善用物理学第一性原理和经济学第一原理是科技产业化成功的关键。

(相关资料图)

撰文 | 张文卓

近日，马斯克重新登顶《福布斯》财富榜单头名，他旗下有特斯拉、SpaceX、推特等诸多世界著名企业。他之所以能取得这样的成功，他在采访中透露，这与他善用“第一性原理”息息相关。受其影响，我们经常看到很多人声称自己也使用了第一性原理，其实这里不乏对第一性原理的误用。

什么是第一性原理？

第一性原理来自于物理学，就是用一个系统最底层的物理学方程去计算它可以出现的所有现象，所以也称为从头计算法，拉丁文是ab intio；与之相对的，是不去探究一个系统最底层的物理学规律，而是在现象层面总结一些规律，去做一些专门的快速的计算，拉丁文是ad hoc。

第一性原理在物理学和相关领域应用很广泛。对于相对简单的系统来说，人们通常会使用第一性原理来计算得到精确结果，比如计算原子或是小分子的结构，底层的物理学就是量子力学，可以用量子力学直接计算。对于相对较大的分子来说，用量子力学做第一性原理的任务会变得繁重，这个领域称为量子化学，因为分子的组合，分解都属于化学反应，但本质上都是量子力学支配的动力学过程。量子化学的第一性原理计算需要借助计算机和专用软件的力量。由于计算机软硬件的进步，第一性原理也从量子化学进一步延伸到材料结构计算，甚至生物大分子计算中。

第一性原理的计算难度会随着系统变复杂而大幅提高，过程中需要做到很多近似模型，例如DFT，就是密度泛函理论，还有蒙特卡洛分子模拟等等。对于越来越复杂的系统，第一性原理越来越难以给出精确的定量结果，但至少能给出定性的结果，也就是抓住主要矛盾。

马斯克如何使用第一性原理

马斯克就是使用了第一性原理的思想指导他的创业。物理学专业出身的他，对第一性原理做了引申。世间万物都要符合物理学规律，那么在技术方面，物理学规律就是本质上不可逾越的红线。如果一项技术去挑战物理学规律，比如永动机挑战能量守恒，那就是不可能实现的。但一项技术如果完全遵循已知的物理学规律，那它一定是可行的。可回收火箭，长续航电动汽车，都在物理上可行。

马斯克并不仅仅用物理学作为第一性原理。在商业方面，他也善于使用人类社会的基本原理作为第一性原理，那就是经济学。而很多科技创新其实忽视了经济学这个第一性原理。经济学原理要求一项新技术一定通过降本增效提高生产力，才能广泛应用。降本和增效是两个独立的维度，市场能接受的新技术为以下三种情况：（1）保持效率不变或牺牲一点效率，同时大幅降低成本；（2）保持成本不变或增加一点成本，同时大幅提高效率；（3）同时大幅降低成本和提高效率，这种“天选之子”的技术非常稀有。

如果出现第四种情况，即大幅提升效率的同时大幅提高成本，它就会面临非常困难的市场推广，甚至在国家层面无论出台多么好的政策，都无法另其产业化。很多新兴技术在提升效率的同时却不计成本，导致其无法走出实验室，或者只作为奢侈品服务富人阶层。所以降本增效的这个第一性原理决定了科技产业必然要服务于劳苦大众。

马斯克通过火箭回收技术，让卫星的发射成本下降一个数量级，用波音公司和洛克希德马丁公司十分之一的报价，从美国国家航空航天局（NASA）手中拿到订单。特斯拉电动车也是运用了电力能源相比于化石能源的降本增效，虽然有前期的大量投入，但是长期从节能减排，产业结构等多个角度都会来带来优势。

慎用第一性原理

使用经济学的第一性原理，很容易理解为什么半导体一定要不断推进先进制程：同样大小的集成电路，芯片上晶体管一定要越做越多。因为芯片面向的是普通老百姓的市场需求，一定要走降本增效的道路。因为晶圆成本保持不变，而晶体管越小，单位面积的上能制造的晶体管数量就越多，单个晶体管的成本就会越低，固定面积的单个芯片的工作效率也会越高。

相反，很多高精尖武器的科技创新并不是面向普通老百姓的市场需求，量比较小，那就可以不受经济学第一性原理约束，可以不计成本地制造，但这就注定了它达不到科技产业的规模。

所以在科技产业上，物理学原理和经济学原理都是决定一项技术能否完成产业化的第一性原理，缺一不可。马特·里德利在其《创新的起源》一书中对技术的演化给出了非常全面的理解和分析，并提出一句名言：“人们总是高估一项新科技带来的短期效益，却又低估它的长期影响”。

当一项新科技只符合物理学的第一性原理，不符合经济学的第一性原理时，就是人们高估它短期效益的时候。当这项新科技完成降本增效，那就是人们低估它长期影响的时候。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：张文卓

审核：罗会仟（中国科学院物理所 研究员）

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司