杨义先趣谈科学丛书密码简史――穿越远古 展望未来

　　密码学的起源到底该追溯到多远，这主要取决于将密码学的相关定义确定得多么宽泛；当然，这也是一个仁者见仁，智者见智的事情。但是，有两个极端是非常明确的： 其一，本书前7章介绍的密码，肯定是*狭义的密码，它们的主体，特别是近代密码、一战密码、机械密码、二战密码和现代密码等，干脆就是为保密通信而量身定制的加密和解密技巧；无论如何，它们都是正宗的密码，所以，有关它们的简史，将以述事、说理、讲故事为主。 其二，将以全新的角度，介绍*广义的密码，即所有符号系统都是密码，而狭义密码，显然也都是不同的符号系统；反过来，每种符号系统，其实也都可当成特殊条件下的通信密码。特别需要强调的是，语音密码肯定是人类*早的密码，因为在语言诞生前的人类，还不能称为“现代人”；文字密码虽然晚于语音密码，但是，从今天的狭义密码学角度来看，文字密码和语音密码可看成同一种通信密码。具体来说，说话或写字相当于加密，语音和文字就等同于密文，而听话和读书可以看作解密；不懂交流者的语种的人，若想试图听懂别人的交流，那他就相当于破译者等。 该前言可能是本书*有特色的部分之一，建议大家认真阅读。比如，对密码专业的专家来说，建议先按正常顺序阅读一遍，然后，在读完全书后，再回过头来阅读一次，以便对人类所有密码的符号学特性有一个更深入的理解，从而有助于今后新型密码的设计和破译；而对普通读者来说，如果初读前言有困难，也可以先跳过该前言，待到读完本书后，再将前言与*后的结语一起阅读，从而理解整个人类密码史的统一、完整和系统性。 密码的起源 人类的密码起源于语言，或者说，语言是*早的密码。为什么会有如此之说呢？首先，人与动物的*大区别就在于人有语言，或者用专业术语来说，人能进行符号思维；所以，从认知角度来说，没有语言的古猿，压根儿就不能算是人，至少不是“现代人”。既然不是人，当然就谈不上人类密码了。其次，“一战”和“二战”的实践已表明：语言（特别是罕见的原住民语言）确实可用作通信密码。另外，动物的若干本能行为，如叫声、肢体动作等，虽然是相关动物自己的密码，但不是人类的密码，所以不属本书内容范围。当然，在生物进化过程中，人类之所以能战胜其他动物，其主要原因恐怕就是：人类能破译动物的密码，知道它们的某种声音或行为的含义，从而可采取相应的对付措施；而动物却不能破译人类的密码，故只好被动挨打，任由人类宰割。这一点将在接下来的内容中详述。当然，情况也有例外，比如，由于人类还未破译新型冠状病毒的密码，所以，在2020年春节期间，人类一时显得比较被动。总之，上述正反两方面的事实，再一次表明了破译密码的重要性。 语言密码不仅是所有人类密码之源，还是使用期*长的密码；即使到今天，几乎所有人，每天也都仍在频繁使用语言密码。除非不张嘴说话，否则，即使是语言障碍者或婴儿，他们也都在使用语言密码，只不过一般人不能完全破译而已。 人类是从何时开始说话的呢？这当然不是要问“你是啥时说话”的，否则，你妈妈肯定知道准确答案；而是想问，人类作为整体，何时开始使用语言的。这个问题虽无标准答案，但下列说法却很有说服力。 从生理结构角度来看，人类大概在30万年前，就具备了清晰发出多音节语素的解剖学结构，即喉结下移到第4至第7颈椎之间，声带上方有一个扩大的咽腔；在这里，人类可对想发出的各种复杂声音进行自如的调整。据说，人类能发出超过二百种的声音，而每种语言所用到的发声，不过区区数十种而已，这便是许多语种听起来完全不同的主要原因。而其他哺乳动物（包括尼安德特人）的喉结，都在更高处，都不能发出复杂的声音，只能用口腔对声音进行简单调整，因此，不具备说话的生理结构。但是，动物的这种喉部结构却有一个优势，那就是可同时进行吞咽和呼吸；人类婴儿刚出生时，其喉结的位置跟黑猩猩差不多，但到两岁左右时，喉结便降低到正常位置，才能发出复杂声音。换句话说，此时的人类就已具备说话的“硬件”了。 从考古角度来看，早在25万年前，人类的运动性语言中枢，即负责说话的所谓“布罗卡氏区”神经中枢，就已非常发达并接近现代人了。换句话说，此时的人类就已拥有说话的“指挥系统”了。 从基因角度来看，大约在20万年前，人类位于7号染色体上的FOXP2基因发生了一次突变，而该基因关联着脑神经元的语言协调功能和其他认知功能；换句话说，此时的人类，终于拥有说话的“软件”了。科学家是如何发现FOXP2基因的这种功能的呢？原来，他们在英格兰发现了几个语言功能障碍的家族，他们说话虽没问题，却无法掌握语法；经认真筛查后发现，原来该家族所有成员的FOXP2基因都不正常。那为什么又是20万年前呢？原来，英国牛津大学遗传学家安东尼·玛纳克等，在《自然》杂志上公布了他们的发现：在老鼠和所有灵长类动物身上，都有一种FOXP2基因。而在生物进化史上，当人类、黑猩猩跟老鼠“分道扬镳”之前的13亿年中，FOXP2蛋白质只改变了一个氨基酸。在人类和其他灵长类动物“分手”的400万到600万年间，有两个语言基因中的氨基酸在人类身上发生了突变，并*终成为遗传性基因；但在这同时，其他灵长类动物却未受此影响而发生基因变化。对人类语言起决定作用的“FOXP2基因突变”，发生在12万至20万年前；这恰恰与智人的人口猛增时间相一致。因此，科学家猜测，正是由于人口密度的增大，才促进了语言交际能力的增强和持续发展，并*终形成语言系统。另外，通过分析化石和DNA，比较有说服力的观点认为，人类起源于东非且出现在20万年前。而这又刚好与语言的产生时间相吻合；由此可见，没有语言之前的类人动物，还真不是真正意义上的人。 总之，人类能熟练掌握并使用语言的时间，肯定不会早于20万年前；但到底是哪天呢？这确实无法精确回答，毕竟，即使“软件”、“硬件”和指挥系统均已万事俱备，这也不等于人类就能用语言彼此交流信息（说话）了，因为还欠一股“东风”。这股“东风”就是一套语言密码的诞生。而建立一套完整的语言符号系统并加以灵活运用，绝非一件简单的事情，至少得花费数万年时间；毕竟，在人际交流并不频繁的智人时代，仅仅语言的约定俗成过程就会相当漫长。那么到底花费了多长时间来创造语言呢？答案是：不超过12万年。因为大约在7万年前，人类就开始认知革命了，而认知的载体正是语言。 智人胜于密码战 在弱肉强食的残酷生物演化竞争中，人类的祖先智人，为啥能战胜各种猛兽，甚至战胜脑容量更大的同类尼安德特人等，并*终登上生物链的顶端呢？需要知道仅仅在7万年前，人类还只处于生物链的中下游哟。人类获胜的秘密，肯定不是基因好，因为任何动物想要依靠基因突变的方式来达到生态链顶端的话，至少得花费好几百万年的时间；实际上，从密码角度来看，人类获胜的原因，可能会吓你一跳：原来，这主要因为智人发明了一种更高级的密码，一种其他动物完全无法破译的密码，即人类语言，也即人类认知革命的主要载体！从战略上来说，语言这种密码能把许多人团结起来，为一个共同目标而奋斗，而尼安德特人在这方面就处于下风了。从战术上来说，语言这种密码可以现场灵活调动兵力，对敌人形成局部优势，实施各个击破的有效打击，若仅靠现场比画或狂叫显然会输于语言。看来，“密码胜则竞争胜”的铁律，不但在“一战”和“二战”中有效，还早在生物演化中，就已多次发生过奇效了。 具体地说，大约135亿年前，宇宙物质、能量、时间、空间有了现在的样子，形成了物理世界；大约在38亿年前，分子结合形成了有机体这样的精细结构，从而出现了生物；大约250万年前，类人生物出现了，它们就是黑猩猩和人类的共同祖先；大约200万年前，出现了至少13种不同的人种，包括智人、东非的鲁道夫人、东亚的直立人、欧洲和西亚的尼安德特人等；但是，除智人外，后来其他人种先后灭绝，比如，尼安德特人的*终灭绝时间，大约在4万年前；直到大约1万年前，就只剩下现在人类的祖先智人了。这是为啥呢？原来，大约7万年前，智人开始创造了一种更为复杂的密码，一种符号系统；即出现了交谈思考的新方式，采用了全新的语言来相互沟通，从而开启了认知革命。 智人的认知能力突变，主要归因于大脑内部结构的改变，即脑容量的大幅度增加。这可能是智人DNA的一些较小突变，使得大脑原先分离的两部分连接到一起，从而产生了新的认知能力。比如，60千克重的哺乳动物，其平均脑容量仅有200立方厘米；而早在250万年前的类人动物，其脑容量就已达600立方厘米了；现代人的平均脑容量，更高达1200～1400立方厘米。 人类脑容量为啥要增大呢？原来，人类直立行走后，就可扫视草原，解放双手，彼此传递信号，交换密码；因而，就越来越需要发展神经，并对手掌和手指的肌肉进行不断修正，终于使得人类可以使用复杂工具。当然，变大的大脑也为颈椎带来了额外负担，成为人类的苦恼。对于女性来说，直立行走使产道宽度受限，且由于婴儿头部逐渐变大，所以就只好进化出了更短的孕育周期，以降低生育难度；比如，相对于一出生就能奔跑的小马来说，人类简直就是早产儿。另外，为了获得足够的食物养育后代，人类就需要整个部落的协同，这又促使人类进化出了社交技巧，相同的社交技巧也可看成相同的密码；同时，再由于婴儿脱离子宫时进化得还不完全，这就使得人类有更强的可塑性，可以用教育和社会化等方式大加改变，包括对密码编制和使用能力的增强等。 大约7万年前，继**次走出非洲被灭后，智人第二次走出了非洲；这一次，他们不但把尼安德特人和其他人类赶出了中东，甚至还赶出了世界，使得自己的领地逐渐到达欧洲和东亚。大约4.5万年前，他们越过海洋，抵达澳大利亚。大约3万年前，他们发明了船、油灯、弓箭、针等；同时，也有确切证据证明，人类当时还创造了另一种符号系统——宗教，用专业术语来说，宗教其实是一种“互为实体”的虚构；此外，商业和社会分层也开始出现，不同群体所使用的密码也开始细分。直到农业革命前夕，地球上已有500万～800万名狩猎采集者，几千个独立部落，形成了很多不同的语言和文化等密码，这也是认知革命的重要成就。 复杂语言、社交能力、虚构故事，是认知革命的三个重要维度，也是智人能征服世界并成为顶端动物的*关键步骤，它甚至是一条分界线，标志着人类的正式诞生。因为在认知革命之前，智人其实只是一种普通动物，所有发生在智人身上的故事，都可照搬其他生物模型和理论；然而自从认知革命以后，若仍限于生物学角度那就不够了，还得再考虑各种虚构故事，特别是编制人为密码的故事；实际上，只有建构历史的叙述，才能为智人做过并依旧在做的事情作出解释。 认知革命的核心，显然是复杂语言。因为语言这种密码使得智人能传达更多的身边环境信息，比如，智人语言具有更强的灵活性，而其他动物的“语言”，只能传达单一信息；智人语言可通过简单词语的重组，产生无数有意义的句子，让智人可以传递更多更详细的信息，规划并执行更复杂的计划，如躲开狮子、猎捕野牛等；而这又催生了另一个密码副产品，即让智人学会了社交。社交能力使得整个群体更趋于稳定，使得智人能组织更大、更有凝聚力的社会团体，并让智人学会了更多的协作；而协作就是智人强大起来的关键秘诀。社交为啥能使一个族群稳定和协作呢？因为社交可让智人相互信任，而信任的基础就是相互了解，语言的不断沟通就是智人相互了解的过程。比如，社交让彼此知道谁更强壮，谁值得相信，谁会耍赖，谁更聪明，谁有啥八卦新闻等。关于这些信息，智人都可在采集打猎或饭后，通过各种社交活动而获得。当然，单凭社交能力还不足把智人推上顶端，因为社交造成的协作能力也有局限性；比如，它只能维持*多150人的稳定和有效协作，因为人数太多，密码信息将无法分享到整个族群，信任的基础也就缺失了。这时想象力就出场了。 想象力的作用是什么呢？嘿嘿，就是虚构故事，它能让智人说出不存在的事物，还能促进社会行为的快速创新等。别小看了智人虚构故事的能力，它可是智人*终称霸全球的秘诀哟。设想一下，猴子在碰到老虎来袭时，也许只能发出“有老虎，快跑”的信息，但智人却可以说“那头老虎是部落的守护神”。今天我们都知道，所谓守护神，其实压根儿就不存在；但只要让部落成员都相信了同一守护神，那么，这个部落就能因共同的信仰，而团结协作；这就突破了“社交理论”的150人界限，因为不论多少人，只要大家相信的东西都一样，他们就拥有了相互信任的基础，就可以协作。比如，所谓的宗教、国家、公司等概念，其实都是专业术语称之为“互为实体”的虚构想象，但它们却能将数千到数十亿的各类人群团结起来，朝着同一个目标努力。 总之，认知革命的发生，让智人产生了全新的密码沟通方式和思维模式。语言的灵活性与智人的社交行为，让智人获得了更多密码信息，更好的信任基础，学会了协作。而以虚构故事为代表的想象力，特别是大家一起想象的能力，让智人可以共同编制一些虚构故事，从而使得智人彼此间不但能灵活合作，还能与许多陌生人进行大规模合作，这种合作所产生的力量是如此之大，以至*终让智人统治了世界。 既然以语言为代表的符号密码，对人类有如此重大的贡献；那么下面将从密码学的角度来介绍一些符号知识。 符号的密码功能 什么是符号呢？简单地说，符号就是代表某种事物的其他事物。若用学术语言来说，符号就是外在形体与内容含义之间的某种对应关系，即符号形体所代表的思想感情或意义。在符号系统中，由形体和内容构成的对应关系，就好比是一张纸的正反两面，形体和内容处在不可分离的统一体中，虽然它们可以看起来完全不同。比如，在语言符号系统中，“形体”就是语言符号的“音响形象”，内容就是语言所表达的含义。又比如，通信密码也可看成一种符号系统，只不过此时的“码”就是“形体”，而“密”则是“意义”；而形体和内容之间的对应关系，就表现了加密和解密的过程。 符号对人类的重要性，远远不止帮助人类成为地球的主宰。实际上，符号化思维和符号化行为是人类*有代表性的特征。人是符号世界中的人，符号世界也是人的世界。人类生活在自己创造的符号世界中，并在符号世界中谋生存，求发展，搞竞争。人类在创造符号的同时，也在有选择性地使用符号；反之亦然。因此，人也可以定义为“符号动物”。 人为啥要不断创造和使用符号呢？根据马斯洛需求理论，“人是永远都有需求的动物”；要想满足这些需求，人就要认知世界，就要彼此交往；而符号便是满足这些需求的、必不可少的工具。比如，口头交流的需求，就催生了语言符号；记录语言和事物的需求，就催生了文字符号；行车安全的需求，就催生了交通符号；信息保密的需求，催生了通信密码；审美的需求，催生了艺术符号；等等。总之，在各种需求的推动下，人类的符号系统也越来越完善，比如，远古时，人们用图腾仪式、结绳、象形文字等*原始的符号来进行交流；如今，取而代之的早已是各种音频、视频等先进的多媒体符号系统了。人类创造的符号系统非常丰富：画家用线条和色彩去描绘事物，音乐家用旋律和节奏去愉悦人心，建筑师用结构去设计蓝图；至于各领域的科学家们，也都有自己独特的、让外人“谈之色变”的符号系统；反正，语言、神话、宗教、艺术、历史、公式等，全都是人类符号活动的产物。 既然符号是为满足需求而创造的，那么符号就一定具有满足需求的功能；甚至可以说，与符号功能的“实”相比，符号本身其实只是“名”而已。人类之所以要使用符号，其实是在使用符号的功能。那么，符号的功能又是什么呢？概括说来，符号的功能就是“依靠消息来传播思想”，其核心就是认知和交际。为突出重点，此处聚焦于符号的交际功能，即密码功能；关于符号的认知功能，将后移到本书结语部分。此外，关于符号的其他功能，我们就忽略不述了，有兴趣的读者可自行查阅相关书籍（如《机器文学》）；不过，建议工科学生也多多关注一下本该是文科生课程的“符号学”，相信一定会受益匪浅。比如*近，人工智能专家竟基于符号学，研发出了通用语种的翻译软件。若仅埋头于具体语种，那绝对不可能创造出通用翻译系统；只有站在更高的语言符号学巅峰，才能完成如此惊人之举；这一点也值得密码学家借鉴，因为从某种程度上来说，翻译也是一种破译。相关细节将在本书结语中再述。 在介绍密码的交际功能前，我们再强调一下符号系统与密码的等价性：一方面，任何密码都是一种符号系统，无论它想多么保密，也得实现至少两个人（收信方和发信方）之间的无障碍沟通和交流，即交际；另一方面，任何符号系统也可在特殊情况下，被当作密码来使用。实际上，虽然人类的主观初衷，是借助符号载体来实现彼此间的信息交流，但在客观上，在实践中，任何符号系统都不可能实现全人类的无障碍交流；对于那些被排除在某种符号系统之外的群体来说，这种符号系统的形体便是密文，他们若想掌握这种符号系统，就得想办法努力破译这种密码。所以，符号的交际功能与密码的交际功能几乎是一回事，符号系统和密码并无本质区别，只是被沟通的群体规模不同而已，因此，下面将密码的交际功能和符号的交际功能，合二为一，统称为交际功能。 虽然交际并非人类独有，比如，小鸟的歌唱、蜜蜂的舞蹈等都是交际；但是，动物间的交际只是一种低级的、浅层的、本能的行为，比如，求生、择偶、觅食、报警等，完全不同于人类交际，因为“人在本质上就是一种交际动物”。人的交际不可能凭空产生，必须借助于一定的载体，而这个载体就是符号。因此，准确地说“人是运用符号进行交际的动物”，人类运用符号传情达意，进行人际间的信息交流、共享和协调。人类交际的特点主要有四个： **，通过交际能使想象得以产生和延伸。借助符号这个载体进行交际时，就会想到“载体加诸感觉的印象之外的某种东西”。比如，两个陌生人见面时，若谈到“今天天气真好”，其实此时他们并非对天气感兴趣，而是在想法联络感情。同一事物在符号交际过程中，将产生同质的、合理的想象与延伸，比如，通过诗句“飞流直下三千尺”，你可能就会将想象延伸到李白。此外，同一种符号，在不同的时间或地点进行交际时，将会产生不同的想象和延伸，这是所有其他动物永远也无法企及的；比如，同样是前面的那句诗，若你刚好身临一挂瀑布时，你也许会联想到其他美景等。 第二，人类通过交际进行信息交流，实现信息共享，从而扩大了信息的知晓范围。这也是信息区别于物质的重要特性，即信息越被分享，就会变得越多。 第三，人类的交际，是协调行动的符号行为。社会就像一张网，人人都是网中的一个节点，都在这张网里生活，不但要处理网内（社会）与网外（自然）的关系，还要处理各网结间的关系，通过相互沟通、理解和协调等符号行为，建立一个和谐稳定的社会。每个人都会扮演很多角色，也会建立多种关系，比如亲人关系、师生关系等；每种关系的变化，都会直接或间接影响全网的秩序与和谐，因而，妥善处理人际关系，将有利于社会的健康发展。所以，作为协调行动的交际符号，大家每天都在自觉或不自觉地使用着它们。 第四，人类的交际行为是可传授的。小鸟的歌唱只是一种本能，不需要传授；但人类从小就被传授了许多交际符号，比如各种礼节等。这些符号并非天生带来的，而是需要传授才能习得的。交际行为的习得，与学习者所处的客观环境密切相关，这便是“近朱者赤，近墨者黑”。 在交际过程中，人人都会运用符号来传达信息；这其实是一个从表达到理解的过程，也是一个从编码到解码的过程。当编码时，表达者把信息符号化，并呈现给理解者。若再细分，编码包括制码和发码两阶段。其中，制码使信息符号化，比如，唐伯虎向秋香示爱时，他可把这个信息编码成“我爱你”三个字；而发码则是符号形体的呈现，即发信人将携有信息的符号载体，发送给收信人，以便让对方理解并达成共识，比如，唐伯虎对秋香大声表白：“我爱你！” 人类*重要的交际符号是语言，每种语言都有自己的一整套规则。首先，语言必须遵循大家约定的句法、语义、语用规则；其次，无论口语还是书面语，信息符号化的制码过程和发码过程，都必须是线性的，即按时序进行。不过，语言的制码过程，在多数情况下，都是隐性行为，也就是说，通常在大脑中，根据经验和知识，根据约定的规则，进行系统思考、组织，从而使语言符号在大脑中以线性序列排好，以便在发码时，也呈线性依次发送出来；当然，有时在制码过程中也会喃喃自语，不断调整、修正语言符号的排列等。语言的发码过程，则是外显行为，人们在说出或写出一个词或一句话时，这些信息将以符号串的形式，按先后顺序被发送；否则，交际就成了一团乱麻。 纵观人类的交际工具，语言固然重要，但还有许多非语言的符号表达方式。实际上，语言符号经常与众多非语言符号交织在一起，以共同完成交际任务。据估计，当两人在交际时，约有65%的“社会含义”是通过非语言符号来传送的。非语言符号的种类繁多，主要包括体态符号、触觉符号、服饰符号等，这些符号和语言符号一样，也都有各自的一套编码规则。编码规则不同，传达的信息也不同，这主要取决于各种约定性，比如，民族约定性、行业约定性、地域约定性和时代约定性等。在非语言符号中，其编码过程就不再仅限于线性了，它可以是多维的和立体的，比如，同时收发有关着装、体态、触觉和距离等方面的信息。 除编码外，在符号交际过程中，还有一个解码过程，即理解者把符号形体还原为信息的过程。解码者必须根据编码的符号形体，进行一定的联想和推理，才能获得编码符号所指的信息；所以解码其实是一种再创造过程。在对同一符号进行解码时，不同的理解者，可能会联想到不同的内容。比如，对同一幅画，不同观众获得的信息当然不同。除联想解码之外，还有推理解码，此时，理解者会结合不同的符号情境，基于推理，给出符号的含义；“推理”在语言解码中尤其重要。不同的人，对于同一个符号，当然会有不同的推理结果，从而得出自己所理解的信息内容，这与当时的认知语境密切相关。比如，主人大骂自家小狗的行为，无论语言是什么，在客人听来，也许这都是在下逐客令。当然，联想解码和推理解码并非完全独立：联想中有推理，推理中也有联想，它们相互作用。 解码是编码的逆过程。编码即信息符号化，它以表达者为中心；解码即符号信息化，它以理解者为中心；因而，编码和解码有时也并非完全等同，尽管解码总是力求逼近编码，但却很难完全如愿；比如，除*理想的完全正确理解之外，还可能出现不解、别解、误解、多解、缺解等情况。 以时间、地点、个性、心理等为代表的符号情境，在交际中也会发生重要作用。这主要包括：限制作用，即符号在编码时所受的限制，比如，给外行讲物理时，就只能使用科普语言；解释作用，即在一定的符号情境中，对同样的符号可以给出不同的解释，反过来，对不同的符号也可能给出相同的解释，比如，同样的符号E，在英语课上它解释为字母，在物理课上它解释为能量符号，在数学课上它则是公式里的变量等；创造作用，即在符号的使用过程中，创造出新的符号或给旧符号赋予新含义。这种新含义起初只是临时的，但若多次使用，就可能被固定下来。比如，某部热门电影中一句台词的隐喻，可能就会成为今后赋予该台词的一种新含义了。当然，在交际过程中，符号的限制作用、解释作用和创造作用，也经常共同发力。 总之，符号的交际功能，赋予了符号世界更强大的生命力。人与人之间都需要交际，符号在交际中获得了生命；其实，符号与人一样，也是一种社会存在，也具有社会属性。符号现象从人类诞生时就已开始：*初，人类符号交往大概只是一些复杂的身姿手势，同时伴随面部表情和呼叫等；后来，便创造出了语言符号系统，人类才开始发生质的飞跃。难怪，爱因斯坦会说：“要是没有语言，我们就和其他高等动物差不多。”