2012 年 9 月,银灰色的特斯拉工厂里,罗斯发问:"给初次创业者一些建议吧。"黑衣牛仔裤的马斯克回答:"我认为重要的是从第一性原理出发推理,而不是靠类比。"
我们过日子惯常的路子就是靠类比——「我们这么做,因为它像以前做过的某件事」,或者「它像别人正在做的事」。……第一性原理可以算一种物理学的看世界方式。把事情归结到最根本的事实,也就是那些我们确信为真的东西,然后从那里往上推。这要费多得多的脑力。
罗斯:"给我举个例子。"
马斯克:"好。有人会说,而且确实有人这么说:「电池包贵得很,它们永远都会这么贵,因为过去一直这么贵。」不,这想法挺蠢的。你要是拿这套想法去看任何新东西,你就永远到不了那个新东西。说到电池,他们会讲「得 600 美元一千瓦时,往后也好不到哪去」。我会说:不对——电池是什么做的?用第一性原理的路子去问,就是:电池的组成材料有哪些?这些材料的现货价是多少?里面有钴、镍、铝、碳,一些做隔膜的聚合物,还有一个钢壳。把这些按材料拆开算一遍,如果在伦敦金属交易所买,每样各要多少钱?老天,算出来是 80 美元一千瓦时。所以很清楚,你只要想点巧办法,把这些材料组合成电芯的形状,就能做出比所有人以为的都便宜得多的电池。"
在2012年,电池包成本是600美元千瓦时,随后2015年,300美元,2020年进一步腰斩,降到150美元,再到最近的2025年,电池包每千瓦时,只要100美元,已然逼近2012年老马测算的材料成本。
随着老马在各种场合的推崇,第一性原理开始爆火。但中文世界的热度,跟马斯克只有一半关系。
李善友创建混沌学园(原混沌大学,2014 年创办),把「第一性原理」做成教学体系。他把第一性原理定义成「一个命题系统的元起点」,往上接到亚里士多德和库恩的范式理论,往下落成课程。极大刺激了中文圈对第一性原理的讨论和研究。
第一性原理从何而来?是马斯克的创新吗?
在公元前四世纪时,亚里士多德发明了逻辑学三段论,凡人皆有死;苏格拉底是人;故苏格拉底有死。大前提小前提成立,那么结论必然成立。
没高兴多久,海边思考问题的亚里士多德就发现难题了:如果每个命题都要靠另一个命题来证成,这另一个命题也要靠其他命题证成,这样不就无限倒退了吗。经历了一段时间的思索,他在《后分析篇》中给出出路:演绎体系必须有一些「在本性上更清晰、通过自身被认识」的命题作为起点。也可称之为元命题。
那么是什么是元命题。欧几里得的《几何原本》给了最清晰的说明。欧几里得观察归纳,思考测试,最终发现了平面几何中的元命题:
五条公设:
五条公理:
看起来像是废话,但欧几里得就是用这短短几句,推导出保真的48条定理和467个命题,直接构成了整个平面几何系统。此后两千年,无数能人异士都想完善这个系统,最终却发现,在平面中,这个系统已经饱和,几乎穷尽了平面几何这范畴下的所有内容。
再后来的科学公理体系皆是参考《几何原本》范式。英国的牛顿,发明了运动三定律和万有引力,将之作为新的元命题。从这个新起点出发,他解释了地面落体、行星轨道、潮汐与彗星等等现象,并能通过公式准确算出物体运动的变化情况。1846年,天文学家发现天王星轨道有偏差——它不该出现在那个位置。法国的勒维耶用纸笔,从牛顿三定律出发,算出必定存在一颗未知行星,在某个具体坐标,正用引力扰动天王星。他把坐标寄给柏林天文台。当晚,望远镜对准那片天区,不到一小时,找到了:海王星。一颗从未有人见过的行星,先在纸上被算出,再在天上被找到,位置偏差不到1度。从已知到未知,这便是元命题加逻辑推导的力量。「找到少数基本定律,推演出全部现象」成为理论物理的默认纲领。
到2012年,马斯克在访谈中,将此称为第一性原理。考虑到老马曾经学过物理学,或是一种自然而然。
想象飞机出现之前,人们想造一个飞行器。一般人会说:飞鸟扇翅膀能飞,飞机也该扇翅膀。于是很多人走这条路,做出各种扑翼机,全部失败。
第一性原理怎么想?
第一层:飞行是什么?
不是"扇翅膀"这个动作,而是克服地球引力,让物体停在空中或向上运动。
第二层:如何克服引力?
必须有一个向上的力,大于物体重量。这个力从哪来?空气。飞行的本质是让空气对物体产生向上的作用力。
第三层:空气如何产生向上的力?
流体力学的硬事实:流速快的地方压强低。机翼上表面弧度大,空气流速快,压强低;下表面平直,流速慢,压强高。上下压强差产生升力。
第四层:如何让空气流动起来?
两种方案。飞鸟选择扇动翅膀,推动空气;飞机选择固定机翼,向前运动,让空气相对流过机翼。后者更适合机械实现——发动机推进远比机械扑翼简单可靠。
从"飞行"这个目标出发,推导到"固定翼+前进"这个方案,没有模仿飞鸟,却实现了飞行。
电动车是趋势。是什么让电动车成为趋势?人们说 安静、加速快、电费便宜。这些都是罗列表象。第一性原理如何思考这个事情?
第一层:燃油车和电动车的根本差异是什么?
能源形式和能量转化路径。燃油车是化学能→热能→机械能,电动车是化学能(电池)→电能→机械能。
第二层:能量转化的物理限制是什么?
燃油车的内燃机是热机,受卡诺循环限制。汽油燃烧产生热,热推动活塞做功,但热量不可能百分百转化为功,必然有大量热量散失。这不是工艺问题,是热力学第二定律的铁律。最好的内燃机热效率也就40%上下。
电动车使用电机,电能直接驱动电机转动,能量转化效率可以达到90%以上。这是两种转化路径的物理上限不同。
第三层:能源获取成本的结构是什么?
汽油:勘探开采→长途运输→炼化→分销→加油站,每个环节都有成本,且石油是不可再生资源,开采成本只会上升。
电力:风光水核火多种方式发电,边际成本极低,且可再生能源占比持续提升。中国大西北光伏电价已经低至一毛多,输送到充电站也不过几毛钱。因此能源上,用电注定比用油便宜。电动车的使用成本注定比燃油车便宜。能用更低的成本做到同样的事情,没有人不喜欢。
以前的电动车主要卡在电池上。2012年马斯克算电池材料成本80美元/千瓦时,当时实际成本600美元。电池又贵有难用。但随着电池技术进步,电池制造成本逐渐贴近材料成本本身,那么电动车的售价也会降下来。
结论:在能量转化效率和能源成本两个维度都占优。一旦电池技术跨过阈值,电动车取代燃油车的趋势就不可逆转。
2002年,马斯克想造火箭,去俄罗斯买退役的洲际导弹。俄国人报价800万美元一枚。他觉得贵,回来的飞机上算了一笔账:火箭的材料成本——铝合金、钛合金、铜、碳纤维——只占售价的2%。
那98%去哪了?
类比思维会说:火箭就是贵,冷战以来一直这么贵,NASA、波音、洛克希德都这么干,你一个外行能便宜到哪去?
但第一性原理问的是:火箭为什么贵?
第一层:成本结构是什么?
材料便宜,制造贵。一枚猎鹰9号火箭,造价6000万美元,燃料成本20万美元。发射一次,6000万扔进大海。
第二层:为什么要扔?
没人这么问过。从V2火箭到土星五号到航天飞机,火箭用完就扔是常识。航天飞机试过重复使用,但太复杂,翻新成本比造新的还高。
第三层:能不能不扔?
飞机飞一趟也烧燃料,但飞机可以重复使用几万次。火箭和飞机的本质区别是什么?不是"火箭飞得高"——高度不是理由。
区别在于:以前没人让火箭回来过。
马斯克决定让火箭回来。整个航天界嘲笑他。波音的高管说"回收火箭在经济上毫无意义",NASA的前局长说"SpaceX在浪费时间"。
2015年12月,猎鹰9号第一级火箭垂直降落在发射场。此后七年,SpaceX回收火箭200多次,单枚火箭最多飞了19次。发射成本从行业平均的2亿美元,降到6700万,再到现在对内部星链项目的边际成本不到1000万美元。
类比思维让整个行业在"火箭很贵"这个结论上停了五十年。所有人都在优化制造工艺、提升发动机性能、改进材料,但没人质疑"用完就扔"这个前提。
第一性原理直接问:为什么要扔?材料成本2%,制造成本98%,那让98%的部分回来,边际成本就只剩燃料和翻新。
一次第一性原理的脑力活动,节约98%的制造成本。
新时代了,你可以让AI学会使用第一性原理,和它深度讨论一些问题。
我将第一性原理写成了一个skill。感兴趣者自取。