数字思维

数字思维将引发新的社会变革。随着医学和计算技术的进步，我们终有一天会充分了解大脑的工作原理，并尝试用数字支持的形式复制智能，也就是说，我们可以编写一个由数字计算机来执行的程序，它会展现出智能。在本书中，我们将探索这种可能性。有若干方法可以实现这个目标，但它们都会造成非生物思维产生并成为我们社会中一员的局面。作者称它们为“数字思维”（digital mind），原因在于，几乎可以肯定的是，数字计算机技术的存在将使它们成为可能。非生物思维可能会很快出现在地球上，这一事实将引发一场迄今为止我们从未见过的社会革命。

关于思维、智能和人类的未来预测。作者以人类社会经历的几次重大社会变革为脉络，梳理了从农业革命、*次和第二次工业革命、第三次工业革命、信息和计算机革命、互联网革命，到量子物理学、脑科学、神经科学、生物信息学、基因测序、全脑仿真、算法、机器学习、虚拟现实、增强现实、人工智能等科学和技术的发展历程，并以此为基础对思维、智能和人类的未来进行了预测和展望。作者认为，数字思维很有可能会在21世纪出现，它将掀起前所未有的变革。

计算机、细胞和大脑有什么共同之处？计算机是人类设计的电子设备，细胞是经自然进化和选择产生的生物实体，大脑是人类思维的创造者和“容器”。但在某种程度上，它们都是信息处理设备。至今，任何既存的机器和已知的生物都无法与人类大脑的力量相媲美。经过亿万年的进化，大脑帮助人类发明了各种各样的工具和技术，让我们的生存和生活变得更容易，尤其是几乎跟人类大脑同样强大的计算机。
在这本书中，作者将带领我们踏上一段通往未来的探索之旅，讲述科技的进步如何推动我们创造出“数字思维”。  
指数增长是一种深植于生命蓝图中的模式，但当下正在发生的技术性变革有望超越进化性变革。作者描述了一系列技术和科学进步：麦克斯韦方程组，图灵机，人工生物系统，神经元网络，机器学习，基因组测序，等等。他把自然选择视为终 极 算法，探讨了遗传学和中枢神经系统的进化，并描述了计算机成像在理解和模拟大脑方面起到的作用。在对思维创造系统的行为进行思考之后，他提出了几个我们无法回避的问题：智能的未来是什么？人类大脑是可以主宰思维的唯 一系统吗？如果数字思维产生了，它将成为我们的伙伴，还是敌人？
带着这些问题，开始你的数字思维探索之旅吧！

葡萄牙里斯本高等理工学院院长，计算机科学与工程系教授。

推荐序　　　/　V
序 言　/　IX

第1章 快速奔跑的红皇后 / 001
万事万物皆相互关联 / 003
老年人很难适应新事物 / 005
从计算机和算法到细胞和神经元 / 008

第2章 技术的指数性质 / 013
史前技术 / 015
第一次和第二次工业革命 / 017
第三次工业革命 / 019
指数趋势的惊人性质 / 023
出生在计算机时代 / 029

第3章 从麦克斯韦到互联网 / 031
改变世界的 4 个方程 / 033
物理学的世纪 / 038
晶体管、芯片和微处理器 / 042
互联网的崛起 / 053
数字经济 / 055

第4章 通用计算机 / 061
分析机 / 063
图灵机和计算机 / 066
可计算性和无穷悖论 / 072
算法和复杂性 / 082
丘奇-图灵论题 / 092

第5章 智能机器的探索之旅 / 095
人工智能 / 097
机器学习 / 105
感知器和人工神经网络 / 114
贝叶斯公式 / 121
大脑、统计学和学习 / 126

第6章 细胞、身体和大脑 / 129
终极算法 / 131
细胞和基因组 / 141
身体和大脑 / 152

第7章 生物学与计算机的美妙邂逅 / 157
基因组测序 / 159
生物网络 / 167
生物系统建模与仿真 / 170
数字动物 / 176
合成生物学 / 178
第8章 大脑是如何工作的 / 183
神经元是如何工作的 / 187
大脑的结构和组织 / 194
大脑的发育 / 199
可塑性、学习和记忆 / 202

第9章 理解大脑 / 207
脑成像技术 / 211
脑网络图谱 / 226
显微术和脑组织切片 / 227
脑模拟和超级计算机 / 232

第10章 智能、思维和机器 / 237
合成智能 / 243
神经形态智能系统 / 252
全脑仿真 / 255
意识之谜 / 263

第11章 挑战和希望 / 273
公民权利 / 275
原件、副本和复制品 / 278
时间旅行、备份和回退 / 283
生活在虚拟现实之中 / 287
人格手术和其他改进方法 / 291

第12章 关于未来的种种猜想 / 295
技术奇点 / 297
奇点之后，是生是死？ / 302
超级智能的风险 / 304
外星文明在哪里？ / 306

致 谢　/　311
延伸阅读　　　/　313
参考文献　　　/　319

从计算机和算法到细胞和神经元

新技术的出现并不是新鲜事。然而，在如此短的时间内出现了如此多的技术创新，这是前所未有的。在未来几十年里，我们将继续看到若干技术的迅速发展和融合，而在不久之前，它们还被视为互不相干。
其中一项是计算机技术，它是随着电子学和计算机科学的发展而出现的，尽管出现时间不长，但已经极大地改变了世界。计算机现在几乎随处可见，以至于对我们许多人来说，很难想象没有计算机的世界会是什么样子。然而，计算机之所以有用，只是因为它们可以执行算法。算法无处不在，它们是计算机存在的最终原因。如果没有算法，计算机将毫无用处。
算法开发人员的工作就是寻找最有效的途径，告诉计算机如何高效、正确地执行特定计算。算法是非常详细的“食谱”——计算机执行算法给出的一系列具体步骤，就可以获得某个特定的结果。我们在学校都学过的加法运算，就是一个广为人知的算法案例。无论两个数有多大，只要我们按照这种算法给出的一个个具体步骤，就可以求出这两个数的和。加法运算是现代计算机的核心，计算机的所有应用都离不开它。
算法是通过某种特定的程序设计语言传递给计算机的。算法本身不会随着程序设计语言的变化而改变，它们只是描述如何达到某个结果的抽象指令序列。在我看来，算法设计是数学和计算机科学中最优雅、最迷人的领域之一。
算法往往是为了特定的目的而开发出来的。算法有很多应用领域，其中有两个将在未来的技术发展中发挥基础性作用。
第一个应用领域是机器学习。机器学习算法可以赋予计算机从经验中学习的能力。你可能认为计算机不会学习，而只会按照明确的指令运行，但事实并非如此。计算机的学习方式有很多种，当我们看电视、上网、使用信用卡或打电话时，我们利用的就是计算机的学习能力。在许多情况下，尽管我们无法看到实际的学习机制，但学习仍然发生了。
第二个应用领域是生物信息学，即应用算法来理解生物系统。生物信息学（亦称计算生物学）利用算法处理通过现代技术获得的生物学和医学数据。我们可以完成基因组测序，可以收集并利用有关生物机制的数据去理解生物系统的运行方式，这些在很大程度上是因为我们使用了特定的算法。生物信息学是一种能够建模和理解细胞及生物行为的技术，生物学领域取得的最新进展与生物信息学的发展有着密不可分的联系。
创造了所有生物的进化过程，在某种程度上也是一个算法。进化是在一个完全相同的平台上进行的，并且已经运行了大约40 亿年，但它本质上仍是一个以生物繁殖能力最优化为目标的算法。40 亿年的进化不仅创造了细胞和生物，还创造了大脑和智能生物。
尽管进化创造了各种各样的生物，各种各样的新技术也被发明出来，但人类一直是地球上高级智能的独一无二的拥有者。正是这种特性使得人类能够统治地球，并根据他们的需要和欲望来改造地球，有时还以牺牲其他重要因素为代价。
然而，技术的进化如此迅速，以至于我们现在第一次面临其他实体——我们创造的实体——真的有可能拥有智能的情况。这种可能性产生于过去50 年里发生的计算机技术（包括人工智能和机器学习）革命，也产生于我们在理解生物（尤其是人体和人脑）方面取得的重大进步。计算机技术的历史只有几十年，但它已经改变了我们日常生活中的许多事物，如果没有计算机，那么我们现在看到的文明根本不可能出现。物理学和生物学也取得了巨大进步，我们第一次拥有了可用于详细了解人体和人脑工作原理的工具和知识。
今天，医疗技术的进步已经大大增加了大多数人的预期寿命，但在未来几十年里，我们控制或治愈致命疾病的能力有望实现前所未有的提升。原因在于，生物学、物理学和计算领域的新技术，有助于我们不断增进对生物过程的理解。最终，我们将实现对生物过程的充分理解，从而在计算机上复制和模拟这些过程，为医学和工程学开创新的可能性。
随着医学和计算技术的进步，我们终有一天会充分了解大脑的工作原理，并尝试用数字支持的形式复制智能，也就是说，我们可以编写一个由数字计算机来执行的程序，它会展现出智能。在本书中，我们将探索这种可能性。有若干种方法可以实现这个目标，但它们都会造成非生物思维产生并成为我们社会中一员的局面。我称它们为“数字思维”（digital mind），原因在于，几乎可以肯定的是，数字计算机技术的存在将使它们成为可能。非生物思维可能很快就会出现在地球上，这一事实将引发一场迄今为止我们从未见过的社会革命。然而，大多数人不仅对这场革命的可能性视而不见，也看不到它将给我们的社会和政治体系带来的深刻变化。本书的另一个目的是，增加公众对这场革命的影响力的认知。
我在书中做出的大多数预测可能都是错误的。到目前为止，未来总能创造出超越人类想象力的东西，更奇怪也更具创新性和挑战性。接下来自然也不例外，如果我有幸能活到那一天，我肯定会因为那些出乎我意料的新技术、新发现而惊讶不已。不过，这就是技术的本质，做预测本就不容易，预测未来更是难上加难。
是时候开启我们的探索之旅了，它的起点是技术的起源，终点是思维的未来。我要告诉大家的第一件事是，指数增长是生命宏图中的一个内置模式，也是许多技术发展的特征之一。