万物的尺度，规模法则--读《规模:复杂世界的简单法则》

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为什么我们最多只能活到120岁，而不是1000岁或者更多？
为什么所有哺乳动物一生的心跳次数都是15亿次左右？为什么人类会衰老和死亡？
为何公司的寿命总是很短暂，而城市却可以不断增长？
为何生活节奏会持续加速？
人类仅有的万年进化系统如何与进化了几十亿年的自然生物界共存？

在我们人类所有面临和关心的问题之中，上述这些只是冰山一角而已。从一瞬而灭的电子，到浩瀚的银河系，我们的宇宙是如此复杂；从单细胞的细菌，到高智商的人类，我们的生命是如此多样。在这复杂而又多样的世界中，是否存在某个一切事物都要遵循的潜在规律呢？

世界顶级理论物理学家杰弗里.韦斯特在《规模：复杂世界的简单法则》一书中说，有！那就是规模法则。不管是动物、植物、生态系统，还是人类的社会行为、城市和公司活力等，几乎任何可以量化的特点，都在遵循着规模缩放法则。

这是一本讲述思维方式的书，在一定程度上可以说能够颠覆你认知。如果你不知道韦斯特是谁的话，可以去网上搜索一下：

全球复杂性科学研究中心、“没有围墙的”学术圣地——圣塔菲研究所前所长，入选《时代周刊》全球最具影响力100人。其研究成果被应用在理解生命体、城市可持续发展、企业运营等众多领域，被业内奉为“跨学科诺贝奖”的不二人选。

一、几个核心概念

《规模：复杂世界的简单法则》这本理论物理学家写的书，虽说是给普通人看的，但由于一些陌生的名词概念以及复杂的逻辑推理链条，读起来仍然是几分烧脑。但死磕下来，我发现有几个重要的概念，如果能够理解的话，能够更容易的让你去阅读。那就从核心的规模缩放法则开始。

1、规模缩放法则

为了理解这个概念，可以先从两个常识讲起。

第一个常识是我们在中学课本上就知道的一个几何知识。对于正方形来说，如果边长增加为原来的10倍，那么面积会增加为原来的100倍，体积会增加为原来的1000倍，体积的增加速度要远快于面积和长度的增加速度。反过就是，如果体积要增加为原来的1000倍，面积只需要增加100倍就可以了，用数学公式来表示就是1000的2/3次方。

这个常识决定了越大越好。规模效应就是我们经常提到的一个名词，轮船更大便能够运送更多的货物，平均在每一个货物上的成本就会减少；楼房够高，单位面积土地上能够容纳的人口就更多；产品的生产量够大，就能降低单个产品的成本。正所谓大有大的好处！

第二个常识是材质相同的情况下，横切面的面积越大其支撑物体重量的强度就越大，例如对于一根柱子来说，越粗越敦实其承重就越大。

这个常识决定了规模不能无限制的扩张。例如对于一个边长1米自身重量为2吨的规则正方体来说，假设其可以每平方米承重10吨，如果边长变为原来的10倍之后，那么截面面积增加为100倍可以承重1000吨，体积增加为1000倍则自身的重量变成2000吨，其自己是不是就被自身的重量给压垮了！

就是这两个常识决定了所有物体都可以指数级规模性的增长，但不能无限制的扩张。所以山川与树木都有其最大极限；为了支撑自身的重力，陆地上最重的动物是大象，更重的蓝鲸就只能生活在海洋，而哥斯拉这样的怪物只能够出现在科幻小说和电影里。

这一切都是规模缩放法则在发挥作用的结果。

对于理想状态中形状规则材质均匀的正方体，我们当然能够很快的找到规模缩放的指数以及可衡量与计算的维度，那对于更复杂的生物、社会甚至是宇宙，又去哪里找到这样的参考可供测量呢？那就是另外一个概念，代谢率。

2、代谢率

新陈代谢是生物学的重要概念，但放宽范围和视野，无论是天然系统还是人工系统，离开能够转化为某些“有用的东西”的能源以及能源的持续供应都将无法运转，新陈代谢就是这种能量转换的过程。你应该在物理或者是哲学课上学过，运动是绝对的，而只要有运动，就会有能量转换。

当能量转换为有用的形式时，也会产生某种无用的能量作为副产品，就如我们开车去远方，汽车消耗的大部分能量是因为摩擦力和自身的重量。

代谢率是生物学的基本速率，从细胞内的生物化学反应到成熟所需要的时间，从一座森林中二氧化碳增长速度到森林中垃圾的降解速度，它可以代表生物体几乎所有额生命节奏。

比如一个人一天之内如果出了吃饭什么都不做，把能量消耗降到最低，那么他维持生命需要摄入的食物热量大概是2000卡里路，这就是人的基础代谢率，这个能耗相当于一只90瓦的电灯泡。

生物学家考察了不同大小的各种生物，发现他们的基础代谢率基本上只与体重相关。对于哺乳动物来讲，体重每增长4个数量级（10000倍），其代谢率仅增长3个数量级（1000）倍，用数学公式来讲就是10的3/4次方。

这正符合上文中我们提到的规模缩放法则。

所以一只体重为老鼠100倍的猫，只要32倍于老鼠的能量就能够维持生命，尽管其细胞的数量是老鼠的100倍！

令人惊叹的是，对于生命来讲，除了代谢率，还包括生长率、进化率甚至生命等，它们对应的指数都接近1/4的整数倍。例如生物的生命速度随着体型的增长而可预测的下降：哺乳动物的体重增长一倍，其寿命、成熟期等时间尺度平均增长25%，心率也相应的减缓。体型偏胖的先不要激动，您那是脂肪！

所以说对于生命来说，数字4是一个神奇的数字。为何我们的空间是3维的，在这个空间中的生物却要和4相关呢？多出的一维并不是时间，而是一个名曰“分形”的概念。

3、网络

如果想理解分形，首先要了解什么是网络。

我们的身体由大约100万亿个细胞组成，尽管不同的细胞功能大不相同，有神经元细胞、肌细胞、防护和存储细胞之类，并且每类细胞都要组成大量的次级系统，如呼吸系统、消化系统等才能发挥作用。它们对能量来源的需求各不一致，释放能量的途径也不一样，那如何才能组合成生命的活动呢？

大自然的选择以一种最简单的方式解决了这个挑战，那就是进化出了大量的分级网络。生命本身就是一个网络，树木从根部到叶稍的纤维，人类的神经网、血液循环网络等；人与人之间又构成了关系网，我们生活的城市中遍布了地下管网、电网等。就是这种不同的分级网络，让世界充满活力。

网络有如下几个特点或者说假设。

a.首先是空间填充，也就是说网络的触角必须延伸至他所服务的整个系统的各个角落，就如人体中的毛细血管最终将链接到血液循环系统中的每一个细胞。

b.其次是终端单元的恒定性，无论生物体的体型多大，其终端都有近似相同的尺寸和特点，就如城市终端的插座和水龙头，管他是摩天大楼还是贫民窟，主要特性都不会相差很多。

c.另外就是在自然选择过程中网络系统是不断优化的，例如哺乳动物进化出心脏，使得血液循环消耗的能量最小化。

就拿血液循环网络来说，基于上面3个特点和假设，再根据物理学动力的原理，可以推导出血管的一些特点。首先是从主动脉到毛细血管层层分叉时，下级支血管的横切面面积总和要等于上级血管的横切面面积，否则血液流动就会有反弹力，出现能量损失而未达到最优化。另外就是每次分叉时，下一级的血管会越来越短，这也是数学优化的结果。

基于上述网络的这些特点，可以更好地理解“分形”的概念。

4、分形

简单的说，分形结构就是把一个东西的局部放大后，就会发现它和它的整体会很相似。例如西蓝花，掰下来一块的形状跟整个西蓝花的形状很像，这个很好理解。

但分形的另外一个特点就非常烧脑和绕了，稍不小心就会让人懵圈。那就是分形让三维空间中，出现了四维的东西。

怎么会多出了一个维度呢？可以先从一维怎么分形成二维为例讲起。

对于一条指线而言，其当然是一维的，可以把其分形维度定义为1；如果这条直线中间出现了一个夹角为60度的三角形状的夹角，那么分形维度为1.26；如果这条直线出现了无数近乎90度夹角的弯曲，并且弯曲之间的距离趋近于0，严格的来说虽然其还是一维的，但由于分形结构，实际上相当于2维了，其分形维度为2。

根据一维分形为二维的原理，对于上面网络概念中提到的血管的分布也是同样的道理，当其分形到终端，毛细血管要布满全身所有的地方，这一布满也就意味着多了一个维度，原本三维的血管因为分形结构，实际上相当于4维的了。

大自然中没有什么是平缓和绝对笔直的，大多数事物都是有褶皱、不规则，并且都以一种自相似的形式存在。这一特点可以延伸到几乎任何可以测量的物体，甚至包括时间和频率，以及大脑、闪电、河流网络以及心电图等。

就拿心电图来说，如果成为一条直线则意味着生命的终结，健康心脏的分形维数相对更高，心电图的变化也更多。健康和强壮等同于更大的变化和波动，也就是更大的分形维数。

这个概念可以扩展到公司、城市、国家以及生命本身，多样化、可交替以及适应性强是其另一种表现。自然选择因更强的多样性而发展，同时也制造出了更强的多样性。有韧性的系统也有更多样的物种，成功的城市也是能够提供多元化机会的地方。

5、概念小结

上面几个概念对于如何理解规模这一法则非常重要。规模缩放这个概念介绍了规模运作的原理，代谢率提供了可以测量的维度，网络让规模增加后个体仍然能够协同为系统服务，分形增强了系统的韧性和多样化。理解了这些概念，你就可以更容易的读懂那些生命的奥秘，以及城市公司盛衰的原理。

二、关于生命衰老和死亡

当然我们更关心的还是个人的生长、衰老和死亡。先说结论，根据规模法则，可以遗憾地说不管科技如何进步，人类的寿命都几乎不可能显著延长。罗振宇经常在节目中说的我们可以活到一两百岁，《未来简史》中所说的人类或许能够实现长生等，目前都没有可以解决该问题的科学萌芽。

不同的动物虽然千差万别，但对于单个细胞来说大小都是差不多，并且生成一个新细胞和维护一个旧细胞的能量也基本固定。所以随着人的体重和细胞的数量在增长，尽管你获取的能量也在增长，但这种增长是不成比例的。也就是说刚开始你获取的能量不但能够用来维护现有细胞，还能支持新细胞的不断生长。

但根据规模缩放法则，代谢率是体重增长的3/4次方，也就是说如果你体重增加16倍的话，那么获取能量的能力只能增加8倍，迟早有一天你获取能量的速度比不上体重增长的速度。

也就是说在某个时间点上，你吸收的能量和维护现有细胞新陈代谢的能量基本平衡，也就没有多余的能量进一步增长。这时候生长就会停止，衰老也就开始，虽然各个器官开始衰老的时间也不太一致。

衰老和死亡的起源是“磨损”的过程，例如哺乳动物的血液循环过程中，血管壁会由于粘性阻力引起的物理磨损，另外还有游离基引发的化学损伤等。就如鞋底的磨损一样，根据材质和摩擦力的大小，其使用寿命是可以用数学公式来计算的，生物的这些器官和组织也是如此。

按照这个公式，人类寿命的上限是125岁，也就是说即使人们躲过了所有的意外和疾病，也很难活过这个年龄。几百年前人们的平均寿命很低，不过也有能够活动百岁以上的老人出现。随着科技的发达和社会的发展，人类的平均寿命得到了极大的提高，但生命的上限，却从未曾真正的突破过。

或许也不要太悲观，就如上文提到过得，所有的哺乳动物一生的心跳都是15亿次，但在进化过程中还是出现了意外。这个意外就是我们人类本身，人一生的心跳是25亿次。

人类通过自己的智慧和不断创新，终于在近100年里脱离了进化的设定。

但也不能太乐观，目前医学的研究就连疾病这一关还未完全攻克，什么时候能够启动并突破生命上限相关的工作，似乎还很遥远。

三、从人类到城市

从人类到城市，我们的世界其实更像是一个由城市主导的地球，城市是不是就如一个更大的生物体一样，遵循着某种规模缩放的法则呢？

再从城市到公司。为什么公司就很难像城市那样，总是能够浴火重生，从一个辉煌走向另一个辉煌，从而基业长青呢？

书中对此也进行了大量的描写，由此你也会了解到我们生活和工作节奏越来越快的秘密。这些将在后续的阅读中进一步进行探讨。