推薦序
讀懂已故天才馮·諾依曼，
破解21世紀(jì)的復(fù)雜性之謎

霍金曾說，“我認(rèn)為，21世紀(jì)將會是復(fù)雜性科學(xué)的世紀(jì)”。的確，隨著人類進(jìn)入21世紀(jì)，我們面臨各種問題：氣候危機(jī)、生態(tài)破壞、技術(shù)奇點、AI覺醒、金融危機(jī)、大國博弈……而所有這些史無前例的挑戰(zhàn)都有一個共同的名字：復(fù)雜性。20世紀(jì)80年代，以尋找各式各樣復(fù)雜系統(tǒng)背后的共同規(guī)律為使命的復(fù)雜性科學(xué)應(yīng)運而生，這一學(xué)科不再受限于學(xué)科體系，而是站在統(tǒng)一的視角，嘗試尋找知識體系的重新統(tǒng)一。飛鳥如何聚集成群？螞蟻群體如何覓食？大量分子如何組裝成生命？神經(jīng)元細(xì)胞的互聯(lián)與放電如何形成大腦中的思維和意識？……所有這些問題都是復(fù)雜性科學(xué)嘗試回答的重大問題！

然而，當(dāng)我捧起《來自未來的人》這本書的時候，我驚奇地發(fā)現(xiàn)，對復(fù)雜性相關(guān)問題進(jìn)行深入思考，并取得若干開創(chuàng)性研究成果的人早在20世紀(jì)初就已經(jīng)出現(xiàn)了，他就是大名鼎鼎的天才科學(xué)家約翰·馮·諾依曼。我甚至覺得，馮·諾依曼正如這本書書名所說的那樣，很有可能是于今天甚至未來穿越回20世紀(jì)初的人，因為他的思想太超前了！深入閱讀這本書，細(xì)細(xì)品味和解讀馮·諾依曼的思想，你不僅能夠消除對當(dāng)今世界的諸多困惑，還有可能感悟到生命、智能和意識的本質(zhì)，乃至洞悉人類未來的前進(jìn)方向！

你對如下問題有困惑嗎？中美之間的大國博弈將何去何從？國與國能否從競爭走向合作？冷戰(zhàn)結(jié)束后，為何世界反而會硝煙再起？要破解這些問題，就需要利用馮·諾依曼與經(jīng)濟(jì)學(xué)家莫根施特恩一起開創(chuàng)的博弈論了。要想直面現(xiàn)實世界的復(fù)雜性，我們還必須理解人與人、國與國之間互動背后的數(shù)學(xué)原理。博弈論是數(shù)學(xué)的一個分支，它直接用簡單的數(shù)學(xué)語言將人與人、國與國之間的“鉤心斗角”進(jìn)行了建模與刻畫。

博弈論中的一個經(jīng)典案例就是囚徒困境。假設(shè)有兩個小偷同時被警察抓了起來，并被分別審訊。如果兩人都招供的話，結(jié)果最糟，兩人都要受5年監(jiān)禁。如果兩人都不招供的話，則結(jié)果最好，兩人都將被囚禁2年。但是，如果一個人招供，另一個人卻守口如瓶，守口如瓶的小偷就會倒大霉，會被囚禁10年，而那位背叛者，也就是招供的人，卻會被無罪釋放！這一博弈把人類世界中復(fù)雜的人際關(guān)系刻畫得淋漓盡致：盡管兩人最好的結(jié)果是都不招供，但是脆弱的人性卻會讓人傾向于把對方供出來，而使個人獲得最好的結(jié)果。然而，自私與貪婪是人的天性，所以最終的結(jié)果一定是都招供——這是一個納什均衡，也就是在囚徒困境中，兩名囚犯的最終“宿命”。整個博弈可以用一個2行2列的表格加以完備描述，這就是數(shù)學(xué)的優(yōu)美之處！它可以運用簡單的數(shù)學(xué)語言刻畫復(fù)雜的人際互動，而這一思路最早始于馮·諾依曼。

然而，博弈論在剛剛問世的時候并沒有受到經(jīng)濟(jì)學(xué)家、社會學(xué)家的青睞，原因是它太過數(shù)學(xué)化了，而且思想太超前了。但是，就在約50年后的1994年，美國數(shù)學(xué)家約翰·納什就與約翰·海薩尼和德國的賴因哈德·澤爾滕因博弈論而獲得了諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎。此后，1996年、2001年、2005年、2007年、2012年、2014年、2020年的諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎所授予的研究者的研究都與博弈論有著深刻的聯(lián)系！由此我們不難窺見馮·諾依曼思想的影響力和超前性。

生命的本質(zhì)是什么？恐怕幾乎所有的智慧生命或多或少會對這樣的問題充滿興趣。馮·諾依曼自然也不例外。然而，與普通人不同的是，馮·諾依曼對生命本源的思考卻能夠開創(chuàng)最早的一批復(fù)雜性科學(xué)的研究！在他生命的最后10年，馮·諾依曼的研究重點轉(zhuǎn)向了自復(fù)制自動機(jī)。

為什么要讓機(jī)器自己復(fù)制自己呢？馮·諾依曼給出的理由絕不是讓機(jī)器模仿生命這么簡單，而是基于對當(dāng)時人造機(jī)器某種缺陷的改造！馮·諾依曼敏銳地發(fā)現(xiàn)，在單調(diào)的重復(fù)性工作中，人造機(jī)器會不斷地犯錯、退化、衰敗下去，甚至最后停止工作。然而，當(dāng)我們放眼龐大的地球生態(tài)系統(tǒng)，自然生命體卻能夠始終茁壯成長，甚至不斷地自我進(jìn)化。仿佛有一條巨大的鴻溝橫亙在人造機(jī)器與自然生命之間，而馮·諾依曼懷疑，這一鴻溝與自我復(fù)制的能力有關(guān)。于是，馮·諾依曼開始在頭腦中構(gòu)思一臺能夠復(fù)制自身的機(jī)器，希望機(jī)器最終能夠跨過這條鴻溝。

然而，受限于當(dāng)時制造工藝和機(jī)器的運算能力，馮·諾依曼并沒有在現(xiàn)實世界中構(gòu)造這臺機(jī)器，而是接受了數(shù)學(xué)家朋友斯塔尼斯拉夫·烏拉姆的建議，在一個二維的虛擬宇宙中開始了他的自復(fù)制自動機(jī)的構(gòu)造。這一研究不僅讓他最終能夠在有生之年幾乎完成了整個機(jī)器的設(shè)計，也激發(fā)了更多的最早一批復(fù)雜性科學(xué)的研究，也就是元胞自動機(jī)（cellular automata）這一有趣的領(lǐng)域。

什么是元胞自動機(jī)呢？我們不妨看一看城市中絢麗多彩的霓虹燈。這是由一大堆一閃一滅的小燈泡構(gòu)成的陣列，然而，當(dāng)我們從遠(yuǎn)處觀察這一堆燈泡的時候，卻能看出有意義的圖案或文字：這里有一排文字，那里有一大朵花，這里多了一條鯊魚！所有這些圖案或文字全都是設(shè)計師事先編排好的程序。元胞自動機(jī)正是一種由大量“燈泡”規(guī)則排列而成的“霓虹燈”，不同的是，元胞自動機(jī)的“燈泡”是遵循固定的規(guī)則來閃爍的，這些規(guī)則規(guī)定了每個“燈泡”的閃滅是如何根據(jù)它周圍的燈泡決定的，而不需要任何人為的事先的程序編排。因此，這些一閃一滅的燈泡可以根據(jù)規(guī)則自己決定如何變換圖案！正是在這樣一種由29種顏色構(gòu)成的“霓虹燈”上，馮·諾依曼成功地構(gòu)造出了他的自復(fù)制自動機(jī)！

元胞自動機(jī)最迷人的地方就在于，其簡單的相互作用規(guī)則就能夠創(chuàng)造出幾乎無窮的復(fù)雜性。例如，著名數(shù)學(xué)家約翰·康威正是受了馮·諾依曼的啟發(fā)而發(fā)明了著名的“生命游戲”這一黑白兩種顏色的元胞自動機(jī)。而這一“游戲”無疑是簡單規(guī)則導(dǎo)致復(fù)雜現(xiàn)象涌現(xiàn)的經(jīng)典案例。科學(xué)家們甚至能夠證明，“生命游戲”支持通用計算，這意味著，我們完全可以在“生命游戲”這一模擬的宇宙中，再造一臺計算機(jī)！今天，元胞自動機(jī)已被應(yīng)用于包括交通流模擬、城市規(guī)劃、生態(tài)系統(tǒng)演化等諸多實際領(lǐng)域，可謂碩果累累。

元胞自動機(jī)需要用強(qiáng)大的計算機(jī)器來模擬，同樣，復(fù)雜性科學(xué)研究更加離不開計算機(jī)！我們?nèi)缃袷褂玫挠嬎銠C(jī)，無論是臺式機(jī)，還是筆記本電腦、掌上計算機(jī)，都遵循同樣的體系結(jié)構(gòu)！也就是使用CPU、總線、內(nèi)存、外圍設(shè)備等一系列結(jié)構(gòu)共同搭建起一臺復(fù)雜的機(jī)器，讓它完成各種復(fù)雜的計算。而這一體系結(jié)構(gòu)實際上已經(jīng)誕生70多年之久，它的發(fā)明人正是馮·諾依曼。盡管第一臺計算機(jī)ENIAC（埃尼阿克）并非馮·諾依曼發(fā)明的，但是當(dāng)馮·諾依曼訪問了賓夕法尼亞大學(xué)的ENIAC研發(fā)小組時，他就敏銳地發(fā)現(xiàn)了ENIAC設(shè)計中的缺陷，從而大刀闊斧地進(jìn)行了改裝，并在新一代的機(jī)器EDVAC（離散變量自動電子計算機(jī)）之中實現(xiàn)了大名鼎鼎的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)！而這一體系結(jié)構(gòu)一直被我們使用至今。

然而，如果你以為馮·諾依曼對計算機(jī)科學(xué)的貢獻(xiàn)僅此而已，那你就大錯特錯了。他的另一研究領(lǐng)域很有可能在未來的量子計算時代大放光彩，這就是量子信息。早在1932年，絕大部分人對量子力學(xué)還很陌生的時候，馮·諾依曼就出版了那本著名的《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》，并從嚴(yán)格數(shù)學(xué)的角度，奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。然而，同樣是因為這本書的數(shù)學(xué)原理太晦澀了，絕大部分人忽視了它的價值。直到多年后，一位當(dāng)時名不見經(jīng)傳的物理學(xué)家約翰·貝爾才重新發(fā)現(xiàn)了這本書的價值，從而提出了能夠區(qū)分經(jīng)典物理和量子物理的關(guān)鍵不等式——貝爾不等式。就在2022年，貝爾不等式的相關(guān)研究成果才受到諾貝爾物理學(xué)獎的青睞。這再一次證明，馮·諾依曼的洞見遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了時代。

氣象系統(tǒng)的模擬、彈道導(dǎo)彈的精確設(shè)計、人腦與計算機(jī)的比較、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)建模等，都是馮·諾依曼曾經(jīng)涉獵的領(lǐng)域。而今天的科學(xué)發(fā)展已經(jīng)證明，所有這些無疑都與復(fù)雜性科學(xué)存在著或多或少的聯(lián)系。然而，“來自未來的穿越者”馮·諾依曼給我們透露的“天機(jī)”絕不止這些，深入閱讀《來自未來的人》這本書，你也許還會嗅到更多破解未來復(fù)雜性謎題的關(guān)鍵信息。

馮·諾依曼的助手阿瑟·伯克斯幫忙整理的《自復(fù)制自動機(jī)理論》手稿，除了包含自復(fù)制自動機(jī)的具體設(shè)計思想，還包括大量有關(guān)復(fù)雜性與熵、信息論、熱力學(xué)、自我指涉（self-reference，簡稱“自指”）、哥德爾定理、圖靈停機(jī)問題等復(fù)雜性科學(xué)中的核心概念與問題。我認(rèn)為，馮·諾依曼所發(fā)明的自復(fù)制自動機(jī)，在本質(zhì)上是一種自指結(jié)構(gòu)，而這種自指能力與我們的自我意識和智能，也有著密切的關(guān)系！什么是自我意識呢？顧名思義，就是人類能夠反思自身的一種能力。正是憑借著這種自我反思的能力，人類智能才能勉強(qiáng)比如今最先進(jìn)的人工智能略勝一籌。當(dāng)我們思考這個當(dāng)下正在思考的自我的時候，實際上我們的大腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)就會發(fā)生某種神奇的變化，使得一種“自我模擬”的邏輯結(jié)構(gòu)可以在大量神經(jīng)元上實現(xiàn)！而“自我模擬”其實就是一種特殊的自指結(jié)構(gòu)，因此，我們可以找到自我意識問題與生命自我復(fù)制之間的一種同構(gòu)！這種同構(gòu)意味著生命的本源與意識的本質(zhì)乃至智能的本質(zhì)可能存在著某種共通的規(guī)律，而這一規(guī)律才是馮·諾依曼真正超前的洞察。也許，憑借著這一洞察，我們終究能夠創(chuàng)造出具備自我意識的機(jī)器！

一旦自我意識機(jī)器出現(xiàn)，人類可能將會遭遇技術(shù)奇點！所謂的技術(shù)奇點，就是指人工智能在各方面的能力都超越人類的那個未來的時間點。大部分讀者可能會通過谷歌科學(xué)家雷·庫茲韋爾寫的《奇點臨近》這本書了解到這一說法。但你可能并不了解的是，第一個使用“奇點”一詞來描述技術(shù)，并指出人類未來的進(jìn)化將有可能讓位于機(jī)器這一預(yù)言的人并不是庫茲韋爾，也不是“技術(shù)奇點”概念的提出者弗諾·文奇，而是這本書的主角：馮·諾依曼。在1958年出版的《向馮·諾依曼致敬》這一文集中，馮·諾依曼的老友烏拉姆曾引述了一段自己與馮·諾依曼的對話：“我們集中討論了科技的不斷加速進(jìn)步和對人類生活方式的改變，這給人的感覺像是在接近人類歷史中的某種本質(zhì)奇點，超越了這個奇點，我們所熟知的人類的社會、藝術(shù)和生活模式，將不復(fù)存在。”這是有史以來，人類第一次使用“奇點”一詞描述技術(shù)。

更有意思的是，作為一名專業(yè)的數(shù)學(xué)家，馮·諾依曼真正用心鉆研的領(lǐng)域既不是計算機(jī)設(shè)計，也不是博弈論，而是一個純數(shù)學(xué)分支，以他的名字命名的“馮·諾依曼代數(shù)”。再一次，由于過度抽象，人們忽視了它。然而，正是這樣一個異常抽象的領(lǐng)域，后來卻產(chǎn)生了多個菲爾茲獎（數(shù)學(xué)領(lǐng)域的諾貝爾獎）獲得者。后來，分子生物學(xué)家利用這一領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展，了解了細(xì)胞是如何解開細(xì)胞核內(nèi)緊密纏繞的DNA的。同時，物理學(xué)家卡洛·羅韋利和數(shù)學(xué)家阿蘭·孔涅利用馮·諾依曼代數(shù)的一種解決了“時間難題”：雖然我們能感知到時間在“向前”流動，但對為什么會這樣卻沒有一個統(tǒng)一的解釋。這兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，時間的這種方向性來源于馮·諾依曼代數(shù)中的不可交換性。

在我們的印象中，科學(xué)家大多數(shù)是對某一個領(lǐng)域進(jìn)行深入鉆研，卻對其他領(lǐng)域的人情世故毫不關(guān)心的書呆子。然而，馮·諾依曼卻完全不是這樣。他不僅在科學(xué)研究領(lǐng)域四處開花，并在多個領(lǐng)域取得了開創(chuàng)性成果，還是一位名副其實的社交達(dá)人。他不僅經(jīng)常組織派對，開著豪車到處招搖，還積極主動地幫助美國軍方制造原子彈。在他臨終的病榻前，聆聽他最后遺言的人包括美國政客、軍隊高官，以及蘭德公司的重要人物！也許，只有這樣的各領(lǐng)域的通才，才真正能夠在復(fù)雜性科學(xué)領(lǐng)域游刃有余吧。

馮·諾依曼絕對是一本值得反復(fù)閱讀的秘籍！也許未來破解人類社會各種復(fù)雜性謎題的關(guān)鍵就隱藏在了馮·諾依曼一生豐碩的研究成果之中！相比其他的馮·諾依曼傳記，《來自未來的人》這本書則更加重視每一個研究領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)。因此，閱讀這本書，相當(dāng)于在讀一本馮·諾依曼版的復(fù)雜性科學(xué)綜述！

讀懂馮·諾依曼，也許人類就能破解21世紀(jì)的諸多復(fù)雜性謎題！

張江

2023年8月20日

于浙江紹興