信息的存儲與傳遞

1948年,數學家香農在題為"通訊的數學理論"的論文中指出:"

信息是用來消除隨機不定性的東西"。創建一切宇宙萬物的最基本萬能單位是信息。從此人類進入了信息文明的社會形態。

信息量的大小跟事情不確定性的變化有關。消除的不確定性越多,信息量就越大。消除的不確定性越少,信息量就越多,就是廢話或垃圾信息越多。

熱力學上的熵表示的是系統混亂程度的度量,熵越大系統越混亂,熱力學熵有一個熵增原理,也就是說宇宙的熵是越來越大的。

信息學上的信息熵表示的是信息的確定性程度的度量,信息熵越大確定性就越多,如果對照熵增原理,系統也是具有信息熵增原理也就是系統是趨向確定性的(這是本人的一個假設)。

人類第一次認識到宇宙是由信息組成。人通過獲得、識別自然界和社會的不同信息來區別不同事物,得以認識和改造世界。在一切通訊和控制系統中,信息是一種普遍聯繫的形式。

宇宙從誕生開始就是不同信息的作用,但是沒有人類以前,信息處於無觀察者狀態,信息只是客觀事物的一種屬性,客觀事物變化或者消亡都會導致信息丟失,不能保存。只有經過人類的觀察,人類將獲取的信息壓縮,整理,有序化,成為可以識別和傳播的信息,宇宙信息才得以更長久的保存下來。從這個角度來看,人類(或其他智慧生物)確實是特殊的系統,具有信息的空間上更遠和時間更長久的傳遞屬性。

狹義上,信息就是符號的排列的順序。但作為一個概念,訊息的定義呈現出多定義而又無定義的局面。一般來說,與訊息這一概念密切相關的概念包括約束(constraint)、溝通(communication)、控制、數據、形式、指令、知識、含義、精神刺激、模式、感知以及表達。信息是人們在適應外部世界並使這種適應反作用於外部世界過程中,同外部世界進行互相交換的內容和名稱。

文字、圖形、圖像、聲音、影視和動畫等不是信息,而文字、圖形、圖像、聲音、影視和動畫等承載的內容才是信息。

信息是指運動變化的客觀事物所蘊含的內容。信息只是客觀事物的一種屬性。

信息也是一種資源,具有使用價值。信息傳播的面積越廣,使用信息的人越多,信息的價值和作用會越大。信息在複製、傳遞、共享的過程中,可以不斷地重複產生副本。但是,信息本身並不會減少,也不會被消耗掉。

隨著事物的發展與變化,信息的可利用價值也會相應地發生變化。信息隨著時間的推移,可能會失去其使用價值,可能就是無效的信息了。這就要求人們必須及時獲取信息、利用信息,這樣才能體現信息的價值。

通過信息的存儲,可以實現信息在時間上的傳遞。

通過信息的傳遞,可以實現信息在空間上的傳遞。

本文主要介紹的就是信息的存儲和傳遞,從中瞭解信息的發展。

信息熵

下文以信息熵為標度表示信息的存儲量大小。

信息的存儲與傳遞

信息熵公式

信息熵就是平均而言發生一個事件我們得到的信息量大小。所以數學上,信息熵其實是信息量的期望。

1930年左右申農和霍夫曼等科學家提出了信息熵理論和方法,基本定理是:在一種非擴展的無記憶信息源中,字符編碼的長度不能小於信息源的熵。

信息論之父克勞德·香農,總結出了信息熵的三條性質:

單調性,即發生概率越高的事件,其所攜帶的信息熵越低。極端案例就是“太陽從東方升起”,因為為確定事件,所以不攜帶任何信息量。從信息論的角度,認為這句話沒有消除任何不確定性。

非負性,即信息熵不能為負。這個很好理解,因為負的信息,即你得知了某個信息後,卻增加了不確定性是不合邏輯的。

累加性,即多隨機事件同時發生存在的總不確定性的量度是可以表示為各事件不確定性的量度的和。

信息熵簡而言之反映的是信息傳遞過程中的容錯概率,但是它間接地反映了信息傳遞的效率。

信道容量

C = B log2 (1+S/N)

式中:B= 帶寬,單位Hz S/N=信噪比, S是平均信號功率, N是平均噪聲功率(非dB值)

S/N=S/nB, n是噪聲功率譜密度為,(W/Hz)

香農公式描述了:有限帶寬、有隨機熱噪聲、信道的最大傳輸速率 與 信道帶寬信號噪聲功率比之間的關係.

1、香農公式給出了信息傳輸速率的極限,即對於一定的傳輸帶寬(以赫茲為單位)和一定的信噪比,信息傳輸速率的上限就確定了。這個極限是不能夠突破的。要想提高信息的傳輸速率,或者必須設法提高傳輸線路的帶寬,或者必須設法提高所傳信號的信噪比,此外沒有其他任何辦法。至少到現在為止,還沒有聽說有誰能夠突破香農公式給出的信息傳輸速率的極限。 2、香農公式告訴我們,若要得到無限大的信息傳輸速率,只有兩個辦法:要麼使用無限大的傳輸帶寬(這顯然不可能),要麼使信號的信噪比為無限大,即採用沒有噪聲的傳輸信道或使用無限大的發送功率(當然這些也都是不可能的)。

信息學非常複雜,本文就不展開了,有興趣的讀者可以去學習下這方面的知識,這是信息文明的基石,瞭解下沒壞處。

1,信息的存儲方式

存儲媒體的介質包括石頭,泥土,木頭,龜殼,紙,布,絹,膠捲,計算機,CD,VCD,DVD等等,本文主要關注的是信息存儲的方式。另外還有信息存儲的時間限制,按照現有的科學,基本上信息存儲的方式越原始時間越久,這真是上帝(如果有)對人類智慧的最大諷刺了。

信息存儲的原則:只有正確的捨棄信息,才能正確使用信息。

信息要經過捨棄,加工整理而不失真,才能讓人類更好的使用信息。無用的信息在信息學上稱為噪聲,物理學上稱為混沌,無序狀態。

圖像信息

原始文明的人類將信息以圖像的形式存儲下來,主要是通過壁畫來表現,主要以寫實為主。後來圖像發展成為繪畫藝術,包含的信息也越來越多,基本分為抽象派和寫實派。

人們將圖像信息以一元灰度熵和二維熵來表示信息熵。

信息的存儲與傳遞

一元灰度熵


信息的存儲與傳遞

圖像的二維熵

結繩信息

信息的存儲與傳遞

各種繩結

原始文明最早的記錄信息的方式,它發生在語言產生以後、文字出現之前的漫長年代裡。可以稱為文字的起源。

從顏色上,人類至少可以用七種色彩以及黑白兩色,共九種顏色賦予其涵義。

從材質上,繩子可以用動物毛線繩,樹皮繩,草繩,麻繩等等,各種材質的繩子,有幾十種類別。

從粗細上,最少能夠分成粗,中,細,三種不同規格的繩子。

從經緯上,有橫向繩子,也有縱向繩子,有主繩,也有支繩。

上述,就能構成最基本的幾百個繩結詞彙,組合起來能夠進行完整有效的記載。

《易.繫辭下》:"上古結繩而治,後世聖人易之以書契。”

但結繩記事最大的問題,就是表達繁瑣和麻煩,編制需要時間,而保存也非常困難,能夠表達的意思又實在有限,相對於甲骨文都顯得過於臃腫繁瑣,所以最終被淘汰掉。不過這並不能說明這一種古老的記錄方式毫無用處,甚至有可能所謂的"八卦"就是結繩記事演變而來,一個結代表"陽",兩個靠近的結代表"陰",摒棄繁瑣的各種材料和顏色,單純只用繩結來表達意思。不過這種方式或許的確不如甲骨文之類實用,最終演變成一門玄學。

占卜信息

隨著人類的活動越來越複雜,需要存儲的信息也需要越來越多,需要新的存儲方式。

特別是原始文明的祭祀活動,需要記載占卜結果,於是使用了保存時間更長的龜殼或牛胛骨(以中國的原始文明為例)上來記錄信息,於是甲骨文發明了出來。這是中華文明最古老的文字,當時應該只有祭祀才能使用。這種文字距今已三千多年,至今發現的甲骨有十萬片以上,文字約四千五百個,為學者所識者有三分之一。其基本字形結構與後世漢字相一致,是漢字的較早書體。甲骨文和公文一樣,有一定的格式。內容大概是祭事、田獵、風雨、戰爭、疾病之類。”甲骨文中的“易”字的下面就是結繩子的意思,這可能表示文字來源於結繩記事,《易經》來源於占卜活動。

中華文明正是以《易經》來記錄還傳承文明,春秋時期又分成了道學和儒學,漢朝發展成了道教和儒教。

信息的存儲與傳遞

甲骨文

公元前3400年,美索不達米亞平原上的蘇美爾人就開始使用會意符號——-楔形文字。一 開始,它們主要被刻劃在泥板上,也被叫做泥板書。在蘇美爾時代的晚期,平原上的書吏們記錄了大量的故事、史詩、神話、聖歌、格言、論辯等等,也留下了不少王室銘文,比如佈告、軍事行為記錄、民事行為記錄等等。學者們認為,此時的記錄首先與神廟相關。

信息的存儲與傳遞

蘇美爾文字

公元前2600年前後,埃及已經有了象形文字,古埃及人用紙莎草寫字。埃及所有對神祇和逝者的祭儀都是以法老的名義進行的。在整個古代埃及史中,公用建築和神廟浮雕中描繪了大量的法老:擊敗敵人,接受神祇的賜福、主持獻祭為主的祭儀等等。

信息的存儲與傳遞

古埃及文字

約公元前2500-1750年(部分地區從公元前2200年-前1700年),在印度的印度-恆河地區發展出的哈拉巴文化出土了大量的印章,其中有少量文字,但尚無法解讀。古印度人在印章、樹葉、樹皮上刻字。

信息的存儲與傳遞

哈拉巴文化的印章

文字信息

語言是人類最重要的交際工具,它是以語音為物質外殼,以詞彙為建築材料,以語法為結構規律而構成的體系。世界語言十分複雜,專家估計大要有5000-7000種。但是我們應該注意到各國的學者所統計的結論是相差懸殊的,其說法也極不一致。一種語言基本就代表了一種文明,語言消亡了,通過該語言代代相傳的文化、知識就會消失。人類多樣性文化的生存、延續和發展依賴於語言的多樣性。

語言信息成熟以後,因為人類社會的需要,人類發明了對應的文字來存儲信息。

世界上的文字類型主要有表形文字、表意文字、表音文字,它們大體標誌著文字發展的三個不同階段。就文字的發展規律和文字的功能來看,表音文字是文字發展的趨勢。表音文字又叫字母表文字、拼音文字,使用少量的字母記錄語言中的語音,從而記錄聲語言,在數量上便於學習和使用,方便排序,具有客觀可操作性。世界上大多數國家的文字都是表音文字。表音文字可包括音節文字、音素文字(或稱音位文字)等類型。

另外還有一種表義文字,直接用字形來表示字義,這是一種理論上的文字。這種文字與表音文字相對立,但是人類都是用聲音來交流,所以全球還不存在這種文字,屬於外星人語言。

文字的構成主要有象形、指事、會意、形聲四種。

語言的分類:第一是類型分類法,也稱“形態分類法”。根據語言語法的特點,將世界語言分為若干類型。如以詞的構造為主要標準,將人類語言分為詞根語、粘著語、屈折語和多式綜合語等;或按語法意義的主要表達方式分成分析語、綜合語等。這種分類有助於瞭解語言的結構,但不能概括世界語言的多樣性,也沒有和語言的歷史比較起來研究。

第二是譜系分類法,也稱“發生學分類法”。按語言的共同來源,按語言親屬關係的遠近,把世界的語言分為不同的語系、語族和語支。

信息的存儲與傳遞

世界七大語系

奴隸文明或稱青銅文明開始文字越來越成熟,中華文明以金文信息的存儲方式。相比甲骨文,金文可以表達更多的信息,描述更多的人類活動。

金文是指鑄造在殷周青銅器上的銘文,也叫鐘鼎文。中國在夏代就已進入青銅時代,銅的冶煉和銅器的製造技術十分發達。因為周朝把銅也叫金,所以銅器上的銘文就叫作"金文"或"吉金文字";又因為這類銅器以鐘鼎上的字數最多,所以過去又叫作"鐘鼎文"。

信息的存儲與傳遞

金文

周滅商以後,商王朝鑄造青銅器的工匠相繼歸周。周人繼承了商人的金文書法,使之發展成具有獨特風格的金文書法藝術。金文應用的年代,上自西周早期,下至秦滅六國,約800多年。金文的字數,據容庚《金文編》記載,共計3722個, 其中可以識別的字有2420個。

金文的內容是關於當時祀典、賜命、詔書、征戰、圍獵、盟約等活動或事件的記錄,都反映了當時的社會生活。

金文字體整齊遒麗,古樸厚重,和甲骨文相比, 脫去板滯,變化多樣,更加豐富了。

中華文明的文字演變:甲骨文(商)→金文(周)→小篆(秦)→隸書(漢)→楷書(魏晉)→行書(魏晉)→草書(唐宋) →簡體字(中國)。

按現代語言學分類,中文屬於表意文字,是地球上使用時間最長,人數最多,仍在廣泛使用的表意文字,與世界大部分國家使用的表音文字不同,至於哪一種文字更好,學界還沒有定論。本人認為漢字在未來的發展前景比表音文字,理由很多,主要有兩點:

1,漢字承載了中國的歷史和文化,代表了中華五千年的歷史。沒有了中文就沒有了中華文明。其實漢字的發展也代表了人類從原始文明到青銅時代,農耕文明,到工業文明的發展歷史,為未來的人類追尋和研究人類的發展留下了寶貴的資料。特別是進入太空文明以後,人類將再次四分五裂,表達信息的方式將不再侷限在聲音,一個統一的文字來表達和存儲信息將是未來太空人類大統一的文化基礎。漢字將是唯一能夠幫助人類破解語音起源的鑰匙,同時也是唯一能夠幫助人類破解文字起源和思維起源的鑰匙,必將為人類正式打開智能時代的大門!

2,漢字主需要很少的字就可以表達大量的信息。漢字總共有4萬多個,但是大部分人只需要認識3000千個就可以了(建國初期簡化,去除了很多的文字),而且可以閱讀從周朝開始差不多3000多年的信息。雖然現在全球使用表音文字的人更多,但是表音文字也分成了很多種,並且互相不能傳輸信息。

而表音文字在農耕文明還有一定的優勢,就是基礎音(如英語只有26個字母)簡單,學習和傳播都比表意文字快速,但是進入工業文明以後,人類需要表達的信息越來越複雜,必須新造詞語來表示新的信息,特別是資本文明,信息文明的信息大爆炸,使英語的單詞量增長了10倍不止,大概有17萬到100萬不等,而英語專業本科畢業應掌握6,000以上單詞,英語專業研究生畢業應掌握8,000以上單詞,專家的詞彙量達到12,000左右,主要是隔行如隔山,每個領域的專家掌握的單詞都不一樣的,你要跨領域學習將非常難。但是中文就很容易了,3000個字基本上可以看任何專業的書籍,雖然專業詞語不懂,但是基本可以猜出大概的意思來。如果文明繼續發展,可以想象表音文字與表意文字的單詞數量的差距將越來越大,那麼在學習,交流,傳播,存儲的過程中肯定是表意文字更簡單,方便。當然漢字的缺點是方言太多,同樣的文字不同的地方有不同的讀音,這大概是秦始皇統一天下以後,執行“書同文,車同軌”,但是沒有執行字同音的結果,直到新中國建立以後才開始執行,將來也會將各地的方言統一成為普通話的。

還有一個就是表音文字的語法變化極大,同樣是英文,現代的語法和幾百年前的語法就發生了極大的改變。基本上真正英國人本族的詞彙(古日耳曼語詞彙)被拋棄了太多。如今英語百分之八十以上的詞彙來自法語,還有間接或直接來自拉丁語,希臘語。用現代英語已經不能讀取幾百年前的信息了,可以想象幾千年以後信息失真將更嚴重。這都是表音文字的無法解決的缺陷。

表意文字的最大缺陷就是初學太難了,表音文字初學就比較簡單,所以在推廣上比表意文字更利於被人們接受,特別是農耕文明的大部分人類都不識字的情況下。

信息的存儲與傳遞

全球語言學習難易排名

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表音文字

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表意文字


全球主要的語言:1英語 ,2漢語,3 德語 4 法語 5 俄語 6 西班牙語 7 日語 8 阿拉伯語 9 韓語(朝鮮語) 10 葡萄牙語。

信息的存儲與傳遞

全球語言使用人數


信息的存儲與傳遞

全球第二語言使用人數

計算文字效率的基本公式是:H=-log2(P),H 為信息熵的值(或叫信息量),單位是比特(bit)。

在這基點上,根據資料:

英文的平均信息熵是 4.03 比特,

法文的平均信息熵是3.98,

西班牙文的是 4.01,

德文的是 4.10,

俄文的是 4.8,

而中文的平均信息熵是 9.65比特

核糖核苷酸信息

信息的存儲與傳遞

DNA和RNA

生物的信息就是以DNA(脫氧核糖核苷酸)和RNA(核糖核酸)的形式存儲的。這些信息包含了從單個的脫氧核苷酸(四種)到組成較短的DNA的歷史,環境的改變信息,生物體的進化歷史,如果說文明信息是用文字來存儲,生物信息則是用DNA來存儲的。直到現代人類還不能解讀DNA信息,人類連DNA的千分之一信息都沒解讀出來。21世紀是生物工程的世紀,DNA的信息等著人類來解開。

數學信息

數學在人類歷史很早就開始使用,但是主要是來自於人類的生產活動,對數學的研究主要還是從阿拉伯字母普及以後開始的,因為0的使用,數學從實用向抽象發展起來。

現代科學如果要進行量變研究就需要使用數學,特別是物理學對宇宙規則的表達和變化基本上完全依靠數學來表達。甚至有學者認為,宇宙就是由數學構成的。

但是數學信息噪聲很多,只有結合物理學才能獲取描述真實宇宙的信息。

有一種觀點認為,數學獲取的是多元宇宙的信息,而物理學獲取的是人類生存的這個宇宙的信息。因為多元宇宙幾乎是無限的,所以才會有那麼多看起來是噪聲的信息,只有使用物理學才能找到無限宇宙中人類宇宙的信息,而只有物理學的才能消除不確定性的信息,獲得一個確定性的信息。這也正是物理學與數學結合的如此緊密的原因。

牛頓力學使用的是微積分。

相對論使用的黎曼幾何。

量子力學使用的是概率論,重整化,群論。

超弦理論使用的是拓撲幾何。

這是當今最前沿的物理學,都需要使用新的數學,而如今物理學進入了發展的瓶頸,因為需要的數學還沒有發現。

計算機,經濟學,生物學等科學都開始使用數學來進行量化分析,甚至有學者認為沒有使用數學的科學都不算真正的完善的科學。

只有通過數學計算獲取的信息才是真正的信息,才能消除不確定性,也能獲得更多人的認同。

哲學是科學中最早的,但是使用的數學也最少,所以爭議也是最大的。每一個哲學觀點,正的反的都有道理,但是又不能得到所以人的認同。如果天使與惡魔同在,問題是上帝在哪裡呢?如果哲學爭論這麼多,又能消除什麼不確定性呢?又能提供什麼確定性呢?這是每一個人獲取哲學信息以後需要思考的問題。哲學還是需要和數學結合才能獲取更多的確定性。

有人認為,世界上就兩個學科,數學和哲學,你問我他們什麼關係?他們構成了整個學術界!這是將數學與哲學基本獨立了起來。

磁存儲信息

信息的存儲與傳遞

磁頭記錄信息


信息的存儲與傳遞

磁頭讀取信息

通過驅動磁頭在介質上創建顛倒的磁通量來記錄數據。從介質讀取信息時,磁頭就成磁通變換區的探測器,可以在通過變換區時產生電壓脈衝。沒有發生轉變的區域則不會出現脈衝。

寫入時,磁頭線圈上加電,在周圍產生磁場,磁化其下的磁性材料;電流的方向不同,所以磁場的方向也不同,可以表示 0 和 1 的區別。讀取時,磁頭線圈切割磁場線產生感應電流,磁性材料的磁場方向不同,所以產生的感應電流方向也不同。

磁記錄技術從1898年誕生,已經跨越了一個多世紀。隨著各方面技術的不斷髮展,到目前為止,使用熱輔助磁記錄技術的硬盤磁頭產品,最高可支持每平方英寸2.5Tb的存儲密度。東芝公司宣佈已經在圖案化介質技術獲得了突破,不久將實現每平方英寸5Tb的存儲密度,磁記錄技術迄今依然是最重要的記錄技術。

用電磁相互轉化的原理記錄信息的方式正是信息文明的標誌。

磁存儲的常見介質有磁帶,硬盤,CD,VCD,DVD,EDVD等。從能否寫入的角度分為RAM(隨機存取存儲器)和ROM(只讀存儲器)。按斷電後信息的可保存性分類為非易失(不揮發)性存儲器(信息可一直保留, 不需電源維持)和易失(揮發)性存儲器。

磁存儲的優點是價格便宜,使用方便,存儲量大。缺點是需要使用對應的讀取工具,理論上最長的保存時間只有50年,一般也就10年,相對來說保存時間太短了,信息容易丟失。

雲存儲信息

雲存儲 是在雲計算(cloud computing)概念上延伸和發展出來的一個新的概念,是一種新興的網絡存儲技術, 是指通過集群應用、網絡技術或分佈式文件系統等功能,將網絡中大量各種不同類型的存儲設備通過應用軟件集合起來協同工作,共同對外提供數據存儲和業務訪問功能的系統。

雲存儲基本上解決了信息存儲的時間問題,理論上只要雲存儲服務器還在,數據就永遠不會丟失。但是因為存儲信息的開支太大,而云服務商的收入太低,大部分都倒閉了。所以雲存儲最大的風險就是雲服務商。

量子存儲信息

這是一種未來可能的存儲技術,因為量子比特可以同時處在多個狀態,也就是一個量子態可以存儲更多的信息。

量子存儲技術是在處理量子信息和通信時,與處理量子信息的量子邏輯門一起,被認為是儲藏、變換、及控制量子信息的核心技術。

全息存儲信息

利用全息照相的技術原理來實現數據記錄的。最大優點是超高密度,不僅如此,全息存儲還具有極大的提升潛力,只要控制芯片具有足夠強的數據處理能力,全息存儲技術甚至可以提供高達1000TB的容量。相比之下,目前硬盤的最大容量才6TB,這個容量只相當於全息存儲的"立方體糖塊"的一個小碎片所提供的存儲能力。

由於全息存儲器是以頁作為讀寫單位,不同頁面的數據可以同時並行讀寫,理論其存儲速度將相當迅速。業界普遍估計,未來全息存儲可以實現1GB/s的傳輸速度,以及小於1毫秒的隨機訪問時間!

全息存儲幾乎可以永久保存數據,在切斷電能供應的條件下,數據可在感光介質中保存數百年之久,這一點也遠優於硬盤。

全息存儲包含了信息存儲的所有需要,容量大,傳遞速度快,保存時間長。

全息技術包括全息信息存儲和全息信息的顯像,存儲是比較現實的應用,唯一的問題就是存儲的價格和讀取設備的價格。顯像就比較科幻了,在很多科幻電影中都有這樣的應用場景,可惜現實中因為芯片,數據傳輸速度限制,還很難實現,更不用說推向民用階段了。

甚至有科學家提出了宇宙全息論的假設。著名量子物理學家戴維·玻姆(David Joseph Bohm)在《整體性與隱纏序--卷展中的宇宙與意識》一書中提及,由諾貝爾得主、荷蘭烏得勒支大學的G·霍夫特於1993年正式提出,並得到了雷納德·薩斯金的進一步闡述。宇宙全息論的基本原理是:從潛顯信息總和上看,任一部分都包含著整體的全部信息。也就是說,一個量子實際上記錄了宇宙從誕生到現在的所有信息。如果這是真的,可以認為這是終極的存儲技術了。而且這個理論隱含了人類永生的可能,因為每一個人的信息都被記錄下來了,只要有一種讀取工具就可以復活任何人,這真是一個夢想的理論,希望科學家早日製造出這種讀寫宇宙全息信息的工具來吧。

2,信息的傳遞

人類在觀察宇宙的過程中,是慢慢整理出宇宙的規則,使用越來越小的信息熵來描述宇宙中越來越多的規則和現象,也就是說消除了越來越多的不確定性。

宇宙中存在各種信息,信息也在宇宙中傳遞,一般人類是使用光子攜帶的信息,未來人類可能可以獲取其他微觀粒子攜帶的信息,比如引力子,中微子,希格斯子等。也可以獲取場攜帶的信息,比如引力場,希格斯場等。

還是現實點,談談人類現實中使用的信息傳遞的方式。

聲信息

聲信息的特點有:多方位性,接受者不一定要面向信源,聲音可以繞過障礙物;同步性,發出聲音信號時,動物的四肢軀幹亦可發出信息;瞬時性,聲信息可在一瞬間發出,也可在一瞬間停止;多變量,聲音有許多變量,包括強度、頻率、音質等,每個變量都可以提供一些信息,因此聲音信息的容量很大。

按進化論,人類是從猿猴進化的,自然界中的動物一般是使用聲音來傳遞信息。這與地球的大氣有關,聲音是通過空氣來傳播的,速度達到340米/秒,而且不管白天黑夜都可以傳遞信息。唯一的問題是聲音的能量衰減太快,幾百米就開始信息模糊了,如果遇到障礙還會被反射,導致信息丟失。但是遠古人類群落生存的環境範圍比較小,基本可以滿足日常傳遞信息的需要。所以大部分動物都使用聲音來傳遞信息。人類更是通過聲音的變化來傳遞更加複雜的信息,隨著人類活動的範圍擴大,成員增加,活動更復雜,需要表達的信息越來越多,於是人類的聲音變化也越來越多,語言也越來越複雜,人類的進化與語言的進化應該是一個循序漸進,共同進化的過程。文字是在聲音語言逐漸成熟以後才出現的。

聲音語言一般稱為自然語言,如今人類最廣泛使用的還是這種語言。但是因為地域的限制,聲音語言在全球可能有10萬種以上,雖然隨著戰爭,保留下來的也有幾萬種。聲音與文字並不是共同發展的,有的聲音語言甚至沒有文字,完全依靠氏族之間代代相傳。基本上只有社會結構更復雜的群體才需要發明文字來存儲信息,而文字是一個人類群體進入文明階段的重要標誌,甚至可以說沒有文字就沒有文明,沒有文字就沒有歷史,沒有文化的基礎。

如中國56的民族中,1949年以前使用文字的民族有21個,文字24種,解放後,又有壯、布依、苗、侗、哈尼、傈僳、佤、黎、納西、白、土、瑤等12個民族和景頗族中說載瓦語的人使用新創制的以拉丁字母為基礎的拼音文字,其中苗族因為方言差別大,國家還分別給黔東、湘西和川黔滇3個方言和滇東北次方言創制了文字或文字方案。現行文字共有40種。這是56個民族是一家的真實寫照,不能讓一個任何一個民族丟失了自己文明和文化特色,不然就是將他們當奴隸來看待了。

電信息

在自然界中存在許多生物發電現象,因此許多生物可以利用電信息在生態系統中活動。大約有300多種魚類能產生0.2~2 V的微弱電壓,可以放出少量的電能,並且魚類的皮膚有很強的導電力,在組織內部的電感器靈敏度也很高。魚群在洄游過程中的定位,就是利用魚群本身的生物電場與地球磁場間的相互作用而完成的。

由於植物中的組織與細胞間存在著放電現象,因此植物同樣可以感受電信息。

磁信息

地球是一個大磁場,生物生活在其中,必然要受到磁力的影響。候鳥的長途遷徙、信鴿的千里傳書,這些行為都是依賴於自己身上的電磁場與地球磁場的作用,從而確定方向和方位。植物對磁信息也有一定的反應,若在磁場異常的地方播種,產量就會降低。不同生物對磁的感受力是不同。

光信息

生態系統的維持和發展離不開光的參與,同樣,光信息在生態系統中佔有重要的地位。在光信息傳遞的過程中,信源可以是初級信源也可以是次級信源。例如,夏夜中雌雄螢火蟲的相互識別,雄蟲就是初級信源;而老鷹在高空中通過視覺發現地面上的兔子,由於兔子本身不會發光,它是反射太陽的光,所以它是次級信源。太陽是生態系統中光信息的主要初級信源。

化學信息

生物在生命活動過程中,還產生一些可以傳遞信息的化學物質,諸如植物的生物鹼,有機酸等代謝產物,以及動物的性外激素等,就是化學信息。

化學信息主要是生命活動的代謝產物以及性外激素等,有種內信息素(外激素)和種間信息素(異種外激素)之分。種間信息素主要是次生代謝物(如生物鹼、萜類、黃酮類)以及各種苷類、芳香族化合物等。

在生態系統中,化學信息有著舉足輕重的作用。

在植物群落中,可以通過化學信息來完成種間的競爭,也可以通過化學信息來調節種群的內部結構。有時,在同一植物種群內也會發生自毒現象。在這些植物的早期生長中,毒素可能降低幼小個體的成活率。然而,當這種毒素在土壤中積累時,它們就能使植物自身死亡,減少生態系統中的植物擁擠程度。

在動物群落中,可以利用化學信息進行種間、個體間的識別,還可以刺激性成熟和調節出生率。例如,獵豹和貓科動物有著高度特化的尿標誌的信息,它們總是仔細觀察前獸留下的痕跡,並由此傳達時間信息,避免與棲居在此的對手遭遇。動物還可以利用化學信息來標記領域。群居動物能夠通過化學信息來警告種內其他個體。鼬遇到危險時,由肛門排出有強烈臭味的氣體,它既是報警信息素,又有防禦功能。當蚜蟲被捕食時,被捕食的蚜蟲立即釋放報警信息素,通知同類其他個體逃避。

許多動物分泌的性信息素,在種內兩性之間起信息交流的作用。在自然界中,凡是雌雄異體,又能運動的生物都有可能產生性信息素。顯著的例子是,雄鼠的氣味可使幼鼠的性成熟大大提前。

行為信息

動植物的許多特殊行為都可以傳遞某種信息,這種行為通常被稱為行為信息。如教材中所述,蜜蜂的舞蹈行為就是一種行為信息。草原中有一種鳥,當雄鳥發現危險時就會急速起飛,並扇動兩翼,給在孵卵的雌鳥發出逃避的信息。

營養信息

概念:營養狀況和環境中食物的改變會引起生物在生理、生化和行為上的變化,這種變化所產生的信息稱為營養信息。如被捕食者的體重、肥瘦、數量等是捕食者的取食依據。

在生態系統中,沿食物鏈各級生物要求有一定的比例,即所謂的"生態金字塔"規律。根據這樣一個規律,生態系統中的食物鏈就構成了一個相互依存,相互制約的整體。在畜牧業、飼養業上營養信息規律有很大的作用。若要飼養動物,起始飼養的數量要根據飼料的多少而定;若要在草原放牧,起始放牧的家畜數量更要與牧草生長量、總量相匹配。

動物和植物不能直接對營養信息進行反應,通常需要藉助其他的信號手段。例如,當生產者的數量減少時,動物就會離開原生活地,去其他食物充足的地方生活,以此來減輕同種群的食物競爭壓力。

手勢信息

一般在聾啞人的信息傳遞中使用,因為光線,距離,傳遞信息的速度限制太大,基本上沒有推廣價值。

電磁信息

隨著人類社會進入全球化,聲音信息和信件信息的傳遞速度都不能適應社會的環境了,人類發明了電磁信息,速度可以達到30萬千米/秒,比聲音的傳遞速度快了差不多88萬倍,可以想象這回帶來人類多大的進步。從此人類進入了信息文明。

數學語言

有人認為數學是上帝的語言,這種觀點或許好不誇張,現有的物理學都表明宇宙使用數學來傳遞信息的。如今人類也學會了這種語言,或許人類離上帝更近了一步。

計算機語言

專門在計算機上使用的語言,這是人類第一次發明的一種全球通用的語言,但是屬於專業領域語言,並不是民用語言。這說明未來人類可以發明更多的語言,以適應在不同的環境中傳遞信息。

計算機語言的種類非常的多,總的來說可以分成機器語言,彙編語言,高級語言三大類。

計算機所能識別的語言只有機器語言,即由0和1構成的代碼。但通常人們編程時,不採用機器語言,因為它非常難於記憶和識別。

彙編語言的實質和機器語言是相同的,都是直接對硬件操作,只不過指令採用了英文縮寫的標識符,更容易識別和記憶。它同樣需要編程者將每一步具體的操作用命令的形式寫出來。彙編程序通常由三部分組成:指令、偽指令和宏指令。彙編程序的每一句指令只能對應實際操作過程中的一個很細微的動作,例如移動、自增,因此彙編源程序一般比較冗長、複雜、容易出錯,而且使用匯編語言編程需要有更多的計算機專業知識,但彙編語言的優點也是顯而易見的,用匯編語言所能完成的操作不是一般高級語言所能實現的,而且源程序經彙編生成的可執行文件不僅比較小,而且執行速度很快。

高級語言是目前絕大多數編程者的選擇。和彙編語言相比,它不但將許多相關的機器指令合成為單條指令,並且去掉了與具體操作有關但與完成工作無關的細節,例如使用堆棧、寄存器等,這樣就大大簡化了程序中的指令。同時,由於省略了很多細節,編程者也就不需要有太多的專業知識。目前流行的VB、VC、FoxPro、Delphi等,這些語言的語法、命令格式都各不相同。

信息的存儲與傳遞

計算機語言使用情況

量子信息傳遞

量子傳輸是一種全新通信方式,它傳輸的不再是經典信息而是量子態攜帶的量子信息,理論上可以藉助量子的隱形傳態技術,傳輸任意複雜的量子態,包括這些態的組合,是未來量子通信網絡的核心要素。利用量子糾纏技術,需要傳輸的量子態如同科幻小說中描繪的"超時空穿越",在一個地方神秘消失,不需要任何載體的攜帶,又在另一個地方瞬間神秘出現。需要注意的是,這並不是瞬間完成的。

量子通信中信息的傳輸載體是單個光子,單光子表現為能量的最小單元,不可再分。利用量子信息的不可複製原理,可以完全保證信息的安全傳輸。

中國發射的“墨子號”量子通訊衛星,開創了量子信息傳輸的新時代。

未來的信息傳遞

按照現有的科學理論,量子信息傳輸可以說是最高級別的信息傳遞技術了,那麼還有沒有其他信息傳遞的方式呢?如果人類進入太空文明,30萬千米/秒的傳遞速度就顯得太慢了。而且電磁傳播具有直線傳播的特點,在太空中必須花很高的成本才能開闢一條沒有任何障礙物的信息傳輸通道。而且即使在太陽系內一個信息傳輸都需要幾個小時才能到達。那麼有辦法突破這種速度和信道的限制嗎?

突破信道限制的方法比較多,有中微子信息傳輸,引力場信息傳輸,希格斯場信息傳輸,在標準模型中任何玻色子都具有傳遞信息的可能,但是因為衰變太快,可能的選擇並不多。還有一種就是現在還沒發現的暗物質也是信息傳輸的候選。

突破光速限制的方法,可能的就只有量子信息傳輸,但是量子糾纏雖然是瞬時的,卻無法傳輸信息,如果要攜帶信息則需要通過一些操作,而這些操作卻無法超過光速。所以按現在的科學理論,超光速傳播信息是不可能的。

當然科幻中還是存在這種超光速信息傳輸的,比如蟲洞信息傳輸,空間摺疊信息傳輸,高維信息傳輸。這裡就不做介紹了

在《三體》的結尾,宇宙中最高科技的文明使用了一種終極的信息傳輸,給宇宙中所有的文明傳遞了一段“歸零”的信息。高級文明將信息傳輸分為短膜,中膜,長膜三種,人類現在使用的是短膜信息傳輸,太空文明使用的是中膜信息傳輸(人類如今的科學還不能理解),終極文明使用的是長膜信息傳輸,可以瞬間傳輸到整個宇宙的所有地方。如果真的有這種信息傳輸,真的是無敵了。如果沒有,我最佩服的還是劉慈欣大佬,既然能想象出這麼無敵的信息傳遞方式來。


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