作者:张文静 来源:中国科学报 发布时间:2021/1/5 22:47:52
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你信吗?人类通信史可追溯到38亿年前

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《通信简史:从遗传编码到量子信息》,杨义先、钮心忻著,人民邮电出版社2020年10月出版,定价:78元

1944年,一位鼎鼎大名的物理学家出版了一本生物科普书。这位物理学家就是薛定谔,而这本书就叫做《生命是什么》。在书中,薛定谔用热力学和量子力学理论重新阐释了若干生命现象,并提出了许多在当时看来“毫无根据”的大胆猜想。

然而,正是这本“不务正业”的跨界之作,后来成为了20世纪最有影响力的科学经典之一,它激励了威尔金斯、克里克、沃森等青年物理学家“跳槽”到生物学领域,为DNA双螺旋结构的发现和分子生物学的建立奠定了概念上的基石。

北京邮电大学网络空间安全学院教授杨义先和钮心忻的新书《通信简史:从遗传编码到量子信息》(以下简称《通信简史》)即以《生命是什么》为榜样。与后者将物理学引入生物学不同,《通信简史》是将生物学引入现代通信理论与技术之中,以独特的视角回溯通信源起的历史、展望通信发展的未来。

“脑洞大开”的通信史

说起通信,现代人几乎无人不知、无人不晓,毕竟这个时代,谁能离得开手机、互联网呢?无论是计算机、互联网,还是大数据、物联网、人工智能,它们的核心都是通信,更准确地说,是电子通信。那么在电子通信产生之前,世界上有没有通信呢?当然有,绝大多数通信史籍是从3000多年前的烽火传情开始讲起的。再往前呢,通信是否存在呢?

在杨义先看来,这个问题的答案是肯定的。他认为,当38亿年前生命开始出现时,通信也就随之产生了。比如,生物的生殖过程就是遗传信息从亲代传给子代的通信过程,DNA便是信息的载体;基因突变就是遗传通信传输中出现的差错,而DNA的双螺旋结构则是一种通信纠错编码方式;各种物种演化的结果就是过去38亿年以来遗传信息通信传输差错的累积结果。

再如,生物的生长过程,也是遗传信息通过细胞分裂方式从亲代细胞传给子代细胞的通信过程。因此,人一生的新陈代谢过程就可以看作是遗传信息从信源(婴儿)到信宿(老人)的连续不断中继传输的过程。癌症等肿瘤疾病则起因于该通信传输过程中出现的“比特”差错,而免疫力则是该中继传输系统的纠错系统。

这样的视角是否颠覆了你对通信的传统认知?事实上,即便是通信专家来看,这样的观点也是极其新鲜的。“《通信简史》让人脑洞大开!谁会想到日常使用的通信技术竟然在本质上与生物遗传和生长等都是相通的呢?”重庆邮电大学副校长王国胤评价说。

在《通信简史》一书中,杨义先用一大半的篇幅来介绍“自然通信”,即过去38亿年来生物通信过程的演化,包括遗传通信、生长通信、感知通信和语言通信;而人们更为熟悉的“人工通信”,包括史前通信、非电通信、电子通信和未来通信,则只占了一小半的篇幅。

“大家对这种观点感到新奇,是因为长期以来人们都认为,只有人与人之间才构成通信,你说、我听,我写信、你收信,才叫通信。但这是一种误解,我们马上要迎来物联网的时代,车与车之间都能通信,那么细胞与细胞、基因与基因之间,为什么不能通信呢?”杨义先说,“我认为,只要具备通信的三要素——发信方、收信方和载体,就构成了通信。这样,通信的历史就追溯到了38亿年前,我们的视野一下子打开了。”

以全新视角展望未来

为什么要用一种全新的、甚至“脑洞大开”的视角去回溯通信的历史?杨义先说,这是因为我们现在急需用一种全新的思维去找寻通信发展的未来。

“在大家看来,当下世界各国的通信技术都发展得挺红火,但通信界自己,无论是学术界还是产业界,却都产生了一种悲观的思想,即认为香农信道容量危机已经逼近,摩尔定律正在失效,也就是说数字存储容量的增长速度已经达不到摩尔定律的预期,通信的发展很快就要到达顶峰,通信理论和技术也没什么发展空间了。”杨义先说。

“而这本书想告诉大家的是,与长达38亿年的自然通信历史相比,区区数千年的人工通信和100年的现代通信哪里算得上什么‘登峰造极’?通信的‘万里长征’才刚起步。”杨义先说。

在杨义先看来,至今为止,人工通信都还停留在非常初级的阶段,即以电流或电波为载体的、从感官到感官的信息通信。但对人类来说,真正的信源和信宿不是眼、耳、鼻、舌、身等各种感官,而是大脑或意识。

“因此,人工通信的最高境界应该是回归自然通信,形象地说就是‘意念通信’。这听起来像是科幻或神话小说中会提到的东西,但实际上,在人工智能领域,各种‘意念控制’的成果已经出现了,它们也许可以算是‘意念通信’的曙光。”杨义先说。

比如,去年8月,埃隆·马斯克就通过直播向全世界展示了他的“三只小猪”大脑被植入脑机接口设备的新进展。在此之前,就有猴子学会了如何通过植入猴脑的电极来控制远程的仿生肢体,瘫痪的病人也能仅依靠意念就移动仿生肢体、操作计算机。人们还可以戴上电子“读心”头盔,在家里遥控电子设备,这种头盔甚至无须将电极植入大脑,只是读取头皮发出的电信号就能进行操作。

“又如,当今所谓的‘网络通信’,其实压根儿不是真正的网络通信,只是基于时分、码分或频分等技术的‘点到点通信的拼接’,因此,这些‘网络’的信道容量极限问题就无法用香农的经典信息论来解决。真正的网络通信系统模型,其实应该是维纳的‘会议室头脑风暴’,其容量极限所遵从的规律是博弈系统论,而相关的工程实现问题至今还没谱儿呢!”杨义先说,“所以,通信专家离‘刀枪入库,马放南山’还远着呢!”

写就一本跨界简史

在学科领域细分愈发极致的当下,写一本这样的跨界之作并不容易。即便是薛定谔,在写作《生命是什么》时,也不免在序言的第一句就“甩锅”称:“人们普遍认为,科学家总是在某学科中掌握了广博深邃的前沿知识,因而他们不会在外行领域中著书立说。这就是所谓的尊贵者责任大。可是,为了《生命是什么》的写作,我恳请放弃任何尊贵,从而也免去随之而来的责任。”

对于杨义先来说,能跨界首先源于自己兴趣广泛的习惯。他在学生时期就对数学情有独钟,后来在信息论、密码学和网络安全等领域取得进展,甚至在甲骨文考古方面也有所发现。这种对各领域广泛涉猎的习惯,为本书的写作奠定了基础。

在他看来,或许原本就不存在所谓的“界”,因为“学科是人为划分的,自然界本没有分科”。“跳出具体的专业问题,站在宏观的或者跨领域的角度去思考,往往会有全新的收获。”

为了深入研究书中涉及的生物学知识,“保证书中内容绝无杜撰之嫌”,杨义先将课题申报、报奖等“正业”暂放一旁,躲到贵州“闭关”三年多,将浩如烟海的生物学与通信科学之间相勾连的部分浓缩进了这本“简史”之中。

为何选择“简史”这种形式?在杨义先看来,长期以来,我们的历史书写更偏重大而全,希望尽可能把翔实的史料展现出来,但有时也不免变成了史料的堆砌与罗列,让读者望而却步。而简史这种形式,要求作者在一定篇幅内讲清楚某一个主题的来龙去脉,往往更能为读者,尤其是本领域外的读者所接受。

“同时,简史的作者往往会根据自己的思考逻辑来梳理和组织相关史料,从而在展现历史的同时,也能体现出自己的思想体系,让外行不觉深、内行不觉浅。”杨义先说。

 
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