人工智能领域存在第一性原理吗？

古希腊哲学家亚里士多德将第一性原理（或首要原则）表述为：“在每一个系统的探索中，存在第一性原理，这是一个最基本的命题或假设，不能被省略或删除，也不能被违反。” 在20世纪以前，第一性原理主要用于哲学、数学和理论物理。在数学中，第一性原理是一个或几个公理，且不能从系统内的任何其他公理中推导出来。在理论物理中，第一性原理是指一个计算直接从物理定律建立，不做经验模型和拟合参数等假设。生物学的第一性原理是达尔文提出的“物竞天择、适者生存”理论。在近代社会，第一性原理已经扩展到许多学科，包括生命科学、化学、经济、社会科学等。

随着人类认知的发展，第一性原理已经从最初的哲学术语分化为专业性更强的表述，有些已不再使用“第一性原理”这个术语，而采用其同义词表述。在哲学中采用了“先验原理”（priori-principle），数学中统一使用了规范术语“公理”（axioms），而物理学则沿用了“第一性原理”。

AI领域是否存在第一性原理，是个有争议的话题。有人认为AI不存在第一性原理，理由是第一性原理是在哲学、数学或物理规则定义的域内定义了问题空间的边界，而AI领域的第一性原理需要在明确定义了什么是“智能”之后才有意义。

目前对“智能”还没有明确定义，因此对AI还没有一个精确的、人们普遍可以接受的定义。在学界有两个定义可参考：一是斯坦福大学人工智能研究中心尼尔斯·约翰·尼尔逊（Nils J. Nilsson）教授提出的“AI是关于知识的学科——怎样表示知识、怎样获得知识并使用知识的科学。” 二是麻省理工学院的帕特里克·温斯顿（Patrick Winston）教授提出的 “AI就是研究如何使计算机去做过去只有人类能做的智能工作”。

有人认为AI没有第一性原理，依据是尼尔逊教授撰写的《人工智能原理》（Principles of Artificial Intelligence）一书[1]。在该书的第2页，有一段话给我们明确呈现出这样的概念：“AI目前没有通用理论，因此接下来向您展示一些应用程序。”也就是说，目前AI不存在第一性原理，现在应把注意力放在与工程目标相关的原理上，这些原理是衍生出来的原理。衍生的原理实际上告诉我们复杂系统的一些简单结果，无论是自然还是AI，其本质可能也是如此。智能是许多过程并行发生和相互作用的结果，而这些过程无法轻易地追溯到一个基本的物理原理。

我们认为这是把AI看作是一种技术，从技术的角度看问题，也就是说，把AI看作类似于建立在实验基础上的学科。

物理学家张首晟在一次演讲时提到了第一性原理的思维方式：在20世纪以前，第一性原理的概念属于人脑的归纳、演绎产生的逻辑自洽学科，包括数学、哲学和理论物理，其理论体系的基石都可称之为第一性原理。它们可以明显区别于诸如化学、生物等建立在实验基础上的学科。

在21世纪的今天，人们的认知水平与科学技术发生了很大的变化。在以实验为基础的学科上，均有基于第一性原理的成果。例如在生物科学方面，第一性原理也被重新发掘出来。最近，美国圣塔菲研究所（Santa Fe Institute）现任所长戴维·克拉考尔（David Krakauer）在《理论生物科学》（Theory Bioscience）期刊发表了一篇题为“个体信息理论”的文章，基于第一性原理的数学形式化理论，通过捕捉从过去到未来的信息流，能够严格定义许多不同形式的个体。但也有人提出了质疑：“作者试图给出‘从头计算’生命的一般框架，野心是很大的。但其给出一个调节参数γ，就不能不让人怀疑其‘科学立场’了。”

对一种观点有不同的看法是很正常的。目前大家公认的看法是，以深度学习为主导的AI没有理论。但实现AI是以计算机技术为基础的，计算机也是先有技术，后发展科学理论的。ACM图灵奖获得者雅恩·乐昆（Yann LeCun）认为理论往往是在发明之后构建起来的，例如蒸汽机的发明在热力学之前，可编程计算机在计算机科学之前，等等。有了理论基础，即使只是概念上的基础，也将大大加快该领域的研究进展。

尼尔逊教授的《人工智能原理》一书已经出版了40余年，如今AI理论仍在发展，我们的思维认知水平也提高了，因此现在应该重新考虑AI是否存在第一性原理这个问题了。李国杰院士认为，AI与计算机科学在本质上是一门学科。AI系统就是用计算机技术对信息加工和处理的系统。既然是一个系统，那么依据定义，每一个系统中都应该存在第一性原理。

我们知道，机器学习是AI的一个子集，AI基础研究是建立在数学和物理基础之上的。北京交通大学教授于剑出版了一本书《机器学习：从公理到算法》。这是一本基于公理研究学习算法的书，实际上就是把数学的第一性原理应用于机器学习，只是没有显式地表述出来而已。于剑教授的这本书可谓将第一性原理应用于机器学习的范例。

由于物理是基础科学，许多学科是以物理为基础的，物理的第一性原理就可以应用到这些学科。物理的第一性原理也被称为“从头计算”（ab initio），即只使用最基本的物理学定律，不使用经验参数，仅用电子质量、光速、质子、中子质量等少数实验数据去做量子计算。我们研究基于物理的AI，AI的第一性原理可以借用物理的第一性原理，将“从头计算”应用到AI，可以视为AI的第一性原理。但是“从头计算”是狭义的第一性原理，广义的第一性原理是“最小作用量原理”（the least action principle）。