前言 科技的本質(zhì)

我們正身處技術(shù)爆炸的時代。 2017年全世界專利申請的數(shù)量超過 800萬件。 1雖然這里面有不少水分，但是總數(shù)依然相當(dāng)驚人。如果再看專利的增長速度，則更為驚人。以世界上最難獲取的美國專利為例， 20032015年的 13年間，美國專利商標(biāo)局批準(zhǔn)了 300萬項專利，這個數(shù)量超過了美國專利商標(biāo)局自 1802年成立到 2002年底近 200年間所批準(zhǔn)專利的總和。2如果專利的數(shù)量過于抽象不好理解，我們不妨看幾個實例：

l 1838年 4月世界上第一條跨洋航行的商業(yè)航線開通后，蒸汽動力的天狼星號機帆船花了 19天時間完成了從英國到美國的商業(yè)航行。今天，民航飛機完成同樣的旅行僅需要不到 6個小時，將橫跨大西洋的時間縮短了 98 %，而空中客車公司的超音速概念飛機可以將這個時間再縮短 80 %。

l 1961年，蘇聯(lián)在新地島試爆了一顆 5000萬噸 TNT當(dāng)量的氫彈，它在一瞬間釋放的能量（ 5 10¹³千卡）相當(dāng)于羅馬帝國全部 5700萬人口在公元元年一個月所產(chǎn)生的全部能量。

l 1858年，美國企業(yè)家菲爾德用 4艘巨輪將上萬噸電報銅纜鋪設(shè)到大西洋底，實現(xiàn)了人類第一次洲際通信，當(dāng)時的傳輸速率每秒不到 1個比特，而且傳輸極不穩(wěn)定。 2017年，由微軟、臉書合作鋪設(shè)，西班牙電話公司旗下電信基建企業(yè) Telxius管理的跨大西洋高速海底光纜，每秒可以穩(wěn)定地傳輸 160 Tbit（太比特），比一個半世紀(jì)之前快了萬億倍。

l 1946年，世界上第一臺電子計算機埃尼亞克（ENIAC，全稱為 electronic numerical integrator and computer，電子數(shù)學(xué)積分計算機）的運算速度為每秒 5000次，今天（截至 2018年 6月），世界上最快的超級計算機頂點（Summit）的運算速度高達(dá)每秒 20億億次，比埃尼亞克大約提高了 40萬億倍。事實上，今天的蘋果手機計算能力已經(jīng)超過了阿波羅登月時主控計算機的能力。

除了專利申請量驚人，今天科技的另一個特點是讓我們感覺眼花繚亂。虛擬現(xiàn)實、人工智能、無人駕駛汽車、基因編輯、大數(shù)據(jù)醫(yī)療、區(qū)塊鏈和虛擬貨幣等，我們在媒體上每天都能看到這些概念，但是它們意味著什么？為什么會一夜之間冒出來？對我們的生活將產(chǎn)生什么影響？今后還會出現(xiàn)什么新的技術(shù)名詞？

科技進(jìn)步日新月異，不僅給我們帶來了好的生活，也讓當(dāng)下的人們產(chǎn)生了很多焦慮和恐懼。通常，人們的焦慮和恐懼源于對周圍的世界缺乏了解，對未來缺乏把控。要想緩解和消除這種焦慮和恐懼，需要搞清楚下面三件事情。

首先，科技在大宇宙時空中的地位和作用，即它在經(jīng)濟(jì)和社會生活中的角色，以及它在歷史上對文明進(jìn)程的推動作用。前者是從空間維度上看，后者是從時間維度上看。

從空間維度上看，科技在文明過程中的作用是獨一無二的，是一種進(jìn)步的力量，這是毋庸置疑的。工業(yè)革命堪稱人類歷史上最偉大的事件。在工業(yè)革命之前，無論是東方還是西方，人均 GDP都沒有本質(zhì)的變化。但工業(yè)革命發(fā)生后，人均 GDP就突飛猛進(jìn)，在歐洲，200年間增加了 50倍；而在中國，短短 40年就增加了 10多倍。因此，古今中外任何王侯將相的功績和工業(yè)革命相比都不值一提。而工業(yè)革命的發(fā)生，就是科學(xué)推動技術(shù)，再轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的結(jié)果。這是科技在經(jīng)濟(jì)和社會生活中的重要體現(xiàn)。

從時間維度上看，科技幾乎是世界上唯一能夠獲得疊加性進(jìn)步的力量，因此，它的發(fā)展是不斷加速的。世界文明的成就體現(xiàn)在很多方面，從政治、法律到文學(xué)、藝術(shù)、音樂等，都有體現(xiàn)。雖然總體上講，文明是不斷進(jìn)步的，但是在很多方面，過去的成就并不能給未來帶來疊加性的進(jìn)步。比如在藝術(shù)方面，歷史上有很多高峰，后面的未必能超越前面的。今天沒有人敢說自己作曲超越貝多芬或者莫扎特，寫詩超越李白或者莎士比亞，繪畫超越米開朗基羅（ Michelangelo di Lodovico Buonarroti Simoni，14751564），甚至世界上很多采用民主政治的國家，在政體上依然沒有超越古希臘。但是，今天任何一個三甲醫(yī)院的主治醫(yī)生都敢說他的醫(yī)術(shù)超過了 50年前世界上最好的名醫(yī)。因為醫(yī)學(xué)的進(jìn)步是積累的，現(xiàn)在的醫(yī)生不僅學(xué)到了 50年前名醫(yī)的醫(yī)術(shù)精髓，而且掌握了過去名醫(yī)未知的治療手段。今天，一個大學(xué)生學(xué)會微積分中的牛頓 萊布尼茨公式只需要兩個小時，但是當(dāng)初牛頓與萊布尼茨（ Gottfried Wilhelm Leibniz，16461716）花了 10多年時間才確立了該定理。由于科技具有疊加式進(jìn)步的特點，我們對它的未來更加有把握。

其次，世界達(dá)到今天這樣的文明程度并非巧合，而是有著很多的歷史必然性。19世紀(jì)出現(xiàn)大量和機械、電力相關(guān)的技術(shù)， 20世紀(jì)出現(xiàn)大量和信息相關(guān)的技術(shù)，接下來會出現(xiàn)很多和生物相關(guān)的技術(shù)，這些都是有內(nèi)在邏輯性的。當(dāng)我們?nèi)�面了解了科技在人類文明發(fā)展的進(jìn)程中是怎樣一環(huán)扣一環(huán)地發(fā)展的，我們就能夠把握科技發(fā)展的內(nèi)在邏輯，做到自覺地、有效地發(fā)展科技。

最后，我們需要找到一條或者幾條主線，從空間維度了解科技的眾多領(lǐng)域及眾多分支之間的相互關(guān)系，從而了解科技的全貌，同時從時間維度理解科技發(fā)展的過程和規(guī)律。雖然不同的歷史學(xué)家、科技史學(xué)家和技術(shù)專家會給出不同的主線，但最本質(zhì)也最便于使用的兩條主線是能量和信息。這兩條主線也是組織本書內(nèi)容的線索。

采用能量和信息作為科技發(fā)展史的主線有兩個主要原因：其一，我們的世界本身就是由能量和信息構(gòu)成的；其二，它們可以量化科技發(fā)展水平，解釋清楚各種科技之間的關(guān)系。

宇宙的本源是能量，這已經(jīng)是現(xiàn)代物理學(xué)的常識。我們過去說世界是物質(zhì)的，這種說法沒有錯，因為從本質(zhì)上講物質(zhì)是由能量構(gòu)成的。我們在中學(xué)物理中學(xué)過，宇宙萬物是由上百種不同的原子（和它們的同位素）構(gòu)成的，那么原子又是由什么構(gòu)成的呢？它是由更小、更基本的粒子構(gòu)成的。那些最基本、無法進(jìn)一步分割的粒子（物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的 61個基本粒子），比如光子、電子，以及構(gòu)成原子核中質(zhì)子和中子的夸克，最終都是純能量，它們里面不再有其他物質(zhì)，因此才有了愛因斯坦（Albert Einstein，18791955）著名的 E = mc2質(zhì)能關(guān)系式。世界的物質(zhì)性，比如形狀、體積和質(zhì)量，不過是能量的各種性質(zhì)而已，特別是在希格斯的理論被證實之后，大家對此更是確信無疑。因此，我們說世界的本源就是能量。

那么，看不見摸不著的能量，又是如何構(gòu)成世界的呢？這就要靠物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、信息科學(xué)的能量法則了，它們都是信息�？茖W(xué)的本質(zhì)就是通過一套有效的方法發(fā)現(xiàn)這樣一些特殊的信息，它們就是宇宙、自然和生命構(gòu)成及演變的奧秘。

自從出現(xiàn)了現(xiàn)代智人，地球的面貌就因為人類的活動而改變。人類的實踐從本質(zhì)上講就是獲取能量并利用能量改變周圍的環(huán)境，而技術(shù)則是科學(xué)與實踐之間的橋梁和工具。在科學(xué)和技術(shù)中，能量和信息如此重要，以至它們在人類歷次重大的文明進(jìn)步中都扮演了主角。同時，它們也是定量衡量科技發(fā)展水平的尺度。

10000年前開始的農(nóng)業(yè)革命，其本質(zhì)是通過農(nóng)耕有效地獲得能量，為我們的祖先創(chuàng)造文明提供可能性。當(dāng)時，伴隨著文字和數(shù)字的誕生，人類可以將以前的知識和信息傳承下來，人類的發(fā)展進(jìn)程得到第一次加速。

18世紀(jì)中后期開始的工業(yè)革命，其核心是新動力的使用，主要包括水能和蒸汽動力。從那一刻起，人類產(chǎn)生和利用能量的水平有了巨大的飛躍。在工業(yè)革命之前的一個世紀(jì)里，歐洲迎來了一次科學(xué)大發(fā)現(xiàn)，其成果在工業(yè)革命中被轉(zhuǎn)換成技術(shù)，使得許多改變世界的重大發(fā)明在短期內(nèi)涌現(xiàn)出來。這說明在工業(yè)革命前，人類創(chuàng)造信息的能力有一次飛躍。

進(jìn)入 20世紀(jì)之后，科技的發(fā)展也是如此。一方面是能源的進(jìn)步，從原子能到各種清潔能源；另一方面是信息技術(shù)的發(fā)展，它是整個 20世紀(jì)科技發(fā)展的主旋律。此外，人類在 20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了 DNA（脫氧核糖核酸）的螺旋結(jié)構(gòu)以及宇宙誕生的時間和方式。這兩項重大發(fā)現(xiàn)，本質(zhì)上是人類對宇宙形成信息和生命形成信息的破解。我們在本書中會清晰地看到，整個科技史，從過去到未來，都與能量和信息直接或者間接相關(guān)。

把上面三件事情講清楚，讓讀者全面了解科技發(fā)展史，消除焦慮，是我寫這本書的第一個動機。

我對寫科技史感興趣的第二個原因，是它本身如此重要，但又恰恰被大部分人忽視了。今天大部分人談到歷史的時候，主要關(guān)注的是國家的興衰、王朝的更替。大家了解的歷史人物，大多是王侯將相，了解的歷史事件，大多是英雄故事。其實，把這些人物和故事放在一個較長的歷史跨度下考察，其重要性比科技進(jìn)步要小得多。因此，在完成四卷本《文明之光》的寫作之后，我醞釀了很長時間，決定寫一本科技通史。

當(dāng)然，我研究科技史還有一個很現(xiàn)實，甚至有些功利的原因，就是在今天這個發(fā)明數(shù)量過多的時代，我想知道什么技術(shù)真正對未來世界的發(fā)展有幫助，以便我能及早地投資那些技術(shù)。了解科技的發(fā)展歷史，就能知道我們今天所處的位置，然后看清我們將要去的方向。

生活在今天的人是非常幸運的，因為在這個時代，人類首次知道了宇宙時間的起點、地球生命的起點，以及人類文明的起點。當(dāng)然，歷史的很多進(jìn)程還需要我們不斷了解，接下來就讓我們圍繞能源和信息這兩根主線，看看人類是如何開啟文明，發(fā)展科學(xué)技術(shù)，并利用它們改變世界的。