信息時代之父

“大家”閱讀

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今年的4月30日是信息時代之父——克勞德·香農（Claude E. Shannon， 1916—2001）的百歲誕辰。為了迎接這樣一個深具標志意義的日子，總部設于紐約、43萬成員分別來自全球160多個國家的電機電子工程師學會（IEEE），已開展了一連串的慶?；顒?。原因很簡單，如果沒有兼具數(shù)學家、電子工程學者和密碼學家身份的香農做出的偉大貢獻，就不會有信息理論（information theory）的橫空出世，也很難想象信息技術、個人電腦和互聯(lián)網(wǎng)的誕生，更不會有當今我們所處的這個信息化時代。

正如教科書中對信息理論的描述：“我們目睹的不只是科技的變遷，更是心態(tài)的變遷?！_地說是在1948年，貝爾實驗室的香農博士提出一個新的資訊理論，此理論以精妙的數(shù)學表述，使我們得以將所感知到的模擬現(xiàn)象（例如影、音），轉化為數(shù)字化的位元。數(shù)字化語言的好處是可供機械判讀，而且可通過電腦快速處理，信息在傳輸過程中幾乎可免于任何扭曲或遺失?！?/p>

因為香農的卓越貢獻，電機電子工程師學會特別以他命名設置了地位崇隆的 “香農獎”（the Claude E. Shannon Award），而首屆獲獎者正是香農本人。另一個例子亦可證明他的舉足輕重：若你有機會走入貝爾實驗室的大堂，你將會看到“唯二”的兩尊半身塑像，一個是亞歷山大·貝爾，另一個就是香農。

對于這個信息化時代的誕生，催生者除了香農之外，至為關鍵的還有另外兩個人：英國的布爾（George Boole，1815—1882）和圖靈（Alan Turing，1912—1954）。如果沒有他們之間的那種充滿神奇與奧秘的知識“協(xié)作”過程，當前信息化時代的一切必將無有可能。就知名度和個人財富而言，他們三人遠遠不及被視為信息化時代英雄的比爾·蓋茨和史蒂夫·喬布斯，但他們的偉大程度絕對是有過之而無不及，因為沒有布爾、香農和圖靈，就不會有計算機、光盤或任何的數(shù)字化通訊傳播設備，不會有互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，也不會有后來能夠打敗人腦的超級計算機深藍、人工智能系統(tǒng)華生或阿爾法狗。

因為2014年電影《模仿游戲》的全球映演，圖靈在“二戰(zhàn)”期間破解德軍密碼機Enigma的重大貢獻，他的同性戀身份，以及他對“會思考的機器”的研發(fā)做出的努力，已經廣為人知。比香農年長四歲的圖靈，1943年前往美國電報電話公司（AT&T）下設的貝爾實驗室進行短期研究訪問，與1941年開始任職于該實驗室的香農相遇。個性孤僻、不善社交的圖靈遇到同樣不喜歡社交的香農，原本應該是兩條并行線，但兩人之間卻因為共同的研究興趣而經常在午茶時間促膝對談，并且不時擦出思想火花。

在他們相遇之際，他們兩人各自參與了“二戰(zhàn)”期間英美兩地密碼學的研究，但雙方都因為保密要求而不能向對方暢所欲言：圖靈負責的是解密任務，成功破譯了德國軍事通訊與指揮調度潛艇的密碼系統(tǒng)；而香農則負責通訊加密任務，確保美國總統(tǒng)羅斯福和英國首相丘吉爾之間的跨大西洋電話通信無法被敵軍破解。因為這些任務的保密性質，他們的話題轉向這兩個天才的另一個共同興趣：會思考的機器。

他們都相信機器可以像人腦一樣思考，也都相信若設計一臺會下西洋棋的機器，有朝一日它可能勝過優(yōu)異的棋手！圖靈心中構想的是和人腦一樣會思考的機器，而曾經學習遺傳學、神經學和語言學的香農想象的，則是一臺比人腦還更會思考的機器?；貞浰麄冎g的對話，圖靈曾經說道：“香農不光要把數(shù)據(jù)輸入這個機器（大腦），他還要讓它能夠演奏音樂！”圖靈自己對這樣的“超級大腦”沒有興趣，他要的是“一個普通的大腦，就像AT&T總裁那樣的大腦”。

他們兩人在獨立研究的情況下，各自結合了數(shù)學、邏輯和編碼理論，同樣都對后來電子、數(shù)字化計算機的誕生做出了舉足輕重、無人可匹敵的貢獻。值得一提的是，這兩個不世出的天才，都一樣對信息（資訊）的測量和計算方式抱有濃厚興趣，而且分別提出了信息的基本單位：圖靈提出的是一種叫做“分板”（ban）的單位，香農提出的則是“位元”（bit）。這兩個單位的基礎原理相近，但后來的歷史證明，是“位元”而非“分板”，成為數(shù)字時代通行于信息世界的單一貨幣。

除了參與協(xié)助美國軍方在飛彈射控技術與密碼學方面的研究，香農也被稱為“信息理論之父”。1950年代以后，他的影響力幾乎無所不在，特別是后來逐漸成形的數(shù)字化時代，每個數(shù)字化時代的子民，無人不直接領受到來自香農的思想瑰寶。香農到底有多么重要？正如南加州大學的索羅門·哥隆所說：“就像是形容發(fā)明字母的人對文學有多大的影響?！笨的藸柎髮W的托比·博格也說：“這是歷史上極少數(shù)的例子，建立新知識領域，不但提出所有正確的問題并加以證明，同時又能全部解答?！?/p>

這一切是怎么發(fā)生的？如果談及圖靈，則不能不同時提到香農，反之亦然。那么，在談及香農時，同樣不能不提到布爾，反之亦然。香農的存在意義和貢獻，由此可以察知。在命運的驅使下，這三個從小被當作神童看待的天才，跨越時空，分別地（其實又是共同地）開創(chuàng)了電腦運算、交換電路、密碼學與人工智慧的領域，并且為今天我們所知的數(shù)字化和大數(shù)據(jù)時代鋪下不可或缺的棋盤：圖靈被稱作電腦之父、人工智慧之父，香農被稱為信息理論之父，而布爾代數(shù)及其數(shù)學邏輯的重要性，同樣是不在話下。

香農和圖靈可說是生在同一時代的“瑜亮”，但彼此之間卻至為難得地惺惺相惜，幸運地曾經在人生際遇中短暫相逢與相知，看到對方眼里的智慧靈光，并且同時感到“吾道不孤”。

布爾與香農素未謀面，畢竟兩人的年紀相差100歲。如果沒有布爾的邏輯代數(shù)和數(shù)學邏輯，解決了“真/偽”和“與”“或”“非”等邏輯關系，香農后來勢必難以發(fā)展出他的信息理論和交換電路；但若沒有香農巧妙地將布爾代數(shù)與交換電路結合起來，與圖靈同樣是英年早逝的布爾可能還會繼續(xù)埋沒在小范圍的數(shù)學和邏輯學領域，而不可能因為香農的思想建構和發(fā)明，得以使布爾代數(shù)成為可以演算任何資料與數(shù)據(jù)的電子數(shù)字化電腦的基礎，并且促使后世幾乎所有的電子/數(shù)字化通訊傳播技術成為事實。無怪乎自2015年起，愛爾蘭科克大學（布爾最后任教的學校）與麻省理工學院（香農的母校，也是他最后退休的地方）聯(lián)合布置了為期一年的“布爾/香農聯(lián)合志慶活動”，以紀念布爾的兩百歲誕辰和香農的百歲誕辰，表彰這兩位對人類卓有貢獻的杰出學者。

香農最廣為人知與影響力宏大的著作是1948年發(fā)表于貝爾實驗室內部科學刊物的《（通訊）傳播的數(shù)學理論》一文。該文發(fā)表后，信息（資訊）、熵、不確定性、重復性、渠道容量、位元，以及信號和噪音等概念吸引了來自各個研究領域學者的目光。當時，這篇長達79頁的論文，各方索求者眾，一時洛陽紙貴，香農成為不同領域科學界交相討論與贊譽的對象。當時，香農才30歲出頭，剛剛走入婚姻生活。其實，早在此之前，也就是1938年，年僅22歲的香農完成并出版了他的碩士論文《繼電器與交換電路的符號分析》，史無前例地結合了布爾代數(shù)和電子交換電路這兩個原本風馬牛不相及的領域。因為寫得太好了，這本論文被后人譽為“至今寫得最好的一本碩士論文”。1940年，香農完成了跨界到遺傳學領域的博士論文《理論遺傳學的代數(shù)》，發(fā)現(xiàn)了孟德爾遺傳學和愛因斯坦相對論之間的數(shù)學關系！但從此以后，他完全不再碰與遺傳學相關的東西。同一年，香農獲得當年度全美工程學界聯(lián)合頒發(fā)的諾貝爾獎。

香農誠可謂是一位無視于學科疆界、冒險犯難的拓荒者，自由出入的漫游者！毫無疑問地，布爾、圖靈和香農都是人間少有的天才，但香農更勝一籌的是：他是個興趣廣泛、無所不精通的全才。

香農不喜歡社交，喜歡獨自一個人工作。當貝爾實驗室從紐約格林威治村搬遷至新澤西州后，香農堅持留在舊址工作，除了偏好獨立研究之外，另一理由是他喜歡晚間到實驗室舊址附近的爵士夜總會聆聽南方音樂。

香農還有一個終身不殆的嗜好，他不只是喜歡思索抽象的理論，更喜歡動手發(fā)明大量看似無用的小玩意，并且樂在其中，不斷改良更新。比方說，喜歡在貝爾實驗室廊道騎獨輪車的香農，為了驗證人類能夠騎多小的獨輪車，他動手改裝獨輪車并反復實驗，最后做出了任何人都騎不了的超小型獨輪車！

除了獨輪車，他愛玩耍，也愛自己DIY發(fā)明些新鮮玩意：一個有三根手指、會下棋的機器手，而且每當吃掉對手的棋子時還會發(fā)出嘲笑聲；一個能夠自動在空中拋接三個球的機器（香農本人可以同時維持在空中拋接四個球）；“終極機器”——一個貌似雪茄盒的機器，不知情的訪客按下雪茄盒外的把手后，頂蓋會緩緩開啟并伸出一支機械手，彎曲向下關掉開關，并且在頂蓋關閉前縮回盒子里；還有一個會自動修理自己的機器手（自動更換機器自身壞掉的電力繼電器）。

他還喜歡公開展示他發(fā)明的會闖迷宮的電子老鼠“奚修斯”：這只電子老鼠非比尋常，會自行通過嘗試錯誤的方式學習并記憶，從而成功地走出迷宮。另外，他還發(fā)明了一個不是二進位、而是以羅馬數(shù)字運算的電腦……

這些發(fā)明當中，有一大部分似乎是純粹好玩，但其中也有一些看似無用的發(fā)明，為后來人工智慧和機器學習的發(fā)展奠下重要基礎。

或許是因為他早已證明了自己的學術成就，貝爾實驗室基本上也對香農采取放任態(tài)度，并未對他的研究有過太多干涉。有人曾說，AT&T當時獨占電信事業(yè)，有本錢給予旗下優(yōu)秀科學家充分的研究自主性，無需處處以工作績效和成果產值來評量或限制這些天才。這真是非常令人羨慕的研究環(huán)境，讓貝爾實驗室的眾多天才得以一個個發(fā)光發(fā)熱，并且對人類科學與技術史的進展做出重大貢獻。

不過，AT&T也不是沒有失策之處，其中之一是未能接受香農在1954年的提議，未能同意投資制造為了兒童教育用途而設計的小型電子/數(shù)字化電腦（相對于當時大型的模擬/機械式電腦）。不過，后來由艾德蒙·柏克利開發(fā)推出商業(yè)銷售的GENIAC（電子/數(shù)字化個人電腦的雛形），還是得到了來自香農的協(xié)助。

1958年，香農主動求去，希望離開貝爾實驗室。AT&T為了留住他，提出誘人的加薪建議，香農不為所動，不過他和貝爾實驗室的合作關系一直維持到1972年。從1958年開始，他開始專任麻省理工學院教職。但香農教授在教學方面不怎么在行，當時該校的另一位學者彼得·艾理亞斯這么描述：“香農對教書的想法就是談些自己研究的事，但沒人聽得懂?！辈坏綆讉€學期，香農主動向校方要求不再教學。大多數(shù)時間里，他越來越少到學校里的研究室，主要都在自己的家里工作。他也不再發(fā)表論文，多數(shù)時候他也拒絕慕名而來的各種拜訪，拒絕回復向他提出各種請求的來信，整個人幾乎消失于公眾視野。

這個時候，他才不過40多歲。不發(fā)表論文，毫無功利心地做他自己感興趣的研究，設計發(fā)明一些新奇好玩的玩具。不缺錢的香農教授，領有麻省理工學院的優(yōu)渥薪資，曾在接受難得的訪問時說，他做研究不為商業(yè)目的，甚至是“無所為而為”，他感興趣的是知識上有挑戰(zhàn)性而且可以讓他樂在其中的研究。不過，有趣的是，自承對金錢毫無興趣的香農夫婦，因為股票投資而累積了大量財富。他對于應用他的信息理論于投資組合一事，具有獨到心得?？上У氖牵m想寫關于投資組合績效和技術分析的論文，但一直未能完成并發(fā)表。根據(jù)威廉·龐士東的說法，在1986年的時候，有人比較77位投資經理人的績效，只有一臺Apple II電腦和老婆的香農，投資績效卻完勝其中的74位；與當時1200多檔共同基金的績效相比，香農的投資績效也打敗了其中的1000檔以上。更神奇的是，巴菲特在1965年買下柏克夏·海瑟威公司，至1995年為止，30年的綜合報酬率是27%，而香農從1950年代末期至1986年投資組合的報酬率是28%——就報酬率而言，連玩股票都能贏過股神巴菲特，信息理論大師香農可真是“人生勝利組”啊！

1976年，香農正式從麻省理工學院退休。因為他深居簡出，淡出公共領域，潛心與妻子過著屬于自己的小日子，而且沉浸在自己廣泛的研究興趣之中，香農幾乎已成了縹緲不可及的傳說人物，甚至漸漸變得不真實起來。終于，1985年，香農難得出席一場遠在英國舉行的學術研討會，低調進出并聆聽各個場次的研討，一整天在現(xiàn)場卻無人認出他的身份。直到有人認出他，并在會場傳開消息之后，現(xiàn)場的大批學者像是粉絲一樣趨前致意并索取簽名。有人形容，當時的情景有如牛頓突然出現(xiàn)在當今物理學的研討會一樣。

但從那時以后，香農的健康狀態(tài)發(fā)生變化：因為阿爾茨海默癥，他逐漸失去記憶，也無法辨明這個日漸復雜與快速變化的世界。因此，1990年代中期，當互聯(lián)網(wǎng)崛起并開始向全世界普及之際，仍然在世的香農甚至可能不知道這個新興產物其實正是脫胎于他當年一手打造的信息理論！但天曉得，也許這正是他異于常人的智慧，或是幸運，又或者是兩者兼而有之。畢竟，香農沒有辜負這個時代，是他（和布爾、圖靈等人）創(chuàng)造了這個時代。