摘要：客观世界由物质世界和信息世界组成，每个世界中都有存在性和能动性两大基本属性，于是客观世界就有了物质、能量、信息和智能这四个基本属性。物质科学是研究物质世界的科学，它是一个大的学科门类，现在已经非常相当地丰富和完整。信息科学是研究信息世界的科学，它也是一个大的学科门类，不过它的理论体系建设才刚刚起步，还有许多规律需要探索。在这个时候，认真回顾物质科学理论体系的建立过程，从中一定可以得到许多关于如何建立信息科学理论体系的重要启示。

关键词：物质世界  信息世界  物质科学  信息科学  理论体系

 

    本文作者提出科学假设，整个世界可以一分为二：物质世界与信息世界；它们各自都有两大基本属性：存在性和能动性；宇宙事物具有四个基本属性：物质、能量；信息、智能。作为一个大的科学门类，研究物质的物质科学已经非常丰富和完整；而另一个大的科学门类，研究信息的信息科学体系建设却刚刚开始。本文的目的是，回顾物质科学的建立过程，得到关于建立信息科学理论体系的若干启示。

 

一，两个世界的四大要素

    在近代科学史中，人类对客观世界的认识大致经历了以下过程：

1）近代科学是在研究物质科学（material science）的基础上发展起来的，它的基本思想是认为客观世界是物质的，物质（matter）是不依赖于意识而又能为人的意识所反映的客观实在。

2）辩证唯物主义认为，物质是第一性的，意识是第二性的，存在决定意识，意识可以反作用于物质^[1]。

3）物质科学认为物质世界具有存在性和能动性两大基本属性。人类最早发现和利用的是物质的存在性（材料属性），在此基础上出现了机械工具和材料科学；直到近代才发现和利用了物质的能动性（能量属性），在此基础上出现了能源工具和能源科学。虽然信息属性早已被人类发现和利用，但它一直被禁锢在主观的精神世界和意识层面中，不属于客观世界。自然界中客观存在的信息和信息过程被长期忽略，智能则被认为只有人类才可拥有的特权。

4）通过最近几十年来研制计算机等信息工具和智能工具的实践，人们发现人脑的思维过程和智能活动原来都可以用信息处理机和人工智能机来实现。尽管任何信息都需要一个物质载体来表示和传播，任何一个信息处理过程和智能活动过程都必然借助一个物质运动过程来实现。但是，信息和它的物质载体、信息处理过程和智能活动过程与它的物质运动过程是同时存在而又彼此独立的，是一个事物的两个不同方面。利用从人工系统中得到的这些规律来重新观察神精网络活动、生命活动、甚至自然界的各种发展演化过程，发现它们都满足这个规律。任何物质中都包含有信息，任何一个物质运动的过程都伴随有一个信息处理过程。这些发现使人类开始重新认识和定位信息、信息处理和智能，把它们从主观的精神世界和意识层面中解放出来，成为客观世界中独立于物质世界的信息世界^[2]。

5）信息世界同样也具有存在性（信息属性）和能动性（智能属性），人类利用这些属性已经制造了许多信息工具和智能工具，研究信息和智能的各种学科也因此而诞生。

6）我们并列讨论物质科学和信息科学的认识前提是：客观世界一分为二，物质世界和信息世界，它们是相互依存、不可分离的。在每个世界中，都有存在性和能动性两种不同的基本属性。于是就形成了客观世界的四大基本要素：物质和能量，信息和智能，这四大要素同样是相互依存、不可分离的^[3]。

二，物质科学的理论体系

1）物质科学研究的历史回顾

    在物质世界中，人类是如何认识并利用物质和能量、逐步建立起整个物质科学理论体系的过程，对我们今天研究信息世界的存在性和能动性，认识并利用信息和智能、逐步建立整个信息科学理论体系有十分重要的借鉴意义。

从原始人类进化到现代人类的几百万年历史，是一部工具和知识的发展史。由于社会生产力的不断发展，人的各种自然能力的局限性不断暴露，不得不借助各种工具的力量来突破这种局限性，增加人类认识自然和改造自然的能力。工具的发展则带动了技术、产业和理论的发展，推动了经济和社会的转型。按照工具的基本特征，人类社会的发展史大致可分为三个时代，目前已经历了两个时代，正在向第三个时代过渡^[2]：

第一个时代是材料时代，主要是机械工具的出现和持续不断地大发展，如石器、陶器、铜器和铁器等。机械工具的功能是部分地代替人类的肢体，以便在强度、硬度、切削能力和精度等方面有所突破，克服人类手、脚、牙等自然器官能力的局限性，更有效更精确地去完成各种工作任务。但这时期的工具仍然要靠人、畜、风和水等自然动力来驱动，完全靠人的自然智力来控制。

第二个时代是能源时代，主要是动力工具的出现和持续不断地大发展。动力工具在机械工具的基础上增加了动力装置，如蒸汽机、内燃机、电动机和核动力机等，其功能是部分地代替人的体力来驱动机械装置完成各种工作任务，以便突破人、畜、风和水等自然能源的局限性，但整个工具系统仍然靠人的智力来控制。

第三个时代是信息时代，主要是信息工具和智力工具的出现和持续不断地大发展。信智工具在动力工具的基础上增加了信智装置，如信息处理机、计算机和人工智能机等，其功能是部分地代替人来直接控制机械装置和动力装置，以便突破人的自然智力的局限性。信智装置能够接受人的指示，根据外部环境的状态和变化，按照预先规定的策略和程序，协调整个工具系统内部各部分的活动，联合完成规定的工作任务，有的甚至还具有自学习功能。信智工具相对于人的独立性大大增强，可以自主或半自主地完成许多低层次的规律性较强的工作，人类可把精力集中到更高层次的规律性较差的创造性工作中去。

2）材料时代的基本科学问题和核心基础理论

由于物质都具有位置、体积和质量等特性，不少物质还有固态和液态及颜色等有形的存在状态，所以物质是最早被人类认识和利用的要素。工业革命前，人类主要是利用物质中的各种天然或人工材料制造各种机械工具，可统称为材料时代，历时数百万年。这期间的人类发展史，常以使用的主要材料为标志来划分：如100万年前，原始人以石头为工具，称为旧石器时代；1万年以前，人类对石器进行加工制成精致的工具，从而开始进入新石器时代；后期出现了烧制的陶器，称为陶器时代；公元前5000年，人类掌握了冶铜技术，开始进入铜器时代；公元前1200年，人类开始使用铸铁，从而进入铁器时代，后期出现的炼钢技术为工业革命奠定了重要的物质基础。

在整个材料时代，人类主要利用的是客观世界的物质要素，研究的主要科学问题有：自然界为什么会有如此众多种类的不同物质；不同物质为什么会有不同的性质；众多的物质是否由少数更基本的元素组成；能否将一种物质转变成另外一种物质等等。可见材料时代的基本科学问题可归结为宏观物质的组成成份和化学变化。在探讨这些基本科学问题的过程中，发展起来一门公共的基础性学科--化学，它一般性地回答了组成物质的化学元素和化学成份，物质的化学结构和化学性质，以及物质之间的化学变化规律等问题。后来在化学的基础上形成了整个材料科学体系，所以化学是材料时代和材料科学的核心基础理论。以后又出现了高分子材料和有机材料，它的核心基础理论仍然是高分子化学和有机化学。

3） 能源时代的基本科学问题和核心基础理论

在整个能源时代，人类主要认识和利用的是能量，但开始时人们对力、功和能的有关概念还没有深入认识。如当时曾想到用杠杆和各种储能器来提供大功率的能源，但都失败了，因为它们只能放大“力”，而不能放大“功和能”。总的来说能源时代关心的主要科学问题有：物体为什么会运动；影响物体运动的因素有哪些，它们是什么关系；物体运动的内在本质和外在表现是什么；能量的储存、释放和转换规律等等。能源时代的基本科学问题可归结为物体的运动和能量转换规律。在探讨这个基本科学问题的过程中，发展起来一门公共的基础性学科—物理，它首先由英国的科学家牛顿在1687年建立，叫经典物理学，其核心部分是经典力学，后来又发展了热力学，电动力学和核子物理学及量子力学。物理学一般性地回答了物质的质量、力、运动和能量及其相互之间的转换规律等问题，是整个能源时代和能源科学的核心基础理论（见表1）。

表1  物质科学中的基本科学问题和核心基础理论

现代物理学进一步研究表明，物质和能量是不可分割的统一体。在物质的结构中蕴涵有能量，改变物质的结构必然会伴随着能量的变化：或者需要吸收一定数量的能量，或者是释放一定数量的能量，物质和能量之间还可以相互转换。

4）物质科学的理论体系概述

物质科学是研究物质世界的存在性和能动性的科学，它是一个大的门类，包括天文学、空间科学、地球科学、海洋学和生物学等基础性科学，还有材料科学、地质科学、能源科学、医学、农林牧渔等应用性科学。物理和化学是整个物质科学的核心基础理论。物质科学的前沿研究课题有宇宙的起源与演化、物质的本质与基本结构、生命的本质和起源等^[4]。

物质科学的基本研究内容包括物质的结构、物质的变化、力和场、物体的运动、能量转换规律等。物质科学的基本研究方向是将物质不断地还原为更微观层次的元素及其间的作用力，希望将物质现象归结为一些不可再分的基本粒子和基本力。目前的认识是^[5]：

（1）物质世界的四种基本力。物质的运动规律由物质之间的四种基本力决定，它们是引力、弱核力、电磁力和强核力。引力（gravitational force）是所有具有质量的物体之间的吸引力，在4种自然力中强度最弱，作用距离和时间无限，但强度与距离的平方成反比。引力在微观世界中几乎不起作用，但在天体运动中起决定作用。弱核力（weak nuclear force）是仅在基本粒子之间起作用的自然力，其强度第三，作用距离很小，作用时间仅为10^-6～10^-8秒。电磁力（electromagnetic force）是带电粒子与电磁场之间的相互作用力及带电粒子之间通过电磁场传递的相互作用力。它的强度第二，其作用范围、时间和强度变化规律与引力相同。强核力（Strong nuclear force）是作用于强子之间的自然力，它的强度最强（是弱核力的10¹²倍），作用距离最短（约10^-15～10^-10米）。

（2）物质世界有五大层次。人类是从自己所在的宏观世界开始，向上已扩展到宇观世界，向下已深入到微观世界。有迹象表明，还有可能存在更大的胀观世界和更小的渺观世界，共有5个层次。

名    称  最小尺度 典型尺度 最大尺度     代表性理论

渺观世界                   3×10^-27米以下  有待发现

微观世界  3×10^-7米--3×10^-17米--3×10^-27米      量子力学

宏观世界  3×10¹²米--3×10²米--3×10^-7米        牛顿力学

宇观世界  3×10³¹米--3×10²¹米--3×10¹²米       相对论

胀观世界  3×10³¹米以上                   有待发现

    宇观世界是目前已知的最大物质世界，它包含了人类所能观测到的全部宇宙空间，是引力起主导作用的领域，它服从狭义相对论和广义相对论。宏观世界是从物体表面到太阳系周围的世界，是引力起主导作用的领域，服从牛顿力学。宏观的电磁效应服从麦克斯韦方程组。微观世界又分为若干层，最上层由分子及原子组成，原子又由原子核和核外电子构成。原子很小，直径约10^-8厘米，原子核大约是10^-13厘米，电子则更小，大约是10^-21厘米。在原子核以下有质子和中子，比质子和中子更小、更基本的粒子有介子、中微子、反粒子以及组成质子、中子的夸克等，达几百种之多。微观世界的粒子可分为强子、轻子和传播子三类：强子是指参与强核力作用的那些粒子，包括质子，中子、π介子等。强子又由夸克组成，夸克有上、下、奇、粲、底、顶6类，每类有3种，共18种。轻子与强核力作用无关，只参与弱核力、电磁力和引力的相互作用，如电子、中微子、μ子、τ子等。微观世界是量子力学起主导作用的领域，微观的电磁效应服从量子电动力学。

根据量子场论的观点，粒子是场的激发态，各类基本力对应着特定的规范场，因此物质被进一步统一为实物粒子场、规范玻色子场等量子场。

    自然力的传递是由传播子完成的，传递强核力的称胶子，传播电磁力的是光子，传播弱核力的是中间玻色子W⁺、W⁺和Z⁰，传播引力的是引力子(Graviton)。

（3）暗物质存在于人类已知的物质之外，目前我们知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和已知物质完全不同。根据现有观测数据计算，宇宙总能量中的73%是暗能量。暗物质和暗能量的研究有可能革命性地改变我们现有的世界观，进一步认识清楚物质和信息的内在关系。

由上述物质科学理论体系的概括性描述，我们可以得到一些有意义的启示：

（1）在物质世界的认识中，首先要建立一个物质的存在空间，它是展现物质存在性和能动性的舞台。物质空间由三维距离空间和一维时间组成，是一个四维空间，物质空间中的每一维都是无限的。物质空间的性质与物体运动的速度有关，在低速运动情况下物质空间是线性的，在接近光速时物质空间呈现出非线性。还有理论认为，基本粒子的存在空间是十维空间，除了已知的4维空间外，其他6维人类目前还不清楚。

    （2）物质的存在性首先表现为物质的占位性，一个物质必然在物质空间占有一定范围的位置（体积）。在占位性的基础上它还具有一定的惯性（质量）、物质结构的多样性（不同的金属、非金属、无机物、有机物、分子和原子及各种基本粒子）、存在形态的多样性（固态、液态、气态和等离子态及各种场）。正是物质结构和形态的多样性，造成了物质种类及其性质的多样性。

（3）物质的能动性决定于物质空间中四种基本力（引力、弱核力、电磁力和强核力），而基本力只存在于对应的场（引力场、弱力场、电磁场和强力场）中，并只对特定距离中的特定物质产生作用，形成特定的物质运动形式和物质结构。

（4）物质的存在性和能动性不能截然分开，不仅物体的运动与能量变化有关，而且在物质的结构中也蕴涵有能量，物质结构的变化必然伴随能量的变化。

（5）在整个物质科学研究中，基本上都是从定性的被动观察自然现象和积累经验资料开始，当积累的资料相当丰富后，必然会转入定量的理论研究阶段。在理论研究阶段，由于建立了各种因素之间的数量关系模型，可以由一些已知的参数，计算出未知的结果。所以可以主动地设计一些实验来验证自然规律，预言某些自然现象将会发生。定性的观察积累和定量的理论建模是建立整个物质科学理论体系不可或缺的两个重要阶段^[6]。

（6）物质世界是一个庞大的、开放的、正在不断演化的系统，可以从不同的层次、不同的侧面和不同的时间阶段进行研究和利用。所以物质科学是一个庞大的理论体系，是一个永远都在不断地扩大和不断地深化的开放的理论体系。

（7）客观世界的统一性和差异性是一对辩证矛盾，目前正在研究四种基本力的统一，将来物质和能量有可能走向统一，物质世界和信息世界也有可能走向统一。但是，这些统一的基础是必须首先充分地研究清楚各种差异性。

三，信息科学中的一些基础性问题

    1）信息科学是一个大的科学门类

关于信息科学的著作和讨论已经不少，他们共同的特点是都把“信息科学”定位在一门具体的科学上，如同天文学和生物学的地位那样。

我们认为，如果说信息世界是一个与物质世界并列的世界，它们具有相同的复杂度和丰富度。那么我们就不应该把“信息科学”设想为一门具体的科学，而应该是一个可以和“物质科学体系”相提并论的大科学门类。当然，人们当初对物质科学理论体系的认识也是从具体的天文学、物理学、化学和材料科学等一步一步逐渐扩大和深入的。但是，现在我们已经有了建立物质科学理论体系的成功经验，可以把建立信息科学理论体系的路走得更自觉、更毕直和更快捷些。

参考建立物质科学理论体系的经验我们可以这样设想，信息科学是研究信息世界的存在性和能动性的科学，它是一个大的科学门类，其中包括有类似于信息论、控制论和系统论这样的基础性科学，类似于计算机科学和自动控制这样的应用性科学，还类似于逻辑学这样的核心基础理论。信息科学的基本研究内容应该包括信息空间、信息结构、信息变化、信息场和智力、信息体的运动、智能的转换规律等等。

关于信息科学理论体系的研究，目前主要停留在定性的被动观察和积累经验资料的阶段，各种部门信息学都在忙于整理各个具体领域内的信息表现形式和特点，定性的把它们描述出来。然而，开展定量的理论研究是建立信息科学理论体系的必不可少的先决条件。在对信息世界进行定量的理论研究时，逻辑学和数学一起，将发挥不可替代的作用^[7]。

2）信智工具正在催生新的科学理论

人类的历史表明，机械工具的出现和大量使用催生了化学和材料科学的诞生。能源工具的出现和大量使用催生了物理和能源科学的诞生。在强大应用需求的牵引下，最后形成了庞大的物质科学理论体系。现在，信息工具和智能工具（简称为信智工具）已经出现并大量使用，它必然会催生一批新的科学理论的诞生，最后形成一个庞大的信息科学理论体系。

1946年美国的第一台计算机ENIAC问世，标志人类已进入信息时代。信息时代的主要特征是出现并大量使用了信智工具。机械工具需要人力的驱动和控制；动力工具带有动力装置，可自行驱动，只需人的智力进行必要的控制；信智工具则自己带有动力和信息处理装置，可以在一定程度上脱离人的控制而自主运行。信智工具的出现和持续不断地大发展意味着过去那种以人的智力作为信息处理唯一“原动力”的状况已经改变，人类已经从简单、繁琐的那一部分脑力劳动中解放出来，可以把智慧集中到那些更富于创造性的工作中去，并使那些单靠人的自然智能无法进行或带危险性的工作得以完成。

既然我们已经进入一个不同于过去的信息时代，那么，这个时代必然有不同于过去的基本科学问题和独特的核心基础理论。我们认为信息时代的基本科学问题应归结为信息的结构和运动规律，其中包括传统信息处理和智能信息处理。过去认为逻辑是研究思维规律的科学，这太片面了，现在的科学实践已经表明，逻辑学是研究信息结构和信息处理规律的科学。所以，我们认为，信息时代的核心基础理论是逻辑学。当然现有的逻辑还无法承担这个重要任务，它需要进一步的充实提高。未来的逻辑学至少需要包括能描述各种信息形态和信息结构的理论、规范各种信息处理和信息转换过程的理论、处理确定和各种不确定信息的推理理论等，我们称这套理论体系为泛逻辑学^[8-10]。我们还注意到在过去几十年中发展的重点是数字化，信息装置的主要任务是对简单系统中的确定性问题进行传统信息处理，而未来几十年的发展方向主要是智能化，信息装置的主要任务是对复杂系统中的非确定性问题进行智能信息处理。所以，信息时代有明显的两个不同时期，数字化时期和智能化时期，它们的发展侧重点不同。数字化时期的主要任务是利用信息的存在性建立信息的收集、传播、存储、确定性处理和应用等方面的基础设施和技术，数理形式逻辑发挥了核心基础理论的作用。智能化时期的主要任务是在数字化的基础上，利用信息的能动性在物质生产、社会生活和科学研究的各个领域中全面使用智能工具，自动处理各种不完全确定的问题。例如利用机器进行外层空间和深海探索、知识发现、智能决策、智能控制和智能服务等（见表2），它需要的核心基础理论是数理辩证逻辑。

表2  信息时代的基本科学问题和核心基础理论

3）需要深入研究的基础性问题

（1）信息空间是可能性空间，它是信息的存在性和能动性的表现舞台，信息场和智力也存在于其中。信息空间是个多维的无限空间。

（2）信息的存在性首先表现在它在可能性空间中的占位性，即信息的出现就是把空间中的某些可能性变成了现实性。

（3）信息的度量不仅与可能性有关，还与其他许多因素有关^[11]。

（4）信息具有内部结构，是无限可分的。如何描述和分解信息的内部结构？数理形式逻辑在描述信息结构中的作用。

（5）信息的度量具有相对的意义，其大小与参考点的位置有关。

（6）信息场的本质是什么，信息之间的作用力（智力）是什么，它与信息的内部结构和信息体的运动是什么关系？

（7）智能是描述信息能动性的量，它是信息体在智力的驱动下，在信息场中发生位移所做的智功。数理辩证逻辑在描述智能中的作用，根据信息科学定量研究的需要建立和发展数理辩证逻辑。

（8）要严格区别智力、智能（智功）和智功率这三个不同的概念，明确它们之间的关系。信息场、距离、信息体、信息体的质量、智力是使信息体在信息场中发生位移的作用力、智能是智力使信息体位移所做的功、智功率是系统在单位时间内产生的智能^[12]。

 

【注释】

1，本研究得到西北工业大学基础研究基金重点项目（W018101）支持。

2，何华灿，西北工业大学教授，博士生导师。马盈仓，西安工程大学教授。

【参考文献】

[1]  彭漪涟, 马钦荣. 逻辑学大词典[M]. 上海: 上海词书出版社，2004: 431, 481.

    PENG Yilian, MA Qinrong. Logic Dictionary[M] (in Chinese). Shanghai: Shanghai Lexicographical Publishing House, 2004. 431, 481

[2] 何华灿, 马盈仓. 信息、智能与逻辑第一卷[M].西安: 西北工业大学出版社, 2008: 1-54

[3] 李宗荣, 金新政. 理论信息学导论[M].北京: 中国教育文化出版社, 2006

[4] 马宏佳, 陈娴. 物质科学精要[M]. 北京: 高等教育出版社, 2003

[5] 钱学森. 基础科学研究应该接受马克思主义哲学的指导, 中国青年网2009-11-17, http://www.youth.cn

[6] 吴大猷著, 金吾伦, 胡新和译. 物理学的历史和哲学（History and philosophy of physics）, 中国大百科全书出版社, 1997

[7] 王元元. 计算机科学中的现代逻辑学[M]. 北京: 科学出版社,2001: 1,6

[8] 何华灿, 王华, 刘永怀等, 泛逻辑学原理, 科学出版社, 2001

[9] 何华灿，艾丽蓉，王华，辩证逻辑的数学化趋势[J]. 河池学院学报，2007年第01期

[10] Huacan He, Zhitao He, Yingcang Ma, Lirong Ai. Philosophical Significance of Universal Logic---On Second Revolution of Mathematical Logic, Logica Universalis. Vol.1 No.1, 2007,1.//Perspectives on Universal Logic, Polimetrica International Scientific Publisher, Edited by Jean Yves Beziau, et al. 2007.9

[11] 钟义信. 机器知行学原理:信息、知识、智能的转换与统一理论[M].北京: 科学出版社,2007

[12] 何华灿, 智能论--关于人脑和其他各种系统中信息处理规律的科学, 人工智能学报,1982年3期：1-18

 

（原载何华灿，欧阳康，编《信息、智能与逻辑（3卷）》，西北工业大学出版社，2010年。）