导语

  

    本书以薛定谔及其《生命是什么》为榜样，从通信系统的角度出发，试图重新阐述仍然与我们的通信专业“八竿子都打不着”的若干生命现象，同时也提出若干看似“毫无根据”的猜想。
    本书的编写目的在于，借助众多生物现象来刺激现代通信在新台阶上的新发展。

内容提要

  

    一说起通信，几乎人人是专家。是呀，谁不天天打电话，谁不时时在上网，谁能离开计算机，谁又不需要大数据、物联网和人工智能等信息系统呢？这一切的核心其实都是通信，准确地说都是电子通信。但是，即使许多通信专家过去也不曾全面深入地思考过通信的前世今生，绝大多数通信史籍只认定了从烽火开始的区区3000年文明通信史，而忽略了整个生物界长达38亿年的通信史，忽略了真核生物长达23亿年的通信史，忽略了原生生物长达15亿年的通信史，忽略了植物长达12亿年的通信史，忽略了动物长达10亿年的通信史，忽略了人类长达数百万年的通信史，特别是忽略了长达7万年的语言通信史以及长达8000年的文字通信史。
    那么，在没有文字记载的情况下，史前通信史是咋写出来的呢？嘿嘿，你看完本书就知道了，而且我们保证书中内容绝无杜撰之嫌。本书当然不是为讲历史而讲历史，其实是希望通过回顾历史来展望未来，特别是展望通信即将引发的第三次革命——智能革命的未来。因此，特意增加了最后一章“未来通信”，一方面揭示通信即将面临的香农信道容量危机，另一方面努力寻求可能的应对措施。
    希望你在阅读过程中有所启发。

    高水平学者致力科普，创作出如此深刻、丰富且有趣的读物，让人读后眼界大开，不由得想到薛定谔的著名科普作品《生命是什么》，曾有许多评论以为薛氏科普催生了若干诺贝尔奖和分子生物学。但愿这本科普著作也将引领读者开辟通信领域新方向。
    ——北京邮电大学第六任校长  林金桐
    国际上的科普有两类：一是“见山是山”式的科普，即用浅显易懂的语言来说清高精尖的科技；另一类是“见山不是山”式的科普，《通信简史：从遗传编码到量子信息》便是这后一类科普。它实际上是对通信之魂的深刻理解和启示。
    ——南京邮电大学副校长  朱洪波
    《通信简史：从遗传编码到量子信息》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？看来，通信的三要素“发端、收端和传输”还真是包罗万象。通信大有可为，通信前途广阔。
    ——重庆邮电大学副校长  王国胤
    以往的同类书籍最早都是从几千年前的烽火传情讲起，此书竟然从38亿年前的生命之初讲起；以往的同类书籍最晚写到现代通信，此书竟然写到了遥远的未来。本书对通信类专业的师生将有很大的启发意义。
    ——西安邮电大学校长  范九伦
    作者是我的老乡、校友和30多年的知己。早在学生时期，他就被誉为数学神童，后来在信息论、密码学和网络安全等领域成就卓越。更神奇的是，他的兴趣广泛，常有惊人的跨界之举，甚至在甲骨文考古方面也有重要发现。这不，现在他又写出了出人意料的《通信简史》，让人耳目一新。我以为杰出科学家有两类，一类是以钱学森等为代表的使命驱动型科学家，另一类是以爱因斯坦、香农等为代表的兴趣驱动型科学家。本书作者杨义先教授属于后一类。
    ——中国电信总经理  李正茂

上篇  自然通信
  第1章  遗传通信
    1.1  遗传信息的内容
    1.2  遗传信息的编码
    1.3  遗传信息的解码
    1.4  遗传信息的差错
    1.5  DNA计算机展望
  第2章  生长通信
    2.1  先天信息的载体
    2.2  先天信息的传输
    2.3  后天信息神经系统
    2.4  后天信息中枢系统
    2.5  其他体内通信系统
  第3章  感知通信
    3.1  植物的感知能力
    3.2  动物的感知能力
    3.3  人类的感知能力
    3.4  人类的知觉能力
    3.5  第六感与直觉
  第4章  语言通信
    4.1  肢体语言通信
    4.2  表情语言通信
    4.3  声音语言通信
    4.4  艺术语言通信
    4.5  符号系统通信
下篇  人工通信
  第5章  史前通信
    5.1  旧石器时代的通信
    5.2  中石器时代的通信
    5.3  新石器时代的通信
    5.4  文字通信之史略
    5.5  通信内容的革命
  第6章  非电通信
    6.1  陆上通信
    6.2  水上通信
    6.3  空中通信
    6.4  邮驿通信
    6.5  通信交通
  第7章  电子通信
    7.1  烽火台式电信
    7.2  邮包分拣电信
    7.3  集装箱式电信
    7.4  融合计算通信
    7.5  通信创造智能
  第8章  未来通信
    8.1  换个视角看通信
    8.2  通信网络新结构
    8.3  量子通信新机会
    8.4  绿色通信新趋势
    8.5  实用通信新畅想
参考文献

前言

  

    从前，有一位大外行为门外汉们写了一部大跨度的大众化通俗书籍。这位大外行确实很大，甚至很伟大，因为他就是波动力学之父、量子力学奠基人之一的薛定谔。而这部大众化书籍，就是他在获得了1933年诺贝尔物理学奖后，冒天下之大不韪，完全“不务正业”撰写的生物科普著作《生命是什么》。所以，战战兢兢的薛定谔在序言中的第一句话就“甩锅”道：“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。”然而，随后的事实意外证明：《生命是什么》一书竟然成了石破天惊的“20世纪最有影响的科学经典”之一，它不但直接激励威尔金斯、克里克、沃森等青年物理学家跳槽到生物学领域，发现了DNA双螺旋结构，并因此而获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖；而且间接地深度影响了卢利亚、查尔加夫、本泽等诺贝尔奖得主，启发了贝塔朗菲创立系统论，启发了普里高津创立耗散结构理论等；还催生了今天的分子生物学。其实，在《生命是什么》一书中，薛定谔只是从物理角度出发，重新阐述了与自己的专业“八竿子都打不着”的若干生命现象，并提出了许多在当时看来“毫无根据”的大胆猜想，比如物理和化学在原则上可诠释生命现象，基因是一种非周期性的晶体或固体，突变是由基因分子中的量子跃迁引起的，基因突变论相当于物理学中的量子论，基因遗传模式的长期稳定性和持久性都能用量子论加以说明，染色体是遗传的密码，生命以负熵为生并通过从环境中抽取“序”来维持系统的组织而进行演化，等等。
    本书以薛定谔及其《生命是什么》为榜样，从通信系统的角度出发，试图重新阐述仍然与我们的通信专业“八竿子都打不着”的若干生命现象，同时也提出若干看似“毫无根据”的猜想。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。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，人的一生的新陈代谢过程就可以看成遗传信息从信源（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中的纠错系统。生物的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等感知系统，是实现信息自然通信传输的前提；以语言和文字为代表的符号系统的产生，是人类进行人工通信传输的前提，而其他任何生物都无法实现人工通信。语言通信使人类从兽类中分离出来，文字通信使人类进入文明社会，电子通信将引发智能革命，甚至彻底改变人类社会的发展方向。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，至今的所有人工通信都还仅仅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。形象地说，人工通信的最高境界应该是回归自然通信，比如许多科幻小说和神话小说中描述的“意念通信”等。实际上，在人工智能（AI）领域中已经出现了各种“意念控制”的成果，它们也许算是“意念通信”的曙光吧。最近已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和操作计算机。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，只是读取头皮所发出的电信号。若想打开屋顶的电灯，只需戴上头盔，想象一些事先编程好的心理符号（例如想象右手做某个动作），就能接通电源。特别是随着以5G为代表的移动通信技术的迅猛发展，香农的端到端通信的信道容量极限即将被逼近，人类将如何应对即将到来的香农信道容量危机，如何搭建整体传输效率更高的维纳对话网，量子手段是否可以帮助人类摆脱香农信道容量危机，今后的通信将向何处发展，这些都是人类必须面对的战略问题。
    我们当然不想生搬硬套薛定谔的《生命是什么》，也无意促进生物学的发展，毕竟我们人微言轻，根本不可能影响到生物学领域。本书的编写目的在于，借助众多生物现象来刺激现代通信在新台阶上的新发展。不知从何时开始，无论是学术界还是产业界，许多通信专家都产生了这样一种悲观思想，即认为香农信道容量危机已逼近，摩尔定律正在失效，也就是说数字存储容量的增长速度已达不到摩尔定律的预期了。因此，好像通信的发展很快就要到达顶峰了，通信理论和技术也没啥发展空间了。这种悲观状况与薛定谔时代很相似，当时许多物理学家也认为相对论和量子力学等现代物理学基础都已基本成型，物理学已处于比较平静的常规发展时期了。相反，那时的生物学却面临着理论和方法上的重大突破，具有无限广阔的前景。于是，一大批梦想大有作为的物理学家便纷纷改弦更张，携带着自己的物理学思维方式和实验手段，奔向了生物学和遗传学的处女地。我们希望与当时薛定谔的情况相反，即把众多生物学专家和生物学成果引入现代通信的理论和技术之中。
    若本书能使读者相信“原来通信的万里长征才刚起步”，那么我们就非常高兴了。毕竟，在长达38亿年的自然通信历史面前，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”呀！咱们还是老老实实地继续“人法地，地法天，天法道，道法自然”吧，除非某天“意念通信”等现代手段真的全面普及，人际间的通信只需动脑想一想便可瞬间完成，那么通信专家们才可勉强“刀枪入库，马放南山”。不过，这一天一定会非常遥远。
    对了，与物理学不同的是，通信甚至整个信息技术（IT）领域其实都与生物学有着千丝万缕的联系，IT领域的许多最基本的东西都来源于生物学。比如，计算机就是以人脑为模型制造出来的；AI最核心的“反馈、微调、迭代”的赛博思想也是由维纳从生理学家那里搬来的；至于智能通信中的神经计算、生物计算、DNA计算、遗传算法、进化算法、蚁群算法、人工鱼群算法、免疫算法、智能算法、神经网络等，只需从名称上就可以看出它们的生物学血统。只可惜过去许多通信专家对这些事实熟视无睹。又如，当今所谓的“网络通信”，其实压根儿就不是真正的网络通信，而只是基于时分、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。而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都还没谱儿呢。
    人们常说“读史使人明智”，还说“了解过去，方知未来”，但愿我们的这本书不但能使大家从全新的角度去了解过去，而且能从全新的高度去展望未来。作为一部简史类图书，本书分为上下两篇。其中，上篇为“自然通信”，主要介绍过去38亿年来生物通信过程的演化，希望它们能为未来的人工通信提供更多更好的借鉴；下篇为“人工通信”，主要介绍过去数千年来人类有意识的通信过程的演化。在本书中，自然通信与人工通信的界线是：前者是不需要借助生物体外的任何设施就能完成的信息通信，而后者则是必须依靠体外设施来实现的人与人之间的信息通信。
    最后，与薛定谔的《生命是什么》一样，本书也是一部人人能读懂的科普著作，它绝不是科幻，虽然某些内容确实有点像科幻。
    杨义先  钮心忻
    2020年7月于温泉