斯坦福教授张首晟：大数据时代感受物理、科技、人文的跨界之美

本文为斯坦福大学物理系教授张首晟，为吴军的著作《文明之光》所写的序言，读过之后顿时感觉：果然杰出的科学家都有着极其优秀的人文素养啊！膜拜！！

      从小我就酷爱读历史，那些可歌可泣的故事深深地打动我的心灵，历史似乎就是一盘棋，命运时时在那些伟人的掌控之中。然而，我也经常会问一些可笑的问题，例如：当年如果荆轲刺秦王成功，中国的历史将会如何演化？如果布鲁图刺杀凯撒大帝不成功，欧洲的历史又会怎样？如果普鲁士军队来到拿破仑与威灵顿打得不可开交的滑铁卢战场迟了两小时，世界又将转向哪个方向？如果，如果……人类的历史好像就被那些偶然的因素牵着走。

      学习物理把我带进了另一个世界，牛顿方程下的宇宙，就像一个瑞士手表，每分每秒都在精密地运转。小到树上的苹果，大到太阳系的行星，都被一个简单而优美的万有引力定律所描写。这两个截然不同的世界都深深地吸引了我，但是物理世界的必然与历史世界的偶然却深深困惑了我。

      当我深入学习到统计物理学，才开始慢慢看到了两者的相似之处。牛顿方程之所以能精密描述行星的运动，是因为这是个简单体系，仅有几个少量的自由度。当我们观察气体中的分子，液体中的小颗粒，它们的运动是杂乱无章的，似乎也被偶然的因素所左右。而统计物理把这些杂乱无章的个体运动提高到整个系统的行为，那些偶然的因素在统计平均中消失了，提炼出了能量守恒与熵增的普适规律，偶然走向了必然。爱因斯坦曾经说过，在知识的未来，牛顿力学，相对论，量子力学都会被修改，而统计力学的定律却是永恒的。

      所以我要问，能否用同样的眼光来看历史呢？历史的浩瀚章节，戏剧式的人物故事，尽管偶然，就像液体中的小颗粒一样难以预测，但是，我们把时空尺度渐渐放大，这些偶然因素是否会在大数平均下相互抵消而消失，从而提炼出真理呢？

正当我在深思这些问题的时候，受到我好友吴军的邀请，读他的大作“文明之光”，并为书写序言。我在欣喜中一口气把书读完，深受启发。书中写的不是人们已知的帝王将相，英雄美人，而是一部光辉灿烂的文明史。这部书帮助我从噪声中寻找信号，深思主宰人类历史的真理。

      每当我们读历史之时，往往会问，在这之前发生了什么？历史的起源是有人以来最常问的深刻问题，不同的民族，不同的宗教，不同的文化都有自己的传说，自己的“创世纪”。

      人类文明数千年，直到我们这时代，才真正了解了时间的原点。今天，我们知道，宇宙是在大爆炸中产生的，宇宙的年龄为137.98±0.37亿年，地球的年龄约为45.4亿年，恐龙是在6500万年前消失的，现代智人的年龄约为20万年，人类有文字的历史约为5500年，正如“文明之光”引言中所提，如将地球的年龄缩短成一年，人类出现仅在最后的半小时。所以，我们要读懂人类文明史，更需要从宇宙形成的原点出发，用大历史的眼光来看一切。在大历史的尺度下，更能把那些偶然因素在统计平均的意义下去掉，留下宇宙演化与文明进步的真理。

      因为人类是由原子和分子组成的奇妙物种，我们要找到普适于宇宙与人类的第一性原理，必须从最基本的概念出发，那就是能量、信息与时空。它们的结合，产生了能量密度与信息密度的概念。（值得注意的一点是，物理学家引进了熵的概念，后来发现墒的统计意义就是信息，两者是等价的。）

      宇宙大爆炸后，刚开始，宇宙中充满着基本均匀的微小尘埃，随着时间推移，尘埃的密度也开始发生涨落，有些密度比较高的地方，通过万有引力的作用，把别处尘埃逐渐吸引过来，尘埃间的距离会非常靠近，能量和质量的密度也会大大提高，超过临界值之后，有一种新的力会起更大的作用，即强相互作用力，它使得原子核在碰撞时产生核聚变反应，聚变反应成为新能量的来源，通过这个机制，形成了恒星和星系，从此恒星点燃了宇宙之光。