化学研究中的信息方法
化学先生 / 2019-08-20
19世纪以后，人们掌握了电磁通信技术。电报、电话，电视逐步进人了人类的社会生活。1948年，美国应用数学家申农(C. E. Shannon, 1916~ 2001)在《贝尔系统杂志》上发表了“通信的数学理论”这篇著名论文，从而宣布了现代信息论的诞生。早期的信息论是一门用数理统计方法来研究信息传递和信息处理的科学,后来这一一理论逐步扩大,成了用信息论来研究和处理切问题的 系统性理论,该理论在西方通常称为信息科学或信息系统。
一般通信过程主要包括以 下几个环节:①信源，即发出信息的系统;②发送机，也叫编码器它可以把信息转换成适合在信道上传送的信号:③信道,指传送信号的媒介和通道:④接收器，也叫解码器。把信号还原为原来的信息:⑤信宿，指信息的接收者:其接收经一系列转换而重现的发送端发来的信息。申农认为，通信过程尽管复杂纷纭，但一般模式是:
从信源(发信者)发出的消息，经某种形式的转换(编码器)变成信号，信号通过信道传递，在传递过程中可能遇到噪声，即对信号进行F扰的种种因素，只要噪声能控制在一定的范围内，信号就可以不失真地传递。信号传递到末端以后，再通过一种转换形式(解码器)使信号重新变成消息，归于信宿(收信者)，这样在终端就可以收到信源来的消息。通信的这个普遍过程，初看起来很简单,但认真思考以后，就会发现它有极为重大的普遍意义。例如，我们在研究化学客体运动变化时,无非是按以上方式把收集到的信息进行研究和处理，从而找到规律性的东西。元素周期律的发现，苯分子结构的确定，分子轨道对称守恒原理的建立等，实质上都是用这种方式完成的，无论是自觉地还是不自觉地，化学家实际上都是这样做的。问题在于:化学家应主动掌握这种方法,才能克服研究和思考中的盲目性。
运用信息方法去分析和研究科学技术问题， 首先要解决一 个信息概念的规定问题，尽管这一问题至今尚无统的认识，但可以从以下 三个方面加以说明:①从认识论上讲，信息是指人们接收到的可以消除不确定性的新知识、新消息、新内容。接收到的新知识越多，消除的不确定性程度越大，我们就说信息量大,否则就认为是没有信息或信息量小:②从本体论上讲，信息是指标志客观物质系统存在和运动的基本属性，任何事物和过程都会发送信息，并以此标志它的存在。如指示剂会改变颜色，催化剂会改变化学反应速率，化学过程会有光、热、电、气味、颜色、状态的变化，我们就是通过接收信息来判定这些变化的:③从方法论上讲，信息是人们研究和控制事物和过程的手段，不掌握信息，人们就无法控制事物和过程，也无法认识和改造事物与过程。化学家掌握化学信息的主要方法就是化学实验。目前，对信息概念的研究和规定的方式还很多，例如，有的把信息和热力学的嫡联系起来，指出嫡越小，信息量则越大:有的把信息与序参量联系起来，认为序参量越大，信息量就越大:还有的把信息量和物理学的对称性联系起来，认为对称元素和对称操作越多.信息量就越小等等。总之，信息是有多种属性的，它是事物和过程可感知的东西中有意义的内容，其产生、传递接收、存贮都离不开物理载体，也离不开能量，它要通过物质或能量的变化来携带，它具有知识性，可以识别、产生、转换、传递、贮存以及共享。申农提出了信息量度的公式:
n
H=-K∑P(x1)log2P(xi)
i=1
式中，P(xi)为x1，x2x3,...,xn事件可能出现的概率，K是常数，计算单位为比特。申农不仅解决 了通信的一般过程，提出了信息量的公式，还解决了如何从信息的接收端提取由信源发来的消息的技术问题提出 了如何在有限的信道中以最大的容量和最快的速率传递信息的途径和方式，初步解决了如何编码才能使信源来的消息充分表达。这种研究，为计算机的发展.计算化学的进步,奥定T原始的基础。
1951 年,信息论被英国工程师协会认可:1954年，第一次国际信息论研讨会在美国麻省理工学院召开。1960~ 1961年,卡尔曼(kalman)和布希(Bucy)又将状态变量引人了滤波理论，提出了递推滤波算法，建立了卡尔曼滤波，从而使信息论进一步精确化。也为把这一-理论方法向物理学、化学.生物学等自然科学移植，打下了基础。电子计算机的使用，使信息的发射、传递、接收、存贮等更加快速准确，目前，在计算化学、分子设计、反应控制、化工工程等多个领城，都离不开信息方法.作为21世纪的化学家和化学工作者，是否掌握信息方法能否用计算机处理化学问题，将是进步与落后的分水岭。
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