信息时代之父

“大家”阅读

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今年的4月30日是信息时代之父——克劳德·香农（Claude E. Shannon， 1916—2001）的百岁诞辰。为了迎接这样一个深具标志意义的日子，总部设于纽约、43万成员分别来自全球160多个国家的电机电子工程师学会（IEEE），已开展了一连串的庆祝活动。原因很简单，如果没有兼具数学家、电子工程学者和密码学家身份的香农做出的伟大贡献，就不会有信息理论（information theory）的横空出世，也很难想象信息技术、个人电脑和互联网的诞生，更不会有当今我们所处的这个信息化时代。

正如教科书中对信息理论的描述：“我们目睹的不只是科技的变迁，更是心态的变迁。……更精确地说是在1948年，贝尔实验室的香农博士提出一个新的资讯理论，此理论以精妙的数学表述，使我们得以将所感知到的模拟现象（例如影、音），转化为数字化的位元。数字化语言的好处是可供机械判读，而且可通过电脑快速处理，信息在传输过程中几乎可免于任何扭曲或遗失。”

因为香农的卓越贡献，电机电子工程师学会特别以他命名设置了地位崇隆的 “香农奖”（the Claude E. Shannon Award），而首届获奖者正是香农本人。另一个例子亦可证明他的举足轻重：若你有机会走入贝尔实验室的大堂，你将会看到“唯二”的两尊半身塑像，一个是亚历山大·贝尔，另一个就是香农。

对于这个信息化时代的诞生，催生者除了香农之外，至为关键的还有另外两个人：英国的布尔（George Boole，1815—1882）和图灵（Alan Turing，1912—1954）。如果没有他们之间的那种充满神奇与奥秘的知识“协作”过程，当前信息化时代的一切必将无有可能。就知名度和个人财富而言，他们三人远远不及被视为信息化时代英雄的比尔·盖茨和史蒂夫·乔布斯，但他们的伟大程度绝对是有过之而无不及，因为没有布尔、香农和图灵，就不会有计算机、光盘或任何的数字化通讯传播设备，不会有互联网和物联网，也不会有后来能够打败人脑的超级计算机深蓝、人工智能系统华生或阿尔法狗。

因为2014年电影《模仿游戏》的全球映演，图灵在“二战”期间破解德军密码机Enigma的重大贡献，他的同性恋身份，以及他对“会思考的机器”的研发做出的努力，已经广为人知。比香农年长四岁的图灵，1943年前往美国电报电话公司（AT&T）下设的贝尔实验室进行短期研究访问，与1941年开始任职于该实验室的香农相遇。个性孤僻、不善社交的图灵遇到同样不喜欢社交的香农，原本应该是两条并行线，但两人之间却因为共同的研究兴趣而经常在午茶时间促膝对谈，并且不时擦出思想火花。

在他们相遇之际，他们两人各自参与了“二战”期间英美两地密码学的研究，但双方都因为保密要求而不能向对方畅所欲言：图灵负责的是解密任务，成功破译了德国军事通讯与指挥调度潜艇的密码系统；而香农则负责通讯加密任务，确保美国总统罗斯福和英国首相丘吉尔之间的跨大西洋电话通信无法被敌军破解。因为这些任务的保密性质，他们的话题转向这两个天才的另一个共同兴趣：会思考的机器。

他们都相信机器可以像人脑一样思考，也都相信若设计一台会下西洋棋的机器，有朝一日它可能胜过优异的棋手！图灵心中构想的是和人脑一样会思考的机器，而曾经学习遗传学、神经学和语言学的香农想象的，则是一台比人脑还更会思考的机器。回忆他们之间的对话，图灵曾经说道：“香农不光要把数据输入这个机器（大脑），他还要让它能够演奏音乐！”图灵自己对这样的“超级大脑”没有兴趣，他要的是“一个普通的大脑，就像AT&T总裁那样的大脑”。

他们两人在独立研究的情况下，各自结合了数学、逻辑和编码理论，同样都对后来电子、数字化计算机的诞生做出了举足轻重、无人可匹敌的贡献。值得一提的是，这两个不世出的天才，都一样对信息（资讯）的测量和计算方式抱有浓厚兴趣，而且分别提出了信息的基本单位：图灵提出的是一种叫做“分板”（ban）的单位，香农提出的则是“位元”（bit）。这两个单位的基础原理相近，但后来的历史证明，是“位元”而非“分板”，成为数字时代通行于信息世界的单一货币。

除了参与协助美国军方在飞弹射控技术与密码学方面的研究，香农也被称为“信息理论之父”。1950年代以后，他的影响力几乎无所不在，特别是后来逐渐成形的数字化时代，每个数字化时代的子民，无人不直接领受到来自香农的思想瑰宝。香农到底有多么重要？正如南加州大学的索罗门·哥隆所说：“就像是形容发明字母的人对文学有多大的影响。”康乃尔大学的托比·博格也说：“这是历史上极少数的例子，建立新知识领域，不但提出所有正确的问题并加以证明，同时又能全部解答。”

这一切是怎么发生的？如果谈及图灵，则不能不同时提到香农，反之亦然。那么，在谈及香农时，同样不能不提到布尔，反之亦然。香农的存在意义和贡献，由此可以察知。在命运的驱使下，这三个从小被当作神童看待的天才，跨越时空，分别地（其实又是共同地）开创了电脑运算、交换电路、密码学与人工智慧的领域，并且为今天我们所知的数字化和大数据时代铺下不可或缺的棋盘：图灵被称作电脑之父、人工智慧之父，香农被称为信息理论之父，而布尔代数及其数学逻辑的重要性，同样是不在话下。

香农和图灵可说是生在同一时代的“瑜亮”，但彼此之间却至为难得地惺惺相惜，幸运地曾经在人生际遇中短暂相逢与相知，看到对方眼里的智慧灵光，并且同时感到“吾道不孤”。

布尔与香农素未谋面，毕竟两人的年纪相差100岁。如果没有布尔的逻辑代数和数学逻辑，解决了“真/伪”和“与”“或”“非”等逻辑关系，香农后来势必难以发展出他的信息理论和交换电路；但若没有香农巧妙地将布尔代数与交换电路结合起来，与图灵同样是英年早逝的布尔可能还会继续埋没在小范围的数学和逻辑学领域，而不可能因为香农的思想建构和发明，得以使布尔代数成为可以演算任何资料与数据的电子数字化电脑的基础，并且促使后世几乎所有的电子/数字化通讯传播技术成为事实。无怪乎自2015年起，爱尔兰科克大学（布尔最后任教的学校）与麻省理工学院（香农的母校，也是他最后退休的地方）联合布置了为期一年的“布尔/香农联合志庆活动”，以纪念布尔的两百岁诞辰和香农的百岁诞辰，表彰这两位对人类卓有贡献的杰出学者。

香农最广为人知与影响力宏大的著作是1948年发表于贝尔实验室内部科学刊物的《（通讯）传播的数学理论》一文。该文发表后，信息（资讯）、熵、不确定性、重复性、渠道容量、位元，以及信号和噪音等概念吸引了来自各个研究领域学者的目光。当时，这篇长达79页的论文，各方索求者众，一时洛阳纸贵，香农成为不同领域科学界交相讨论与赞誉的对象。当时，香农才30岁出头，刚刚走入婚姻生活。其实，早在此之前，也就是1938年，年仅22岁的香农完成并出版了他的硕士论文《继电器与交换电路的符号分析》，史无前例地结合了布尔代数和电子交换电路这两个原本风马牛不相及的领域。因为写得太好了，这本论文被后人誉为“至今写得最好的一本硕士论文”。1940年，香农完成了跨界到遗传学领域的博士论文《理论遗传学的代数》，发现了孟德尔遗传学和爱因斯坦相对论之间的数学关系！但从此以后，他完全不再碰与遗传学相关的东西。同一年，香农获得当年度全美工程学界联合颁发的诺贝尔奖。

香农诚可谓是一位无视于学科疆界、冒险犯难的拓荒者，自由出入的漫游者！毫无疑问地，布尔、图灵和香农都是人间少有的天才，但香农更胜一筹的是：他是个兴趣广泛、无所不精通的全才。

香农不喜欢社交，喜欢独自一个人工作。当贝尔实验室从纽约格林威治村搬迁至新泽西州后，香农坚持留在旧址工作，除了偏好独立研究之外，另一理由是他喜欢晚间到实验室旧址附近的爵士夜总会聆听南方音乐。

香农还有一个终身不殆的嗜好，他不只是喜欢思索抽象的理论，更喜欢动手发明大量看似无用的小玩意，并且乐在其中，不断改良更新。比方说，喜欢在贝尔实验室廊道骑独轮车的香农，为了验证人类能够骑多小的独轮车，他动手改装独轮车并反复实验，最后做出了任何人都骑不了的超小型独轮车！

除了独轮车，他爱玩耍，也爱自己DIY发明些新鲜玩意：一个有三根手指、会下棋的机器手，而且每当吃掉对手的棋子时还会发出嘲笑声；一个能够自动在空中抛接三个球的机器（香农本人可以同时维持在空中抛接四个球）；“终极机器”——一个貌似雪茄盒的机器，不知情的访客按下雪茄盒外的把手后，顶盖会缓缓开启并伸出一支机械手，弯曲向下关掉开关，并且在顶盖关闭前缩回盒子里；还有一个会自动修理自己的机器手（自动更换机器自身坏掉的电力继电器）。

他还喜欢公开展示他发明的会闯迷宫的电子老鼠“奚修斯”：这只电子老鼠非比寻常，会自行通过尝试错误的方式学习并记忆，从而成功地走出迷宫。另外，他还发明了一个不是二进位、而是以罗马数字运算的电脑……

这些发明当中，有一大部分似乎是纯粹好玩，但其中也有一些看似无用的发明，为后来人工智慧和机器学习的发展奠下重要基础。

或许是因为他早已证明了自己的学术成就，贝尔实验室基本上也对香农采取放任态度，并未对他的研究有过太多干涉。有人曾说，AT&T当时独占电信事业，有本钱给予旗下优秀科学家充分的研究自主性，无需处处以工作绩效和成果产值来评量或限制这些天才。这真是非常令人羡慕的研究环境，让贝尔实验室的众多天才得以一个个发光发热，并且对人类科学与技术史的进展做出重大贡献。

不过，AT&T也不是没有失策之处，其中之一是未能接受香农在1954年的提议，未能同意投资制造为了儿童教育用途而设计的小型电子/数字化电脑（相对于当时大型的模拟/机械式电脑）。不过，后来由艾德蒙·柏克利开发推出商业销售的GENIAC（电子/数字化个人电脑的雏形），还是得到了来自香农的协助。

1958年，香农主动求去，希望离开贝尔实验室。AT&T为了留住他，提出诱人的加薪建议，香农不为所动，不过他和贝尔实验室的合作关系一直维持到1972年。从1958年开始，他开始专任麻省理工学院教职。但香农教授在教学方面不怎么在行，当时该校的另一位学者彼得·艾理亚斯这么描述：“香农对教书的想法就是谈些自己研究的事，但没人听得懂。”不到几个学期，香农主动向校方要求不再教学。大多数时间里，他越来越少到学校里的研究室，主要都在自己的家里工作。他也不再发表论文，多数时候他也拒绝慕名而来的各种拜访，拒绝回复向他提出各种请求的来信，整个人几乎消失于公众视野。

这个时候，他才不过40多岁。不发表论文，毫无功利心地做他自己感兴趣的研究，设计发明一些新奇好玩的玩具。不缺钱的香农教授，领有麻省理工学院的优渥薪资，曾在接受难得的访问时说，他做研究不为商业目的，甚至是“无所为而为”，他感兴趣的是知识上有挑战性而且可以让他乐在其中的研究。不过，有趣的是，自承对金钱毫无兴趣的香农夫妇，因为股票投资而累积了大量财富。他对于应用他的信息理论于投资组合一事，具有独到心得。可惜的是，他虽想写关于投资组合绩效和技术分析的论文，但一直未能完成并发表。根据威廉·庞士东的说法，在1986年的时候，有人比较77位投资经理人的绩效，只有一台Apple II电脑和老婆的香农，投资绩效却完胜其中的74位；与当时1200多档共同基金的绩效相比，香农的投资绩效也打败了其中的1000档以上。更神奇的是，巴菲特在1965年买下柏克夏·海瑟威公司，至1995年为止，30年的综合报酬率是27%，而香农从1950年代末期至1986年投资组合的报酬率是28%——就报酬率而言，连玩股票都能赢过股神巴菲特，信息理论大师香农可真是“人生胜利组”啊！

1976年，香农正式从麻省理工学院退休。因为他深居简出，淡出公共领域，潜心与妻子过着属于自己的小日子，而且沉浸在自己广泛的研究兴趣之中，香农几乎已成了缥缈不可及的传说人物，甚至渐渐变得不真实起来。终于，1985年，香农难得出席一场远在英国举行的学术研讨会，低调进出并聆听各个场次的研讨，一整天在现场却无人认出他的身份。直到有人认出他，并在会场传开消息之后，现场的大批学者像是粉丝一样趋前致意并索取签名。有人形容，当时的情景有如牛顿突然出现在当今物理学的研讨会一样。

但从那时以后，香农的健康状态发生变化：因为阿尔茨海默症，他逐渐失去记忆，也无法辨明这个日渐复杂与快速变化的世界。因此，1990年代中期，当互联网崛起并开始向全世界普及之际，仍然在世的香农甚至可能不知道这个新兴产物其实正是脱胎于他当年一手打造的信息理论！但天晓得，也许这正是他异于常人的智慧，或是幸运，又或者是两者兼而有之。毕竟，香农没有辜负这个时代，是他（和布尔、图灵等人）创造了这个时代。