天，我们在肯定唯物主义框架下信息研究的成果时，却不能不说：它是片面的。

在2 500年前，柏拉图就指出，宇宙间有两个截然相反的世界：用眼睛看到的“可见世界”和一个用心灵可以看到的“理智世界”。但是，由于他不能说明两个世界之间的相互关系和作用机理，连他自己都在晚年怀疑“理念论”的完全正确性。他的学生亚里士多德更是坚决地予以反对，断然否定一个外在于物质世界的理念世界（信息世界），这与中国传统文化中的“天人合一”不谋而合。牛顿的唯物主义世界观不过是亚里士多德世界观的修改版，没有根本性的改变。笛卡尔提出思维之物和延展之物的两分法，但是同样不能说明他们的相互关系，其二元论思想照样受到科学界和哲学界的排斥。

到了第二次信息学革命时期，西班牙学者Pedro Marijune教授等发起关于信息科学基础理论的研究，奥地利学者Wolfgang Hofkirchner教授明确提出“新信息科学”的概念，俄罗斯学者Konstandine Kolin教授提出理论信息学和信息科学世界观的概念，中国学者李宗荣教授在博士学位论文和博士后研究报告中分别提出了理论信息学的知识体系和信息世界观的理论。现在，我们可以肯定地说，信息是绝对真实的实在，是完全直接的实在。我们知道，许多伟大的数学家都是理念论者，因为他们整天生活、学习、工作、创新在一个人造的“理智世界”中。他们笃信：知识的世界、理念的世界，不仅独立于物质世界实在地存在着，而且无时无刻不在影响和控制着物质的世界。从根本上说，信息生产是物质生产的先导；唯物主义的反映论根本不能解释：信息不守恒、信息能与时剧增、信息的增长没有上限。

在人文社会科学领域中，的确对于同一个现象可以有不同的甚至截然相反的理解和解释。但是，我们以为，一个负责任的科学家和哲学家，如果他承认自己在为国家、社会和全人类而工作，那么他至今仍然坚持几百年、几十年唯物主义的思维框架，坚持自己概念和理论的连贯性，坚持信息的非实在性和间接性，那么，他的追求，对于当代的学者和公民，有什么样的理论和实践意义呢？美国国防部几千人的网络部队是实在的，斯诺登揭发的事实是实在的，网络的积极作用和负面影响是实在的，信息可以给个人、单位、国家、人类带来直接的利益和危害，也是实在的。试问：一种间接的不实在的信息，何以成为造成这样直接的实在的原因？您是否面临着类似于柏拉图和笛卡尔那样的麻烦：解释实在与虚在，直接与间接二者如何相互接触又相互作用？

3.3.2 物质与信息相互关系的理论模型

我以为，柏拉图的理念论之所以连他自己都有怀疑，关键在于，受科学和技术的局限。如果柏拉图也生活在信息时代，每一天都离不开电脑、手机、网络等信息系统，知道硬件和软件的相同和相异，看到机器人的运行，他一定不会说：理念与实物是绝对分离的，成为亚里士多德批评的口实。他更不会说，学习是一种回忆。同样地，笛卡尔如果生活在我们这个时代，他不会说，思维之物与广延之物的联系与作用，发生在松果腺中。

在《理论信息学概论》中，李宗荣用下面的图4说明物质与信息的关系⁵。

图4  事物的物质子系统和信息子系统的物质接触和能量转换

在图4中，椭圆表示整个事物，即系统整体。它可以分为两个子系统：左边的物质子系统和右边的信息子系统。物质子系统的构成是物质实体的；它由物质能所驱动。信息子系统的构成是抽象的，但是信息的载体是物质实体的，与物质子系统直接接触；信息子系统由信息能所驱动，信息能是程序体现出来的逻辑的力量，但是信息能的“载能”是物理学的能量，可以与物质子系统的能量相通。

我们称它为物质与信息关系模型（MRMI，Model of Relation of Matter and Information），或“双二重性模型”（物质与信息的二重性，状态与过程的二重性），简称为“二重模型”。在两个世界划分、分割的基础上，通过揭示两个世界的联系和相互作用机制，就形成了关于两个世界如何对立而又统一的完整理论模型。

以这种物质与信息、状态与过程的双二重性为基础，物质和信息载体相互接触和物质能与信息能的载能相互连接的关系模型，构成了“两个世界”理论的核心观念。它是支持信息科学世界观的科学依据，就像物理学观念对于物质世界观的科学支持那样。

3.3.3 信息世界观的基石：宇宙万物的物质-信息二重性

在2004年理论信息学概念、原理和方法提出，2006年《理论信息学导论》出版的基础上，2008 年信息科学世界观诞生了⁶。它明确地提出了一般的物质与信息关系模型，即对立统一的"两个世界"理论，揭示了宇宙万物的物质与信息二重性。

（1）宇宙万物的物质与信息二重性。二重性所涉及的双方是对立的，非此即彼；但是它们的区别不是永恒的、绝对的，双方可以通过不断地互相依赖（或相互包含）、互相支持（或相互建构）来实现综合。宇宙万物都具有“物质-信息二重性”，就是说，世界既具有物质特性，又具有信息特性。对它们既可以进行物质与信息的一分为二，又可以进行物质与信息的合二为一。信息具有非物质的特征，但它又必须具有物质的载体，因而信息也是是物质的；信息对于物质载体具有相对的独立性（其载体可以变换、在转译中保持含义不变），但同时对物质载体又具有绝对的依赖性。

（2）宇宙万物的空间与时间二重性。首先，空间与时间二重性：事物的静态与动态特性。世界万物都可以从时间和空间两个方面加以考察。一个事物的空间特征就是它的静态的结构特征，即它的存在状态。一个事物的时间特性就是它的变化的特征，即它的动态特性或生存过程。关于事物的存在与生存也就是在这两个方面展开讨论的。每一个事物都是静态特征与动态特征的统一，是“存在”和“生存”的统一，都同时表现出空间和时间特性。其次，世界万物的存在状态与生存过程。世界万物都具有状态与过程的二重性，它们都是状态与过程的一分为二与合二为一。按照状态与过程二重性理论，人的生命具有静态的结构与动态的功能两个方面。我们的物质生命的结构和功能是理化的，但是信息生命的结构和功能是非物质的。生物学DNA的结构已经被测定出来，但是它的信息学解读可能需要长时间的探索。

宇宙万物都具有状态与过程的二重性，它们都是状态与过程的对立统一。按照“状态-过程二重性”理论，人的生命具有静态的结构与动态的功能两个方面。我们的生物学生命的结构和功能是物质的，但是心理学生命的结构和功能是非物质的。生物学DNA的结构已经被测定出来，但是它的信息学解读可能需要长时间的探索。心理学的研究受科学主义的束缚，侧重于研究心理现象的生理特征，研究心理现象信息特征的学者们在被边缘化化的状态下艰难地行进。

现在，我们可以站在信息科学的学术立场上，给2500年以前柏拉图的理念论一个科学的理解和说明。正是他，第一个明确而系统地提出，宇宙间有两种存在：以变动不居为特征的物质存在和以永恒不变为特征的非物质的存在。他把非物质的存在称之为形式（Form）或理念（Idea）。

世界的信息性以及信息多样性基础上的信息统一性，已经被20世纪中叶香农的信息论、维纳的控制论以及图灵和冯·诺伊曼的计算机理论初步地证明了。香农最早使“信息”概念科学化，提出信息的最小度量单位，即“位”（bit）；无论哪个层次、哪个领域中的信息都可以用bit来表示。维纳在《控制论》中揭示出人类、动物和机器中通信与控制的特殊性与统一性。他说：

早期的唯物主义声称，机械的脑并不像肝脏能分泌肝汁一样分泌思想，也不像肌肉表现出行为那样以能量的形式表现出来。信息就是信息，它不是物质，也不是能量。今天，不承认这一点的唯物主义者再也不能生存下去了。

图灵在分析人脑计算的机理的基础上，提出了“图灵机”的理论模型。冯·诺伊曼分析了人脑思维与计算机运算的过程，他说：“对神经系统作最直接的观察，会觉得它的功能显而易见地是数字型的。”“神经脉冲可以很清楚地看作是两值符号”，“神经元可以当作是基本的逻辑器官，因而它也是基本的数字器官。”神经系统的“复杂性”表现在它的“功能结构和功能的作用”。他还说道，在遗传现象中，“基因本身，很显然地是数字系统元件的一部分。”。

美国物理学家斯通尼尔(T. Stonier)提出建立“物理信息学”。他认为，从无机世界开始，世界进化的每一步都是信息进化的一个链条，宇宙信息处理的能力不断地提高，然后他提出“宇宙智能谱”的概念。他说，无机界中粘土、糖、盐等物质的结晶，就是结构的复制，是信息过程。有机分子的复制开始了简单的生命过程，病毒、细菌的出现是较高级的生命形式，而细胞的出现则展示了地球上生命的个体，多细胞植物、动物、人类的出现是生命形式的进化，以人为细胞组成的社会是最高级的生命形态。贯通全部生命活动的信息可以分为两个基本的层次：生物基因DNA和人类文化MEME。

由于计算机工程技术和产品的广泛应用，在人类所有的生产、生活和研究领域都产生一门与信息科学交叉的学科──领域信息学，比如医学信息学、生物信息学、人文信息学、社会信息学等，揭示出信息的特殊性。在众多领域信息学的基础上，关于理论信息学的研究则揭示出信息的统一性，成为通往信息哲学的桥梁。我认为，既然在科学家手中的计算机芯片在植入人体之内以后，能够与人的神经系统联合工作，这个事实告诉我们，最高级的人类生命信息与最初步的无机信息之间，存在信息的通信、控制与计算。处于信息进化论过程的这两个极端被连通起来了。这样，宇宙间的“信息统一性”被无可怀疑地以理论与实践相结合的方式证明了。现在，关于信息特殊性基础上的信息统一性，任何怀疑论者可以提出什么形式的质疑呢？

3.3.4 信息科学世界观：对立统一的“两个世界”

（1）模型的分类：实物模型与抽象模型。

所谓模型，简单地说，是指人们为了达到某种特定的目的而对研究对象所做的一种简化的描述。它是人们在研究某个对象（原型）时创造出的原型的替代物。这种描述可以是定量的，也可以是定性的；这种替代物可以是实际的物体，也可以是抽象的形式。通过研究模型来揭示原型（被研究的对象）的特征、形态、本质及发展规律的方法称为模型方法。

科学研究的模型，大致可以分为两个大的类别：物质模型和思想模型，也可以称之为物质模型和信息模型。其中，物质模型主要有天然的和人工的两个类别。

（2）对立统一的两个世界。

物质与信息在状态和过程中联系与作用。

我们称物质与信息关系模型（MRMI，Model of Relation of Matter and Information）为“双二重性模型”（物质与信息的二重性，状态与过程的二重性），简称为“二重模型”。在两个世界划分、分割的基础上，通过揭示两个世界的联系和相互作用机制，就形成了关于两个世界如何对立而又统一的完整理论模型，如图4-1所示。

在图4-1中，椭圆表示整个事物，即系统整体。它可以分为两个子系统：左边的物质子系统和右边的信息子系统。物质子系统的构成是物质实体的；它由物质能所驱动。信息子系统的构成是抽象的，但是信息的载体是物质实体的，与物质子系统直接接触；信息子系统由信息能所驱动，信息能是程序体现出来的逻辑的力量，但是信息能的“载能”是物理学的能量，可以与物质子系统的能量相通。

以这种物质与信息、状态与过程的双二重性为基础，物质和信息载体相互接触和物质能与信息能的载能相互连接的关系模型，构成了“两个世界”理论的核心观念。它是支持信息科学世界观的科学依据，就像物理学观念对于物质世界观的科学支持那样。

4. 信息科学方法论的建立

19世纪中叶，在心理学企望从思辨的哲学领地独立出来的时候，物理学已经趋于成熟。能量守恒与转化定律继牛顿力学体系之后，完成对物理学的又一次大综合，它从能量的角度把力学、热力学、光学、电磁学、声学等联系为一个有机的整体，成为整个自然科学的奠基石。物理学的成功向人文社会科学研究者表明，物理学的自然观和方法论经得起实践检验，是普遍适用的。奥古斯特·孔德提出，除天文物理学、地理物理学、力学物理学和化学物理学外，还应建立社会物理学（后改为“社会学”）。费希纳于1860年出版了《心理物理学纲要》。但是，自冯特建立第一个心理学实验室以来，人们经过了130多年的尝试，终于认识到:自然科学的方法论已经直接地把心理学引入了分裂、破碎的困境。

近十几年来，信息科学基础理论研究突飞猛进，中国学者率先提出了理论信息学概念与原理的知识体系，同时明确地提出了建立信息科学世界观的任务。由于信息科学世界观的确立，信息科学的方法论也就建立起来了。我们所说的信息科学的方法论，不是某一门信息学科具体的方法论，而是信息科学公共的方法论，即理论信息学的方法，我们称之为“信息涌现论”的方法。下面我们对比地讨论物理学的方法、计算机软件科学的方法，以及理论信息学的方法。

4.1 物理学的方法

物理学是一门实验性的科学，它现在已经成为自然科学中最基础的学科之一。经过大量严格的实验验证的物理学规律被称为物理定律，它们通常由数学公式表达。如同其他很多自然科学理论一样，这些定律不能被证明，其正确性只能靠着反复的实验来检验。物理方法就是运用现有的物理知识对物理现象做深入的学习和研究，找到解决物理问题的基本思路与方法。物理学的方法有观察法、实验法、类比法、分析法、图象法、比较法、综合法、控制变量法、图表法、归纳法等等很多种方法。其中，实验法是最为基础和基本的方法。物理学中很多伟大的发明和发现都是发生在实验之中。

物理学的实验法，都要按照实验目的、原理和方法控制某些条件来进行研究。在试验中利用有关的材料、器材或设备，通过仔细的观察，收集相关的数据，对数据进行科学的处理，得出正确的结论或答案，并用数学公式表述出来，据此作为重复和预测的依据。所谓控制变量法，就是在研究和解决问题的过程中，对影响事物变化规律的因素或条件加以人为控制，使其中的一些条件按照特定的要求发生变化或不发生变化，最终解决所研究的问题。

不受任何阻力，只在重力作用下而降落的物体，叫“自由落体”，如在地球引力作用下由静止状态开始下落的物体。地球表面附近的上空可看作是恒定的重力场。如不考虑大气阻力，在该区域内的自由落体运动是匀加速直线运动。其加速度恒等于重力加速度g。虽然地球的引力和物体到地球中心距离的平方成反比，但地球的半径远大于自由落体所经过的路程，所以引力在地面附近可看作是不变的，自由落体的加速度即是一个不变的常量。它是初速为零的匀加速直线运动。

对自由落体最先研究的是古希腊的科学家亚里斯多德，他提出：物体下落的快慢是由物体本身的重量决定的，物体越重，下落得越快；反之，则下落得越慢。他断言：物体从高空落下的快慢同物体的重量成正比，重者下落快，轻者下落慢。比如说，十磅重的物体落下时要比一磅重的物体落下快十倍。几千年来，人们都把这个错误论断当作真理而坚信不移。亚里斯多德的理论影响了其后的物理学家，直到伽利略才提出了相反的意见。

伽利略在1636年的《两种新科学的对话》中写道：如果依照亚里士多德的理论，假设有两块石头，大的重量为8，小的为4，则大的下落速度为8，小的下落速度为4，当两块石头被绑在一起的时候，下落快的会因为慢的而被拖慢。所以整个体系和下落速度在4-8之间。但是，两块绑在一起的石头的整体重量为12，下落速度也就应该大于8，这就陷入了一个自相矛盾的境界。伽利略由此推断物体下落的速度应该不是由其重量决定的。他在书中设想，自由落体运动的速度是匀速变化的。

为了证明上述观点，比萨大学青年数学讲师，年方25岁的伽利略，同他的辩论对手及许多人一道来到比萨斜塔。伽利略登上塔顶，将一个重100磅和一个重一磅的铁球同时抛下。在众目睽睽之下，两个铁球出人意料地差不多是平行地一齐落到地上。面对这个无情的实验，在场观看的人个个目瞪口呆，不知所措。这个被科学界誉为“比萨斜塔试验”的美谈佳话，用事实证明，轻重不同的物体，从同一高度坠落，加速度一样，它们将同时着地，从而推翻了亚里士多德的错误论断。这就是被伽利略所证明的，现在已为人们所认识的自由落体定律。

经过物理学家反复试验，人们测得自由落体的瞬时速度的计算公式为v=gt；位移的计算公式为h=1/2*gt^2。（关于自由落体运动试验的方案设计、仪器描述、试验目的、试验内容、注意事项、数据记录与结果等，不在此详述。）这样，任意给定一个时间变量t，就可以根据公式计算出物体下落的距离。体现在“自由”二字上，其含意为：物体开始下落时是静止的即v0=0。如果给物体一个初速度竖直下落，不能算自由落体。物体在下落过程中，除受重力作用外，不再受其他任何作用力（包括空气阻力）。“比萨斜塔试验”作为自然科学实例，为实践是检验真理的惟一标准提供了一个鲜明生动而通俗易懂的例证。

物理学通过试验方法，得到控制变量之间的数量关系，并且提取数学模型，用简明的数量化公式表达物理现象的规律，以此作为实现重复和预测的依据。这种方法适用于心理学吗？显然不行！如果认为心理学的研究对象是人类心理信息系统运行的规律，那么要用本文下面将要讨论的信息学方法。如果认为心理学的研究对象是人们的身体系统的活动、即可以直接观察与准确量化的行为，那么请注意：第一，人类行为没有物质事物那样的“稳定性”，同一个人在不同的时间、地点和文化环境下的行为可以有巨大差别；第二，由于人们的自我意识的作用，面对不同的研究者可能表现出不同的行为特征；这样，就算是对这样复杂多变的行为进行“数量化”了，也不可能在归纳数量的基础上实现“公式化”，用以准确地预言人类行为。因为，人类行为的轨迹不像物理世界中那样靠盲目的力量所推动，由万能的“上帝”所设计而一成不变，而是靠国家、集体和个人依据某种价值观联合设计，与时俱进，不断进化。显然，揭示心理学的规律，要靠信息学方法和心理学自己特有的方法。

4.2 计算机软件科学的方法

物理学的数量化与公式化的关键性作用，但是不符合心理现象,心理系统的第一个任务是决定做什么、做不做，然后才是决定如何做；前者是价值判断，由世界观和人生观决定，后者由知识、智慧等方法论决定；前者是动机，后者是能力；前者决定是好人还是坏人，后者决定是能人还是庸人；或者好文化与坏文化，强势文化与弱势文化.

人类心理现象包含着物质特征与信息特征，生物学研究它的物质特征，而心理学研究它的信息特征。生物学借用物理学的方法是成功的，但是心理学不能照搬物理学的方法，因为心理信息不像自然物质那样具有可以直接观察的形体、可以量度的体积与重量，也不具有可以运用数量公式来描述的运动规律。在信息科学发展成熟、信息研究范式得到公认的今天，心理学正在由过去曾经的物理学分支、生物学分支，变成信息学的分支。我们提出，物理学的“数量化”与“公式化”方法只能用来研究非生命物质的运动规律，它不适合选作心理学的方法；心理过程的本质不是物质而是信息，信息学的“逻辑化”与“程序化”方法对于心理学具有普遍适用性；人的“心理智能”是“人工智能”之母，心理学特有的方法是“智能涌现论”的方法。

信息世界里的信息有信号和符号两种。信号计算是模拟计算，基于连续量的数学（微积分等）；符号（包含数字）计算是离散计算，基于离散数学（二进制算术等）。这里所谈的信息学主要指符号过程的信息学，这里所谈的信息学方法主要指离散的符号过程的方法。在这种意义上，主要从事符号处理的计算机使用的方法就是信息学的方法。从广义上讲，信息过程的一般方法就是计算的方法，它包含着通信方法、控制方法与机器人方法。宇宙间最为复杂的信息过程是人脑思维，计算机以最为简洁的方式模拟和辅助人脑活动。我们以打扑克为例简要说明其中信息学的“计算”方法：逻辑化与程序化。

我们打扑克牌时，必须整理手中的牌。比如，从左到右，把拿到手上的牌按照从小到大的顺序排列，让最小的牌在前面，最大的牌在后面，其余的在中间各就其位。这样，我们都要将手中的牌“排序”。排序的固定程序（过程）是：先取第二张牌做“关键字”，从它开始排序。把关键字与前面的一张牌相比较：如果它不小，就不动位置；如果它小，就同前面的牌交换位置；如果交换位置后，它仍然比前面的牌小，则继续交换位置，直到它不再小于前面的一张牌为止；如此办法继续处理，取第三张牌做关键字，…，直到最后一张。就这样，一张一张地，比较、插入，再比较，再插入，最后就得到所需要的结果，“计算”过程完成。由于反复地“插入”，所以这种方法叫做“插入排序”。

一个执行“插入排序”算法的简单例子：将六个数组成的数组A =（5, 2, 4, 6, 1, 3），按照非下降的顺序排序成为（1, 2, 3, 4, 5, 6）。下面是输入数据，排序过程和输出数据。这里假设它们是六张“桃花牌”，按照牌的点数来排序。

输入数据：（5, 2, 4, 6, 1, 3）。

取第二张牌“桃花2”为“关键字”；与第一张牌比较，它小，需要交换位置；得到中间结果：（2, 5, 4, 6, 1, 3）。

取第三张牌“桃花4”做关键字；与第二张牌比较，它小，需要交换位置；再与第一张牌比较，不小，不动位置；得到中间结果：（2, 4, 5, 6, 1, 3）。

取第四张牌“桃花6”做关键字；与第三张牌比较，它不小，不动位置；与第二、第一张比，不动位置，得到中间结果：（2, 4, 5, 6, 1, 3）。

取第五张牌“桃花1”做关键字；与第四张、第三张、第二张、第一张牌比较，它都小都需要交换位置；得到中间结果：（1, 2, 4, 5, 6, 3）。

取第六张牌“桃花3”做关键字；与第五、四、三张牌比较，它都小，都需要交换位置；与第二、一张比较，不小，不动位置；得到最后结果：（1, 2, 3, 4, 5, 6）。

输出数据：（1, 2, 3, 4, 5, 6）。

如果把上述6个数的插入排序算法用到n个数的情况，使之具有一般性，那么它可以用来解决6万个数的排序问题。（这就是数学抽象的普遍意义：从简单到复杂，从特殊到一般。）如果我们使用类似于英语的“伪代码”，可以用一个“程序”（或过程）的形式来表达该“算法”。我们给该过程起名为INSERTION-SORT,它的输入参数是一个数组A[1, n]，包含着待排序的n个数。元素的个数n用length[A]表示。数字就在数组A中重新排列，key放置在数组A之外。当过程执行完毕之后，A中就包含了已经排好顺序的输出序列。该程序包含的八行语句如下：

INSERTION-SORT(A)

1  for j ← 2 to length[A]

2      do key ← A[j]

3         * Insert A[j] into the sorted sequence A[1], A[2], …, A[j - 1]

4         i ← j -1

5         while i>0 and A[i]>key

6              do A[i+1] ← A[i]，A[i] ← key

7                 i ← i - 1

8          j ← j + 1

其中，下标j指示了待插入的关键字或“当前数”。下标i指示了待比较的前面的数，比较一张后，i的数值减去1，使i获得新值，程序中用“i ← i - 1”表示。然后，继续比较，直到i的数值为0。“←”表示把后面的值赋予前面的变量，“A[i + 1] ← A[i]”中亦然。我们把过程中的第1行到第8行的语句构成的外层“for…do…循环”和内层“while… do…循环”称为“循环不变式”（loop invariant），主要用它来帮助我们理解算法的正确性。在上述的例子中，“数”为牌的点数，外层循环中的“迭代”（循环变量j控制）从第二张牌开始向后到第六张牌，内层循环中的迭代（循环变量i控制）从被比较的牌开始向前到第一张牌。这样循环地迭代，执行固定的程序，以不变的方式，做着算法上相同的事情，因而得名。

我们可以用“流程图”来表示上述的运算过程。

在流程图中，菱形框构成判断，方框与箭头构成流程。判断是逻辑的，“是”或者“否”的选择。任何程序的复杂性，取决于逻辑判断的数量和它们的层次的“深度”。如果我们把“开始”视为我们走路的出发地，“结束”视为目的地，那么如果从出发地到目的地中间没有任何岔路，那是最简单的情况；如果岔路越多，走错路的可能性就越大，问题越复杂。所以，信息过程中，与物质过程中“数量化”过程起相似作用的是“逻辑化”。物理学数量化的目的是寻找数学公式，信息学的逻辑化的目的是“程序化”，即设计解决问题的路径。这个办法用到社会生活中，就是设计办事情的“路线图”和“时间表”。

在计算机程序中，有三种结构：顺序结构、分支结构和循环结构。我们做事情，一件接着一件做，是顺序结构。比如，我们泡茶，可以按照烧开水、取茶叶、冲茶，顺序地做。如果事情的做法有几种，那么构成分支结构，这里需要进行逻辑判断，根据具体情况选择前行的“路径”。比如，心理学研究，可以采用不同的方法进行，可以用自然科学的方法，人文科学（精神科学）的方法，还可以用信息科学的方法等。当某一件事情需要较长时间来做，作为“控制”，需要定时地检查“做完了吗？”如果没有做完，需要再做；如此反复，直到做完；然后转向程序的下面一个步骤。

我们与其把这三种情况看成是计算机程序结构的应用，还不如说：计算机方法是对我们日常生活中常用方法的归纳和抽象。实际上，我们每一个人都是日常生活、学习和工作过程的程序设计师。这种“设计”是我们的心理系统的本职工作。所以，信息学方法运用到心理学中，具有天然的适用性与合理性。

4.3 理论信息学的方法

4.3.1 物质科学还原论方法的适用范围

物质科学达到实证目标的主要方法是还原论。“还原”的意思是“减少”、“化简”、“把一种形式变换为另一种更简单的形式”、“把一种语言变换成另一种语言”等。在化学中，有氧化反应与还原反应之说。奎因在《经验论的两个教条》中首先使用“还原论”。他指出，经验论有两个错误的教条，一个教条是分析命题与综合命题的区分，另一个教条就是还原论。斯克里文说：“还原论者是那些认为可以把光学和化学还原为关于波、场和粒子的物理学，把心理学还原为可观察的行为研究，把生物学还原为化学，把历史或伦理还原为心理学，或把伦理学还原为决定论的人。”奥本海默和普特南在《作为一个工作假设的科学统一性》中提出了还原论纲领的四个原则：（1）一个很好发展的还原概念，与部分-整体关系的观念是不矛盾的；（2）科学的有秩序的不同分支描述了实在的不同水平，特定水平的事情是有属于较低水平上的简单元素所组成；（3）科学统一性的方案是建立在科学的最基本的水平——物理学之上的；（4）在宇宙的进化过程中，给定水平上的客体相互结合，构成属于较高水平上的整体，时间上较晚出现的事情可以根据时间上较早的事情和过程来解释。

上述“还原论纲领”实际上包含着三种意义上的还原。（1）组成的还原论（或本体论意义上的还原论）：在自然系统中，高层次事物是由低层次事物构成的；（2）解释的还原论（或方法论意义上的还原论）：可以根据较低水平上事物的性质解释和预言较高层次事物的性质；（3）理论的还原论（或学科意义上的还原论）：不同科学分支描述的是实在的不同水平，但最终都可建立在关于实在的最基本水平的科学——物理科学之上。后来的学者，无论支持或反对还原论纲领，基本上都是在这三种意义上使用“还原论”。

“超越还原论”并不等于“打倒还原论”，也不是宣布还原论的“终结”。在过去400年间，还原论对于科学的发展，功不可没。当前和今后的科学发展，仍然需要还原论继续发挥作用。在任何系统中，由于元素间的相互联系和作用，使得元素某些固有的性质被束缚和屏蔽起来了，只有在整体分解才能完全显现出来。要想把系统的结构和功能弄清楚，第一步是把元素的特性认识透彻，然后是考察元素间的相互作用。物理学的两个基本概念是物质和能量。其中，“物质”是对实物和场的研究，“能量”是对相互作用，即事物运动原因的探讨。物理学的还原不仅是对物质的还原，而且是对能量的还原。它把物质的作用力归结为四种基本的力。在物理世界中的物质和能量研究透彻了，物理学的规律就一目了然。对于物理学，还原论是管用的，也是够用的。这是还原论表现十分得意的领域，也是它最为适用的范围。

我们认为，还原论的适用范围是有限的，但是过去对它的批评有不正确和不中肯之处，所以还原论者不服。第一，说人家不要整体论，错了。自行车修理工大都是还原论方法的专家，但是他们首先是整体论者。如果说没有从整体上考虑问题，他们的还原是为了什么，又有哪一项物质工程不是整体上实现和发挥作用的呢？人家的还原论成果，用到了整体论的综合之中。所以，有人说“超越还原论要靠整体论”，错！第二，说还原的过程中，把元素之间的关系简化掉了，特别是略去了其中的非线性关系，既不全面又不中肯。所谓“不全面”是指，不仅元素间的关系，而且有些元素一经还原就不见了，比如把一篇文章从物质的构成角度还原为油墨和纸张，甚至还原为基本粒子和“超弦”，然后我们可以再从“超弦”开始，逐步综合，形成文字及其适当排列，从而建构出当初的那一篇文章吗？所谓“不中肯”是指没有抓住还原过程中给弄丢了的最重要的东西——把元素构造为系统的“程序”和“算法”。我们可以把一篇中文论文还原为若干个汉字，并且将它们按照字典顺序排列整齐，但是文章所表达的含义或意义，作者写作中表现出来的智慧和能力跑到哪里去了呢？这里，根本不是什么线性或非线性的问题（那属于量化与公式表达，仍然在物理-数学应答域中兜圈子），而是逻辑与算法的问题。我们需要还原论；当前和今后，我们更需要“涌现论”。

4.3.2 物质系统整体上的涌现特征

我们考察将大组合系统微观地分析成非耦合或弱耦合实体的模型。在一些模型中，实体是修正了的组分，组分以前的大部分相互作用内化了。在另一些模型中，它们是具有许多组分的有组织行为的集体。这些模型致力于发现实体的特征和行为，一旦获知它们，就可以很容易地集总它们以得出系统特征，因为在一级近似中，实体间的弱耦合可以被忽略。于是我们可以粗略地把在这些模型中的系统看作是其部分之和，尽管这些部分都是特化的，并不同于在其较小对应物中的熟知组分。

并不是所有的现象都可以用模块化进行微观分析。像冷疑和蒸发之类的现象（其中系统的整个结构发生变化），从部分的角度来看就会是完全不清楚的。这儿组分之间的关联太强，太相干，不能被个体模块所掩盖，不管这些模块是什么。在这样的内部联系全面的系统中，对几个组分的轻微扰动可以无阻碍地传播，从而导致系统范围的大变化。因此，这些系统的行为更复杂多变、不稳定和惊人。这通常称为涌现特性与过程。涌现特征是最为有趣也最有争议的，因为它们从理论上最难处理。

（1）涌现性与可解性。

涌现的思想源远流长，柏拉图区分了作为“部分的总和”的整体和作为“来自于部分的实体，但与部分的总和不同”的整体。穆勒区分了由原因的组合所生成的两种混合物。在第一个中，以力的力学组合为例来说明，各个分量原因的总结果等同于它们的独自结果之和。在第二个中，以化学反应为例来说明，总原因的结果与各个分原因是异质的（heterogeneous），需要它自己的刻画。他引用了氧与氢结合成水的例子：“氧与氢的性质在它们的化合物水中一点都没有体现。”“没有任何分别关于氧和氢的试验，没有任何对它们的规律的了解，能使我们推导出它们会产生水。”由两种组分所形成的化合物的性质，后来被称为生成（resultant）与涌现（emergent）。穆勒的叙述提出了涌现的三个判据：首先，一个整体的涌现特征不是其部分的特征之和；第二，涌现特征的种类与组分特征的种类完全不同；第三，涌现特征不能由独自考察组分的行为中推导或预测出来。

许多哲学家说针对第三个判据，认为涌现是微观还原论的对立面。它们定义一个组合系统的特征相对于理论是涌现的，如果其发生不能依靠理论由组分的属性和关系所推出。涌现的这个逻辑定义似乎太宽松和任意了。微观还原论纯粹自下而上的演绎很少在有任何复杂性的实际系统的理论中成功。如果只要我们诉诸综合微观分析的自上而下观点或者设置附加的条件和假设，就会出现涌现，那么涌现性质就太多了。更糟糕的是，一个特征会在一些理论中是涌现的，而在其他理论中却不是，因为理论之间在力量和普遍性上有所不同。一些特征会失去其涌现状态，仅仅因为我们发展了有力的工具（诸如计算机）。这么易变的特征并不值得注意。为了使涌现不依赖于特定的理论，一些人建议涌现特征不能由组分在理想化的完全科学中的理想化完全知识推出。这个定义太投机，太不现实，因为它依赖于科学的理想极限，而后者本身是很有争议的。它使当前关于涌现的归因变得任意，因为我们不知道完全科学的实质细节，而想猜透未来的科学则是一种蛮干。

一些人把可演绎性判据推到极致，把可预测性等同于可解释性，把涌现特征看作不可解释的、神秘的。这种观点在20世纪20年代在涌现进化主义学说中流行，这种学说赋予进化一般神秘的创造力来产生真正的新生命形式。这使涌现有了到今天都没有完全消除的坏名声。只有那些没有实际感觉的人才会把可解释性与可预测性等同起来。任何一个学生都知道偷窥书后的答案对解题有帮助。当然，真正的解题依赖于完成中间的步骤，否则得不出答案。然而答案表明了解决方向，就像灯塔与黑暗中的摸索完全不同。同样，解释比预测更容易，因为预测面对由组合爆炸产生的压倒一切的可能性，而解释知道应该瞄准哪里。解释的优势是有着部分的后见之明。

科学哲学试图过分估计演绎的力量，而对于实验却漠不关心，只给它安排了检验和验证理论假说的工作。实验其实非常重要，它是科学家偷窥答案的方式。通过实验，科学家们从自然中寻求线索来辅助和指导理论化。存在着纯理论创新（像广义相对论），但它们是例外而不是通则。大多数理论，包括狭义相对论和量子力学，都是用来解释在实验中所观察到的令人迷惑的现象。甚至在这些普遍理论已经建立起有力的预测框架以后，物理学家依然没有放弃在实验上的努力。例如，疑聚态物理学既是理论性的也是实验性的。理论帮助实验家设计深刻的实验，实验则产生结果指导理论家的思维。它们共同进化。实验在科学研究中的不可或缺，以及实验经常产生的惊讶，说明自然中存在着许多涌现特征。

因为大尺度组织的复杂性，我们通常不能通过在其组分的信息基础上捣弄几下来预测涌现特征。但是涌现特征并不是不可解释的，即使它们的微观解释并没有提供。一旦在实验中发现和观测到涌现特征，我们可以试图发现其隐含的微观机制。微观解释并不容易，可能需要等待几年或几十年。它们一般包含由于部分的后见之明而变得可能的进似与假定，以及解释演绎预测为什么无效的额外因素。

我们不再强调涌现的可演绎性判据，因为在综合微观分析的框架中它的作用很小。我们主要关注可加性判据和新奇性判据，试图发现在生成特征和涌现特征间的区别，考察我们确实已经有的关于它们的微观解释的理论。

（2）涌现与生成。

涌现不只是极其不同。两个事物可以像天堂和地狱那样不同，但是我们不会将其中任意一个称为涌现特征。涌现来自事物的某些变换。传统上，所考虑的这种变化是组合。在组合系统和它的组分间的不同并不总是有利于系统。系统可以有附加的特征，也可以缺少组分的某些特征。宏观系统往往缺少其量子组分间的相缠结（phase entanglement）。但是根据习俗，只有系统的额外特征才有资格为涌现。

我们广义地把组合系统的特征分类为生成（resultant）与涌现（emergent）。粗略地讲，生成特征与组分的物质内容联系得更紧密，它们包括集总量，诸如质量、能量、力、动量以及由它们所唯一定义的其他量。涌现特征更多属于系统的结构方面，是由系统组分的组织中来的。对于结构和构形的描述可以是非常抽象的，常常需要与物质联系很少的概念。由于这个原因，涌现特征往往显得特殊。大系统更易显现出涌现特征，因为组合爆炸产生了无穷的结构变化，其中的一些可能是令人吃惊的。

组合系统的涌现特征往往被说为是新奇的，新奇是与什么比较而言？如何界定新奇性？为了试图回答这些问题，我们把生成特征的区域撇得远远的，这样涌现特征的群体就会合理地具有唯一性。

涌现与宏观现象的微观解释联系紧密。忽略了组织的中间层次，微观解释可以包含四种描述，其中两种是关于个体组分的，两种是关于系统的。每种描述用其自己特有的特征类型。基本描述用小系统或最小系统中熟知的特征类型和关系类型来描述组分，于是它必须列出大系统中的无数个关系。组分描述用专门化的谓词来吸收大多数关系，更简明地在多体系统内刻画个体组分。组合系统的微观描述用特征类型的形式给出，它的每个量值表现了每个组分的行为和联系。这些特征类型可以从组分特征直接建立起来。宏观描述引入了具有更简单量值的特征类型，并确保了组合系统的统一。例如，气体的一个微观特征类型的值包含了成千上万个数来表示每个分子的动量，宏观特征类型的值就只是表示气体压强的一个数。

涌现特征通常出现于宏观描述，因为我们要求可以用它们自身的术语简洁地予以描述。这就是为何人们经常说生物体具有涌现特征而时钟却没有。一个有着互锁齿轮和弹簧的装置的特征明显与它的组分相当不同。但是当要求描述它时，我们发现自己是在用微观描述来反映组分的相对运动。装置本身似乎缺乏自己的特征，只有当我们承认它是一个时钟时，它才从散漫的微观描述中涌现出来。时钟的重要性来自其用途，这是包含在有目的行为的更宽泛语境之中的。在从用途和目的角度抽象出来的理论语境中，这个装置难以独立于其组分而被描述。反之，我们容易描述生物体的出生和死亡、成长和繁殖，这与组成它的分子是不同的。这些独立的谓词赋予系统自己的个性。

在宏观描述中涌现特征类型的新奇性通常是由与基本描述中的特征类型相比较而判别出的，这对于大小系统都一样。我们将试图尽可能严格地给出关于新奇性的判据。

当我们说一个系统的涌现特征与其组分的特征不仅有定量而且有定性区别时，定量有着比数额或大小更为一般的含义。每个属性都有一个典型方面和一个特定方面，称作其类型和量值。我们将把在量值上的不同称为定量的（quantitative），在类型上的差别称为定性的（qualitative）.红和绿是颜色的量值。有着不同颜色的东西是定量不同的。从原子角度它们是定性不同的，这时颜色的特征类型并没有用处。把一个错误的量值归属于一个个体是谬误（error），归属于错误的类型则是谬论或悖论（parabox）。一个特征类型是某种赋值规则，可以覆盖广阔的领域。类型既然是规则，它的量值就彼此系统地联系在一起了。这种规则和联系在量值用数字表示时最为明显。即使在别的表示中它们不太明显时，概念关系在具有同样特征类型的现象中仍可以得到不言而喻的理解。一个化合物的生成特性保持了与其组分相同的特征类型，而潜藏着的概念关系使得生成特性成为“可预期的”。与之相比，涌现性质的特征类型与组分不同，因此涌现性质被说成是“新奇的”、“不可预见的”。

理论科学中定义的特征类型的范围往往非常广泛；类型的一般性对于科学的效力贡献很大。当我们考虑酸性或氧化数这样一些类型，我们意识到许多化合物之间的区别在我们的宽泛意义上是定性的。例如，两个氢原子与一个氧原子结合成一个水分子在化学性质上是一种定量变化，这使得水分子是生成的。（注意我们是在分子水平上讨论，当氢气与氧气变成液态水时就不能这样说了，穆勒心理可能这么认为。）

对于涌现，类型的差别仍是一个过于宽松的判据，因为一些特征类型有可能展现一定的亲和力，不管是在概念上还是描述上。在大系统中，组分可能急剧改变它们的特征。然而，在基本描述和组分描述中特征类型间的概念关系是直截了当的，物理学中的绝热连续性原理已经证明这一点。这两类特征类型往往包含了以不同方式相联系的相同概念。于是我们可以扩展定量差别的范围以包含它们。例如，我们可以把普遍的能量一波矢关系变为高级类型（superordinate type），它的一个量值就是一个特定的能量--波矢关系。这样的高级类型在科学理论中并不罕见，那儿许多特征类型的量值都是有可变内在结构的复杂物体。如果在一组特征类型间的概念关系证明了引入高级类型的必要性，那么这些特征就是定量相似的。化合物的性质在同样的高级类型下减少，因为其组分性质是生成的。

现在转向可加性判据。宏观描述中可以用组分行为的加总或平均来定义的特征类型通常是生成的。固体的大部分光学性质、电传导性质或热传导性质是集总特征，如果“组分”的概念被推广到包括适当的集体激发。例如，固体的吸收光谱来自电磁辐射与每个电子和声子的耦合。一种物质是透明的，如果在可见光范围内不吸收辐射。在计算吸收光谱时，声子被看成系统分析中的一种独立个体。因此正式地说，固体的光学性质是它所合适定义的“部分”的光学性质之和。固体的通常电传导性和热传导性被类似地确定。如果我们忽略声子和其他集体所可能有的任何涌现特征，我们就可以称这些光学和传导特性是生成的。

集总和平均产生了生成特性，它们只有当组分是弱耦合时才有可能。这意味着在一级近似中会用到某些独立个体模型，加总到一起的组分特征使许多关系内化。独立个体近似包含了很多理论的机动。它的一个精致形式包含了个体对其有响应的自洽的确定局势。这种近似是有力的，应用非常广泛。独立个体模型和考虑了个体间剩余相互作用后的各种修正结合起来，使我们可以定义高级类型，它极大地扩展了生成特征的领域。把特征的平衡称为涌现是合理的。因此，我们建议只把那些在独立个体模型及其修正中没有满意的微观解释的宏观特征类型称为涌现。涌现的思想可以推广到包含非线性动力学。非线性与线性相对立。线性系统的运动可以作为某些标准运动的加总和叠加来分析。例如，一根小提琴弦的线性（简谐）振动可以分解为其简正模的叠加。这里简正模类似于无耦合的个体部分，叠加原理类似于部分的集总，而线性系统则具有生成行为。叠加原理是线性系统可解性的关键。对非线性系统它并不成立。非线性导致了确定性系统的混沌和不可预测行为。依据前面的判据，这些行为是涌现的。

在组分的行为高度一致和相关的系统中，独立个体近似不再适用。非线性系统中叠加原理不成立。在这样的系统中，谈论部分的个体特征是没有什么意义的，因为它与其他部分的行为联接的如此紧密。需要更为整体的处理系统的方法。整体论语境传统上是与涌现思想紧密相联的。

总而言之，一个组合系统的宏观特征是生成的，如果它满足两个判据：首先，它与组分的特征定性相似，和组分特征属于同样的特征类型或高级类型；其次，它的微观解释可以通过把系统近似微观分析为具有不同特征的独立部分而给出，于是系统就是部分特征的加总或平均，这里微观分析包括独立个体模型、叠加原理以及其他可行手段。不是生成的特征就是涌现。为了给出生成特征的最大范围，第二个判据中的“部分”是在最宽泛意义上理解的，是独立可描述的单元，不一定有空间的个体性。它是旨在发现一类特定系统中不相连或弱耦合单元的微观分析的结果。它的特征通常吸收了绝大部分基本关系，与基本描述中的特征不同，但这几年来两类特征在高级特征类型下是可关联的。

基于把系统微观分析为不同部分的可行性的涌现特征和生成特征之间的差别不是很大。独立个体近似在解决多体问题时经常被首先尝试，在一些复杂例子中它也是唯一可解的方法。然而，在这些例子中，近似的缺点也是明显的。科学家们对于模型相对某些现象的适宜性通常有一种感觉和粗略，甚至当他们由于专业困难而被困住时。于是，那些独立个体模型被公认为不能给出满意解释（即使这些模型是当前唯一可提供的）的现象，应该被看作是涌现。

生成和涌现之间的差别主要针对特征，尽管人们有时称显示出显著涌现特征的实体为涌现。一切组合系统都有一些生成特征。在涌现特征的微观分析中生成特征往往起关键作用，因为它们自身的微观机制是相当清楚的，而且它们在宏观层次上与涌现特征有因果关系。例如在统计力学中，在微观态和宏观态间架起了桥梁的系综定义，就是在生成特征基础上建立的。

4.3.3 理论信息学方法：信息涌现论

（1）累加性与构成性：还原论与涌现论。

贝塔朗非把事物的整体特性分为两种：累加性（加和性）和构成性（非加和性）。一般地说，系统的物质特性是可以累加的，只需要把各个部分的特性累加起来就可以得到整体的特性。比如，系统整体的重量肯定等于各个部分重量的总和。通常，系统的结构特性或信息特性不具有累加性，整体的特性依赖于部分之间的特定关系。比如，材质和重量相同的锁，可以需要不同的钥匙才能打开；同样的词语构成的句子，因为标点符号不同，其意思可以大不相同，甚至可能截然相反。具有加和性的系统通常是可以还原的；而具有构成性的系统则大都不可以还原，或者说还原论方法的使用是受限制的。所以，可以把系统的累加性称之为可还原性，而把构成性称之为不可还原性。被人们当作口头禅的“整体大于部分之和”就是（也只是）针对不可还原性而言的。

系统的不可还原性在自然界，特别是生命、社会、思维领域中普遍存在着。诸多部分一旦按照某种方式构成系统，就会产生出系统整体具有而部分或部分总和所不具有的属性、特征、行为、功能等，一旦把整体还原为互不相干的各部分，这些属性、特征、行为、功能等，便不复存在。这种整体具有而部分不具有的东西（或性质）就叫做“涌现性”（Emergent Property），或简称为“涌现”（Emergence）。能对于还原论真正起到修正和补充作用的方法，不是整体论，而是涌现论，或关于涌现的科学方法论。

（2）物质涌现论与信息涌现论。

涌现论的核心概念和观点是物质元素和信息元素构成系统的“结构模型”。这里的结构，包括硬件结构和软件结构，可以是空间结构、时间结构，还可以是逻辑结构、算法结构。为了讨论的方便，我们称关于物质结构造成涌现的理论为物质涌现论，而关于信息结构造成涌现的理论为信息涌现论。前者讨论具体系统的物质结构如何涌现出新的物质属性、特征、行为和功能，而后者讨论抽象系统的信息结构如何涌现出新的信息属性、特征、行为和功能。

在物理世界，物质的结构模型是决定系统特性的关键因素。比如，碳元素的排列方式不同，可以导致石墨、金刚石等完全不同的物质形态和特征。在信息世界，通信、控制、计算过程的成败与效率，无一例外地依靠系统元素组成整体的结构模型，其中包括硬件结构模型，但主要是软件结构模型。

在关注系统结构特征的同时，我们还要注意系统的动力学特征。在物质系统中，物质的存储、传送、加工过程与物理学能量的存储、传输、转换、放大、作功过程是联系在一起的，换言之，物质的运动与能量的运动是密不可分的。在信息系统中，信息的存储、传送、加工、新信息的创造，都是与不同形式的信息能的存储、传输、转换、放大、作功联系在一起的，我们必须把信息和信息能的运动结合起来讨论。

（3）信息涌现论的基本思想：信息元素的语义结构和信息能的动力机制。

如李建珊所说，思想模型同科学概念和科学符号一样，是科学抽象的成果；“思想模型是人们为了便于科学研究而建立的对原型高度抽象化的思想客体或思想事物，如原子模型、DNA双螺旋结构模型、板块构造模型、大气环流模型等。广义地说，数学模型也属于思想模型。”物质科学的思想模型与信息科学的思想模型具有不同的功能。信息科学的思想模型不是用来模拟和描述物质过程的，而是用来模拟和描述信息过程，它是人们用来指导“思想”的模型，也是最一般的信息过程模型。

信息科学达到实证目标的主要方法就是信息涌现论，即在观察、实验、假设、推理中探讨信息系统新的性质得以涌现的模式或模型。研究信息过程模型就是要研究它的结构特点和动力学原理。如此，才能抓住系统中新的信息属性、特征、行为和功能得以涌现的机理。所以，关注信息系统元素的语义结构和信息能工作的动力机制是信息涌现论的基本思想。比如，关于计算系统的讨论，我们所注意的就是：①参与计算的“元素”（信号或符号）；②元素之间构成的“结构”，或它们之间的语义关系；③实现计算（或符号变换、信号变换）的“规则”。一旦这个系统“启动”，它就按照规则运行，直到“停止”。图灵和冯·诺依曼正是围绕计算系统提出了各具特色的信息元素、结构和规则，所以才能“涌现”出一个图灵机和一个冯·诺依曼计算机。

在一般的意义上，通信和控制都可以看成是“计算”一种形式，它们也需要关于元素、结构和规则的讨论。实际上，在任何一个信息类的学科中，都有它自己独特的“思想模型”，独特的信息涌现论。这些关于信息结构和信息能工作的模型常常成为该学科全部知识的基础和核心。关于这些结构模型的基本概念、原理和方法就成为该学科的基本理论，甚至成为该学科专家们共同的观念和信仰，它也就是该学科的“范式”。整个信息科学所共有的基本范式，就叫做信息科学范式。

李宗荣摘录自他的《理论信息学概论》，2020-05-08．

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