第一部分 机器之心
第一章 技术的进化：指数级增长
时间简史：时间正日益变慢
构成宇宙的是故事，而非原子。
——穆里尔·鲁凯泽
宇宙究竟是一种伟大的机制，一种复杂的计算，一种精美的对称形式，一个巨大的意外，还是一种伟大的思想？
——约翰·D·巴罗
正如本书开始所述，我们会注意到时间本质的不寻常属性，这种属性对于我们向21世纪过渡起着关键作用。人类的故事也许起源于150亿年前，那时还不存在有意识的生命可以领略宇宙诞生的意义，但现在我们却可以回过头去仔细研究它的诞生过程。（从量子力学的角度来看，回顾过去可以这么说，如果宇宙未能进化出有意识的生命去理解它的存在，那么这种宇宙从一开始其实就没有存在过。）
宇宙诞生的10–43秒之后，周边的环境冷却下来（大概有1034度），于是，一种独特的力量——重力逐步形成。1
接下来的10–34秒（这也是一秒钟当中极其微小的一部分，不过其长度却超出10–43秒10亿倍）中并没有发生什么事，此刻的宇宙温度又低了一些（现在只有1029度），在这种环境下，物质以电子和夸克的形式存在。为了让一切保持平衡，反物质也应运而生了。这是一个“多事之秋”，新生力量迅速进化，当时已有三种力量：重力、强作用力2以及电弱力3。
又过了10–10秒之后，电弱力分裂成电磁力和其他几种现代人耳熟能详的弱作用力。4
10–5秒之后，情况变得复杂起来。温度已经下降到相对温和的一万亿度，夸克聚集起来构成了质子和中子。同样，反夸克构成了反质子。
后来，这些物质微粒渐渐达到了平衡，但这一切究竟是如何发生的仍不得而知。至此，一切似乎都很顺利。但要是一切事物都处于平衡状态，那宇宙一定相当无趣。这样的话，生命就不会进化，我们也就可以得出这个结论——宇宙从一开始就没有存在过。
在宇宙中，每100亿个反质子对应着100亿零一个质子。质子和反质子相互碰撞，从而产生了另外一种现象：光（光子）。因此，所有的反物质都被摧毁了，只留下物质统治着整个宇宙。（这也表明，让竞争对手占有哪怕一丁点优势都是危险的。）
当然，如果当时反物质获胜的话，那么它们的子孙后代将把它们称为物质，而把物质称为反物质，因此，我们又得回到一切开始的地方（也许这才是当时的真实情况）。
一秒钟之后（跟宇宙历史上的前期过程相比，一秒钟实在是很长的一段时间，因此，要注意时间框架正在呈指数型扩大），电子和正电子（也叫阳电子）追随着质子和反质子的步伐，同它们一样互相残杀，最后电子大获全胜。
又过了一分钟，中子和质子结合成了氦、锂、重氢等质量更大的原子核。此时温度只有10亿度。
大约30万年之后（此时的事物演变速度正极速放慢），平均温度只有3 000度，原子核规整了核外电子排布之后，第一批原子便诞生了。
10亿年过后，这些原子构成了大片的云，渐渐盘旋上升，组成了各种星系。
20亿年之后，这些星系里面的物质进一步合并组成了恒星，很多恒星都有自己的星系。
30亿年后，一个普通星系中有一颗再普通不过的恒星，一颗围绕着这颗恒星运转的极其平凡的行星诞生了——我们称之为“地球”。
在继续深入探讨之前，我们一起来看看时间进程中的一个显著特点。在宇宙诞生之初，万事万物瞬息万变。在最初的10亿分之一秒内就发生了三次进化模式的变化。而后来宇宙进化的重大事件则花费了几十亿年的时间。时间的本质在于它总是呈指数型推进——要么呈几何级数加速，要么像宇宙史一样呈几何级数减速。在这段极长的时期当中，发生的大事情不多，时间看上去就像是线性推进的。因此在大部分时间里，时间主要以线性方式流逝。但这并非时间的本质。
这一点的意义何在呢？在风平浪静的漫长时期，这一点的重要性还体现不出来，但如果我们发现自己身处“时间曲线拐点”，就会明白其重大意义，在这些时期中，时间曲线的指数性质要么会向内激增，要么向外激增，就好像跌入了黑洞一般（在这种情况下，一个人跌入黑洞之后，时间会以指数级速度加速）。
时间的速度
但是稍等一下，我们凭什么说时间正在改变自身的“速度”呢？我们可以以每秒钟的进程来计算时间的速率，但是否可以说时间正在改变自身的速率呢？时间是否可以在一秒钟内完成两秒的进程呢？
爱因斯坦对这一点做出解释——时间对体验它的一切实体来说都是相对的。5一个男人的一秒钟对一个女人来说也许是40年。爱因斯坦曾举过这样一个例子，假设一个男人以接近光速的速度走向一颗星球——假设这颗星球距离地球20光年。从地球的角度来看，这段旅程往返一趟所花费的时间差不多是40年。所以当这位男士归来的时候，他妻子已经老了40岁。但是对他来说，这却是一段非常短暂的旅程。如果他以接近光速的速度向前走，也许花费的时间还不到一秒钟（从实际角度来看，我们还要考虑一些限制条件，比如时间在不摧毁他身体的情况下加速或减速）。那么这两位究竟谁的时间框架是正确的呢？爱因斯坦认为两种框架都对，且这种正确性只能相对存在。
有些鸟类的寿命只有几年时间。如果你仔细观察它们的快速运动，就会发现它们正在以另一个标准来体验时间。人类也有同样的经历。儿童的变化速率以及他所经历的时间和成年人是不一样的。值得一提的是，我们会发现进化进程中时间的加速度与宇宙诞生时时间的加速度是迥然不同的。
指数级增长的本质就是宇宙中的事物在极其漫长的时间里发展得极为缓慢，但是一旦到达时间拐点，那么事物的增长就会呈现喷跃式发展。进入21世纪以后，我们对此会有更深刻的体验。
进化：时间在加速
太初有道……道成为血肉之躯。
——《约翰福音1：1，14》
宇宙中的很多事物根本无须任何解释说明。拿大象来说，如果分子学会竞相按照自己的形象创造其他分子，那么就可以看见大象以及其他类似大象的东西遍布各地。
——英国化学家彼得·阿特金斯
回顾过去时看得越远，展望未来时也能看得更远。
——英国前首相温斯顿·丘吉尔
本书后文会再次谈到时间曲线拐点的问题，但现在我们还是深入研究一下时间的指数性质吧。19世纪时，人们普遍接受了一套名为“热力学定律”的统一准则。6顾名思义，这些定律主要论述了热的动态特性，也是继一个世纪之前英国物理学家牛顿完善了经典力学之后该领域的首次重大细化。但当初牛顿描述的是一个完美而有序的世界，在这个世界里，大小不一的粒子和物体都极其有序地排列着，所有运动形式都是可预见的，而热力学定律描述的却是一个混乱不堪的世界。的确，这就是热的本质。热就是一种构成世界的各种粒子混乱而不可预期的运动的原因。热力学第二定律有一个推论，即在一个封闭的系统当中（其内部实体和力量的相互作用不受外部影响，比如宇宙），无序性（也叫作“熵”）会不断增加。因此，一切都取决于这个系统自身的性质。以我们生活的这个世界为例，这个系统的运转也每况愈下，越来越混乱。很多人认为混乱简直就是自己生活的真实写照。但在19世纪，人们认为热力学定律是一个恼人的发现。19世纪初，人们似乎认为统治世界的基本原则是简单易懂且整齐有序的，虽然还有一些细节问题等待发掘探讨，但人们已经掌握了统治世界的基本原理。热力学定律的出现挑战了这种自满心理，但这还不是最终结论。
热力学第二定律有时也被称为熵增定律。熵意味着智能的自然出现似乎是不可能的。智能行为与随机行为是截然相反的，任何一个能对自身环境做出智能反应的系统都必须是极其有序的。生命的化学构造非常复杂，智能生命的化学构造尤其如此。在日益混乱的粒子和能量之中，这个世界还是出现了一些构造非凡的生物。我们如何才能协调好智能生命的出现与熵增定律二者之间的关系呢？
这个问题有两种答案。第一种，熵增定律与进化过程似乎是矛盾的，因为进化是一个越来越有序的过程。但从本质上来说，这两种现象并不矛盾。生命的秩序是于巨大的混乱之中形成的，在生命进化这一更大的系统当中，多种生命形式的存在也并未明显影响该系统的熵测度。有机体并非一个封闭的系统，而是一个更大系统当中的一部分，我们将这个更大的系统称为环境，它的熵（无序性）很高。换言之，由于多种生命形式存在而表现出的有序性在衡量环境的总熵时根本微不足道。
因此，尽管宇宙中的无序性在增加，但进化过程却可能让复杂度和有序度同时存在并增加。7进化是一个过程，不是封闭的系统。它受外部影响，同时又可以对其包含的无序性善加利用。所以，熵增定律与生命和智能的出现并不冲突。
对于第二种答案，我们需要进一步探讨进化问题，因为进化是智能的缘起。
进化正呈指数级增长
正如前文所述，在宇宙诞生几十亿年以后，那颗极其普通的星球终于也形成了，它就是地球。在太阳能量的作用下，地球上的许多元素形成了越来越复杂的分子。于是，化学开始由物理学脱胎而来。
20亿年后，生命诞生了。也就是说，可以使物质和能量自身延续下来并永世不灭的模式成功地实现了永久化。然而，如此显而易见的生命重复模式直到几个世纪前才被人们发现，而且是如此非凡的发现。
随着时间的流逝，这些模式变得越发复杂，比分子链还要复杂。功能不同的分子结构组成了不同的分子群，于是，化学又衍生出了生物学。
于是，大约34亿年前，地球上第一批有机体——厌氧（不需要氧气）原核生物（单细胞生物）诞生了，它们有使自身长期生存的基本方法。接下来形成的早期新型生命形式包括简单的遗传体系，它们能够游泳，可以进行光合作用，这些都为更高级的耗氧有机物出现打下了基础。在接下来20亿年中，最重要的发展成果就是以DNA脱氧核糖核酸为基础的遗传学了，从此以后，人类就可以凭借这个学科来指导并记录进化的发展了。
进化过程的关键要求之一就是将进化结果以“书面”的方式记录下来，否则这一过程将注定一直在为已经解决的问题反复寻找答案。对最早的有机物来说，这些记录写在（嵌在）他们自己的身体中，即直接编码记录在其原始细胞结构的化学属性中。而以DNA为基础的遗传学创立之后，生物进化就好像设计了一台数字计算机，记录自己的劳动成果。同时这种设计也催生了其他更复杂的实验。7亿年前，分子集合——也叫作细胞，自身组织形成细胞群落，由此诞生了第一批多细胞动植物。在接下来的1.3亿年间，现代动物身体的基本构架进化完成，包括以脊髓为基础的骨架，这种构造使得早期的鱼类具备了高速游泳的能力。
因此，虽然生物进化历经几十亿年的时间才创造出第一批原始细胞，但随后的几亿年间，许多重大事件相继发生，进化速度骤然加快。86 500万年前，恐龙在大劫难中灭绝以后，哺乳动物开始统治地球（不过昆虫们恐怕对此持有异议吧）9。灵长类动物出现后，进化的过程就开始以几千万年作为单位来计算。10大约1 500万年前出现了类人动物，其主要特征是靠后腿直立行走，此时的进化速度开始以百万年为单位来计算。11
大约50万年前，我们这个物种——智人诞生了，智人的大脑更大，负责理性思维的那一部分极其盘曲的大脑皮层尤其大。从遗传学的角度来看，智人同其他高级灵长类动物并没有什么差别。他们与非洲的低地大猩猩DNA相似度为98.6%，与加里曼丹岛和苏门答腊岛的红毛猩猩的DNA相似度为97.8%。12自此之后，进化的故事将主要集中在由人类负责的各种进化变体（即技术）上。
技术：别样的进化
如果一个科学家说某件事情是可能的，那他基本上不会出错；但如果他说，某件事情是不可能的，那他就极有可能出错。
探索可能性极限的唯一方法就是再冒险一点，朝不可能的方向再迈进一小步。
所有先进的技术都与魔法无异。
——英国科幻小说家亚瑟·克拉克的“克拉克三定律”
机器和小提琴奏鸣曲或者欧几里得的定理一样，独特、辉煌而又意味深远。
——古典历史学者格雷戈里·弗拉斯托斯
技术的发展刚好赶上进化的指数级增长，虽然智人不是唯一使用工具的动物，但创造技术的能力却是它们独有的。13技术不仅仅包括精工细作以及工具使用，还包括工具制作过程的记录以及工具复杂性的进步。技术要求发明创造，其自身就是另一种进化形式。技术进化过程中的“基因密码”就是由会制作工具的物种所做的记录。早期生命形式的基因密码仅由有机物自身的化学成分构成，同样，有关早期工具的书面记录也是那些工具自身的构造。后来，技术进化的“基因”又演变成书面语言记录，如今，它们通常被储存在计算机数据库中。技术本身最终总会创造新技术，而我们也正在超越我们自己。
现在我们的故事要以万年为单位来度量了。那时的地球上有许多智人的亚种。大约10万年前，欧洲及中东地区出现了尼安德特人， 3.5万~4万年前，这种智人又神秘地消失了。尽管尼安德特人外形粗犷，但他们却是比较文明的物种，其文化当中包括精心准备的葬礼仪式——死者下葬时有饰品随殓，比如鲜花。现在我们还不清楚自己的智人表亲们身上究竟发生了什么，但显然他们与我们的直系智人祖先不太一样，后者大约出现在9万年前。类人动物的一些种类和亚种也开始创造技术，但只有最聪明、最上进的亚种动物才能幸存下来。这就在人类历史上建立了一种会不断自我重复的形式，即技术越发达的物种群体越能占据统治地位。也许这一趋势也不是什么好消息，因为在21世纪，智能机器将会在智能及技术复杂程度方面超越人类。
因此，大约4万年前，在所有的类人动物当中，我们的智人亚种被超越并淘汰出局了。
我们的祖先已经从早期的原始人类和人类亚种那里遗传继承了一些创新本领，比如在洞穴墙壁上记录事件、绘画、创作音乐、舞蹈、信仰宗教、发明先进的语言、生火以及制造武器等。人类花了几万年时间学会通过削尖石头的一侧来制造工具，接下来又用了几万年时间才琢磨明白把石头的两侧都削尖，锋利的边缘能让石头成为更有用的工具。然而，有一点很重要，那就是这些创新不但出现了，而且还传承了下来。在这颗星球上所有使用工具的动物中，唯有人类展示出工具运用方面的创新能力并将这种能力保持下来。
还有一点很重要，那就是技术。与孕育技术的生命形式的进化过程一样，技术本质上也是一个不断加速的过程。技术创造的地基——例如将石头的一侧磨出锋利的边缘，要花费很长时间才能得到完善，不过对于人类创造的技术来说，很长时间不过意味着几千年，不像众多生命形式的进化那样，仅是缘起过程就要几十亿年之久。
与生命形式的进化一样，随着时间的流逝，技术的发展步伐加速很快。14举例来说，19世纪的技术发展速度远远超越了前几个世纪，运河和庞大船只的建造、铺面道路的诞生、铁路的普及、电报的发展、摄影技术、自行车、缝纫机、打字机、电话、留声机、电影、汽车等新生事物的不断涌现，当然还有爱迪生的电灯泡。21世纪头20年，技术的发展持续呈指数级增长，这一增长速度相当于整个19世纪的增速。如今，短短几年时间里就会发生很多重大转变。有很多事例可以表明这一点，其中最有代表性的一个例子就是20世纪90年代通信领域的革命——万维网，这是前所未有的。
什么是技术
技术是进化另辟蹊径的延续，因此其发展速度也在以指数级的速度推进。“技术”一词的英文Technology由希腊语当中的tekhnē和logia两个词衍生而来，前者意为“手工艺”或“艺术”，后者意为“……的研究”。因此，“技术”一词有一个义项便是“手工艺方面的研究”，其中“手工艺”指的是“为了某一实际目的而塑造资源”。这里我选用了“资源”而非“材料”一词，其原因在于，技术还包含对非材料资源的塑造，比如信息。
技术通常被定义为人类为获得控制环境的能力而发掘的创造工具的技艺。然而，这一定义并不充分。使用工具乃至创造工具的技艺并不是人类独有的。苏门答腊岛上斯瓦克杨桃园沼泽中的红毛猩猩用长棍作为工具撬开白蚁的巢穴；乌鸦懂得使用木棍和树叶制作工具；切叶蚁把干树叶和自己的唾液混合在一起制造糨糊；鳄鱼也会用树根来固定死去的
猎物。15
人类的独特之处在于运用知识——记录下来的知识，来制造工具。知识库代表了不断发展的技术的遗传密码。由于技术已经得到发展，该知识库的记录方法也从古生物的口头记录传统转变为19世纪的手艺人运用文字做的记录，再发展到20世纪90年代用电脑协助设计的数据库，记录的手段也在不断发展。
技术还意味着对其构成材料的一种超越。如果某项发明的各种元素以正确的方式集合在一起，就能产生一种奇妙的效果，而构成它的单个元素是达不到这个效果的。1875年，美国发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔无意中用电线把两个移动的鼓和螺线管（用电线缠绕而成的金属芯）连接在一起 ，得到的这个“装置”效果竟然远远超越了原来用的材料。人类的声音有史以来第一次被神奇地传送到远处。其实大部分元素都是随机聚集在一起的。但是当许多材料（在现代技术当中便是指信息）以正确的方式集合在一起，就会产生超越性的效果。物体集合在一起产生的力量要远远大于各部分力量之和。
在艺术领域同样也存在超越现象，将这种超越视为人类技术的另一种形式也许更合适。把木头涂上漆，再把它和细线用正确的方式集合在一起，得到的装置简直令人惊异：小提琴、钢琴。如果以正确的方式使用这些器具，那又会产生另一种魔法般的效果：音乐。音乐远远超越了声音。音乐能唤起回应——认知的、情感的，也许还有心灵的，对听音乐的人来说，这又是另一种形式的超越。所有艺术形式都有一个共同目标：让艺术家与听众交流。这种交流并不是简单朴素的数据沟通，而是现象学花园当中一种更为重要的形式：感觉、想法、经历、向往。在希腊语当中，tekhnēlogia的意思也包括艺术，是技术的一种重要体现。
语言是人类创造的另一种技术形式。技术的基本应用领域之一就是交流，而语言为人类交流提供了基础。交流是一种重要的生存技能，有了它，人类家庭和部落就能群策群力共同战胜艰难险阻。其他动物也懂得如何交流，猴子和猿使用复杂的手势和咕哝声来交流各类信息；蜜蜂找到了隐藏的花蜜后，也会通过舞动“8”字形图案来传递信息；马来西亚的雌性树蛙会跳踢踏舞来吸引雄性；螃蟹用朝一个方向挥动钳子来警示同伴存在危险，但会用另一种节奏挥动钳子来求偶。16不过这些方法似乎并没有进化，只是通过以DNA为基础的常规方式在演变而已。这些物种无法记录其交流方式，因此这些交流方式只能原封不动地代代相传。相比之下，人类的语言一直在进化，各种形式的技术也一直在进步。结合不同时期的不同语言形式，技术为人类提供了与时俱进的方法来记录和传播其语言。
智人对我眼中那些技术形式的运用与培养也是独一无二的，比如艺术、语言、机器等等，这些都表明进化在以不同的方式进行。20世纪60~90年代期间，据说一些认知能力较强的灵长类动物已经掌握了语言技能，它们的水平至少和孩童相当。黑猩猩拉娜和坎齐能按顺序按压带有标记的按钮，据说大猩猩华秀和可可会使用美式手语。许多语言学家对此提出质疑，他们指出很多灵长类动物的“句子”其实只是一些含混不清的发音，比如“Nim eat，Nim eat，drink eat me Nim，me gum me gum，tickle me，Nim play，you me banana me banana you”，即便我们怀着非常宽容的态度来看待这种现象，这也只能证明它是上述论证的一个例外。人们认为这些灵长类动物正在使用语言，但它们并没有推动这些语言的进化，似乎也没有自发地发展这些技能，对这些技能的运用也十分有限。17它们最多也就是为一项人类独有的发明尽其绵力而已，这项发明就是运用递归的（自我参考的）、象征性的、不断演变的交流方式，我们称之为语言。
技术的必然性
一旦一颗星球上有了生命，我们就可以认为这颗星球上必然会诞生技术。通过技术来扩大一个人的生理能力——更不用说智力了，对生存来说显然非常奏效。技术使得我们这些生命亚种具备支配自己所处生态环境的能力。技术要求其创造者具备两个属性：智能以及操控环境的体能。我们将在第四章中对智能的本质做更多探讨。智能明确呈现了对有限资源（包括时间）进行最佳运用的能力，从本质上来说，这种能力有益于生存，因此备受推崇。这种控制环境的能力非常实用，否则有机物只能任由环境来安排自己的安全、食物，全凭环境来满足自己其他方面的需求。因此，作为一种有机物，迟早要具备上述两种属性。
计算能力的必然性
将人类描述为制作工具的动物其实还算准确。支持人类早期尚未开化的生活的，正是那些最简单的工具及其最粗糙的构造，在机械设备替代人类方面取得的最新成就不仅替代了人类双手的技能，更减轻了人类脑力的负担，这些成就都可以通过使用更高层次的工具来实现。
——查尔斯·巴贝奇
我们仔细回顾的那些基本过程——宇宙的演进、生命形式的进化以及后来的技术进步都是呈指数的，有些逐渐减速，有些逐渐加速。那么它们推进的共同主线是什么呢？为什么进化在加速时宇宙却在以指数级减速呢？答案会令诸位大吃一惊，但这些答案却是了解21世纪的基本条件。
在我试着回答这些问题之前，我们先研究另一个加速度的相关案例：计算的指数级增长。
在生命形式进化的早期，某些特化器官逐渐拥有了一种既能维持体内状态稳定又能对体外刺激做出不同反应的能力。从那以后，这种能力逐渐演变为更加复杂也更有能力的神经系统，能够储存大量记忆，能够通过视觉、听觉和触觉的刺激进行模式识别，还能够参与更加复杂的推理活动。记忆能力以及问题解决能力（即计算能力）已是多细胞生物进化过程中具备的最高级能力。
在人类创造的技术的发展过程中，计算能力也具有同样的价值。如果某个产品既能维持内部状态稳定又能对外部的不同情境做出不同反应，那么这种产品将更加有用。在帮助强化人类的力量之后，机器开始积攒记忆的能力以及进行逻辑操纵的能力。中世纪时期的简易凸轮、齿轮以及杠杆装置的组合使用为欧洲的文艺复兴贡献了力量。17世纪出现的机械计算器也比以往更加复杂，在1890年美国第一次自动化人口普查中发挥了重要作用。第二次世界大战期间，计算机至少在一个战场中扮演着至关重要的角色，而且从那以后发展得越来越快。
……
