数据的源、洞、流和塌缩

吴俊杰

编者按：在旁听高中信息技术课程标准修订会议的时候，很多老师觉得信息的概念很难评价，“我脑子里的信息和你脑子里的信息怎么能量化呢？”为此黄荣怀教授给了我一个发言的机会。我坦言，在物理学中已经很明确的源、洞、流的概念，有助于我们加深对信息和数据的概念的理解，而且也有很明确的理论体系说明这个过程。在此，我觉得有必要对此做简要的介绍，来完善信息技术实验的理论体系。

在信息技术实验的核心概念中，数据这一概念非常重要，它既是将生活中的各种信息数值化的手段，又是计算研究的对象。而信息技术实验最常见的分析方法就是：根据一组数据，分析一下它的内部规律是什么。比如有100组反应时间，从中我们可以计算出它的平均值、最大值和最小值，然后得出结论“你的反应时间在最大值和最小值之间，平均值为多少”，这样的过程甚至可以细化，通过概率和统计的知识，你甚至可以得到反应时间为某一个范围的概率，这反映了一个重要的问题，就是人不可能记住这一百个数据，但却能用科学的方法将数据的复杂性降低，抽象出内部的规律，产生新的数据。信息的量称为数据，这种数据在流动的过程中数据量骤然减小的现象称为信息的塌缩。

在德国卡尔斯鲁厄物理课程中，物理学家们这样描述信息：信息是客观的，任何一个物体都可以存储一定量的信息，它以比特为单位，有具体的量，记为X。

当这个物体传输信息的时候，传输了dX比特的信息，如果自身的信息量没有相应地减少，就像一个人把一个八卦告诉另一个人，他还记得这个八卦，那么这个物体是信息的源，或者这个物体本身就在不断地产生信息并且将其传输出去，因此它也被称作信息的源。而如果有一个物体在接受信息之后，它没有存储这个信息，信息不见了，就像我们听到了一个八卦，而根本没有在意它，很快就忘记了，这个物体称为信息的洞，对于计算机而言，洞比较好理解，删除一个文件或者服务器定期地释放空间，而人本身既是一个源，又是一个大大的洞，一方面我们通过遗忘来减少大脑的负担，另一方面我们通过分析识别大大降低了人脑存储的信息的量，信息量大大地塌缩。就像我们参加一个很大的聚会，里面有各种各样的人，如果我们将人眼比喻成一部高清数码相机，一眼看下去，我们接收到了至少几百万比特的信息，而我们第一眼却只记录了哪些人我认识、他们在哪里、穿什么衣服等这几十个比特的东西。分析能力是任何智能系统与生俱来的，它与遗忘密不可分，机器智能与人的智能的一个重要的差距，在于目前它的记性太好，但是却不太会遗忘。我们把一个物体包起来，在一段时间dt内，外界的信息的输入，自身信息的产生，以及信息的销毁或者遗忘，都会使得这个物体产生dX的信息量的变化，而变化除以变化所需的时间就是信息的流I，它像电流、水流一样，用公式I=dX/dt描述，信息从一个物体传递到另一个物体，就需要传输介质，它们像电路、水路一样，是电流和水流的载体，数据流也需要一个传输介质，我们称作信道，它们就像是网络中的一个节点，在此节点它们接受了信息，放大以后传输给别人，但是本身并不存储信息，如果我们将一小段信道包起来，便会发现流入的信息量和流出的信息量相同。这段信道自身的信息量没有变化，如果我们在信道上切下一个截面则发现这个截面在不断地流入或流出信息，则可以根据截面的数据来测算信息流的大小。就像电路能够承载的电流是有限的一样，如果人不断地接收信息，却不进行分析和主动地塌缩，结果往往是他也难以承受这么大的信息流。

信道并不是百分之百闭合的，就像水流一样，它在流动的过程中会自然渗入到地下，电缆在传输信号的过程中，不可避免地会在空间产生变化的磁场，而信息本身就在泄露，这种非主观的泄露和故意的窃听构成了信息安全的一个重要组成部分。从这个角度来看，防止接收有害的信息源，避免成为有害信息的洞，不要恶意地窃取它们处置信息的权利，保护自身处置信息的权利，保证自身信息流的大小在安全范围内，主动地分析信息并实现信息的自主塌缩，构成了信息安全和伦理道德看得见摸得着可量化的部分。

在信息技术走向专业化的进程中，很多概念都在不断厘清，特别是对于高中阶段的学习，避免空洞的讲述，浅层次的说教，让学生在更高的认识高度来理解信息产生、消灭和流动的客观规律和主观策略，有助于减少课程建设当中的迷思和困惑，也有助于改进我们的教学。