大數據時代感受人文和科技的跨界之美

用大數據和科學理論來重新解讀人類歷史，一直是張首晟老師的愛好。本文深刻闡述了大數據時代物理、科技和人文的跨界之美和意義所在。美國《獨立宣言》的第一句話，也是涵蓋了歐幾里德的思維精華——簡單而普適。愛因斯坦的著名公式E = mc2非常簡單，也是涵蓋了從原子到宇宙的運行原理。整個人類文明的巔峰成就，在乎歐幾里德的幾何理論。古希臘人喜歡進行抽象思維，而羅馬人更專注怎樣把幾何用在工程學上，打造了百萬人口、設施完善、建筑恢弘的羅馬城。但羅馬帝國的偉大更在于將幾何原理用在了法律上，再復雜的邏輯架構也是建造在幾個顯而易見的公理之上，這是羅馬帝國法律體系的基石。本文為張首晟老師為吳軍的《文明之光》所作之序，版權歸原作者所有。

從小我就酷愛讀歷史，那些可歌可泣的故事深深地打動著我的心靈。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？如果布魯圖刺殺愷撒大帝失敗，歐洲的歷史又會怎樣？如果普魯士軍隊來到拿破侖與惠靈頓打得不可開交的滑鐵盧戰場時遲了兩小時，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，就像一個瑞士手表，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，用一個簡單而優美的萬有引力定律就能描述。這兩個截然不同的世界都神秘地吸引了我，但是物理世界的必然與歷史世界的偶然卻讓我困惑不已。

當我深入學習了統計物理學之后，才開始慢慢看到兩者的相似之處。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，僅有少量的幾個自由度。當我們觀察氣體中的分子和液體中的小顆粒時，它們的運動是雜亂無章的，似乎也被偶然的因素所左右。而統計物理學把這些雜亂無章的個體運動放到整個系統行為的高度來看，于是，那些偶然的因素在統計平均中消失了，人們由此提煉出能量守恒與熵增的普適規律，讓偶然走向了必然。愛因斯坦曾經說過，在未來的知識領域，牛頓力學、相對論以及量子力學都會被修正，而統計力學的定律卻是永恒的。

所以我要問，能否用同樣的眼光來看待歷史呢？歷史的浩瀚章節、戲劇式的人物故事，盡管偶然，就像液體中的小顆粒一樣難以預測，但當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？

我們讀歷史時往往會問，在這之前發生了什么？歷史的起源，是有人類以來最常問到的深刻問題，不同的民族、不同的宗教、不同的文化都有自己的“創世紀”傳說。人類文明綿延數千年，直到我們這一代，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。若將地球的年齡縮短成一年，則人類僅在最后的半小時才出現。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待一切。在大歷史的尺度下，更能在統計平均的意義下去掉那些偶然因素，留下宇宙演化與文明進步的真理。

人類是由原子和分子組成的奇妙物種，我們要找到普適于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，后來發現熵的統計意義就是信息，兩者是等價的。）

宇宙大爆炸后，剛開始，宇宙中充滿了基本均勻的微小塵埃，隨著時間的推移，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，塵埃間的距離會變得非常近，能量和質量的密度也會大大提高，超過臨界值之后，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，形成了恒星和星系，從此恒星點燃了宇宙之光。

相似地，人類剛剛起源的時候，分散在地球表面，通過狩獵和采集維持生存，此時人類的能源更多來自于狩獵獲取的動物。由于動物資源有限，所以人口密度不會達到臨界狀態。直到一萬年前，人類發明了農業，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，也造成人口密度的極大提高，形成了村莊。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，進而產生了語言和文字，從此點燃了文明之光。

由此可見，整個宇宙復雜性（Complexity）的產生，無論是恒星的產生，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，那么什么是文明？文明的定義是什么？生物世界通常只有一種傳播信息的辦法，就是通過基因。而人類創造了一個平行于基因的信息體系，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：平行于生物基因，可以代代相傳的一個信息系統。人類每次的新能源革命，例如蒸汽機、電力和核能的發明，都為人類文明帶來巨大的變革。

經典的史書，常常是對帝王戰爭的記述占據了絕大的篇幅。在戰爭中，秦始皇、亞歷山大大帝、愷撒大帝們得到了個人至高的榮耀，卻帶給百姓兵荒馬亂、妻離子散的殘酷悲劇。而在人類的文明史中，戰爭又占有什么樣的地位呢？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，還沒等建立起自己的王朝，他的帝國就崩潰了。他給人類文明留下了什么呢？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，教他汲取世界知識。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，并提供人力和財力支持，使得古希臘文明廣泛傳播。當他征服埃及之后，建立了港口城市—亞歷山大城。亞歷山大在世的終極目標是征服一切已知的世界，而他建立的圖書館的目標是收藏人類一切的書籍與知識。當時每艘船進入亞歷山大港口，都要被搜查，若找到一本圖書館里沒有的書，就會被“充公”一年，等圖書館工作人員抄寫完畢，重賞后才物歸原主。這樣年復一年，亞歷山大圖書館便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，也吸引了古代最杰出的學者。信息密度超過了臨界值，加上杰出學者的智慧，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（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。于是他想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。歐幾里得在亞歷山大圖書館里閱讀萬卷書之后，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。大科學家阿基米德與托勒密都曾在亞歷山大圖書館里學習與工作，他們分別奠定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，促進了交流，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跡。由此看來，使亞歷山大大帝流芳千古的，并不是他在戰場上的豐功偉績，而是他留下的這個圖書館。

愷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、與埃及艷后的浪漫史，以及他最后被自己鐘愛的養子布魯圖刺殺。但我更想知道，他對人類文明起了什么作用？作為古羅馬帝國的締造者，愷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，用于運輸軍隊和軍事供給。道路的延伸帶來了羅馬版圖和權力的擴張，加強了羅馬帝國對被征服地區的統治。漸漸地，這個軍事網絡逐漸發展為金融、文明交流網絡，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征稅非常方便，并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是基督教的傳播?；浇唐鹪从讵q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并論，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，門徒們非常有效地傳播了他們的宗教信仰。從古羅馬皇帝尼羅（37—68）迫害基督教徒，到君士坦丁大帝（272—337）把基督教定為古羅馬國教，只有短短不到300年時間。最終，古羅馬帝國逐漸衰亡，基督教卻流傳下來，深刻影響了世界文明?；浇虖囊粋€小小猶太國的信仰，發展為現在世界的三大宗教之一，可以說是人類網絡效應的第一個傳奇。

令人嘆息的是，在亞歷山大大帝大修圖書館的年代，秦始皇卻下令焚書坑儒，春秋戰國百家爭鳴的盛況成為歷史絕唱；在愷撒大帝擴修羅馬大道的年代，秦始皇修建了萬里長城，在抵抗外敵入侵的同時，卻也禁錮了文化的傳播。

公元76年，西羅馬帝國沒落，歐洲進入了黑暗的中世紀，古希臘、古羅馬光輝的文明在當時的歐洲幾乎完全被遺忘。出于宗教狂熱，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奪回耶路撒冷。十字軍東征總體上是失敗的，使東西方各國生靈涂炭，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梁，并對歐洲文化產生了長遠的影響。當時阿拉伯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于歐洲、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，這個光輝通過阿拉伯世界保留并傳播過來的，是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，會顛覆性地打通文明交流的新渠道，而技術的發展帶來了航海、鐵路、飛機與網絡，相當于縮短了地球的周長，推動了文明的交流，有效增加了信息的密度。這些都是物理層次的渠道，然而還有更神奇的渠道，能促進人類不同知識領域之間的交流。歐幾里得的《幾何原本》，奠定了幾何學的基礎，它本是數學領域的大作，然而，這里面還有來自于數學卻高于數學的思想方式，可以廣泛地應用到整個人類的知識領域。豐富多彩的幾何學，根基于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應用。

今天我們來到羅馬的萬神殿，處處可以看出這座千年前的建筑是幾何學的奇跡。當我們仰望萬神殿的天窗時，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上的直接應用，比較容易理解。但羅馬人不僅把歐幾里得幾何學應用于建筑，更把幾何公理的思想應用于法律，引入了自然法的概念。法律既然要讓萬民遵守，就必須建筑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，視為神圣而不可侵犯。羅馬法是在當年歷史條件下創建的最理性的法典。法律對個人財產的保護，使每個羅馬公民都發憤圖強，使得羅馬繁榮昌盛。一千多年之后，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，真正接受了來自于歐幾里得的靈感，理解并提煉了科學的精神，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跡。

回顧大歷史，我們發現，文明的主線是能量與信息。帝王將相、英雄豪杰不過是為能量與信息的交流鋪路，有效提高了信息的密度。用這樣的眼光看待大歷史與人類文明，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，這是人類文明史上獨一無二的。而更重要的是，我們迎來了信息大爆炸的網絡時代，整個人類的知識，只要輕輕一點鼠標，就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，一個人的腦袋里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。當先人把來自于科學的公理思想用于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，用鐵路與航海在地理上建立聯絡已不是那么重要，建立知識的橋梁，連接不同知識領域的孤島，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，必然導致網絡時代的文明大爆炸。