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！

阿林多·奥利维拉，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
序言
第1章 快速奔跑的红皇后
万事万物皆相互关联
老年人很难适应新事物
从计算机和算法到细胞和神经元
第2章 技术的指数性质
史前技术
第一次和第二次工业革命
第三次工业革命
指数趋势的惊人性质
出生在计算机时代
第3章 从麦克斯韦到互联网
改变世界的4个方程
物理学的世纪
晶体管、芯片和微处理器
互联网的崛起
数字经济
第4章 通用计算机
分析机
图灵机和计算机
可计算性和无穷悖论
算法和复杂性
丘奇-图灵论题
第5章 智能机器的探索之旅
人工智能
机器学习
感知器和人工神经网络
贝叶斯公式
大脑、统计学和学习
第6章 细胞、身体和大脑
终极算法
细胞和基因组
身体和大脑
第7章 生物学与计算机的美妙邂逅
基因组测序
生物网络
生物系统建模与仿真
数字动物
合成生物学
第8章 大脑是如何工作的
神经元是如何工作的
大脑的结构和组织
大脑的发育
可塑性、学习和记忆
第9章 理解大脑
脑成像技术
脑网络图谱
显微术和脑组织切片
脑模拟和超级计算机
第10章 智能、思维和机器
合成智能
神经形态智能系统
全脑仿真
意识之谜
第11章 挑战和希望
公民权利
原件、副本和复制品
时间旅行、备份和回退
生活在虚拟现实之中
人格手术和其他改进方法
第12章 关于未来的种种猜想
技术奇点
奇点之后，是生是死？
超级智能的风险
外星文明在哪里？
致谢
延伸阅读
参考文献

从物理形态上看，计算机毫无生气；而要把它作为一
种能思考的机器来看的话，计算机又不堪重任。我们很久
以前或许有过这样的念头，但这本书的作者从未这样想过
。在几年以前，甚至是几十年前，我们就听说他经常会打
破和谐的对话气氛，独树一帜地提出他自己的观点。他认
为，有迹象表明推动生命系统进化的自然过程正在进驻新
的数字领域；随着时间的推移，这些迹象变得越发明显，
结果也变得越发奇妙。那些（像我一样）被他的独树一帜
的想法吓了一跳的人，一直希望听到他说出更多的惊人言
论。毕竟，阿林多是这方面的权威。他杰出的学术生涯跨
越了从电路设计到机器学习的多个领域，而且越来越多地
涉及生物学领域。因此，对于能思考的机器的发展前景，
他有很多话要说，就不足为奇了。但是，正如这本书的读
者将会发现的那样，它不仅呈现了惊人的言论，而且数量
之多远超我们的想象！
作为加州大学伯克利分校计算机科学专业的一名学生
，阿林多还辅修了神经科学。在某种程度上，我为他的远
见卓识感到庆幸。在我看来，这为他后来的成就奠定了坚
实的跨学科基础，但他却一反常态地将他辅修神经科学的
举动自谦为年轻时“收效不大”的冲动。事实上，早在那
时他就已经对数字思维产生了一些疑问，而且这些疑问永
远不会消失。当时，他得到的关于认知的答案根本讲不通
。正如你将在这本书中发现的那样，阿林多乐于推测，同
时能给出合理的解释，并交代清楚历史背景。我指的不是
在理论上可解释，而是指有线索可循，最终的原因都能归
结到包含其中的电路上。作为一名生物学家，这种无法抗
拒的冲动是我们熟悉的。对复杂过程的理解总是包含多个
层级的成分，从基因到细胞，最后一直到生态系统。同样
的系统性原则引导着这次通往数字思维的旅程。光是巧妙
地讲故事，肯定“收效不大”。
现在，我们发现一场数字风暴席卷了我们，我们的所
有感知和行为都处于这场风暴的笼罩之下。新型设备以及
为之提供支持的云服务平台限定了我们的交流方式，也限
定了我们的活动范围。更重要的是，在我们更加专注地思
考时，这种数字机器会大大拓展我们的视野。现在，神经
科学通过先天和经验学习建立的模型来预测感觉输入，对
大脑如何计算这个问题有了更深入的了解。正如人们预期
的那样，递归是对数字机器的一个考验，而思考如何感知
传感器同样会充分调动我们的思维。在涉及有意识的计算
时，有机和无机之间的界限显然不再会引发分歧。说到有
意识的计算，你可能会又一次以国际象棋或围棋为借口，
寻找与阿林多进行这些对话的机会（不要抱太大希望！）
。关于这些问题，他已经在计算领域探索和实践了几十年
，他应该就此写一本书……
我本打算在最后一段为我的这篇推荐序画上一个完美
的句号。但令人意想不到的是，阿林多在这本书的最后两
章讨论了我们该何去何从的问题。在探讨了数字意识的可
能含义和这个进程必然展现的前景这两个问题之后，这两
章并未就此打住，而是继续深入下去。这本书是按时间顺
序写作的，就像小说一样，所以在这里我不会剧透。犹如
阅读任何一本好书，我们不仅要回答作者提出的问题，还
要回答我们自己的问题。就我个人而言，我不禁认为数字
生物和数字思维的出现，也是推动生物进化迈向更复杂结
构的内衡驱力（homeostatic drive）的一部分。要构建
数字机器并让它处理复杂世界中难以预测的变化，除了让
它学会思考之外，还有什么其他更好的方法吗？正如这本
书中解释的那样，思维可能是必然的结果，包括数字思维
和其他思维。相反，物理学家可能更倾向于看到更多原子
载体的信息属性的表征。无论如何，我们当前的数字化更
像一颗种子，必将孕育出一个更加智慧的数字未来。
最后，我要提醒大家，如果你家里有十几岁的孩子，
在把这本书推荐给家人之前，你自己一定要先读完。这本
书可能会让我们感到不舒服，但它其实是为新生代写的。
根据我的孩子的表现，他们可能会在这本书中找到一度困
扰他们的问题的答案，即我们是如何让他们陷入数字化困
境的。在这种『青况下，他们会像我们一样困惑不解，不
知道人类为什么对这个奇妙而不可避免的结果毫无察觉。
换句话说，如果这本书到了孩子的手里，你可能就很难拿
回来了。
乔纳斯·阿尔梅达
美国石溪大学生物信息学家

围绕着“智能的未来是什么？”这个问题，这本妙趣横生的探险故事书将计算机科学、生物学、物理学和许多其他学科结合在一起。
作者以人类社会经历的几次重大社会变革为脉络，梳理了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。

围绕着“智能的未来是什么？”这个问题，这本
妙趣横生的探险故事书将计算机科学、生物学、物理
学和许多其他学科结合在一起。少有图书能做到这一
点，但这本书做到了。
——佩德罗·多明戈斯 华盛顿大学计算机教授
、《终极算法》作者
一部启迪思考的著作。奥利维拉向我们传递了一
个引人入胜的观点，那就是数字思维将在不久的将来
出现。
——斯里尼·德瓦达斯 麻省理工学院计算机教
授

对一个漫不经心的观察者来说，计算机、细胞和大脑似乎没有什么共同之处。计算机是人类为简化和改善他们的生活而设计的电子设备；细胞是所有生物的基本要素，是通过进化产生的生物实体；大脑是我们思想的容器和创造者，里面装着希望、恐惧和欲望。
无论如何，计算机、细胞和大脑都是信息处理设备。计算机代表最新的数字形式的信息处理方式，而在此之前，信息处理是由生物完成的，实际上就是在混沌中创建出秩序。计算机、细胞和大脑都是同宇宙一样古老的复杂物理和化学过程的结果，是进化的最新产物，是始于亿万年前的一场竞赛的胜利者。万事万物皆相互关联
我们都是由原子构成的，原子或者产生于140亿年前标志着时间开始的大爆炸，或者产生于大爆炸后几十亿年内的遥远恒星爆发。我们的每一次呼吸都与恺撒大帝的最后一次呼吸一样，吸人的是相同的氧分子，它们被反复使用了成百上千年，维系着地球上的所有生命。我们现在知道，蝴蝶扇动翅膀确实可能会影响好几个月后的一场飓风，而一个物种能否存续，可能在很大程度上取决于地球上所有其他物种的存续。始于大约40亿年前的进化过程造就了我们，也造就了我们周围的一切，包括我们拥有和使用的许多设备及工具。
本书涉及许多个在我看来相互之间存在强联系的不同领域，包括计算机、进化、生命、大脑、思维，甚至还有一点儿物理学。你可能认为这些领域既无交集，也不相关。我将努力向你们证明，它们之间是紧密相连的，有一条共同的线把物理学、计算和生命联系在一起。我知道，本书每一章的主题都可以写成一本专著（有的主题甚至可以写成好几本专著）。对于所有这些领域，我只能点到即止，帮助读者理解其基本原理，但我希望本书的连贯性不会因此受到影响。
从某种程度上说，世间万物皆可归结为物理学。欧内斯特·卢瑟福说过，“除了物理学，其他所有科学都是集邮”，意思是物理学定律应该足以解释所有现象，而所有其他科学不过是物理学定律的不同抽象形式。但是，物理学不能用于直接解释或研究世间万物。要理解宇宙是如何运行的，就离不开计算、生物学、化学和其他学科。不过，这些学科并非毫无关联，适用于其中一个学科的原理也适用于其他学科。
我们之所以意识到一切事物都是相互关联的，在很大程度上是因为我们对世界的理解和我们掌握技术的能力得到了提升。直到最近，科学的进步才让我们理解了这样一个事实：我们接收到的日光、磁体的行为和大脑的工作原理，都可以用相同的方程来描述。仅仅几百年之前，这些还都是互不相干的现实——对被无知蒙蔽了双眼的人类来说，这些神秘事物之间毫无关联。
科学不断提升我们对世界的理解，借着这个东风，几千年来技术以越来越快的速度不断改变着我们的生活，但“技术”（technology）一词的出现时间并不长。1772年，德国学者约翰·贝克曼创造了这个词（其本意是“工艺科学”），并在某种程度上创造了这个概念。在贝克曼创造这个词之前，技术的不同方面分别被称为工具、艺术和工艺。贝克曼在若干著作中都使用了“技术”一词，包括后来被翻译成英文的《技术或工艺、工厂和制造商知识指南》（Guide to Technology, or to the Knowledge of Crafts，Factories and Manufactories）。但是，在20世纪以前，“技术”一词很少在通用语中出现。20世纪下半叶，这个词在通用语中的使用频率稳步增加。今天，它是政治、社会和经济文本中的一个十分常见的词语。
随着技术的发展，人们认为创新和新颖的事物是文明的内在组分。技术、社会和经济的不断变化在我们的日常生活中根深蒂固，以至于我们很难理解并非如此的古代。几百年前，变化非常缓慢，以致大多数人都预期未来与过去区别不大。所以，少有人甚至没有人持有未来将改善人们生活的观念。当变化频繁地发生，人们不仅可以察觉到，而且可以预期变化时，一切都不一样了。随着技术的出现，人们开始期望未来会带来可以改善他们日常生活的新事物。然而，我们中的许多人现在却担心这些变化来得太快，而且影响过于深远，以至于普通人可能无法理解它们。
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