第一部分 熵的故事 趕時髦

香農的成就遠遠超越了他的前輩們。他的研究成果震驚了所有人,當時就像神奇的魔術一樣,現在依然如此。

他的其中一項發現是:通過給信息編碼的方式可能將一個通信通道的全部容積充分利用。這一點令人震驚,因為實踐中還沒有人能夠實現類似這樣的效果。沒有一種傳統代碼(摩爾斯電碼、美國信息交換標準碼、簡明英語)能夠像資訊理論中所說的如此高效。

這就好比你要把保齡球裝進橘子筐里。你會發現無論你怎麼安排保齡球,筐子里還是會有很多空隙,對嗎?想像一下緊密擺放保齡球使所有空隙都被填滿——筐子里的空間全部被保齡球佔滿,就保齡球和筐子而言你無法做到這一點,但是香農說信息和通信通道之間可以做到。

另外一項出人意料的發現與噪音有關。在香農之前,人們認為通過耗費更多的帶寬或許可以將噪音降到最低。舉例來說,你可以採取預防措施,一條信息發送三遍(買洗髮水—買洗髮水—買洗髮水)。或許另外一個人接收到的信息是:買洗髮水—買殺人鯨—買洗髮水。通過對比這三個版本,接收者可以確定信息並糾正大多數噪音導致的錯誤。這樣做的缺點是耗費了三倍帶寬。

香農證明你可以魚和熊掌兼得。對信息進行編碼使噪音導致的錯誤如你所願降到最低,無論通道多麼嘈雜,而且不必耗費額外的帶寬,這一點是可以實現的。這一論斷挑戰了世世代代工程師們的認知常識。羅伯特·法諾評論道:

讓噪音導致的錯誤概率降到你希望的那麼低?從未有人如此想過。他是怎麼想到這一點的呢?他是如何開始相信這樣的事情的呢?我不知道。但是,幾乎所有現代通信工程都是建立在那項研究基礎之上。

起初很難想像怎麼將香農的研究結果付諸實踐。20世紀40年代時,沒有人能夠想像出有一天人們邊逛超市邊用手機打電話的情景。貝爾實驗室的約翰·皮爾斯曾懷疑此理論的實際應用價值。皮爾斯建議還是使用更多帶寬資源來達到更好的信息傳輸效果。使用電子編碼需要用計算機,與計算機所需的動力相比,安裝電纜更加便宜。

但蘇聯的人造衛星和美國太空計畫改變了人們的這種想法。把電池放進太空里要花費數百萬美元,因此衛星通信必須要充分利用原子能和帶寬資源。經過美國國家航空航天局的研發,數字代碼和集成電路成本大大降低,使普通老百姓也消費得起。

如果沒有香農的研究,我們現在生活的世界將會完全不同。我們所有的電子產品都受到電流衝擊、靜電和宇宙射線發出的噪音的影響。每次電腦開機,都要從硬碟中讀取上百萬位元組的信息。僅僅幾個比特的信息發生混亂,整個程序就可能會損壞甚至可能徹底崩潰。香農的理論表明有一種方法可以使誤讀數據發生的概率忽略不計。互聯網文件共享的主意也源於香農。要不是因為香農靈感迸發創造出糾錯碼,每次通過互聯網傳輸音樂和電影文件或是將其存儲在硬碟中時都會使文件質量下降。正如一位記者最近所說:「沒有香農,就沒有納普斯特 (Napster)。」

到了20世紀50年代,大眾媒體開始注意到香農的研究工作的重要性。《財富》雜誌宣稱資訊理論是人類「最自豪、最珍貴的發明,是一項偉大的科學理論,能夠深入而迅速地改變人們對世界的看法」。

「資訊理論」這個名字聽起來非常寬泛而開放。20世紀五六十年代,它常常被用來指計算科學、人工智慧和機器人學(這些都是香農感興趣的領域,但他認為這些和資訊理論是有區別的)。思想家們直覺地發現一場有關計算機、網路和大眾傳媒的革命正在興起。

1949年《通信的數學理論》一書出版,書中引言部分開頭寫道:「本書中『通信』一詞將被用來表達非常寬泛的含義,包括一切信息傳輸的過程。當然,不僅包含書面或者口頭交流,還包括音樂、繪畫藝術、戲劇、芭蕾以及所有的人類行為。」這些話是香農的前任老闆沃倫·韋弗所寫。韋弗在文章中將資訊理論視為一門人文學科,或許這種說法並不正確。

由於深受香農影響,馬歇爾·麥克盧漢(Marshall McLuhan)在《了解媒體》(1964)一書中杜撰了「信息時代」一詞。奇妙的是,他的這一提法後來得到了應驗。這個詞表明數字媒體(20世紀60年代時仍是模擬媒體技術)正在改變世界。或許連麥克盧漢自己都沒有預想到,克勞德·香農居然發起了一場「信息時代」的革命。

人們熱切地嘗試將資訊理論應用於語義學、語言學、心理學、經濟學、管理學、量子物理學、文學批評、園林設計、視覺藝術甚至宗教等各個領域當中〔1949年,香農與科幻小說家羅恩·賀伯特(L.Ron Hubbard)取得聯繫,很顯然是經約翰·皮爾斯介紹。賀伯特設計了「排除有害印象的精神治療法——戴尼提」,香農將其推薦給沃倫·麥卡洛克(Warren McCulloch),他是研究神經網路的科學家。直到今天,賀伯特創建的科學論派還在其文學作品和網站上引用香農和資訊理論的術語。喬治·奧威爾曾說過,要想致富,就去創辦宗教。賀伯特正是這樣做的〕。

香農好奇地嘗試用資訊理論分析詹姆斯·喬伊斯(James Joyce)的作品《芬尼根的守靈夜》。貝蒂·香農曾和皮爾斯一起創作了最初的幾首「計算機生產」的音樂。貝爾實驗室是一個跨領域研究的地方,裡面的很多科學家,尤其是比利·克魯弗(Billy Kluver),都與紐約的先鋒派藝術家有合作,其中包括約翰·凱奇(John Cage)、羅伯特·勞森伯格(Robert Rausberg)、白南准(Nam June Paik)、安迪·沃霍爾(Andy Warhol)、大衛·都鐸(David Tudor)等,他們中有些人工作和生活的地方離貝爾實驗室在曼哈頓西街上的建築僅幾步之遙。這些藝術家中很多人都對勞德·香農以及他的理論中的概念要點有所了解,其他人至少也知道他的名字。對於像凱奇和勞森伯格這樣正在探索極簡主義音樂和藝術作品的人來說,資訊理論似乎有些用處,雖然沒有人完全確定到底有什麼用處。

香農開始感覺到資訊理論已經被過度消費。在1956年的一篇社論中,他溫柔地嘲弄了這種資訊理論「時尚」。沒有深入理解資訊理論的人們正在把它當作一種時髦的比喻而緊緊抓住不放,誇大了資訊理論與那些與其本源相差甚遠的學科的相關性。其他理論學家,如諾伯特·維納( Wiener)和彼得·伊萊亞斯,也開始對此發表看法。伊萊亞斯尖銳地寫道,是時候停止發表「資訊理論、光合作用和宗教」之類的文章了。

對於香農、維納和伊萊亞斯來說,資訊理論的相關性問題的定義比馬歇爾·麥克盧漢要窄得多。資訊理論與通信科學之外的任何學科都有深入聯繫嗎?答案似乎是肯定的。一位名叫約翰·凱利(John Kelly)的物理學家在一篇題為「資訊理論與賭博」的論文中就是這樣描述的。

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