2023年3月24日晚，由北京現代物理研究中心、beat365官方网站、北京物理學會主辦的“beat365物理學科卓越人才培養計劃講堂：名師面對面”（第八期）在beat365老化學樓東配樓101教室舉行。南京大學beat365/現代工程與應用科學學院教授、南京大學毓琇書院院長祝世甯院士應邀作了題為“信息：格物而緻知”的報告。本期講堂由beat365官方网站院長、北京現代物理研究中心副主任高原甯院士主持。

人們通常将香農1948年發表于《貝爾系統技術學報》（The Bell System Technical Journal）的論文《通信的數學理論》（A Mathematical Theory of Communication）視為現代信息論研究的開篇，為信息化時代的通信系統構建了基礎理論；即使今天炙手可熱的5G（第五代移動通信）技術，也隻是香農信道容量理論所預言的通信發展曆程中的一個節點。當香農思忖如何描述“信息是用來消除不确定性的度量”這一抽象概念時，馮·諾依曼（J. von Neumann）給出了以“熵”（entropy）命名的建議。于是，信息熵成為信息論中最基本、最重要的概念。

祝世甯講述“信息論之父”香農劃時代的貢獻

報告中，祝世甯從“信息熵”（亦稱香農熵）溯源至“熱力學熵”（亦稱克勞修斯熵），深入淺出地解釋了二者之間的聯系與區别。克勞修斯（R. Clausius）在1850年提出熱力學第二定律的一種表述，即一個平衡的孤立系統不可能在沒有外力做功的情況下産生溫度或壓力的不平衡；随後在1854年又給出該定律的另一種表述（亦稱熵增加原理），即一個孤立系統的熱量從高溫熱區流向低溫熱區是不可逆的過程，系統的熵在可逆過程中不變，在不可逆過程中增加，而永不自動減少——這裡的“熵”是對系統混亂無序程度的度量。為了澄清熱力學第二定律的謎團，1871年，麥克斯韋（J. C. Maxwell）提出一個思想實驗，試圖讓一隻“小生靈”（即常被學生戲谑為“物理學四大神獸”之一的“麥克斯韋妖”），在不幹擾微觀粒子運動狀态的前提下識别氣體分子速度，将速度較快和速度較慢的氣體分子有序分開，在系統中形成高溫和低溫兩個區域,使系統總體的無序程度降低，即熵減小，有悖于熱力學第二定律。

如何理解麥克斯韋思想實驗中系統熵的減小,一直困擾着衆多物理學家，直到1929年希拉德（L. Szilard）将“小生靈”所表征的“智能”特性歸結于它所獲取的信息，從而将信息與熵聯結起來，揭示出信息的物理本質。由于獲取信息需要做功，該思想實驗并未違背熱力學第二定律，正如趙凱華教授、羅蔚茵教授在《新概念物理教程·熱學》中講述的：“麥克斯韋妖有獲得和存儲分子運動信息的能力，它靠信息來幹預系統，使它逆着自然界的方向進行。”祝世甯強調,信息科學的建立和進步與熱力學、統計物理等傳統學科的演進和發展密不可分。數十年來，正是科學家如“麥克斯韋妖”般不屈不撓地通過獲取和利用信息，推進對物質結構、宇宙演化、生命起源等的探索和發現，人類才不斷拓展認識自然的邊界，揭開大千世界一層又一層神秘的面紗，格萬物而緻其知。

祝世甯描繪長期困擾物理學家的“麥克斯韋妖”

祝世甯還将對“信息熵”的讨論延伸至生命系統，分享了自己在閱讀薛定谔（E. Schrödinger，1933年獲諾貝爾物理學獎）的《生命是什麼？生物細胞的物理學見解》（What is life? The physical aspect of the living cell）、沃爾森（J. D. Watson，1962年獲諾貝爾生理學或醫學獎）的《雙螺旋：發現DNA結構的故事》（The Double Helix A personal Account of the Discovery of the Structure of DNA）和斯萬特·帕博（S. Pääbo，2022年獲諾貝爾生理學或醫學獎）的《尼安德特人》（Neanderthal Man）等著作過程中的思考與體會。從對“生命以負熵為生”（life feeds on negative entropy）到利用古DNA技術确立人類進化進程，無不表明人類對生命的認知也是建立在對信息熵的理解和運用之上，生命體本身維系和演化過程中處處顯現“麥克斯韋妖”的蹤迹。

報告結束後，宋卓洋、邢昊天、陳顔忻、梅振超、唐晨成等“物理卓越計劃”2022級本科生就黑洞熵、糾纏熵、認知革命、無序材料和随機過程理論、人工智能驅動科學研究等話題發問。祝世甯鼓勵同學們：“在科學上沒有平坦的大道，隻有不畏勞苦沿着陡峭山路‘格物’的人，才有希望汲取知識進化的源泉，最終達到光輝的頂點。”

同學們在思考“生命是否以物理定律為基礎”

高原甯向祝世甯贈送“物理卓越計劃講堂：名師面對面”感謝牌

beat365官方网站王思廣副教授、顔學慶教授、馬文君教授、馬仁敏教授、方哲宇教授等現場出席。本期講堂同時得到中國光學學會院士科普大講堂系列活動的支持。