得到老师李铁夫:突破第三次人类科学天花板的关键是“超级大脑”

10月27日,得到大学在北京举办2019秋季开学典礼暨夏季毕业典礼。5位重量级得到老师和9位得到大学夏季班学员依次登台,带来14场接力演讲,分享各行业的顶级认知框架和行业智慧。

清华大学微电子学研究所副研究员、得到App《前沿科技·量子计算》课程主理人李铁夫,分享了“这一回,人类科学的天花板怎么破?”他说,当下人类已经遇到了第三次科学发展的巨大瓶颈。计算机的算力越来越捉襟见肘,人类的认知负担也越来越重,要怎么才能取得科学的大突破?他的答案是:我们必须完成一次全人类级别的智力进化,结合量子计算、脑机接口、万物互联、人工智能等技术,突破人类生物学的限制,构成全人类智力高效连接的“超级大脑”。


清华大学微电子学研究所副研究员、得到App《前沿科技·量子计算》课程主理人李铁夫

以下为李铁夫演讲全文:

得到大学的同学们,大家好。我是李铁夫,一名研究量子计算的科学工作者。

上大学的时候,我读到过一句话,这句话我一直记到今天,说的是:“在这个时期,二流科学家很容易做出一流的成就。之后,一流的科学家也只能做些二流的工作了。”

说这句话的人叫狄拉克,他是量子力学的创始人之一,也是诺贝尔物理学奖获得者,他说这句话的时候是100多年前。那个时代,量子力学和相对论刚刚诞生,新发现、新理论、新技术层出不穷。处在这样的关键节点上,只要抓住了时机,就能做出一流的成就。

我第一次看到这句话的时候,心里像过电了一样,受到了极大的震撼。作为一名电子学专业、满腔热血的大学生,我就想,我能有幸赶上这样的时代吗?我能为我的时代做些什么?

毕业后,我成为了一名科学工作者,循着狄拉克这些前辈开辟的道路,继续向前探索。每次读到这句话的时候,内心的触动都会愈发强烈,我意识到,我对这个时代的感知和狄拉克对他那个时代的感知不谋而合了。当下,人类又一次处在了历史进程的关键节点上,确切地说,是有史以来的第三次。

这两年,你能看到人类在技术层面的突飞猛进:我们建成了大型强子对撞机,它能够将质子加速到光速的99.9999999%,发现了包括上帝粒子在内的全新粒子,还将探索物质更深层次的奥秘;我们拍摄到了第一张黑洞的照片,进一步验证了广义相对论等基础理论,这将会揭开更多的宇宙未解谜团;我们成功地实现了猴子的克隆,这种在脑结构和功能上与人类高度相似的灵长类动物,让我们更深入地认识人类自身。

科技的高速发展似乎在提示我们,当下离第三次科学革命越来越近了。但是,你可能也感觉到了,这些听起来特别炫酷的技术,并没能给我们的生活带来颠覆性的改变。

我们依然要承受癌症、糖尿病、老年痴呆症等疾病的困扰;我们对石油、对传统能源的依赖依然严重污染着地球环境;那些旧的电池储能技术也依然限制着所有移动设备和汽车,而且类似的瓶颈在各行各业都存在。

这是为什么?可能有的人会觉得,是因为技术还没有发展到位,你想,如果有了更好的电池材料,不就能突破移动设备的瓶颈了吗?也有人会说,这是因为经济条件不允许,要是每种疾病的药物研发都能投入足够的资金,早就都治好了。但是,在我看来,这一切的本质,是因为人类的智力水平已经达到了承载极限。

为什么这么说呢? 接下来,请先跟我一起把时间的指针拨回到300年前,看看前两次科学革命是怎么发生的。

1666年,英国青年牛顿为了躲避瘟疫,回乡休假,没想到被掉落的苹果砸中。由此,他发现了万有引力,还创立了微积分,形成了牛顿力学,建立了经典物理学的宏伟大厦,给人类带来了第一次科学革命。

这是我们都熟知的故事,课本上也都是这么写的。但是,我想告诉你的是,第一次科学革命能够发生,不是因为那颗苹果,而是因为一个关键技术的出现——望远镜。

什么意思?望远镜发明之前,人类只能依靠肉眼观星,范围很有限,以人类的自身条件根本无法得到准确的观测数据。直到1608年,伽利略发明了天文望远镜,给人类的观测能力带来量级的提高,使得那些更清楚、更精确的观测数据能够被记下来。正是因为有了这些数据,开普勒才开始重新想象宇宙的结构,得出了行星运动三大定律,打碎了之前几千年建立的地心说这一世界观。只有在这样的节点上,牛顿才能“站在巨人肩膀上”提出牛顿运动定律,把人类带到了一个全新的世界。

你看到没有,这个过程中,望远镜这项关键技术的突破,让我们看得更远、看得更清楚了,把我们对世界的感知边界向外推了一步。然后,人类依靠自身智力,借助微积分、几何学等数学工具的帮助,就可以完全理解这个新世界,创造出全新的世界观。

那第二次科学革命呢?时间的指针快速转动到了两百年之后。

引发第二次科学革命的,是两项当时最尖端的实验技术,迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验。迈克尔逊-莫雷实验利用光的干涉效应,让人们确认了光速不变这个不敢想象、不可理解的事实,催生了相对论;黑体辐射实验,精确观测了物体温度与辐射频谱的关系,打破了旧的对能量的认识,这就迫使普朗克提出“量子化”来化解“紫外灾难”,才有了量子力学的诞生,以及后来晶体管和电子计算机的发明。

和第一次科学革命一样,这两个关键技术的突破,再一次把人类的感知尺度向外推了一步,让我们能够看得更小,看得更精确。就好像原来我们只能看12英寸的黑白电视,现在一下子升级到了65英寸的4K电视,不但展现的画面更大了,画面中的细节也更加丰富了。然后,人类再次依靠自身智力,借助量子力学和相对论的帮助,打破了经典物理学建立的世界观,引爆了第二次科学革命,带来最近一百年人类前所未有的高速发展。

现在,把指针拨回到当下。第三次科学革命的进程是不是也会像前两次一样呢?我的答案是,不,完全不一样了。当下,我们的感知尺度已经足够广阔,但我们却无法继续依靠自身智力去完全解决它了,为什么?

第一个原因,技术突破对算力的要求越来越高。举一个具体的例子来说,我们都知道,化肥工业是当今世界最重要的生产之一。今天地球可以养活80亿人口,是因为化肥提升了粮食产能。但是你可能不知道,化肥工业中,有一个重要的原料叫做合成氨。要制作这种原料需要使用一种特殊工艺,这个工艺里用的催化剂必须在高温高压条件下才能发挥作用。这就意味着,合成氨对能源的消耗极大,每年消耗掉的能源,占到整个地球总能源消耗量的1.2%,还要排放几亿吨二氧化碳。

但是,你知道吗?土壤中的细菌在常温下就可以在体内合成氨,完全不需要高温、高压催化的苛刻条件,它们体内有一种叫做钼铁蛋白的分子,这个分子才是这个天然合成过程的关键。

那我们把这个叫做钼铁蛋白的分子研究明白不就好了吗?不就可以省下地球1.2%的能源了吗?很遗憾,我们目前做不到。

因为,研究这类分子最有效的办法是进行计算机模拟,并且一定要考虑其中的量子力学效应,才能得到准确的结果,进而加以应用。但是,钼铁蛋白的分子构成太复杂了,复杂到什么程度?一个分子共有374个电子,不要说计算分析了,就连存储这些电子全部的量子状态,至少需要2374个比特,这个数字是什么概念?它已经超过了已知宇宙中所有原子的个数。也就是说,以我们现有的计算机技术,根本没办法做到对它的精确模拟。

不只是化肥工业,同样地,在材料合成、新能源开发、生命科学、人工智能,乃至航天、气候等等领域,都遭遇到了同样的瓶颈。

你看,前两次科学革命,我们靠着自身智力加上微积分、矩阵力学、黎曼几何等数学工具就能完整地认识新世界,但现在,不仅靠着铅笔和数学公式帮助智力单兵作战的时代早已过去,而且计算机的算力也越发捉襟见肘。

这是第一个原因,再来看第二原因,人类的认知负担越来越重。

如果你翻开18世纪以前的科学图谱,去看看伽利略、牛顿、笛卡尔、拉瓦锡这些科学家的介绍,会发现一个有趣的现象,他们每个人都有多重身份,不只是物理学家,同时还可能是数学家、化学家、生物学家、博物学家。最厉害的是古希腊的亚里士多德,他既是哲学家、科学家、教育家、思想家,又是心理学家、经济学家、农学家、法学家,同时还是医生和诗人!

可是到了第二次科学革命之后,以创立量子力学的几位先驱为例,普朗克、薛定谔、海森堡和狄拉克,他们身上却只有“物理学家”这一个标签。

你看,随着人类的知识总量越来越丰富,分科越来越精细,个人有限的智力和寿命,已经很难覆盖多个学科了。甚至在同一个学科里面,一个人也只能涉猎一两个细分领域,比如在自然科学里,不要说物理学家完全不懂生物学家在做的事情,就连物理学内部,凝聚态物理和高能物理的科学家,也几乎没有共同语言。这就意味着过去解决一个问题,靠个人的智力水平、知识储备就可以覆盖。但是现在,不行了,必须要靠彼此的跨学科合作。

不只是这样,一个科学工作者从小学到博士毕业,念了将近三十年的书,才站到人类知识库最前沿的一个小点上,开始自己的工作。如果运气好的话,在人生的后40年里,可能能把这个小点向外推那么一点点。也许还没看到实质性的成就,人生就走到了终点。等到了下一代,他们没有办法在我们的知识基础之上,直接去做更有价值的研究,而是要再花掉三四十年甚至更长的时间,把我们曾经学过的东西再学一遍,你说这是不是一件效率很低的事?

那好,接下来,回到核心问题,这一回,人类科学的天花板到底怎么破?

我的答案是,必须完成一次全人类级别的智力进化。因为这已经不是一个“适者生存”的时代,而是“智者生存”的时代。那是什么样的智慧呢?是结合了量子计算、脑机接口、万物互联、人工智能等技术,构成全人类智力高效连接的“超级大脑”,它才是突破第三次科学天花板的大杀器。


怎么获取这个大杀器呢?一方面,精进自己,提升算力。我在研究的量子计算,带来了远超电子计算机的超强算力,就是为了专门攻克这些硬核难题。就拿前面那个钼铁蛋白来说,如果有了量子计算机,只需要374个量子比特就可以储存全部电子的量子态,根本不需要宇宙中所有的原子。另一方面,更重要的是,连接他人,集结智力。怎么集结呢?你们一定觉得科学家们有特别了不起的办法,其实没有,一百年来我们只有一个办法,开会。

现在大屏幕上出现的这张照片是1927年的第五届索尔维会议,它是人类历史上一次特别重要的会议。这次会议以爱因斯坦和波尔两人的大辩论著称,是科学界的华山论剑,当时所有参会者都是那个时代最顶尖的物理学家。

第二张照片,是我们领域前两天在美国一个学术会议的场景,你能从中看到这个时代科学家开会的常态。这和之前可大不一样了,区别在哪呢?在于我们现在的任何一场学术会议,都会一共有来自二十多个不同国家的三百多位、不同专业的科学家参会,里面可能有物理专业的、化学专业的、数学专业的、生物学专业的。我不敢说这又是一次索尔维会议,但是,你能从中看到这个时代科学家的会议常态。你不要觉得只是参会成员变了,实际上是世界的合作方式变了,我们今天你所能看到的集结智力的方式,几乎全部都是跨界合作。

我相信,通过提升算力,连接智力,我们一定能够打破人类科学的天花板。最后,我要问,得到大学的同学们,处在这样的关键节点上,你准备好了吗?

我想,大家从自己的行动上已经给出了很好的答案。各位选择了得到App,成为了终身学习者,这个就是提升自己的算力。大家加入了得到大学,和各行各业精英同学们联结在一起,这就是实现智力的连接。

各位选择了得到App,成为了终身学习者,在未来生活当中不断地自我进化,这个就是在提升自己的算力。你们加入得到大学,和各行各业的精英同学们联结在一起,这就是实现智力的连接。

所以你看,不光是科学家,和在做的各位一样,我们不都正是为了同一个目标在做着同样的努力吗?

让我们一起加油!

编 辑:王鹏

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