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万物的尺度,规模法则--读《规模:复杂世界的简单法则》

2018-07-05  本文已影响111人  易小加
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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。

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