工业革命，机械思维的结果
机械思维直接带来工业大发明的时代。
虽然牛顿本人就利用光学原理发明了牛顿天文望远镜，并且因此当选为英国皇家学会会员，但是第一个自觉应用牛顿力学原理做出重大发明的是伟大的发明家瓦特。我们常说瓦特发明了蒸汽机，其实蒸汽机在瓦特之前就有了，更准确的说法应该是瓦特改进了蒸汽机，或者说瓦特发明了一种万用蒸汽机。在18世纪时，英国的一些矿井使用的是非常笨拙、适用性差、效率低下的纽卡门蒸汽机。虽然纽卡门蒸汽机有诸多缺点，但是半个世纪的时间里都没有人能够改进它——这不是因为工匠们不想改进，而是他们不知道该怎样改进。在牛顿和瓦特之前，一项技术的进步需要非常长的时间来积累经验，或者用今天的话讲就是获得数据、信息和知识，这个过程常常要持续经过很多代人。
瓦特和他之前的工匠都不同，他是通过科学原理直接改进蒸汽机，而不是靠长期经验的积累。虽然各种励志的读物把他描写成没有上过大学的人，但其实他系统地学习过大学物理的课程和高等数学的很多内容。瓦特从20岁出头就在格拉斯哥大学工作，利用工作之便，他在那里听了力学、数学和物理学的课程，并与教授们讨论理论和技术问题。瓦特改进蒸汽机的大部分理论工作都是在这所大学里完成的。后来瓦特离开了大学，和工厂主博尔顿一起专心发明新的、适合各种场合的蒸汽机，因此瓦特蒸汽机也被称为万用蒸汽机。
图3.4 （从左到右）博尔顿、瓦特和他们的助手默多克（位于英国伯明翰市中心）
瓦特还发明了一种通用的机器用以解决所有的问题。在瓦特之前的蒸汽机是为特定目的设计和制造的，很难从一个厂矿拆下来用于其他地方。瓦特的蒸汽机的通用性则要好很多，同一种蒸汽机可以卖到不同的工厂。这也是机械思维的重要特征——所有问题有一个通用的解决方法。瓦特的合伙人博尔顿对通用性的重要性有着先见之明，他明确地指出，他和瓦特所做的事情是为工业提供动力，而不简简单单是一种机器。
正是因为瓦特蒸汽机的这个特性，才使得工业革命后有了”蒸汽机+现有产业=新产业”的模式。博尔顿和瓦特在月光社42的朋友、后来的瓷器大王韦奇伍德，将瓦特蒸汽机用于瓷器的制造，这是世界上第一个采用蒸汽机动力的行业。蒸汽机的使用，使得在全世界一千多年里供不应求的瓷器，从此出现了供大于求的情况。在此之后，工业革命导致全世界财富量迅速增长。后人这样评价牛顿和瓦特这两位英国的杰出人物：牛顿找到了开启工业革命大门的钥匙，而瓦特拿着这把钥匙开启了工业革命的大门。
瓦特的成功不仅是技术的胜利，更重要的是他掌握了新的方法论——机械思维。在瓦特之后，机械思维在欧洲开始普及，工匠们发明了解决各种问题的机械。19世纪初，英国技师史蒂芬森利用机械发明了火车，并且在1821年实现了英国斯托克顿和达灵顿之间的铁路连接，从此人类之间的距离开始大大地缩短。1843年，英国发明家查尔斯·瑟伯（Charles Thurber，1803～1886）第一次用机械的方式实现了替代手写字的转轮打字机，从此几千年来人类通过书写来记录文明的方式，被一种机械运动取代了。在工业革命前夕，机械思维从英国传到了大西洋彼岸的美国，一位毫无工作经验的耶鲁机械学毕业生伊菜·惠特尼（Eli Whitney，1765~1825），利用自己所学习到的物理学知识和机械原理发明了轧棉机，把过去要用手工技巧摘除棉花里的棉籽的工作交给了机器来完成。轧棉机使得摘棉籽的效率提高了50倍以上，并因此彻底改变了美国南方种植园经济，间接地导致了后来的美国南北战争。和惠特尼同年出生的美国发明家罗伯特·富尔顿（Robert Fulton，1765～1815）则发明了使用机械动力取代风力的蒸汽船，为全球自由贸易时代的到来做好了准备。
机械的广泛使用和机械的思维方式直接导致了人类迄今为止最为伟大的事件——工业革命。在工业革命之前的两千年里，世界各地的人们的生活水平其实没有太大的提高。已故著名历史学家安格斯·麦迪森（Angus Maddison，1926～2010）对全球各个文明在不同历史时期所做的经济学研究发现，世界人均财富从公元元年左右到18世纪工业革命前是没有提高的43。但是，到了工业革命之后，情况就大不相同了。马克思曾经讲过：”资产阶级在其不到100年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切时代创造的全部生产力还要多，还要大。”44相比工业革命，任何王侯将相所谓的丰功伟绩都显得微不足道。
工业革命带来的不仅是财富，也大大延长了人类的寿命。在工业革命之前，无论是欧洲、东亚还是印度，人均寿命都在30~40岁之间徘徊，因此古人才会有”人生七十古来稀”之叹。而在1800年之后，世界各国的人均寿命都先后翻了一番（见图3.5）。由此可见，一种新的思维方式对人类文明进步的重要性。
图3.5 世界各地区人均寿命在当地开始工业革命之后大幅提高
机械思维对世界的影响力并没有随着工业革命的结束而结束，从牛顿时代开始接下来的3个世纪里，人类越来越习惯于用机械的方式描述一切，这就如同在托勒密的时代人们习惯于把一切运动归结为圆周运动一样。机械思维从此渗透到社会生活的方方面面，人们相信能够用机械解决一切问题，包括很多过去无法解决的问题。
瑞士的能工巧匠们将机械的威力发挥到了极致，他们制造的那些精致而昂贵的机械表不仅可以指示时间，而且可以准确地预测上百年的太阳历、阴历和主要星辰的运动，甚至可以通过机械振动演奏音乐。
图3.6 能够奏出音乐的雅典表（Ulysse Nardin）
不仅时间、音乐与机械挂上了钩，计算也可以用机械来实现。在19世纪中叶，发明家巴贝奇用机械实现了复杂的差分计算，70年后的20世纪30年代，德国计算机科学家和机械师楚泽则用机械实现了制造人类第一台可编程的计算机Z1。在当时人们的眼里，世界上任何事情都是可以用机械来实现的，只是时间早晚而已。
机械思维更广泛的影响力是作为一种准则指导人们的行为，其核心思想可以概括成确定性（或者可预测性）和因果关系。牛顿可以把所有天体运动的规律用几个定律讲清楚，并且应用到任何场合都是正确的，这就是确定性。类似地，当我们给物体施加一个外力时，它就获得一个加速度，而加速度的大小取决于外力和物体本身的质量，这是一种因果关系。没有这些确定性和因果关系，我们就无法认识世界。
如同我们今天在谈论大数据思维和互联网思维时无意中会带有一种优越感一样，在19世纪时，机械思维是一个非常时髦的词汇，人们喜欢用这个词汇表示自己对近代科技的了解和所具有的理性精神。在客观上，机械思维也确实促进了世界近代化，乃至现代化的过程——它导致了很多重大的发明和发现，比如爱因斯坦的相对论的提出，也促进了一些现代科学的诞生，比如现代医药学。
图3.7 巴贝奇的差分机（硅谷计算机博物馆的复制品）
要理解机械思维深远的影响力，就必须谈谈爱因斯坦。大家都知道，爱因斯坦是现代物理学的集大成者，他不仅在物理学上突破了牛顿理论，而且在物理学几乎每个领域都有所建树，但是他的思维方式其实和牛顿是一致的。牛顿的物理学理论是建立在确定性基础，即所谓的绝对时空45之上的，他发现万有引力定律则是寻找因果关系的结果。牛顿发现行星围绕太阳运动这个结果，然后找到了万有引力这个原因。爱因斯坦的研究方式是类似的，他的理论也是建立在一种确定性——光速恒定的基础之上的，基于这种假设，利用逻辑推理，就可以推导出整个狭义相对论。就连爱因斯坦自己也说，如果不是他，也会有人在很短的时间内发现狭义相对论，因为狭义相对论就是光速恒定的必然结果。类似地，如果将重力和加速度等价起来，利用因果逻辑，就能推导出广义相对论。爱因斯坦的相对论在形式上和牛顿力学也有相似之处，简单而美妙，几个公式就把整个理论描述清楚了。
至于牛顿和爱因斯坦能找到这些因果关系的原因，除了拥有过人的智慧之外，他们的运气还特别好，或者说都曾有过灵光一闪的灵感。如果说牛顿被苹果砸了一下的说法是伏尔泰杜撰出来的，并不靠谱，那么爱因斯坦从白日梦中获得另类想法搞清楚了广义相对论却是一件真实的事情。当年，爱因斯坦在瑞士专利局无所事事时，坐在窗前看着外面明媚的阳光，想着有人在窗外坐着椅子从天上加速而下的怪事，从此想清楚了重力和加速度的联系，发现了广义相对论。这个例子说明，人类找到真正的因果关系是一件很难的事情，里面运气的成分很大，因此机械思维在认识世界时还是有很多的局限性的。
图3.8 和牛顿万有引力原理不同的是，爱因斯坦在广义相对论中用引力场解释引力现象
当然，机械思维的局限性更多来源于它否认不确定性和不可知性。爱因斯坦有句名言——”上帝不掷色子”，这是他在和量子力学的发明人波尔等人争论时讲的话。今天我们知道，在这场争论中，波尔等人是正确的，爱因斯坦错了，上帝也掷色子。著名物理学家张首晟教授喜欢用三个公式概括人类最高的文明成就：
爱因斯坦的质能转换公式E=mc2
量子力学中的测不准原理△t·△p>ε
熵的定义H=-∑iPilogPi
张教授把波尔和爱因斯坦的公式同时放上去了，反映出机械思维的两面性——善于把握确定性而难以解决不确定性问题。
张首晟教授也让我给出三个公式。有两个公式我们是不约而同想到的，即质能转换和熵的定义。但是和张首晟教授略有不同的是，我用一个更简单基本的公式1+1=2取代了测不准原理。张首晟教授是著名的物理学家，他喜欢物理学的原理，而我对数学更感兴趣，给出了这个最为朴素的公式，因为它不仅是整个数学的基础，而且概括了因果逻辑，从大前提和小前提，一定能够得到确定的结论。反过来看，要想让结果被人们接受，就必须知道原因。这是从笛卡儿开始总结出科学方法以来全世界科学家们都必须遵守的原则。利用这个方法论，在“二战”之前，人类可谓是无往不利，世界上许多发明就是在这样的方法论下产生的。在这些发明中，青霉素的发明不仅非常重要，而且极具代表性。
青霉素对人类的重要性无须多言，它不仅仅是一种抗生素，能够杀菌治病，而且在很大程度上消除了人类对疾病的恐惧，从此不必生活在对疾病的恐惧中。在青霉素被发明和使用之前，不论是东方人还是西方人，一旦得了病，能否治好很大程度上只有听天由命。我们今天无法想象天天生活在对疾病和死亡的恐惧中是怎样的感觉，但是半个多世纪前人类就是生活在对未来不确定的阴影中。青霉素改变了这一切，因此它的发明过程被无数文学作品过度地渲染也就不足为奇了。
对青霉素最戏剧化的渲染就是将青霉素的发明过程归结为：英国医生亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming，1881～1955）在1928年很幸运地发现霉菌可以杀死细菌，从而发明了这种万灵药。但真实情况要复杂得多，弗莱明的偶然发现仅仅是发明青霉素漫长过程的一个开始而已，其重要性也被远远地夸大了。事实上，弗莱明并不清楚霉菌杀菌的原理，也没有能力浓缩和提炼其中的有效成分，如果仅仅靠他偶然的发现，青霉素的普及不知道要晚多少年。
青霉素真正得以从偶然的发现变成一种万灵药，在很大程度上是科学家们自觉应用因果逻辑的结果。在制药这个行业，直到今天其核心的方法都遵循”研究病理找到真正致病的原因，然后针对这个原因找到解决方案”。世界上最早真正采用科学方法研究青霉素杀菌原理和提炼青霉素的，是霍华德·弗洛里（Howard Florey，1898～1968）和厄恩斯特·钱恩（Ernst Chain，1906～1979）等人，当时已经是1939年，距离弗莱明首次发现青霉素已经过去11年了，而弗莱明本人也已经不再研究青霉素。钱恩和他的同事爱德华·彭利·亚伯拉罕（Edward Penley Abraham，1913～1999）等人找到了青霉素的有效成分——一种被称为青霉烷的物质。青霉烷能够破坏细菌的细胞壁，而人和动物的细胞没有细胞壁，青霉素可以杀死细菌却不会伤害人和动物，这样才算搞清楚了青霉素杀菌的原理。后来根据这个原理，美国麻省理工学院的科学家约翰·希恩（John Sheehan，1915~1992）成功地合成出青霉素，而不再像过去那样需要通过培养霉菌的方法提炼这种药物了。46同时，了解了青霉素的杀菌原理，也有助于科学家们搞清楚为什么某些细菌会产生抗药性47，亚伯拉罕等人再应用青霉烷的杀菌原理，发明了头孢类的抗生素等多种新型抗生素，解决抗药性问题。青霉素和其他抗生素的发明，实际上遵循了”分析找到原因，根据原因得到结果”的思维方式，或者说知其然也知其所以然。这种方法带来的好处是有目共睹的，工业革命后人类寿命的提高都是依靠这种方法。相反，传统医学常常不遵循因果关系，是“不知其所以然”，因此治病的效果也是时好时坏，然后医生们用一些似是而非的语言解释他们其实并没有搞清楚的原因。
从牛顿开始，人类社会的进步在很大程度上得益于机械思维，但是到了信息时代，它的局限性也越来越明显。首先，并非所有的规律都可以用简单的原理描述；其次，像过去那样找到因果关系已经变得非常困难，因为简单的因果关系规律性都被发现了。另外，随着人类对世界认识得越来越清楚，人们发现世界本身存在着很大的不确定性，并非如过去想象的那样一切都是可以确定的。因此，在现代社会里，人们开始考虑在承认不确定性的情况下如何取得科学上的突破，或者把事情做得更好。这也就导致一种新的方法论诞生。
图3.9 因发明青霉素而获得诺贝尔奖的三名科学家：弗莱明、弗洛里和钱恩（从左至右）
