善用物理學(xué)第一性原理和經(jīng)濟(jì)學(xué)第一原理是科技產(chǎn)業(yè)化成功的關(guān)鍵。
撰文 | 張文卓
近日,馬斯克重新登頂《福布斯》財(cái)富榜單頭名,他旗下有特斯拉、SpaceX、推特等諸多世界著名企業(yè)。他之所以能取得這樣的成功,他在采訪中透露,這與他善用“第一性原理”息息相關(guān)。受其影響,我們經(jīng)??吹胶芏嗳寺暦Q自己也使用了第一性原理,其實(shí)這里不乏對(duì)第一性原理的誤用。
什么是第一性原理?
第一性原理來自于物理學(xué),就是用一個(gè)系統(tǒng)最底層的物理學(xué)方程去計(jì)算它可以出現(xiàn)的所有現(xiàn)象,所以也稱為從頭計(jì)算法,拉丁文是ab intio;與之相對(duì)的,是不去探究一個(gè)系統(tǒng)最底層的物理學(xué)規(guī)律,而是在現(xiàn)象層面總結(jié)一些規(guī)律,去做一些專門的快速的計(jì)算,拉丁文是ad hoc。
第一性原理在物理學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛。對(duì)于相對(duì)簡單的系統(tǒng)來說,人們通常會(huì)使用第一性原理來計(jì)算得到精確結(jié)果,比如計(jì)算原子或是小分子的結(jié)構(gòu),底層的物理學(xué)就是量子力學(xué),可以用量子力學(xué)直接計(jì)算。對(duì)于相對(duì)較大的分子來說,用量子力學(xué)做第一性原理的任務(wù)會(huì)變得繁重,這個(gè)領(lǐng)域稱為量子化學(xué),因?yàn)榉肿拥慕M合,分解都屬于化學(xué)反應(yīng),但本質(zhì)上都是量子力學(xué)支配的動(dòng)力學(xué)過程。量子化學(xué)的第一性原理計(jì)算需要借助計(jì)算機(jī)和專用軟件的力量。由于計(jì)算機(jī)軟硬件的進(jìn)步,第一性原理也從量子化學(xué)進(jìn)一步延伸到材料結(jié)構(gòu)計(jì)算,甚至生物大分子計(jì)算中。
第一性原理的計(jì)算難度會(huì)隨著系統(tǒng)變復(fù)雜而大幅提高,過程中需要做到很多近似模型,例如DFT,就是密度泛函理論,還有蒙特卡洛分子模擬等等。對(duì)于越來越復(fù)雜的系統(tǒng),第一性原理越來越難以給出精確的定量結(jié)果,但至少能給出定性的結(jié)果,也就是抓住主要矛盾。
馬斯克如何使用第一性原理
馬斯克就是使用了第一性原理的思想指導(dǎo)他的創(chuàng)業(yè)。物理學(xué)專業(yè)出身的他,對(duì)第一性原理做了引申。世間萬物都要符合物理學(xué)規(guī)律,那么在技術(shù)方面,物理學(xué)規(guī)律就是本質(zhì)上不可逾越的紅線。如果一項(xiàng)技術(shù)去挑戰(zhàn)物理學(xué)規(guī)律,比如永動(dòng)機(jī)挑戰(zhàn)能量守恒,那就是不可能實(shí)現(xiàn)的。但一項(xiàng)技術(shù)如果完全遵循已知的物理學(xué)規(guī)律,那它一定是可行的??苫厥栈鸺?,長續(xù)航電動(dòng)汽車,都在物理上可行。
馬斯克并不僅僅用物理學(xué)作為第一性原理。在商業(yè)方面,他也善于使用人類社會(huì)的基本原理作為第一性原理,那就是經(jīng)濟(jì)學(xué)。而很多科技創(chuàng)新其實(shí)忽視了經(jīng)濟(jì)學(xué)這個(gè)第一性原理。經(jīng)濟(jì)學(xué)原理要求一項(xiàng)新技術(shù)一定通過降本增效提高生產(chǎn)力,才能廣泛應(yīng)用。降本和增效是兩個(gè)獨(dú)立的維度,市場能接受的新技術(shù)為以下三種情況:(1)保持效率不變或犧牲一點(diǎn)效率,同時(shí)大幅降低成本;(2)保持成本不變或增加一點(diǎn)成本,同時(shí)大幅提高效率;(3)同時(shí)大幅降低成本和提高效率,這種“天選之子”的技術(shù)非常稀有。
如果出現(xiàn)第四種情況,即大幅提升效率的同時(shí)大幅提高成本,它就會(huì)面臨非常困難的市場推廣,甚至在國家層面無論出臺(tái)多么好的政策,都無法另其產(chǎn)業(yè)化。很多新興技術(shù)在提升效率的同時(shí)卻不計(jì)成本,導(dǎo)致其無法走出實(shí)驗(yàn)室,或者只作為奢侈品服務(wù)富人階層。所以降本增效的這個(gè)第一性原理決定了科技產(chǎn)業(yè)必然要服務(wù)于勞苦大眾。
馬斯克通過火箭回收技術(shù),讓衛(wèi)星的發(fā)射成本下降一個(gè)數(shù)量級(jí),用波音公司和洛克希德馬丁公司十分之一的報(bào)價(jià),從美國國家航空航天局(NASA)手中拿到訂單。特斯拉電動(dòng)車也是運(yùn)用了電力能源相比于化石能源的降本增效,雖然有前期的大量投入,但是長期從節(jié)能減排,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等多個(gè)角度都會(huì)來帶來優(yōu)勢。
慎用第一性原理
使用經(jīng)濟(jì)學(xué)的第一性原理,很容易理解為什么半導(dǎo)體一定要不斷推進(jìn)先進(jìn)制程:同樣大小的集成電路,芯片上晶體管一定要越做越多。因?yàn)樾酒嫦虻氖瞧胀ɡ习傩盏氖袌鲂枨螅欢ㄒ呓当驹鲂У牡缆?。因?yàn)榫A成本保持不變,而晶體管越小,單位面積的上能制造的晶體管數(shù)量就越多,單個(gè)晶體管的成本就會(huì)越低,固定面積的單個(gè)芯片的工作效率也會(huì)越高。
相反,很多高精尖武器的科技創(chuàng)新并不是面向普通老百姓的市場需求,量比較小,那就可以不受經(jīng)濟(jì)學(xué)第一性原理約束,可以不計(jì)成本地制造,但這就注定了它達(dá)不到科技產(chǎn)業(yè)的規(guī)模。
所以在科技產(chǎn)業(yè)上,物理學(xué)原理和經(jīng)濟(jì)學(xué)原理都是決定一項(xiàng)技術(shù)能否完成產(chǎn)業(yè)化的第一性原理,缺一不可。馬特·里德利在其《創(chuàng)新的起源》一書中對(duì)技術(shù)的演化給出了非常全面的理解和分析,并提出一句名言:“人們總是高估一項(xiàng)新科技帶來的短期效益,卻又低估它的長期影響”。
當(dāng)一項(xiàng)新科技只符合物理學(xué)的第一性原理,不符合經(jīng)濟(jì)學(xué)的第一性原理時(shí),就是人們高估它短期效益的時(shí)候。當(dāng)這項(xiàng)新科技完成降本增效,那就是人們低估它長期影響的時(shí)候。
本文為科普中國·星空計(jì)劃扶持作品
作者:張文卓
審核:羅會(huì)仟(中國科學(xué)院物理所 研究員)
出品:中國科協(xié)科普部
監(jiān)制:中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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