張首晟/斯坦福大學(xué)物理系教授

　　【編者按：12月6日，澎湃新聞獲悉，美國(guó)華裔物理學(xué)家張首晟教授于2018年12月1日去世，終年55歲。他是美籍華裔物理學(xué)家，美國(guó)文理科學(xué)院院士、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院外籍院士。斯坦福大學(xué)最年輕的終身教授之一，也是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的有力人選。本文是張首晟為吳軍博士《文明之光》一書(shū)寫(xiě)的序。經(jīng)授權(quán)，澎湃新聞轉(zhuǎn)發(fā)此文?！?br style="color: rgb(51, 51, 51); font-family: " hiragino="" sans="" microsoft="" letter-spacing:="" white-space:="" background-color:=""/>

張首晟 東方IC 資料圖

　　從小我就酷愛(ài)讀歷史，那些可歌可泣的故事深深地打動(dòng)我的心靈，歷史似乎就是一盤(pán)棋，命運(yùn)時(shí)時(shí)在那些偉人的掌控之中。然而，我也經(jīng)常會(huì)問(wèn)一些可笑的問(wèn)題，例如：當(dāng)年如果荊軻刺秦王成功，中國(guó)的歷史將會(huì)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(huì)怎樣？如果普魯士軍隊(duì)來(lái)到拿破侖與威靈頓打得不可開(kāi)交的滑鐵盧戰(zhàn)場(chǎng)遲了兩小時(shí)，世界又將轉(zhuǎn)向哪個(gè)方向？如果，如果……人類(lèi)的歷史好像就被那些偶然的因素牽著走。

　　學(xué)習(xí)物理把我?guī)нM(jìn)了另一個(gè)世界，牛頓方程下的宇宙，就像一個(gè)瑞士手表，每分每秒都在精密地運(yùn)轉(zhuǎn)。小到樹(shù)上的蘋(píng)果，大到太陽(yáng)系的行星，都被一個(gè)簡(jiǎn)單而優(yōu)美的萬(wàn)有引力定律所描寫(xiě)。這兩個(gè)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(dāng)我深入學(xué)習(xí)到統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，才開(kāi)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(yùn)動(dòng)，是因?yàn)檫@是個(gè)簡(jiǎn)單體系，僅有幾個(gè)少量的自由度。當(dāng)我們觀(guān)察氣體中的分子，液體中的小顆粒，它們的運(yùn)動(dòng)是雜亂無(wú)章的，似乎也被偶然的因素所左右。而統(tǒng)計(jì)物理把這些雜亂無(wú)章的個(gè)體運(yùn)動(dòng)提高到整個(gè)系統(tǒng)的行為，那些偶然的因素在統(tǒng)計(jì)平均中消失了，提煉出了能量守恒與熵增的普適規(guī)律，偶然走向了必然。愛(ài)因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，在知識(shí)的未來(lái)，牛頓力學(xué)，相對(duì)論，量子力學(xué)都會(huì)被修改，而統(tǒng)計(jì)力學(xué)的定律卻是永恒的。

　　所以我要問(wèn)，能否用同樣的眼光來(lái)看歷史呢？歷史的浩瀚章節(jié)，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(yù)測(cè)，但是，我們把時(shí)空尺度漸漸放大，這些偶然因素是否會(huì)在大數(shù)平均下相互抵消而消失，從而提煉出真理呢？

　　正當(dāng)我在深思這些問(wèn)題的時(shí)候，受到我好友吳軍的邀請(qǐng)，讀他的大作“文明之光”,并為書(shū)寫(xiě)序言。我在欣喜中一口氣把書(shū)讀完，深受啟發(fā)。書(shū)中寫(xiě)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(shū)幫助我從噪聲中尋找信號(hào)，深思主宰人類(lèi)歷史的真理。

　　每當(dāng)我們讀歷史之時(shí)，往往會(huì)問(wèn)，在這之前發(fā)生了什么？歷史的起源是有人以來(lái)最常問(wèn)的深刻問(wèn)題，不同的民族，不同的宗教，不同的文化都有自己的傳說(shuō)，自己的“創(chuàng)世紀(jì)”.人類(lèi)文明數(shù)千年，直到我們這時(shí)代，才真正了解了時(shí)間的原點(diǎn)。今天，我們知道，宇宙是在大爆炸中產(chǎn)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(wàn)年前消失的，現(xiàn)代智人的年齡約為20萬(wàn)年，人類(lèi)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(lèi)出現(xiàn)僅在最后的半小時(shí)。所以，我們要讀懂人類(lèi)文明史，更需要從宇宙形成的原點(diǎn)出發(fā)，用大歷史的眼光來(lái)看一切。在大歷史的尺度下，更能把那些偶然因素在統(tǒng)計(jì)平均的意義下去掉，留下宇宙演化與文明進(jìn)步的真理。

　　因?yàn)槿祟?lèi)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(lèi)的第一性原理，必須從最基本的概念出發(fā)，那就是能量、信息與時(shí)空。它們的結(jié)合，產(chǎn)生了能量密度與信息密度的概念。（值得注意的一點(diǎn)是，物理學(xué)家引進(jìn)了熵的概念，后來(lái)發(fā)現(xiàn)熵的統(tǒng)計(jì)意義就是信息，兩者是等價(jià)的。）

　　宇宙大爆炸后，剛開(kāi)始，宇宙中充滿(mǎn)著基本均勻的微小塵埃，隨著時(shí)間推移，塵埃的密度也開(kāi)始發(fā)生漲落，有些密度比較高的地方，通過(guò)萬(wàn)有引力的作用，把別處塵埃逐漸吸引過(guò)來(lái)，塵埃間的距離會(huì)非常靠近，能量和質(zhì)量的密度也會(huì)大大提高，超過(guò)臨界值之后，有一種新的力會(huì)起更大的作用，即強(qiáng)相互作用力，它使得原子核在碰撞時(shí)產(chǎn)生核聚變反應(yīng)，聚變反應(yīng)成為新能量的來(lái)源，通過(guò)這個(gè)機(jī)制，形成了恒星和星系，從此恒星點(diǎn)燃了宇宙之光。

　　相似地，人類(lèi)剛剛起源的時(shí)候，分散在地球表面，通過(guò)狩獵和采集維持生存，此時(shí)人類(lèi)的能源更多來(lái)自于狩獵的動(dòng)物，由于動(dòng)物資源有限，所以人口密度不會(huì)達(dá)到臨界狀態(tài)，直到一萬(wàn)年前，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)，開(kāi)始了耕種，農(nóng)作物通過(guò)光合作用帶來(lái)能量，維持人類(lèi)的生存，可以說(shuō)人類(lèi)利用了一個(gè)新的能源，即太陽(yáng)能。這一新能源導(dǎo)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。由于能量密度的提高，為人們更緊密的信息交流提供了機(jī)會(huì)和條件，因而產(chǎn)生了語(yǔ)言和文字，從此點(diǎn)燃了文明之光。

　　由此可以看出，整個(gè)宇宙復(fù)雜性（Complexity）的產(chǎn)生，無(wú)論是恒星的產(chǎn)生，還是人類(lèi)文明的產(chǎn)生，都需要能量密度達(dá)到一定高度。

　　我也在思考，我們經(jīng)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個(gè)傳播信息的辦法，就是通過(guò)基因。而人類(lèi)創(chuàng)造了一個(gè)平行于基因的信息體系，就是通過(guò)語(yǔ)言和文字，代代相傳，稱(chēng)之為文明。所以我將文明簡(jiǎn)單定義為：平行于生物基因，可以代代相傳的一個(gè)信息系統(tǒng)。在“文明之光”中，很多章節(jié)都提到了新能源的發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)每次新能源的革命，都帶來(lái)了巨大的文明革命，例如蒸汽機(jī)、電力和核能的發(fā)明，都為人類(lèi)文明帶來(lái)的巨大的變革。

　　在經(jīng)典的史書(shū)中，對(duì)帝王戰(zhàn)爭(zhēng)的記述占據(jù)了絕大的篇幅，在戰(zhàn)爭(zhēng)中，秦始皇、亞歷山大大帝、凱撒大帝得到了他們個(gè)人至高的榮耀，卻給百姓來(lái)帶了兵荒馬亂、妻離子散的殘酷悲劇。而在人類(lèi)的文明史中，戰(zhàn)爭(zhēng)占有什么樣的地位？在我看來(lái)，戰(zhàn)爭(zhēng)最大的遺產(chǎn)是顛覆性地打開(kāi)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(dāng)時(shí)他所知的世界，但他英年早逝，還沒(méi)建立起自己的皇朝，他的帝國(guó)就崩潰了，他給人類(lèi)文明留下了什么呢？是一個(gè)圖書(shū)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(shí)，“文明之光”中提到，在亞里士多德的影響下，亞歷山大始終對(duì)科學(xué)十分熱心，對(duì)知識(shí)十分尊重，并提供人力和財(cái)力支持，使得古希臘文明廣泛傳播。當(dāng)他征服埃及之后，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(biāo)是征服一切已知的世界，而他建立的圖書(shū)館的大目標(biāo)是收藏人類(lèi)一切的書(shū)籍與知識(shí)。當(dāng)時(shí)每只船進(jìn)入亞歷山大港口時(shí)，都要被搜查，若找到一本圖書(shū)館里沒(méi)有的書(shū)，就會(huì)被“充公”一年，等圖書(shū)館工作人員抄寫(xiě)完畢，重賞后才物歸原主，這樣年復(fù)一年，亞歷山大圖書(shū)館收集了當(dāng)時(shí)人類(lèi)幾乎所有的書(shū)籍，聲名遠(yuǎn)揚(yáng)，成了古代信息密度最高的地方，也吸引了古代最杰出的學(xué)者。信息密度超過(guò)了臨界值，加上杰出學(xué)者的智慧，導(dǎo)致了一場(chǎng)古代社會(huì)的“知識(shí)大爆炸”。圖書(shū)館館長(zhǎng)埃拉托斯特尼（公元前276-前193）在一本書(shū)上讀到埃及西厄這個(gè)地方，在夏至那天的正午，立竿而不見(jiàn)影，于是他出了一個(gè)奇妙的辦法，通過(guò)亞歷山大城的竿影便能測(cè)出整個(gè)地球的周長(zhǎng)。當(dāng)時(shí)人類(lèi)對(duì)數(shù)學(xué)已有了許多碎片化的知識(shí)，但是沒(méi)有一個(gè)完整系統(tǒng)，歐幾里得在圖書(shū)館里閱讀萬(wàn)卷書(shū)之后，寫(xiě)出了千古奇書(shū)《幾何原本》，用公理化的體系，不但奠定了整個(gè)幾何學(xué)的基礎(chǔ)，也制定了整個(gè)科學(xué)研究的方法。“文明之光”中提到大科學(xué)家阿基米德與托勒密都曾在亞歷山大圖書(shū)館里學(xué)習(xí)與工作，分別創(chuàng)立了物理學(xué)與天文學(xué)的基礎(chǔ)。

　　亞歷山大大帝通過(guò)戰(zhàn)爭(zhēng)打通了古代世界的交流，而亞歷山大圖書(shū)館，則空前地匯聚了人類(lèi)的知識(shí)與處理人類(lèi)知識(shí)的大學(xué)者，達(dá)到了信息與信息處理的超高密度，創(chuàng)造了古代世界知識(shí)大爆炸的奇跡。由此看來(lái)，能使亞歷山大大帝流芳千古的，并不是他在戰(zhàn)場(chǎng)上的豐功偉績(jī)，而是他留下的這個(gè)圖書(shū)館。

　　凱撒大帝被視為古羅馬帝國(guó)的無(wú)冕之皇，現(xiàn)在人們每次提起他，大多講的是他在戰(zhàn)場(chǎng)上的豐功偉績(jī)，和他與埃及艷后的浪漫史，以及他最后被自己鐘愛(ài)的養(yǎng)子布魯圖刺殺。但我更想知道，他對(duì)人類(lèi)文明起了什么作用？作為古羅馬帝國(guó)的締造者，凱撒大帝為了征服別的民族和國(guó)家，開(kāi)始修建羅馬大道。西方古語(yǔ)有云，條條大路通羅馬，可以想見(jiàn)羅馬大道的規(guī)模。羅馬大道修建時(shí)是為了軍事目的，用于運(yùn)輸軍隊(duì)和軍事供給。道路的延伸帶來(lái)了羅馬版圖和權(quán)利的擴(kuò)張，加強(qiáng)了羅馬帝國(guó)對(duì)被征服地區(qū)的統(tǒng)治。漸漸地，這個(gè)軍事網(wǎng)絡(luò)逐漸發(fā)展為金融、文明交流網(wǎng)絡(luò)，起到了原先修建羅馬大道時(shí)意想不到的作用。經(jīng)濟(jì)上，羅馬大道使得羅馬帝國(guó)征稅非常方便，并極大地促進(jìn)了商業(yè)的發(fā)展。文化上，羅馬大道促進(jìn)了非羅馬地區(qū)的文明化進(jìn)程，使得羅馬的政治制度、法律制度、經(jīng)濟(jì)模式、生活方式等得到了廣泛普及。但出人意料的一個(gè)例子便是基督教的傳播。基督教起源于猶太國(guó)，猶太國(guó)當(dāng)時(shí)是一個(gè)很小的國(guó)家，根本無(wú)法與羅馬帝國(guó)在世界上的地位相提并論，耶穌基督和他的十二門(mén)徒就是來(lái)自這個(gè)小國(guó)。通過(guò)羅馬大道，門(mén)徒們非常有效的傳播了他們的宗教信仰，基督教從一個(gè)小小猶太國(guó)的信仰，發(fā)展為現(xiàn)在世界的三大宗教之一，是一個(gè)傳奇的歷史，可以說(shuō)是人類(lèi)網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)第一個(gè)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(guó)教，當(dāng)中只有短短不到三百年時(shí)間?；浇淘谡麄€(gè)羅馬帝國(guó)的傳播，也是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)的傳奇。最終，古羅馬帝國(guó)逐漸衰亡，但基督教卻流傳下來(lái)，對(duì)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(shū)館的年代，秦始皇下令焚書(shū)坑儒，春秋戰(zhàn)國(guó)百家爭(zhēng)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(wàn)里長(zhǎng)城，抵抗外敵的同時(shí)，卻也禁錮了文化的傳播。

　　公元476年西羅馬帝國(guó)沒(méi)落，歐洲進(jìn)入了黑暗的中世紀(jì)，古希臘羅馬光輝的文明在當(dāng)時(shí)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(jìn)行十字軍東征，要從穆斯林教徒手中重新占領(lǐng)耶路撒冷。十字軍東征總體上是失敗的，使東西方各國(guó)生靈涂炭，但很多人不知道的是，十字軍東征也在無(wú)意中搭建了西方世界與穆斯林文化的橋梁，對(duì)歐洲文化產(chǎn)生了長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。當(dāng)時(shí)穆斯林世界的文明發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了歐洲，阿拉伯的化學(xué)、天文、數(shù)字等知識(shí)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(xiāng)，最終導(dǎo)致了西方文藝復(fù)興的革命。十字軍東征帶回的書(shū)籍中就包括古希臘天文學(xué)家托勒密的著作，他的思想便是通過(guò)阿拉伯學(xué)者之手重為歐洲所知。文藝復(fù)興所要恢復(fù)的，便是古希臘古羅馬的光輝，但這個(gè)光輝，卻是通過(guò)阿拉伯世界保留并傳播過(guò)來(lái)的，十字軍東征無(wú)意中打開(kāi)了這道文化大門(mén)。

　　戰(zhàn)爭(zhēng)有時(shí)會(huì)帶來(lái)意外的效果，顛覆性地打通了文明交流的新渠道，而技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了航海、鐵路、飛機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，相當(dāng)于縮短了地球的周長(zhǎng)，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(kāi)了人類(lèi)知識(shí)不同領(lǐng)域之間的交流。歐幾里得的《幾何原本》，奠定了幾何學(xué)的基礎(chǔ)，本是數(shù)學(xué)領(lǐng)域的大作，然而，這里面有來(lái)自于數(shù)學(xué)卻高于數(shù)學(xué)的思想方式，可以廣泛地應(yīng)用到整個(gè)人類(lèi)的知識(shí)。豐富多彩的幾何學(xué)，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(dǎo)出來(lái)。希臘人的幾何學(xué)被羅馬人加以運(yùn)用。今天我們來(lái)到羅馬的萬(wàn)神廟，處處可以看出這個(gè)千年前的建筑是來(lái)自幾何學(xué)的奇跡。當(dāng)我們仰望萬(wàn)神廟的天窗時(shí)，似乎可以看到歐幾里得在天堂的笑容。這是幾何學(xué)在工程學(xué)的直接應(yīng)用，比較容易理解。但羅馬人不僅把歐幾里得幾何學(xué)用于建筑，更把幾何公理的思想用于法律，引入了自然法的概念。法律既然要讓萬(wàn)民遵守，必須建筑在幾條簡(jiǎn)單且人人都認(rèn)為不言而喻的自然法上。法律保護(hù)個(gè)人財(cái)物，視為神圣而不可侵犯。羅馬法是在當(dāng)年歷史條件下最理性的法典。由于對(duì)個(gè)人財(cái)產(chǎn)的保護(hù)，使每個(gè)羅馬公民都發(fā)憤圖強(qiáng)，使得羅馬繁榮昌盛。一千多年之后，歐幾里得的思想主導(dǎo)著美國(guó)建國(guó)的獨(dú)立宣言，把人人平等的思想，提為不言而喻的建國(guó)公理。林肯總統(tǒng)為了解放黑奴，提出了憲法第十三條修正案，就在議會(huì)爭(zhēng)論最為激烈的時(shí)候，他手中時(shí)時(shí)緊握著歐幾里得的《幾何原本》。幾何五大公理之一，說(shuō)所有直角都是相等的，更使林肯總統(tǒng)深信人人平等才是建國(guó)最核心的基礎(chǔ)。古代羅馬的強(qiáng)大，今日美國(guó)的繁榮，是因?yàn)槟切┙▏?guó)元?jiǎng)?，真正接受了?lái)自于歐幾里得的靈感，理解并提煉了科學(xué)的精神，活學(xué)活用，悟出了治國(guó)之道。由此可見(jiàn)，人類(lèi)文明跨領(lǐng)域的交流可以創(chuàng)造新的奇跡。

　　回顧大歷史，我們發(fā)現(xiàn)文明的主線(xiàn)，是能量與信息。帝王將相，英雄豪杰，不過(guò)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(lèi)文明，我們能對(duì)未來(lái)有何展望呢？在人類(lèi)歷史的滾滾長(zhǎng)河中，我們這代人可以說(shuō)是歷史的幸運(yùn)兒。前面提到，我們這代人，首次找到了時(shí)間的原點(diǎn)，歷史的起點(diǎn)，這是人類(lèi)文明史上唯一的。而更重要的是，我們迎來(lái)了信息大爆炸的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，整個(gè)人類(lèi)的知識(shí)，只要輕輕一點(diǎn)鼠標(biāo)，就會(huì)立刻呈現(xiàn)在我們的眼前。然而，今天不論是個(gè)人的發(fā)展，還是研究領(lǐng)域的推進(jìn)，都越深越窄，看到的只是樹(shù)而不是林，很少有人能像文藝復(fù)興時(shí)代的大師達(dá)芬奇一樣，一個(gè)人的腦袋里能裝進(jìn)當(dāng)時(shí)整個(gè)人類(lèi)的知識(shí)精華，包括藝術(shù)、醫(yī)學(xué)、工程、科學(xué)等，從而爆發(fā)出驚人的創(chuàng)意。前面也提起，當(dāng)先人把來(lái)自于科學(xué)的公理思想用于法律的精神與治國(guó)之道，帶來(lái)了羅馬的強(qiáng)大與美國(guó)的繁榮。在今天的世界，用鐵路與航海來(lái)建立地理的聯(lián)絡(luò)已不是那么重要，而建立知識(shí)的橋梁，連接不同領(lǐng)域的孤島，才是推進(jìn)文明的動(dòng)力。知識(shí)跨領(lǐng)域的連接能有效提高信息的密度，必然導(dǎo)致我們網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的文明大爆炸。本著這個(gè)意愿，邀請(qǐng)讀者們看一位工程師寫(xiě)的文明史，與一位物理學(xué)家寫(xiě)的歷史序言，也許是在這個(gè)方向上邁出的小小的一步。

　　張首晟

　　斯坦福大學(xué)物理系教授

　　清華大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)教授

　　2014年5月15日于清華園