五、信息与能量

在热力学系统中，熵与能量是成比例的。△S = ∆Q 这个公式就是一个

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极好的说明。对于耗散结构，输入的负熵也是与输入的能量成正比的。但对于信息系统，输入的信息与输入的能量之间却不存在这种比例关系。例如一部收音机或电视机，它输入的信息是通过天线接收的电台或电视台的载波信号，信号的强弱与信号本身包含的信息量不成比例关系。输入信号的信息量与电源供给的电源之间也不存在比例关系。这里，从电源输入的是热力学的负熵，而从天线输入的是信息论的负熵。系统内部的有序化， 例如显像管屏幕上图像的有序化或喇叭声频振动的有序化，也可以用信息论的负熵来描述。这种有序化虽然要以电源的热力学负熵输入作为先决条件，但两者之间却并不存在因果关系。从天线输入的信息论负熵才是产生这类信息系统内部有序化的原因。正如人脑活动的有序化与吃饭（供应能量或热力学的负熵）之间不存在因果关系一样。

消耗不同的能量可以传递同样多的信息，而不同的信息量却又可以用同样多的能量传递出去。例如用不同的功率来拍发同一份电报，它们所传递的信息相等，消耗的能量却不同；而信息量不同的两份电报，却又可以用同样的功率拍发出去。因此，为节省能量计，实际的信息系统往往都是用很微量的能量来传递极其大量的信息。无论是工程技术中的通讯系统和自控系统，还是大自然本身所造成的生命系统，都是如此。例如对一部电子计算机输入很多指令，就只要消耗很少的能量。动物体的神经系统用来指挥肌肉活动所消耗的能量，与肌肉活动本身所消耗的能量相比，就简直小得微不足道。

信息系统从信息输入装置（例如天线）输入由很小的能量所携带的大量信息，这大量的信息又可以控制电源所提供的大量能量的变化，例如转化为电视机荧光屏上的有序化图像。自控系统往往还能控制更大得多的能量变化。这就是用小能量控制大能量的原理，或信息放大器原理。

对于热力学的耗散结构，其内部的有序化是由单一的热力学负熵流而引起的，除此之外，它再没有其他的信息流输入，这就是普里高津之所以能够避开信息概念的原因。也正因为如此，输入的负熵和能量之间才存在确定的比例关系。这就是说，热力学的耗散结构中不存在信息放大机制。但对于信息系统，热力学的负熵流（例如电源供给）与信息论的负熵流（例如天线输入的信息流）分开了，出现了信息放大机制，系统内部的有序化程度是输入的信息流所引起的，与电源所输入的负熵之间就不再存在因果关系和比例关系了。

“麦克斯韦妖”问题的实质也就是用信息来控制能量的转移或变换。

1929 年齐拉德（L．Szilard）发表了一篇讨论熵的论文，被认为是申农信息论的先导，其中就提出麦克斯韦妖要减少它所控制的系统的熵，它就要付出代价——本身产生熵增加。1948 年，维纳在《控制论》一书中也指出， “麦克斯韦妖在动作以前，必须收到有关前来的粒子的速度和位置的信息”。到 50 年代，布里渊应用熵的信息论解释，指出麦克斯韦妖要能分辨粒子运动速度的大小，就必须从外界获得信息，引起环境更大的熵增加。或者说，麦克斯韦妖必须从环境中获得更多的负熵为代价。于是，麦克斯韦妖的疑难就最后被解决了。

麦克斯韦妖疑难的解决，不仅是旧问题的结束，而更是新问题的开始。维纳说：“拒绝由麦克斯韦妖产生的问题要比解答这个问题简单。否认这种东西或这种结构存在的可能性是最容易不过的事了。严格意义上的麦克斯韦妖不可能存在，可是如果我们一开始就接受这一点而不加以论证，那我们就要失去一个难得的机会来研究关于熵和关于在物理学、化学和生物学中麦克斯韦妖的可能意义的系统知识。”如果我们把从外界输入负熵而产生有序化的系统都看成是一种含义经过修正的麦克斯韦妖，我们就有了一个统一的概念来研究包括耗散结构、信息系统和生命系统在内的一切产生负熵的开放系统了。含义经过修正的麦克斯韦妖并不违反热力学第二定律，它是在以环境提供负熵为代价的舞台上演出的有声有色、内容丰富、威武雄壮的史剧。热力学第二定律只告诉我们，每一台这样的史剧迟早都要结束。而我们的任务是研究每一台史剧，并且去导演水平更高、信息量更大的史剧！薛定锷的负熵概念、维纳的控制论、申农的信息论、普里高津的耗散结构理论⋯⋯，都是科学舞台上一幕幕威武雄壮的史剧。也许， 一场更为威武雄壮的科学史剧正在等待我们去编导哩！