推荐序
读懂已故天才冯·诺依曼，
破解21世纪的复杂性之谜

霍金曾说，“我认为，21世纪将会是复杂性科学的世纪”。的确，随着人类进入21世纪，我们面临各种问题：气候危机、生态破坏、技术奇点、AI觉醒、金融危机、大国博弈……而所有这些史无前例的挑战都有一个共同的名字：复杂性。20世纪80年代，以寻找各式各样复杂系统背后的共同规律为使命的复杂性科学应运而生，这一学科不再受限于学科体系，而是站在统一的视角，尝试寻找知识体系的重新统一。飞鸟如何聚集成群？蚂蚁群体如何觅食？大量分子如何组装成生命？神经元细胞的互联与放电如何形成大脑中的思维和意识？……所有这些问题都是复杂性科学尝试回答的重大问题！

然而，当我捧起《来自未来的人》这本书的时候，我惊奇地发现，对复杂性相关问题进行深入思考，并取得若干开创性研究成果的人早在20世纪初就已经出现了，他就是大名鼎鼎的天才科学家约翰·冯·诺依曼。我甚至觉得，冯·诺依曼正如这本书书名所说的那样，很有可能是于今天甚至未来穿越回20世纪初的人，因为他的思想太超前了！深入阅读这本书，细细品味和解读冯·诺依曼的思想，你不仅能够消除对当今世界的诸多困惑，还有可能感悟到生命、智能和意识的本质，乃至洞悉人类未来的前进方向！

你对如下问题有困惑吗？中美之间的大国博弈将何去何从？国与国能否从竞争走向合作？冷战结束后，为何世界反而会硝烟再起？要破解这些问题，就需要利用冯·诺依曼与经济学家莫根施特恩一起开创的博弈论了。要想直面现实世界的复杂性，我们还必须理解人与人、国与国之间互动背后的数学原理。博弈论是数学的一个分支，它直接用简单的数学语言将人与人、国与国之间的“钩心斗角”进行了建模与刻画。

博弈论中的一个经典案例就是囚徒困境。假设有两个小偷同时被警察抓了起来，并被分别审讯。如果两人都招供的话，结果最糟，两人都要受5年监禁。如果两人都不招供的话，则结果最好，两人都将被囚禁2年。但是，如果一个人招供，另一个人却守口如瓶，守口如瓶的小偷就会倒大霉，会被囚禁10年，而那位背叛者，也就是招供的人，却会被无罪释放！这一博弈把人类世界中复杂的人际关系刻画得淋漓尽致：尽管两人最好的结果是都不招供，但是脆弱的人性却会让人倾向于把对方供出来，而使个人获得最好的结果。然而，自私与贪婪是人的天性，所以最终的结果一定是都招供——这是一个纳什均衡，也就是在囚徒困境中，两名囚犯的最终“宿命”。整个博弈可以用一个2行2列的表格加以完备描述，这就是数学的优美之处！它可以运用简单的数学语言刻画复杂的人际互动，而这一思路最早始于冯·诺依曼。

然而，博弈论在刚刚问世的时候并没有受到经济学家、社会学家的青睐，原因是它太过数学化了，而且思想太超前了。但是，就在约50年后的1994年，美国数学家约翰·纳什就与约翰·海萨尼和德国的赖因哈德·泽尔滕因博弈论而获得了诺贝尔经济学奖。此后，1996年、2001年、2005年、2007年、2012年、2014年、2020年的诺贝尔经济学奖所授予的研究者的研究都与博弈论有着深刻的联系！由此我们不难窥见冯·诺依曼思想的影响力和超前性。

生命的本质是什么？恐怕几乎所有的智慧生命或多或少会对这样的问题充满兴趣。冯·诺依曼自然也不例外。然而，与普通人不同的是，冯·诺依曼对生命本源的思考却能够开创最早的一批复杂性科学的研究！在他生命的最后10年，冯·诺依曼的研究重点转向了自复制自动机。

为什么要让机器自己复制自己呢？冯·诺依曼给出的理由绝不是让机器模仿生命这么简单，而是基于对当时人造机器某种缺陷的改造！冯·诺依曼敏锐地发现，在单调的重复性工作中，人造机器会不断地犯错、退化、衰败下去，甚至最后停止工作。然而，当我们放眼庞大的地球生态系统，自然生命体却能够始终茁壮成长，甚至不断地自我进化。仿佛有一条巨大的鸿沟横亘在人造机器与自然生命之间，而冯·诺依曼怀疑，这一鸿沟与自我复制的能力有关。于是，冯·诺依曼开始在头脑中构思一台能够复制自身的机器，希望机器最终能够跨过这条鸿沟。

然而，受限于当时制造工艺和机器的运算能力，冯·诺依曼并没有在现实世界中构造这台机器，而是接受了数学家朋友斯塔尼斯拉夫·乌拉姆的建议，在一个二维的虚拟宇宙中开始了他的自复制自动机的构造。这一研究不仅让他最终能够在有生之年几乎完成了整个机器的设计，也激发了更多的最早一批复杂性科学的研究，也就是元胞自动机（cellular automata）这一有趣的领域。

什么是元胞自动机呢？我们不妨看一看城市中绚丽多彩的霓虹灯。这是由一大堆一闪一灭的小灯泡构成的阵列，然而，当我们从远处观察这一堆灯泡的时候，却能看出有意义的图案或文字：这里有一排文字，那里有一大朵花，这里多了一条鲨鱼！所有这些图案或文字全都是设计师事先编排好的程序。元胞自动机正是一种由大量“灯泡”规则排列而成的“霓虹灯”，不同的是，元胞自动机的“灯泡”是遵循固定的规则来闪烁的，这些规则规定了每个“灯泡”的闪灭是如何根据它周围的灯泡决定的，而不需要任何人为的事先的程序编排。因此，这些一闪一灭的灯泡可以根据规则自己决定如何变换图案！正是在这样一种由29种颜色构成的“霓虹灯”上，冯·诺依曼成功地构造出了他的自复制自动机！

元胞自动机最迷人的地方就在于，其简单的相互作用规则就能够创造出几乎无穷的复杂性。例如，著名数学家约翰·康威正是受了冯·诺依曼的启发而发明了著名的“生命游戏”这一黑白两种颜色的元胞自动机。而这一“游戏”无疑是简单规则导致复杂现象涌现的经典案例。科学家们甚至能够证明，“生命游戏”支持通用计算，这意味着，我们完全可以在“生命游戏”这一模拟的宇宙中，再造一台计算机！今天，元胞自动机已被应用于包括交通流模拟、城市规划、生态系统演化等诸多实际领域，可谓硕果累累。

元胞自动机需要用强大的计算机器来模拟，同样，复杂性科学研究更加离不开计算机！我们如今使用的计算机，无论是台式机，还是笔记本电脑、掌上计算机，都遵循同样的体系结构！也就是使用CPU、总线、内存、外围设备等一系列结构共同搭建起一台复杂的机器，让它完成各种复杂的计算。而这一体系结构实际上已经诞生70多年之久，它的发明人正是冯·诺依曼。尽管第一台计算机ENIAC（埃尼阿克）并非冯·诺依曼发明的，但是当冯·诺依曼访问了宾夕法尼亚大学的ENIAC研发小组时，他就敏锐地发现了ENIAC设计中的缺陷，从而大刀阔斧地进行了改装，并在新一代的机器EDVAC（离散变量自动电子计算机）之中实现了大名鼎鼎的冯·诺依曼体系结构！而这一体系结构一直被我们使用至今。

然而，如果你以为冯·诺依曼对计算机科学的贡献仅此而已，那你就大错特错了。他的另一研究领域很有可能在未来的量子计算时代大放光彩，这就是量子信息。早在1932年，绝大部分人对量子力学还很陌生的时候，冯·诺依曼就出版了那本著名的《量子力学的数学基础》，并从严格数学的角度，奠定了量子力学的基础。然而，同样是因为这本书的数学原理太晦涩了，绝大部分人忽视了它的价值。直到多年后，一位当时名不见经传的物理学家约翰·贝尔才重新发现了这本书的价值，从而提出了能够区分经典物理和量子物理的关键不等式——贝尔不等式。就在2022年，贝尔不等式的相关研究成果才受到诺贝尔物理学奖的青睐。这再一次证明，冯·诺依曼的洞见远远超越了时代。

气象系统的模拟、弹道导弹的精确设计、人脑与计算机的比较、经济系统中的数学建模等，都是冯·诺依曼曾经涉猎的领域。而今天的科学发展已经证明，所有这些无疑都与复杂性科学存在着或多或少的联系。然而，“来自未来的穿越者”冯·诺依曼给我们透露的“天机”绝不止这些，深入阅读《来自未来的人》这本书，你也许还会嗅到更多破解未来复杂性谜题的关键信息。

冯·诺依曼的助手阿瑟·伯克斯帮忙整理的《自复制自动机理论》手稿，除了包含自复制自动机的具体设计思想，还包括大量有关复杂性与熵、信息论、热力学、自我指涉（self-reference，简称“自指”）、哥德尔定理、图灵停机问题等复杂性科学中的核心概念与问题。我认为，冯·诺依曼所发明的自复制自动机，在本质上是一种自指结构，而这种自指能力与我们的自我意识和智能，也有着密切的关系！什么是自我意识呢？顾名思义，就是人类能够反思自身的一种能力。正是凭借着这种自我反思的能力，人类智能才能勉强比如今最先进的人工智能略胜一筹。当我们思考这个当下正在思考的自我的时候，实际上我们的大脑神经元结构就会发生某种神奇的变化，使得一种“自我模拟”的逻辑结构可以在大量神经元上实现！而“自我模拟”其实就是一种特殊的自指结构，因此，我们可以找到自我意识问题与生命自我复制之间的一种同构！这种同构意味着生命的本源与意识的本质乃至智能的本质可能存在着某种共通的规律，而这一规律才是冯·诺依曼真正超前的洞察。也许，凭借着这一洞察，我们终究能够创造出具备自我意识的机器！

一旦自我意识机器出现，人类可能将会遭遇技术奇点！所谓的技术奇点，就是指人工智能在各方面的能力都超越人类的那个未来的时间点。大部分读者可能会通过谷歌科学家雷·库兹韦尔写的《奇点临近》这本书了解到这一说法。但你可能并不了解的是，第一个使用“奇点”一词来描述技术，并指出人类未来的进化将有可能让位于机器这一预言的人并不是库兹韦尔，也不是“技术奇点”概念的提出者弗诺·文奇，而是这本书的主角：冯·诺依曼。在1958年出版的《向冯·诺依曼致敬》这一文集中，冯·诺依曼的老友乌拉姆曾引述了一段自己与冯·诺依曼的对话：“我们集中讨论了科技的不断加速进步和对人类生活方式的改变，这给人的感觉像是在接近人类历史中的某种本质奇点，超越了这个奇点，我们所熟知的人类的社会、艺术和生活模式，将不复存在。”这是有史以来，人类第一次使用“奇点”一词描述技术。

更有意思的是，作为一名专业的数学家，冯·诺依曼真正用心钻研的领域既不是计算机设计，也不是博弈论，而是一个纯数学分支，以他的名字命名的“冯·诺依曼代数”。再一次，由于过度抽象，人们忽视了它。然而，正是这样一个异常抽象的领域，后来却产生了多个菲尔兹奖（数学领域的诺贝尔奖）获得者。后来，分子生物学家利用这一领域的后续发展，了解了细胞是如何解开细胞核内紧密缠绕的DNA的。同时，物理学家卡洛·罗韦利和数学家阿兰·孔涅利用冯·诺依曼代数的一种解决了“时间难题”：虽然我们能感知到时间在“向前”流动，但对为什么会这样却没有一个统一的解释。这两位科学家发现，时间的这种方向性来源于冯·诺依曼代数中的不可交换性。

在我们的印象中，科学家大多数是对某一个领域进行深入钻研，却对其他领域的人情世故毫不关心的书呆子。然而，冯·诺依曼却完全不是这样。他不仅在科学研究领域四处开花，并在多个领域取得了开创性成果，还是一位名副其实的社交达人。他不仅经常组织派对，开着豪车到处招摇，还积极主动地帮助美国军方制造原子弹。在他临终的病榻前，聆听他最后遗言的人包括美国政客、军队高官，以及兰德公司的重要人物！也许，只有这样的各领域的通才，才真正能够在复杂性科学领域游刃有余吧。

冯·诺依曼绝对是一本值得反复阅读的秘籍！也许未来破解人类社会各种复杂性谜题的关键就隐藏在了冯·诺依曼一生丰硕的研究成果之中！相比其他的冯·诺依曼传记，《来自未来的人》这本书则更加重视每一个研究领域的发展脉络。因此，阅读这本书，相当于在读一本冯·诺依曼版的复杂性科学综述！

读懂冯·诺依曼，也许人类就能破解21世纪的诸多复杂性谜题！

张江

2023年8月20日

于浙江绍兴