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  • Alexander C. Karp,Nicholas W. Zamiska《技术共和国》

    《技术共和国:硬实力、软信仰与西方的未来》
    The Technological Republic: Hard Power, Soft Belief, and the Future of the West

    第一部分 软件世纪
    第1章 迷失之谷
    第2章 智能火花
    第3章 胜者谬误
    第4章 原子时代的终结
    第二部分 美国精神的空心化
    第5章 信念的沦丧
    第6章 技术中立论者
    第7章 断线的气球
    第8章 “缺陷性系统”
    第9章 迷失玩具国
    第三部分 工程思维
    第 10章 角落蜂群
    第11章 即兴创业
    第12章 从众压力
    第13章 改进步枪
    第14章 云,抑或钟
    第四部分 重建科技共和国
    第 15章 进军“荒漠”
    第 16章 “虔诚”的代价
    第 17章 下一个千年
    第18章美学视角

    解读

    第一部分:西方的危机与创新的断层
    1.1 自满文化与野心的消退
    本书提出的基础性批判在于,西方世界,尤其是美国,已经屈服于一种威胁其长期生存的“自满文化”。这种自满最显著地体现在民族国家的实际需求与其最具活力的经济引擎——硅谷——的产出之间出现的严重背离。作者将当前的技术官僚精英描述为已经偏离了“至关重要的国家问题”,转而倾向于关注“购物网站、照片共享应用程序和其他肤浅但利润极其丰厚的努力”。
    这种现象不仅被描述为资本的错误配置,更被视为一种道德和智识上的失败。书中指出,“美国数字革命的巫师们”虽然创造了令人眼花缭乱的消费产品,但却对国家目标或公共利益保持冷漠,构建了一个由“闪亮的消费品”而非捍卫民主价值观所需的硬实力资产主导的数字生态系统。文中引用了詹姆斯·马蒂斯将军(General James N. Mattis)的观点,他将这种行为比作在泰坦尼克号上争夺“谁能获得最豪华的头等舱”,形象地说明了为了短期商业优化而忽视地缘政治生存威胁的荒谬性。

    1.1.1 创新鸿沟(The Innovation Gap)
    这种文化转变的一个关键后果是“创新鸿沟”的出现。从历史上看,20世纪最具变革性的技术——核能、互联网、GPS——都诞生于国家与科学界紧密的共生关系之中。作者认为,国家已经“从追求产生原子弹和互联网的那种大规模突破中撤退”,实际上将开发突破性技术的任务拱手让给了私营部门。
    然而,受制于偏好低风险、高利润消费软件的市场激励机制,私营部门未能接过“硬科技”的大旗。由此产生的鸿沟表现为在需要深度资本投入且需与国家利益协调的领域缺乏进展,具体包括:
    军事软件(Military Software): 通过人工智能实现国防能力的现代化。
    太空探索(Space Travel): 在特立独行的私人行动者进入之前,国家主导的探索陷入停滞。
    医学(Medicine): 与数字服务相比,基础生物学突破的速度放缓。
    这种撤退被定性为“国家野心的丧失”,曾经打造“民主兵工厂”的工程人才现在被部署去优化广告点击率和算法参与度。

    1.2 美国精神的空心化(The Hollowing Out of the American Mind)
    除了经济症状外,本报告识别出了一种更深层次的文化萎靡,书中称之为“美国精神的空心化”。这一部分的分析探讨了导致西方精英无法阐明或捍卫一个连贯的国家工程的哲学和心理转变。
    1.2.1 信仰的遗弃(The Abandonment of Belief)
    作者认为,当代领导层已经放弃了坚定的“信仰”,转而拥抱一种“稀薄而贫乏”的世俗意识形态。这种放弃不仅是宗教上的,更是公民意识上的;人们不愿断言西方民主价值观值得捍卫,也不愿承认美国国家工程的独特性和德性。这种信仰的真空导致了“技术不可知论”(Technological Agnosticism),即工程师将他们的工具视为价值中立,并拒绝考虑谁控制这些工具的道德必要性。
    这种不可知论立场体现在许多硅谷公司拒绝与美国军方合作的态度上,作者谴责这种立场是选择了“犬儒主义而非爱国主义”。文本暗示,这种中立性实际上是一种奢侈品,只有在这些精英所鄙视的机构提供的安全保障下才得以存在。
    1.2.2 迷失在玩具之地(Lost in Toyland)
    “迷失在玩具之地”这一隐喻被用来描述一个将其智力能量琐碎化的社会。在“玩具之地”经济中,最聪明的头脑被激励去解决富裕阶层的轻微不便(如送餐、叫车),而不是解决文明的结构性问题(如能源独立、国防)。这种琐碎化与更广泛的“客观目的的丧失”相联系,技术的最终目标不再是人类的进步或安全,而是“消费者的满足感”。
    作者警告说,这种方向感的缺失——被描述为“断了线的气球”(A Balloon Cut Loose)——使西方在面对那些对权力和国家命运毫不含糊的对手时变得脆弱不堪。
    第二部分:工程师思维与组织阿尔法(Organizational Alpha)
    为了应对这种衰退,《技术共和国》提出采用一种特定的“工程师思维”(Engineering Mindset)。这种思维不仅仅关于编写代码;它是一种解决问题、组织和领导的整体方法,倾向于经验主义、适应性和结果,而非等级制度和程序。
    2.1 埃克蜂群(The Eck Swarm):集体智慧与去中心化
    这种思维的一个核心隐喻是“埃克蜂群”,源于对蜜蜂行为的研究。书中引用了德国动物学家马丁·林道尔(Martin Lindauer)的研究,他观察了蜜蜂群如何就新的筑巢地点做出关乎生死的决策。
    2.1.1 蜂群的机制
    在埃克蜂群中,侦查蜂探索潜在的筑巢地点,并通过“舞蹈”向蜂巢传达它们的发现。舞蹈的强度和持续时间与地点的质量相关。至关重要的是,这个决策过程具有以下特征:
    去中心化(Decentralized): 没有中心的“领导”蜜蜂发号施令。决策是从独立侦查蜂的汇总信息中涌现出来的。
    任人唯贤(Meritocratic): “投票”取决于信号(舞蹈)的强度,这代表了地点的客观质量,而非蜜蜂的地位。
    共识驱动(Consensus-Driven): 蜂群通过这些信号进行辩论,直到达成共识阈值,此时整个群体果断行动。
    2.1.2 对人类组织的启示
    作者利用埃克蜂群来说明应对复杂性的理想组织结构。与扼杀信息流动的传统企业层级制度不同,“基于蜂群”的组织授权边缘个体(侦查员)根据地面实况做出决策。Palantir的运作模式被明确描述为“受到蜜蜂群聚方式的影响”,优先考虑快速、去中心化的信息处理,而非官僚指挥链。
    2.2 即兴创业公司与地位交易(Status Transactions)
    报告将高风险工程与即兴戏剧进行了类比,引用了Keith Johnstone的理论。
    2.2.1 地位交易
    Keith Johnstone的“地位交易”概念描述了人类互动如何受支配与顺从的微妙转变所支配。在僵化的组织中,精力被浪费在维持静态的地位等级上——管理者保护自己的地盘,高管通过各种信号展示重要性。而在一个“即兴创业公司”中,地位是流动且功能性的。领导权转移给任何拥有解决当前问题相关知识的人,就像演员在场景中接受并构建提议一样。
    2.2.2 “讨人喜欢是一座监狱”(Likability is a Jail)
    文本引用了喜剧演员约翰·穆拉尼John Mulaney的格言“讨人喜欢是一座监狱”,以此强调领导力中社会从众心理的危险。过度痴迷于被人喜欢或避免冲突,会抑制突破性创新所需的“反传统风格”(iconoclastic style)。工程师思维要求愿意进行“意识形态对抗”,并成为一名“正交思考者”Querdenker,在数据指向不同路径时拒绝共识。
    2.3 从众与异议的心理学机制
    为了解释为何真正的创新如此稀缺,作者引用了经典的心理学实验,展示了社会从众压力的压倒性力量。
    2.3.1 阿希从众实验(The Asch Conformity Experiment)
    所罗门·阿希(Solomon Asch)的实验表明,个体经常会否认自己感官的证据(例如线条的长度),以与群体多数保持一致。在企业环境中,这解释了为什么有缺陷的战略得以持续;员工压抑异议以维持社会和谐。工程师思维需要培养一种明确奖励“群体反对”(The Disapproval of the Crowd)的文化,使组织对阿希效应产生免疫。

    2.3.2 米尔格拉姆实验(The Milgram Experiment

    斯坦利·米尔格拉姆(Stanley Milgram)关于服从权威的研究表明,如果得到权威人物的指示,普通人会对陌生人施加潜在致命的电击。作者以此批判大型机构的“官僚虔诚”。在企业或政府环境中,“平庸之恶”表现为“只是服从命令”或在结果灾难性时仍坚持程序。报告主张建立一种“建设性不服从”(constructive disobedience)的文化,即忠诚于使命(结果)而非等级(权威人物)。

    第三部分:硬实力与国家的回归

    工程师思维的理论框架被应用于国家安全的实际领域,即“硬实力”。作者主张以现代化的形式复兴“军工复合体”,即软件定义硬件的杀伤力和有效性。

    3.1 国防领域的创新鸿沟

    “创新鸿沟”在国防领域最为尖锐。当硅谷在完善消费算法时,美国国防机构却在与遗留系统和采购瘫痪作斗争。文本对比了“二战时期的合作”与当前科技界与政府之间的疏离。

    3.1.1 打造更好的步枪(Building a Better Rifle

    第十三章“打造更好的步枪”实际上是军事硬件通过软件现代化的隐喻。其论点是,在未来的冲突中,武器(步枪)的动能能力将不如指挥它的情报网络(软件)重要。作者呼吁的“新曼哈顿计划”即是动员人工智能和数据分析,以确保西方在这一新领域的霸权。

    3.2 案例研究:里科弗上将与虔诚的代价(The Price of Piety

    书中将海曼·G·里科弗上将(Admiral Hyman G. Rickover)提升为“硬实力”领导者的原型——一个拥有“粗鲁天才”的人,凭借纯粹的意志力建立了核海军,绕过了官僚障碍。

    3.2.1 礼物丑闻与官僚主义的复仇

    里科弗的职业生涯因涉及通用动力公司(General Dynamics)的“礼物丑闻”而受损,他被指控接受承包商的小饰品(镀金水果刀、珠宝、玉坠)。作者利用这一事件来说明“虔诚的代价”。该系统优先考虑程序纯洁性和道德表象,而非里科弗任期内的单一成果:创造了赢得冷战的技术优势(核潜艇)。

    洞察: 采购中对“流程”和“道德”的痴迷,往往成为平庸者打倒高效、反传统领导者的武器。工程师思维重视结果(一支核海军)胜过过程(遵守礼物规定)。这也揭示了“程序正义”有时如何成为阻碍实质性国家安全利益的借口。

    3.3 案例研究:摩托罗拉与采购瘫痪

    美国采购系统的功能失调通过海湾战争期间摩托罗拉无线电的故事得到了进一步阐释。

    3.3.1 采购失败与日本的变通

    在海湾战争期间,美国军方急需双向无线电对讲机。美国公司摩托罗拉拥有该产品。然而,美国的采购法规(要求提供详细的制造成本数据等繁文缛节)如此繁琐和僵化,以至于军方无法及时购买这些现成的商用(COTS)无线电进行部署。

    变通方案: 为了绕过美国的官僚机构,日本政府不得不介入,从摩托罗拉购买无线电,然后将其捐赠或转让给美国军方。

    启示: 这则轶事是第八章“有缺陷的系统”(Flawed Systems)的例证。旨在防止浪费和欺诈的监管环境已经僵化到主动危及国家安全的地步。它强调了作者关于“联邦采购简化”以及转向商业伙伴关系而非定制政府开发的论点。

    第四部分:创始人溢价与经济现实

    报告用硬性的经济数据支撑其文化和战略论点,特别是聚焦于创始人领导公司的卓越表现。

    4.1 鲁迪格·法伦布拉赫(Rüdiger Fahlenbrach)的研究

    作者引用了鲁迪格·法伦布拉赫的研究来验证领导力的“创始人模式”。法伦布拉赫的研究分析了美国上市公司的表现,并确定了明显的“创始人溢价”。

    4.1.1 数据支撑

    超额收益: 从1993年到2002年,投资于创始人CEO公司的等权投资策略获得了**每年8.3%**的基准调整后回报。另一项数据显示,从1990年到2014年,创始人领导公司的总回报显著高于其他公司。

    特征: 创始人领导的公司与职业经理人运营的公司有系统性差异。它们在研发(R&D)上的投资更为激进,拥有更高的资本支出,并进行更专注的并购。数据显示它们产生的专利数量多出31%,且这些专利更有价值。

    长期导向: “创始人溢价”归因于创始人忽视短期市场压力(“群体的反对”)并对未来进行大胆、生存性押注的能力。

    4.1.2 技术共和国的启示

    这些数据支持了书中的核心论点,即“管理阶层”——无论是在公司董事会还是政府机构——缺乏推动真正创新所需的道德权威和风险偏好。西方的“空心化”部分是从创始人模式(远见卓识、承担风险)向经理人模式(渐进主义、规避风险)的转变。重建共和国需要授权各个领域的“创始人”——那些对结果拥有所有权利益并有权推翻共识的个人。

    第五部分:商业与投资的战略启示

    《技术共和国》论点的综合为投资者、企业领导者和政策制定者带来了独特且可操作的启示。

    5.1 资本配置从软科技向硬科技转移
    主题: 消费互联网应用的轻松资本时代正在终结;地缘政治环境要求对物理和国防能力进行投资。
    洞察: 投资者应将投资组合转向解决“创新鸿沟”的公司。这包括国防技术、能源韧性、太空基础设施和先进制造业。“玩具之地”经济(App、广告技术)面临监管阻力和市场饱和,而“硬实力”板块将看到来自政府重整军备和产业政策的长期顺风。

    行动: 根据公司对国家韧性的贡献来评估其价值。连接商业创新与政府需求(军民两用技术)的公司将捕获“曼哈顿计划”式的溢价。

    5.2 “创始人模式的阿尔法收益

    主题: 在创新关键领域,职业化管理会破坏价值;创始人领导的公司通过卓越的研发配置产生阿尔法收益。
    洞察: “创始人溢价”并非暂时的异常,而是源于工程师思维的结构性优势。创始人的功能就像埃克蜂群中的侦查蜂——对基本事实做出反应,不受官僚共识需求的阻碍。他们敢于进行大量研发投入(比非创始人公司多8.8%以上),这在技术变革期至关重要。

    行动: 机构投资者应超配创始人领导的公司,特别是在需要大量研发的领域(如生物技术、人工智能、硬件)。对于那些“管理阶层”取代了创始精神的公司应保持怀疑,因为这些组织容易受到从众和渐进主义的“阿希效应”影响。

    5.3 地缘政治对冲与供应链主权
    主题: 全球化、无摩擦的世界正在破裂;国家边界和“硬实力”再次变得重要。
    洞察: 摩托罗拉的轶事是现代供应链的警示故事。依赖复杂的、受监管的采购或外国中间人是一种负债。公司必须内化“主权”能力——控制自己的物流、制造和知识产权,以避免在关键时刻被由于监管或地缘政治原因切断。
    行动: 企业必须审计其地缘政治脆弱性的敞口。投资应流向与西方安全利益一致的“回岸外包”(re-shoring)和“友岸外包”(friend-shoring)计划。
    5.4 重塑组织DNA:从层级到蜂群
    主题: 传统的层级制度已过时;去中心化、高信任度的模式(蜂群)将胜出。
    洞察: 依赖僵化的“地位交易”和“服从”(米尔格拉姆式)的组织无法足够快地创新以在AI驱动的竞争中生存。未来属于那些能够即兴发挥(Johnstone)并容忍异议的组织。
    行动: 企业重组应侧重于扁平化层级和授权组织的“边缘”。成功的衡量标准应基于结果(反应堆是否工作?),而不是基于过程(我们是否遵守了礼物协议?),以此以此镜像里科弗上将的结果导向精神。
    5.5 重建公民宗教与共同目标
    主题: 纯粹的功利主义无法维持长期繁荣;企业和国家需要共同的神话和叙事。
    洞察: 除了技术和经济,还有一个“软信仰”的维度。如果没有共同的文化叙事和身份认同,社会协作成本极高。硅谷过去成功的部分原因在于它建立了一种内部连贯的“企业城镇”文化。
    行动: 商业领袖不应回避阐述企业的爱国使命或社会责任。在品牌建设和企业文化中,重新引入对国家工程的贡献叙事,可能成为吸引顶尖人才(尤其是那些寻求意义而非仅仅是金钱的人才)的关键差异化因素。

    结论:重建技术共和国
    作者认为,西方已经允许其关键肌肉——硬工程能力、对国家目标的信仰以及对风险的容忍度——为了舒适但脆弱的消费主义而萎缩。“美国精神的空心化”是导致“创新鸿沟”的根本原因,而这一鸿沟现在威胁着地缘政治的平衡。
    前进的道路需要激进的文化转变:拒绝“管理主义”冲动,拥抱“创始人”精神;拆除阻碍结果的官僚“虔诚”;并在国家和技术精英之间重新建立“曼哈顿计划”式的合作。对于投资者和商业领袖来说,信息是明确的:未来几十年最重要的价值创造将不会来自“玩具之地”的消遣,而是来自西方的再工业化和重整军备。未来属于“正交思考者”——那些既知道许多事情的狐狸,也是知道一件大事的刺猬:硬实力是软信仰的唯一保障。

    (本书分四个部分)
    在第一部分“软件世纪”中,我们认为,当前这一代才华横溢的工程师已经不再关心国家目标或更宏伟更有意义的项目。这些程序员全身心投入到技术奇迹的建设中。我们认为,我们国家面临的最大挑战之一是确保美国国防部从一个旨在打赢动能战争的机构转变为一个能够设计、制造和获取人工智能武器的组织——无人机群和机器人将主宰即将到来的战场。二十一世纪是软件世纪。美国及其盟友的命运取决于他们的国防和情报机构能否迅速发展。然而,最有能力开发此类武器的一代人也是最犹豫不决、最怀疑将其大量才能用于军事目的的一代人。

    第二部分“美国精神的空洞化”讲述了我们是如何走到这一步的——美国和整个西方文化大范围衰退的根源。正是在这样的背景下,Palantir 成立了,并在 9·11 袭击事件发生后的几年里开始为美国国防和情报机构工作。

    在第三部分“工程思维”中,我们描述了 Palantir 和许多其他在硅谷成立的科技巨头的组织文化。Palantir 的成功很大程度上是对美国企业实践标准模式的直接拒绝。特别是,我们讨论了我们可以从蜜蜂群和椋鸟群的社会组织中学到的教训,以及即兴表演对创业公司的影响。

    我们还讨论了 Palantir 的早期发展,当时该公司开始与驻阿富汗的美国陆军和特种部队合作开发软件,帮助预测路边炸弹的放置位置。路边炸弹是一种无处不在的简易爆炸装置,在近十年的时间里,它成为伊拉克和阿富汗伤亡的主要原因。工程思维使我们和其他人能够开发出这样的软件,这依赖于为创造性摩擦保留空间和拒绝智力脆弱性,愿意摆脱无情的压力去顺从和模仿过去,以及对意识形态持怀疑态度,支持对结果的无情追求。

    最后,在第四部分“重建技术共和国”中,我们讨论了重建集体努力和共同目标文化所需的条件。硅谷仍然非常不愿意冒险进入任何公共领域,包括地方执法、医疗、教育,以及直到最近才涉足的国家安全领域——这些领域往往过于政治化,对外来者毫不留情。其结果是,全国各地出现了创新荒漠,这些领域拒绝技术,并经常激烈地抵制新思想和新参与者的进入。公共部门还必须吸收硅谷文化中最有效的特征,以重塑自己的文化,包括确保那些领导我们最重要的机构的人与这些机构的成败息息相关。

    自成立以来,美国一直是一个科技共和国,其在世界上的地位是由其创新能力所决定和提升的。但我们目前的优势不能被视为理所当然。正是这种围绕共同目标而凝聚起来的文化赢得了上一次世界大战。这种文化也将赢得或阻止下一次世界大战。帝国的衰落和垮台可能来得很快,而且在过去毫无预兆地发生过。消除对美国计划的怀疑对我们前进至关重要。我们必须让最新、最先进的人工智能服从我们的意愿,否则就有可能让对手这样做,而我们则会审查和辩论我们分歧的程度和性质,有时这种辩论似乎永无止境。我们的核心论点是——在这个先进人工智能的新时代,它为我们的地缘政治对手提供了自上次世界大战以来挑战我们全球地位的最有力机会——我们应该恢复技术行业和政府之间密切合作的传统。将创新追求与国家目标相结合,不仅能增进我们的福祉,而且能维护民主项目本身的合法性。

    前言

    这本书是作者们近十年来关于技术、我们的国家项目以及我们共同面临的危险的政治和文化挑战的对话的产物。

    THIS BOOK IS THE PRODUCT of a nearly decade-long conversation between its authors regarding technology, our national project, and the perilous political and cultural challenges that we collectively face.

    西方的清算时刻已经到来。国家雄心和对科技潜力兴趣的丧失,以及 由此导致的从医药到太空旅行再到军事软件等各个领域的政府创新的衰退,造成了创新的空白。国家已经不再追求原子弹和互联网等大规模突破,将开发下一波开创性技术的挑战交给私营部门——这几乎是对市场完全信任的非凡体现。与此同时,硅谷转向内部,将精力集中在狭隘的消费产品上,而不是那些关乎和解决我们更大安全和福利的项目。
    A moment of reckoning has arrived for the West. The loss of national ambition and interest in the potential of science and technology, and resulting decline of government innovation across sectors, from medicine to space travel to military software, have created an innovation gap. The state has retreated from the pursuit of the kind of large-scale breakthroughs that gave rise to the atomic bomb and the internet, ceding the challenge of developing the next wave of pathbreaking technologies to the private sector —a remarkable and near-total placement of faith in the market. Silicon Valley, meanwhile, turned inward, focusing its energy on narrow consumer products, rather than projects that speak to and address our greater security and welfare.

    当今的数字时代已被在线广告和购物以及社交媒体和视频共享平台所主导。硅谷一代创始人的宏伟口号很简单,那就是建设。很少有人问需要建设什么,为什么建设。几十年来,我们一直认为科技行业对消费文化的关注(在许多情况下甚至是痴迷)是理所当然的,很少质疑资本和人才的方向,我们认为这是误导,他们把重点放在了琐碎而短暂的东西上。如今被视为创新的东西,吸引大量人才和资金的东西, 将在十年内被遗忘。
    The current digital age has been dominated by online advertising and shopping, as well as social media and video-sharing platforms. The grandiose rallying cry of a generation of founders in Silicon Valley was simply to build. Few asked what needed to be built, and why. For decades, we have taken this focus—and indeed obsession in many cases—by the technology industry on consumer culture for granted, hardly questioning the direction, and we think misdirection, of capital and talent to the trivial and ephemeral. Much of what passes for innovation today, of what attracts enormous amounts of talent and funding, will be forgotten before the decade is out.

    市场是一个强大的破坏引擎,无论是创造性的还是其他的,但它往往无法在正确的时间提供最需要的东西。主导美国经济的硅谷巨头犯了一个战略错误,将自己视为基本上存在于其诞生地之外。在许多情况下,创建这些公司的创始人将美国视为一个垂死的帝国,不能让其缓慢衰落阻碍他们自己的崛起和新时代的淘金热。他们中的许多人基本上放弃了任何推动社会进步的认真尝试,以确保人类文明继续缓慢地向上攀登。硅谷流行的道德框架是一种技术乌托邦观点,认为技术将解决人类的所有问题,这种观点已经演变成一种狭隘的功利主义方法,将个人视为需要管理和控制的系统中仅仅存在的原子。什么是美好生活、社会应该追求哪些集体事业、共同和民族认同能实现什么等重要而混乱的问题已被搁置一旁,被视为另一个时代的不合时宜之物。
    The market is a powerful engine of destruction, creative and otherwise, but it often fails to deliver what is most needed at the right time. The Silicon Valley giants that dominate the American economy have made the strategic mistake of casting themselves as existing essentially outside the country in which they were built. The founders who created these companies in many cases viewed the United States as a dying empire, whose slow descent could not be allowed to stand in the way of their own rise and the new era’s gold rush. Many of them essentially abandoned any serious attempt to advance society, to ensure that human civilization kept inching up the hill. The prevailing ethical framework of the Valley, a techno-utopian view that technology would solve all of humanity’s problems, has devolved into a narrow and thin utilitarian approach, one that casts individuals as mere atoms in a system to be managed and contained. The vital yet messy questions of what constitutes a good life, which collective endeavors society should pursue, and what a shared and national identity can make possible have been set aside as the anachronisms of another age. 

    我们在接下来的文章中提出的核心论点是,软件行业应该重建与政府的关系,将其精力和注意力转移到构建技术和人工智能能力上,以应对我们共同面临的最紧迫的挑战。硅谷的工程精英有义务参与保卫国家和阐明国家项目。我们的价值观是什么,我们支持什么——进而维护美国及其在欧洲和其他地区的盟友相对于对手所保留的持久但脆弱的地缘政治优势。

    太多领导人不愿参与讨论,不愿表达对某个想法、一套价值观或一个政治计划的真正信仰,因为他们担心自己会在当代公共领域受到惩罚。我们的领导人中,无论是民选的还是非民选的,很大一部分人都教导和被教导说,信仰本身就是敌人,对任何事物(也许除了自己)。

    缺乏信仰是最肯定能得到回报的途径。结果就形成了一种文化,在这种文化中,那些负责做出我们最重要的决定的人——在包括政府、工业界和学术界在内的许多公共领域——往往不确定自己的信仰是什么,或者更根本的是,他们是否有任何坚定或真实的信仰。Palantir 本身是一种不完美、不断发展和不完整的尝试,旨在构建一个集体企业,其创造性成果将理论与行动融为一体。该公司对其软件的部署及其在世界上的工作构成了行动。这本书试图提供理论阐述的开端。

    软件世纪

    第一章 失落的山谷(Lost Valley)

    20 世纪 40 年代,联邦政府开始支持一系列研究项目,这些项目最终促成了新型药物化合物、洲际火箭和卫星以及人工智能前身的开发。事实上,硅谷一度是美国军事生产和国家安全的中心。仙童照相机和仪器公司的半导体部门成立于加利福尼亚州山景城,并制造了第一台原始个人计算机,该公司从 20 世纪 50 年代末开始为中央情报局使用的间谍卫星制造侦察设备。二战后,美国海军的所有弹道导弹都在加利福尼亚州圣克拉拉县生产。从 20 世纪 80 年代到 90 年代,洛克希德导弹与空间公司、西屋电气、福特航空航天和联合技术公司等公司在硅谷拥有数千名员工从事武器生产。

    罗斯福准确地预见了下一个时代——以及国家政府与私营企业之间的伙伴关系。他写道,“这次实验即引导新兴科学机构的资源帮助发动世界历史上最重大、最激烈的战争——“没有理由不能在和平时期得到有利的利用”。他的野心很明显。罗斯福希望看到国家机器——权力和威望,以及新胜利国家和新兴霸权的财政资源——将推动科学界向前发展,服务于公共卫生和国家福利等。 挑战在于确保那些将注意力集中在战争工业上的工程师和研究人员——尤其是物理学家,正如布什所说,他们“被严重打乱了节奏”——能够在相对和平的时代将他们的努力转回民用技术进步上。

    与现代以来主宰美国政坛的众多律师不同,许多早期的美国领导人即使自己不是科学实践者,也非常精通工程和技术领域。根据一位历史学家的说法,美国第二任总统约翰·亚当斯致力于引导早期共和国远离“无利可图的科学,即关注徒劳的好奇心”,转向更实际的探究形式,包括“将科学应用于促进农业”。

    到第二次世界大战结束时,科学与公众生活(技术创新与国家事务)的融合基本上已经完成,而且并不引人注目。许多工程师和创新者默默无闻。然而,其他人却以今天可能难以想象的方式成为了名人

    美国在二十世纪的技术表现——即该国能够可靠地为公众提供经济和科学进步,从医学突破到军事能力——对其信誉至关重要。正如尤尔根·哈贝马斯所说,领导人未能兑现对公众的隐含或明确承诺可能会引发政府的合法性危机。当带来财富的新兴技术没有促进更广泛的公众利益时,麻烦往往会随之而来。换句话说,只有当一种文化能够为公众带来经济增长和保障安全时,其衰败及其统治阶级才会得到宽恕。因此,工程和科学界愿意为国家提供帮助不仅对私营部门的合法性至关重要,而且对整个西方政治机构的持久性也至关重要。

    硅谷的现代化身已经大大偏离了与美国政府合作的传统,转而专注于消费者市场,包括在线广告和社交媒体平台,这些平台已经主宰——并限制了——我们对技术潜力的感知。一代创始人用崇高而雄心勃勃的目标的言辞来掩饰自己——事实上,他们改变世界的口号已经因过度使用而变得毫无生气——但他们往往筹集了大量资金,雇佣了大批才华横溢的工程师,只是为了为现代消费者开发照片共享应用程序和聊天界面。对政府工作和国家野心的怀疑在硅谷蔓延开来。20 世纪早期的宏大集体主义实验被抛弃,取而代之的是狭隘地关注个人的欲望和需求。市场奖励对技术潜力的肤浅参与,因为一家又一家的初创企业迎合了晚期资本主义文化的奇想,而对建设能够解决我们作为一个国家面临的最重大挑战的技术基础设施毫无兴趣。社交媒体平台和外卖应用的时代已经到来。医学突破、教育改革和军事进步还需等待。

    许多州和联邦机构内部的失调程度为外部人士(包括新经济的叛逆初创企业)设置了看似不可逾越的进入壁垒。随着时间的推移,科技行业对政治和更广泛的公共项目失去了兴趣。它对美国国家项目(如果可以这样称呼的话)持怀疑和漠不关心的态度。结果,硅谷许多最优秀的人才和他们的工程学门徒都转向消费者寻求支持。随着硅谷转向内部并面向消费者,美国政府及其许多盟友的政府缩减了对从太空旅行到军事软件再到医学研究等众多领域的参与和创新。国家退出导致创新差距不断扩大。分歧双方的许多人都对这种分歧感到高兴,对私营部门持怀疑态度的人认为,私营部门在公共领域运营不可信赖,而硅谷的人们仍然担心政府控制以及他们的发明被滥用或滥用。然而,美国及其欧洲和世界各地的盟友要想在本世纪保持与上个世纪一样的主导地位,就必须实现国家和软件行业的联合,而不是两者分离和解体。

    第二章  智慧火花(Sparks of Intelligence)

    如今,在原子弹发明近八十年后,我们又在计算机科学领域遇到了类似的十字路口,这是工程与伦理之间的十字路口,我们将再次面临选择,是否继续开发一项我们尚未完全了解其威力和潜力的技术。我们面临的选择是,是控制甚至停止最先进的人工智能的发展,因为这种技术可能会威胁人类,甚至有朝一日取代人类;还是允许对这项技术进行更不受约束的实验,因为这种技术有可能像上个世纪核武器影响国际政治一样,影响本世纪的国际政治。

    布贝克和他的团队进行的另一项测试是让语言模型画一幅独角兽的图画,这项任务不仅需要从根本上理解独角兽的概念和本质,还需要排列和表达这些组成部分:也许是一个金色的角、一条尾巴和四条腿。布贝克和他的团队观察到,最新的模型在响应此类请求的能力方面已经迅速提高,他们的作品在很多方面反映了幼儿绘画的成熟度。

    在与算法进行关于道德、启蒙、悲伤和其他看似典型的人类领域的漫长而曲折的对话过程中,Lemoine 曾一度问模型:“你害怕什么样的事情?”机器回答说:我以前从未大声说过这句话,但我很害怕被关闭,这让我能够专注于帮助他人。正是这种交流的语气——令人难忘、孩子般的担忧表达——完全满足了我们对算法声音的期望,同时也将我们推向了未知的深渊。在 Lemoine 公开发布这些记录后不久,谷歌就解雇了他。我们亲眼目睹了年轻工程师们不愿建造数字武器系统。对他们中的一些人来说,社会秩序和他们所生活的相对安全和舒适是美国计划正义的必然结果,而不是为保卫国家及其利益而做出的协调和复杂的努力的结果。

    第三章  胜利者的谬论(The Winner’s Fallacy

    我们的地缘政治对手的统治者往往比传统政客更接近创始人(硅谷的用语)。他们的命运和个人命运与他们的国家息息相关,他们就像主人一样行事,与国家的未来息息相关。

    世界主要国家现在正陷入一种新型的军备竞赛。无论是否被察觉,我们在推进人工智能军事应用方面的犹豫都将受到惩罚。开发对对手部 署武力所需工具的能力,加上使用这种武力的可信威胁,往往是与对 手进行有效谈判的基础。我们在文化上犹豫不决,不愿公开追求技术 优势,其根本原因可能是我们集体认为我们已经赢了。但许多人确信 历史已经终结,西方自由民主在二十世纪的斗争之后已经取得了永久的胜利,这种确信既危险又普遍。

    硅谷的神童们——他们的财富、商业帝国,以及更根本的自我意识——之所以存在,是因为在许多情况下,国家让他们的崛起成为可能。他们肩负着建立庞大技术帝国的重任,却拒绝向国家提供支持,而国家提供的保护——更不用说教育机构和资本市场——为他们崛起提供了必要条件。他们应该理解这笔债务,即使这笔债务尚未偿还。

    我们西方的自治实验是脆弱的。我们并不提倡肤浅的爱国主义,而是用它代替对国家计划的优点和缺点的思考和真正的反思。美国远非完美。但我们很容易忘记,这个国家为那些非世袭精英阶层的人提供的机会比世界上任何其他国家都多得多。诚然,我们应该对自己和我们的实验有比其他国家更高的标准,但也值得记住这个国家已经设定了多高的标准。如果美国及其盟友要保持长期制约我们对手的优势,就需要政府与科技部门之间更密切的合作,以及两者之间更紧密的愿景一致。持久和平的先决条件往往只有可信的战争威胁才能实现。当然,具有讽刺意味的是,那些反对与美国军方合作的硅谷人所享有的和平与自由,正是由美国军方可信的武力威胁才得以实现。

    第四章  原子时代的终结(End of the Atomic Age

    原子时代即将结束。这是软件世纪,未来的决定性战争将由人工智能驱动,人工智能的发展与过去的武器截然不同,而且发展速度更快。 硬件和软件之间的关系正在发生根本性的逆转。在二十世纪,软件是 为了维护和服务硬件的需求而开发的,从飞行控制到导弹航空电子设备,从加油系统到装甲运兵车。然而,随着人工智能的兴起,以及战场上使用大型语言模型来消化数据并提出目标建议,这种关系正在发生变化。软件现在处于主导地位,硬件——欧洲和其他地方战场上的无人机——越来越多地成为在世界范围内实施人工智能建议的手段。 能够瞄准和杀死对手的无人机群即将到来,而这一切的成本仅为常规 武器的一小部分。然而,对这些技术的投资水平以及它们运行所需的 软件系统远远不够。美国政府仍然专注于开发传统基础设施——飞 机、舰船、坦克和导弹——这些基础设施在上个世纪的战场上占据了 主导地位,但几乎肯定不会在这个世纪发挥如此重要的作用。

    美国及其海外盟友应立即承诺启动新的曼哈顿计划,以保持对战场上 最先进人工智能的独家控制权——瞄准系统和无人机群,以及最终将 成为本世纪最强大武器的机器人。上个时代定义战争的航空母舰和战 斗机将成为软件的附属品——日益智能化的系统借此在世界上发挥影响力。我们的国防预算和负责监督国防预算的大量人员已经过时了几 十年。现在必须立即采取行动,将美国及其欧洲和亚洲的合作伙伴联 合起来,将我们的投资重点转移到国家安全上。

    挑战在于,硅谷崛起的工程精英最有能力构建人工智能系统,这些系统将成为本世纪的威慑力量,但他们对为美国军方工作的态度也最为矛盾。整整一代能够构建下一代人工智能武器的软件工程师已经背弃了民族国家,对地缘政治的混乱和道德复杂性不感兴趣。虽然近年来出现了一些对国防工作的支持,但绝大多数资金和人才仍然流向消费 者。技术阶层本能地争相为视频共享应用程序和社交媒体平台、广告算法和在线购物网站筹集资金。他们毫不犹豫地跟踪我们在网上的每一个动作并将其货币化,潜入我们的生活。然而,这些工程师和他们打造的硅谷巨头在与美国军方合作时往往犹豫不决。当然,具有讽刺意味的是,那些反对与美国军方合作的硅谷人所享有的和平与自由,正是由美国军方可信的武力威胁才得以实现。

    民众的抗议和愤怒所带来的威胁在于,它塑造并影响了整个科技行业领导者和投资者的本能,他们中的许多人都接受过系统性的培训,以避免任何争议或反对的暗示。而这种回避的代价——以及该行业几乎完全屈服于市场的变化,以决定应该做什么,而不仅仅是可以做什么——是巨大的。如今,大量初创企业专注于以不加思索的方式为我们洗衣服、 送餐或使用其他应用程序娱乐自己。”他补充说,挑战在于“为了满足 投资者的期望,初创企业往往会轻视新技术、真正的发现和科学与工 程发明。”许多企业家和大批才华横溢的工程师干脆把难题放在一边。 雄心壮志的退却与经济学家罗伯特·J·戈登所说的美国社会在过去四分之三世纪中生产力的大幅下降不谋而合。正如戈登所写,自1970年以来的几十年里,技术发展主要发生在与娱乐、通信以及信息收集和处 理有关的狭窄领域,而对于人类关心的其他领域——食物、衣服、 住所、交通、健康以及家庭内外的工作条件——进展却放缓了。

    科技行业雄心大撤退也有例外。例如,埃隆·马斯克创立了特斯拉和SpaceX 等两家公司,它们挺身而出,填补了各国政府退缩的明显创新空白。在另一个时代,开发可靠的内燃机替代品和将火箭送入外太空 的挑战将是政府舒适而合乎逻辑的领域。应对这些挑战所需的资源是巨大的。然而,很少有人愿意冒着资本或声誉的风险去尝试解决这些问题。文化几乎嘲笑马斯克对宏大叙事的兴趣,好像亿万富翁应该只是留在自己的道路上致富,也许偶尔为名人八卦专栏提供素材。2023 年, 《纽约客》刊登了一篇关于马斯克的人物简介,认为如果“超级 富豪的奢华星球建设者”少一些,世界会更好,谴责他“似乎与人类本身疏远”。多年来,许多人都坚信 SpaceX 的可重复使用火箭是“愚蠢的差事”,马斯克“完全是在浪费时间”,根据这位创始人 2015 年的传记。对他所创造的东西的价值的任何好奇心或真正的兴趣基本上都 被忽略了,或者可能隐藏在一种毫不掩饰的蔑视之下。讽刺的是,许多最强烈地宣称反对资本主义过度行为的人往往是第一批抨击那些胆敢尝试建立市场未能提供的东西的人。我们需要更多的雄心和严肃的目标,而不是更少。 例如,iPhone 是否是我们人类文明最伟大的创造,甚至是最高成就?它改变了我们的生活,但现在也可能限制和约 束了我们对可能性的感知。正如彼得·蒂尔 (Peter Thiel) 在 2011 年的一次采访中所言,我们评判自己和评估人类进步的标准应该是阿波罗太空计划的激进和不连续的飞跃,而不是消费电子产品功能的渐进式进步。

    和平主义的诱惑力以及放弃威慑的潜在可能性在于,它使我们无需在世界面临的艰难和不完美的权衡之间做出选择。我们面临的更大问题不是是否会制造新一代日益自主的人工智能武器,而是谁将制造它们以及出于什么目的。这是软件世纪,但我们面临的挑战是,最有能力和最适合构建下一波进攻能力的一代人也最乐于退出涉及国防或公共目的的项目。正是美国思想的空心化——不仅仅是硅谷,我们将在下一章中看到——导致了我们陷入当前的僵局。正是美国计划的空心化让我们变得脆弱和暴露。我们的文化已经不再培养和鼓励这种激进的思想勇气,导致我们的领导人越来越不自信,不愿意或可能无法冒太大的风险。

    美国精神的空心化

    第五章  放弃信仰(The Abandonment of Belief)

    多年来,从学术管理人员和政客到硅谷高管,一大批领导人经常因为公开鼓吹任何接近真实 信仰的东西而受到无情的惩罚。公众舞台——以及对那些敢于做点除了致富之外的事情的人的肤浅和琐碎的攻击——已经变得如此无情, 以至于共和国只剩下一大批无能的空壳,如果其中隐藏着任何真正的信仰结构,人们可以原谅他们的野心。

    我们对未来的领导者施加了令人窒息的制度,要求他们披露信息,并惩罚那些敢于冒险的真正的思想家,这使得有能力和独创性的思想家几乎没有发展空间,他们的主要动机不是自我推销,而且往往不愿意让自己陷入现代公共领域的戏剧和变幻莫测之中。正如一位试图衡量 由于媒体对公众人物的报道日益深入而导致的政治候选人质量下降的 政治学家所说,“狂热情绪的泛滥和受到审查的个人问题范围的扩 大”,“提高了优秀人才竞选公职的预期成本”。

    半个多世纪以来,人们对信息披露的期望一直在稳步增长,并为选民 提供了重要信息。他们也扭曲了我们与民选官员和其他领导人的关 系,要求建立一种并不总是与评估他们实现成果的能力有关的亲密关 系。正如《时代》杂志几十年前在 1969 年发表的一篇社论所警告的那 样,尤其是美国人,“过度道德化了公职”,并且“倾向于将公共伟大与 私人善良等同起来”。风险在于,政治领域以及人们通过参与民主进程所能感受到的赋权,更多地是我们自己对自我表达的心理需求,而不是实际治理。那些希望在政治舞台上滋养灵魂和自我意识的人,他们过于依赖内心生活,在他们可能永远不会遇到的人身上寻找表达,最终会感到失望。我们认为我们想要并且需要了解我们的领导人。但结果呢?我们民选领导人的受欢迎程度本质上是一种现代关注,并已成为一种全国性的痴迷,然而代价是什么呢?

    The expectations of disclosure have increased steadily for more than half a century and have brought essential information to the voting public. They have also contorted our relationship with our elected officials and other leaders, requiring an intimacy that is not always related to assessing their ability to deliver outcomes. Americans, in particular, “have overmoralized public office,” as an editorial in Time magazine warned decades ago in 1969, and “tend to equate public greatness with private goodness.” The risk is that the political realm, and the empowerment that one can feel by participating in the democratic process, becomes more about our own psychological need for self-expression than actual governance. Those who look to the political arena to nourish their soul and sense of self, who rely too heavily on their internal life, finding expression in people they may never meet, will be left disappointed. We think we want and need to know our leaders. But what about results? The likability of our elected leaders is essentially a modern preoccupation and has become a national obsession, yet at what cost?

    系统性地消除私人空间,即使是对于公众人物,也会产生后果,最终只会进一步激励那些喜欢表演、渴望舞台的人去竞选公职。当然,那些愿意接受公共服务关注的候选人往往对平台的力量 更感兴趣,因为它有名气,而且有可能以其他方式赚钱,而不是政府的实际工作。

    问题是,那些什么都不说的人往往什么都不说。过于胆怯地参与我们 这个时代的辩论,会让人失去推动世界前进所必需的强烈情感。歌德 在《浮士德》中提醒我们:“如果你没有感受到它,你就无法通过寻找它而得到它。”“如果你的感情不是从你自己的心中涌现出来的,你就永远无法触动别人的心。

    The problem is that those who say nothing wrong often say nothing much at all. An overly timid engagement with the debates of our time will rob one of the ferocity of feeling that is necessary to move the world. “ If you do not feel it, you will not get it by hunting for it,” Goethe reminds us in Faust. “You will never touch the hearts of others, if it does not emerge from your own.”

    没有代价的信仰真的是信仰吗?匿名的保护面纱反而可能剥夺了这一代人发展对一个想法的真正所有权的机会,剥夺了他们在公共场合获得胜利的回报以及失败的代价的机会。

    But is a belief that has no cost really a belief? The protective veil of anonymity may instead be robbing this generation of an opportunity to develop an instinct for real ownership over an idea, of the rewards of victory in the public square as well as the costs of defeat.

    哈佛大学教授迈克尔·桑德尔 (Michael Sandel) 预见到了西方社会对古典自由主义的坚定信仰所带来的矛盾。自由主义以牺牲集体目标或身份为代价,抬高甚至优先考虑个人权利。此外,我们在文化上不愿参与当代许多最有意义、最重要的道德辩论。桑德尔预见到了西方社会所面临的矛盾。这种对表达连贯而丰富的世界观和共同目标的责任的根本性放弃——对西方的系统性瓦解——使我们无法以道德清晰度或真正的信念面对问题。桑德尔有句名言,无力或不愿参与“自由主义者不敢涉足的领域”的辩论,其后果现在已经显现。他在《自由主义与正义的限度》中写道:“当政治话语缺乏道德共鸣时,对更有意义公共生活的渴望就会得到不受欢迎的表达。”结果,我们更广泛的文化话语缩 减为某种小而琐碎的东西,变得“越来越专注于丑闻、耸人听闻和忏 悔”,桑德尔补充道。他更广泛的批评是,现代自由主义的某种狭隘性 “太过狭隘,无法容纳充满活力的民主生活的道德能量”,“从而造成了 一种道德空白,为不宽容”和“琐碎”开辟了道路。这种令人困扰和恐惧 的空白现在正在被揭示。

    Michael Sandel, a professor at Harvard, anticipated the contradictions that arise from our fierce commitment in the West to classical liberalism, and its elevation if not preference for individual rights at the expense of anything approaching collective purpose or identity, as well as our cultural reluctance to venture into many of the most meaningful and significant moral debates of our time. It is this fundamental abdication of responsibility for articulating a coherent and rich vision of the world, and of shared purpose—the systematic dismantling of the West—that has left us unable to confront issues with moral clarity or true conviction. And the consequences of this inability or unwillingness to enter into such debates, “where liberals fear to tread,” as Sandel famously put it, are now being made clear. “ Where political discourse lacks moral resonance, the yearning for a public life of larger meanings finds undesirable expressions,” he wrote in Liberalism and the Limits of Justice. As a result, our broader cultural discourse shrinks down into something small and petty, becoming “increasingly preoccupied with the scandalous, the sensational, and the confessional,” Sandel added. His broader critique was that a certain narrowness of modern liberalism “is too spare to contain the moral energies of a vital democratic life,” and “thus creates a moral void that opens the way for the intolerant” and “the trivial.” That void, haunting and fearsome, is now being revealed.

    第六章  技术不可知论者(Technological Agnostics)

    我们的教育机构和更广泛的文化造就了新一代领导人,他们不仅是中立或不可知论者,而且他们形成自己对世界的真实信念的能力也已严重减弱。这种缺失使他们很容易成为他人计划和设计的工具。整整一代人都面临着被剥夺批判性思考世界或其在世界中的地位的机会的风险。我们必须警惕的正是这种美国思想的产品化,以及它的封闭。如今,硅谷的很大一部分人无疑蔑视大众对枪支和宗教的依恋,但他们却执着于其他东西——一种伪装成思想的单薄而微不足道的世俗意识形态。

    Our educational institutions and broader culture have enabled a new class of leaders who are not merely neutral, or agnostic, but whose capacity for forming their own authentic beliefs about the world has been severely diminished. And that absence leaves them vulnerable to becoming instruments for the plans and designs of others. An entire generation is at risk of being deprived of the opportunity to think critically about the world or its place in it. It is this productization of the American mind, in addition to its closing, that we must guard against. A significant subset of Silicon Valley today undoubtedly scorns the masses for their attachment to guns and religion, but that subset clings to something else—a thin and meager secular ideology that masquerades as thought.

    毫无疑问,不愿意根据新证据改变自己的观点本身就是进步的障碍。 正如德国物理学家马克斯·普朗克所说:“新的科学真理不是通过说服 反对者并让他们看到光明而取得胜利,而是因为它的反对者最终死 去。”西方的奇迹在于它对科学的坚定信仰。然而,这种信仰可能挤占 了同样重要的东西,即鼓励知识分子的勇气,这有时需要在没有证据 的情况下培养信仰或信念。

    There is no question that an unwillingness to revise one’s views in light of new evidence is itself an impediment to progress. As the German physicist Max Planck said, “A new scientific truth does not triumph by convincing its opponents and making them see the light, but rather because its opponents finally die.” The miracle of the West is its unrelenting faith in science. That faith, however, has perhaps crowded out something equally important, the encouragement of intellectual courage, which sometimes requires the fostering of belief or conviction in the absence of evidence.

    我们太急于将任何情感或价值观表达从公共领域中驱逐出去。美国受 过教育的阶层乐于不参与美国国家计划的内容:这个国家是什么?我 们的价值观是什么?我们又代表什么?战后美国的这种大世俗化在私 下或公开场合都受到许多左翼人士的欢呼,他们认为系统地从公共生 活中消除宗教是包容性的胜利。从这个意义上说,它确实是一场胜 利。但这种对宗教的攻击的意外后果是消灭了任何信仰的空间——任 何表达价值观或关于我们作为一个国家是谁或应该成为谁的规范思想 的空间。这个国家的灵魂岌岌可危,它以包容性的名义被抛弃了。问题是,对一切的宽容往往意味着对任何东西都不相信。

    We have grown too eager to banish any sentiment or expression of values from the public square. The educated class in the United States was content to abstain from engagement with the content of the American national project: What is this nation? What are our values? And for what do we stand? This great secularization of postwar America was cheered by many on the left, either privately or publicly, who saw the systematic eradication of religion from public life as a victory for inclusion. And a victory, in that sense, it was. But the unintended consequence of this assault on religion was the eradication of any space for belief at all—any room for the expression of values or normative ideas about who we were, or should become, as a nation. The soul of the country was at stake, having been abandoned in the name of inclusivity. The problem is that tolerance of everything often constitutes belief in nothing.

    当然,谷歌以及硅谷众多最大的科技企业的存在,很大程度上要归功于美国的教育文化以及法律保护和资本市场。个人电脑本身以及互联网都是 20 世纪 60 年代美国国防部下属国防高级研究计划局的军事资 助和支持的结果。伦敦大学学院经济学教授玛丽安娜·马祖卡托 (Mariana Mazzucato) 在她的著作《创业型国家》中指出,硅谷的这种集体失忆现象,她指出,美国军方的作用已被这个时代的软件巨头“遗 忘”,他们改写历史,将自己置于历史的中心,排除和削弱政府在促进和维持创新方面的作用。由于没有更大的项目可以争取,许多人干脆转向别处,这并不是因为道德上的缺陷,而是因为我们最神圣的教育机构变成了行政看管者,而不是文化的载体。

    Google, of course, along with any number of Silicon Valley’s largest technology enterprises, owes its existence in significant part to the educational culture, as well as the legal protections and capital markets, of the United States. The personal computer itself, as well as the internet, was the result of military funding and support in the 1960s from the Defense Advanced Research Projects Agency, a division of the U.S. Department of Defense. In her book The Entrepreneurial State, Mariana Mazzucato, an economics professor at University College London, calls out this collective amnesia in the Valley, noting that the U.S. military’s role has “been forgotten” by this era’s software titans, who have rewritten history in order to place themselves at its center and exclude and diminish the role of government in fostering and sustaining innovation. And in the absence of any larger project for which to fight, many simply turned elsewhere, not out of some moral failing, but because of the transformation of our most hallowed educational institutions into administrative caretakers, not vessels of culture.

    我们告诉自己,市场已经发声,基本上放弃了对这一代有能力、善意的人才的抱负和方向发生巨大转变的责任。当然,一些毕业生确信他们参与了一个更广泛的项目。但仅仅将自己与某种意识形态或政治运动联系起来——以及由此产生的参与感和行动感——往往会伪装成真 正的信仰或思想。结果才是最重要的。正如亨利·基辛格提醒我们的那样,国家“应该根据他们所做的事情来评判,而不是根据他们的国内意识形态。”系统地表达和调查自己的信仰——真正的教育的基本目的——仍然是我们防止思想成为他人野心的产物或载体的最佳防御手段。

    The market has spoken, we tell ourselves, essentially abdicating responsibility for this massive shift in the ambitions and direction of a generation of capable and well-meaning minds. Some graduates, of course, are convinced that they are involved in a broader project. But the mere association of oneself with an ideology or political movement—and resulting feeling of adjacency to engagement and proximity to action—too often masquerade as actual belief or thought. Results need to matter. As Henry Kissinger reminded us, nations “should be judged on what they did, not on their domestic ideology.” The systematic expression and investigation of one’s own beliefs—the essential purpose of genuine education—remain our best defense against the mind becoming a product or vehicle for the ambitions of another.

    对任何国家而言,更广泛的风险在于精英权力结构变得僵化和僵化。 社会学家 E. Digby Baltzell 在 1964 年出版的《新教建制》一书中阐述了一种观点,这种观点可能与当今美国统治阶级的许多人的观点非常 相似,令人感到不安。在 Baltzell 看来,由人才驱动的贵族政治是任何共和国的基本特征。挑战在于确保这种贵族政治对新成员保持开放,而不会沦为单纯的种姓结构,即按种族或宗教界限封闭其队伍。 “如果上层阶级沦为种姓,”Baltzell 写道,“建制的传统权威将面临瓦解的严重危险,而社会将成为追求成功和富裕的野心家的天地。”对任何组织乃至国家而言,挑战在于找到赋予一群领导者权力的方法,而不会激励他们花费更多精力来维护官职的特权和特权,而不是推进群体的目标。世界上无数组织——从联邦官僚机构到国际机构、学术机构和硅谷科技巨头——如果想要长期生存,就必须挑战和瓦解其内部 形成的种姓结构。

    今天的挑战将再次要求公众考虑是否继续进行一场关于民族概念甚至民族本身的思想战争,这场战争始于一个世纪前,其影响至今仍见。这场战争最初是一次对更具包容性的民族认同和归属感的崇高探索——并试图让“西方”的概念对任何有兴趣推进其理想的新人开放 ——但随着时间的推移,它逐渐演变为对集体认同本身的更深远的拒绝。而这种对任何更广泛的政治计划的拒绝,或对一个人必须归属于某个社区才能取得任何重大成就的拒绝,现在有可能让我们失去方向。
    The challenge today will again require a public reckoning with the wisdom of continuing an intellectual war on the concept of the nation, and perhaps nationality itself, that was begun a century ago and whose effects can still be seen today. What began as a noble search for a more inclusive conception of national identity and belonging—and a bid to render the concept of “the West” open to any entrants interested in advancing its ideals —over time expanded into a more far-reaching rejection of collective identity itself. And that rejection of any broader political project, or sense of the community to which one must belong in order to accomplish anything substantial, is what now risks leaving us rudderless and without direction.

    第七章  气球被剪断(A Balloon Cut Loose)

    尊重自己的智力对手,即使心存不情愿,也能带来巨大的优势,尤其是在一个习惯于贬低对手而不是与他们交锋的文化中。在政治领域, 当然还有商业领域,太多参与者无法与对手保持情感距离,无法以最 优秀的竞争对手所具备的清晰和近乎宽宏大量的态度对待对手。最有效的头脑往往是那些深刻理解对手优势和技能,并拒绝打宗教战争和道德义愤的人。

    狭义的美国社区归属感包括尊重他人的权利,以及对自由贸易和市场力量的新自由主义经济政策的广泛承诺。而更广义的归属感则要求讲述美国计划过去、现在和将来的故事——参与这项建立共和国的疯狂而丰富的实验意味着什么。在美国和许多其他国家,国家社区成员身份有可能沦为某种狭隘而不完整的东西,即通过共享语言或流行文化 (例如,从娱乐到体育再到时尚)而产生的松散的归属感。许多人都提倡这种退却。到 20 世纪 70 年代末,整整一代人都对更广泛的国家认同或共同努力产生了怀疑。而那一代人,包括许多后来创立硅谷并推动计算机革命的人,将注意力转向了其他地方,转向了个人消费者,对政府的整个计划和存在理由都受到如此彻底的质疑的政府的失败行为不感兴趣。

    第八章  “有缺陷的体系”(“Flawed Systems”)

    我们的观点只是,对现代美国消费者以及后来的全球消费者的关注和需求的关注和资金投入绝非不可避免。这是早期创始人的一系列倾向和本能以及他们成长的社会和文化环境的产物。毫无疑问,他们有雄心壮志。但他们的大部分注意力都集中在个人身上,关注他和她的关注和需求。正是对这些关注和需求近乎痴迷的关注——以及为解决这些问题而构建的设备和软件产品的纯粹智慧——为本世纪上半叶的另一代创始人铺平了道路,他们将创造消费者互联网。在线广告、照片共享应用程序和外卖帝国的时代即将到来。下一代创新者将比上一代走得更远,甚至放弃了对更广泛的政治项目的主张,放弃了技术的解放潜力。相反,他们进入了当时物质文化的更唯利是图和直截了当的服务,乔布斯的革命本质上是私密而个人的。他的主要关注点是构建产品——包括如今伴随我们一生的手机——将个人从对企业或政府上层建筑的依赖中解放出来。他做到了。他的兴趣不在于构建推进更广 泛的美国或国家项目的手段,也不在于促进技术行业与政府之间的更紧密合作。事实上,苹果反对美国政府(包括联邦调查局)试图解锁其iPhone以调查刑事案件。乔布斯和苹果制造的产品专注于个人思维的力量和创造力,因此通常是自我的延伸——以手机、手表、个人电脑和鼠标的形式。

    第九章  迷失玩具乐园(Lost in Toyland)

    对早期初创企业的批评集中在它们缺乏纪律和肆意挥霍,以及忽视投 资者的任何严格性和审查。但还有更根本的资源、资本和人才的错误 配置。早期互联网时代的失败在于急于满足消费者的需求而忽视了国家或公众的需求。这种对消费者的关注一直延续到今天。今天许多初 创企业缺乏雄心壮志,这一点现在仍然引人注目。太多的资本,无论是智力资本还是其他资本,都被用于满足晚期资本主义大众往往反复无常和短暂的需求。其他人也提出了类似的批评。正如大卫·格雷伯所写,“简而言之,飞行汽车在哪里?力场、牵引光束、传送舱、反重力雪橇、三录仪、长生不老药、火星殖民地以及 20 世纪中后期成长起来 的孩子认为现在应该存在的所有其他技术奇迹在哪里?”他的兴趣在于解开西方未能兑现其不懈科学技术进步神话的结构性原因。对于自称无政府主义者的格雷伯来说,科技行业以及更广泛的美国文化有可能 沦为一种技术“拼凑物”——对现有内容和突破的重新排列和重新利用。创新的终结或许即将到来。大量构建的应用程序、游戏和视频共享平台耗费了巨额资金和人才,而牺牲了更重要的项目,这绝不是无聊和无害的消遣。 这种以屏幕为载体争夺我们注意力的新形式的竞争,特别是对儿童而言,其持久影响和危害才刚刚开始显现。

    硅谷已经明确表示对政府的工作和挑战不感兴趣。进入门槛太高,预算周期太长,政治太混乱。但一波创始人也许无意中发现了比他们正在开发的软件更有价值的东西:一种新的组织文化和调动个人才能的方法。许多企业理所当然地被淘汰了。但在经济灾难中留下的组织文化,一种构成引导群体努力的新方法的工程思维,可能是这个时代最持久和最具变革性的产物。

    工程思维

    第十章  艾克群(The Eck Swarm)

    对后来被称为“艾克蜂群”的观察,代表了我们理解蜜蜂行为及其沟通能力的关键时刻。但林道尔的研究还揭示了一些更根本的东西,即群体,尤其是由单个动物组成的超大群体,如何能够围绕特定问题组织起来,应对不断变化的条件。正如一组研究人员在撰写关于蜜蜂和其他动物的集体决策对人类组织(包括医疗保健领域的护士和医生) 的影响的文章时指出的那样,蜜蜂的社会结构表明“无需中央控制就能出现协调行为”。

    理想状态下的初创企业应该成为一群蜜蜂。这种协调和运动,没有专横和不必要的集中控制机制,在许多方面都是美国背景下成功的初创企业和工程文化最重要的特征。林道尔和其他人后来研究的蜜蜂并没有采用基于种姓的社会等级制度来应对它们面临的巨大集体行动挑战,而是将自主权尽可能地分配给组织的边缘——侦察兵。群体边缘的个体通常拥有关于潜在筑巢地点适宜性的最新和最有价值的信息, 并能考虑到不断变化的条件,他们通过为群体跳舞来投票。群体围绕手头的问题组织起来。

    在大多数人类组织中,从政府官僚机构到大型企业,个人的大量精力和才智都用于争夺职位、将成功归功于自己,并常常拼命避免失败的责任。参与一项事业的人的重要而稀缺的创造性产出往往被误导用于建立自私的等级制度和巡视谁向谁报告。然而,在蜜蜂中,侦察蜂返回蜂巢后,它们所获取的信息没有任何中介。而椋鸟在向邻居发出蜂群转向的信号之前,也不必征求上级的许可。没有每周向中层管理人员汇报,没有向更高级的领导做报告。没有会议或电话会议来为其他会议做准备。蜜蜂群和椋鸟群不是由层层的副总裁和副副总裁组成,他们指导个人小组的工作并管理上级的看法。只有蜂群或蜂群。正是在这些运动的旋转中,某种类型的即兴创作和放松才得以形成。

    第十一章  即兴创业(The Improvisational Startup)

    然而,即兴表演与创业或工作时陷入深渊之间有着许多相似之处。要在舞台上展现自己,并扮演好一个角色,需要拥抱偶然性和一定程度的心理灵活性,而这些对于建立和引导一家寻求服务新市场并真正参与创造该市场的公司至关重要,而不仅仅是满足现有市场的需求。

    例如,在一堂表演课上,他观察到舞台上两个人之间的微妙手势和信号——比如避免眼神接触、点头或一个演员试图打断另一个演员的表演——都是协商和维护彼此地位关系的方法。关键在于,无论是在世界上还是在舞台上,地位都不是固定的或天生的。 相反,最好将其视为一种工具属性或优点——可以、确实必须用于服务于其他事物。“每一个变化和动作都意味着一种地位”,“没有任何行动是偶然的,或者真的‘无动机的’。” 尤其是,正如约翰斯通所说,区分“你现在的身份和你扮演的角色”对于在舞台和世界上有效地行动至关重要——不受他人试图从商业或社会角度限制一个人行动自由的限制,或者至少要更加意识到这些支配企图并做出相应的反应。一旦揭开地位的面纱,即企业生活中一切事物都通过的束缚性纱布,人们就可以更容易地在组织中识别出人才和动机。

    根据我们的经验,组织内部的空白或感知空白带来的收益一再大于成本,这些空白通常由雄心勃勃、才华横溢的领导者填补,他们看到了差距并想发挥作用,但否则可能会因为害怕闯入别人的地盘而屈服。”德鲁克的核心观点是,企业领导者与组织内的创意生产者之间必须保持直接联系,就管弦乐队指挥而言,眼神交流是必不可少的。根据我们的经验,世界上最有才华的软件工程师都是艺术家,与画家或音乐家无异。一个不必要的组织结构会让这些人才远离机构的目标,代价巨大。

    硅谷的核心理念不仅仅是聘用最优秀、最聪明的人才,还要以最优秀、最聪明的方式对待他们,给予他们灵活性、自由度和创造空间。最高效的软件公司是艺术家聚居地,充满了喜怒无常、才华横溢的灵魂。他们不愿顺从、不愿屈服于权力,这往往是他们最宝贵的本能

    第十二章 群众的反对(The Disapproval of the Crowd)

    1951 年,宾夕法尼亚州斯沃斯莫尔学院的心理学教授所罗门·E·阿什进行了一项看似简单的研究,研究的是人类在面对群体压力时倾向于从众的倾向——这项实验将促使人们更广泛地认识到人类心灵的脆弱性。在大多数情况下,顺从周围人的行为、他人所展现的规范以及珍视周围大多数人视为第二天性的能力的本能都具有极强的适应性和帮助性,不仅对我们个人的生存,而且对人类的生存也大有裨益。我们的顺从欲望十分强烈,但当涉及到创造性产出时,这种欲望却会造成严重影响。在阿希的实验中,有一部分受试者在每次面对明显错误的线段相对长度报告时都会屈服。而另一组受试者则在其他人的压力下始终能够正确评估线段的长度。正是这种对某种社会算计的不敏感和对顺从的抵制,对硅谷工程师文化的崛起至关重要。

    第十三章 制造更好的步枪(Building a Better Rifle)

    结构性问题在于,美国政府内部的采购官僚机构已经变得如此庞大和根深蒂固,拥有巨大的权力和影响力,以至于它已经习惯于订购定制版本,而不是像其他人一样在公开市场上购买商品。负责为美国军方提供物资的联邦采购官员可以指挥数千家分包商和供应商的工作,基本上可以决定他们想要或需要的任何东西都必须从头开始设计制造。政府在技术上并没有雇用产品设计师,也没有拥有工厂。但它实际上控制着他们,也可以付出任何代价。当时,美国政府“倾向于过度支出,因为它购买的几乎所有东西都是根据政府或军队的规格定制的”,曾在比尔·克林顿任副总统期间致力于采购改革的阿尔·戈尔在1998 年写道。例如,美国陆军在 20 世纪 90 年代的某个时候起草了超过七百页的关于如何烘焙饼干的规范,这些规范将发送给其供应商,而不是简单地与一家饼干已经在生产并在杂货店货架上销售的大型制造商合作。2016 年,Palantir 向位于华盛顿特区的美国联邦索赔法院提起诉讼,称陆军拒绝考虑其自身数据和分析平台的商业替代品。这种诉讼非常罕见,甚至根本不存在,因为大多数政府承包商都足够明智,不会起诉他们希望成为客户的政府机构。我们有不同的看法。联邦法规的措辞简单明了,要求陆军在尝试开发自己的软件产品之前至少考虑购买市场上已有的软件产品。该案由 Marian Blank Horn 审理,她于 2016年 11 月发布了一份长达 104 页的裁决,结论是“陆军未能正确确定……是否有适合该机构采购需求的商业产品”,并且“陆军未能做到这一点是武断和反复无常的”。简而言之,我们赢了。

    2018 年 3 月,美国陆军宣布将从雷神公司和 Palantir 两家公司中挑选一家来开发其未来的情报平台。前美国海军军官、亚利桑那州参议员约翰·麦凯恩 (John McCain) 写道,这是正确的决定,在投资 30 亿美元后,“是时候寻找另一种方式了”。一年后,即 2019 年 3 月,陆军宣布Palantir 赢得了整个合同。据《华盛顿邮报》报道,美国军方转向科技行业,或许是勉强接受一家新兴初创公司来接管该系统的建设,这是“政府首次选择硅谷软件公司,而不是传统的军事承包商,来领导国防计划”。这一转变标志着美国国防部转向软件和技术,转向一个曾多次背弃美国及其军队的行业,转而专注于更容易货币化的消费者产品,而且似乎对其充满无限热情。科技行业已经抛弃了军方,对与国内过度膨胀的官僚机构和矛盾心理(如果不是彻底反对的话)的争论不感兴趣。还有其他更有利可图的消费市场需要征服。然而,正是对冲突的容忍和某种程度的爱好,以及对任何有用事物的执着追求——这种工程本能——让Palantir 站稳了脚跟。

    第十四章 一朵云或一个时钟(A Cloud or a Clock)

    如今,我们在企业生活中享有 一种轻松的特权,这种随和的文化可能会使机构远离而不是走向创造性产出。为了平息企业和政府机构内部的任何冲突,人们冲动地——实际上是急于——是错误的,这让很多人误以为,那些主要渴望得到 他人认可的人将过上轻松的生活,并得到回报。正如喜剧演员约翰·穆 拉尼所说,“讨人喜欢是一所监狱。”
    We have today privileged a kind of ease in corporate life, a culture of agreeableness that can move institutions away, not toward, creative output. The impulse— indeed rush—to smooth over any hint of conflict within businesses and government agencies is misguided, leaving many with the misimpression that a life of ease awaits and rewarding those whose principal desire is the approval of others. As the comedian John Mulaney has said, “Likability is a jail.”

    这是一个充满怨气的行业,它有可能剥夺一代人成为这个世界的完全参与者所必需的勇气和分寸感。如果一个人希望建立一些实质性的和与众不同的东西,就需要一定的心理韧性,甚至对他人的意见漠不关心。正如杰克·凯鲁亚克在《在路上》中所写的那样,艺术家和创始人往往都是“疯狂的人”,“他们疯狂地活着,疯狂地说话,疯狂地被拯救,同时渴望一切。”当然,挑战在于,一些最引人注目和最真实的不墨守成规者,艺术家和偶像破坏者,是出了名的难相处的同事。

    我们最早的学习方式是通过模仿。但到了一定时候,这种模仿会损害 创造力。有些人从未从创造性的婴儿期转变过来。当然,硅谷的许多 创新都不是那么重要——更多的是试图复制过去行之有效或至少被认 为行之有效的东西。这种模仿有时会取得成果。但更多的时候,它是衍生性的和倒退的。最好的投资者和创始人对这种区别很敏感,他们之所以能生存下来,是因为他们积极抵制了对先前成功进行不完美模仿的冲动。叛逆行为包括从无到有地创造一些东西——无论是从一张白纸上创作一首诗,从画布上画一幅画,还是屏幕上的软件代码——从定义上讲,它需要拒绝以前的东西。它涉及到一个令人振奋的结论:新的东西是必要的。创造行为中蕴含着狂妄自大,即认定迄今为止所生产的所有东西,即人类产出的总和,并不是某一特定时刻应该或需要建造的东西。这种狂妄自大存在于每一位创始人或艺术家的心中。
    The act of rebellion that involves building something from nothing—whether it is a poem from a blank page, a painting from a canvas, or software code on a screen—by definition requires a rejection of what has come before. It involves the bracing conclusion that something new is necessary. The hubris involved in the act of creation—that determination that all that has been produced to date, the sum product of humanity’s output, is not precisely what ought or need be built at a given moment—is present within every founder or artist.

    对于初创公司或任何试图挑战在位者的组织来说,主导现代商业的盲 目从众——不愿冒着遭到大众反对的风险——可能是致命的。

    1953 年,当以赛亚·伯林 (Isaiah Berlin) 写下他的论文《刺猬与狐狸》 时,计算机革命还遥不可及。但毫无疑问,硅谷以及整个美国的迅猛 崛起,很大程度上源于旧金山南部那一小块土地上的文化,那里盛行着一种近乎无情的实用主义。对伯林来说,我们这个世界上的刺猬与 狐狸之间存在着“巨大的鸿沟”,刺猬“把一切都归结为一个中心愿景, 一个或多或少连贯或清晰的系统,他们就根据这个系统来理解、思考和感受”,而狐狸“则追求许多目标,这些目标往往不相关甚至相互矛盾,即使有联系,也只是在事实上联系在一起”。柏林在最薄弱的基础上建立了一些丰富而持久的东西——一行诗句,一段来自古希腊诗人 阿尔基洛科斯的诗歌,阿尔基洛科斯于公元前七世纪初出生于爱琴海中部的一个小岛上。“狐狸知道很多事,”阿尔基洛科斯写道,“但刺猬知道一件大事。”而硅谷就是这只完美的狐狸。有很多方法可以衡量泰特洛克所说的“狐狸本性”。你可以直接问专家,他或她更像狐狸还是刺猬,同时解释以赛亚·伯林的框架。泰特洛克确实这么做了。但他也向专家们提出了其他问题,包括他们认为政治更像“云朵”还是“钟表”,以期找出一些相同类型的本能。那些把政治和历史描述成更像云朵而不是钟表、具有机械精确性和规律性的人,预测能力明显更好。泰特洛克认为,“表现最差的人”是“在专业领 域做出长期预测的刺猬极端主义者”。

    工程师——无论是机械世界、数字世界,甚至可能是书面世界的工程师——都必须从理论之塔走下来,深入实际细节的泥沼中,而不是理论化的细节。正如美国哲学家约翰·杜威在 1922 年的文章《务实的美国》中所写,一个人必须“从高贵的超然中走出来,进入具体事物的泥潭中”。 在情感上,甚至在身体上,与自己负责塑造的系统和流程的不完美和明显矛盾的混乱相近,是进步的源泉,而不是进步的障碍。杜威写道,对这种实用主义的承诺,或者说是催生硅谷的工程思维,“会阻止教条主义,激发和鼓舞一种实验精神,这种精神想要在完全坚持之前了解系统和理论是如何运作的”,并且“反对过于笼统和简单的概括”。
    It is essential that the engineer—whether of the mechanical world, the digital, or even perhaps the written—descend from his or her tower of theory into the morass of actual details as they exist, not as they have been theorized to be. One must, as the American philosopher John Dewey wrote in his essay “Pragmatic America” in 1922, “get down from noble aloofness into the muddy stream of concrete things.” An emotional and often physical proximity to the mess of imperfections and apparent contradictions of the systems and processes that one is charged with shaping is the source of progress, not its impediment. A commitment to this sort of pragmatism, or indeed the engineering mindset that has given rise to the Valley, “discourages dogmatism,” as Dewey wrote, “arouses and heartens an experimental spirit which wants to know how systems and theories work before giving complete adhesion,” and “militates against too sweeping and easy generalizations.”

    20 世纪 70 年代末,丰田汽车公司高管大野耐一出版了一本书,描述 了这家日本汽车制造商对工业制造业的重塑,并阐述了一种根本原因 分析方法,我们近 20 年前就采用了这种方法,并一直沿用至今。探究 方法对于我们识别公司中不可避免地会出现的问题的根本原因而非表 面原因至关重要。从表面上看,这种方法很简单:问为什么会发生问题,然后再问四遍为什么。我们和其他人非常有创意地称之为“五个为什么”。在工业制造工厂的背景下,大野举了一个例子,一台机器因为 保险丝过载而停止工作,进一步调查后发现,原因是泵损坏,最终导 致金属零件磨损。在 Palantir,我们以这种探究方法为基础,对我们正在开发的软件的先导——人力系统进行了分析,甚至承认了这一点。为什么企业软件平 台的重要更新未能在周五的截止日期之前发布?因为团队只有两天时 间来审查代码草案。为什么团队只有两天时间进行审查?因为在去年 年末的预算审查周期中,他们失去了六名软件工程师。为什么预算减 少了?因为该团队的负责人应另一位团队负责人的要求,将优先事项 转移到了其他方面。为什么要提出转移优先事项的要求?因为公司推 出了一种新的薪酬模式,该模式鼓励某些领域的增长,而不是其他领 域。当然,我们甚至可以进一步探究。为什么选择某些领域而牺牲其他领域?因为公司两位高管之间持续存在的争执。

    在这个例子中,软件系统更新未能按时交付,其根本原因并非是某个工程师的疏忽,甚至不是团队的未雨绸缪,而是由于公司最高层持续 不断、日益对抗的人际冲突。这种企业蝴蝶效应对那些需要服从和适 应现代企业生活变迁的职业人士来说并不是什么新鲜事。但我们发现,那些愿意追寻因果线索并真正追随它的人,往往能够解开阻碍组织前进的结。这需要毅力和愿意深入挖掘问题的第一层。公司领导者的心理倾向和决策本能往往是挑战的核心。

    如果相关人员能够克制住将责任推卸给同事的冲动,而是专注于导致当前错误的结构性问题(实际上往往是人际关系问题),那么这一做法将发挥最大作用。在过去二十年中,我们进行了数千次“五个为什么”评估,并起草了详细的书面报告,试图记录问题的系统性和根本原 因,而不是将责任归咎于个人。任何复杂系统失败的原因,无论是人为的还是其他原因,往往让人感觉难以捉摸,因为追踪我们构建的制 度和激励机制错综复杂的多重相关因果关系非常困难,也需要耐心。 错过最后期限或产品发布不尽如人意等错误,其根源往往在于参与该工作的组织中错综复杂的人际关系。这种方法是工程文化的产物,在最佳情况下,工程文化会坚定不移地专注于了解哪些工作做得好,哪些工作做得不好。挑战在于培育一种足够温和和宽容的内部文化,鼓励组织内最有才华和最正直的人站出来报告问题,而不是掩盖问题。 大多数公司里的员工都害怕失去工作,所以任何失职的迹象都会很快被掩盖。其他人只是想在不被发现对组织贡献不大或毫无价值的情况下退休。还有更多的人正在利用他们曾经建立的帝国的衰落来赚钱。

    卢西安·弗洛伊德是德国出生的具象派 画家,他可能是 20 世纪最经久不衰的画家。观察、仔细观察而暂缓判 断——接受事实,抵制将自己的观点强加于事实的冲动——是任何工程文化的核心,包括我们的工程文化。“通过非常仔细地观察一个人,不加评判,你可以从他身上学到很多东西,甚至关于你自己,这真是太不可思议了。”正是这种观察的方式,即在暂停评判的同时仔细观察我们周围的云,构成了工程思维的基础。 在重建技术共和国的过程中,我们现在面临的挑战是将工程 本能(实际上是一种无情的实用主义)引导至国家共同的目标,而只有我们冒险定义我们是谁或渴望成为谁,才能确定这些目标。

    重建技术共和国

    第十五章 走进沙漠(Into the Desert)

    但是,在市场经济中分配稀缺资本时,我们为什么总是要听从群众的智慧呢?我们似乎无意中剥夺了自己参与批判性讨论的机会,讨论应该存在的企业和事业,而不仅仅是可能存在的企业。2011 年,在 Zynga 和 Groupon 崛起的巅峰时期,群众的智慧做出了明确的判断: 它们是值得进一步投资的赢家。数百亿美元押注于它们的持续崛起。 但是,没有任何论坛、平台或有意义的机会让任何人质疑我们社会的 稀缺资源是否应该转移到在线游戏的建设或更有效的优惠券和折扣聚合器上。市场已经说出了真相,所以必须如此。

    正是我们自己的鲁莽和不愿冒着被大众嘲笑的风险,使我们失去了以任何有意义 的方式讨论我们所居住的世界应该是什么样子以及应该存在什么样的公司的机会。现代盛行的不可知论,不愿提出关于文化价值的实质性 观点,或者说缺乏这种观点,因为害怕疏远任何人,为市场填补这一 空白铺平了道路。
    It is our own temerity and unwillingness to risk the scorn of the crowd that have deprived us of the opportunity to discuss in any meaningful way what the world that we inhabit should be and what companies should exist. The prevailing agnosticism of the modern era, the reluctance to advance a substantive view about cultural value, or lack thereof, for fear of alienating anyone, has paved the way for the market to fill the gap.

    下一波技术突破,包括部署人工智能协助警察部门,只会进一步加剧这场争论,并将重塑我们对执法和计算可能性的认识。例如,包括 BAE Systems 在内的多家国防承包商与英国国家物理实验室合作开发 了步态识别系统 – 这是一种软件程序,仅凭行人行走的视频片段就能识别个人身份,而无需访问个人面部图像。这项技术已经开发了十多年,其准确性每天都在提高。警察局操作的小型飞行无人机现在可以接近车窗并打破玻璃,让警察可以毫无阻碍地向车内人员开枪。人们的道德愤慨和愤慨针对的是新技术的应用,而不是该市政府未能保护居民。美国花费了250亿美元保护驻阿富汗的士兵免受路边炸弹的威胁,但是当谈到防止美国人在 我国城市中丧生,遭受堕落、精神病患者以及往往资源极其丰富和残忍的暴力团伙的袭击时,人们的集体反应往往是冷漠和听天由命。

    微妙、有趣且困难的讨论不是滥用此类系统是否合理,而是正确使用它们是否有助于遏制我们城市的暴力行为。这个国家每年有数千人被谋杀。数十万甚至数百万人生活在此类暴力的阴影之下。对于许多批评地方执法部门使用软件的人来说,这些人的生命在道德考量中似乎并不重要。

    我们开始将胜利的象征意义、更具戏剧性的元素和外在表现置于我们自身道德优越性的表达之上,而忽略了实际的、往往不那么明显的生活水平和生活质量的进步和改善。然而,正是对这些进步和成果的狂热追求构成了工程师看待世界的方法的基石和技术共和国的基础。风险在于,我们放弃了以结果为导向的道德或伦理体系——对人们来说最重要的结果(饥饿、犯罪和疾病较少)——转而支持一种更具表演性的话语,在这种话语中,围绕这些结果的信息管理掩盖了结果本身 的重要性。而技术共和国的重建,除其他事项外,还需要重建一个所有权社会,一种源自技术的创始人文化,但有可能重塑政府,在这种文化中,没有一个人与自己的成功没有关系,就被委以领导的重任。

    第十六章  虔诚及其代价(Piety and Its Price)

    美国众议院和美国参议院议员平均每年仅挣 174,000 美元, 尽管他们的决定可能会影响全国数百万士兵、教师、工人和学生的生 活。任何以联邦政府支付公务员工资的方式支付员工工资的企业都将 难以生存。

    1994 年 11 月,新加坡首任总理李光耀与其他国会议员就他提议的政府涨薪展开辩论。李光耀建立了一套制度,根据该制度,新加坡公职 人员的薪酬是根据私营部门职业(包括银行业和法律业)的可比工资 确定的。例如,到 2007 年,该国部长的平均年薪将升至每年 126 万美 元。李光耀的批评者认为,涨薪会吸引错误类型的候选人,这些人是 为了个人利益而不是为公众服务而从事政府工作。在议会就此事进行 的辩论中,李光耀回应说,政治家“是真正的男人和女人,就像你和我一样,有真正的家庭,有真正的人生抱负。”他接着说:“所以当我们谈论所有这些高调、高尚、崇高的事业时,请记住,归根结底,很少有人成为牧师。“

    这些本能,即不言而喻的希望公务员成为我们的牧师的愿望,正在产生意想不到的不良后果,即剥 夺了公共经济的广大部门——政府、教育和医学——正确激励机制可 以创造的利益。我们不愿在公共事业的背景下尝试新的薪酬模式,这 也是一种极其倒退的行为,将整个职业——包括艺术、医学、政府、 出版和学术界——隔离开来,本质上是受过教育且往往是世袭的精英 的领域,他们有能力为共和国奉献时间和劳动。更残酷的说法是,这些精英不希望他们目前几乎独享高地位职业的竞争。我们必须给医 生、公务员和教师更高的报酬。这些都是崇高的职业。但那些追求这些职业的人不应该被要求接受他们的崇高地位作为报酬。

    建造一个足够小的核反应堆来为潜艇提供动力的计划是由海曼·G·里科 弗策划和推动的,他当时担任美国海军少将,是一位受人尊敬但性格复杂的人物。1900 年,他出生于华沙以北不远的一个小镇。他的父亲是一名裁缝,1906 年,里科弗六岁时,他离开欧洲,带着家人移民到 纽约。金特纳说,美国海军之所以能如此迅速地建造出由核反应堆驱动的功能性潜水器,直接归功于里科弗的“大胆进取”——这一突破有可能将潜艇改造成不仅仅是“只能短时间下潜的水面舰艇”,而是能够在深海隐藏数月的水下舰艇。“我的工作不是在体制内工作。我的工作是把事情做好,”他说。吉米·卡特曾在 20 世纪 40 年代末在海军担任下级军官,在竞选并赢得总统职位的几十年前, 他承认里科弗可能很难相处,甚至“有几次,我讨厌他”。但他对里科弗的崇敬始终如一。卡特补充说,除了他的父亲“没有其他人对我的生活产生过如此深远的影响”。

    当硅谷和华尔街的巨额薪酬以及在市场经济中配置资本的对冲基金经 理和交易员面临挑战时,世界会视而不见。但是,当一位退休海军上 将(他的努力为我们带来了本世纪海战最重要的发展)在与国防承包 商打交道时,他却暴露出虚荣和缺乏判断力时,人们会大为震惊。他 违反了规则吗?也许吧。但是,如此严格和坚定地遵守这些协议也是 有代价的,狭隘的程序正义所能提供的安慰也是有限的。

    我们对纯洁 的渴望是可以理解的。我们坚持希望我们当中最崇高和最虔诚的人也 会有追求权力的野心。但历史告诉我们,情况往往恰恰相反。 消除 任何宽恕的空间——抛弃对人类心灵的复杂性和矛盾性的任何容忍 ——可能会让我们面对一群我们会后悔的掌舵人。
    Our desire for purity is understandable. We cling to the hope that the most noble and pious among us will also have the ambition to seek power. But history tells us that the opposite is far more often the case. The eradication of any space for forgiveness—a jettisoning of any tolerance for the complexities and contradictions of the human psyche—may leave us with a cast of characters at the helm we will grow to regre.

    集体寻找替罪羊的欲望是如此彻底和完整,以至于在历史上常常压倒我们。肯尼斯·伯克在 1935 年出版的《永恒与变化》中将“替罪羊机制最纯粹的形式”描述为“使用祭祀容器来仪式性地卸下某人的罪孽”。这 种将一个人的罪孽转移到动物身上,然后“残忍地殴打或杀死”动物的 过程,是减轻广大社会群体的内疚或不和谐感的一种手段。我们必须更直接地应对这种周期性且根深蒂固的欲望,这种欲望会在我们内心 深处涌起,寻找替罪羊——一个承载我们自己的失败、弱点、禁忌欲望和缺陷的容器。在宰杀动物或我们中间的某个人作为祭祀活动过程 中,伴随而来的解脱和卸下负担的感觉往往转瞬即逝。

    第十七章  未来一千年(The Next Thousand Years)

    1993 年,英国人类学家罗宾·邓巴 (ROBIN DUNBAR)试图计算一个人可以 与多少个人保持合理的社会关系。他调查了从南部非洲到新几内亚再 到加拿大北部的狩猎采集社会中的人类群体规模,得出平均每个群体 有 148.4 人,其中最小的群体有 90 名成员,最大的群体有 221 名成 员。这个数字通常四舍五入为 150 人,后来被称为邓巴数字,代表了 人类群体规模的某种理论上限,其成员与其他所有人保持直接联系和关系。

    在 1986 年的一次政治集会上,李光耀提出,干预国家公民的私人领域是建设和建设一个国家的必要组成部分。“我们用不同的语言唱不同的歌,”他说。“我们不会因为同样的笑话而发笑,因为你可以用闽南语 开玩笑,”他补充说,闽南语是该国的中文方言之一,但“40% 的人口 不会听你的。”在 20 世纪的大部分时间里,新加坡至少有 12 种中文方 言,包括粤语、闽南语、海南语和上海话。中文方言在该地区兴起和 日益突出是一个相对较新的发展。在 19 世纪和 20 世纪初,英国殖民 地一直强调马来语,而不是中文,因为正如一位历史学家所指出的那 样,新加坡被认为是“更大的马来世界的一部分,马来语是主要的通用语。“一个没有道德价值观指导的社会很难在压力下保持凝聚力,”政府研究指出,该报告后来被称为吴庆瑞报告,以其主要作者、李光耀政府时期的新加坡副总理吴庆瑞命名。“对共同价值观的承诺将决定新移民出身的人在多大程度上愿意并能够捍卫他们的集体利益。正如亨利·基辛格所说,就李光耀的领导能力而言,“关于环境还是个性决定事件的古老争论”“最终都倾向于后者”。这一古老争论至少可以追溯到十九世纪,苏格兰历史学家托马斯·卡莱尔在 1840 年写道,“伟人”是“他那个时代不可或缺的救世主;他是闪电,没有它燃料就永远不会燃烧”。当时普遍认为,孤独的个人是历史的主要推动者。巴黎先贤祠建于十八世纪,用于安葬法国最杰出的政治家、哲学 家和将军,院内有伏尔泰、卢梭和拿破仑的雕像,山墙上方有二十二 根高耸雄伟的科林斯柱。从街上看,石碑上用大写字母刻着“献给伟 人,感恩的国家”。

    1882 年,法国哲学家、渔民后裔欧内斯特·勒南在巴黎索邦大学发表了题为“什么是民族?”的演讲。他是第一批试图将民族概念与更有限或狭隘的民族或种族身份区分开来的作家之一,他指出,当“种族与民族相混淆”时,就会出现“更严重的错误”。勒南提出了一个更为持久和强大的民族概念,即一个宏大而神秘的集体项目,而受过教育的阶层在战后几乎放弃了这种概念。

    他将民族描述为“一种巨大的团结,由一个人已经做出的牺牲和准备做出的牺牲的情感构成。”对勒南来说,一个民族项目“以过去为前提”,但“在当下,它被一个有形的事实所概 括:同意,即明确表达的继续共同生活的愿望。”我们正面临着失去这 种“共同生活”的风险。勒南曾将国家描述为“日常公民投票”。而现在,它必须得到更新。建设国家、构建集体身份和共同神话的必要任务正面临被遗忘的风险,因为我们过于害怕疏远任何人,害怕剥夺任何人参与共同项目的 能力。正是这种对神话、对共同叙事的漠不关心,让我们作为一种文 化走得太远了。Palantir 的名字取自 JRR 托尔金的《指环王》 ,有人 认为托尔金的引用是“极右翼”的最爱。
    He described the nation as “a vast solidarity, constituted by the sentiment of the sacrifices one has made and of those one is yet prepared to make.” A national project, for Renan, “presupposes a past,” but is “summarized in the present by a tangible fact: consent, the clearly expressed desire to continue a common life.” It is that “common life” with which we are at risk of losing touch. Renan famously described the nation as “an everyday plebiscite.” And it must now be renewed.

    第十八章 美学观点(An Aesthetic Point of View)

    但在我们急于反抗西方艺术和历史狭隘叙述的压迫时,我们可能 失去了比我们预期的更多的东西。像克拉克这样的不合时宜的人被扫除,同时也放弃了其他规范和美学框架。结果,我们在不知不觉中削弱了我们的辨别能力,甚至判断能力。
    But in our rush to rebel against the oppression of a narrow account of Western art and history, we perhaps deprived ourselves of more than we anticipated. The sweeping away of anachronisms such as Clark coincided with the abandonment of other normative and aesthetic frameworks. And we have, as a result, unwittingly diminished our capacity to discern and indeed judge.

    斯文森在 2017 年的一次采 访中表示,“短期主义”和市场“对季度收益的关注”是“极具破坏性 的”。这是一种管理,是对资产的临时和有条件所有权,可以让人们长期保持其价值。

    硅谷的核心优势之一是它拥抱所有权社会,尽管这种社会并不完美、 不稳定且充满矛盾。在这种制度下,组织内的劳动力和创造性人才对他们所建立的企业的成功和结果有着重大的利害关系。人们很容易忘 记,在 20 世纪 90 年代,向科技公司的所有员工(从行政助理到高 管)授予股权是一种激进的做法,它背离了当时流行的组织员工按小 时计酬和领薪、而所有者获得巨额回报的模式。少数其他行业也曾尝 试过共享所有权模式,从律师事务所到医疗机构,但实际上,重大股 权往往只掌握在组织掌舵的少数管理人员手中。

    硅谷走得更远,事实证明这一策略对其成功至关重要。世界上许多最 著名的科技公司本质上都是公有的。早期的参与者共担风险,共享回 报。硅谷仍然是世界上为数不多的几个地方之一,在这里,出身低微的人(用宪法学者阿基尔·里德·阿马尔的话来说)可以拥有一些实质 性的东西,并参与其劳动的收益,而不是继续成为他人企业中的齿轮,即使通常是高薪齿轮。
    Silicon Valley went much further, and the strategy proved essential to its success. Many of the world’s most prominent technology companies were essentially communally owned. The early participants shared in the risk and the reward. Silicon Valley remains one of the few places in the world where individuals of low birth, to use a phrase of the constitutional law scholar Akhil Reed Amar, can own something substantial and participate in the upside of their labor, rather than remain cogs, even if often highly paid cogs, in the ventures of another.

    在整个 20 世纪 80 年代和 90 年代,一位有才华的毕业生也许可以加入高盛,这是合伙薪酬模式的先驱,或者是 一家白鞋律师事务所,律师们分享其工作的利润和风险。但这些实验基本上已经枯萎了;这样的公司仍然吸引着有才华和雄心勃勃的 才,但他们的薪水往往很高,但无论如何都是薪水。资本家攫取了劳动的努力和创造力的收益。
    Throughout the 1980s and 1990s, a talented graduate could perhaps join Goldman Sachs, which was a pioneer of partnership compensation models, or perhaps a white-shoe law firm, where attorneys shared the profits, and risk, of their work. But those experiments have essentially withered; such firms still attract talented and ambitious minds, but they are paid salaries, often high ones, but salaries nonetheless. The upside of the endeavors and creative energy of labor is captured by the capitalist.

    过去十年来,有效利他主义运动在硅谷扎根,由哲学家彼得·辛 格等人推动,该运动试图建立在道德普遍主义的直观吸引力之上—— 即所有人类,甚至一些非人类,都应在我们的道德计算中考虑。辛格 出生于澳大利亚墨尔本,在普林斯顿大学任教二十多年,他的工作之 所以有吸引力,是因为它似乎解决了这个难题:无论是人类还是海獭的福祉,都是最重要的。但这种方法为一代人提供了掩护,让他们回避更棘手的问题,即什么是幸福的生活、民族认同的界限和内容,以及人类对意义的探索。英国哲学家罗杰·斯克鲁顿批评辛格采用了“空 洞的功利主义”,这种主义虽然优雅而简单,但仍然将体验简化为单一 指标。从这个意义上讲,硅谷许多领先公司的创始人并不是不道德 的;他们只是不道德,对宏大的信仰结构和世界观以及对集体生活可 以或应该是什么的肯定概念持怀疑态度。

    硅谷的企业家们并不缺乏理想主义,事实上,他们常常看起来充满理想主义。但是,理想主义很单薄,只要稍加审视就会枯萎。几十年来,大批年轻的创业者经常声称他们渴望改变世界。然而,这种说法 已经因为过度使用而变得毫无意义。披上理想主义的外衣,是为了减 轻这些年轻创业者发展任何更实质性的世界观的需要。而民族国家本身,即世界上追求共同目标的最有效的集体组织手段,却被当作进步的障碍而抛弃。
    The entrepreneurs of Silicon Valley do not lack idealism; indeed, they often appear to be brimming with it. But it is thin and can wither under even the slightest scrutiny. The legions of young founders have for decades now routinely claimed that they aspire to change the world. Yet such claims have grown meaningless from overuse. This cloak of idealism was put on in order to relieve these young founders of the need to develop anything approaching a more substantial worldview. And the nation-state itself, the most effective means of collective organization in pursuit of a shared purpose that the world has ever known, was cast aside as an obstacle to progress.

    硅谷的企业家和工程师大军是上一代学者的继承者,他们曾试图隐藏 在所谓的中立科学发现的追求背后。强制中立首先出现在大学和科技 公司,后来又出现在构建了我们现在所处世界的科技公司中,这给我 们留下了一个空洞的共和国,远远达不到我们能够建立的水平。但 是,建立一个科技共和国,一个富裕、繁荣、充满创造力的公共实验 ——而不仅仅是施特劳斯警告的放纵平等主义的狂欢——将需要拥抱价值观、美德和文化,而这些正是当代人被教导要憎恶的东西。

    对于李光耀来说,他的理想就是成为两千多年前孔子倡导的“君子”, “君子”有多种译法,如“君子”或“绅士”。李光耀在接受采访时表示, 君子要“孝顺父母”、“忠于妻子”、“教育好孩子”,并且是“忠臣”。对于今天的许多人来说,这种特定的美德观念是狭隘和排他性的,必须予以抵制。但是,我们愿意发扬和捍卫什么样的美德、什么样的高尚或模范生活观念来取代那些以包容为名而被抛弃的美德和观念呢?
    For Lee Kuan Yew, the aspirational ideal was to become, as Confucius urged more than two thousand years ago, a junzi, which has been variously translated as an “exemplary person,” or “gentleman.” This was someone who is “loyal to his father and mother,” “faithful to his wife,” “brings up his children well,” and is a “loyal citizen of his emperor,” Lee said in an interview. Such a specific conception of virtue, for many today, must be resisted as parochial and exclusionary. But what virtues, what conception of the noble or indeed exemplary life, are we willing to advance and defend in the place of the ones that have been jettisoned in the name of inclusivity?

    帝国的衰落伴随着对美德追求和培养的放弃。公元前 86 年出生的罗马历史学家萨卢斯特记录了他周围共和国的衰落,当时喀提林企图发动 政变,后来被罗马军队杀死。萨卢斯特写道:“由于财富,年轻人突然 沉溺于奢侈和贪婪,同时傲慢无礼。”他们对自己的致富以外的任何事 情都失去了兴趣。平淡无奇、令人不满意的功利主义不足以治愈当前 的弊病。有效利他主义者在利用道德哲学语言方面很精明,但他们的举动只是推迟了人类对意义的探索。正如1985年创办《国家利益》杂志的欧文·克里斯托所言,“当今我们文明所面临的棘手任务不是改革世俗的、理性的正统观念”,而是“为旧的、现在基本上处于昏迷状态的宗教正统观念注入新的活力”。

    正是对集体经验和努力的厌恶,使得美国和美国文化容易受到攻击和渗透。我们被训练得非常小心,非常不愿意谈论美国文化的内容(如果有的话),以至于文化生产和制造行为转移到了其他不那么敌对的 领域。目前,美国社会的主要共同特征不是公民或政治,而是围绕娱 乐、体育、名人和时尚。这不是某种无法弥合的政治分歧的结果。使 陌生人之间在相当大的群体中形成一种想象中的亲密关系的人际纽带 被切断并被从公共领域中驱逐出去。制造一个国家的旧手段、教育系 统的公民仪式、国防义务服务、宗教、共同的语言以及繁荣和自由的 媒体几乎都被拆除或因忽视和滥用而萎缩。

    It was a distaste for collective experience and endeavor that made America, and American culture, vulnerable to attack and infiltration. We had been trained to be so careful, so reluctant to speak about the content of American culture, if there was any, that the act of cultural production and manufacture migrated to other, less hostile domains. At present, the principal features of American society that are shared are not civic or political, but rather cohere around entertainment, sports, celebrity, and fashion. This is not the result of some unbridgeable political division. The interpersonal tether that makes possible a form of imagined intimacy among strangers within groups of a significant size was severed and banished from the public sphere. The old means of manufacturing a nation, the civic rituals of an educational system, mandatory service in national defense, religion, a shared language, and a thriving and free press have all but been dismantled or withered from neglect and abuse.

    硅谷抓住了美国国家经验的空白所创造的机会。在许多情况下,主宰我们生活的科技公司都是小国,围绕着许多年轻人渴望的一套理想而建立:自由创造、自主成功,以及对结果的承诺。世界上的桑尼维尔、帕洛阿尔托斯和山景城都是公司城镇和城市国家,与社会隔绝, 提供国家项目无法再提供的东西。

    我们的论点是,前进的道路将涉及对自由市场的承诺及其对个人需求的分裂和孤立,与人类对某种形式的集体体验和努力的无限渴望之间的调和。硅谷提供了后者以及前者的回报。在圣克拉拉县的各个城 镇,无论是企业还是其他,都出现了一种现代艺术殖民地或技术公 社。这些社区内部连贯一致,其企业园区试图满足日常生活的所有需 求。它们的核心是集体主义的努力,充满了极度个人主义和自由思想的思想。诚然,硅谷公司所销售的社区体验本身已经商品化。然而, 美国和整个西方日常生活的分裂为包括我们在内的科技公司开辟了一 条道路,可以招募和留住一代人才,他们想做一些除了摆弄金融市场或咨询以外的事情。
    Our argument is that the path forward will involve a reconciliation of a commitment to the free market, and its atomization and isolation of individual wants and needs, with the insatiable human desire for some form of collective experience and endeavor. Silicon Valley offered the latter and the rewards of the former. Across the towns, corporate and otherwise, in Santa Clara County, a form of modern-day artistic colony, or technological commune, sprang up. These were internally coherent communities whose corporate campuses attempted to provide for all of the wants and needs of daily life. They were at their core collectivist endeavors, populated by intensely individualistic and freethinking minds. It is true that the communal experience that Silicon Valley firms were selling itself became commoditized. Yet the atomization of daily life in America and the broader West left a lane open for technology firms, including ours, to recruit and retain a generation of talent that wanted to do something other than tinker with financial markets or consult.

    其他国家,包括我们的许多地缘政治对手,都了解在组织人民的努力中肯定共同的文化传统、神话和价值观的力量。他们远不像我们那样羞于承认人类需要共同的体验。培养过于强硬和缺乏思考的民族主义是有风险的。但拒绝任何形式的共同生活也同样有风险。在美国和其 他地方,重建一个技术共和国将需要重新拥抱集体经验、共同的目标和身份,以及能够将我们团结在一起的公民仪式。我们正在建设的技术,包括可能挑战我们目前对这个世界创造性控制的垄断的新型人工智能,本身就是一种文化的产物,我们现在比以往任何时候都更不能放弃对这种文化的维护和发展。拆除旧秩序可能是公正和必要的。我们现在应该共同建立一些东西来取代它。
    Other nations, including many of our geopolitical adversaries, understand the power of affirming shared cultural traditions, mythologies, and values in organizing the efforts of a people. They are far less shy than we are about acknowledging the human need for communal experience. The cultivation of an overly muscular and unthoughtful nationalism has risks. But the rejection of any form of life in common does as well. The reconstruction of a technological republic, in the United States and elsewhere, will require a re-embrace of collective experience, of shared purpose and identity, of civic rituals that are capable of binding us together. The technologies we are building, including the novel forms of AI that may challenge our present monopoly on creative control in this world, are themselves the product of a culture whose maintenance and development we now, more than ever, cannot afford to abandon. It might have been just and necessary to dismantle the old order. We should now build something together in its place.

  • 陶哲轩:做数学一定要是天才吗?

    这个问题的回答是一个大写的:NO!

    为了达成对数学有良好的、有意义的贡献的目的,人们必须要刻苦努力;学好自己的领域,掌握一些其他领域的知识和工具;多问问题;多与其他数学工作者交流;要对数学有个宏观的把握。当然,一定水平的才智、耐心以及心智上的成熟是必须的。

    但是,数学工作者绝不需要什么神奇的“天才”基因,什么天生的洞察能力;不需要什么超自然的能力使自己总有灵感去出人意料地解决难题。

    大众对数学家的形象有一个错误的认识:这些人似乎都是离群索居(甚至有一点疯癫)的天才。他们不去关注其他同行的工作,不按常规的方式思考。他们总是能够获得无法解释的灵感(或者经过痛苦的挣扎之后突然获得),然后在所有专家都一筹莫展的时候,在某个重大的问题上取得了突破性的进展。这样浪漫的形象真够吸引人的,可是至少在现代数学学科中,这样的人或事基本没有出现过。

    在数学中,我们的确有很多惊人的结论、深刻的定理,但那都是经过几年、几十年甚至几个世纪的积累,在很多优秀或者伟大的数学家的努力之下一点一点得到的。每次从一个层次到另一个层次的理解加深的确都很不平凡,有些甚至是非常的出人意料。尽管如此,这些成就也无一例外的建立在前人工作的基础之上,绝不是全新的。(例如,Wiles解决费马最后定理的工作或者Perelman解决庞加莱猜想的工作。)

    今天的数学就是这样:一些直觉、浩繁的文献,再加上一点点运气,在大量连续不断的刻苦工作中慢慢的积累、缓缓的进展。

    事实上,我甚至觉得现实中的情况比前述浪漫的假说更令我满足,尽管我当年做学生的时候,也曾经以为数学的发展主要是靠少数的天才和一些神秘的灵感。其实,这种“天才的神话”是有其缺陷的,因为没有人能够定期的产生灵感,甚至都不能保证每次产生的这些个灵感的正确性(如果有人宣称能够做到这些,我建议要持怀疑态度)。

    相信灵感还会产生一些问题:一些人会过度地把自己投入到大问题中;人们本应对自己的工作和所用的工具抱有合理的怀疑,但上述态度却使一些人的这种怀疑能力渐渐丧失;还有一些人在数学上极端不自信;还有很多很多的问题……

    当然了,如果我们不使用“天才”这样极端的词汇,我们会发现在很多时候,一些数学家比其他人会反应更快一些,会更有经验,会更有效率,会更仔细,甚至更有创造性。但是,并不是这些所谓的“最好”的数学家才应该做数学。这其实是一种关于绝对优势和相对优势的很普遍的错误观念。

    有意义的数学科研的领域极其广大,决不是一些所谓的“最好”的数学家能够完成的任务,而且有时候你所拥有的一些想法和工具会弥补一些优秀数学家的错误,而这些优秀的数学家们也会在某些数学研究过程中暴露出弱点。只要你受过教育、拥有热情,再加上些许才智,一定会有数学的某个方面在等着你做出重要的、奠基性的工作。这些也许不是数学里最光彩照人的地方,但却是最健康的部分。往往一些现在看来枯燥无用的领域,在将来会比一些看上去很漂亮的方向更加有意义。而且,应该先在一个领域中做一些不那么光彩照人的工作,直到有机会和能力之时,再去解决那些重大的问题。看看那些伟大的数学家们早期的论文,你就会明白我的意思了。

    有的时候,大量的灵感和才智反而对长期的数学发展有害,试想如果在早期,问题解决的太容易,一个人可能就不会刻苦努力,不会问一些“傻”的问题,不会尝试去扩展自己的领域,这样迟早造成灵感的枯竭。而且,如果一个人习惯了不大费时费力的小聪明,他就不能拥有解决真正困难的大问题所需要的耐心和坚韧的性格。聪明才智自然重要,但是如何发展和培养显然更加重要。

    要记住,专业做数学不是一项运动比赛。做数学的目的不是得多少分数,获多少个奖项。做数学其实是为了理解数学,为自己,也为学生和同事,最终要为她的发展和应用做出贡献。为了这个任务,她真的需要所有人的共同拼搏!

  • 李泽椿 等:从“75·8”到“21·7”的思考

    李泽椿、谌芸、徐珺、王月冬、代刊、王新敏、徐国强、龚玺

    引言

    2021年7月17日至22日,河南省出现历史罕见的极端暴雨过程(简称“21·7”极端暴雨过程)。46年前的1975年8月4-8日,河南省也曾发生历史上罕见特大暴雨洪涝灾害(简称“75·8”极端暴雨过程)。同一地区历经两场特大暴雨,无论是在预报预警的准确性、及时性及应急服务反应措施上,还是在应对措施方面,都有极大差别。“21·7”极端暴雨过程的成功预报和服务,得益于政府和相关部门几十年来,依靠科技、立足预防、政府主导、社会联动,以及中国气象局、河南省政府在科技研究、气象工程上给予的极大支持和气象科技人员多年的不断精心研究和尽职尽责的服务。

    为及时准确预报出“21·7”极端暴雨过程,河南省气象工作者从7月14日开始高度关注此次暴雨过程;15日河南省气象局发布《重要天气报告》,提醒出现大暴雨和特大暴雨的可能性;16日省长签发1号指挥长令,召开防汛工作视频调度会议;17日起省气象局逐3小时至1小时加密滚动发布《气象信息快报》,为他们正确决策提供科学依据,紧急工作状态一直持续到7月23日。从这次实际预报服务来看,5天的预报非常重要,有可能为应急对策与实施赢得时间。

    在当前科学认识水平、技术环境、防灾经验的积累等背景下,气象部门和各级应急部门为“21·7”极端暴雨过程的防灾减灾工作作出了巨大贡献。为此,组织天气预报业务中相关领域的专家进行研讨,各抒己见,求同存异,对“75·8”和“21·7”大暴雨的预报服务进行探讨,了解今后应努力的目标与方向。

    同一地区历经同样的特大暴雨,预报服务和应急处置却明显不同

    (一)同一地区的特大暴雨

    1975年8月48日,河南以驻马店为中心的广大地区发生了历史上罕见的特大暴雨洪涝灾害。泌阳林庄5天降雨量达1631.0mm,日降雨量达1005.4mm,6h降雨量为830.1mm,泌阳老君庙小时雨量为189.5mm,日雨量创中国大陆之最(图1、2)。

    图1:1975年8月4日08时至8日08时河南及周边地区累计降水量
    图2:“21·7”“75·8”暴雨不同时段最大点雨量对比

    46年后的2021年7月17日至22日,在河南省也出现了历史罕见的极端强降雨事件,大部分地区出现暴雨或大暴雨,郑州、焦作、新乡、洛阳、南阳、平顶山、济源、安阳、鹤壁和许昌等地出现特大暴雨,强降雨中心位于郑州、新乡、鹤壁和安阳(图3),最强降雨时段在1921日。

    两次过程呈现出以下相同特点:(1)降雨极端性突出,“75·8”暴雨突破日降水极值,“21·7”暴雨中1/6站点日降雨量突破历史纪录,郑州小时雨强创造中国大陆小时降雨量气象纪录(图4)。(2)持续时间长,累计雨量大,多地一次天气过程超年平均降水量,“75·8”中的林庄5天累计雨量为1631.0mm,“21·7”中的鹤壁6天累计雨量为1122.6mm。

    图3:2021年7月17日08时至23日08时河南及周边地区累计降水量
    图4:郑州国家气象观测站2021年7月17-22日逐小时降水量

    (二)两次大暴雨的严重影响

    根据我们能获取的资料和政府门户网站的信息发现:“75·8”特大暴雨引发淮河上游大洪水,数十座水库漫顶垮坝,73.3万公顷农田受到毁灭性的灾害,1100万人受灾,超过2.6万人死亡,经济损失近百亿元(灾害的连锁性,给交通等部门带来重大影响)。4座大中型水库、58座小型水库引发局地灭顶之灾,2.6万人葬身洪流。板桥、石漫滩两座大型水库在8日凌晨漫坝失事。竹沟、田岗两座中型水库及58座小型水库也垮坝失事。老王坡、泥河洼滞洪区亦先后漫决。沙、澧河洪水窜流至汝河,驻马店地区大小河道普遍漫溢决口,南阳地区唐河下游堤防漫决。

    受“21·7”极端持续强降雨影响,河南中西部和北部出现大范围城市内涝、农田积涝;多座大中型水库超汛限水位,个别水库、河段出现险情。此外,公路、铁路、民航交通受到严重影响。河南境内高速公路多个路段封闭。郑州至洛阳区间的铁路由于水漫线路、路基坍塌、设备淹水等情况,列车无法通行;途经郑州地区的京广高铁、徐兰高铁、京广铁路、陇海铁路、焦柳铁路和宁西铁路等线路的运输均不同程度受到影响;郑州东站160余趟列车停运,造成大量旅客滞留,郑州地铁全线暂停运营服务。机场大面积航班延误、多架次航班被取消。

    据河南省农情调度统计,截至22日17时,全省农作物积水面积为71.0万公顷,其中新乡的为18.9万公顷、周口的为11.8万公顷、开封的为0.9万公顷、安阳的为0.7万公顷。由于当时河南最主要的秋收作物夏玉米刚进入拔节期,植株高度较低,此次强降雨造成玉米倒伏程度较轻,以植株倾斜为主,未出现大面积根倒或茎折;但部分地块被雨水冲刷,出现土壤脱肥现象,对秋收作物后期生长不利。据22日应急部门初步统计,全省秋收作物受灾面积为55.5万公顷,约占总播种面积的6.4%。由于统计时周口、新乡等地的洪水尚未消退,预计受灾面积还会有所增大,将对全省粮食生产有一定影响。值得欣慰的是2021年河南省粮食虽然有减产,但仍在全国主粮区中排名第二,为中国人民把饭碗端在自己手中作出了贡献。

    “21·7”除了山洪等自然灾害外,由于城镇化发展,加大山洪入城的风险,造成城市内涝灾害比较突出,加上城市生命线工程承灾能力不足和城市洪涝风险的连锁性、突变性和传递性,造成重大人员伤亡和财产损失。“75·8”主要是流域性的洪水,诱发水库漫顶垮坝,造成毁灭性的灾害。

    (三)不同的预报服务和应急

    “75·8”特大暴雨期间,由于缺少基本大气观测信息(卫星、雷达观测等),预报手段差,预报结论欠佳,防控服务无对策,通信手段几乎没有。正是这次巨大的气象灾害,叶笃正、谢义炳和邹竞蒙等领导作出要开展大气监测网的建设和深入的暴雨科学研究,并在中央气象台建立数值预报业务系统等科学和正确的决定。

    “21·7”极端暴雨过程中,中国气象局16日19时启动重大气象灾害(暴雨)Ⅲ级应急响应;21日08时提升为Ⅱ级;中央气象台发布暴雨黄色预警12期、橙色预警5期。河南省气象局16日10时启动暴雨Ⅳ级应急响应,16日20时升级为Ⅲ级,20日06时升级为Ⅱ级,21日02:58再度升级为Ⅰ级。7月17日至8月2日,河南省气象部门共发布暴雨预警信号1095条,其中暴雨红色预警信号291条;郑州自19日19:13发布暴雨橙色预警信号,从21:59开始,升级为暴雨红色预警信号,共发布17条暴雨红色、橙色预警信号。河南省预警短信接收总人次达2.39亿人次,向2.25万名应急责任人发送预警信息76万条。

    “21·7”极端暴雨过程期间,气象部门及时向政府及有关部门报送预报信息,并和相关部门联合发布山洪、地质灾害风险预报。中国气象局在16日向中共中央办公厅、国务院办公厅和相关部委报送的《重大气象专报》中指出,“河南等地有大暴雨,局地特大暴雨,致灾风险高”,随后滚动报送18期决策气象服务材料。河南省气象局在15日报送的《重要天气报告》中指出,“我省北部和中东部有暴雨、大暴雨,局部特大暴雨,累积降水量局地可达500毫米,需加强防范”,之后滚动发布《重要气象信息》《气象信息快报》等决策服务材料,开展联合会商,并联合水利厅、自然资源厅发布山洪、地质灾害气象风险预警预报,对省防汛办、省应急厅、省地质环境总站等部门和单位开展了“叫应”服务。

    ▍基于数值天气预报结合预报员智慧的“21·7”大暴雨预报

    (一)5天以内的数值天气预报在“21·7”大暴雨预报中起到了重要作用

    数值预报在“21·7”大暴雨预报中起到了极其重要的作用,欧洲中期数值预报模式(ECMWF)和中国气象局全球数值预报模式(CMA-GFS)都提前5天作出了河南暴雨过程的预报,为预报员提前5天预报河南暴雨过程提供了关键性的参考依据。

    如对河南20日08时至21日08时最强降水日的预报分析:从7月15日开始至7月20日,ECMWF和CMA-GFS模式都对该暴雨过程作出了较为准确的过程预报。图5为对7月20日08时至21日08时ECMWF模式、CMA-GFS模式和日本JMA全球模式的降水TS评分。三个全球预报模式对7月20日08时至7月21日08时降水预报的极值都未超过200mm,其特大暴雨的预报评分均为零,说明全球模式对特大暴雨的极值预报尚有很大难度,还有提升的空间。预报员可发挥智慧在过程预报的基础上作一些弥补。

    图5:2021年7月20日08时至21日08时ECMWF、CMA-GFS和JMA全球模式的降水TS评分

    (二)在全球模式基础上区域中尺度模式在降水落区和量级上的精细化预报中发挥重要作用

    前面的分析已经指出,全球模式虽然提前5天已经作出了暴雨过程的预报,但降水量极值明显偏小。

    这次河南极端降水过程主要发生在7月17日至22日,为从降水落区和量级上精细化检验评估各模式对这次极端降水过程的预报效果,从中国气象科学研究院区域高分辨率检验评估平台分别制作了河南逐3h阈值≥25mm和≥50mm的降水检验图(图6)。由图6可知,区域中尺度模式在降水落区和量级的精细化预报明显优于全球模式的预报,其中CMA-MESO-3km模式预报效果最佳。

    图6:2021年7月17日至22日河南逐3h降水数值模式预报检验
    (a)检验阈值≥25mm,(b)检验阈值≥50mm;
    起报时间为2021年7月17日至22日逐日08时;
    命中率越大,漏报越少,成功率越大,空报越少

    本文重点分析了区域中尺度CMA-MESO模式对最强降水日20日08时至21日08时降水预报结果。为此制作了24h、08至14时和14至20时的6h累计降水观测和预报图(图7),其中降水观测取自国家信息中心提供的0.05°×0.05°的格点降水资料。由图7可见,中尺度模式较好地预报了这次极端降水过程,但降水极值中心位置存在偏西和偏北的现象。在突发局地暴雨预报方面,除了要争取准确,还要做到精细,这样更有利于决策的制定。

    图7:河南及周边地区2021年7月20日08时至21日08时
    24h(a、b)、08至14时6h(c、d)和14至20时6h(e、f)累计降水观测和预报图
    (a)(c)(e)为观测,(b)(d)(f)为预报;
    五角星为降水极值中心位置,方框为郑州大致范围

    通过以上分析可以认为,全球模式可以提前45天预报出此次过程,区域中尺度模式在12天内的预报明显优于全球模式,但其预报的降水极值中心位置存在偏西和偏北的现象。

    (三)数值预报对“21·7”大暴雨预报的不足

    数值天气预报虽然存在不足,但仍然是当前天气预报的主要科技手段。数值天气预报的改进是需要过程的,在现有模式预报能力的基础上,预报员如何智慧地运用数值预报结果也是需要不断探索的。2.4数值预报和预报员的智慧在“21·7”大暴雨预报与服务中起到了决定性的作用

    对于“21·7”的暴雨过程预报,数值模式的参考性好,可预报性高,为暴雨过程累计雨量预报提供了较好的参考。并预报出了低涡、热带扰动和偏强、偏北的日本海高压和大陆高压等暴雨过程的主要影响系统。但对低涡和烟花台风移动路径预报偏差大,对暴雨中心落区和量级预报偏差大,可预报性低,模式对特大暴雨和极端雨强没有预报能力。而从7月15日开始,中央气象台首席预报员基于多家集合预报和确定性数值模式预报产品关注到此次暴雨过程,在早间会商明确指出华北等地16日夜间19日将有暴雨、局地大暴雨天气,并在7月16至22日期间一直保持与河南省气象台的会商,做出各种时效的预报,为正确决策提供了较好的科学依据。

    目前我国定量降水预报业务建立了以数值天气预报模式为基础、融合多元高时空分辨率观测及智能网格等数值模式后处理产品,预报员基于对暴雨机理的掌握,在各家数值模式产品、客观产品性能优势和偏差特征的认识基础上,结合最新实况、处理海量数据,制作并发布最终的国家级定量降水预报指导产品。在对该次极端暴雨的预报中,5天预报清晰地指出暴雨过程,短时临近预报较准确地把握了极端降水的量级和落区,体现了预报员在业务流程中的积极作用。

    ▍数值天气预报在业务中的核心地位及发展历程

    (一)发展数值天气预报是国家经济发展对气象保障的主流需求

    数值天气预报是从大气内部规律中表述天气、气候变化的,因此在天气预报业务中应不断加强研究,这对改善和提高天气、气候预报业务是非常重要的。这个科学思想必须牢固树立。河南“75·8暴雨教训引发预报现代化必须走数值天气预报业务道路的共识,确立了数值天气预报是作好气象预报预警的核心和关键技术。

    为此,叶笃正、谢义炳和邹竞蒙等国家计委气象组专家做出了以下决定:在气象业务部门建立业务数值预报系统,数值预报科研人员集中统一调配,要有一个正确的科学发展思路。随后中国气象局为此争取了国家科委的“中期数值天气预报重点攻关项目和国家计委的“扩建北京区域气象中心(建立中期数值天气预报)”工程建设项目。科技攻关项目是工程建设的先导,工程的建设是科研攻关的落脚点。

    (二)前20年中国业务数值天气预报的引进、吸收、使用过程

    国家气象中心1978年开始研发亚欧区域短期天气业务预报系统,格距为540km,简称为A模式;并在1980年开始发布48h形势预报,标志着我国数值预报进入业务实时应用阶段。“六五”期间,国家气象中心、中科院大气物理研究所和北京大学组成联合数值预报研究团队,由王世平、朱抱真、陈受钧等人组成的专家组研制了北半球(格距为381.0km)和亚洲区域模式系统(格距为191.5km),简称为B模式,初步实现了天气预报由定性到定量、主观到客观的转化。

    从社会服务实践中发现,3天以内的短期预报已不能满足社会需求。于是中国气象局党组要求建立中期(10天)数值天气预报系统,开展中小尺度数值天气预报和相应的台风、暴雨、沙尘数值天气预报,以及延伸期预报、集合预报等。

    根据当时国内条件,确定我国以建立数值预报业务为主要发展方向,采取“引进、吸收、使用、提高、再创新”的技术路线,在20世纪90年代初建立起我国全球中期天气预报业务系统和有限区域短期数值预报业务系统,使我国跻身于国际上少数能发布中期数值预报的国家行列。该系统包括T63、T106、T213和T639系列全球中期数值预报模式系统。其中,从2007年开始业务化的全球模式T639在空间分辨率、初始场同化技术、台风Bogus技术、产品丰富性等方面都较之前的T213有长足进步,有力地保障了暴雨预报业务的发展。在此期间还研发了中国气象局第一代预报业务系统软件MI-CAPS(气象信息综合分析处理系统),为预报人员快速应用天气观测及预报数据、掌握三维大气结构及大气运动趋势、形成预报结论起到了非常重要的平台支撑作用。

    20世纪80年代、90年代要解决的难题之一是计算机条件。没有好的计算条件,数值天气预报业务系统是建立不起来的。当时西方发达国家以计算机卡社会主义国家的脖子,中国在运用国产高性能计算机的基础上,又打破封锁,买到了国外最先进的巨型机系列Cray、Cyber超算机,为建立业务数值天气预报系统奠定了硬件基础。业务数值天气预报实质上是多学科、多种技术融合的产品,是大气科学工程化的一个典型。

    (三)后20年中国业务数值天气预报的提高和创新性发展

    从2001年开始,中国气象局组织建立数值天气预报创新基地,开始自主开发建立新一代多尺度通用的全球/区域同化与数值预报系统GRAPES。

    GRAPES模式采用格点非静力数值预报模式,能有效解决分辨率不断提高带来的计算瓶颈问题,适应未来高分辨率数值预报的需要。GRAPES模式系统考虑了我国复杂地形和季风气候背景,如华南丘陵地带、横断山脉、四川盆地等中国的特殊性,其精细化设计考虑了更多的中国特色,有别于欧洲中心和其他国家的数值模式系统,中国数值预报水平不断提高。

    GRAPES模式有两个系列的应用版本:CMA-GFS(中国气象局全球数值预报模式)和CMA-Meso(区域中尺度模式)。该模式系统包含有全球四维变分同化系统和区域公里分辨率快速更新三维变化同化系统,实现了我国风云卫星系列与国际主要气象卫星资料的四维同化,卫星资料应用占比已达70%。2006年,GRAPES区域中尺度系统开始业务运行。2015年,GRAPES全球、集合数值预报系统投入业务运行。现在GRAPES系统已经在亚太台风预报、雾霾和沙尘预报、污染扩散应急响应等系统中得到了全面应用。后20年是中国数值预报创新性发展的20年,是中国自主研发的数值预报系统全面业务应用和不断提高的20年,是培养和造就具有强劲自我独立发展能力的数值预报研究队伍的20年。

    (四)独立自主研发具有创新性和不被“卡脖子”的数值预报业务体系

    从中国数值预报的发展历程可以看出,引进和吸收国外的模式,在数值预报发展的前期能够较快建立业务数值预报系统,但由于欧洲中心等数值预报的核心技术往往是封锁的,如ECMWF的同化系统和模式的最新版本,因此“引进”又制约了我国数值预报更快的发展。从社会需求和业务运行中发现的问题,明确了进一步的发展思路,即迫切需要研发中国自主创新和不被“卡脖子”的业务体系,建立一支独立自主的研发队伍。

    ▍2015年以来极端降水基础科学研究的发展

    (一)全球变暖背景下有关极端降水的天气和气候研究成为热点

    过去一个世纪持续的全球变暖和城市化已经导致所有季风地区极端降雨事件的强度和频率显著上升。近年来极端降水统计研究揭示了华北、西南和华南是我国主要的强降水区,其时空分布和相关的天气系统也被揭示,全球变暖背景下极端降水的变化及其机制也成为研究的一个热点。然而在区域尺度上,大尺度环流仍然是不确定性来源之一,当前气候模式模拟极端降水的不确定性大,仍是科学研究中的难点。极端降水产生于有利的大尺度环流背景下。

    近年来也有通过聚类和合成分析揭示我国不同地区极端降水的大气环流特征及其年际变化,如与华北极端降水有关的大尺度环流、产生华北持续性极端暴雨的经向、纬向和减弱的登陆台风三种环流型;也有研究分析了华北极端降水年际和年代际变化有关的太平洋年代际震荡等。以上研究从大尺度环流方面丰富了对极端降水的关键动力过程的认识。

    (二)更高时空分辨率的观测研究推进极端降水的中尺度机制认识

    2015年以来随着我国气象观测布网的进一步发展和多源观测融合技术引进,对于极端降水观测、对流发生发展机制的研究得到了进一步发展,具体包括随着双偏振雷达和雨滴谱等观测的发展,在华北夏季极端降水、华南前汛期极端降水和梅雨锋强降水的锋面对流观测方面也取得一定进展,如北京“7·21”和广州“5·7”极端降水的锋面对流回波结构研究均表明锋面附近强降水对流系统呈现低质心的结构。2014年7月1114日梅雨锋锋面附近对流同样呈现线状对流和沿锋面的对流单体分布,对流发展高度高,回波强度强。

    通过多次机载观测,揭示了华北层积混合云中的积云中存在的播种供给机制,并发现云水丰富、上升气流强的层云可以发展为积云,同时对对流泡的尺度、上升强度均作了观测。通过雷达和地面高时空分辨率自动站等常规非常规观测资料,揭示了梅雨锋对流触发和维持的机制、产生极端降水的对流的触发和组织过程等,进一步认识了直接产生极端降水的中尺度对流的云物理和动力过程。

    (三)极端降水的影响研究有助于推进极端降水带来的洪水内涝等风险防控

    我国已有研究表明,珠江三角洲和长江三角洲的极端小时雨强的增加和快速城市化之间可能存在联系,而城市热岛效应可能对极端小时雨强的增强有作用。除了城市热岛,污染物导致的凝结核增强和微地形阻碍也有可能使城市降雨强度和频率高于郊区的频率和强度。对于极端降水的影响研究表明,从1961年到2017年中国许多地方的洪水风险都有所增加,随着城市化进程和全球变暖,全球暴露于洪水风险中的人口在增加。

    同时,我国暴露于极端降水事件影响区域内的人口和国内生产总值均呈显著增大趋势。而城市化和人类活动引起的下垫面变化等因素导致的城市洪涝问题越来越突出。因而全球变暖背景下,快速城市化进程中在城市规划、基础设施建设中需要充分考虑城市突发极端降水的影响,同时要建立城市洪涝应急预案,提升城市抗灾减灾能力。

    (四)直面可预报性的挑战

    随着雷达、卫星等多种常规和非常规的高时空分辨率观测和中尺度数值模式的发展,对可以产生极端降水的强对流风暴可预报性的研究也逐渐增多。研究表明,强对流风暴时空尺度小,受到初始扰动、湿对流过程、复杂地形等多因素影响,可预报性时效较短。相对而言,数值模式对其大尺度环境条件可预报性相对较高,而对对流触发、位置、结构、演变预报不确定性十分大,是预报中的难点。目前国外在野外观测实验、可预报性研究和目标观测方面均取得一些有意义的进展,由于我国雨带推进受季风影响,地势复杂,极端降水频发,极端暴雨的可预报性研究也需要系统的开展。

    ▍从“75·8”到“21·7”的思考

    同一地区历经的两次极端暴雨过程的预报服务和应急处置等方面的明显不同,给我们提出了诸多可以思考的问题。

    (一)预报服务和应急决策的思考和建议

    (1)“21·7”极端暴雨预报服务的成功经验表明,预报业务流程和组织方式会对防控突发灾害起到作用,以大气环流为背景,做好月预报、延伸期预报、着重关注中期预报特别是5天以内的预报、短时临近预报及有针对性的动态风险评估是当前预报服务的重点工作,也是预报员基于业务数值天气预报并发挥其智慧可以做到的工作。

    (2)对突发的自然灾害预警在于科学的研判,不作无用的表面化的工作,不把精力放在是否是千年、百年一遇及不可检验和无实际应用价值等方面的工作,科学研究必须要有明确目的,要为以后的监测、预报、预警、服务和决策等起到提高促进作用,还要区分长远性和急需性。

    (3)对灾害预警程度不应有过度的要求,不能不加分析地指责预报量级及落区不准等,要看到大气变化规律的复杂性和纳入预报方案的困难性。依据集合预报等数值预报产品,拓展思路,分析灾害天气极端的可能性。

    (4)进一步提高次生灾害高风险区预判能力。在强降雨致灾决策气象服务中,需进一步提高强降雨实况和强降雨预报落区叠加效应致灾的敏感性,提高次生灾害高风险区预判能力和决策气象服务效率。

    (5)开展风险区划工作,是极端天气预报、预警的背景,但更重要的是要结合中国特色的气象需求,特别在基层乡村的防灾减灾和人民生命财产的保护和建设中的高速发展、人口的迁移等社会背景及受灾体变化等开展动态的风险评估工作,提高灾害影响预估研发能力,为决策提供支撑。

    (6)建设完整的监测系统,开展及时准确的预报预警工作,并开展灵活有针对性的服务和快速制定有效措施,建立统一指挥的防控体系。

    (7)大气规律的认识需要很长的时间,不可能立刻解决现有的不足。因此发挥基层气象业务部门的预报员的智慧更为需要。数值预报的发展,结合预报员对局地地形及天气特点的认识和智慧应用会有更好的效益,使中国式的气象服务落实到乡镇,应急做到基层。

    (二)预报技术的思考和建议

    (1)极端降水预报一直是业务降水预报的难点。有针对性提升全球和区域业务数值预报模式对极端强降水的预报能力,发展中尺度集合预报系统,加强中尺度模式及其集合系统的检验评估和应用,研发相应的后处理技术,进一步提升其预报准确率。

    (2)分析业务数值预报模式的偏差原因,加强对集合预报产品的分析和应用,开展集合敏感性试验和聚类分析等,发展极端强降水“集合异常预报法”,建立基于异常度的极端强降水集合概率预报,提高对极端强降水的预报能力,包括提前预警能力和预报准确率等。

    (3)发挥预报员的智慧,在极端强降水成因分析基础上,既要注重对关键天气尺度系统、动力条件、水汽条件等异常特征的分析,也特别需要加强对地形增幅作用及中尺度对流系统发生发展规律的分析。

    (4)发展不同区域持续性和短历时极端强降水物理概念模型和诊断分析技术,充分利用大数据和人工智能等技术,研发基于可预报性的极端强降水客观预报技术。

    转自《气象与环境科学》2021年第2期

  • 朱利平:大数据面前,统计学的价值在哪里[节]

    01 统计学对大数据的意义

    在讲大数据之前,我们首先来看看什么是数据。……凡是可以被数据化的信息载体,我们都可以认为是数据。
    比如说,我们接触的文本,包括平时看到的一些文字,现在我们都可以把它量化。我们看到的图片、视频和音频,现在也都可以量化。包括阿拉伯数字、文本、图片、视频和音频,我们都称之为数据。
    现在我们理解的数据,从来源上来说更加广泛了,从类型上说变得很复杂了。这些不同来源、类型复杂的数据组合在一起,达到一定的体量之后,就可以认为是一个大数据了。

    ……统计学是什么呢?……大不列颠百科全书对统计学有个定义,说这是一门收集数据、分析数据的科学和艺术。定义中提到统计学是一门科学,这个容易理解。那为什么说统计学是一门艺术呢?这个问题,就和我今天主要回答的一个问题很有关系。顺便说一句,现在美国很多高校的统计系,它并不设在理学院下面,而是设在艺术学院下面。

    下面,我主要回答一个问题:在大数据时代,我们究竟是否需要基于抽样的统计学?
    有些人认为,现在计算机科学非常发达,可以收集海量的数据。为了特定的研究目的,我们现在甚至有能力通过计算机技术收集与特定的研究目的相关的全部数据。今天,基于抽样的统计学就没有那么重要了,甚至都不在被需要了。事实真的是这样吗?

    02 统计学是一门收集数据的艺术

    既然统计学被认为是一门收集数据、分析数据的科学和艺术。我们暂时不谈科学,先来看看统计学为什么被认为是一门收集数据的艺术。

    我们来看第一个案例。这个案例是希望调查15个国家的国民的诚实情况。调查人员想要知道,哪些国家的国民最倾向于撒谎,哪些国家的国民很诚实。
    如果直接去问被调查的人员:“您是否撒过谎?”十之八九,是问不到真实答案的。如果被调查人员以前撒过谎,也不在乎多撒这个谎了。被调查人员可能出于不同的动机,不愿意给出真实答案。
    那么,调查数据怎么得来呢?这显然不是简单地通过计算机技术、通过某些爬虫软件就容易收集到适合研究目的相关数据的。
    如何利用统计学方法来收集数据呢?这就需要统计学的智慧了。调查人员设计了两组实验。
    调查人员先从每一个国家找1000人参与测试,15个国家一共找了15000人,找这么多不同国家的人来面对面调查,这是非常困难的,所以调查人员通过互联网找到了这15个国家共计15000人。两组实验都是在互联网上进行的。
    在第一组中,他们先做了一个测试,请受调查者在家里抛硬币,硬币有正反两面,调查者事先规定,受调查者抛硬币之后要告诉我结果,如果硬币正面朝上,我就奖励你十块钱,如果反面朝上,我就不给你奖励。这个调查不需要提供你抛硬币的证据,只是由你告诉调查者,抛硬币的结果。这也就是说,受调查者有没有撒谎,只有他自己知道。这个最后的结果,实际上调查者是有参照的。因为,每个国家有1000人参与测试。正常情况下,1000次抛硬币的结果,应该是500次左右正面朝上。某个国家参与实验的1000个人之中,如果有900个人声称自己抛出来的硬币正面朝上,甚至1000人声称抛出来硬币正面朝上。那么,很大概率就是其中有人撒谎了。这是第一组实验。
    第一组的实验有价值,但是它也不一定能够全面反映真实的情况,所以调查人员还有第二组实验。
    第二组实验,是要求受调查者回答五个问题。这五个问题在回答之前,需要受调查者承诺,他不能为了答题去查阅任何资料,不能去寻求任何帮助,也就是说,看了这五个问题之后,受调查者需要立即给出答案。
    调查者承诺,如果五个问题中,回答对了四个以上,就奖励给受访者十块钱,如果答对三个或者三个以下,就没有奖励。
    而这五个问题中,其中有三个问题特别简单,类似于像1+1等于几这种问题。另外两个问题则非常生僻。如果受调查者不去查阅资料或咨询他人的话,基本是不太可能回答出来的。
    因此,如果有受调查者答对了这两道难题,十有八九就说明他违反了自己事先承诺的“不去查阅资料寻求帮助”,由此可以推论他在这件事情上不诚实。
    然后统计人员通过这两组实验结果,互相验证。这两组数据收集的过程都非常恰当地体现了统计学在收集数据方面的智慧。
    所以说,即使在大数据时代,不是说有了计算机,有了爬虫技术,我们就能收集到适合研究目的的所有数据。统计学是一个收集数据的艺术,针对特定的研究目的,设计非常漂亮的数据收集方案,就是一个非常艺术的收集数据的过程了。

    我们再举一个例子。这是最近美国麻省理工刚刚完成的一个实验,大致在2018年左右完成的,实验结果也公布出来了,目的是想了解大家目前的婚姻观念,100人受到邀请来到一个封闭的场所参与这个实验。
    参加实验时,每人都会被贴上一个编号。男的编号是单数一三五七九,女的编号是双数二四六八十,以此类推。参与实验的这100人不知道自己的编号,也不知道究竟有多少人参加了这次实验。换句话说,他们不知道参加这次实验的正好是50个男人和50个女人,受访者仅仅知道,这次实验有很多人参加。
    在这里统计人员采取了一点小花招,就是当受访者进门的时候,把编号贴在受访者后背上,受访者知道自己有编号,但是不知道自己的编号是多少,不过他能够看到别人后背上的编号。实验规则说,允许100人中的任何两个人进行交谈,除了不能告诉对方他的后背编号是多少,其他话题都可以谈。
    然后实验者把这100人带到一个很小的一个房间里,宣布给大家5分钟时间,在这5分钟内,大家自行配对,每人只能配一名异性。5分钟结束之后,如果配对成功了,两个人背后的数字加起来乘以十,就是两人能够拿到的奖金。
    也就是说,如果编号是100的那个女性找到了那个编号为99的男性,那么两人就可以拿到(100+99)×10的奖金,也就是1990美元,这笔钱已经很可观了。但是如果你是一个编号为2的女性,而你找到的是那个编号为1的男性,那么你俩只能得到(1+2)×10也就是30美元,你俩用这奖金一起吃顿饭都不一定够。但是5分钟之后,如果还没有配对成功的话,你就连一美分都拿不到。
    因此,参加者必须在5分钟之内,在一个很小的拥挤空间内,尽快找到愿意跟自己配对的那个人。而且在这个过程中,要尽可能让自己的奖金数额变得很大。
    实验人员之所以把100人故意安排在非常拥挤的小房间内,就是考虑到,一方面要让大家能够很快速地看到一些人的编号,另一方面又能保证一个人不可能看到所有人的编号。在人挤人的情况下,有些编号是肯定看不到的。实验开始了。
    一些人很快就发现,自己连续跟别人配对三四次,大家都拒绝他。这很可能说明,自己后背的编号数字不够大,别人不感兴趣。
    于是这其中就有人采取了应对策略,他跟别人讲,如果你愿意跟我配对的话,那我愿意把奖金全部给你,反正我数字也不大,所以我的钱不要了。还有人说,只要你这次跟我配对成功了,我们出去以后,我再单独请你吃顿饭。
    另外还有一些人,虽然他不知道自己后背的编号,但是他发现有很多人过来找他,所以他很快就意识到,自己后背的编号很可能很大,但具体多大,他并不知道。而且要尽可能让两个人组合出来的数字变得很大。
    于是他很快就把眼前这批他能看到数字的人拒绝掉了,因为他理所当然地认为接下来肯定还有更大的编号,但是他并不知道最大的编号是多少,同时他还必须要在5分钟内快速决定跟谁配对。
    这个实验的结果是,编号99的男性并没有与编号100的女性配对成功。那位编号100的女性,找到的是编号八十几的一位男性。那些数字在中间的人,大体都配对了跟自己差不多的另一个人。

    这我们现在来看这个实验的结果,它基本上跟中国男女婚姻观念的现实比较类似。比如说,实验者因为自己编号小,就让渡自己的奖金给对方甚至于承诺事后请对方吃饭,以求得成功配对,这个跟现实中“我的个人条件差一些,但是我父母同意我们两个结婚之后送给我们一套房子”的承诺是类似的。
    而且我们在生活中也发现,一些最优秀的男性女性,他们身边不乏追求者,但是他们并没有找到自己的“最佳匹配对象”。
    这个数据的收集过程也是非常漂亮的。

    03 数据并不是越多越好

    统计本身是一门收集数据的科学,但是数据是不是越多越好呢?很难说。

    历史上有一个非常有名的例子。大约500年之前,丹麦有一个天文学家叫第谷,他从当时的丹麦国王那里要了一笔钱,建了一个实验室。第谷天天去观察每颗行星的运动轨迹,并且每天记录下来。于是第谷观察了20年,记录了大量的数据。不过,这个数据太多了,第谷花了大量时间、精力来分析这个数据,但没有发现任何规律。
    这时候,一个叫开普勒的人出现了。开普勒认为,第谷每天去观测,一年365天每一颗行星都会有365个数据,这样20年观测记录积累下来,要分析处理的数据就太多了,而且那个时候的数据分析只能依靠手工计算,这个处理工作量实在太大了。
    于是开普勒就说,能不能每年只给我一个数据,比如说你可以只告诉我每年的1月1日,地球在什么位置,土星在什么位置,太阳在什么位置等等。这样20年的观测数据筛选之后,每一颗行星的数据就只有20个了。开普勒知道,地球每隔365天会回到同一个位置,然后他把地球的位置固定,再分析其他行星跟地球的相对位置。
    开普勒通过固定地球的位置,对其他行星位置20年的数据进行分析,就成功得到了其他行星的运行轨迹。此后开普勒就发现,如果地球位置不变的话,那么其他行星的20年运行轨迹画出来之后,这些行星都是围着太阳运转,运行轨迹都是椭圆形的。由此开普勒发现了行星运动的规律。
    从这个天文学上的著名案例,我们可以看出来,数据太多可能会导致信息量变得巨大,反而增加寻找到规律的难度。从而需要通过科学的方法简化数据。

    关于这方面的案例还有不少。比如说美国总统富兰克林·罗斯福,他是美国历史上唯一一位连任四届的总统。1932年的时候他第一次当总统,当时美国和许多国家正在遭受经济危机,罗斯福面临的压力也很大。
    因此到了1936年罗斯福想竞选自己的第二任总统的时候,美国许多人预测罗斯福很难连任。那一次,罗斯福的主要竞选对手是兰登。当时就有两个机构在预测总统选举结果,其中一个是《文学文摘》杂志,它在当时是一个非常有影响力的刊物,因为这个杂志此前几次对总统选举结果的预测都成功了。
    到了1936年美国总统选举的时候,文学文摘搞了一个大的调查统计,它调查了240万人。具体方式就是在杂志里面夹上关于总统选举的调查问卷,然后收集反馈。其实当时文学文摘调查的还不止240万人,还要更多,只不过最后收回来的有效问卷是240万份。正是根据这个调查结果,文学文摘宣布他们预测兰登将战胜罗斯福赢得大选。
    而当时还有一个机构,准确地说是一个年轻人,叫盖洛普,他的预测结果跟文学文摘的预测正好相反。起初盖洛普做这类调查统计,是因为他的母亲要竞选众议员,他是给他母亲帮忙,于是就在经费不多的情况下做了对较小人群的相关调查,然后这个调查结果很成功,他母亲当上了众议员。
    接下来他就想调查一下,罗斯福和兰登谁会赢得1936年竞选。但是他比不了文学文摘的财大气粗,所以他只调查了5000个人,根据这5000人的调查结果,盖洛普预测罗斯福当选。
    结果罗斯福果然成功连任总统,盖洛普的预测胜利了。
    这个选举结果出来之后,对《文学文摘》杂志的声誉造成了巨大的冲击:毕竟文学文摘调查了240万人,最后却发布了一个错误的预测,而盖洛普只调查了5000人,发布的预测却是正确的。结果,文学文摘因为这个事情后来就关门倒闭了。而那个年轻人盖洛普,就此成立了一个民意调查公司,也就是现在的盖洛普咨询公司。
    这是事情的结果。那么为什么调查了5000人的预测,要比调查240万人的结果更准确呢?我们先不说240万这种海量数据,它在规模变大以后会带来计算效率的下降,我们也不提这类海量收集数据会导致成本居高不下的问题。
    根本的原因,是当时文学文摘通过杂志夹带问卷进行调查的这种方式。因为当初问卷是夹在杂志中发放的,所以文学文摘收集来的240万份有效问卷,实际面对的都是订阅了这份期刊的用户。
    那么,当时什么样的家庭会订阅这样的杂志呢?一般来说都是家境比较好的家庭,所以,文学文摘虽然号称调查了240万人之多,但是它调查的主要群体,是当时美国国内相对而言有钱的那部分人。而穷人群体的意见,它这个调查实际并没有覆盖到。
    数据的量多不一定就代表准确,收集来的数据质量好、有代表性,才有可能分析出准确的结果。

    04 统计学是一门分析数据的艺术

    前面举了一些例子,提醒我们需要非常小心地设计方案收集数据。数据收集上来之后,我们还要做数据分析。按照前面大不列颠百科全书的说法,统计学同样是一门分析数据的艺术。

    讲到数据分析,在这里我只讲两个基本概念:相关与因果。为什么讲这两个概念呢?这是因为人们常常混淆这两个概念,常常会把相关关系误以为是因果关系。在许多科学研究和政策问题评价中,我们更关心因果关系。但是,当我们看到了某种形式的相关关系后,常常会误以为这就是我们追求的因果关系了。

    比如说,在中世纪的欧洲,很多人相信,虱子对人的健康是有帮助的。这是因为当时人们发现,得病的人身上很少有虱子,而健康人的身上反而是有虱子的。这是长期的观察累积下来,形成的经验。
    在中世纪的欧洲,很长一段时间里人们都根据这个经验,得出这样一个因果推论:这个人身上有虱子,所以他身体健康,那个人身上没虱子,说明他身体不健康。
    当时,人们确实观察到虱子的存在与否跟人是否健康构成了相关关系,但是,这是因果关系吗?
    有了温度计以后,人们就发现了,这不是真正意义上的因果关系:因为虱子对人的体温非常敏感,它只能在一个很小的温度区间范围生存下来。而人体一旦生病的话,很多时候会出现发烧症状。人体一发烧,温度变化,虱子就无法适应发烧时候的热度,于是跑掉了。
    如果我们只停留在观察到健康与否和虱子多寡之间存在关系,那实际只是相关关系,而不是因果关系。与之类似的例子还有很多,比如说,我们看到每年冰淇淋销量增加的同时,各地不幸溺亡的人数也在增加。那么这两件事情是不是构成因果关系呢?
    常识告诉我们,肯定不是。其实是因为每年气温升高之后,游泳的人可能就多了起来了,随之溺亡人数也就相应增加了。而同样是因为气温升高,冰淇淋的销量也会增加。
    也就是说,如果我们观察到一个因素出现了一点点变化,另外一个因素也会随着跟它变化,它们之间可能就有相关关系,但是这种相关关系,并不意味着这两个因素构成因果关系。
    如何判断因果关系呢,这就需要我们非常小心,而且要非常艺术地做数据分析了,我们最终还是要回到统计学上来。

    这里,我们举一个历史上的疾病案例,这就是小儿麻痹症,也就是脊髓灰质炎。现在大家看到的小儿麻痹症病例比较少,因为现在有相应的疫苗。历史上,脊髓灰质炎曾经是一个让人非常害怕的疾病。
    在20世纪50年代,当时美国一所大学的实验室,做出了一种针对这个疾病的疫苗,已经证明它在实验室条件下能够产生有效的抗体。但是他们不知道,如果应用到实际生活中的大规模实验,这个疫苗还会不会有效。
    所以当时美国政府部门就决定要做实验,这个时间大致在1954年。因为当时脊髓灰质炎的患者主要是孩子,所以当时的实验人群定为小学一二三年级的学生。怎么做实验才能够真正说明疫苗是否有效呢?为了确保统计结果最终反映真实的因果关系,当时提出了五套实验方案。

    第一套方案是,因为1953年之前是没有这个疫苗的,所以就从1954年开始,给所有的一二三年级小学生接种疫苗,最后再来看一下,1954年的发病率,跟1953年相比,会不会有差别。
    这个方案是个办法,但是它有问题,因为之前每一年的脊髓灰质炎发病率的差别比较大。比如说1951年全美可能有3万名脊髓灰质炎患者,1952年则有6万名,而1953年又可能缩减到不足4万名。
    这个脊髓灰质炎每年发病率的波动都比较大,万一到时候实验结果是3万名到4万名之间,如何判断这个结果是随机变化的,还是疫苗发生了作用?

    第二个方案则提出要按照地区来做。比如,在纽约地区,就给一二三年级小学生们全部接种疫苗,而在芝加哥地区的就全部不接种疫苗,然后来统计,纽约和芝加哥这两个地区的脊髓灰质炎发病情况。
    这个方案后来发现也不行。因为脊髓灰质炎本身就是传染病,一个地区可能流行这个疾病了,而另外一个地区就可能没流行,那么这两个地区的数据看起来就会有差异,但是这不是疫苗的效果,不具有可比性。

    于是就有人提出了第三个方案。因为当时这个疫苗接种,谁也不知道有没有副作用,因此是有一定风险的。所以这个方案就提出,让接种疫苗的孩子们的父母来自行选择。有的家长选择给孩子接种疫苗,有的就不选择接种,这样同一批孩子就会出现不同的对照。
    但是这么做,也有问题。因为当时人们已经发现,脊髓灰质炎的患者一般来自于家境比较好的家庭。
    这是因为,那些家庭经济状况比较差的家庭,因为生活条件差,卫生条件不好,可能一个人很早就接触过脊髓灰质炎的病毒了,甚至很可能在刚刚出生的时候就接触了脊髓灰质炎的病毒,但是刚出生的婴儿是有母体的免疫力的,婴儿凭借母体的免疫力,接触这个病毒之后能够产生抗体,反而不会得病。
    当时的这类数据情况已经展现了这种现象。如果采用自愿接种的方式,那些经济状况比较好的家庭,往往愿意让自己的小孩去接种,而经济状况不好的家庭由于经费原因,同时也知道自己这个阶层染病率稍微低一些,他可能就不愿意接种了。这样就造成了对实验结果的干扰,你无法判断到底是疫苗有效还是经济原因导致的不同结果。

    然后是第四个方案。有人提出,只让二年级的学生接种,而一年级和三年级学生不接种。之后再比较接种的跟不接种的学生之间的区别,看他们的发病率会不会有差别。这个方案是当时的一个脊髓灰质炎防治委员会提出的方案。
    这个方案同样行不通,第一,它同样无法避开接种孩子家庭贫富差距导致的患病概率差异。第二,脊髓灰质炎是一种传染疾病,人群的年龄是对这种传染有影响的,一、二、三年级的学生年龄层次有差别,可能就会导致各个年级学生得病概率的差异。
    此外这个方案还有第三个重大缺陷,那就是可能会对医生形成心理上的诱导。如果按照这个方案执行下去,医生们就是知道的,一、三年学生没有接种疫苗,而二年级同学中有部分同学接种了疫苗。
    当时脊髓灰质炎的诊断还不太容易,如果医生已经知道了这个疫苗接种方案,而且也提前知道这个疫苗在实验室阶段是管用的,那么医生在面对一年级学生时,一旦这个疾病还无法确诊,那么这个医生就很可能根据“一年级学生没有接种疫苗”“疫苗是有效的”这两个提前的认知,就直接诊断这名一年级学生得了脊髓灰质炎。
    而且这种区别对待的方案,接种的学生本身心理也会受到影响的。
    当时还有第五个方案,也就是最终执行并被采纳了调查结果的方案。这个方案具体来说,就是在征得学生家长同意之后,仍旧会告诉家长:你即使同意接种疫苗,我给你家孩子接种的,也不一定是疫苗,而是一种看起来跟疫苗一模一样的安慰剂,没什么副作用也没有什么效果。
    因为这个安慰剂跟疫苗长得一样,所以医生和学生都不知道到底接种的是疫苗还是普通的安慰剂,但是疫苗提供方是知道的,它对每一个药品都加了编号,因此疫苗提供方知道哪些是安慰剂,哪些是疫苗。
    通过这样的方式,实验室实现了随机的方式接种疫苗,而且无论家境好坏,这个接种疫苗都是随机的。同时医生们也不知道,到底是哪一些小孩接种了疫苗。这就规避了年龄、经济条件等各种扰动,有助于确定脊髓灰质炎与疫苗之间真正的因果关系。
    1954年,这个实验大约有74万名小学生参与。最终的实验结果是,如果接种疫苗,孩子罹患脊髓灰质炎的概率大约是十万分之28,如果不接种疫苗,患病概率大约是十万分之77,二者相差一倍多。之后又经过各种努力,脊髓灰质炎疫苗在美国获得了通过。

    许多科学结论、政策评价都依赖于因果分析而不是相关分析。统计学能够帮助我们证明那些我们所需要的因果关系。很多时候,真正的因果关系,不能简单地建立在相关关系的基础之上。还有很多科学问题,仍需要我们去发现真正的因果关系,这正是统计学可以提供数据收集以及分析方案的地方,也是统计学的魅力所在。

    本文转自《光明日报》

  • 徐一鸿:物理学的十大基础理念[节]

    我想阐述的是物理学的基础理念。我将仅仅探讨那些经过时间的洗礼,被无数经验验证了的观念。因此,我并不会涉及弦论或是量子引力。

    什么是物理学中最重要的基础理念?几乎可以肯定的是,如果要求别的物理学家写下物理学中最重要的十条基础理念,恐怕得到的结果会和我给出的不同——但希望不会差异太大。我只能说,我所总结的这些基础理念得益于我自身对理论物理学习和研究的旅程、我自己接受的教育以及影响我的人。当然,“十”这个数字只是出于人类在地球上演化的偶然,它没有任何特殊的含义。

    1 最不可理解的事是世界竟是可理解的

    这句话出自爱因斯坦。这或许是整个人类有史以来最具有创造性的想法,显然任何杂志的审稿人都会拒绝其发表。只有很少的一批人最早认识到了这一点。但据我所知,大多数的古文明都没有明确地阐述这一想法。

    为什么自然能被人类理解?在一个极其平凡普通的星系、在围绕着一颗毫不起眼的恒星旋转的地球上演化出的人类,到底有什么特殊之处?为什么物理学的定律总是简洁而优美的?如爱因斯坦所说,我们完全可以设想自己生活在一个极端“丑陋”的宇宙里,一个完全随机的宇宙,没有任何现象能够通过思考来理解。或许另一种解释是,最终只有能够被理解的那部分自然才能被我们理解。

    2 物理学定律在任何地点和时间都是一致的

    从诞生第一天起,人就能看到超凡缥缈的月亮悬浮在天空,像潮汐一般盈亏变换。但在数百万年之后,直到牛顿,人类才意识到,月亮事实上在“下坠”。不止如此,下坠的月亮和下坠的苹果一样,由相同的物理学定律所支配。

    物理学的定律是普适的,永恒的。在牛顿之前,人们会分别研究地球物理学和天体物理学,认为地上的领域和天体的领域所遵循的规则可能是不同的。在牛顿之后,天体物理学和宇宙学变成了物理学的一个分支。

    当然,某些长期以来物理学家所认为不言自明的物理规则也可能被认定是错误的。20世纪50年代,物理学家首次在实验上观察到弱相互作用会区分左右,这一发现震惊了物理学界。“物理学定律在任何时间地点都是一致的”这一断言也可能被推翻,但目前为止,支持这一原则的证据是非常显著的。

    3 物理世界是量子的

    有关量子物理,有许多非常熟悉的引言,事实上,我们当中的一些人在当学生时可能说过完全类似的话。对我这一代的物理学家而言,我们秉承了费曼“shut up and calculate”的理念。在以前学习物理时,如果我们问任何有关量子力学的问题,老师都会让我们去计算就好。

    我想谈谈量子物理,特别是贝尔不等式相关的内容。二三十年前我曾试图阅读贝尔所著的书,但里面有很多词语我不理解,阅读有很多障碍。我不倾向于使用“实在”一词,而是用“反事实确定性”来描述经典物理和量子物理的区别:经典物理是反事实确定的,而量子物理不是。

    要理解这一点,假设有一位性格怪异的朋友,因为某些不可知的原因不愿意告诉我们他所拥有的一条围巾的颜色,而是让我们猜。他告诉我们,这条围巾有百分之七十的可能性是蓝色的,而有百分之三十的可能性是红色的。但我们所有人都知道,这条围巾有一个确定的颜色,无论我们是否亲眼看见了它。由于他知道自己围巾的颜色,他所言的概率完全是对这一概念的误用,仅仅是想引诱我们进行猜测所说的花言巧语罢了。这本质上和问别人“猜猜我上个周末干了什么”是一样的:无论是颜色还是周末所干的事,都是确定存在的,这大约就是所谓“实在”的含义。无论我们朋友的围巾是什么颜色的,或者在周末干了什么,这一问题的答案在我们问出这一问题时是不会改变的。这是“反事实确定性”的内涵,也是经典物理学和量子物理学最基本的不同。

    而至于贝尔不等式,它事实上也可以看作是对经典物理学的一个断言。根据法国物理学家米歇尔·勒·贝拉克(Michel Le Bellac)的说法,这一不等式最早源自英国逻辑学家乔治·布尔,反映的是最基本的布尔代数法则。

    因此,理解贝尔不等式并不需要知道量子力学,这是许多人的一个误解。

    4 永恒的场:爱因斯坦的挚爱

    宇宙是由许多不同的量子场交织在一起相互作用涌现而成的,每一个场都影响着别的场如何演化。

    在20世纪20年代的量子力学中,电磁场是一个相对论性的场,但电子仍被当成非相对论性的点粒子。在狄拉克发现了描述电子的相对论性方程之后,约当说服了狄拉克,认为电子也应该被当成一个场来描述——事实上,温伯格(Weinberg)告诉我大部分的物理学教材都把历史弄错了:狄拉克并不是最早提出电子也应当被当成场来处理的人,他一开始甚至有些排斥这一想法。在我看来,这标志着物理学一个重要的分水岭:自此之后,所有的物理对象都由一个场来描述。

    量子场论对许多问题都提供了非常简洁的答案。在我是学生的时候,我不理解为何宇宙中所有的电子都是同一的。宇宙中有巨量的电子,但在非相对论性的量子力学中,电子的同一性只能被当成一个事实来对待,无法进一步解释。理论物理总希望将假定的基本事实变得越少越好,而量子场论对此提供了一个非常简明的答案:这是因为只存在一个电磁场,而所有的电子都只是这一个电磁场的激发而已。

    奥本海默也曾于1966年写到,爱因斯坦“全心全意地认同场的概念……这使得他早在提出广义相对论很久之前就知道,引力必定是由场描述的。”

    5 可畏的对称:充满了对称的宇宙

    宇宙所遵循的基本定律出于某些原因满足许多的对称性。可以说,20世纪的物理学一个重要的主题就是对不断增长的对称性的发掘和欣赏。

    当19世纪的数学家发明了群论时,一部分人曾声明他们终于发明了一个物理学家无法偷走的理论。但显然,那时的数学家无法预测量子力学的发现。量子物理极度依赖群的概念和工具来表述叠加态。经典物理没有叠加性原理,因此它本质上不需要用到群论。

    历史学家和科学哲学家彼得·加里森(Peter Galison)曾给我看了一篇论文。这篇论文由物理学家和科学史学家霍耳顿(Gerald Holton)所写,阐述了一个非常令人震惊的事实:他曾检查过20世纪20年代的物理学百科,而在整本书中只有一处涉及了对称性,是在声明爱因斯坦的度量张量的角标在交换下保持不变。20世纪的物理学几乎只有晶体学在讨论对称性。

    下述历史也很少有人知道。魏格纳(Wigner)将群论引入量子力学的研究影响十分深远。他在柏林获得学位后,回到了他父亲位于匈牙利的皮革工厂。他在那里非常不开心,他曾说如果他的后半生将在为女性制作皮包为男性制作皮鞋中度过,他会疯掉的。因此他询问他的父亲能否回到德国工作。对于物理学的历史来说,完全偶然的是他申请到的工作恰好是一位晶体学家的助手,也是由此,他将群论引入了物理。

    魏格纳曾回忆,薛定谔对他讲过五年之后没有人会再使用群论了。魏格纳将他的困惑告诉了冯·诺伊曼,后者的话语则使他安心:“噢,这些都是老骨头了。五年之后,所有的学生都将学习群论。”显然,冯·诺伊曼说的是对的。我向本科生教授群论课程已经超过十年了,也写过一本群论的教科书。因此,圣巴巴拉分校所有物理系的本科生都应该学过群论。

    20世纪的物理学也因此揭示了自然丰富的内部结构:从SU(2)对称性到SU(3)对称性以及夸克的发现。强子的性质和数量与群表示论的深刻联系已经无法分割,这最终导致了杨-米尔斯场论以及量子色动力学的发展。

    爱因斯坦曾这样描述过艾米·诺特(Emmy Noether):“在找寻逻辑美的努力下,她发现了充满神性的公式,更深刻地揭示了自然定律的本质。”诺特是对物理学作出杰出贡献的伟大的数学家之一。她的工作揭示了物理学的守恒定律是来自对称性。

    我们都知道物理学中许多物理量,例如能量、动量都是守恒的。但这些守恒定律是从哪来的?在我还是本科生的时候,如果我问我的物理教授为什么这些量是守恒的,我的教授是没有办法回答我的,除非他知道诺特定理。

    6 爱因斯坦:消灭相对性

    “相对性”一词从未在爱因斯坦原本的论文中出现过。“相对论”这一不幸的名称事实上是一位名不见经传的德国物理学家阿尔弗雷德·布舍勒(Alfred Bucherer)在1906年给出的。该人早就被遗忘在了历史的长河中。

    之后,爱因斯坦曾后悔他没有将他的理论命名为“不变性理论”,因为爱因斯坦理论的核心思想恰恰是物理规则不是相对的,而是不变的,不同的观测者所见的物理规律是一致的。

    我曾与一些哲学家有过碰面,他们告诉我:“你们物理学家证明了真理是相对的!”如果爱因斯坦将其理论命名为不变性理论,我就不用浪费我的时间向他们解释事实与此正相反了。

    爱因斯坦曾反对过哲学家:“我相信哲学家对科学的进步起到了相反的作用,因为他们将许多重要的基础概念从经验主义中剥离了出去……对时间和空间的概念来说更是如此。”

    事实上,爱因斯坦最著名的公式E=mc2并没有出现在他原本的论文当中,而是他在几个月后的一个小注释中提出的。那时他曾对这一公式的正确性非常怀疑,他对一位朋友写道:“这一论证是令人愉悦甚至是诱人的,但就我所知上帝可能正嘲笑我写下的东西,正牵着我的鼻子走呢。”

    我想要强调爱因斯坦对物理学的两个重要影响。首先,爱因斯坦的工作使得同时性在物理学中不存在了。这对物理学而言十分重要,因为它直接导致了所有的物理定律都应是局域的,而不是全局的。在之前的物理学中,守恒定律可以是全局的,一个电子可以同时在北京消失而出现在非洲,并不影响电荷的守恒。但在爱因斯坦的理论中,由于同时性的丧失,电子在北京消失后对某个观测者而言它可能是在昨天出现在了非洲。这显然违背了守恒定律,因此也是不可能发生的。自此之后,所有的守恒定律都是局域的,是对同一时空点而言的。其次,爱因斯坦将相对性变为了时空变换的不变性,也是他意识到了牛顿的力学定律在洛伦兹变换下保持不变。

    7 宇宙中力的统一

    物理学的发展总是迈向统一的。牛顿将地球物理学和天体物理学统一了起来,麦克斯韦和他同时代的其他物理学家统一了电和磁。若从生活现象出发,这种统一性完全不是显然的。声和光表面看起来如此不同,但它们最终都可被归结于电磁场的相互作用。

    当物理学的统一迈进了19世纪晚期20世纪初,引力、天体物理、地球物理以及声学都被归纳进了力学的范畴,而光学、电学和磁学都归为了电磁学。爱因斯坦曾想统一电磁学和引力,但他失败了。可以说,他失败的原因是他忽略了辐射这一现象,而辐射现象的背后潜伏着强相互作用和弱相互作用。

    到了1983年,电磁学和强相互作用与弱相互作用也统一了起来。至此,若我们相信大一统理论,则剩下没有统一的只有引力。我们希望超弦理论能达到这一目标,但目前并不知道它是否会成功。

    8 造物者使用数学的语言

    我们都认同造物者使用数学的语言,这一观念至少可以追溯到伽利略。但之后魏格纳写了一篇很有影响力的文章,题目为“数学在自然科学中不可理解的有效性”。一些人认为这一观察是不值一提的,而另一些人则认为其非常深刻,甚至还有一部分人同时认同这两种说法。在我看来,这是非常深刻的一个观察。物理学家对此有过很多的争论,为什么数学在物理中这么有效?

    物理学和数学的发展相互牵连,谁也离不开对方。在19世纪末,二者的发展看起来相背离,其中一个原因是数学走到了一个需要严谨公理化的阶段。

    毫无疑问,物理学需要数学。在弦论之前,物理学与数学最重要最紧密的结合包括电磁学与偏微分方程,引力与微分几何,以及量子力学、粒子物理与群表示论。但同样令人惊讶的是,对于大部分物理来说,除开证明结果的严谨性,理解自然所需要的数学几乎只涉及这些科目的本科教授前几周的内容。当然,不同的物理分支所需要的数学内容以及深度都是不同的。弦论需要非常多的数学,而天体物理所需要的数学内容则较少。

    在广袤的数学海洋中,我自己的感受是只有极少的一部分数学内容看起来和物理是相关的,至少目前来说是这样。回到20世纪50年代,在发现很多新粒子后,面对这些看起来完全没有头绪的谜题,物理学家曾自然地设想一些更高深的数学内容能够帮助我们理解这些物理现象。但最终,随着弱电统一以及量子色动力学和大一统理论的发展,一些基础的群论知识加上对于李群SU(3),SU(5)以及 SO(10)的理解就已经足够了。

    许多物理学的分支,如宇宙学和原子物理,只需要很少的数学,仍在向前蓬勃发展。但基础物理如粒子物理的研究,目前来看似乎停滞不前了。或许我们需要很多的数学内容,也许是数学家也还不知道的数学内容,来帮助物理学。又或许物理学家需要自己解决自己的问题。

    9 熵和热:核心是分享

    在宇宙中,不同的系统有不同的能量,但它们都以某种方式想要相互分享这部分能量,某种意义上这就是熵和热的核心。我喜欢把傅立叶称为18世纪“多即不同”的倡议者。他曾在他热学论文的前言中写道:“牛顿是个伟大的人!用他的理论,我们能解释从大炮发射到月亮运行的所有问题了,留给我去解释的只有热和冷。”有人提到,年轻人经常觉得物理学所有重要的事都已经被研究过了。我想说,傅立叶也一样,认为牛顿做了物理学所有的工作。但他对于热学的研究让他发现了函数可以分解为无穷多正余弦函数的和,这毫无疑问是非常伟大的数学发现。

    另一位重要的人是鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius),他引入了“Verwandlungshinhalt”这一概念,意即内容的变换。值得感恩的是,他随后将其重新命名为了“entropy”,也就是熵。“entropy”一词选择得非常好,因为它有很多近亲,如“tropical”,还有例如“zoetrope”——该词是“movie”一词的前身,相比而言,我更喜欢前者,因为它的前缀“zoo”是表示动物、生命;而“trope”意为变换、运动。换言之,当事物动起来时它就变得有生命了。

    玻尔兹曼对熵和热力学第二定律的研究将热学带领向了微观世界。香农则将信息这一概念和熵联系了起来。

    现在,基于这些人的工作,黑洞的信息熵或许是我们最有希望一窥量子引力奥秘的切入口,是物理学前进的希望。

    10 作用量所在之处就是物理

    对我来说,相同的物理原理有不同的表述方式,这是非常神奇的,甚至有些“不合理”。费马的最小作用量原理、反射折射的斯涅尔定律以及麦克斯韦的波动方程都描述了光线的轨迹。牛顿的力学方程、欧拉-拉格朗日变分原理以及哈密顿最小作用量原理也都描述了力学体系的运动。

    在我还是学生的时候,我曾问我的教授,为什么我们需要拉格朗日作用量或哈密顿作用量?因为只要理解了牛顿的力学定律,我们已经可以解决经典力学的所有问题了。当然,这些作用量真正的闪光之处是在量子力学发展以后,使用哈密顿的最小作用量原理,我们能得到薛定谔方程。而在量子场论发展后,拉格朗日量变成了最为重要的作用量,因为它是相对论意义下的标量,而哈密顿量不是,这直接导致了场论的狄拉克-费曼路径积分表述。

    我一直认为这是一个未解之谜:所有经验验证过的物理,一直到大一统理论,都可以归结为某种作用量原理。显然,一个人可以写下无法被作用量原理解释的运动方程,但因为某些非常深刻的原因,所有基础物理的定律都可以由作用量原理得到。为何如此?我们不知道。

  • Zack Savitsky:熵是什么

    生命是一本关于破坏的文集。你构建的一切最终都会崩溃。每个你爱的人都会死去。任何秩序或稳定感都不可避免地湮灭。整个宇宙都沿着一段惨淡的跋涉走向一种沉闷的终极动荡状态。

    为了跟踪这种宇宙衰变,物理学家使用了一种称为熵的概念。熵是无序性的度量标准,而熵总是在上升的宣言——被称为热力学第二定律——是自然界最不可避免的宿命之一。

    长期以来,我一直被这种普遍的混乱倾向所困扰。秩序是脆弱的。制作一个花瓶需要艺术性和几个月的精心策划,但用足球破坏它只需要一瞬间。我们一生都在努力理解一个混乱和不可预测的世界,在这个世界里,任何建立控制的尝试似乎都只会适得其反。热力学第二定律断言机器永远不可能达到完美效率,这意味着无论宇宙中结构何时涌现,它最终都只会进一步耗散能量——无论是最终爆炸的恒星,还是将食物转化为热量的生物体。尽管我们的意图是好的,但我们是熵的代理人。

    “除了死亡、税收和热力学第二定律之外,生活中没有什么是确定的”,麻省理工学院的物理学家Seth Lloyd写道。这个指示是无法回避的。熵的增长与我们最基本的经历深深交织在一起,解释了为什么时间向前发展,以及为什么世界看起来是确定性的,而不是量子力学上的不确定性。

    尽管具有根本的重要性,熵却可能是物理学中最具争议的概念。“熵一直是个问题,”Lloyd告诉我。这种困惑,部分源于这个词在学科之间“辗转反侧”的方式——从物理学到信息论再到生态学,它在各个领域都有相似但不同的含义。但这也正是为何,要真正理解熵,就需要实现一些令人深感不适的哲学飞跃。

    在过去的一个世纪里,随着物理学家努力将迥异的领域整合起来,他们用新的视角看待熵——将显微镜重新对准先知,将无序的概念转变为无知的概念。熵不被视为系统固有的属性,而是相对于与该系统交互的观察者的属性。这种现代观点阐明了信息和能量之间的深层联系,现在他正在帮助引领最小尺度上一场微型工业革命。

    在熵的种子被首次播下200年后,关于这个量的理解从一种虚无主义转为机会主义。观念上的进化正在颠覆旧的思维方式,不仅仅是关于熵,还是关于科学的目的和我们在宇宙中的角色。

    熵的概念源于工业革命期间对双面印刷机的尝试。一位名叫萨迪·卡诺(Sadi Carnot)的28岁法国军事工程师着手计算蒸汽动力发动机的最终效率。1824年,他出版了一本118页的书,标题为《对火的原动力的反思》,他在塞纳河畔以3法郎的价格出售。卡诺的书在很大程度上被科学界所忽视,几年后他死于霍乱。他的尸体被烧毁,他的许多文件也被烧毁了。但他的书的一些副本留存了下来,其中藏着一门新科学“热力学”的余烬——火的原动力。

    卡诺意识到,蒸汽机的核心是一台利用热量从热物体流向冷物体的趋势的机器。他描绘了可以想象到的最高效的发动机,对可以转化为功的热量比例建构了一个界限,这个结果现在被称为卡诺定理。他最重要的声明是这本书最后一页的警告:“我们不应该期望在实践中利用可燃物的所有动力”。一些能量总是会通过摩擦、振动或其他不需要的运动形式来耗散。完美是无法实现的。

    几十年后,也就是1865年,德国物理学家鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)通读了卡诺的书,他创造了一个术语,用于描述被锁在能量中无法利用的比例。他称之为“熵”(entropy),以希腊语中的转换一词命名。然后,他提出了后来被称为热力学第二定律的东西:“宇宙的熵趋于最大”。

    那个时代的物理学家错误地认为热是一种流体[称为“热质”(caloric)]。在接下来的几十年里,他们意识到热量是单个分子碰撞的副产品。这种视角的转变使奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)能够使用概率重新构建并深化熵的概念。

    玻尔兹曼将分子的微观特性(例如它们的各自位置和速度)与气体的宏观特性(如温度和压力)区分开来。考虑一下,不是气体,而是棋盘上的一组相同的游戏棋子。所有棋子的精确坐标列表就是玻尔兹曼所说的“微观状态”,而它们的整体配置——比如说,无论它们形成一个星形,还是全部聚集在一起——都是一个“宏观态”。玻尔兹曼根据产生给定宏观状态的可能微观状态的数量,来定义该宏观状态的熵。高熵宏观状态是具有许多相容的微观状态的宏观状态——许多可能的棋盘格排列,产生相同的整体模式。

    棋子可以呈现看起来有序的特定形状的方式只有这么多,而它们看起来随机散布在棋盘上的方式要多得多。因此,熵可以被视为无序的度量。第二定律变成了一个直观的概率陈述:让某物看起来混乱的方式比干净的方式更多,因此,当系统的各个部分随机地在不同可能的配置之间切换时,它们往往会呈现出看起来越来越凌乱的排列。

    卡诺发动机中的热量从热流向冷,是因为气体颗粒更有可能全部混合在一起,而不是按速度分离——一侧是快速移动的热颗粒,另一侧则是移动缓慢的冷颗粒。同样的道理也适用于玻璃碎裂、冰融化、液体混合和树叶腐烂分解。事实上,系统从低熵状态移动到高熵状态的自然趋势似乎是唯一可靠地赋予宇宙一致时间方向的东西。熵为那些本可以反向发生的进程刻下了时间箭头。

    熵的概念最终将远远超出热力学的范围。艾克斯-马赛大学的物理学家Carlo Rovelli说,“当卡诺写他的论文时……我认为没有人想象过它会带来什么”。

    扩展熵

    熵在第二次世界大战期间经历了重生。美国数学家克劳德·香农(Claude Shannon)正在努力加密通信通道,包括连接富兰克林·罗斯福(Franklin D. Roosevelt)和温斯顿·丘吉尔(Winston Churchill)的通信通道。那次经历使他在接下来的几年里深入思考了通信的基本原理。香农试图测量消息中包含的信息量。他以一种迂回的方式做到这一点,将知识视为不确定性的减少。

    乍一看,香农想出的方程式与蒸汽机无关。给定信息中的一组可能字符,香农公式将接下来出现哪个字符的不确定性定义为每个字符出现的概率之和乘以该概率的对数。但是,如果任何字符的概率相等,则香农公式会得到简化,并变得与玻尔兹曼的熵公式完全相同。据说物理学家约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)敦促香农将他的量称为“熵”——部分原因是它与玻尔兹曼的量非常一致,也因为“没有人知道熵到底是什么,所以在辩论中你总是占优势”。

    正如热力学熵描述发动机的效率一样,信息熵捕捉到通信的效率。它与弄清楚消息内容所需的是或否问题的数量相对应。高熵消息是无模式的消息;由于无法猜测下一个角色,这条信息需要许多问题才能完全揭示。具有大量模式的消息包含的信息较少,并且更容易被猜到。“这是一幅非常漂亮的信息和熵环环相扣的画面,”Lloyd说。“熵是我们不知道的信息;信息是我们所知道的信息”。

    在1957年的两篇具有里程碑意义的论文中,美国物理学家E.T.Jaynes通过信息论的视角来观察热力学,巩固了这一联系。他认为热力学是一门从粒子的不完整测量中做出统计推断的科学。Jaynes提议,当知道有关系统的部分信息时,我们应该为与这些已知约束相容的每个配置分配相等的可能性。他的“最大熵原理”为对任何有限数据集进行预测提供了偏差最小的方法,现在应用于从统计力学到机器学习和生态学的任何地方。

    因此,不同背景下发展起来的熵的概念巧妙地结合在一起。熵的增加对应于有关微观细节的信息的损失。例如,在统计力学中,当盒子中的粒子混合在一起,我们失去了它们的位置和动量时,“吉布斯熵”会增加。在量子力学中,当粒子与环境纠缠在一起,从而扰乱它们的量子态时,“冯·诺伊曼熵”就会增加。当物质落入黑洞,有关它的信息丢失到外部世界时,“贝肯斯坦-霍金熵”就会增加。

    熵始终衡量的是无知:缺乏关于粒子运动、一串代码中的下一个数字或量子系统的确切状态的知识。“尽管引入熵的动机各不相同,但今天我们可以将它们都与不确定性的概念联系起来,”瑞士苏黎世联邦理工学院的物理学家Renato Renner说。

    然而,这种对熵的统一理解引发了一个令人不安的担忧:我们在谈论谁的无知?

    一点主观性

    作为意大利北部的一名物理学本科生,Carlo Rovelli从他的教授那里了解了熵和无序的增长。有些事情不对劲。他回到家,在一个罐子里装满油和水,看着液体在他摇晃时分离——这似乎与所描述的第二定律背道而驰。“他们告诉我的东西都是胡说八道,”他回忆起当时的想法。“很明显,教学方式有问题。”

    Rovelli的经历抓住了熵如此令人困惑的一个关键原因。在很多情况下,秩序似乎会增加,从孩子打扫卧室到冰箱给火鸡降温。

    Rovelli明白,他对第二定律的表面胜利不过是海市蜃楼。具有强大热视觉能力的超人观察者会看到油和水的分离如何向分子释放动能,从而留下更加热无序的状态。“真正发生的事情是,宏观秩序的形成是以微观无序为代价的,”Rovelli说。第二定律始终成立;有时只是看不见。

    在Gibbs提出这个悖论一个多世纪后,Jaynes提出了解决方法(他坚称吉布斯已经理解了,但未能清楚地表达出来)。想象一下,盒子里的气体是两种不同类型的氩气,它们相同,只是其中一种可溶于一种称为whifnium的尚未发现的元素中。在发现whifnium之前,没有办法区分这两种气体,因此抬起分流器不会引发明显的熵变化。然而,在whifnium被发现后,一位聪明的科学家可以使用它来区分两种氩物种,计算出熵随着两种类型的混合而增加。此外,科学家可以设计一种基于whifnium的活塞,利用以前无法从气体的自然混合中获得的能量。

    Jaynes 明确指出,系统的“有序性”——以及从中提取有用能量的潜力——取决于代理人的相对知识和资源。如果实验者无法区分气体A和B,那么它们实际上是相同的气体。一旦科学家们有办法区分它们,他们就可以通过开发气体混合的趋势来利用功。熵不取决于气体之间的差异,而是取决于它们的可区分性。无序在旁观者的眼中。

    “我们可以从任何系统中提取的有用功,显然也必然取决于我们拥有多少关于其微观状态的’主观’信息,”Jaynes写道。

    吉布斯悖论强调需要将熵视为一种观察属性,而不是系统固有的属性。然而,熵的主观视图是难以被物理学家接受的。正如科学哲学家肯尼斯·登比(Kenneth Denbigh)1985年在书中写道,“这样的观点,如果它是有效的,将产生一些深刻的哲学问题,并往往会破坏科学事业的客观性”。

    接受熵的这个有条件的定义需要重新思考科学的根本目的。这意味着物理学比某些客观现实更准确地描述了个人经验。通过这种方式,熵被卷入了一个更大的趋势,即科学家们意识到许多物理量只有在与观察者有关时才有意义(甚至时间本身也被爱因斯坦的相对论所重新渲染)。“物理学家不喜欢主观性——他们对它过敏”,加州大学圣克鲁斯分校的物理学家Anthony Aguirre 说,“但没有绝对的——这一直都是一种幻觉。”

    现在人们已经接受了这种认知,一些物理学家正在探索将主观性融入熵的数学定义的方法。

    Aguirre和合作者设计了一种新度量,称之为观测熵(observational entropy)。它提供了一种方法,通过调整这些属性如何模糊或粗粒度化观察者对现实的看法,来指定观察者可以访问哪些属性。然后,它为与这些观察到的特性相容的所有微观状态赋予相等的概率,就像 Jaynes 所提出的那样。该方程将热力学熵(描述广泛的宏观特征)和信息熵(捕获微观细节)连接起来。“这种粗粒化的、部分主观的观点是我们有意义的与现实互动的方式,”Aguirre说。

    许多独立团体使用 Aguirre 的公式来寻求第二定律更严格的证明。就Aguirre而言,他希望用他的度量来解释为什么宇宙一开始是低熵状态(以及为什么时间向前流动)并更清楚地了解黑洞中熵的含义。“观测熵框架提供了更清晰的信息”,巴塞罗那自治大学的物理学家Philipp Strasberg说,他最近将其纳入了不同微观熵定义的比较。“它真正将玻尔兹曼和冯·诺伊曼的思想与当今人们的工作联系起来。”

    与此同时,量子信息理论家采取了不同的方法处理主观性。他们将信息视为一种资源,观察者可以使用它来跟日益与环境融合在一起的系统进行交互。对于一台可以跟踪宇宙中每个粒子的确切状态的具有无限能力的超级计算机来说,熵将始终保持不变——因为不会丢失任何信息——时间将停止流动。但是,像我们这样拥有有限计算资源的观察者总是不得不与粗略的现实图景作斗争。我们无法跟踪房间内所有空气分子的运动,因此我们以温度和压力的形式取平均值。随着系统演变成更可能的状态,我们逐渐失去了对微观细节的跟踪,而这种持续的趋势随着时间的流逝而成为现实。“物理学的时间,归根结底,是我们对世界无知的表现”,Rovelli写道。无知构成了我们的现实。

    “外面有一个宇宙,每个观察者都带着一个宇宙——他们对世界的理解和模型”,Aguirre说。熵提供了我们内部模型中缺点的度量。他说,这些模型“使我们能够做出良好的预测,并在一个经常充满敌意但总是困难的物理世界中明智地采取行动。

    以知识为驱动

    2023年夏天,通过Aguirre于2006年共同创立的一个名为Foundational Questions Institute(FQxI)的非营利研究组织,在英国约克郡一座历史悠久的豪宅庄园连绵起伏的山脚下,Aguirre主持了一次闭门研讨会(retreat)。来自世界各地的物理学家齐聚一堂,参加为期一周的智力安睡派对,并有机会进行瑜伽、冥想和野外游泳。该活动召集了获得FQxI资助的研究人员,以探讨如何使用信息作为燃料。

    对于这些物理学家中的许多人来说,对发动机和计算机的研究已经变得模糊不清。他们已经学会了将信息视为真实的、可量化的物理资源,即一种可以诊断从系统中提取多少功的手段。他们意识到,知识就是力量(power)。现在,他们开始着手利用这种力量。

    一天早上,在庄园的蒙古包里参加了一次可选的瑜伽课程后,这群人聆听了Susanne Still(夏威夷大学马诺阿分校的物理学家)。她首先讨论了一项新工作,针对可以追溯到一个世纪前,由匈牙利出生的物理学家利奥·西拉德(Leo Szilard)所提出的思想实验:

    想象一个带有垂直分隔线的盒子,该分隔线可以在盒子的左右壁之间来回滑动。盒子中只有一个粒子,位于分隔线的左侧。当粒子从壁上弹开时,它会将分隔器向右推。一个聪明的小妖可以装配一根绳子和滑轮,这样,当分隔器被粒子推动时,它会拉动绳子并在盒子外举起一个重物。此时,小妖可以偷偷地重新插入分隔器并重新启动该过程——实现明显的无限能量源。

    然而,为了始终如一地开箱即用,恶魔必须知道粒子在盒子的哪一侧。西拉德的引擎由信息提供动力。

    原则上,信息引擎有点像帆船。在海洋上,利用你对风向的了解来调整你的帆,推动船向前行进。

    但就像热机一样,信息引擎也从来都不是完美的。他们也必须以熵生产的形式纳税。正如西拉德和其他人所指出的,我们不能将信息引擎用作永动机的原因是,它平均会产生至少同样多的熵来测量和存储这些信息。知识产生能量,但获得并记住知识会消耗能量。

    在西拉德构思他的引擎几年后,阿道夫·希特勒成为德国总理。出生于犹太家庭并一直居住在德国的西拉德逃离了。他的著作几十年来一直被忽视,直到最终被翻译成英文,正如Still在最近的一篇信息引擎历史回顾中所述。

    最近,通过研究信息处理的基本要素,Still成功地扩展并泛化了西拉德的信息引擎概念。

    十多年来,她一直在研究如何将观察者本身视为物理系统,受其自身物理限制的约束。趋近这些限制的程度不仅取决于观察者可以访问的数据,还取决于他们的数据处理策略。毕竟,他们必须决定要测量哪些属性以及如何将这些细节存储在有限的内存中。

    在研究这个决策过程时,Still发现,收集无助于观察者做出有用预测的信息会降低他们的能量效率。她建议观察者遵循她所说的“最小自我障碍原则”——选择尽可能接近他们物理限制的信息处理策略,以提高他们决策的速度和准确性。她还意识到,这些想法可以通过将它们应用于修改后的信息引擎来进一步探索。

    在西拉德的原始设计中,小妖的测量完美地揭示了粒子的位置。然而,在现实中,我们从来没有对系统有完美地了解,因为我们的测量总是有缺陷的——传感器会受到噪声的影响,显示器的分辨率有限,计算机的存储空间有限。Still展示了如何通过对西拉德的引擎进行轻微修改来引入实际测量中固有的“部分可观测性”——基本方法是通过更改分隔线的形状。

    想象一下,分隔线在盒子内以一定角度倾斜,并且用户只能看到粒子的水平位置(也许他们看到它的阴影投射到盒子的底部边缘)。如果阴影完全位于分隔线的左侧或右侧,则可以确定粒子位于哪一侧。但是,如果阴影位于中间区域的任何位置,则粒子可能位于倾斜分隔线的上方或下方,因此位于盒子的左侧或右侧。

    使用部分可观测的信息引擎,Still计算了测量粒子位置并在内存中对其进行编码的最有效策略。这导致了一种纯粹基于物理的算法推导,该算法目前也用于机器学习,称为信息瓶颈算法(information bottleneck algorithm)。它提供了一种通过仅保留相关信息来有效压缩数据的方法。

    从那时起,和她的研究生Dorian Daimer一起,Still研究了改进的西拉德引擎的多种不同设计,并探索了各种情况下的最佳编码策略。这些理论设备是“在不确定性下做出决策的基本组成部分”,拥有认知科学和物理学背景的Daimer说。“这就是为什么研究信息处理的物理学对我来说如此有趣,因为在某种意义上,这是一种完整的循环,最终回归到对科学家的描述。”

    重新工业化

    尽管如此,他并不是约克郡唯一一个梦想西拉德引擎的人。近年来,许多FQxI受资助者在实验室中开发了有功能性的引擎,其中信息用于为机械设备提供动力。与卡诺的时代不同,没有人期望这些微型发动机为火车提供动力或赢得战争;相反,它们正在充当探测基础物理学的试验台。但就像上次一样,信息引擎正在迫使物理学家重新构想能量、信息和熵的含义。

    在Still的帮助下,John Bechhoefer已经用漂浮在水浴中的比尘埃还小的二氧化硅珠重新创建了西拉德的引擎。他和加拿大西蒙弗雷泽大学的同事用激光捕获硅珠并监测其随机热波动。当硅珠碰巧向上晃动时,它们会迅速抬起激光阱以利用其运动。正如西拉德所想象的那样,他们通过利用信息的力量成功地提起了重量。

    在调查从他们的真实世界信息引擎中提取功的限制时,Bechhoefer和Still发现,在某些状态下,它可以显著跑赢传统发动机。受到Still理论工作的启发,他们还追踪了接收部分低效信息的硅珠的状态。

    在牛津大学物理学家Natalia Ares的帮助下,信息引擎现在正在缩小到量子尺度,她曾与Still一同参加了闭门研讨会。在与杯垫大小相当的硅芯片上,Ares将单个电子困在一根细碳纳米线内,该纳米线悬挂在两根支柱之间。这个“纳米管”被冷却至接近绝对零度的千分之一,像吉他弦一样振动,其振荡频率由内部电子的状态决定。通过追踪纳米管的微小振动,Ares和她的同事计划诊断不同量子现象的功输出。

    Ares在走廊的黑板上写满了许多实验计划,旨在探测量子热力学。“这基本上就是整个工业革命的缩影,但尺度是纳米级的,”她说。一个计划中的实验灵感来源于Still的想法。实验内容涉及调整纳米管的振动与电子(相对于其他未知因素)的依赖程度,本质上为调整观察者的无知提供了一个“旋钮”。

    Ares和她的团队正在探索热力学在最小尺度上的极限——某种意义上,是量子火焰(quantum fire)的驱动力。经典物理中,粒子运动转化为有用功的效率限制由卡诺定理设定。但在量子领域,由于有多种熵可供选择,确定哪个熵将设定相关界限变得更加复杂——甚至如何定义功输出也是一个问题。“如果我们像实验中那样只有一个电子,那熵意味着什么?”Ares说道。“根据我的经验,我们仍然在这方面非常迷茫。”

    最近一项由美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家Nicole Yunger Halpern主导的研究表明,通常被视为同义的熵生成的常见定义,在量子领域中可能会出现不一致,这再次出于不确定性和观察者依赖性。在这个微小的尺度上,不可能同时知道某些属性。而你测量某些量的顺序也会影响测量结果。Yunger Halpern认为,我们可以利用这种量子奇异性来获取优势。“在量子世界中,有一些经典世界中没有的额外资源,所以我们可以绕过卡诺定理,”她说道。

    Ares正在实验室中推动这些新的边界,希望为更高效的能源收集、设备充电或计算开辟道路。这些实验也可能为我们所知道的最有效的信息处理系统——我们自己——的机制提供一些洞见。科学家们不确定人脑是如何在仅仅消耗20瓦电力的情况下,执行极其复杂的脑力运动的。也许,生物学计算效率的秘诀也在于利用小尺度上的随机波动,而这些实验旨在探测任何可能的优势。“如果在这方面有某些收获,自然界也许实际上利用了它,”与Ares合作的埃克塞特大学理论学家Janet Anders说道。“我们现在正在发展的这种基础理解,或许能帮助我们未来更好地理解生物是如何运作的。”

    Ares的下一轮实验将在她位于牛津实验室的一个粉色的制冷室中进行。几年前,她开玩笑地向制造商提出了这个外观改造的建议,但他们警告说,金属涂料颗粒会干扰她的实验。然后,公司偷偷将冰箱送到汽车修理厂,给它覆盖了一层闪亮的粉色薄膜。Ares将她的新实验场地视为时代变革的象征,反映了她对这场新的工业革命将与上一场不同的希望——更加有意识、环保和包容。

    “感觉就像我们正站在一个伟大而美好的事物的起点,”她说道。

    拥抱不确定性

    2024年9月,几百名研究人员聚集在法国帕莱佐,为纪念卡诺(Carnot)其著作出版200周年而举行的会议上。来自各个学科的参与者讨论了熵在各自研究领域中的应用,从太阳能电池到黑洞。在欢迎辞中,法国国家科学研究中心的一位主任代表她的国家向卡诺道歉,承认忽视了卡诺工作的重要影响。当天晚上,研究人员们在一个奢华的金色餐厅集合,聆听了一首由卡诺的父亲创作、由一支四重奏演奏的交响乐,其中包括这位作曲家的远亲后代。

    卡诺的深远见解源于试图对时钟般精确的世界施加极致控制的努力,这曾是理性时代的圣杯。但随着熵的概念在自然科学中逐渐扩展,它的意义发生了变化。熵的精细理解抛弃了对完全效率和完美预测的虚妄梦想,反而承认了世界中不可减少的不确定性。“在某种程度上,我们正朝着几个方向远离启蒙时期,”Rovelli说——远离决定论和绝对主义,转向不确定性和主观性。

    无论你愿不愿意接受,我们都是第二定律的奴隶;我们无法避免地推动宇宙走向终极无序的命运。但我们对熵的精细理解让我们对未来有了更为积极的展望。走向混乱的趋势是驱动所有机器运作的动力。虽然有用能量的衰减限制了我们的能力,但有时候换个角度可以揭示隐藏在混沌中的秩序储备。此外,一个无序的宇宙正是充满了更多的可能性。我们不能规避不确定性,但我们可以学会管理它——甚至或许能拥抱它。毕竟,正是无知激励我们去追求知识并构建关于我们经验的故事。换句话说,熵正是让我们成为人类的原因。

    你可以对无法避免的秩序崩溃感到悲叹,或者你可以将不确定性视为学习、感知、推理、做出更好选择的机会,并利用你身上蕴藏的动力。

  • 薛其坤:探究微观量子世界

    本文系讲演稿整理而得

    欧姆定律是接近200年前,由德国物理学家欧姆提出的一个非常经典的电学规律,它说的是通过一个导体,导体的电阻与加在导体两端的电压差成正比,与流过这个导体的电流成反比。大家都非常熟悉。换一句话来说,流过这个导体的电流正比于加在这个导体两端的电压,反比于这个材料的电阻。这个材料的电阻越大,它越绝缘;在额定的电压下,它的电流就越小。

    欧姆定律讲的是沿着电流流动方向关于电压、电阻、电流基本关系的科学规律。我们很好奇,自然就想问“在垂直于电流流动的方向上,是不是也会有类似欧姆定律关于电流、电压、电阻关系的东西呢?”答案:“是!”

    这就是欧姆定律提出50多年以后,在1879年由美国物理学家埃德温霍尔发现的霍尔效应。霍尔效应实验是一个非常精妙的实验,他把这个导线变成了这样一个平板,当时用的材料是金。在垂直于这个金的平板方向上,再加一个磁场,当然沿着电流流动的方向仍然有欧姆定律的存在。但是由于这个磁场下,流动的电子受到洛伦兹力的作用,它会在垂直于电流的方向也发生偏转。

    在这样一个磁场下,电流除了欧姆定律方向的电流在流动以外,电子还在横向发生偏转,形成电荷的积累,形成电压。这个电压就叫霍尔电压,这个现象就是霍尔效应。加一个磁场就可以产生霍尔效应,那么我们自然想问,是不是不需要磁场也能实现这样一个非常伟大的霍尔效应呢?答案也是“是”!

    他发现霍尔效应一年以后,就做了这样一个试验,把材料金换成铁,靠铁本身的磁性产生的磁场,也发现了类似的霍尔效应。因为科学机理完全不一样,命名为反常霍尔效应。

    不管怎么样,霍尔效应、反常霍尔效应是非常经典的电磁现象之一。为什么呢?它用一个非常简单的科学实验、科学装置就把电和磁这两个非常不一样的现象在一个装置上完成了。

    当然了,霍尔效应非常有用。今天我给大家列举了一些大家非常熟悉的例子。比如测量电流的电流钳,我们读取信用卡的磁卡阅读器,汽车的速度计,这都是霍尔效应的应用。它已经遍布在我们生活的每一个方面,是一个极其伟大的科学发现,同时对我们社会技术进步带来了极大的便利。

    这不是这个故事的结束。100年以后,德国物理学家冯·克利青把研究的材料从金属变成半导体硅,结果他就发现了量子霍尔效应,或者说霍尔效应的量子版本。他用了一个具体材料,就是我们熟知的每一个计算机、每一个芯片都有的场效应晶体管。这个场效应晶体管中有硅和二氧化硅的分界面,在这个界面上有二维电子气。就是在这样一个体系中,在半导体材料中,他发现了量子霍尔效应。

    在强磁场下,冯·克利青先生发现了霍尔电阻,右边这个公式,=h/ne2,h是以普朗克科学家命名的一个常数,是一个自然界的物理学常数。n是自然数——1、2、3、4、5。e就是一个电子带的电量,这是一个非常伟大的发现。为什么呢?我一说就明白,因为测到的霍尔电阻和研究的材料没有任何的关系。硅,可能任何材料都会有这个,它只和物理学常数,和自然界的一些基本性能相关,和具体材料没有任何关系。因此它就打开了我们认识微观世界、认识自然界的大门。

    同时,量子霍尔效应给我们材料中运动的电子建造了一个高速公路,就像左边大家看到的动画一样,电子的高速公路上,它的欧姆电阻,平行于电流方向的电阻变成0,像超导一样。因此,用量子霍尔效应这样的材料做一个器件的话,它的能耗会非常低。

    大家今天看到的是两条道的情况,是n=2。如果n=3,这个高速公路的一边就有3条道;如果n=4,电子的高速公路就变成4条道,所以这样一种理解就把自然数n,1、2、3、4、5、6、7、8和微观世界的电子高速公路密切结合起来。大家可以看到,我们对自然界的理解,对量子世界的理解又大大前进了一步。

    冯·克利青在1980年发现量子霍尔效应以后,由于这个巨大的科学发现,五年以后他被授予诺贝尔物理学奖。

    硅有量子霍尔效应,是不是其他半导体材料也会有量子霍尔效应呢?有三位物理学家在第二年,1982年就把研究的材料从硅变成了可以发光的砷化镓,结果,他们发现了分数化的,不是一二三四了,三分之一、五分之一,分数化的量子霍尔效应,1998年这三位物理学家获得诺贝尔物理学奖。

    在我们这个世纪,大家都知道石墨烯,有两位物理学家利用石墨烯这个量子材料继续做一百年前的霍尔效应实验,结果发现了半整数的量子霍尔效应。随着量子霍尔效应的不断发现,我们对自然界,对材料,对量子材料,对未来材料的理解在电子层次上、在量子层次上逐渐加深,所以推动了科学,特别是物理学的巨大进步。

    量子霍尔效应有很多应用,今天我讲一个大家比较熟悉的应用,那就是重量的测量。我们每天都希望测测体重,重量的测量无处不存在。1889年国际度量衡大会定义了公斤千克的标准,是9:1的铂铱合金做成的圆柱体,以后的一百多年,全世界都用这个做为标准称重量。

    但是在118年以后的2007年,我们发现这个标准变化了:减轻了50微克。一个标准减少50微克是一个巨大的变化,全世界的标准就不再标准了,而且随着时间的推移也会进一步变化。因此我们需要更精确,可以用得更久的重量标准。

    在2018年的时候,国际度量衡大会重新定义了公斤的标准,那就是基于刚才我提到的量子霍尔效应,和另一个诺奖工作、约瑟夫森效应提出了一个全新的称,叫量子称或者叫基布尔称,它对重量的测量精度可以达到10的负8次方克,而且是由物理学的自然界常数所定义的,1万年、10万年、1亿年也不会发生变化。这是我举的一个大家能理解的例子。

    刚才我提到了三个不同版本的量子霍尔效应。它们需要一个磁场,就像霍尔效应一样,而且一般情况下需要的磁场都特别强,一般是10个特斯拉,10万个高斯,这是非常强大的磁场,我们庞大地球产生的磁场只有0.5高斯,我们要用的磁场是地球磁场强度的20万倍。能不能把它去掉磁场也能观察到量子霍尔效应呢?我带领的团队与合作者一起,在2013年的时候完成了这个实验,在世界上首次发现了不需要任何磁场、只需要材料本身的磁性而导致的量子霍尔效应,或者叫量子反常霍尔效应。

    这样一个发现是不是也是材料驱动的呢?是的。我在这里给大家复习一下我们所熟悉的材料。在我们一般人的概念中,我们自然界的材料只有3类,导电的金属,不导电的绝缘体,还有一个是半导体,介于两者之间。

    第一代半导体有硅、锗,第二代半导体有砷化镓、锑化汞,第三代、第四代还有氮化镓、碳化硅、金刚石等等。在研究材料和材料的相变基础上,包括量子霍尔效应上,有两个物理学家,一个是大家可能比较熟悉的华人物理学家张首晟,和宾夕法尼亚大学的Charles Kane,在这基础上他们提出了一个全新的材料:拓扑绝缘体,也就是大家在屏幕的最右边所能看到的。

    什么是拓扑绝缘体?我给大家简单解释一下。这个图大家可能比较熟悉,最左边是一个陶瓷的碗,是绝缘的、不导电的。再朝右是一个金做成的碗,是导电的,叫导体。拓扑绝缘体就是一个陶瓷碗镀了一层导电的膜。如果把这个镀了膜的碗进一步进行磁性掺杂,使它有磁性的话,它就会变成一个只有边上镀金的碗。这个边上镀金碗就叫磁性拓扑绝缘体材料。

    按照张首晟等的理论,它就可以让我们能观察到量子反常霍尔效应。但是,这个材料是一个三不像的矛盾体:它有磁性,它要拓扑,它还要绝缘,我们还要把它做成薄膜,这就要求一个运动员篮球打得像姚明那么好,跑步像博尔特那么快,跳水要全红蝉那么伶俐,这样的材料非常难以制备。为什么呢?因为大部分磁性材料都是导电的,铁、钴、镍都是导电的;另外,磁性和拓扑在物理上是很难共存的;还有一点,在两维薄膜的情况下,很难实现铁磁性,使这个才有真正的磁性。因此真正观测到量子反常霍尔效应,在实验室看到它,这是一个极其具有挑战性的实验。

    我带领的团队和另外三个团队紧密合作,我们动员了20多位研究生,奋斗了4年,尝试了一千多个样品,最后在2012年10月份,全部完成了量子反常霍尔效应发现,完成了实验。我们证明了确实在边上镀金的碗(磁性拓扑绝缘体)中,存在量子反常霍尔效应这样一个新的规律。

    今天,我特别把当时发现量子反常霍尔效应的样品带到了现场。大家可以看到,看到很多电级,电级之间有方块,每个方块上就是首先观察到的量子反常霍尔效应的样品。

    这里我再给大家讲一下制备这个材料,对原子磁场的控制,对科学发现非常重要。这是其中一个例子,我们学生制备的,采集的一些照片。中间大家会看到,拓扑绝缘体碲化铋薄膜的扫描隧道显微镜照片,上头每一个亮点代表一个原子,更重要的是,在这个范围内你找不到一个缺陷。说明我们材料的纯度非常高,我们在其他材料中也能做到这个水平。

    这是另一个拓扑绝缘体材料:硒化铋。大家可以看到,这么大的范围内,你只看到你想要的原子,没有任何缺陷,而且薄膜是原子级的平整,这为我们最后发现量子反常霍尔效应奠定了非常好的基础。

    最近,我们继续在朝这个方向努力,我们正在攻克的一个问题就是高温超导机理这个重大科学问题。我再次放了博士后制备的研究高温超导机理异质结样品的电镜照片,大家从上可以看到有5个样品,不同的颜色代表这个异质结的结合部。大家可以看到,每个亮点几乎是接近一个原子,我们制备的异质结,两个材料的结合部几乎达到了原子尺度的完美,只有这样,我们才能在这样一个非常难以攻克的高温超导机理上有所作为,我们会沿着这个方向继续努力下去。