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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特稿 | 同心筑梦 共建科博 ——清华大学科学博物馆筹建六年来公益捐赠记事

  满怀清华心,共筑两岸情 正值清华大学113周年校庆和清华大学科学博物馆六周年馆庆之际,台湾长兴集团创始人、清华大学名誉校董高英士先生,向清华大学科学博物馆慷慨捐赠,支持科学博物馆“镇馆之宝”——水运仪象台等比例全功能复原研发项目。高英士先生的善举将为科学博物馆的筹备与馆藏建设工作起到积极推动作用。   高英士先生,生于1924年,祖籍台湾省台南市,上海震旦大学法律系毕业。作为一名实干兴邦的企业家,高英士先生辛勤深耕化工产业数十载,致力于全球化学原料进口及制成品输出业务,始终把“技术开发与提升”作为企业发展的核心驱动力,取得举世瞩目的成就。 高英士先生也是一位情谊深厚的慈善家。自上世纪90年代始,高英士先生与清华大学达成紧密的战略合作关系,在学校的教育发展、人才培养、基地和平台建设、产学研合作等方面给与了鼎力支持。从英士楼到艺博英士珍藏展,从“清华之友-长兴奖学金”“清华之友-高英士奖学金”再到“清华之友-承宪康纪念奖学金”,高英士先生对清华的关怀与支持浸润在清华校园的方方面面。就是这样一位期颐老人,心系国家,身体力行地回馈社会,为教育和文化公益事业助力赋能。 伟大之大学,必有伟大之博物馆。高英士先生曾这样评价博物馆的重要意义:“博物馆具有提升人类精神层次及正向思考的价值,因此博物馆的设立对大学教育具有相当程度的影响。”清华大学科学博物馆作为中国第一家综合类收藏型科学博物馆,以展现古今中外科学技术的历史成就,激励科技创新、促进科学传播为使命,推动科学与人文的交叉融合。这与高英士先生所秉持的理念不谋而合。在欣闻科学博物馆的筹建工作后,高英士先生很高兴地答应捐助科学博物馆水运仪象台复原研发项目。   水运仪象台等比例全功能复原项目是清华大学科学博物馆的重点建设项目,复原品将放置在科学博物馆未来场馆的核心区域,成为“镇馆之宝”。水运仪象台是中国古代体量最大、耗资最多、机械技术含量最高的单体科技制品的巅峰之作,综合体现出古代中国在天文仪器、机械制造和冶金技术等领域的最高成就,具有科学史、技术史、制度史、建筑史的研究价值。 同时,水运仪象台与清华大学具有深厚的渊缘。20世纪五十年代,清华大学时任第一副校长、中国机械学科和机械史学科的开创者刘仙洲教授(1890-1975)以《新仪象法要》为蓝本对水运仪象台的复原及其若干技术性细节提出了构想。2010年左右,清华大学机械学院唐晓强教授对水运仪象台关键机械(水轮擒纵机构)进行了突破性重建,成功研制出1:3尺寸的样品,并取得了国家专利。 在此基础上,科学博物馆将锐意进取,勇攀高峰,旨在实现水运仪象台枢轮机构、报时系统、浑仪和浑象全功能、全天候无故障连续运行的创新与突破。通过这台仪器,观众能够充分理解中国古人利用浑仪、浑象、漏刻等仪器进行天文观测、演示的方式,理解古代的计时方式,了解水车等生产实践工具的原理、应用等。观众亦可通过室外金字塔型的玻璃窗窥见水运仪象台雄伟的体量和令人震憾的运演过程。   为了完成此项重任,科学博物馆还特别邀请到原台湾南台科技大学机械工程系特聘教授兼古机械研究中心主任林聪益教授主持水运仪象台复原研发项目。除了台湾高英士先生的捐助,水运仪象台复原研发项目此前还曾获得过唐仲英基金会、清华大学1999级本科校友的捐助。该项目预计在3年内完成整体复原工作。   星光汇聚  共谱华章 科学博物馆筹备队伍,薪火赓续,奋楫笃行。六年来,每一位科博人秉炽热之心聚焦收藏、研究、展陈、公教、传播事业,全方面镌刻科博的璀璨科学蓝图。 伟大之博物馆,必有伟大之馆藏。科学历史藏品为世界科学的发展历程提供了强有力的物证。在学校各部门的鼎力支持和帮助下,科学博物馆馆藏建设成效显著,建设了450平米展厅、537平米库房,通过“收、买、造”多种途径充实、积累了6500余件古今中外的科学藏品,向成为世界一流大学博物馆的愿景持续迈进。这些成绩的取得离不开以清华校友、社会爱心人士以及公益组织构成的团结紧密且涉足多领域、多学科、多行业并日益壮大的科博捐赠网络。   六年间,众多像高英士先生一样满怀科学热忱的清华校友以及社会各界爱心人士相聚科学博物馆,倾囊相授。 从邓锋、利青校友代表的深圳市汇爱公益基金会,到清华大学2007级本科校友设立的“恰逢柒时”科学博物馆发展支持项目、 1999级本科校友设立的“久久同心”科学博物馆发展支持项目、1989级本科校友设立的“八纮格致,九转功成” 科学博物馆发展支持项目; 从唐仲英基金会对“达·芬奇机械发明的复原研究项目”“北宋水运仪象台复原项目”的大力支持,到清华大学教育基金会设立“博物致理,共建科博——清华大学科学博物馆馆藏建设”筹款项目; 从王晓滨校友捐赠推动“科学革命中的仪器”复原收藏,到清华校友王裔澄、袁桅、郑培敏、罗茁、陈克棉、孙玉文、张晓娜、阙里、李如心,我国已故哲学家、美学家叶秀山,投资人周航、李艳洁、Austral,资产管理人田江川、杨海燕、段苏函、吴兆光,高山书院肖盾、吕永超,清华教工曹敏丽、张鑫蕊、姚夏涵,以及杨怀越、杨怀超、杨怀谦三兄弟,杨光、杨淇奥祖孙俩,金勤献、刘自敏、金梦笛一家,杨华、杨珍晖夫妇,龚超、王梦之夫妇等,他们都在支持科博的路上写下浓墨重彩的一笔。 真挚感谢每一位捐赠者,您的每一笔捐款、每一件捐赠藏品,都使我们有幸透过时间的长度与空间的厚度,再次抚触科学器物背后的故事,感受器物蕴藏的科学力量。您对科学的热忱也将同这一件件器物载入科博建设历史,焕发出新的生机与活力。   科学博物馆永久馆址已经破土动工,竣工在望。尽管科学博物馆的各项筹备工作已有实质性成效,但在创建世界一流大学博物馆的道路上,仍然任重道远,面临资金、藏品等方面的种种困难,亟需来自社会各界的持续支持与帮助。 目前,随着科学博物馆筹备工作及永久馆舍建造的不断推进,科学博物馆也将持续开展并推进巴比奇差分机一号、唐迪钟、奥瑞仪、哈里森航海钟、焦耳桨轮实验装置、牛顿反射式望远镜、胡克复合显微镜等大型科学仪器购置/复原计划以及16-18世纪欧洲古天文仪器的复原项目、中国古代水力天文钟的复原项目、元代郭守敬的观象授时仪器复原项目等,以期进一步丰富科学博物馆收藏、研究、展陈等核心功能。 在此,全体科博人呼吁各位关心、热爱并支持科学博物馆事业发展的有识之士能与我们同心筑梦,共绘未来世界科学文化新华章,科学博物馆将以多种方式彰显、回报捐赠者的善举。 捐赠联系人:范老师 电话:010-62780628,13522892748 邮箱:fah@tsinghua.edu.cn   科学器物带着我们对科学的热爱与崇敬, 汇入科学文明的长河中, 这份深情也将会同器物一样 在眼波流转中染上岁月的斑驳, 但科博会为您的真诚与付出记载与定格。 蓦然回首时, 您终将会撩拨起对科学悸动的那份回忆。   责编|伊墨 文字|张泽明 审核 | 范爱红 鸣谢 | 清华大学教育基金会  
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清华大学科学史系与科学博物馆(筹)教职工赴故宫观展

2024年4月23日上午,由清华大学科学史系主任、科学博物馆馆长吴国盛带队,系馆教职工一行二十余人赴故宫博物院参观“紫禁城与凡尔赛宫——17、18世纪的中法交往”展览。 在中法建交60周年之际,展览《紫禁城与凡尔赛宫》以中法两国外交、文化和艺术交流为主题,展现百年间双方彼此尊重、相互欣赏的政治交往史和彼此借鉴、相互学习的文化交流史。展览精选约200件展品,多数收藏于凡尔赛宫和故宫博物院,涵盖科学仪器、瓷器、绘画、书籍等多种类型。是难得一见的与科学类收藏相关的展览。 在故宫博物院筹展团队成员王宜若老师的介绍下,科学史系与科博教职工参观了位于文华殿展出的展览。展览共分三个单元:第一单元为“龙与百合花的相遇”,主要介绍了中法间政治交往和文化交流的开端。第二单元是“紫禁城中的法国风景”,分为“礼品和定制”和“交汇与新创”两个章节。本单元展示了随着两国交往的不断深入,清代宫廷收藏中出现了种类丰富的法国器物,既有两国交往的礼品,又有传教士的贡献,更有清宫向法国定制的物品。而第三单元为“凡尔赛宫的中国时尚”,同样分为“收藏和改造”和“模仿与灵感”两个章节。其主要向参观者呈现了被法国王室成员和政要收藏的中国艺术品,并在展览中解析法国对中国进口物品的装饰和改造,以适应当地人的审美需求。 观展后,吴国盛教授就布展方式、藏品展示、科学器物收藏等问题与故宫博物馆院筹展团队进行了初步的交流,双方都希望在以后的工作中加强沟通与合作。 本次参观活动也是科学史系与科学博物馆首次联合举办团队建设活动,科学博物馆自成立以来,与科学史系联体运行,科学博物馆不仅为科学史系提供了一个宝贵的实践教学平台,同时也借助科学史系的学术资源,不断丰富和深化展览内容,让更多的公众能够领略到科学的魅力。这次活动不仅是系馆长期合作关系的一次深化,更是对未来更加紧密合作的一个美好展望。   撰稿:刘骁 摄影:孙德利,孟洁 审核:孟洁
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张自强先生向我馆捐赠四通MS-2411型打字机

2024年4月20日,张自强先生向我馆捐赠一台1999年生产的四通MS-2411型打字机。四通MS-2411型打字机由我国著名科技企业四通集团公司于1993年生产推出,是我国第一台符合ISO 10646《通用多八位编码字符集》的多国语种中外文打字机。 张自强先生曾担任四通公司工程师,全程参与了四通MS-2406中文打字机的研发,负责主机板的研发设计,获得四通集团开发一等奖。        延展阅读︱中文如何走进电子设备?专访四通打字机工程师张自强   (收藏部供稿)
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馆校共建:海淀区第三实验小学五一班师生走进清华大学科学博物馆

4月20日上午,北京市海淀区第三实验小学五一班师生三十余人在清华大学科学博物馆听取了一场生动有趣的博物馆讲座并在博物馆讲解员的带领下参观展览。这是科学博物馆根据北京市教育改革方针面向中小学开展的有关科学教育的馆校共建活动。   科学博物馆复原研究员杨智明为师生们带来一场题为《科学史上的伟大科学家》的科普讲座,他通过生动的讲解和展示,将一个个深奥的科学原理融入到科学家故事中,充分调动了学生们参与的积极性。一个小时的讲座时间过得飞快。师生们均表示意犹未尽。                     讲座结束后,师生们依次参观了科博的展览——“海外奇器——晚清士人眼中的西方科技世界”“百年器象——清华大学科学仪器历史展”。他们认真观看了各种展品,感受了科技发展的历史变迁,深刻理解了科学的伟大意义。   通过这次别开生面的博物馆讲座、参观活动,海淀区第三实验小学五一班师生们不仅开阔了眼界,增长了知识,更激发了他们对科学的热爱和学习的欲望。相信这次活动将成为他们学习生涯中宝贵的一课,开启他们对科学探索的新篇章。   (撰稿:孟洁   审核:范爱红)