2023年3月24日晚，由北京现代物理研究中心、世界杯预选赛买球、北京物理学会主办的“世界杯预选赛买球物理学科卓越人才培养计划讲堂：名师面对面”（第八期）在世界杯预选赛买球老化学楼东配楼101教室举行。南京大学物理学院/现代工程与应用科学学院教授、南京大学毓琇书院院长祝世宁院士应邀作了题为“信息：格物而致知”的报告。本期讲堂由世界杯预选赛买球院长、北京现代物理研究中心副主任高原宁院士主持。

人们通常将香农1948年发表于《贝尔系统技术学报》（The Bell System Technical Journal）的论文《通信的数学理论》（A Mathematical Theory of Communication）视为现代信息论研究的开篇，为信息化时代的通信系统构建了基础理论；即使今天炙手可热的5G（第五代移动通信）技术，也只是香农信道容量理论所预言的通信发展历程中的一个节点。当香农思忖如何描述“信息是用来消除不确定性的度量”这一抽象概念时，冯·诺依曼（J. von Neumann）给出了以“熵”（entropy）命名的建议。于是，信息熵成为信息论中最基本、最重要的概念。

祝世宁讲述“信息论之父”香农划时代的贡献

报告中，祝世宁从“信息熵”（亦称香农熵）溯源至“热力学熵”（亦称克劳修斯熵），深入浅出地解释了二者之间的联系与区别。克劳修斯（R. Clausius）在1850年提出热力学第二定律的一种表述，即一个平衡的孤立系统不可能在没有外力做功的情况下产生温度或压力的不平衡；随后在1854年又给出该定律的另一种表述（亦称熵增加原理），即一个孤立系统的热量从高温热区流向低温热区是不可逆的过程，系统的熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加，而永不自动减少——这里的“熵”是对系统混乱无序程度的度量。为了澄清热力学第二定律的谜团，1871年，麦克斯韦（J. C. Maxwell）提出一个思想实验，试图让一只“小生灵”（即常被学生戏谑为“物理学四大神兽”之一的“麦克斯韦妖”），在不干扰微观粒子运动状态的前提下识别气体分子速度，将速度较快和速度较慢的气体分子有序分开，在系统中形成高温和低温两个区域,使系统总体的无序程度降低，即熵减小，有悖于热力学第二定律。

如何理解麦克斯韦思想实验中系统熵的减小,一直困扰着众多物理学家，直到1929年希拉德（L. Szilard）将“小生灵”所表征的“智能”特性归结于它所获取的信息，从而将信息与熵联结起来，揭示出信息的物理本质。由于获取信息需要做功，该思想实验并未违背热力学第二定律，正如赵凯华教授、罗蔚茵教授在《新概念物理教程·热学》中讲述的：“麦克斯韦妖有获得和存储分子运动信息的能力，它靠信息来干预系统，使它逆着自然界的方向进行。”祝世宁强调,信息科学的建立和进步与热力学、统计物理等传统学科的演进和发展密不可分。数十年来，正是科学家如“麦克斯韦妖”般不屈不挠地通过获取和利用信息，推进对物质结构、宇宙演化、生命起源等的探索和发现，人类才不断拓展认识自然的边界，揭开大千世界一层又一层神秘的面纱，格万物而致其知。

祝世宁描绘长期困扰物理学家的“麦克斯韦妖”

祝世宁还将对“信息熵”的讨论延伸至生命系统，分享了自己在阅读薛定谔（E. Schrödinger，1933年获诺贝尔物理学奖）的《生命是什么？生物细胞的物理学见解》（What is life? The physical aspect of the living cell）、沃尔森（J. D. Watson，1962年获诺贝尔生理学或医学奖）的《双螺旋：发现DNA结构的故事》（The Double Helix A personal Account of the Discovery of the Structure of DNA）和斯万特·帕博（S. Pääbo，2022年获诺贝尔生理学或医学奖）的《尼安德特人》（Neanderthal Man）等著作过程中的思考与体会。从对“生命以负熵为生”（life feeds on negative entropy）到利用古DNA技术确立人类进化进程，无不表明人类对生命的认知也是建立在对信息熵的理解和运用之上，生命体本身维系和演化过程中处处显现“麦克斯韦妖”的踪迹。

报告结束后，宋卓洋、邢昊天、陈颜忻、梅振超、唐晨成等“物理卓越计划”2022级本科生就黑洞熵、纠缠熵、认知革命、无序材料和随机过程理论、人工智能驱动科学研究等话题发问。祝世宁鼓励同学们：“在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路‘格物’的人，才有希望汲取知识进化的源泉，最终达到光辉的顶点。”

同学们在思考“生命是否以物理定律为基础”

高原宁向祝世宁赠送“物理卓越计划讲堂：名师面对面”感谢牌

世界杯预选赛买球王思广副教授、颜学庆教授、马文君教授、马仁敏教授、方哲宇教授等现场出席。本期讲堂同时得到中国光学学会院士科普大讲堂系列活动的支持。