在科学史上，有一个足以和牛顿、爱因斯坦相提并论的传奇人物，他是所有通信人的“祖师爷”，是现代信息通信建设的理论奠基者。他就是著名数学家、发明家、密码学家、信息论创始人——克劳德·埃尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）。

克劳德·埃尔伍德·香农

（图源：麻省理工博物馆网站）

70多年前，香农为现代信息时代开创了先河，奠定了整个通信行业的基础，例如“比特”一词就来源于香农发表的《通信的数学理论》中。在此基础上，他为通信系统建立了一整套数学理论，并由此诞生了一个新的学科：信息学。此后，世界上所有信息都可以用0或1表示，人类社会正式从工业时代进入了信息时代。如今，在信息时代能做的一切，小到上网办公、刷视频，大到5G、AI、大数据的应用，都要感谢这位信息通信业共同的“祖师爷”。

这位著名的科学家又有着怎样与众不同的人生呢？今天就带大家了解一下。

天赋异禀的科技奇才

1916年4月30日，香农出生于美国密歇根州小镇盖洛德，父亲是当地的法官，而母亲是镇上中学的校长。在这样的知识分子家庭，教育氛围自然不差。读书时的香农就表现出了惊人的数学天赋，在8岁的时候就可以辅导姐姐做高等数学作业。后来，姐姐大学毕业后成为数学教授。

此外，香农特别喜欢发明创造，其中就包括电报机、电动船，以及各种机械动物。这个兴趣爱好似乎和他的爷爷有很大联系——老人家是一位农场主兼发明家，发明过洗衣机和很多农用机械，还是美国第407130号专利的持有者。

1936年，年仅20岁的香农从密歇根大学毕业，顺利获得数学与电子工程学双学位。随后，他进入麻省理工学院继续深造。两年后，他完成了自己的硕士论文——《继电器与开关电路的符号分析》（《A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits》）。在论文中，他首次提出可以用布尔代数来描述电路。他将布尔代数的“真”和“假”与电路系统的“开”和“关”对应起来，并用数学中最简单的两个数字——“1”和“0”来表示。这篇论文具有划时代的意义，奠定了数字电路的理论基础，后来出现的计算机等设备都以此为设计思路。

香农的硕士论文

（图源：清华大学科学博物馆网站）

著名计算机科学家赫尔曼·戈德斯坦（Herman Goldstine）评价该论文是“有史以来最重要的一篇硕士论文”，“从艺术和科学的角度改变了电路的设计”。香农也由此获得了电子工程界的大奖——美国Alfred Nobel协会美国工程师奖。

两年后，销声匿迹许久的香农写出了博士论文《理论遗传学的代数学》，并凭此获得了麻省理工学院的数学博士学位。谁都未曾想到，他竟然从电子工程学“跨界”到了生物遗传学！

改变世界的惊世论文

1941年，香农加入著名的贝尔实验室，在从事加密通信研究时，他发现密码学其实和通信在原理上有诸多相似之处。随着研究的不断深入，香农逐渐构建出了一套完整的密码学理论。与此同时，他开始思考有效通信系统的问题。现代信息论的思想逐步在他的脑海里成型。

1945年9月，香农提交了一份备忘录——《密码学的数学理论》。1948年6月至10月，年仅32岁的香农在《贝尔系统技术周刊》上连载了那篇改变人类发展轨迹的论文——《通信的数学理论》（《A Mathematical Theory of Communication》）。次年，他又在该杂志发表了另一篇著名的论文——《噪声下的通信》。在这两篇论文中，香农给出了通信系统的基本模型，提出了信息熵的概念及数学表达式。

计算信息熵H的公式

香农指出，信息是可以被量化的，可以用数字编码代表任何类型的信息。信息在数字化后，可以经压缩再传输，极大地缩短传输时间，降低传输成本。他还提出了“比特”的概念，称之为“用于测量信息的单位”。比特后来成为信息时代的基石，今天互联网上的所有信息都是用它表达的。

香农还在论文中突出了大名鼎鼎的“香农公式”。他在写完公式后，曾留言：“极限就在这里。”直到现在的5G为止，若干年后的今天，全球一流的通信运营商和设备生产商都一直以香农公式为通信理论之基，追逐着香农极限。

香农公式

（其中C为信道功率，单位为bit/s ;B为信道带宽; S/N为信噪比，通常用分贝（dB）表示)

香农的两篇论文奠定了信息论的基础，对学术界造成了巨大的震动。随着信息技术的迅速发展，信息论的价值愈发凸显，香农也确立了自己“信息鼻祖”与“通信鼻祖”的地位。

热爱发明的杂耍玩家

科学研究之外，香农有着各种各样的兴趣爱好，最出名的就是发明和杂耍了。

1952年，香农夫妇共同推出了著名的“会走迷宫的老鼠”——忒修斯。它是一只带有铜须的木制玩具老鼠，能通过不停地随机试错穿过一座由金属墙组成的迷宫，直到在出口处找到一块金属“奶酪”。最厉害也最具独创性的是，忒修斯能够记住这条路线，即使在下一次任务中移动迷宫的墙壁也难不倒它。其实，走迷宫的秘诀并不在老鼠身上，而是在迷宫各处隐藏了75个继电器开关，通过它们的开关功能，就能最终实现老鼠的“智能”。

香农的另一个著名发明是会下国际象棋的机器，它有150个继电器开关，具备不错的计算能力。1965年，香农带着这台机器挑战了当时的国际象棋世界冠军米哈伊尔·鲍特维尼克，虽然最后输掉了比赛，但它的表现还不赖。

1973年召开的信息论国际研讨会上，IEEE命名了“香农奖”，并把这一奖项授予了香农本人。这种自己领取以自己名字命名的奖项的做法，后来被戏称为“香农套路”。

1985年，在英格兰布莱顿举行的国际信息论研讨会上，香农突然现身，引发全场轰动。更让人瞠目结舌的是，他竟然当场表演起了抛物杂耍，让整个会场一片沸腾。

香农对杂耍十分热爱，年轻时他就学会了骑独轮车和抛接球。在贝尔实验室上班时，他经常特立独行地骑独轮车上下班。到了晚年，香农对杂耍简直到了痴迷的地步，花大量时间刻苦练习，不断提高杂耍水平。他甚至拥有一张杂耍学博士证书，并视之为至宝。香农还把玩杂耍上升到理论高度，开始撰写《统一的杂耍场理论》。遗憾的是，还未完成他就因病于2001年去世，享年85岁。

玩杂耍的香农

（图源：鲜枣课堂公众号）

香农的贡献无疑是巨大的。他的信息论直接奠定了信息技术的理论基础。我们现在所处的信息时代就是基于他的研究诞生的。

《信息简史》的作者詹姆斯·格雷克曾说：“将香农与爱因斯坦进行对比更有意义。爱因斯坦贡献突出，地位显赫。但我们并没有生活在相对论时代，而是生活在信息时代。正是香农，在我们所拥有的电子设备中，在我们注视的每一个计算机屏幕上，以及所有数字通信的方法中都留下了他的印迹。他是这样一个人：他改变了世界，而且在更改以后，旧世界已经被人们彻底遗忘。”由于研究领域的原因，香农未能被授予诺贝尔奖，但这丝毫不影响他的伟大以及他为人类社会进步做出的突出贡献，时至今日，香农的研究成果依旧影响着诸多领域。

在未来，香农所留给人类的思想也会永远留在人们的脑海中，激励后世科学家前赴后继、接续奋斗。

参考资料：

1.《公式之美》，量子学派编著，北京大学出版社2020年9月第一版；

2.《香农传》，[美]吉米·索尼，[美]罗伯·古德曼，译者：杨晔，出版时间：2019-02；

3.《通信简史》，周圣君（@小枣君）著，人民邮电出版社2022年7月第一版。