初探信息科学中“三个世界”模型「建议收藏」

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        初读《信息科学技术与创新》，我了解到了一个“三个世界”的理论模型。即一个关于物理，生物和数字的模型。初次听到这个三个世界的理论时，只感到新奇，但随着不断阅读，我对三个世界的理解逐渐加深，才愈发感到其中的理论的实用与科学。

        首先是物理世界，即由物质与能量所组成的世界。如果说物质是组成我们这个世界的原料，而能量就是物质运动与变化的根本源泉与动力。我们身边的各种实在的物品都属于物理世界的一部分。其次便是生物世界，它是由具有生命的物体所组成的系统，它也被称为生物圈。它指地球上凡是出现并感受到生命活动影响的地区，是地表有机体包括微生物及其自下而上环境的总称，是行星地球特有的圈层。它也是人类诞生和生存的空间。生物世界中生物种类与形态繁多，包括各种不同的动物、植物和微生物，它的范围非常广泛。印象最深刻的是数字世界，它起源有许多假说，有认为在宇宙产生和演化的同时，数据作为物质和能量的基本特性同时产生，所以数据是物质与能量的基本特性，可独立于生命及人类的主观世界而存在的“唯物论”观点，也有认为数据是在生命诞生和演化同时出现和发展的。有了数据，生命才能够产生和进化；通过生命进化，数据才能够存在和发展，数据是生命的基本特征的“唯心论”观点等等。关于它的存在形式是非常多样化与多元化的，它存在于DNA和基因中的数据、大脑中的数据、感官数据、语言数据等等。

        从对于三个世界的定义中，不难看出物理、生物和数字世界的区别和联系：一方面，物理世界包含生物世界，生物世界包含数字世界；另一方面，生物世界起源于物理世界，是物理世界的系统性升级，具有许多物理世界没有的特征。数字世界则来源于生物和物理世界，是生物特别是人类的伟大创造。数字世界的存在、运行和发展离不开物理世界的基础和生物世界的推动。可以归纳为物理世界是生物和数字世界存在和生存的物质基础，生物世界是宇宙中地球上经过数亿年演变所产生的一种十分复杂动态却又高度有序的“负熵”现象，而数字世界是伴随生物世界而诞生并且由人类发展而迅速增大的虚拟空间。因为生物的存在离不开物理世界的基石——物质和能量。生物世界也遵守着熵的相关定理。而数据世界也受热力学相关定理的影响，比如理论上讲，物质宏观状态总是倾向于从有序到无序的规律与时间的单向性指向是一致的。在实际中，转为热能的能量不仅降低了能量的利用效率，也会引起物质温度升高，从而影响系统的性能。对于数据系统来讲，能量效率和热量管理是工程设计和技术创新的关键领域，也是最终限制技术和系统性能的物理极限。数据世界也与物理世界有着密不可分的关系。如数据的传递有时候要凭借电磁波的形式，而电磁波正是一种物理中的物质。

        同时，物质、能量与数据构成了人类所赖以生存和发展的客观和主观世界。物质、能量和数据是构成客观世界的基础。世界是由物质构成的，没有物质，世界便虚无缥渺。运动是物质存在的形式，是物质固有的属性，能量则是物质运动的度量。由于物质存在各种不同的运动形态，因此，能量也就具有不同形式。宇宙间一切运动着的物体都有能量的存在和转化。物质、能量与数据也在主观方面反映着不同时代人类科技进步和文明水平。他们也推动着人类主观世界的发展与进步。

        除此以外，数据在地球生命的演化和人类文明的进步中起到独特作用。

        比如数据在生命的产生与演化中起着至关重要的作用。在生命体内DNA中的数据，DNA分子属于双螺旋结构，由两条平行的链组成，两条链互相绕成螺旋状，每条链都由称为脱氧核糖的糖分子与磷酸在交替链接而成。不同的碱基序列代表记录着不同的数据，虽然现在没有对DNA数据的产生源头有一个准确的说法，但至少可以假定某种基于物质且由能量推动的数据系统的产生和运作是生命产生和进化的必要条件。生命诞生的过程中，产生构成生命各种化学反应的程序性知识以数据的方式写入DNA中。这些数据不仅可以根据需要进行复制，也可以作为算法通过生物化学系统产生生命所需的结构和功能。NDA可以通过复制、剪切和粘贴嵌入到细胞染色体的DNA上，从而改变碱基对的数量。这些重复性DNA片段占据了人类DNA序列的50%。它们其中一些作为基因组的一部分被保留下来。在人类的进化过程中，受到环境等各方面的压力，同时人类和其他高级生物的DNA在进化过程中在不同的时间尺度内经历过许多次组合、修改和交换，因此DNA中的数据在复制中不断积累与增长。

        除了DNA的数据，在大脑中的数据也占有着不可或缺的地位，而大脑中的储存数据量与神经元细胞和它们的数量存在着正相关的关系。与神经元连接相关的还有很多种处于不同状态的蛋白质。所有不同的连接数量、强度等级和蛋白质状态均可能与大脑中记录、存储和表达数据的方式相关。而外部世界事物的输入或着内部思维意识信号会激发大脑中不同部位许多神经元按某种模式产生复杂的化学反应、电压变化等。这些变化分布模式与所对应的外部输入产生某种相对固定的映射关系，从而产生了对应的数据。人脑对数据的储存的空间也无法估计。这些数据推动着生命的演化。数据在生命诞生和演化中的作用还在于它可以帮助生命抵抗热力学第二定律实现熵减。数据在这个过程中发挥了非常关键的作用，因为生命可以以DNA等方式对数据进行存储或者以转录的方式进行传递。在此过程中可能还会受到变异的影响，使数据更加多样化。

        数据在人类生存和发展中的作用具体表现为：数据与人类语言的关系和数据与科学技术的关系两个方面。

        在语言方面，它始于人类进化过程中某种群体环境：起初用于小范围家庭成员之间的交流与互动，后来逐渐扩大到部落之内以及与邻近部落的传播与协作。而在此过程中，由于种种空间和时间的限制，手势和口头的方式逐渐被语言输出数据的方式所取代。语言及其衍生的文字与书本等数据，以它的可以跨越空间和时间的能力，帮助人类的文明继续传承与传播下去，客观上促进了人类整体文明的进步与时代的发展。它从极大的程度上提高了人们之间相互交流与合作的效率，帮助科学的进步。

        在科学技术方面，数据也起到了至关重要的作用，比如因为数据在时代的发展之中不断进步与积累，那么大量的数据就可以预计整体事物发展的趋势与变化，因此就会有数据科学等等的学科的快速发展，而科学的基础是观察和逻辑推理，同样要研究数据自然界中观察方法，要研究数据推理的理论和方法，包括：数据的存在性、数据测度、时间、数据代数、数据相似性与簇论、数据分类与数据百科全书等。数据是存在于储存空间中的东西；信息是自然界、人类社会及人类思维活动中存在和发生的现象；知识是人们在实践中所获得的认识和经验。数据可以作为信息和知识的符号表示或载体，但数据本身并不是信息或知识。但它却可以记录信息与知识。那么在数据的发展中就会客观促进科学技术的更新与迭代。

        科学技术与数据已经形成了一种密不可分的关系，比如说科技的研发与调试是在上千次的数据实验中逐渐走向成熟与完善。大量的数据就如同各种经验的汇总，帮助科技的发展合理地规避错误。而科学技术的提升也反过来促进了数据的积累，发展出更多完善的数据统计方法。

        放眼现在的信息革命时代，以数据为内驱力的时代呈现出和农业与工业革命时代不同的特征。约在10000年前，人类由采集野生小麦发展为有意识的栽种，逐步到半定居等待收获的农耕生活方式。人类发明了农业、畜牧业。农业的革命是人类历史上的一次巨大革命在农业革命中，他的主要特征是将物质和生物打造成和传化为人类赖以生存的资源和工具。而第二次革命是工业革命，发生在18世纪60年代，在瓦特发明蒸气机之前，整个生产所需动力依靠人力和畜力。伴随蒸气机的发明和改进，工厂不再依河或溪流而建，很多以前依赖人力与手工完成的工作自蒸气机发明后被机械化生产取代。工业革命是一般政治革命不可比拟的巨大变革，其影响涉及人类社会生活的各个方面，使人类社会发生了巨大的变革，对人类的现代化进程推动起到不可替代的作用。工业革命的主要特征是通过对自然界能源的开发和利用进一步提高了人类驾驭和改造世界的能力。它的特征是智能化、全球化和技术革命群体化。信息革命时代的特征则是信息资源对人类社会的重要性超过了能源和物质资源, 成为社会生产力中起主导作用的因素。在这次革命中，人类社会发展的基本要素变成了物质、能量和数据。以数据为驱动的信息革命使知识的生产成为主要的生产形式，知识成了创造财富的主要资源。以数据为驱动的信息技术正在消解时间和距离的概念，信息的传递不再需要像农业革命时代那样需要信使等落后方式传送，而以数据为驱动，使信息的传输速度，传输的信息量相较于工业革命时代有了较大飞跃，大大加速了全球化的进程。数据之间的快速传导使各网络之间可以不考虑地理上的联系而重新组合在一起。信息的传递和交换也变得日益频繁。

        三个世界之间的结合与共同作用，极大程度上拓宽了人类的生存空间与发展未来前景，推动着人类文明的向前与科技的进步。

参考文献：

黄卫平. 数据智能科学技术导论[M].北京：清华大学出版社,1-274.