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从读者的角度来看，跳过一本书的前言直接切入正题是很常见的举动。至少，我就经常这样做。
如果你阅读本书时也这样做了，这的确不会影响你理解本书的主题， 即不确定性科学如何帮助我们理解这个不确定且难以预测的世界 。但你可能会有些疑惑，既然生活中所有的事情都是不确定的，我为什么要关注本书聚焦的那些看似不相干的特定话题，例如气候变化、经济学、量子物理学与宇宙学、人类的创造力和意识等，为什么不讨论地震、药物开发或网络攻击？原因与我的学术背景有关。
我在20世纪70年代攻读博士学位时曾研究过爱因斯坦的广义相对论。早在我十几岁的时候，爱因斯坦就是我心目中的英雄。我很幸运，因为20世纪70年代被视为广义相对论的黄金时代。1974年，在我参加的第一场学术会议上，当时还能开口讲话的斯蒂芬·霍金发布了他最重要也最著名的发现，即黑洞并不是真正的一片漆黑，而是会向外辐射粒子。
我的导师丹尼斯·夏马曾经担任霍金博士阶段的导师。 1 他为霍金的这一发现欣喜若狂。夏马一度乐观地认为，人类即将实现将广义相对论与成功地描述了原子和基本粒子的量子力学相结合的理论突破。但是，一些问题也随之浮现。其中一个让夏马感到困扰的问题是，霍金的计算过程过于晦涩难解。夏马坚信必有一种在物理学上更为清晰的方法来论证这个如此重要的结论。他开始考虑一种基于非平衡热力学的新思路。夏马让我研究我之前未曾听说过的“最大熵产生原理”。
在博士研究快结束时，我已经成为黑洞研究领域的专家，并成功在剑桥大学的霍金小组得到了博士后的研究职位。 2 一切似乎都预示着我会成为一名理论引力物理学家。
但是，随着对新身份的了解日渐深入，我开始怀疑这是否真的是我理想中的工作。我所做的研究与普通人的幸福感几乎没有关系。而且，最重要的是，我意识到，世界上对我的研究内容与细节真正感兴趣的专业人士寥寥无几。
假如我认为自己真的能成功将量子力学与广义相对论统一起来，那这些疑虑也许算不了什么。这项任务在20世纪70年代堪称物理学界的圣杯，时至今日，它的地位依然没有改变，而且依然悬而未决。然而，我越想就越觉得这两个理论在概念层面上是根本不兼容的，它们不可能被统一，至少我无法做到这一点。
那个时代的主流观点是人们应该忽略这些概念层面的问题，专心于数学计算，希望最终会出现奇迹。美国物理学家戴维·默明（David Mermin）戏称其为“闭上嘴，埋头计算”。但是，这不是所有人的看法。我不禁回想起1974年我参加的那场会议。会议由英国著名理论物理学家克里斯·艾沙姆（Chris Isham）主持。他在开场白中提到：“如今，将注意力集中于这些概念层面的问题的做法已经不流行了，大多数人宁愿将重心放在更‘值得’的技术难题上。然而，在量子引力领域，概念性和技术性的问题往往密不可分，对前者的忽略可能导致后者变得无关痛痒。” 3
这些话引起了我的共鸣。我开始担忧自己正投身于一些终将被证明无关痛痒的工作。
一次偶然的机会，我遇到了世界著名的气象学家雷蒙德·海德。他对天文学和气象学都很感兴趣，而且是唯一一个同时担任过英国皇家天文学会和皇家气象学会主席的人。当时我向他请教气候物理学有什么新发现，他向我介绍了一位澳大利亚同仁的一篇论文。该论文阐述了如何由最大熵产生原理推导出地球气候的一些特性。 4 他的话就像一道闪电击中了我。这不正是我最近才意识到的物理学中某个仍未显露真颜的概念吗！从黑洞蒸发到地球气候系统结构，这一概念似乎可以将与之相关的所有事物统一起来！
那个时候，英国气象局正在招募科学家。我近乎冲动地申请了这份工作，但尚不确定这就是我真正想要的工作。面试时，我语无伦次地谈论了最大熵产生原理对理解气候的至关重要的意义。令我大为吃惊的是，我竟然得到了这份工作。
但是，我要拒绝与一位世界顶级理论物理学家共事的机会，转而进入更为平淡的科学公共服务界，在一个我对其几乎一无所知的领域工作吗？如果我拒绝由霍金发出的工作邀请，我的父母一定会对我感到失望。我不知道该怎样选择，每天都在犹豫不决中度过。于是，我决定先把这个问题搁置几天，回去写我的论文。大约一周后的一天，当我走进办公室时，突然发觉我要做什么的念头变得清晰起来。没有更多犹豫，我提笔写信给剑桥大学应用数学与理论物理系的系主任，谢绝了他的邀请。
我的大脑发生了什么变化，使我突然间就知道了该做些什么，就在不久之前，我还像以法国哲学家布里丹（Buridan）命名的那头驴子一样，饥渴之下不知该如何在一堆干草和一桶水之间做出选择。我因此开始对大脑的决策过程产生了浓厚的兴趣。
在过去的10年里，我不再深入思考基础物理。我沉浸在与天气和气候有关的科学中，并与同事们一起取得了一些令人兴奋的突破。迈克尔·麦金泰尔（Michael McIntyre）和我在地球大气平流层发现了世界上最大的破碎波。它对于解释为什么会在南极上空意外发现臭氧空洞来说至关重要。克里斯·福兰（Chris Folland）、戴维·帕克（David Parker）和我共同证明了撒哈拉以南萨赫勒地区长达10多年的干旱是由大西洋热带区域海水温度的波动引起的。1985年著名的“拯救生命”音乐会正是为了呼吁对那里灾情的关注而举办的。格伦·舒茨（Glenn Shutts）和我联合开发了一种在天气预测模型中表示小规模大气重力波的方法，这种重力波不同于我此前研究的广义相对论中的引力波。我们还证明了如何利用它帮助航空公司提高燃油效率。詹姆斯·墨菲（James Murphy）与我合作，开创了世界上首个集合预测系统，这一点稍后我再为大家详细描述。在这一时期，我认识了本书再三提到的爱德华·洛伦茨，并开始对混沌理论产生浓厚兴趣。
事实上，早在20世纪80年代末，由于詹姆斯·格雷克（James Gleick）的巨著《混沌》（ Chaos ）的问世，“混沌”一词成了全世界的流行词。 5 在与混沌理论先驱罗伯特·梅合作的过程中，我有机会结识了许多混沌理论相关领域的科学家，并开始思考是否可以将集合预测方法应用于这些领域。我对于集合预测在经济学等领域的应用同样很感兴趣。
我的职业生涯的发展一帆风顺，为此我感到十分快乐，而且也很充实，我几乎忘记了我早年在基础物理领域的探索。
然而，有一天，我走进了牛津的一家知名书店。那一年是1987年，正值牛顿的《自然哲学的数学原理》问世300周年，一本由斯蒂芬·霍金主编的、纪念性质的新书刚刚上市。我飞快地浏览了一下，昔日的回忆涌上心头。杰出的物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）在一篇文章中提到了贝尔实验这一具有重大意义的实验。这一实验的结果使得物理学家开始否定爱因斯坦关于量子现实的观点。
几周之后，完全出乎我的意料的是，我冒出了一个基于混沌理论的想法，它或许能够解释为何贝尔实验的结果最终还是可以与爱因斯坦的观点相一致。我就此写了一篇论文，然后想把它放到一边，将注意力重新聚焦在我的博士后研究上。 6 然而，我发现自己做不到。我开始大量阅读关于量子物理基础理论的论文。随着互联网的迅速发展，查找这些论文变得更加方便。我试图进一步完善我关于量子物理领域的想法。我再次被吸引到我认为自己已经放下的物理学领域，至少在那些夜晚里是如此。
完成这一类工作，你其实只需要笔和纸。但是，为了求解我日常在工作中遇到的天气和气候物理学方面的方程，我要用到一些算力强大的超级计算机。然而，使用超级计算机的次数越多，我就越感到沮丧，因为它们在研究应用中存在很大的局限性。尽管它们具有非常出色的性能，每秒可以执行数百万、数亿次计算，但仍然对全球天气（气候）模型中的细节数量及随时可以运行的集合预测中单次预报的数量存在严重的限制。
超级计算机的处理能力从根本上说会受到运行它所使用的电力的限制。运行一台现代超级计算机需要大量的电力，往往高达几十兆瓦。我最初想尝试是否能通过降低晶体管的电压来减少超级计算机的能耗。 7 这种做法可以使超级计算机在相同输入能量的条件下装配更多的芯片，研究人员因此得以增加模型中的细节，或所运行的集合预测中单次预报的数量。但是，降低电压会使芯片变得不稳定。计算过程将受到芯片内部原子失控摆动而产生的热噪声的影响，从而无法再保证绝对的精确。由于存在这类噪声，超级计算机不再是无可指摘的。不过，我在书中将进一步讨论，在混沌系统中，噪声可以是一种建设性的资源，能够放大而不是模糊掉信号。我建议 8 为天气和气候预测一类的问题开发低能耗、有噪声的超级计算机。这类设想正在逐步成为现实。
为了说服同仁接受我的观点，我开始思考世界上是否存在采用低能量噪声计算的天然系统。人类的大脑不就是这样一个典范吗？它只需要20瓦的功率就可以激发800多亿个神经元。这一特质让我思考人类为何会成为一个如此有创造力的物种。
以上谈到的这些主题以这样或那样的方式吸引了我，并在我多年的研究生涯中逐渐交织在一起，因此我决定将它们加以整合并分享给大家。