读展|香农时代话香农——从展览“光电之迹”谈香农的划时代贡献

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展览“光电之迹”第二单元——香农时代

 

香农时代话香农

从“光电之迹”展览谈

香农的划时代贡献

            文 / 清华大学科学博物馆 范爱红

  “光电之迹——信息科技先驱手迹展”(以下简称“光电之迹”)于2021年5月18日在清华大学科学博物馆开幕,吸引了众多观众,受到一致好评。该展览聚焦近200年的信息科技发展历程,以40多位科学巨匠及其里程碑式的重要发明为线索,叙述了信息学科领域的发展脉络,通过人物手迹、实物展品、视频等方式进行立体化展示。名人手迹真品是该展览的特色和亮点,包括信札、手稿、便条、签名书、签名照片、股票凭证、名片等类型,策展人做了精心翻译与背景解读,给人一种见字如晤的亲切感和直面伟人的震撼力,也让展览散发出历史的余温和科学巨匠的人格魅力。

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“光电之迹”展览现场

 

“光电之迹”展览分为两个部分:“从摩尔斯到卢米埃尔兄弟”和“香农时代”。展览十分突出克劳德·香农(Claude Shannon,1916-2001)在近代信息学科发展中的奠基地位,将其贡献提到划时代的高度。展厅入口处的展览人物导图中,香农位于中心节点。展览中“香农时代”的导语写道:香农开创性的论文建立起了我们现在所处的信息化时代背后的整个通信基础架构。对香农的个人介绍则是:美国数学家、电气工程师和密码学家,“信息熵”概念提出者,被誉为“信息论”之父。

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香农亲笔签名藏书——哥伦比亚大学出版社
1944年出版的《个人及其社会:
原始社会组织的心理动力学》,
此展品正在“光电之迹”展出

 

但是,香农在中国公众中的知名度并不高,绝大多数非信息学科背景的观众从未听说过这位科学巨人。那么,香农究竟是怎样一位大神级别的科学家,他对信息学科有哪些杰出贡献?信息论对于当今信息社会又有怎样的重要意义?了解这些背景,可以更好地理解“光电之迹”展览以及“香农时代”的里程碑意义。

 

香农的杰出贡献

No.1 基于布尔逻辑的开关电路

1937年,21岁的香农完成了硕士毕业论文《A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits》(《继电器与开关电路的符号分析》),该论文被誉为20世纪最重要、最著名的一篇硕士论文。它将开关电路、布尔逻辑代数、二进制计算这些此前毫不相干的学科知识关联起来,我们今天所有数字电路设计最底层的数学原理都写在了这篇论文中。从此,通过布尔方程式按照一定步骤就可以设计出具有复杂逻辑关系的电路。半个多世纪前英国数学家乔治·布尔(George Boole,1815-1864)创建的布尔代数终于得到了实际应用,电子计算机的发展也因此有了数学和电路基础。

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香农硕士毕业论文

 

No.2 信息论

1948年,32岁的香农在贝尔实验室内部科学刊物 BELL SYSTEM TECHNICAL JOURNAL 发表论文《A Mathematical Theory of Communication》(《通信的数学理论》),奠定了信息论的基础,标志一门新的学科──信息科学的诞生。

该论文在谷歌学术中已被引12.7万余次;在“Web of Science”平台迄今他引4.3万余次,施引文献来自电气电子工程、计算机、通信、人工智能、数学、物理、统计学、环境等学科,近五年还出现了新增长,从一个侧面说明香农的信息论对现代科学发展产生了广泛而持久的影响力,为多个学科做出了奠基性理论贡献。

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在贝尔实验室受聘期间,香农仍挤出时间进行研究(图片来自网络)

 

香农在这篇划时代论文中提出了著名的信道容量公式,即香农公式,后世几乎所有的现代通信理论都是基于香农公式展开的。

C=Blog₂(1+S/N) (bit/s) 该式通常称为香农公式。其中,C是信息传输速率的极限值,即信道容量;B是信道带宽,S是信号平均功率,N则是噪声平均功率。该公式给出了决定网速上限的两个因素——信道带宽与信噪比及其相互制约关系。

人们将香农关于无失真信源编码、有噪信道编码、有失真信源编码的理论论述并称为香农三大定律。香农三大定律奠定了信息传输和存储的理论基础,给信息技术研究指明了努力方向和极限边界。

 

No.3 信息的概念与度量

对于信息的本质概念,香农给出了精辟的阐述。他指出,信息的意义在于消除未知世界的不确定性。信息的最基本形式是某一事物的对与错,可用一个二进制单位来表示,香农将信息的度量单位命名为“比特”。他提出用“熵”来描述信源内部的不确定性,给出了信息熵的计算公式,解决了信息的计量问题。此外,香农对于信息冗余、信息编码、信息压缩、信息加密解密等信息科学领域的诸多基本概念也都给出了科学的解释。

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“光电之迹”展览现场

 

香农的贡献意义

香农独自创立了比较完整的信息学科理论,即信息论,建立起信息时代的世界观和方法论。信息科学后来发展出很多学科分支与重要技术,都以信息论为理论基础。令人称奇的是,香农的信息论一经问世,便已形成了成熟完整的理论体系,并且实践证明了它的正确性,显示出香农的超人智慧。

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贝尔实验室的香农塑像(图片来自网络)

 

尽管获得过不胜枚举的荣誉和奖励,香农终生无缘诺贝尔奖,但他对人类的贡献远远超过一般的诺奖获得者。鉴于香农的卓越贡献,IEEE(美国电气与电子工程师学会)特别以他的名字设立了通信理论领域最高奖“香农奖”(the Claude E. Shannon Award),而首届获奖者正是香农本人。在贝尔实验室的大堂,有两尊半身塑像,一个是亚历山大·贝尔,另一个就是克劳德·香农。

有幸身处“香农时代”,我们在享受信息技术高速发展带来的各种福利的同时,应该了解信息学科的发展历史,向以香农为代表的伟大先驱者们致敬,接过接力棒,继续前行。这正是“光电之迹”展览的意义所在。

 

参考文献
[1] 吴军. 信息传[M].北京:中信出版社,2020.
[2] 刘瑞挺. 香农:信息论及数字通信之父[J].计算机教育,2004(10):48-51.
[3] 罗世宏. 信息时代之父——纪念香农百岁诞辰[J].世界文化,2016(6):46-48.
[4] 崔光耀. 信息论的丰碑 密码学的鼻祖——写在克劳德·E·香农博士去世两周年之际[J]. 信息安全与通信保密,2003,(02):77-78. 
撰稿 | 范爱红
责编|谷霖

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