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本文发表于《科学画报》二零零九年第八期 (上海科学技术出版社出版), 发表时编辑所拟的标题为 “约束促进创新”。

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约束与创新

- 卢昌海 -

本文是应《科学画报》杂志的约稿而写的文章 (编辑替发表稿所拟的标题为 “约束促进创新”)。 本站版本包含了几处注释, 在若干人名及术语初次出现时附有英文, 并且略去了一小段开篇语。

流水别墅
流水别墅

在美国宾夕法尼亚州 (Pennsylvania) 匹兹堡市 (Pittsburgh) 东南约 80 公里处, 有一片苍翠的密林。 在那密林之中, 流淌着一条潺潺的溪流, 叫做熊溪 (Bear run)。 而在那溪流之上, 坐落着一栋曾被美国建筑协会评为 “全美最佳建筑” 的举世闻名的建筑杰作——流水别墅 (Fallingwater)。 这栋别墅的设计者, 著名美国建筑师赖特 (Frank Wright) 曾经说过这样一句话: 在局限性最大时, 人类的建造最为宏伟。

粗看起来, 赖特先生似乎说了一句令人费解的话, 因为我们通常认为, 创新 - 包括建筑创新 - 离不开自由, 而局限性是一种约束, 它会限制创造力的发挥。 哪一种说法更有道理呢? 答案也许是不唯一的。 不过我们都知道, 在一场体育比赛中, 有创意的策略往往源自比赛规则的约束。 将一只皮球送入球门本不需要策略, 但在 11 位对手的围追堵截下将球送入球门, 就不仅需要策略, 而且需要有创意的策略。 这就是体育比赛的魅力所在, 也是人们为比赛设定规则的重要原因。 在很大程度上, 现代科技的许多创新也是如此, 约束不仅无处不在, 而且往往有益于创新。 流水别墅就是一个极好的例子, 它的约束来自环境, 没有那样的约束, 就不会有那样的创新。

建筑师在设计建筑时需要考虑周围的环境, 工程师在设计产品时需要考虑用户的需求, 这些都是约束。 约束与创新的这种紧密关系引起了很多人的关注。 前不久, 美国知名技术杂志《连线》就特意介绍了一组约束促进创新的例子[注一]

通用汽车公司设计的新款电动汽车
通用汽车公司设计的新款电动汽车

比如通用汽车公司新近完成的一款新型电动汽车的设计, 是在减少空气阻力及保障内部宽敞性这两条约束之下进行的。 减少空气阻力是为了降低能耗, 保障内部宽敞性则是为了乘坐舒适, 两条约束缺一不可, 却又不幸是彼此冲突的。 因为乘坐舒适的车子往往体积较大, 从而空气阻力也较大。 为了满足这种近乎苛刻的约束条件, 通用汽车投入了三倍于以往的努力, 进行了大量的风洞试验, 作出了很多细节上的创新, 才最终完成了新车的设计[注二]

又比如手机的内部天线, 这种 20 世纪 90 年代后期出现的新技术, 也是一个典型的例子。 早期的手机用户都很熟悉手机的外部天线, 那是很容易折断的东西, 必需小心呵护, 想不熟悉都难。 手机设计的一个很有吸引力的目标, 就是在保障通话质量, 并且不增加体积的约束之下, 把那根蚂蚁触角似的天线永久性地塞到手机内部去。 这不是一件容易的事情, 因为天线的长度与通话波段有关, 不能随意缩短。 怎么办呢? 诺基亚 (Nokia) 公司采用了用晶片代替天线的创意, 在那片被称为内部天线的晶片上, 精心设计的迷宫般的金属纹理起着天线的作用。 为了配合这种设计, 诺基亚公司对手机的外壳、 形状及重量分布都作了重新设计, 以方便信号传输。 这种内部天线的技术如今已得到了广泛的应用。

西格玛公司推出的小型高端数码相机
西格玛公司推出的小型高端数码相机

另一个值得引述的例子是数码相机的小型化。 我们都知道, 高质量相机的体积通常是很大的, 对普通人来说, 那意味着携带和使用都不方便。 因此, 研制一种满足高质量与小体积这对约束条件的相机就成了一种挑战。 2008 年初, 日本西格玛公司的美国分公司 (Sigma Corporation of America) 率先设计出了这样的相机。 这款被称为 Sigma DP1 的相机包含了一些为了满足约束而引进的特殊设计, 其中包括将部分外壳金属化, 以便吸收因器件集中而淤塞的热量, 并让其尽快散去; 采用内部聚焦系统 (即保持镜筒长度不变, 通过调整内部透镜位置而改变焦距的系统) 以缩小体积; 通过简化图像处理功能以延长电池使用时间等。

当然, 具体到个别的例子, 不同的人也许会有不同的看法, 比如通用汽车的那款新车就不是一个毫无争议的例子。 那款新车实际上是在先前的一款概念车的基础上改进而成的, 但它的最终设计却远不如概念车来得 “酷”, 甚至被一些批评者视为是美国汽车工业从新颖设计中退步的反面典型。 不过, 撇开个别例子上的分歧不论, 在技术领域中, 约束促进创新的例子是比比皆是的。 比如对现代社会影响深远的计算机硬件的创新, 就一直是在速度、 容量及体积等约束条件之下进行的。 它不仅使芯片、 内存、 硬盘等技术得到了飞速发展, 而且为一系列深受用户青睐的其它创新, 比如 iPod、 iPhone、 电子书阅读器等的问世铺平了道路。

另一方面, 在计算机硬件不发达的年代里, 硬件的落后本身作为一种约束, 也促进了许多创新。 比如软件的设计就因为要弥补硬件的不足, 而必须精益求精, 其结果是软件产品异乎寻常的高效。 在十几年前, 很多优秀的经典软件可以存储在一张容量仅为 1.44 兆甚至更小的软盘上。 而在四十年前, 阿波罗飞船上的导航计算机的内存竟然 - 你相信吗 - 还不到如今掌上电脑内存的千分之一。 就在那样的硬件条件下, 它的软件依然担负起了控制飞行状态的复杂任务。 有点不可思议吧? 这正是约束将创造力推向极致的产物。 与之相比, 我们如今拥有的硬件资源堪称奢侈, 很多软件的设计却因此而远不如过去那样高效。 约束促进创新, 反过来, 失去了约束, 往往也就失去了创新的动力。

约束对创新的促进在其它技术领域也很常见。 比如在航空、 航天或军事领域中, 低密度和高强度是对材料的重要约束, 在此之下, 很多复合材料应运而生。 在载人航天中, 物质补给上的困难是一个重要约束, 由此带来的创新是各种各样的循环技术, 其中包括前不久美国国家航空航天局开发的从尿液中提取饮用水的装置。 尽管谁都知道, 水分子无论来自尿液还是农夫山泉, 其结构都是一样的, 但从尿液中提取饮用水, 若不是因为有载人航天所面临的那种特殊约束, 恐怕是不会有人去认真尝试及品尝的。 还有其它很多创新, 比如摩天楼、 地下铁、 填海造地等, 则是在人口膨胀、 土地紧张所带来的约束之下进行的。 如果人类一直还维持着游牧群落那样的人口稀疏程度, 恐怕我们今天还在住蒙古包呢。

由此可见, 约束之所以能促进创新, 一个很重要的原因是它能成为创新的动机。 约束是一种挑战, 有挑战才有应战, 而创新就是应战。 但动机只是问题的一部分。 2006 年 2 月, 谷歌 (Google) 公司的副总裁迈耶 (Marissa Mayer) 在美国《商业周刊》(BusinessWeek) 上发表了一篇文章, 题为 “创造力钟爱约束”。 在那篇文章中, 迈耶以谷歌工具栏 (Google Toolbar) 的开发为例, 介绍了她的团队将约束化为创新的具体过程。 在那过程中, 她的团队提出的创意总数约为实际需要的五倍。 他们正是凭借着各种各样的约束, 才在短时间内排除了所有不现实的创意, 从而将精力集中在对有效创意进行完善上。 迈耶认为, 很多设计之所以失败, 就是因为未能善用约束, 从而无法及早终止不现实的尝试。 等最终发觉错误时, 已浪费了太多的资源。 因此, 善用约束有助于迅速地辨明方向、 摆脱歧途, 将全部精力集中到有效的创意上来, 这是约束促进创新的另一个重要原因。

约束不仅在技术领域中起着重要作用, 在科学研究中也是如此。 事实上, 广义地讲, 所有科学研究都是在实验与观测的约束之下进行的创新。 从这个意义上讲, 约束在科学研究中同样是无处不在的。 除了那种广义的约束外, 在科学研究中还有一些其它的约束, 它们所起的作用类似于迈耶所分析的。 比方说, 在物理学中有一个基础领域叫做高能物理, 它研究的是基本粒子的相互作用。 在这一领域中, 有一类很重要的约束叫做对称性, 比如旋转对称性、 平移对称性等。 这类约束是如此有效, 以至于很多物理学家将之归纳为了一条原则, 叫做 “对称性决定相互作用”。 从约束与创新的角度来看, 这条原则可以翻译为 “约束决定创新”。 当然, 这种 “翻译” 是不能太当真的, 不过对称性这一约束在现代物理中所起的作用是很难被夸大的[注三]

甚至在象数学这样不受实验约束的领域中, 也可以举出约束促进创新的例子。 有些读者也许知道, 今年有一个著名的数学猜想刚好满 150 岁, 那就是 黎曼猜想 (Riemann hypothesis)。 这个猜想不仅著名, 而且重要。 据不完全统计, 迄今已有超过一千条数学命题或 “定理” 依赖于这一猜想的成立。 在对这一猜想的研究中, 人们采用了各种不同的途径, 其中有一种途径是数值验证。 对这一途径来说, 一个无法回避的约束就是硬件资源的不足。 在这一约束的 “逼迫” 之下, 一位德国研究者想出了一个极好的创意, 那就是将互联网上大量计算机的闲散时间利用起来, 进行所谓的分布式计算。 这一创意始于 2001 年, 一度成为该领域中最有效的方法。 但这一桂冠仅仅过了 3 年就旁落了。 2004 年末, 一个更有效的创意出现了: 两位法国研究者通过引进更高明的算法, 竟然只用相当于一台个人电脑所具有的硬件资源, 就戏剧性地超越了原先独领风骚的由 10000 多台电脑联网而成的分布式计算系统, 而且超越了整整十倍[注四]

从技术领域到经验科学, 从经验科学到数学研究, 约束对创新的促进几乎渗透在了人类文明的所有领域之中。 但在结束本文前, 我们也要指出, 对约束的作用不能一概而论。 福特汽车的创始人福特先生 (Henry Ford) 曾经说过一句耐人寻味的话: “假如我听从了用户, 我带给他们的将只会是跑得更快的马”。 是的, 在技术领域中, 虽然用户的需求往往就是约束, 但这种约束在某些时候必须被摒弃。 一群缺乏远见的用户也许会把跑得更快的马当成快速旅行的唯一选择, 如果我们固守了那样的约束, 汽车时代就不会降临。 事实上, 约束对于常规性的创新 - 比如从一款汽车到另一款汽车的创新 - 是促进, 对于革命性的创新 - 比如从马车到汽车的创新 - 也许就是桎梏。 因为在那样的创新到来之前, 只有少数人看得见黎明的曙光, 而多数人眼里只有昨夜的暗影。 因此, 约束虽在很多时候促进了创新, 但在必要时, 突破约束也同样是创新 - 而且有可能是革命性创新 - 的重要途径。

注释

  1. 下文所引的三个例子是《连线》杂志创意主管 Scott Dadich 在 2009 年 2 月撰写的一篇题为 “约束下的设计: 局限性如何提升创造力” 的文章中引述的 (那些例子本身则是他人撰写的)。 对这三个例子的引述是本文所受的约束 - 约稿的要求。
  2. 这款新车的推出时间预计为 2010-2011 年, 不过在金融风暴的冲击下, 该计划是否能如愿恐怕不无悬念。
  3. 对称性在高能物理以外的物理分支中也是很有用的, 但其地位不如在高能物理中那样基本。
  4. 有关这一例子的详细介绍, 请参阅拙作 超越 ZetaGrid

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