科學研究中的第一性原理

2020-09-22 伯遠生物

什麼是第一性原理（First Principle）？

斷句很重要，請把前三個字一起讀，如果因為分開讀而導致你產生別的想法，說明你的關注點錯啦...

第一性原理不是一個新概念，早在兩千多年前，亞里斯多德對於第一性原理是這樣表述的：在每一系統的探索中，存在第一原理，是一個最基本的命題或假設，不能被省略或刪除，也不能被違反。

第一性原理，是計算物理專業的概念，它是指從頭計算（ab-initio），只需要基本的物理常量，不需要其他任何參數，就可以得到體系基態基本性質的原理。

第一性原理為什麼火起來了？

埃隆·馬斯克（Elon Musk），是PayPal（已賣給eBay）、SpaceX、Tesla、SolarCity、Hyperloop公司的CEO。除了造電動汽車，還造火箭發射衛星，還提出了火星移民計劃等。

就在幾天前，第八批星鏈（Starlink）衛星，一箭60星，發射成功！馬斯克的星鏈，已有482顆衛星在地球軌道上運行了，而這只是他12000顆星鏈衛星計劃的開始。要知道，掌握火箭發射及回收技術的只有三個國家，俄羅斯、美國和中國，現在多了一個——馬斯克及其團隊。

2017年，「第一性原理」火爆了中國的網際網路圈、創投圈，火的原因是因為矽谷鋼鐵俠埃隆馬斯克在採訪中告訴大家，他成功的秘密是運用了第一性原理作為思考的框架：打破一切知識的藩籬，回歸到事物本源去思考基礎性的問題，在不參照經驗或其它的情況下，從物質/世界的最本源出發思考事物/系統。

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埃隆·馬斯克曾經說過：「我相信有一種很好的思考架構，就是第一性原理，我們能夠真正地去思考一些基礎的真理，並且從中去論證，而不是類推。我們絕大多數時候都是類推地思考問題，也就是模仿別人做的事情並加以微幅更改。但當你想要做一些新的東西時，必須要運用第一性原理來思考。」

在製造電動車特斯拉的過程中，最大的成本來源於電池組件。研發團隊發現電池組件成本要600美元／千瓦，但馬斯克運用第一性原理思考，把電池分為各種金屬元素以及其他成分，再對生產流程、產地、供應鏈每一部分進行優化，最終將電池組件成本降低到80美元／千瓦時。

開發火箭的時候，馬斯克思考的第一步就是「組成火箭的材料有哪些」這一根本問題。答案是：航空用鋁合金，還有鈦、銅和碳素纖維。接下來的問題就是：這些材料的市場價格是多少？馬斯克得到的答案是火箭的製作材料所花費的金額僅僅是火箭整體開發費用的2%。 這個比例如果和其他機械產品相比簡直就是小菜一碟。從此以後他便開始將「大大降低火箭的總成本」作為開發的根本問題。


第一性原理在科學研究中的啟示？

人類的兩種思維方式——演繹法和歸納法。

第一性原理是一種演繹法思維，由一個或幾個定律推演出來，或者它本身就是一個定律。其實這種思想有點像我國古人智慧「太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦」、「道生一，一生二，二生三，三生萬物」。

與之對應的是歸納法思維，由N個已知的數據推論出一個規律。人們思考問題的時候，習慣採用歸納法思維也稱為比較思維，比如買彩票的會去分析過往每期的中獎號碼，試圖找出規律；股民們分析股票周期、經濟周期；房地產行業分析喜歡和美國、日本同時期的變化趨勢相比，試圖找出中國的房地產房價未來走向是跌還是繼續漲。

類比思維在過去的時代也許可以用，一個時代跨度很長，發展緩慢的時候，變化並不大。但是在如今信息增長爆炸，每天都有創新，人類崇尚顛覆式思維的時候，找規律似乎已經難以適應時代變化了。

我們運用第一性原理，而不是比較思維去思考問題是非常重要的。我們在生活中、科研中總是傾向於比較，對別人已經做過或者正在做的事情我們也會去做，這樣發展的結果只能產生細小的迭代發展。第一性原理的思想方式是用物理學的角度看待世界，也就是說一層層撥開事物表象，看到裡面的本質，再從本質一層層往上走。


經典小故事（一）

在開始設計飛機時，很多工程師都覺得如果人類想要飛的話，就得像鳥一樣扇動翅膀，結果全都失敗了。但萊特兄弟想明白了一件事，從根本上講，飛機壓根不是鳥兒，應該尋找更底層的技術原理，最終，想清楚了飛行靠的是空氣動力學（第一性原理），而不是仿生學（比較思維）。

經典小故事（二）

達爾文提出「物競天擇，適者生存」的進化論，進化論的第一性原理受「水滴石穿」（自然隱喻）、經濟學《國富論》的「自由競爭理論」（跨學科知識）影響，經過演繹推理而出。

一個思想或學科體系，是以第一性原理為基礎，演繹推理出來的。建立一個體系，要從第一性原理開始；而學習一個體系，更要從第一性原理開始，才能理論指導實踐！在植物學研究領域，研究水稻的盯著研究擬南芥、菸草的，一旦後者有相關發現，立馬開始搜索同源基因做研究；研究植物的盯著研究動物的，一旦後者有相關發現，立馬開始做類似的研究；研究動物的盯著研究微生物的，一旦後者有相關發現，立馬開始做類似的研究。我們從進入學校開始做研究的那一天，自覺不自覺使用的都是這種歸納類比的思維方法，所以難以產生0到1的創新，永遠奔跑在細小迭代的道路上！

從今天開始，刻意訓練自已使用first principle thinking吧！

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    亞里斯多德：「在任何一個系統中，存在第一性原理，是一個最基本的命題或假設，不能被省略，也不能被違反。」
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    品牌營銷的「第一性原理馬斯克的思考邏輯給各行各業樹立了「第一性原理」的榜樣。我是理工科出身，大學專業是應用物理學，研究生專業是信息與通信工程，和馬斯克一樣，喜歡用數學，物理學，信息科學思考營銷問題。品牌營銷的「第一性原理」是什麼呢？今天的新營銷和過去的「廣告狂人」時代有何區別呢？通過最近幾年在營銷一線的實踐和思考，我最大的感受是：1.
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    記者從中國科學技術大學獲悉，該校合肥微尺度物質科學國家研究中心金龍教授課題組與合作者緊密合作，針對大尺度數萬原子分子固體體系的第一性原理計算模擬，在國產神威·太湖之光超級計算機上實現了千萬核超大規模並行計算。研究成果日前在線發表於《科學通報》上。
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    目前在學術界還比較流行，其主要含義為根據原子核和電子之間的相互作用原理和基本運動規律，運用量子力學原理，從具體的要求出發，經過一些近似的處理後直接求解薛丁格方程的算法，這個算法稱之為第一性原理，屬於算法性質。