- 1 -论信息的物理基础和场的统一论信息的物理基础和场的统一 叶 鹰 浙江大学信息资源管理研究所（310028） yye@ 摘摘 要：要： 引进序间作为信息的物理基础，在基础科学层次上明确了信息的涵义，指出信息在物理本质上是物质和能量系统有序化程度的量度 信息的物理定义和信息的概率定义在数量上的差异为一个对数常数并发现序间-空间-时间系统构成场的一个新的统一基础：序间-空间-时间系统包含光速 c、Planck 常数 h 和 Boltzmann 常数 k 三个基本常数，并耦合为一个统一常数 e在序间-空间-时间基础上构成的物理学能推导出独立的物质生成论和统一场论序间-空间-时间系统作为物理基础可以统一热力学与引力论、相对论和量子论 关键词：关键词：序间；信息；时空；物理基础；统一场论 1. 引引 言言 信息作为物质世界的一个基本概念，应该具有严谨的物理基础通过对物质、能量和信息的分析类比，可以引进序间作为信息的物理坐标随着信息的物理基础的确立，导致对物理学基础的整体扩充， 结果发现了在拓展的时空概念上形成的统一的物理学 其逻辑过程如下 2. 序间的引进序间的引进 众所周知，物质、能量、信息是当今世界的三个基本物理量，但主流物理理论中却没有关于信息的物理理论， 信息论只是一种通讯的数学理论， 因而建立信息的物理理论非常必要和重要。
笔者在类比研究信息与物质和能量过程中， 发现信息-能量-质量的物理基础构成一个序间-空间-时间结构并蕴含对时空观的一个序间-空间-时间拓展[1] 物质的坐标基础是空间、能量的坐标基础是时间，信息的坐标基础是序间(或量标)，序间与时、空一道构成宇宙架标在今天由物质、能量、信息密切关联形成的宇宙中，所有物理学定律都应该从根本上与物质、能量和信息相联系，一旦信息能进入物理学，由于信息等于负熵，实质上就能将热力学与引力论、相对论、量子论、宇宙论等统一在一起 由于物质质量 M 可以表示成 M=dss)(∫ρ (1) 其中 ρ (s) 是物质密度函数(国际单位制单位：kg/m3)，s 是空间坐标 能量 E 可以表示成 - 2 -E=dtt)(∫ε(2) 其中 ε (t)是能流密度函数(国际单位制单位：J/s)，t 是时间坐标 信息 I 类比应该可以表示成 I=drr)(∫η(3) 其中， η (r)是信息密度函数(建议单位：进制位/标度位，例如：bit/tet)，r 就是新“发现”的物理学基础坐标，可称为序间坐标或量间坐标(简称序间或量标)，它与时(t)、空(s)一道构成物理学的基本架标系统。
实际上，序间是计量的基础，人类的一切计量活动都离不开序间，不能忽视序间这一与时间、空间一样的基本构架空间坐标有上、中、下或左、中、右三维，时间坐标有过去、现在、将来三度，序间坐标也有增加、不变、减少三向，它们构成一个完整的 9 维抽象空间 若视时间和序间为一维， 则序-时-空架标系统可简化为3+2 维 这样，在物理层次上，信息与物质和能量密不可分，其物理基础构成一个序间-空间-时间架构并蕴含对时空观的一个序间-空间-时间拓展 只有具备序间或量标， 时间和空间才能序化或量化，故时间-空间-序间不可分离，而数则成为它们之间的纽带这一概念已与过去有关信息与物理之间的关系的讨论以及 Fisher 信息理论[2-6]有所不同 引入序间后的物理基础关系如下： 坐标 对称性 守恒量 特征常数 坐标积分 ---- ------ ------ ----- ----- 序间(r) 对称性破缺 无守恒量 k drI∫=η 空间(s) 空间平移和旋转 动量守恒 c dsm∫=ρ 时间(t) 时间平移和旋转 能量守恒 h dtE∫=ε 其中c为光速、h为 Planck 常数、k为 Boltzmann 常数；ρ, ε, η 分别为质量密度、能量密度和信息密度(序率密度)； m, E, I分别是质量、能量和信息。
从信息等于负熵的角度考虑，根据热力学第二定律： dS ≥ TdQ(4) 其中 S 为熵，Q 为热量，T 为温度因 Q、H 都是外观物理量，由系统内部看，能量 E=-Q，而 I=-S，故有 dI ≤ TdE或 dITE∫≥ (5) 类比 2mcE = 应有 2IThE = (6) 这里已包含统一宏观与微观、统一相对论和量子论、统一引力论和热力学的思想在笔 - 3 -者看来，弱力并非独立的结构力，只是电磁力的衰变表现，因而弱电统一是自然而然的，但这一思路不适合电磁力与强力和引力的统一， 这是大统一模型和超统一模型的人为一厢情愿努力注定要失败的根本原因实际上，强力、电磁力和引力都是序-空-时结构统一场在特定条件下的表现，引力偏重时-空结构，电磁力偏重序-时结构，而强力偏重序-空结构 如果不引进对称性破缺的序间而改用具有完全对称性的荷间(荷标)， 基本物理常数相应选用h, c, e，则在物理基础结构上可以完全与现有标准模型匹配，但同时也会遇到标准模型所遇到的疑难。
此外，笔者也曾思考过温度作为新的基础坐标的可能性，但温度意味着能量，故不具备独立的基础加拿大滑铁卢大学 P.S.Wesson 教授 1980 年以来提出的五维空-时-质理论[7-8]也有类似问题，其中质量不宜作为基础坐标 3. 序间的度量：序标及其单位序间的度量：序标及其单位 正如空间用米作为基本度量单位、时间用秒作为基本度量单位一样，序间也应有独特的度量系统，可以用序标表示，其基本单位可定为 tet(三进制位)，其确立标准和方法可以设计如下： 以液态水的分子有序度(三原子系统)作为序标 1=010tet， 增加多少结构有序度就增加多少序标数量，增加多少结构紊乱度就减少多少序标数量 如果按照物质层次分类，可以每隔 10 个数量级设置一个序标域，例如：等离子体和亚原子粒子的序标设为3010tet 任何物理状态应该同时用序间-空间-时间才能界定，例如，不应说某物体在某时刻具有几何尺寸若干， 而应说某物体在序标为多少的某时刻具有几何尺寸若干 序间-空间-时间不可分离 4. 信息的物理定义和概率定义之间的关系信息的物理定义和概率定义之间的关系 信息在物理本质上是物质和能量系统有序化程度的量值， 这就是在基础科学层次上信息的涵义。
在一个系统内，信息与物质和能量紧密相关，物质和能量的变化将导致信息变化，信息变化也将导致物质和能量变化 在物理定义上， 信息是序率密度(信息密度)对序标(序间)的积分 由于采纳信息=负熵，使信息的物理定义在量值上等于负的热力学熵，故信息的物理定义 I 与信息的概率定义(Shannon 信息熵)H 以及 Fisher 信息 p(x)之间在量值上应仅相差一个对数常数，具体数值取决于选用的信息计量单位：用 bit 计量时，H=kln2 I；用 tet 计量时，H=kln3 I；用 nat计量时，H=klne I=kIk为 Boltzmann 常数其一般关系式应为： H = klnb I (7) 其中 b 为进位制进位数当考虑真正有意义的信息 J 时，应有加权的 H=klnbJ，J=VI，V∈[0,1] Shannon 信息是一种数学信息，而本文定义的信息则是一种实在的物理信息 - 4 -5. 序间序间-空间空间-时间基础上的物理常数时间基础上的物理常数 设ν为波频，T 为温度，从能量公式 kThmcE===ν2考虑，符合序间-空间-时间物理逻辑框架的基本物理常数只能选择c, h, k, 其含义是： 坐标 物理常数 坐标微分 坐标积分 坐标作用 ---- ----- ----- ----- ----- 序间(r) ku=mindsdru= drrI∫=)(η )(IudtdD = (8) 空间(s) cv=maxdtdsv= dssm∫=)(ρ )(mvdsdF= (9) 时间(t) hw=mindrdtw= dttE∫=)(ε )(EwdtdG= (10) 取181099792. 2−⋅×=smc, sJh⋅×=−341062608. 6, 1231037951. 1−−⋅×=KJk, 有 191060218. 1−×==kcheC (11) 为使(11)在计量单位上成立，C 应等于Ksm⋅⋅−21。
分别以[L]、[T]、[B]、[K]、[I]、[C]、[M]作为空间、时间、序间、温度、电流、电荷、质量量纲，则[C]=[ KTL⋅⋅−21]由于在 SI 单位制中有 C=sA⋅， 即量纲[C]=[IT]， 故[I]=[ KTL⋅⋅−1]或[K]=[ ITL⋅⋅−1] 若取引力常数 sKkhG⋅×=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=−111070655. 634 31π(12) 则133−−⋅⋅=kgsmK，即[K]=[ 133−−⋅⋅MTL]或[M]=[ 133−−⋅⋅KTL] 当信息计量单位选用 byte 或 bit 时，信息密度可以是 byte/tet 或 bit/tet，序间的基础单位就是 tet(三进制位)；由于2IThE =，故222sJKtetsmkgJ⋅⋅⋅=⋅⋅=−，于是111−−−⋅⋅=Kmkgtet，所以][][111−−−⋅⋅=KLMB 采用真空单位制时可取c=h=k=1 真空实际上就是序间-空间-时间的集成真空“不空”，物理常数已经决定了真空的固有结构由于c是宏观的象征参数、h是微观的象征参数,故序间-空间-时间结构包含统一宏观和微观的“基因”；又因c是相对论的特征参数、h是量子论的特征参数、k是热力学的特征参数，故序间-空间-时间结构包含了统一相对论、量子论和热力学的“基因”。
6. 序间序间-空间空间-时间基础上的统一场论时间基础上的统一场论 序间-空间-时间系统的场分析方法是首先确立场或物质的序间-空间-时间相互作用： - 5 -μνT = rstpqT)( = ⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎝⎛tttstrstsrrtrsrrTTTTTTTTTTTTTTTTT333231232221131211(13) μνT在形式上是一个三阶方阵(二阶张量)，其中pqT是 p和q (p, q = r, s, t) 之间的相互作用注意到空间是三维，故ssT本身也是一个三阶方阵(二阶张量)所以μνT是一个内嵌有三阶方阵的复合三阶方阵 将序间-空间-时间物理系统作用量定义为： A = ∫dttsrL),,( = dtTgμνμν∫(14) 其中 μνg是与μνT相应的度规张量，形式为： μνg = rstpqg)( = ⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎝⎛tttstrstsrrtrsrrggggggggggggggggg333231232221131211(15) 则) 1 ()2() 3(USUSU⊗⊗对称性可内嵌入不完全对称的)]3(3)[3(SUSU⊗之中。