化學(xué)研究中的信息方法
化學(xué)先生 / 2019-08-20
19世紀(jì)以后，人們掌握了電磁通信技術(shù)。電報、電話，電視逐步進(jìn)人了人類的社會生活。1948年，美國應(yīng)用數(shù)學(xué)家申農(nóng)(C. E. Shannon, 1916~ 2001)在《貝爾系統(tǒng)雜志》上發(fā)表了“通信的數(shù)學(xué)理論”這篇著名論文，從而宣布了現(xiàn)代信息論的誕生。早期的信息論是一門用數(shù)理統(tǒng)計方法來研究信息傳遞和信息處理的科學(xué),后來這一一理論逐步擴(kuò)大,成了用信息論來研究和處理切問題的 系統(tǒng)性理論,該理論在西方通常稱為信息科學(xué)或信息系統(tǒng)。
一般通信過程主要包括以 下幾個環(huán)節(jié):①信源，即發(fā)出信息的系統(tǒng);②發(fā)送機(jī)，也叫編碼器它可以把信息轉(zhuǎn)換成適合在信道上傳送的信號:③信道,指傳送信號的媒介和通道:④接收器，也叫解碼器。把信號還原為原來的信息:⑤信宿，指信息的接收者:其接收經(jīng)一系列轉(zhuǎn)換而重現(xiàn)的發(fā)送端發(fā)來的信息。申農(nóng)認(rèn)為，通信過程盡管復(fù)雜紛紜，但一般模式是:
從信源(發(fā)信者)發(fā)出的消息，經(jīng)某種形式的轉(zhuǎn)換(編碼器)變成信號，信號通過信道傳遞，在傳遞過程中可能遇到噪聲，即對信號進(jìn)行F擾的種種因素，只要噪聲能控制在一定的范圍內(nèi)，信號就可以不失真地傳遞。信號傳遞到末端以后，再通過一種轉(zhuǎn)換形式(解碼器)使信號重新變成消息，歸于信宿(收信者)，這樣在終端就可以收到信源來的消息。通信的這個普遍過程，初看起來很簡單,但認(rèn)真思考以后，就會發(fā)現(xiàn)它有極為重大的普遍意義。例如，我們在研究化學(xué)客體運(yùn)動變化時,無非是按以上方式把收集到的信息進(jìn)行研究和處理，從而找到規(guī)律性的東西。元素周期律的發(fā)現(xiàn)，苯分子結(jié)構(gòu)的確定，分子軌道對稱守恒原理的建立等，實質(zhì)上都是用這種方式完成的，無論是自覺地還是不自覺地，化學(xué)家實際上都是這樣做的。問題在于:化學(xué)家應(yīng)主動掌握這種方法,才能克服研究和思考中的盲目性。
運(yùn)用信息方法去分析和研究科學(xué)技術(shù)問題， 首先要解決一 個信息概念的規(guī)定問題，盡管這一問題至今尚無統(tǒng)的認(rèn)識，但可以從以下 三個方面加以說明:①從認(rèn)識論上講，信息是指人們接收到的可以消除不確定性的新知識、新消息、新內(nèi)容。接收到的新知識越多，消除的不確定性程度越大，我們就說信息量大,否則就認(rèn)為是沒有信息或信息量小:②從本體論上講，信息是指標(biāo)志客觀物質(zhì)系統(tǒng)存在和運(yùn)動的基本屬性，任何事物和過程都會發(fā)送信息，并以此標(biāo)志它的存在。如指示劑會改變顏色，催化劑會改變化學(xué)反應(yīng)速率，化學(xué)過程會有光、熱、電、氣味、顏色、狀態(tài)的變化，我們就是通過接收信息來判定這些變化的:③從方法論上講，信息是人們研究和控制事物和過程的手段，不掌握信息，人們就無法控制事物和過程，也無法認(rèn)識和改造事物與過程?；瘜W(xué)家掌握化學(xué)信息的主要方法就是化學(xué)實驗。目前，對信息概念的研究和規(guī)定的方式還很多，例如，有的把信息和熱力學(xué)的嫡聯(lián)系起來，指出嫡越小，信息量則越大:有的把信息與序參量聯(lián)系起來，認(rèn)為序參量越大，信息量就越大:還有的把信息量和物理學(xué)的對稱性聯(lián)系起來，認(rèn)為對稱元素和對稱操作越多.信息量就越小等等。總之，信息是有多種屬性的，它是事物和過程可感知的東西中有意義的內(nèi)容，其產(chǎn)生、傳遞接收、存貯都離不開物理載體，也離不開能量，它要通過物質(zhì)或能量的變化來攜帶，它具有知識性，可以識別、產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳遞、貯存以及共享。申農(nóng)提出了信息量度的公式:
n
H=-K∑P(x1)log2P(xi)
i=1
式中，P(xi)為x1，x2x3,...,xn事件可能出現(xiàn)的概率，K是常數(shù)，計算單位為比特。申農(nóng)不僅解決 了通信的一般過程，提出了信息量的公式，還解決了如何從信息的接收端提取由信源發(fā)來的消息的技術(shù)問題提出 了如何在有限的信道中以最大的容量和最快的速率傳遞信息的途徑和方式，初步解決了如何編碼才能使信源來的消息充分表達(dá)。這種研究，為計算機(jī)的發(fā)展.計算化學(xué)的進(jìn)步,奧定T原始的基礎(chǔ)。
1951 年,信息論被英國工程師協(xié)會認(rèn)可:1954年，第一次國際信息論研討會在美國麻省理工學(xué)院召開。1960~ 1961年,卡爾曼(kalman)和布希(Bucy)又將狀態(tài)變量引人了濾波理論，提出了遞推濾波算法，建立了卡爾曼濾波，從而使信息論進(jìn)一步精確化。也為把這一-理論方法向物理學(xué)、化學(xué).生物學(xué)等自然科學(xué)移植，打下了基礎(chǔ)。電子計算機(jī)的使用，使信息的發(fā)射、傳遞、接收、存貯等更加快速準(zhǔn)確，目前，在計算化學(xué)、分子設(shè)計、反應(yīng)控制、化工工程等多個領(lǐng)城，都離不開信息方法.作為21世紀(jì)的化學(xué)家和化學(xué)工作者，是否掌握信息方法能否用計算機(jī)處理化學(xué)問題，將是進(jìn)步與落后的分水嶺。
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