CH1绪论P13..docVIP

第一章 绪 论 1-1 物质信息的表征和分析科学 自然世界包括环境、生命、所有物品都是由物质组成。人类总是在认识和改造物质世界中发展。分析科学(Analytical Science)是人们认识、剖析和改造物质的重要手段，是研究物质信息表征、测量及相关性的科学，是物质科学与信息科学的交叉结合。 1-1-1 信息时代的物质科学 构成世界的五大要素是：时间、空间、能量、物质与信息；人类文明三大支柱是：材料、能源、信息。材料是用于制造有用物品的物质，能源是产生能量的物质，材料和能源构成人类文明的物质基础和硬件；信息则是人与客观物质世界的媒介，是物质形态和特性的映像，是人类认识和改造世界需要利用和传播的有用知识，信息构成人类文明的思维基础和软件。 物质与信息构成技术科学的主体和现代经济社会的基础。物质的相关信息，既是人类经济信息的重要组成，又是贯穿自然科学的主线。 1．物质与信息的基本属性 物质的基本特性是排它性，物质总占有一定的时空，通常有一定的质量和形态，处于永恒的运动之中；物质的位阻原理是一个原子只能置于其它原子留出的足够位置上。 物质的质量与能量密不可分，总体不生不灭，物质资源是有限的。广义的物质包含实物与场波，物质的分析对象和方法都是建立在样品实物与场波相互作用的基础上。 信息是零质量，有传输性、扩充性、扩散性、替代性、压缩性、共享性、增殖性等特征。如用于某种目标的信息，可能随着时间的推移，价值耗尽，但它对另一目的可能又有价值。信息的增殖在量变的基础上可能产生质变，在积累的基础上产生飞跃。 2．物质与信息的类比性：物质熵与信息熵 物质有转变性和测准相对性，同样，相关性和不确定性也是信息的两个基本概念。为表征信息的不确定性，仿照物质科学中热力学熵或物质熵引入信息熵的概念。 统计物理熵S是衡量物质热力系统紊乱程度的测度，用系统微观状态数Ω的对数表示。 S = Κ lnΩ （1.1） 物质熵是物质系统无序状态的描述。统计物理表明：物质运动状态总是自发从相对有序状态向相对无序状态变化，使熵增加。即在系统的自发演化中，系统的总熵只增不减，这就是物质熵的不减原理。 信息熵则是信息紊乱程度的测度。信息熵表征客观系统状态的不确定性(无序性)。如果信息的状态是完全确定有序的，信息熵就为零。有序的信息源其熵值小，无序的信息源其熵大。信息熵也是动态的，系统自发演化中信息熵只减不增，这即信息熵的不增原理。 信息量的单位是比特(Bit)，ln 2 焦耳／开. 信息熵与物质熵的可类比性和相关性，还隐含材料学和信息学更多的内在联系。 3．物质信息的整合与分析学科的对象 人类的信息成指数增长，在经历了劳动密集型的农业经济时代、设备密集型的工业经济时代以后，随着知识爆炸性发展，人类已进入知识密集型的知识经济即信息时代。 材料是引起社会变革的主要生产力。人类社会是根据主要材料分为石器时代、青铜器时代、铁器时代直至当今硅时代。据统计涉及材料的信息占人类信息60%以上。每类材料早就形成独立学科：金属-冶金学；陶瓷-无机化学；聚合物-有机化学；物质表征-分析化学。 随着信息的整合，传统的金属、非金属、聚合物学科统一为材料学(Materialogy)。材料从结构上是按分子的结合键(金属键、离子键、共价键等)分类；应用上按分子的多子行为和少子行为分为结构材料和功能材料。材料科学与传统的物理、化学、生物、环境(天和地)学科的基础交叉融合形成分子科学或物质科学。物质科学是研究和利用物质信息的科学。 物质信息的来源、获取、传输、变换及其相关性分析构成物质信息大系统，即构成物质(材料)信息学或分析科学的内容。因此，现代分析原理和对象不应限于过去分立的各别材料而是广博的物质世界，方法也不应限于过去的分析化学而是物质分析科学。可以说，分析科学是研究和利用物质信息表征的自然科学。 自然科学的最大特点是唯物性：任何现象必有其物质基础；同时，物质间的作用及物质的信息是分层次并且是相关的。 1-1-2 物质信息的表征层次及其相关性 1．物质信息表征的层次 （1）物质信息的宏/微观层次 整个物质世界可视为由物质不同尺度频谱信息构成，物质的信息是分层次的。整体上分为微观(Micro-)与宏观(Macro-)，相应材料科学分为微观材料学与宏观材料学。前者着眼于材料(单个或集体)在自然环境作用下，所表现的行为及其行为与结构间的关系；后者着眼于整体上材料与社会环境间的交互作用。 宏微观层次是相对的，并无明确界限。宏观是由各层次微观构成，是各层次微观的总体效应和表现；微观是宏观的根源、本质和基础。从认知角度分层次，首先是属性表征（what），然后是探求层次机制（How）和深究相关机理（Wh