重溫｜張首晟：大數據時代感受人文和科技的跨界之美

原標題：重溫｜張首晟：大數據時代感受人文和科技的跨界之美

【編者按：12月6日，澎湃新聞獲悉，美國華裔物理學家張首晟教授於2018年12月1日去世，終年55歲。他是美籍華裔物理學家，美國文理科學院院士、美國國家科學院院士、中國科學院外籍院士。斯坦福大學最年輕的終身教授之一，也是諾貝爾物理學獎的有力人選。本文是張首晟為吳軍博士《文明之光》一書寫的序。經授權，澎湃新聞轉發此文。】

張首晟 東方IC 資料圖

從小我就酷愛讀歷史，那些可歌可泣的故事深深地打動我的心靈，歷史似乎就是一盤棋，命運時時在那些偉人的掌控之中。然而，我也經常會問一些可笑的問題，例如：當年如果荊軻刺秦王成功，中國的歷史將會如何演化？如果布魯圖刺殺凱撒大帝不成功，歐洲的歷史又會怎樣？如果普魯士軍隊來到拿破崙與威靈頓打得不可開交的滑鐵盧戰場遲了兩小時，世界又將轉向哪個方向？如果，如果……人類的歷史好像就被那些偶然的因素牽著走。

學習物理把我帶進了另一個世界，牛頓方程下的宇宙，就像一個瑞士手錶，每分每秒都在精密地運轉。小到樹上的蘋果，大到太陽系的行星，都被一個簡單而優美的萬有引力定律所描寫。這兩個截然不同的世界都深深地吸引了我，但是物理世界的必然與歷史世界的偶然卻深深困惑了我。

當我深入學習到統計物理學，才開始慢慢看到了兩者的相似之處。牛頓方程之所以能精密描述行星的運動，是因為這是個簡單體系，僅有幾個少量的自由度。當我們觀察氣體中的分子，液體中的小顆粒，它們的運動是雜亂無章的，似乎也被偶然的因素所左右。而統計物理把這些雜亂無章的個體運動提高到整個系統的行為，那些偶然的因素在統計平均中消失了，提煉出了能量守恆與熵增的普適規律，偶然走向了必然。愛因斯坦曾經說過，在知識的未來，牛頓力學，相對論，量子力學都會被修改，而統計力學的定律卻是永恆的。

所以我要問，能否用同樣的眼光來看歷史呢？歷史的浩瀚章節，戲劇式的人物故事，儘管偶然，就像液體中的小顆粒一樣難以預測，但是，我們把時空尺度漸漸放大，這些偶然因素是否會在大數平均下相互抵消而消失，從而提煉出真理呢？

正當我在深思這些問題的時候，受到我好友吳軍的邀請，讀他的大作「文明之光」,並為書寫序言。我在欣喜中一口氣把書讀完，深受啟發。書中寫的不是人們已知的帝王將相，英雄美人，而是一部光輝燦爛的文明史。這部書幫助我從雜訊中尋找信號，深思主宰人類歷史的真理。

每當我們讀歷史之時，往往會問，在這之前發生了什麼？歷史的起源是有人以來最常問的深刻問題，不同的民族，不同的宗教，不同的文化都有自己的傳說，自己的「創世紀」.人類文明數千年，直到我們這時代，才真正了解了時間的原點。今天，我們知道，宇宙是在大爆炸中產生的，宇宙的年齡為137.98±0.37億年，地球的年齡約為45.4億年，恐龍是在6500萬年前消失的，現代智人的年齡約為20萬年，人類有文字的歷史約為5500年，正如「文明之光」引言中所提，如將地球的年齡縮短成一年，人類出現僅在最後的半小時。所以，我們要讀懂人類文明史，更需要從宇宙形成的原點出發，用大歷史的眼光來看一切。在大歷史的尺度下，更能把那些偶然因素在統計平均的意義下去掉，留下宇宙演化與文明進步的真理。

因為人類是由原子和分子組成的奇妙物種，我們要找到普適於宇宙與人類的第一性原理，必須從最基本的概念出發，那就是能量、信息與時空。它們的結合，產生了能量密度與信息密度的概念。（值得注意的一點是，物理學家引進了熵的概念，後來發現熵的統計意義就是信息，兩者是等價的。）

宇宙大爆炸後，剛開始，宇宙中充滿著基本均勻的微小塵埃，隨著時間推移，塵埃的密度也開始發生漲落，有些密度比較高的地方，通過萬有引力的作用，把別處塵埃逐漸吸引過來，塵埃間的距離會非常靠近，能量和質量的密度也會大大提高，超過臨界值之後，有一種新的力會起更大的作用，即強相互作用力，它使得原子核在碰撞時產生核聚變反應，聚變反應成為新能量的來源，通過這個機制，形成了恆星和星系，從此恆星點燃了宇宙之光。

相似地，人類剛剛起源的時候，分散在地球表面，通過狩獵和採集維持生存，此時人類的能源更多來自於狩獵的動物，由於動物資源有限，所以人口密度不會達到臨界狀態，直到一萬年前，人類發現了農業，開始了耕種，農作物通過光合作用帶來能量，維持人類的生存，可以說人類利用了一個新的能源，即太陽能。這一新能源導致能量密度極大提高，造成人口密度也極大提高，形成了村莊。由於能量密度的提高，為人們更緊密的信息交流提供了機會和條件，因而產生了語言和文字，從此點燃了文明之光。

由此可以看出，整個宇宙複雜性（Complexity）的產生，無論是恆星的產生，還是人類文明的產生，都需要能量密度達到一定高度。

我也在思考，我們經常提到文明，那麼什麼是文明？文明的定義是什麼？生物世界通常只有一個傳播信息的辦法，就是通過基因。而人類創造了一個平行於基因的信息體系，就是通過語言和文字，代代相傳，稱之為文明。所以我將文明簡單定義為：平行於生物基因，可以代代相傳的一個信息系統。在「文明之光」中，很多章節都提到了新能源的發現，人類每次新能源的革命，都帶來了巨大的文明革命，例如蒸汽機、電力和核能的發明，都為人類文明帶來的巨大的變革。

在經典的史書中，對帝王戰爭的記述佔據了絕大的篇幅，在戰爭中，秦始皇、亞歷山大大帝、凱撒大帝得到了他們個人至高的榮耀，卻給百姓來帶了兵荒馬亂、妻離子散的殘酷悲劇。而在人類的文明史中，戰爭佔有什麼樣的地位？在我看來，戰爭最大的遺產是顛覆性地打開了信息交流的新渠道。

亞歷山大大帝戎馬一生，英名蓋世，征服了當時他所知的世界，但他英年早逝，還沒建立起自己的皇朝，他的帝國就崩潰了，他給人類文明留下了什麼呢？是一個圖書館！亞歷山大大帝有兩位老師，一位是他的父親，教他用武力征服世界，另一位則是亞里士多德，教他吸取世界知識，「文明之光」中提到，在亞里士多德的影響下，亞歷山大始終對科學十分熱心，對知識十分尊重，並提供人力和財力支持，使得古希臘文明廣泛傳播。當他征服埃及之後，建立了海邊的港口城市，命名為亞歷山大城。亞歷山大在生的大目標是征服一切已知的世界，而他建立的圖書館的大目標是收藏人類一切的書籍與知識。當時每隻船進入亞歷山大港口時，都要被搜查，若找到一本圖書館裡沒有的書，就會被「充公」一年，等圖書館工作人員抄寫完畢，重賞後才物歸原主，這樣年復一年，亞歷山大圖書館收集了當時人類幾乎所有的書籍，聲名遠揚，成了古代信息密度最高的地方，也吸引了古代最傑出的學者。信息密度超過了臨界值，加上傑出學者的智慧，導致了一場古代社會的「知識大爆炸」。圖書館館長埃拉托斯特尼（公元前276-前193）在一本書上讀到埃及西厄這個地方，在夏至那天的正午，立竿而不見影，於是他出了一個奇妙的辦法，通過亞歷山大城的竿影便能測出整個地球的周長。當時人類對數學已有了許多碎片化的知識，但是沒有一個完整系統，歐幾里得在圖書館裡閱讀萬卷書之後，寫出了千古奇書《幾何原本》，用公理化的體系，不但奠定了整個幾何學的基礎，也制定了整個科學研究的方法。「文明之光」中提到大科學家阿基米德與托勒密都曾在亞歷山大圖書館裡學習與工作，分別創立了物理學與天文學的基礎。

亞歷山大大帝通過戰爭打通了古代世界的交流，而亞歷山大圖書館，則空前地匯聚了人類的知識與處理人類知識的大學者，達到了信息與信息處理的超高密度，創造了古代世界知識大爆炸的奇蹟。由此看來，能使亞歷山大大帝流芳千古的，並不是他在戰場上的豐功偉績，而是他留下的這個圖書館。

凱撒大帝被視為古羅馬帝國的無冕之皇，現在人們每次提起他，大多講的是他在戰場上的豐功偉績，和他與埃及豔后的浪漫史，以及他最後被自己鍾愛的養子布魯圖刺殺。但我更想知道，他對人類文明起了什麼作用？作為古羅馬帝國的締造者，凱撒大帝為了征服別的民族和國家，開始修建羅馬大道。西方古語有云，條條大路通羅馬，可以想見羅馬大道的規模。羅馬大道修建時是為了軍事目的，用於運輸軍隊和軍事供給。道路的延伸帶來了羅馬版圖和權利的擴張，加強了羅馬帝國對被征服地區的統治。漸漸地，這個軍事網路逐漸發展為金融、文明交流網路，起到了原先修建羅馬大道時意想不到的作用。經濟上，羅馬大道使得羅馬帝國徵稅非常方便，並極大地促進了商業的發展。文化上，羅馬大道促進了非羅馬地區的文明化進程，使得羅馬的政治制度、法律制度、經濟模式、生活方式等得到了廣泛普及。但出人意料的一個例子便是基督教的傳播。基督教起源於猶太國，猶太國當時是一個很小的國家，根本無法與羅馬帝國在世界上的地位相提並論，耶穌基督和他的十二門徒就是來自這個小國。通過羅馬大道，門徒們非常有效的傳播了他們的宗教信仰，基督教從一個小小猶太國的信仰，發展為現在世界的三大宗教之一，是一個傳奇的歷史，可以說是人類網路效應第一個例子。從古羅馬皇帝尼羅（公元37-68）壓迫基督教徒，到君士坦丁大帝（公元272—337）把基督教定為古羅馬國教，當中只有短短不到三百年時間。基督教在整個羅馬帝國的傳播，也是一個網路效應的傳奇。最終，古羅馬帝國逐漸衰亡，但基督教卻流傳下來，對世界文明造成了深刻影響。

令人嘆息的是，在亞歷山大大帝在修圖書館的年代，秦始皇下令焚書坑儒，春秋戰國百家爭鳴的盛況成為了歷史絕唱；在凱撒大帝在修羅馬大道的年代，秦始皇修建了萬里長城，抵抗外敵的同時，卻也禁錮了文化的傳播。

公元476年西羅馬帝國沒落，歐洲進入了黑暗的中世紀，古希臘羅馬光輝的文明在當時的歐洲幾乎完全被遺忘。出於宗教狂熱，羅馬教皇烏爾班二世下令進行十字軍東征，要從穆斯林教徒手中重新佔領耶路撒冷。十字軍東征總體上是失敗的，使東西方各國生靈塗炭，但很多人不知道的是，十字軍東征也在無意中搭建了西方世界與穆斯林文化的橋樑，對歐洲文化產生了長遠的影響。當時穆斯林世界的文明發展遠遠超過了歐洲，阿拉伯的化學、天文、數字等知識便被帶回了歐洲，尤其重要的是，阿拉伯保存了古希臘古羅馬的文明，十字軍東征把這些起源於歐洲，但又在歐洲丟失了的文明，重新帶回了家鄉，最終導致了西方文藝復興的革命。十字軍東征帶回的書籍中就包括古希臘天文學家托勒密的著作，他的思想便是通過阿拉伯學者之手重為歐洲所知。文藝復興所要恢復的，便是古希臘古羅馬的光輝，但這個光輝，卻是通過阿拉伯世界保留並傳播過來的，十字軍東征無意中打開了這道文化大門。

戰爭有時會帶來意外的效果，顛覆性地打通了文明交流的新渠道，而技術的發展帶來了航海、鐵路、飛機與網路，相當於縮短了地球的周長，提高了文明的交流，有效增加的信息的密度。這些都是物理層次的渠道，然而還有更神奇的渠道，打開了人類知識不同領域之間的交流。歐幾里得的《幾何原本》，奠定了幾何學的基礎，本是數學領域的大作，然而，這裡面有來自於數學卻高於數學的思想方式，可以廣泛地應用到整個人類的知識。豐富多彩的幾何學，根基於五條不言自明的公理，每條幾何定理都可以從這五條公理推導出來。希臘人的幾何學被羅馬人加以運用。今天我們來到羅馬的萬神廟，處處可以看出這個千年前的建築是來自幾何學的奇蹟。當我們仰望萬神廟的天窗時，似乎可以看到歐幾里得在天堂的笑容。這是幾何學在工程學的直接應用，比較容易理解。但羅馬人不僅把歐幾里得幾何學用於建築，更把幾何公理的思想用於法律，引入了自然法的概念。法律既然要讓萬民遵守，必須建築在幾條簡單且人人都認為不言而喻的自然法上。法律保護個人財物，視為神聖而不可侵犯。羅馬法是在當年歷史條件下最理性的法典。由於對個人財產的保護，使每個羅馬公民都發憤圖強，使得羅馬繁榮昌盛。一千多年之後，歐幾里得的思想主導著美國建國的獨立宣言，把人人平等的思想，提為不言而喻的建國公理。林肯總統為了解放黑奴，提出了憲法第十三條修正案，就在議會爭論最為激烈的時候，他手中時時緊握著歐幾里得的《幾何原本》。幾何五大公理之一，說所有直角都是相等的，更使林肯總統深信人人平等才是建國最核心的基礎。古代羅馬的強大，今日美國的繁榮，是因為那些建國元勛，真正接受了來自於歐幾里得的靈感，理解並提煉了科學的精神，活學活用，悟出了治國之道。由此可見，人類文明跨領域的交流可以創造新的奇蹟。

回顧大歷史，我們發現文明的主線，是能量與信息。帝王將相，英雄豪傑，不過是為能量與信息的交流鋪路，有效提高了信息的密度。用這樣的眼光看大歷史與人類文明，我們能對未來有何展望呢？在人類歷史的滾滾長河中，我們這代人可以說是歷史的幸運兒。前面提到，我們這代人，首次找到了時間的原點，歷史的起點，這是人類文明史上唯一的。而更重要的是，我們迎來了信息大爆炸的網路時代，整個人類的知識，只要輕輕一點滑鼠，就會立刻呈現在我們的眼前。然而，今天不論是個人的發展，還是研究領域的推進，都越深越窄，看到的只是樹而不是林，很少有人能像文藝復興時代的大師達芬奇一樣，一個人的腦袋裡能裝進當時整個人類的知識精華，包括藝術、醫學、工程、科學等，從而爆發出驚人的創意。前面也提起，當先人把來自於科學的公理思想用於法律的精神與治國之道，帶來了羅馬的強大與美國的繁榮。在今天的世界，用鐵路與航海來建立地理的聯絡已不是那麼重要，而建立知識的橋樑，連接不同領域的孤島，才是推進文明的動力。知識跨領域的連接能有效提高信息的密度，必然導致我們網路時代的文明大爆炸。本著這個意願，邀請讀者們看一位工程師寫的文明史，與一位物理學家寫的歷史序言，也許是在這個方向上邁出的小小的一步。

張首晟

斯坦福大學物理系教授

清華大學訪問教授

2014年5月15日於清華園

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