千面科学丨5G来临时：巴别塔到人机交互，通信如何改变世界

2019年6月6日，中国工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，5G在中国正式进入商用化轨道。作为我们这个时代即将被最广泛运用的信息技术，5G之前的4代移动通信技术以越来越快的速度更新着这个世界的面貌，5G及其之后的技术更新必然也会以更快的速度、更广泛的深度影响世界。本文将简单回顾通信技术的发展历程并展望未来。

一、现代社会之前的通信技术

通信的本质在于编码与传播。人类文明诞生伊始，就拥有一项远超其他动物的通信技术——语言与文字。语言与文字本质上就是通过声音和图像进行编码。人类文明之所以能形成现在这样的规模，语言与文字功不可没。正是语言与文字使得人类的沟通效率得以提高，而不是通过更为含糊的支支吾吾声或者一些模棱两可的动作进行交流。这是大自然的馈赠，至今语言学家和人类学家对于人类为何能诞生语言与文字仍众说纷纭。

巴别塔的故事某种程度上也反映出语言对于人类社会的巨大推动作用，当然至今全世界也没有被一种语言所统一，语言成为编码文化的载体，在不同的语系区域呈现出不同的文化，例如汉藏语系区域内的文化的相似程度就高于其他语系。但我们应该认识到，正如种族本身是一个建构出来的虚假概念一样，语系也类似，人与人有共性亦有不同，语言之间也是如此，不同语言之间的翻译是可通约的，这是否意味着所有语言背后存在一个通用的语言本体，正如42是宇宙的终极答案一样，科幻作者比学者更容易给出出彩的答案。Ted Chiang（姜峯楠）的处女作《巴别塔》本质上和其原始神话一样，讲述的也是哲学上的本体论故事，只不过极为巧妙的用一个环状结构来描述。

时至今日，通信技术的本质仍在于通过信号转换，提高传输效率，最终编码回人类可理解的语言和文字。现代社会之前的信号转换较为简单，基本通过声音和图像的简单编码转换成大家理解的语言与文字，下面举几个简单的例子予以说明。

声音方面古人的创造发明并不多，这是因为古代很难找到扩大声音传播的途径。不同的动物会通过不同的叫声来示警，人类通过创造工具将示警的范围扩大了，古代很多村落都会有大钟大鼓，如有紧急事项就敲响召集全村人。较为突出的则是战争中不同文明发明的不同的声音传播系统，像中国人常说鸣金收兵，典出《荀子·议兵》：“闻鼓声而进，闻金声而退。”各国都有一套通过鼓声、鸣金等声音系统编码的指挥系统。

相较之下，图像方面则更为丰富。光文字的传播就有很多重要的发明，中国古代四大发明当中就有两个与之有关——造纸术与印刷术。战争中也诞生了许多实用的发明，包括但不限于：烽火狼烟、马镫（促使驿站的诞生）、信鸽、信号旗、信号灯、军事密码等等。

从技术本质来说，上述发明又可分为两类。一类是只提高语言与文字的传播速度，如造纸术、印刷术、马镫、信鸽等，但没有进行编码。另一类则需要使用已有的语言文字对图像声音进行编码，如信号旗和信号灯，或对已有的语言文字进行再次编码，如军事密码。这里需要特别指出的是，使用已有语言文字对其他图像声音进行编码，本质上是语言文字的延伸，这也是人与其他动物区别，比如看到红色或者尖锐的声音，人作为动物自然也有动物本能，会意识到这是危险的信号，但是人除了本能之外，中国人脑海中还会出现的是“危险”和“救命”，英国人脑海中还会出现“danger”和“help”，即心理学上的格式塔的概念：不同语言的人使用不同的语言框架思考。

自然语言和文字中本就存在一定的冗余和多义性，再次编码自然也不例外。军事密码对文字的编码自然使得明文与密文之间的对应具有唯一性，但是常常又通过其他手段将明文隐藏在一段冗余信息中。非文字编码则具有更大的冗余，比如烽火狼烟的编码也是具有唯一性的，点烽火狼烟的状态对应的含义是明确且唯一的，即有敌来犯等紧急情况，但是又是有歧义的，因为它无法表示来犯敌人有多少人、距离我方有多远、以怎样的路径行进等等。鱼和熊掌不可得兼，冗余和速度常常存在矛盾。

这种冗余和歧义在我们日常生活中至今依旧存在，只是我们很少意识到这一点：理解日常生活本身就是一个编译再理解的过程。在过去的成百上千年中，有识之士一直在做两件事：一个编写字典或词典，一是编写大百科全书。前者是语言文字之间的编码与规范，后者是语言文字与我们认识的世界之间的编码与规范；前者是虚构概念与虚构概念之间的互指，后者是虚拟定义与客观实在的联系；前者促进了文化的传播与交流，规范了人们的语法与拼写，为日后文艺复兴、科学诞生埋下了伏笔；后者促进了博物学的发展，在西方进一步的与新教伦理相结合，破译自然之书就是理解上帝之书，直接促进了现代科学的诞生。

而科学的发展脉络，本质上也符合这个编译的过程。数学的起源与人们的日常生产生活密不可分，早在原始社会，人们就会通过数数来衡量自己部落的人口数量和资产数量，这时候的编码是虚拟概念对客观实在的，1指的就是自己的一个手指，或者一头牛一个人，随着社会进步，1逐渐变成了虚拟的概念，它可以是一头牛一个人，也可以什么都不是。这种虚拟的能力和前面说的语言文字一样，也具有两个功能，一是虚拟概念与虚拟概念之间的互指和运算，比如1+1=2这种算式或加法这种算法，一是虚拟概念与客观实在的联系，赋予算式算法以实际含义即可，比如1+1=2，就可以表示房子里有一个人再进来一个人就有了两个人。事实上，科学发展的过程，就是数学化的过程，就是人类运用心智，通过数学等虚拟概念逐步编译客观世界的过程。彭罗斯在《通向实在之路》中就用下图表示类似的含义，即客观世界的一小部分对我们的心智产生了影响，其中很重要的一部分就是柏拉图理想世界（彭罗斯认为这就是数学），数学的一小部分理论用来解释客观世界。

二、现代化转型与蒸汽朋克

牛顿革命以来，现代科学的范式逐步确立，从十六世纪到十八世纪，是科学逐步登上历史舞台的过程。在这一过程中，人格化的上帝逐步退出科学殿堂，斯宾诺莎的上帝逐步成为科学认知的主流，读懂上帝不再是科学的目的，科学的目的逐渐变成了认识和改造世界；对于科学研究群体而言，十九世纪出现了“科学家”这一专有名词，出现了大量的科学家社群和期刊，意味着科学家的职业化开始出现，他们有了自己的沟通渠道和交流平台，德语、法语、英语也随着科学的传播成为科学交流的主要语言，直到二十世纪最终变成今天我们所熟悉的英语成为最普及的语言的状态；这一时期也正是数学语言逐步规范的事情，像牛顿、莱布尼茨就各自确定了微积分的符号，今天我们使用的就是莱布尼茨创立的微积分符号。一个新的巴比伦塔正在拔地而起。

不过让我们暂时将视野转回这座塔奠基的时候，来看一看自然语言和数学语言是如何搭建这座世界奇迹的。第一部分中我们已经说到科学的发展离不开数学，特别是在牛顿之后，人们逐步诞生了一个观念，即我们这个宇宙是一个机械化的宇宙，拉普拉斯更是极端地指出给他数学，他可以计算出全世界，这种观念今天已经逐步被抛弃了，不过有些作品中仍能看见相关的隐喻，如理查德·道金斯《盲眼钟表匠》的标题就来自于这个典故，只不过他用盲眼来隐喻演化的无目的性。

机械化宇宙的观念在牛顿力学之后，相对论、量子力学诞生之前是如此深入人心，同时也的确出于精确计算的需要，十八世纪有个叫巴步奇的年轻人站在了历史舞台中央。正如字典对于语言文字的重要性一样，那时候数表对于计算极为重要，即便纳皮什发明了对数数表，但天文学、物理学、航海、农业等方面的需要也的的确确达到了天文数字，巴步奇的理想就是制造一台计算器能够快速精准的计算。这台机器就是大名鼎鼎的差分机，后来由此诞生了蒸汽朋克这一科幻文学中极为重要的类型。

巴步奇本人和莱布尼茨一样有一个宏伟的想法，他们都想创造一套通用符号，来计算并表征这个世界。但差分机毫无疑问是超出那个时代的发明，并且在今天看来，有着本质上的本体论的缺陷，即上帝不是钟表匠。但这个思路和研究路径，为后来电子计算机的产生奠定了坚实的基础，从这个角度而言也有人将巴步奇尊称为计算机之父。实际上，这两种计算机背后的方法论和本体论截然不同，代表了科学从机械化的牛顿力学发展到量子化的宇宙。换句话说，在不同的科学范式指导之下，人们创建了不同的编译机器，来理解编译这个世界。

而除了蒸汽朋克，在幻想的作品中，类似的例子也不胜枚举，比如马伯庸在《长安十二时辰》中虚构了一套望楼系统，这是将传统的烽火狼烟、望楼进行现代化改造后的产物，电视剧版对此进行了具象化，从相关材料中可以看出这套编码系统十分复杂且繁琐，需要先将四个格子对十进制数字进行编码，然后通过多位的数字对汉字进行编码，后者是文学作品中常见的，为了结合前者望楼的表现形式，形成了这一套根本不具备实用性的编码系统，本质上和地球上的人列计算机一样只是原理上可行。

马伯庸在与马前卒的对谈中将自己的作品称之为工业幻想，而非蒸汽朋克，《长安十二时辰》受《刺客信条》启发，又将很多现代性的工具添加了更早的历史当中。望楼的编码系统更为接近工业革命时期前后的英国与法国，事实上类似的构思在其他作品中也屡见不鲜。比如《战场女武神4》第二章雷纳解放战中，狙击手就是通过射击楼上的号码牌给远程攻击部队信号，《战场女武神》系统是架空的世界背景，画风和科技带有蒸汽朋克色彩；又比如Terry Pratchett（特里·普拉切特）在《碟形世界》系列也玩过类似的，虽然碟形世界本身是虚构的魔法世界，但是在《开始邮政》中基本设定又十分蒸汽朋克，书中的邮政系统也带有互联网色彩，相比望楼更具可行性且更天马行空。

三、现代社会的通信技术

虽然蒸汽朋克和工业幻想是现代科学对历史的改造，真实历史中的技术发展却也的确从此揭开了新的篇章。随着科学的发展，人们对电与磁逐步加深了解，并最终从两朵乌云中催生了相对论和量子力学，尤其是后者，直接加深了人们对材料的认知，促使了电子计算机的诞生。人们逐渐从蒸汽时代进入电气时代，并到了现在的信息化时代。

在爱迪生的时代，信号是直接将声音信号的频率转录下来，这是最早的调频制式通信技术的运用，这种模拟信号在传输过程中，先把信息信号转换成几乎一模一样的波动电信号（因此叫“模拟”），再通过有线或无线的方式传输出去，电信号被接收下来后，通过接收设备还原成信息信号。到了二十世纪七八十年代，诞生了蜂窝移动通信（Cellular Mobile Communication）系统，顾名思义，在这个系统中信号通常被分成六边形，这些分区中的每一个被分配了多个频率（f1-f6），具有相应的基站。在其它分区中，可使用重复的频率，但相邻的分区不能使用相同频率，以免引起同信道干扰。

通常我们说的4G、5G指的就是相应（蜂窝）移动通信系统/技术，G表示generation，1G表示第一代移动通信系统，诞生于20世纪80年代，仍以模拟信号为基础，可以简单理解为原来的电话座机和大哥大，因为仍是模拟信号，很容易受到干扰和被窃听。

2G诞生于1991年（一说1992年），由模拟信号更换为数字信号，数字信号可以理解为将模拟信号的连续波型按一定时间取数，形成离散的数字，通俗的说模拟信号是一个又一个波，数字信号是类似电脑中的0和1两个数字。这一时期最明显的用途是人们不仅可以打电话也可以发短信了，图像中最简单的文字也可以像声音一样编码。同时引入了身份识别，即SIM卡，安全性相对提高，信号抗干扰性相对增强。之后的3G-5G乃至未来的6G都是数字信号，全部变成了通用的语言“0”和“1”。

互联网的发展也是如此，CERN（欧洲核子研究中心）出于物理学研究的需要，创建了世界上最早的互联网，中科院高能所也是因为对撞机搭建了自己的网络。自此人们的通信进入了崭新的纪元，语言文字可以完全转变成符合国际标准的电磁信号进行传播，巴步奇和莱布尼兹的愿望某种意义上得到了实现。这一技术反过来进一步促进了信息的传播，促进科学的传播，成为科学、技术互相促进，共同发展的典范。

四、未来社会的通信技术

未来社会的通信技术可以沿两个路径进行想象，一是从现有技术路径出发，合理外推，即所谓的未来学派或者科学预见；一是从灵感、从科幻中而来，得到一个目标、为了一个目的而尝试解决的方法。

按照现在的通信技术的发展，基本十年左右技术就会得到一次更新，也许很快6G、7G也会很快到来，更好的传输速率就能实现更广泛的功能。将高带宽、高速率与人机交互相结合，我们目前已经在远程外科手术等领域实现突破，很快远距离的实时交互或许也就可以实现。另一条道路则是虚拟现实，就如《玩家一号》中那种沉浸式的体验。

当然对于大多数人而言，虚拟现实只是多了一种线上的游戏，现实中的人可以操纵虚拟世界的人物，而如果一旦反向操作可以实现，即在游戏中的动作会牵动现实，比如你在游戏中吃饭，现实中也吃饭，那么极端情况就是人无法分清现实与虚拟，这一点翟振明已经在《有无之间——虚拟实在的哲学探险》中论述得十分清楚了。或许可以说，某种意义上我们可能就生活在一个虚拟游戏中，正如《异次元骇客》中展示的那样，只不过我们永远无法去证实这一点，从本体论而言，虚拟和现实已经没有界限，我们和我们操纵的角色已经合二为一，不仅回答了哲学中的身心二元论问题，也回答了“我是谁”的本质问题。

这一步目前看起来过于遥远，但是可以预见未来的人机交互或许可以直接省去再编码的过程。我们在第一部分中提到，人类文明诞生至今，通信的本质就是将语言和文字再编码。语言和文字的生物学基础，本质上也是神经元冲动的电化学信号。换言之，如果人类接入机器接口，是否可以实现电化学信号的直接交互呢。这样的人类听起来就有点像三体人了，只不过三体人还没有办法拒绝交互。这样一想，也会觉得现有科幻作品中对机器人的想象过于刻板和人类中心主义了，不仅大多长的像人，甚至还需要语言的交流，为什么不能直接通过电磁信号沟通呢？这固然是出于方便展示和理解的需求，但是同时也说明科幻本质是以人为核心的，无论机器人还是外星人，都是通过反观他者思考自身。不然未来的人类就像一个个信号发射台一样矗立在地球表面，又或者也许有一天外星人来到地球，也会先和我们的信号基站打招呼，以为他们才是高等生命呢。

而从认识世界改造世界而言，一旦我们采用了不同的数学符号、数学体系，那么我们编码的物理学世界就会是截然不同的样子，《隐匿的数字》就很深刻的表明了这一点。刘洋也有很多小说如《勾股》《火星孤儿》反过来说明，如果我们编码的科学出现了错误，是否会对客观世界造成影响，甚至一旦硅变成了导体，可能光纤就不能传导信号了，现代通信技术将不复存在。从科学而言，这是极为本质的思考与思辨；从科幻而言，这是构建文学世界的底层语言，即从根本上创立一套不同于现实世界的体系，那么编码出来的解读即文学作品自然就会别具特色。

至于未来到底会发展成什么样，唯一可以确定的是，现在的语言文字恐怕是永远无法进行编码、预测的了。