柏拉图的篝火与技术呆子的分层模型

混沌巡洋舰 Today

几千年前的先哲认识世界的逻辑在今天依然影响着我们，柏拉图认为真实世界的真理全部都已在宇宙中藏好，是不以任何意志为转移的客观的存在，旨在人们去发现。而亚里士多德认为真实世界会因人类的探索而得到扩展，我们发现它的规律，再利用它创造真实世界原本所没有的东西，于是就此丰富了原本的世界。

柏拉图与技术呆子

作者：爱德华·阿什福德·李

加州大学伯克利分校的爱德华·阿什福德·李教授在这里自称是个技术呆子，面对本书的封面标题，你可以将其视为是作者在幽暗星光下与古代先贤的所作出的自言自语的内心对话。在这晦涩难懂、高深莫测的漫漫长卷中，出现最多的词汇是“模型”和“范式”。简要的说，模型用抽象的或形象的方法描述世界的内在规律，而范式是公认的模型。

一、关于模型和范式

先哲们提出，在这个世界上存在一些少数的、在普遍意义上决定世间万物的底层真理，它们无条件成立，不需要你去证明或者证伪。为此，柏拉图甚至追求的绝对理想的球体，或是天体运行中神圣高贵而不可侵犯的匀速圆周运动，它们被世人称为柏拉图空间的完美形象。

但在现实中，任何球体都不是真正的理想球体，人们也没有观察到任何天体做出完美理想中的匀速圆周运动。回头看去，柏拉图所提出并追求的所谓绝对真理并不能独立于人类而客观存在，它们更像是一些人工的、使用数学工具想象出来的理想模型。然而，模型是被发明出来的，不是被发现的。现在，有两类人在为我们研究模型，一种是研究科学模型的科学家，一种是研究技术模型的工程师（技术呆子）。

在社会的普遍眼光中，科学家常被人视为是追求或掌握真理的人，而工程师在人们心中的地位则要低的多，即便两者研究的都是模型。李教授说，事实上所有模型都是错的，但很多有用。比如人类建立大学并组成跨国的学术共同体在漫长的研究和积累中形成了一大批分类成各种学科的科技范式宝库，广义上可以将它们分为科学范式和技术范式两大类。

科学家发明法则和理论，工程师应用它们。看起来科学范式研究真理，技术范式研究应用（而社会范式、文化范式等等用来组织和配套人类大规模协作的社科类范式，都可以视为包含在广义层面的科学模型和范式之中）。当我们要验证诸如相对论这样的经典理论所预言的引力波的存在时，需要1000多位科学家和工程师的集体智慧共同为LIGO这样花费几十亿美元的超级工程实现超精密测量能力提供模型构件。

在这里，科学家所做的是构思出无限接近真实世界规律的模型，而工程师们需要在成千上万个科学和技术知识的复杂组合和影响下想象出真实世界里从来不曾出现过的复杂模型，其中一些由最高级想象力所创造出来的东西还被其他同行们高度认可形成公认范式，并把它造出来，并让其工作，验证奇迹。显然，在某些情况下后者的工作更加困难。

科学家依据对真实世界的观察发明了一个真理模型并形成了科学范式，工程师们为了验证这个模型的而发明了更复杂的技术模型和范式改造了真实世界，于是真实世界得到了丰富。

二、关于科学的分层和转换

我们通过分子了解晶体，通过晶体了解砖块，通过砖块了解墙壁。在既定的范式基础上继续研究是科学的常态。科学通过分层的方式层叠起来形成各个学科的知识体系。在发展速度突飞猛进的电子工业中，科学家负责的方向是深入微观世界研究半导体物理学。在此，科学范式的进步正在朝着柏拉图理想形象的方向发展。科学家通过对电子的研究建立了电子能级理论，通过对原子和分子的轨道系统研究发展出了能层理论。

而对于一个由无数原子和分子组成的致密固体，科学家创造了能带理论模型，从而创造了能带间隙、满带和空带概念，得到了价带、禁带和导带概念。于是当我们面对导体，可以认为其能带间隙在某种程度上可以忽略，因而在其内部的不可计数的以共价键系统组成的八隅体结构阵列中，其低能级到高能级的能带之间紧密无间～可以近似的视作是个能量连续体~它实质上拥有一个宽阔自由的能带系统。在适当条件下，电子可以在其中随意的变轨。

对于一个绝缘体来说，其物质的能带间隙非常巨大，电子活动的区域不连续。就算低能级区域的电子轨道不饱和，也只能在被一一固定在轨道上，因为低能级能带区域是没有什么多余的轨道空间的。电子除非进行难度较大的高能跃迁到达高能区的能带轨道，否则将被永远困在这里。在低能级区域不会产生多少空穴，在高能级区域不会产生多少电子迁移，在绝缘体物质内部缺少电子的流动空间，也就很难形成电流了。

对于一个半导体材料来说，其物质的能带间隙很小，在合适的环境刺激下其低能级区的电子就能形成跃迁～进入高能的空能带区域从而获得流动空间，导电效果也就良好了。而一旦发生这种情况，它们原本的满能带区域会出现很多不饱和轨道，看起来就像是一个个的电子空穴。然后更低能级轨道上的电子会在环境温度的刺激下填满这些空穴，而在更低位轨道让出空穴。在我们的观察角度看来就像是一种正电荷在电流中反向移动。这不是正电荷，它只是电子移动中留下的空穴。

这时我们已经进入了半导体物理学，向前走，我们就会得到N型半导体和P型半导体，然后得到晶体管。继续沿着既定的基础科学范式朝宏观世界的方向（向上层级）开展研究，研究对象的规模和结构复杂度会成几何倍数增加，科学模型的精确度会下降。这时工程师会接管科学家的工作，他们的创作精神是忽略微观系统的混沌现场，创造技术模型发挥威力。在米德和康维的《超大规模集成电路导论》诞生后，半导体物理学家根据材料的物理性质制定出芯片的设计规则，从而将物理学家和芯片设计师区分出来。由此来看，处在计算机科学底层的半导体物理学是大自然的，其他上层学科都是人工主观抽象出来的。

科学范式并不是一成不变的。在一个领域中，当新的科学模型得到公认并成为范式后，当同期存在的旧范式在某些局面持续出现却无法解决的异常状态时，就会发生科学范式的转换。在古代，旧的医学范式会对现代人所说的病毒性感染解释为外邪入侵，须要服用各种草药人体才能祛风辟邪恢复健康。到上世纪30年代，电子显微镜的发明让我们成功看到了病毒结构。到上世纪60年代，技术进步让我们了解了DNA双螺旋结构，进而发现了病毒进入人体-入侵细胞核-控制遗传物质的合成工厂-复制病毒-占领其他细胞的全部过程。

技术进步大大拓宽了我们对一个领域的研究视野，增加了认知对象的复杂度，但也发展出了更加接近真实世界的知识范式，从而推动了新旧范式的转换。但事实上，在现代社会依然有人在声称外邪入侵，提倡人们熬制草药。可见，科学范式的转换并不是突然发生、完成的。一个新的、更先进的科学范式取代旧的并不是通过说服对手获得胜利，而往往是由于旧范式的信众渐渐减少，新范式的受众越来越多~从而在时间长流中缓慢完成交替和转换。

三、关于技术的分层和转换

系统的复杂度呈现数量级般的增长，同样是推动技术范式分层的最重要原因。在电子工业领域，科学家和工程师在材料物理的指导下发展出了半导体物理学，发现了晶体管效应。鳍式场效应晶体管只有20纳米的大小，理论上可以在1平方厘米上放置2500亿个。算上电路的空间和两个晶体管之间必要的防止电磁干扰的空间，一个1.77平方厘米的面积上可以放置14亿个。

我们有能力预见晶体管以万亿计的规模组合在一起时可以实现极其复杂的功能，但我们没有能力直接对14亿个晶体管进行编程和控制。所以工程师们发明了数字开关，创造了逻辑门，然后向上不断分层出逻辑图-数字机器-指令集体系-编程语言-库-云计算。产生技术范式分层的原因是，正在发展和使用的系统的复杂性远远超过了人类控制它们的能力，编程语言的出现是因为对渐渐变的超级复杂的硬件阵列编写机器码或是汇编语言的难度已经相当大了，我们必须创作出高于当前技术的新的抽象层。

你根本不需要去关心每一个不可计数的电子在晶体管电路中的高能舞蹈，作为一名工程师，我们需要让模型和分层出来的新模型在范式系统中完成我们的期望任务。IBMsystem/360指令集、X86指令集、X86架构的计算机架构师直接跳过了对机器硬件和指令集的设计，他们在一个与自然科学分离的幻想层中工作，工程中的技术模型的每一层之间相互深度层叠，每层的设计都影响上下相邻的两层。而进入编程语言层所产生的数字技术很大程度上消除了物理约束。

在这里，人类的想象力和吸收新的范式的能力是限制创新的要素，而不是技术和物理学。在通信技术维度，工程师在物理层实现有线或无线的电波信号，在数据链路层实现两个节点之间传输一个比特帧，在网路层实现在一个多结点网络对数据包进行路由，在传输层保证数据的可靠传输，在会话层将多个应答数据的交换视为一个单元，在表示层将数据模式解释为文本、图像、数字等等等等，最后在应用层执行App直接使用网络服务。工程师的工作是创造他们想象出来的系统，而不是去发现自然界中存在的系统。实践中，我们看到在固定的范式结构中，新的分层对旧的进行替换丝毫不影响对底层半导体硬件范式的使用，而晶体管范式在下层的技术改造也不会妨碍我们的任何一种处在上层的编程语言开展工作。

复杂度推动技术分层，也推动技术的范式转换。日益增长的复杂性积累会出现新的范式转换机遇，最终会引发范式革命，比如在没有任何技术创新和概念创新的前提下苹果手机的出现形成了一个新的移动平台范式层。iPhone在几年内就迅速摧毁了传统手机在市场中的庞大江山，乔布斯将成熟技术组合起来完成的伟大创新所导致的分层范式转换在相当短的时间内实现了对旧范式的替换，他没有给旧势力任何喘息时间。技术范式的分层和转换要比科学范式的分层和转换激烈的多。

作者在书中提及了一个设备在网络中的价值计算公式：网络价值与网络上兼容设备数量的平方成正比。1台设备在网络中的价值是1美元，那么10台设备在网络中的价值是：1美元*10²=100美元。现在，iPhone这类设备在我们的网络中连接了60亿部，而更广阔的物联网正在扑面而来。不计其数的设备不断接入网络所产生的超大规模复杂性必将推动网络技术层面的范式革命。

在可预见的将来，互联网保险公司会在大数据的指导下，得到你每一次驾车习惯的数据，你长期多年的用餐习惯，睡眠习惯，以此评估你的健康风险和驾车风险，从而个性化你的保单金额，不良习惯的人保额更高，而各方面习惯良好的人保额更低。在不知不觉中，你已经被大数据完成分层了。

三、关于人类社会的组织范式

复杂度所影响的范式转换和技术的分层无处不在。在社科领域，大航海时代的欧洲创造了新的利益来源渠道和分配次序。在欧洲不同地域的发生路径上，先后诱发了英国工业革命和法国大革命。为了面对雨后春笋般发展出来的私营工厂，英国议会政府的管理范式不得不被动的跟从社会剧变走向现代。而法国大革命对欧洲乃至世界各地的政治和文化造成了巨大的观念冲击，并且开启了一种新的战争范式。旧欧洲贵族战争的动员规模往往局限在贵族领地，但法国大革命让人人平等和人民主权的观念深入人心，使能够被动员的不仅仅限于贵族和他的领地之内~而是全体国民。配套演变出来的民族主义又加速了动员效率、降低动员成本，拿破仑因此得以横扫欧陆。

在国际竞争中，越来越多的国家采用最新的社会组织范式和工业范式，大大增加了组织规模和国际秩序的复杂度。人类在意识形态领域的导师们不得不开发出更高级的范式分层模型。在民族主义的思想范式下，威尔逊代表美国所主导的民族自决理论瓦解了所有国家的殖民地扩张叙事，亚非拉各国在二战后纷纷建国独立。而列宁主张的Class Struggle理论不再以任何民族为单位进行叙事，而是以超越民族的阶级发展出全球性的国际主义目标。在此基础上斯大林重新定义了民族，强硬回应了威尔逊的民族自决。在斯大林的民族理论中，那些得到阶级解放的国家应该由其国内的Proletarian进行领导，而全世界所有的Proletarian政府都应该由苏共这一理论创始人进行领导。外交学院的施展在他的书中说，现代国家要想成为世界霸主，必须将自己的一己之私装进一个具有世界性的普遍次序的社会结构范式中。

如今，在超大规模的、复杂的、国际性质的社会、政治和商业需求压力下，全球范围内正在产生出新的政治分层机遇甚至国际秩序的范式革新。我们很可能正处于一个伟大的时代变革的风口浪尖。

四、实数宇宙

目前有相当多的科学家认为，宇宙是有理数的，是数字的。宇宙有着极高的分辨度，但不是无限连续的。空间和时间像极微小的马赛克组成起来的，一格一格。在能够读懂用足够精深的数学语言描写这个宇宙的科学家中，相信这个观点的是主流，不相信的是少数。当今的大多数数学家家认为，拥有纯粹的无理数的实数数学空间，只是人们的数学想象。那么依此可得，科学家终有一天能够向我们宣布他们所建立的模型就是真实世界的本质形相，那些不证自明的、存在于浩渺宇宙中的世界公理是有限的，只要给我们足够的时间，终有一天科学家会搞清在这幽暗星光之下隐藏的所有奥秘，工程师也总能在某一天将设计完这个宇宙中所有的范式设备。宇宙就像是一场假设条件超级多但有限的沃尔弗拉姆式元胞网格游戏，它产生有限多的假设，它得到有限多的可能。

另外。在1931年，25岁的哥德尔证明了在自然数公理系统中，对有些命题来说，连证明本身都根本就不存在。在自然数的公理系统中如果只有有限条公理，那么就一定存在一些命题～不能证明它的对与错。哥德尔认为要以有限数量的命题来完全的阐述宇宙终极理论是不可能的。在哥德尔不完备性定理的世界观下，对于宇宙来说，没有终极理论。如果宇宙是拉普拉斯的连续统概念所描述的实数系统，我们也许能搞清其中所有可数的部分，但对于剩下的部分，我们将永远一无所知。那么科学家也将永远有机会创造出新的理论，工程师将永远能够发明出新的技术，音乐的创作将永无止境，我们将永远有机会创造出更高级更美好的社会范式。

在幽暗星光下，莫菲身着黑色大衣走向你，右手掌心摊开红色药丸，左手掌心露出蓝色药丸。你却还在注视那堆柏拉图点燃的篝火，凝望那些映在黑暗星光下的恍惚影子。

柏拉图与技术呆子

作者：爱德华·阿什福德·李

本文作者豆瓣ID：五陵少年不知数获作者授权发布

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