本书旨在揭示驱动物质文明进步的根本力量——物理精神。本书第一部分从物理学的诞生开始，梳理了物理学的发展历程，勾勒出当代物理学的大厦，进而展现了物理科技如何成为现代化学、生物学和医学、心理学、地球科学的基础。第二部分讲述了物理科技在战争史、第一和第二次工业革命、信息革命和企业创新中发挥的根本作用，说明了如何将物理科技应用于捍卫国家安全、产业进步和企业创新上。第三部分介绍前沿科技——纳米技术、人工智能的缘起、基础和当前进展，展现了自组装是驱动物质、信息和人工智能发展的机制。

前言 长期以来，商业创新层出不穷，技术创新却屈指可数。对此，社会上的各种力量都在讨论，并几乎一致性地认为技术创新是极其困难的，投入巨大且收效甚微。但从逻辑上看，技术创新比商业创新容易。其原因在于，商业创新的决策所信赖的信息是不完备的，对用户心理是盲测的，不仅测试成本高，更需要技巧。技术创新的工作则面向客观而具体的对象，其方法明确、信息完备，且实施成本低。 从历史事实来看，第二次世界大战之前三百年的科学发展只依赖于同期数百位科学家的努力，却诞生了牛顿力学、热力学、麦克斯韦电磁学、相对论、量子力学及近代化学等。同时，几乎所有伟大的科学家都年纪轻轻就做出了伟大发现，并未依赖个人的长期经验。在发明实验设备方面，伽利略的望远镜、法拉第的电磁设备、迈克尔逊·莫雷的实验设备、威尔逊的云室、加州理工学院的粒子加速器等，都是一个人或几个人设计制造的，所需经费少之又少。在现代信息技术发展史上，几乎所有伟大的底层发明，如信息论、晶体管、计算机架构、集成电路、编程语言、网络协议、数据库等都是由一个或几个年轻人完成的，几乎找不到需要几百人、几千人发明微积分、万有引力定律、集成电路、编程语言的例子。因此，技术创新并不是高不可攀的。 如何进行技术创新呢？从事实看来，其核心是寻找技术创新的源头。技术创新的源头是物理。 正如爱因斯坦所说，世界上最不可思议的事情，就是这个世界是可思议的。几百年来，物理给我们提供了确凿的证据，说明了如何从几种简单粒子，在观测工具的帮助下，遵循定律，演绎出所有先进的科学知识和技术，进而经济地制造出各种物品。如果采取彻底的唯物主义，相信世界是物质的，就会无条件地接纳物理，将它作为指导技术创新的唯一原则。如果是彻底的理性主义者，就会坚定不移地从物理中寻找一切经济问题的答案。物理以摩尔定律等现象告诉我们，跟随它，所获得的物质进步是指数级的，而且是可持续的。 物理精神——物质、信息和人工智能自组装前言物理是如何成为技术创新源头的呢？从逻辑上看，只有自身是技术创新驱动的，才可能成为其他技术创新的源头。几个世纪以来，物理学无疑是持续创新的，牛顿力学、热力学、麦克斯韦电磁学、相对论、量子力学、标准模型等伟大创新塑造了人类关于自然界的认知，为人类改造自然提供了知识和原理。坚持实验是这一创新得以持续实现的基础。透视实验的过程，是由观察、实验、测量和计算组成的。因此，正是测量技术的不断创新促成了物理学的发展。 观察、实验、测量和计算，使认知发生了两个方向的运动。一个方向是原理方面的，即向底层探索，找到宇宙中更为普适的定律，发现构成宇宙的、更基础的基本粒子，以及它们之间的相互作用，从而洞悉构建物质世界的更底层的原理，以及探索的方法，这些知识构成了所有自然科学的基础，意味着各门自然科学学科无论在知识方面，还是在技术方面，都享有同样的基础内容。从概念、定律、公式到实验、测量、计算和操控手段等，物理学的知识和技术成为科技第一原理。 另一方向是经验方面的。从第一次工业革命到今天的产业史，是从潜意识地采用自然科学知识到聚焦于自然科学知识，并运用其方法的发展史。运用物理等自然科学的最新知识和方法，自上而下地设计、合成和构造各种人工物质和物品，如材料、机器、药品、建筑、信息、家电、计算机等，从而创建了人工世界，制造上述物质和物品的产业分为农业、工业、服务业，等等。制造中采用的知识和方法离物理学越近，获得的物质操控能力就越强，并体现为更强的生产力、企业的竞争力和社会的经济力。 自2000年起，科技创新的模式发生了跃迁。由于自然科学知识的演绎性所具有的自动推理的特征，改变了传统经验性和分散的探索方式，基于科技第一原理，系统地运用物理知识和方法论，试图自下而上地构建人工世界。其代表是纳米科技和人工智能。纳米科技的主张是自下而上地自组装物质与物品，而人工智能的主张则是自下而上地让物质与物品自动化地思考和行动。 所以，物理学成为技术创新的原力的命题，在逻辑上是成立的，在经验上是被归纳验证的。 物理科技的核心是测量，追求测量极限的竞争就是物理精神。物理精神就是这样一种递归力量，它使用已确定的自然科学知识，通过观察、实验、测量和计算等技术手段，与物理产生的事实相互作用，在一个方向上增加知识的确定性和精微性，在另一个方向上增加人工物品的纯粹性和自动性。知识的确定性意味着基础研究的深入，而人工物品的纯粹性则意味着提升了自动化组装的效率。这两个方向上的探索并不是相互割裂的。针对应用的研究可以产生基础研究成果，这种模式被称为巴斯德象限。 本书第一部分从物理学的诞生开始，先讲述物理学的发展；接着讲述这些知识是如何被用于制造物质和物品的（以信息科技为例，物理学代表了人类当代创新的最佳实践）；最后讲述其他科学以物理科技作为知识基础和技术基础，进行了卓有成效的重建。 第二部分梳理了物理科技在社会生产力和效率上的作用。通过历史事实表明：基于物理原理和技术诞生的创新是经济效率最高的创新。离物理原理和方法越近，经济运行的效率就越高，获得的经济效率就越高，企业的生存概率也越高，社会生活的物质质量就越好。 第三部分透视了当下正在发生的事情，物理精神体现在纳米科技和人工智能上。纳米科技直接提倡自下而上的物质自组装，人工智能发展的内在逻辑则揭示了一个新时代，即知识可以通过设备智能地获得，打破了机器不能获取知识和思维能力的神话。纳米科技和人工智能都是物理精神发展的产物，是人类精神的物理化，证明了大自然的自组装规律。

第一部分物理学的进化：从物理学到物理科技1 第1章综述：用物理制造出来的世界2 11文明是什么：从手工制造到自组装3 12世界是什么：物质、能量、演化与数学6 13技术是什么：材料、信息、制造与合成9 14经济是什么：人工物的生产效率与消费12 15物理精神：通过测量驱动物质、信息与人工智能自组装15 第2章探究第一原理的理论物理学18 21孕育期的物理学：自然哲学20 22第一次物理革命：牛顿力学与机器宇宙23 23能量的发现：热力学与电磁学27 231热力学：能量与统计28 232电磁学：电、磁、光与场30 24第二次物理革命：能量与物质的量子作用32 241能量即物质：狭义相对论33 242基础物质：原子内部结构34 243量子理论：从量子力学到量子电动力学35 25至微物质：物质基本结构与演化机制39 251粒子物理学的诞生与发展39 252标准模型与物理理论大统一的尝试41 26至大物质：宇宙的诞生与演化45 261宇观观测技术与新天文学的诞生45 262当代宇宙演化理论48 第3章建立技术第一原理的介观物理学54 31原子结构与分子构造：原子理论的拓展56 311原子的电子组态56 312分子与化合物的构造59 32解剖固态物质：固态物理学60 321物质的力学性质：晶体的几何结构60 322物质的导电性：固体能带理论63 323物质的磁性：荷电粒子的自旋与相互交换66 33构造固态物品：半导体元器件69 331N型半导体与P型半导体70 332二极管与三极管71 333单晶硅、分立元件、集成电路与芯片72 34探究物质的不同物态：凝聚态物理74 341凝聚态物理的核心概念74 342低温下的物质：超导体与超流体78 343其他状态下的物质举例81 35构造光子：光子的能量、信息与操控84 351激光与激光器84 352光导纤维与光纤通信86 353光子操控87 354非线性光学90 355量子光学与量子信息光学91 36操控微观：显微镜技术92 361光学显微镜92 362电子显微镜93 363原子力显微镜95 364微观操控技术的重要性96 第4章科学重建：奠基在物理科技上的新科学98 41化学：从焙烧、电离到合成99 411炼丹术和炼金术100 412近代化学的诞生100 413现代化学的重建104 42医学与生物学：从性命、机器到基因编辑108 421古代医学：性命的禁区108 422近代医学：人是机器110 423现代医学：测量与精准医药112 424现代生物学：基于分子的观测与编辑114 43心理学：从个人内省、行为反射到认知科学119 431近代心理学的诞生121 432行为心理学三阶段124 433认知科学的诞生127 44地球科学：从观察归纳到探测反演133 441近代地质学133 442现代地球科学136 第二部分物理科技的应用：物质文明的第一生产力142 第5章资源之争：战争的制胜力143 51操控生物能量：士兵、战车与战马144 511驯化中的马和步兵方阵144 512游牧民族的骑术霸权147 52操控人造火：火枪与火炮150 521始于中国的火枪与火炮151 522火炮与城堡的科技进化154 523枪炮的自动化与杀戮机器156 53操控波与粒子：无线电与原子弹158 531钢铁机器与无线电之战158 532原子弹：还原一切为物质与能量160 533以物理科技优势冰封战争164 54新军事竞争：从微电子到量子信息165 第6章宏观经济：工业的驱动力173 61发明时间与空间：科技与工业革命的准备174 611统一时间的诞生174 612绝对空间的发明176 613特殊的材料：玻璃177 62真空与机器：第一次工业革命179 621真空的发明179 622蒸汽机的发明竞赛181 623英国纺织业的逆袭183 63化学与电磁力：第二次工业革命185 631元素、电化学与合成化学186 632电的工业化使用188 633德国的工业化超越191 64信息物理化：第一次信息革命193 641信息的发明195 642信息物理化与计算革命200 643美国的称霸和中国的崛起208 65量子信息化：第二次信息革命217 651硅基半导体的极限219 652量子信息科技的兴起220 653角逐量子信息科技制高点223 第7章微观经济：企业的颠覆力226 71工匠：探索材料物理与工程227 711早期工匠：神秘制造技艺的守护者227 712现代工匠：先进材料和加工工具的创造者231 72流水线：组装自动化制造237 721美国制造体系：可互换部件的系统化238 722福特流水线：机器系统的自动化组装239 723丰田精益制造：回归工匠243 73工业研究实验室：基础研究才是护城河245 731工业研究实验室的起源与德国合成化学246 732美国的工业研究实验室249 733基于物理原则：看懂谷歌与华为253 74硅谷模式：以物理科技颠覆旧经济255 741早期硅谷——无线电发烧友255 742缔造半导体产业257 743新经济：个人电脑、生物科技与信息科技259 第三部分物理精神在当下：自动化组装世界263 第8章纳米科技：自下而上的物质自组装264 81自下而上的理念与国家意志264 811费曼：终极问题是操作原子制造各种物品264 812纳米科技的兴起与全球行动267 813新模式：科学、技术、制造一体化269 82自下而上地组装物质世界274 821自下而上：材料科学的第三次革命276 822物质自组装：从纳观、微观到宏观279 第9章人工智能：始于思维测量的知识自组装286 91人类智能物理化的理念与追求287 911役使万物：从驯化、制造到机器自动化287 912测量思维：哲学、数学、逻辑、认知与计算290 92用物理智能实体实现知识自组装303 921物理化智能：人工智能的三次浪潮303 922定义人工智能：理性地行动310 923实现人工智能：构造理性Agent313 924知识自组装：智能机器的自学习317 结语：物理——无尽的前沿320 参考书目325