撰文:張崢（亞馬遜雲端運算上海人工智慧研究院院長）
「儘管中國古代對人類科技發展做出了很多重要貢獻，但為什麼科學和工業革命沒有在近代的中國發生？」這就是著名的李約瑟之問。從李約瑟在上世紀三十年代提出這個問題，時間已經過去了近一百年，雖然李約瑟問題還經常被提起，但困擾我們的是一個新版本：為什麼當代中國不能從0到1，只能從1做到無窮大？換句話說，為什麼步入資訊通達的二十一世紀，中國始終缺乏原始創新？
前一陣朋友圈裡讀到吳國盛老師的一篇文章，指出」一個國家的綜合科技實力，由基礎研究、應用研究、面向市場的開發研究三方面組成，如果其中一個是短板，那麼科技實力是偏頗的。」
針對中國缺乏原創這個現象，吳老師認為我們對基礎研究和基礎學科缺乏正確的認識，我們的文化缺少對科學、真理和創造的支持，更多從功利角度、實用角度來看待科學。
吳老師的這個觀點，可以在知識分子上刊登的另一篇熊衛民老師的文章里得到一部分佐證。熊文分析了中國科學家為什麼選擇了中國特色的「人工合成生命」系列研究，從而錯失分子生物學革命的各種原因。（見文章「中國為何會錯失分子生物學革命？」）他指出，從1958年到1977年近二十年間，除了冷戰階段和國際同行脫軌的國際原因之外，中國反對「為科學而科學」，強調理論聯繫實際，經常性的批判基礎研究，由非科學家主導研究。
從無線電、計算機、網際網路的發明，
我們能學到什麼？
吳老師文章里舉了三個例子，無線電、計算機和網際網路。我們不妨對這它們的起源和發展軌跡做些分析。
無線電發明極簡史麥克斯韋方程組被稱為人類歷史上最偉大的公式。這位英國物理學家在十九世紀六十年代把人類對電磁現象的認識歸結為漂亮的四個微分方程，並預見到電磁波的存在。二十年後，德國物理學家赫茲設計了一套簡單的電磁波發生器和一個檢測器，於1887年，成功地用實驗驗證了電磁波的存在，電磁波從理論上的可能性變成可見、可測量、可量化的實驗現象。有意思的是，對這一個巨大的突破，赫茲本人固執地認為一點實用價值都沒有。
1894年，也就是赫茲去世的那年，愛科學愛折騰的義大利年輕富二代馬可尼，偶然讀到了電氣雜誌上赫茲的實驗介紹和論文，馬上想到無線電可以用來編碼傳遞信息。和他同時競爭的英國同行一開始認為無線電和可見光一樣，傳播路徑上必須沒有遮擋。偏偏非科班出身、基礎並不紮實的馬可尼無知無畏，在家裡動手裝了一個簡陋的裝置，用無線電波打響了樓下的電鈴。他不停改進設備，在發射和接收端裝上天線。1895年秋天，他將實驗轉移到室外，通信距離增大到2.8千米，不但打響電鈴，而且還在紙帶上記錄莫爾斯電碼。
無線電商用化的障礙在於，有線通信已經非常成熟，最早的海底話纜已於1891年英法海峽敷設。當時一個最有希望的應用是海上救援，尤其在夜晚和迷霧中。馬可尼沒能說服忙於鋪設電纜的義大利政府，不得已前往英國集資成立公司。在一連串近乎賭博的瘋狂實驗之後，於1901年成功驗證了跨大西洋的傳輸，距離3500公里。1912年4月15號，鐵達尼號撞上冰山，相距近六十海里的Carpathia號花了近17分鐘接受和解析出求救信號，最終七百多人獲救。馬可尼的設備，立了大功。
計算機發明極簡史要說計算機如何成為一門科學，離不開英國科學家圖靈和圖靈機。那麼，圖靈機又怎麼來的？事實上，圖靈機的發明是一個意外。1900年，被譽為歐洲數學界的教皇的大數學家希爾伯特，在巴黎國際數學大會上的演講中提出了23個有待解決的數學難題，為20世界的數學發展制訂了計劃。圖靈對其中的第十個問題的更一般化的形式感興趣：能不能按照一串機械化的步驟——我們現在通稱為「算法」——來判斷一個數學陳述是正確的？這就是希爾伯特的「可判定性」問題的泛化版。
圖靈意識到，為了解決這個問題，他首先得構造出一個抽象的機器來執行這些步驟，這個抽象的機器就是圖靈機，簡單到只有一條無限長的紙帶和一個讀頭，讀頭能讀寫紙帶上的字符並且移動。這個圖靈機所做的就是執行證明數學陳述的步驟。然後圖靈進行了一個巧妙的轉換，把可判定問題轉換成圖靈機能不能停，隨後構造了一個巧妙的悖論，證明有可能停不下來，也就是說不可判定的情況是存在的。
在這個過程中，圖靈隨手給出了一個通用機的版本，這個機器可以把做證明用的那台圖靈機的算法作為輸入，因此可以變身成任何算法的執行者。這個抽象的計算機，完全是圖靈為了證明可判定性問題的副產品，卻不意間奠定了計算機的基礎。
然而，要不是需要破譯德軍密碼，圖靈機的思想不可能那麼快落地，計算機在曼哈頓計劃後期也被投入使用。戰後不久，計算和存儲分離的馮諾伊曼結構成型，至今仍是主流框架，但是軟硬體一直在不斷疊代發展，在雲里從超級計算機到伺服器集群，在雲下從工作站到個人計算機到今天的智慧型手機、智能手錶。同時，計算機作為一門新興學科分出諸多大類（人工智慧、算法和理論、體系結構、作業系統、資料庫、軟體工程、計算機語言、人機界面、計算機安全……），每大類又有諸多子類，層層疊疊。比如單看人工智慧之下自然語言處理這一「小」支，要是細分到底層子任務，就有幾十個，每年三四個頂會，每個會議都有上千篇文章。
[page]
網際網路發明極簡史戰後，計算機被投入商用和科學計算，但都是獨立使用，互不相連。事實上，要是單考慮效率，最好的方案是把計算資源堆積在一起，傾力打造一個超極計算機。把超級計算機用網絡連起來，有兩個動因。第一是「怕」，在冷戰的大背景下，一個指揮中心萬一被一顆核彈擊中，整個系統就癱瘓了；第二是方便分散在各處的研究者合作。這些原因催生了一開始只有四個大計算節點的ARPANet，也催生了兩個新領域：電腦網路和分布式系統。90年代左右由美國美國國家科學基金會（NSF）資助的NSFNet取代ARPANet成為主幹網，伯克利大學開發的TCP/IP作為標準協議，形成網絡效應，接入眾多區域網，網際網路的「基建」——網際網路（Internet）隨之逐步成熟、穩定。
但真正讓網際網路火爆起來的卻源自一個古老的應用：文檔管理。把文件存放在一層層的資料夾里很簡單也最基本，但論文可能互相引用，對研究者不方便。在一篇文章里埋下連結，讓用戶一鍵跳轉到另一篇相文檔，就是超文本。超文本有很長的發展時間，但相對小眾，蒂姆·伯納斯-李1980年在日內瓦的歐洲核子研究組織（CERN）擔任獨立承包人，也建了一個超文本原型，已方便研究人員分享及更新訊息。
蒂姆·伯納斯-李之所以被稱為「網際網路之父」，在於他在1991年提出、實現並規範化了一個回頭看幾乎理所當然的想法：把超文本網絡化：點擊連結可以跳轉到存放在另一台機器上的文檔。這種被網絡化的文件，就是我們現在熟知的網頁，格式稱作HTML。到1995年，微軟發布了一個Windows95，這是一個里程碑，因為它支持了TCP/IP，廣大的PC用戶可以上網了。就這樣，網際網路+HTML+廣大PC用戶，全球資訊網終於爆發式增長，大量的網絡應用又推動了伺服器產業，也發展出搜尋引擎、雲服務、社交網絡等等現象級的新產業。
從「紙上談兵」的萬能圖靈機，赫茲的相距最多不過幾米的震盪器和天線，發展到上致星鏈、下致腦機接口、萬物互聯無往不在，真正是走過了千山萬水，包括了有無數個原創，中國在其中的缺席，十分刺眼和醒目。
原始創新是怎樣發生的？
面對和歐美原創的巨大差距，這些年有不少人提出要重提上世紀八十年代恢復高考之後的一句流行的口號，「學好數理化，走遍天下都不怕」。這是一個簡化也是比喻，但背後藏著一個重要的假設，指數理化這些傳統科學才是基礎科學。其實，這是對前沿科學不了解的一種體現。
原創之源一定出自基礎科學嗎？這似乎理所當然——就像熊老師的文章里分析的，錯失分子生物學這個新基礎研究，讓中國科學家丟了二十多年。但有意思的是，例外也不少。馬可尼於1909年獲得諾獎，而無線電訊號能超遠距離傳播是因為電離層反射的這個原理，卻一直要等到1924年，他之所以敢於走向市場並領先英國的競爭對手，是因為他用簡陋的設備打響了樓下的電鈴；大語言模型的很多基本工作原理，到現在都還在研究之中，但是大思路並沒有問題，也足以引爆市場。在這些糧草未到而車馬先行的案例中，基礎科學更像是事後諸葛，其作用在於提供更深入的認識，發現可能的優化點，推動下一輪的進步，而每一個進步，都有原創的可能。
科學技術發展到現在，已經從一棵樹，成為根脈纏繞、野蠻生長的一片林，而且很多樹還在不停的生長；越往上越年輕，越前沿，越不穩定，也是產生新知識最活躍的地方。這個盤根錯節、互相勾連的複雜網絡，在它的每一個結點的內部也分支龐雜，互相勾連和依賴。
面對這個複雜網絡，「基礎」二字如果沒有指明上下文，不但模糊，甚至無意義。因此，把「0到1」這一截看成基礎科學的獨有之地，望文生義，過於簡單。我經常碰到中國同學數學基本功很紮實，可是計算機科學裡的基礎卻掌握得卻不全面，導致做起研究來磕磕絆絆。
從0到1的原創，需要基礎科學研究的素質，但不見得必須發端於基礎科學。
總體而言，原創需要想像力和行動力的結合，從理論上的「虛用」一步步走向「實用」。一個常見的爭議點是，發生原創必須摒棄功利心嗎？原創的必要條件是要有用。「有用」很多時候是實用，帶動市場來換取更多的資源，卻也可以是「虛用」，比如圖靈機就是一個概念機，赫茲的實驗也只驗證了電磁波存在的驗證。如果我們討論原創的動力，言必迴避功利心沒有必要，因為有無功利心並不重要：把對世界的認識推進一大步，或者大力釋放了生產力，都是值得我們認可和尊重的好工作。馬可尼就是一個功利心特別重的一個冒險家，愛迪生也是，馬斯克更是。即便愛因斯坦，可能很多人不知道他名下有不少專利，其中包括一個無疾而終的冰箱設計。
此外，我們還應該看到運氣和時機的重要性，比如海上救援之於無線電，二戰之於計算機，網絡和超文本之於網際網路，數據和算力之於基於深度學習的人工智慧……我相信這也適用於其他領域，比如新冠病毒之於mRNA技術。
總的來說，我認為原創從來不會在一個沒有用的上下文中發生；新知識的獲取、新學科的誕生並不見得因為天天在追問宇宙奧秘是什麼，也不見得因為數學大廈里又添了一條新公式。看到有用，看到必須要用，都是原創的源泉；圖靈並沒有想要去發明圖靈機，圖靈機只是他去解一個數學問題時不得不需要「順手」發明的一個工具。
培養下一代的原創能力，
需要什麼樣的教育？
回到我們一開始的問題，中國為什麼沒有原創，為什麼沒法做到從0到1呢？如果自頂向下的推動，我們首先就會遭遇一個「燈下黑」的問題：如果我們承認中國鮮有原創成果，那就找不到有原創經驗和經歷的專家來諮詢。
或許我們可以思考一下從教育的角度來說，需要培養一些什麼素質：
批評性思維。這是中國教育的老問題了。一個只獎勵標準答案、不鼓勵學生去挑戰現成答案的教育環境，只可能抹殺而不是催生批評性思維。和這相關的是對權威的盲目崇拜。即便對諾獎得主，正常的評價應該就是「as good as their last work」，學術上絕對平等，沒什麼不能被挑戰。
[page]
愛提問題不見得就是具有批判性思維，因為問題的形式無非就那幾種：為什麼？憑什麼？是又如何？等等。最要緊的是提出好問題，有好奇心也可以問出很無厘頭的問題，瞎問甚至不如不問。
這需要我們掌握：
第一性原理。也就是說要有穿透力，關心最基本的條件和假設，不要被表面的酷炫、不必要的細節迷惑。每一行都有自己的第一性原理，只有在參透了相關的基礎科學才能把握住，把握好了才能問出好問題。馬斯克傳里提到他在SapceX的研製中要求液態燃料的溫度壓到最低，使得燃料倉體積最小，給火箭減重，這就是堅持第一性原理的體現，在他看來，只要物理規則沒被打破，沒有不能打破的現有規矩。
想像力和行動力的結合。堅持在第一性原理指導下的批評性思維，能讓我們看清、挖深，但不見得一定會往前走一步，因為那需要，想像力和行動力的結合。有想像力沒有行動力，只能做鍵盤俠，有行動力沒有想像力，只能等別人立了標杆之後「趕超」。在開源已經是常態的現在，甚至可以說是習慣性地「敢抄」。中國在人工智慧領域的文章都占了40%，但無論阿爾法圍棋還是大模型，沒有貢獻出步子大一點的突破，等別人文章或者代碼放出來了才發急追趕。
要培養這些素養並不容易。原創能力的培養，分布在不同學科之中。
比如說，行動力在工科和商科，想像力、創造力在設計和藝術，批判性思維在哲學和歷史，而第一性原理又和具體的專業方向緊相關，等等。很難想像專門成立一個科目，叫原創學科，但不管如何，單一的某個專科很難涵蓋應該是不爭的事實。
如果我們去看那些領導原創的領袖人物，會發覺他們基本是靠自己的努力，自覺去採集來自不同學科的營養，馬斯克大學後兩年轉去賓州大學念物理，就是因為他認識到不懂物理的工程師不是好工程師。
我們在這裡討論如何培養原創力，和如何設計面向未來的通識教育課程本質上是同一個問題。今年上半年，我受邀回母校復旦參加了一次相關會議上，且把我的觀點作為本文的結語，並期待更多的討論：
通識教育不是簡單的讓學生懂科學、懂人文和懂藝術。不同的專業訓練會培養不同的「專業通識」。比如，科學家們相信紛繁複雜的現象背後存在著簡潔明快、具有強預測力的模型；工程師認為魔鬼在於細節，他們對複雜性有著深刻的理解，在工作中致力於打造完美平衡細節和性能的產品；藝術和人文類從業者最關注敘事結構，敘事能力和敘事自由；金融類人才關心投入和產出，對人的非理性的理解甚至超過心理學家……每一種專業通識是各自領域的神器，從而深刻影響一個人的世界觀和方法論。
目前的教育系統存在兩個問題，第一，因為教育資源的嚴重不均衡，很多孩子被擋在高等教育之外，沒有機會接觸到專業通識，第二，幸運的孩子們層層選拔進入大學後，又必然進入各個專業，多年曆練下卻只擁有單一的視角。
因此，專業通識既不相通，也不通用，更不能下沉作為普惠教育的一部分，這樣的教育顯然不再適應未來的發展。
本文肯定不能全面回答題目所拋出的問題，權作拋磚引玉，希望更多的同道中人共同討論中國從零到一的原始創新難題。
參考文獻：
[1]吳國盛：什麼是科學？——中美之間真正的差距是什麼？https://mp.weixin.qq.com/s/B2bC9-PCd6MyItBV48xHvg
[2]中國為何會錯失分子生物學革命？https://mp.weixin.qq.com/s/XC1d6QyDYfKXb2O7TprqNA
[3]「學好數理化，走遍天下都不怕」，今天有必要重提這個口號了！https://www.toutiao.com/article/6696375647385682444/
[4]What China’s leading position in natural sciences means for global research.https://www.nature.com/articles/d41586-023-02159-7
[5]Nature Index Annual Tables2023: China tops natural-science table.https://www.nature.com/articles/d41586-023-01868-3
[6]Wireless:
ohttps://en.wikipedia.org/wiki/Hertz
ohttps://spark.iop.org/hertzs-useless-discovery
ohttps://www.pbs.org/wgbh/americanexperience/features/rescue-wireless-signals/1904
ohttps://en.wikipedia.org/wiki/Guglielmo_Marconi
oThunderstruck, Erik Larson
[7]Computer science:
ohttps://tomrocksmaths.com/2021/08/03/turing-machines-the-death-of-formalism-and-the-birth-of-computer-science/
[8]WWW:
ohttps://en.wikipedia.org/wiki/Internet
ohttps://en.wikipedia.org/wiki/Hypertext
ohttps://home.cern/science/computing/birth-web/short-history-web