一個小男孩的發現
我清楚地記得我是在哪兒第一次看到它的。那年我4歲，正在巴基斯坦拉合爾的朋友家裡做客。它就在電視櫃上，其閃爍的屏幕一下子吸引了我的眼球。這是一台康懋達64位機，是1982年市面上最流行的個人計算機。它與電視屏幕相連，屏幕上顯示的是猜字遊戲。如今，這種類型的遊戲我們早已司空見慣。我家裡也有電視，所以我知道電視可以播放圖像和聲音，不過這台機器與電視完全不同。從某種意義上來說，電視上的內容是預先確定的，無法變更，而這台機器可以根據我輸入的內容做出變化。我的想法可以影響這台機器，想法能通過我的手指轉移到屏幕上。
我一離開朋友家，就立刻回家倒騰起幾個被丟棄在角落的破舊玩具以及舊的紙箱和包裝盒。「看呀，」我朝我的父母叫道，「我造了一台計算機！」這台機器就好像是我手中的畫筆或橡皮泥，它能成為我的終極創造工具。我可以通過計算機改變世界。
從1982年的那一天起，我就不想做其他任何事情了。我從沒想過要成為一名消防員、醫生或宇航員。現在，雖然我在40年的人生中一直沉浸在這個領域中，但絲毫沒有感到厭倦。計算機是我人生的最大動力之一。
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有些人會立刻像我一樣聯想到康懋達64位機，有些人則對這個故事沒有感覺。我誠邀那些不喜愛計算機但終日與科學技術打交道的人進入我的世界。我們將會討論人工智能的未來以及我們作為人類與這些機器有何種關係，但在那之前，我們首先要瞭解是什麼讓計算機的概念變得如此高雅而奇妙。我希望通過對世界的思考來傳遞其與生俱來的美，從而進一步瞭解人類如何在即將到來的時代中生活與發展。
我在奧斯汀的得克薩斯大學計算機科學學院就讀期間，歷史上最偉大的計算機科學家之一——艾茲赫爾·戴克斯特拉（Edsger Dijkstra）對我影響非常大，他認為我們學的不是計算機科學，而是計算科學。因此，計算機是一個認識世界的角度，一種與現實角逐的方式。他的理論使計算機科學超出了技術知識的範疇，並使其根植於人類對自身存在的認識的最深處，成為最深刻和最深奧的概念之一。
無須贅言，計算機科學不只是一門關於設備的學科。我在11歲時就非常清楚地意識到了這一點。我的父親給了我一本名為《對話》（Dialogue）的大眾雜誌 ,這本雜誌由美國新聞處（USIS）在巴基斯坦發行。在前互聯網時代，書籍和其他出版物是人們獲取信息的重要方法之一，雖然這本雜誌本身並無可圈可點之處，但裡面的信息很寶貴。我打開這本雜誌，一眼就看到一篇關於計算機科學家兼物理學家艾德·弗雷德金（Ed Fredkin）的專題文章，這篇文章的標題是《宇宙是一台計算機嗎》1，短短的幾個字，卻讓我深有感悟，一個具有深刻解釋力的想法也在我腦中浮現出來。它讓我意識到，計算機科學所蘊含的豐富概念直接來源於大自然。
以編程為例。當你想要製造某件東西時，你有兩個選擇：一是直接根據所需要的步驟自己製造；二是發明一台機器，讓它代替你執行這些步驟。編程的本質是提供一種可以解釋並執行各類方案或者重複執行相同方案的機制，換幾個字或者換一條命令的話就會得到完全不同的結果。這種輕鬆改變結果的能力就是編程的本質。計算機處理的命令被稱為程序，這些程序的核心是經過編碼的理念，它能解決數字排序、文本搜索和圖片轉換等問題，這被稱為算法。通過計算機等類似的系統，我們可以靈活地使用編程，製造出不止一樣東西，而是許許多多東西。如果程序可以自動編寫，那會如何？如果解釋程序的系統也是一個可以被修改的程序，又當如何？這樣的話，一切都能在幾乎不產生任何成本的情況下被替換。程序員只需負責輸入就可以了。
同樣的編程概念還出現在生物界和自然界中，比如「終極代碼」DNA（脫氧核糖核酸）。事實上，自然界中所有複雜的生物形式都是DNA計算和轉化的結果。再比如分形，這種無限循環的圖案就是將類似的圖案縮放成不同的比例。人類不可能拿起一支畫筆繪製出「完整的」分形，只能通過計算來創建這種形狀。大自然一直在創造這樣的形狀，比如雪花、貝殼、雲、樹和海岸線等。那麼大自然也是一台計算機嗎？
第一次讀《宇宙是一台計算機嗎》這篇文章時，它就促使我去探索如何創造宇宙。就像分形一樣，你無法直接創造宇宙的每一個部分，對如此複雜的事物，只能先制定某種流程，然後依靠異常強大的重複和循環來實現這一目標。
《生命遊戲》（The Game of Life）就是一個典型的例子。沉迷於計算機編程的人一定非常熟悉數學家約翰·康韋（John Conway）以及他經典的細胞自動機理論。《生命遊戲》（常被稱為《生命》）中有一個由多排細胞組成的無限網格。1970年，這個遊戲第一次以靜態方式印在《科學美國人》（Scientific American）上，後來由計算機根據四五套簡單的規則運行。2每個細胞只有兩種狀態，「活」或「死」，並且可以與周圍（水平、垂直和斜線方向）的8個細胞進行互動：
1. 周圍活細胞少於兩個的細胞因「人口不足」而死亡；
2. 周圍活細胞為兩個或三個的細胞能夠活到下一代；
3. 周圍活細胞超過三個的細胞因「人口過多」而死亡；
4. 死細胞周圍若有三個活細胞，該細胞便可因「再生」而成為活細胞。3
《生命遊戲》只是細胞自動機理論的眾多例子之一。還有許多類似的例子，比如斯蒂芬·沃爾弗拉姆（Stephen Wolfram）在他的《一門新科學》（A New Kind of Science）一書中也提到了相似的細胞自動機。這些細胞自動機中，大部分都只有6~8條簡單的規則管理細胞的存亡，而這些規則還產生了類似於圖案的東西。從表面上看，這些規律不是隨機的和雜亂的，它們呈現出一種可以辨認且永久循環的圖案：元圖案不斷重複，每個圖案的具體細節卻不盡相同。這是一種只需要付出最少的精力就能實現的無限新穎性。這就是簡單規則的迭代應用。
計算機甚至還能生成曼德爾布羅分形，這種分形以法裔美國數學家伯努瓦·曼德爾布羅（Benoit Mandelbrot）的姓氏命名，它的大小超越了人類已知的宇宙。想像一下：你的一生都遊走在計算機生成的結構的邊緣，就好像是沿著希臘神話中描述的海岸線旅行的古代旅行者一樣。在生命的最後，你還是無法看到它的全貌。這些形狀的奧秘就在於無限重複，這讓我感到驚訝、謙卑和敬畏。當我看到它們被應用於實踐時，我意識到計算機科學的核心概念蘊含著人類真正的財富和最大的創造力，即循環、重複、抽像、生成式編程，還有許多其他概念，我將在此書中加以探討。它們是我們瞭解人類世界和思維最深處的最佳途徑，並且是貫穿本書的知識主線。我們運用這些概念，可以解決當今世界和未來世界面臨的一些最為重大的挑戰。最重要的是，人類可以使用計算科學實現我們的終極目標：探索、創造和理解我們的宇宙。