善用物理學第一性原理和經濟學第一原理是科技產業化成功的關鍵。
撰文 | 張文卓
近日，馬斯克重新登頂《福布斯》財富榜單頭名，他旗下有特斯拉、SpaceX、推特等諸多世界著名企業。他之所以能取得這樣的成功，他在採訪中透露，這與他善用「第一性原理」息息相關。受其影響，我們經常看到很多人聲稱自己也使用了第一性原理，其實這裡不乏對第一性原理的誤用。
什麼是第一性原理？
第一性原理來自於物理學，就是用一個系統最底層的物理學方程去計算它可以出現的所有現象，所以也稱為從頭計算法，拉丁文是ab intio；與之相對的，是不去探究一個系統最底層的物理學規律，而是在現象層面總結一些規律，去做一些專門的快速的計算，拉丁文是ad hoc。
第一性原理在物理學和相關領域應用很廣泛。對於相對簡單的系統來說，人們通常會使用第一性原理來計算得到精確結果，比如計算原子或是小分子的結構，底層的物理學就是量子力學，可以用量子力學直接計算。對於相對較大的分子來說，用量子力學做第一性原理的任務會變得繁重，這個領域稱為量子化學，因為分子的組合，分解都屬於化學反應，但本質上都是量子力學支配的動力學過程。量子化學的第一性原理計算需要藉助計算機和專用軟體的力量。由於計算機軟硬體的進步，第一性原理也從量子化學進一步延伸到材料結構計算，甚至生物大分子計算中。
第一性原理的計算難度會隨著系統變複雜而大幅提高，過程中需要做到很多近似模型，例如DFT，就是密度泛函理論，還有蒙特卡洛分子模擬等等。對於越來越複雜的系統，第一性原理越來越難以給出精確的定量結果，但至少能給出定性的結果，也就是抓住主要矛盾。
馬斯克如何使用第一性原理
馬斯克就是使用了第一性原理的思想指導他的創業。物理學專業出身的他，對第一性原理做了引申。世間萬物都要符合物理學規律，那麼在技術方面，物理學規律就是本質上不可逾越的紅線。如果一項技術去挑戰物理學規律，比如永動機挑戰能量守恆，那就是不可能實現的。但一項技術如果完全遵循已知的物理學規律，那它一定是可行的。可回收火箭，長續航電動汽車，都在物理上可行。
馬斯克並不僅僅用物理學作為第一性原理。在商業方面，他也善於使用人類社會的基本原理作為第一性原理，那就是經濟學。而很多科技創新其實忽視了經濟學這個第一性原理。經濟學原理要求一項新技術一定通過降本增效提高生產力，才能廣泛應用。降本和增效是兩個獨立的維度，市場能接受的新技術為以下三種情況：（1）保持效率不變或犧牲一點效率，同時大幅降低成本；（2）保持成本不變或增加一點成本，同時大幅提高效率；（3）同時大幅降低成本和提高效率，這種「天選之子」的技術非常稀有。
如果出現第四種情況，即大幅提升效率的同時大幅提高成本，它就會面臨非常困難的市場推廣，甚至在國家層面無論出台多麼好的政策，都無法另其產業化。很多新興技術在提升效率的同時卻不計成本，導致其無法走出實驗室，或者只作為奢侈品服務富人階層。所以降本增效的這個第一性原理決定了科技產業必然要服務於勞苦大眾。
馬斯克通過火箭回收技術，讓衛星的發射成本下降一個數量級，用波音公司和洛克希德馬丁公司十分之一的報價，從美國國家航空航天局（NASA）手中拿到訂單。特斯拉電動車也是運用了電力能源相比於化石能源的降本增效，雖然有前期的大量投入，但是長期從節能減排，產業結構等多個角度都會來帶來優勢。
慎用第一性原理
使用經濟學的第一性原理，很容易理解為什么半導體一定要不斷推進先進位程：同樣大小的集成電路，晶片上電晶體一定要越做越多。因為晶片面向的是普通老百姓的市場需求，一定要走降本增效的道路。因為晶圓成本保持不變，而電晶體越小，單位面積的上能製造的電晶體數量就越多，單個電晶體的成本就會越低，固定面積的單個晶片的工作效率也會越高。
相反，很多高精尖武器的科技創新並不是面向普通老百姓的市場需求，量比較小，那就可以不受經濟學第一性原理約束，可以不計成本地製造，但這就註定了它達不到科技產業的規模。
所以在科技產業上，物理學原理和經濟學原理都是決定一項技術能否完成產業化的第一性原理，缺一不可。馬特·里德利在其《創新的起源》一書中對技術的演化給出了非常全面的理解和分析，並提出一句名言：「人們總是高估一項新科技帶來的短期效益，卻又低估它的長期影響」。
當一項新科技只符合物理學的第一性原理，不符合經濟學的第一性原理時，就是人們高估它短期效益的時候。當這項新科技完成降本增效，那就是人們低估它長期影響的時候。
本文為科普中國·星空計劃扶持作品
作者：張文卓
審核：羅會仟（中國科學院物理所 研究員）
出品：中國科協科普部
監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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