【電子書】規模的規律和祕密

全書概覽（部分摘要）

生命也許是宇宙中最複雜、最多樣化的現象，在極大的尺度範圍中，充分展現出千變萬化的形式、功能與行為。舉例來說，根據統計，在我們居住的這顆星球上，從重量不到萬億分之一公克、非常微小的細菌，到重達一億公克、最龐大的動物藍鯨，全部的有機體中，有超過八百萬種不同物種 。如果造訪過巴西的熱帶森林，你會發現，在一塊足球場大小的土地上，就有一百多種樹木，以及數千種數量超過幾百萬的昆蟲。再想想看，每一個物種活出自己生命的方式，多麼各異其趣，又多麼令人讚嘆；以及每一個物種受孕、出生與繁殖，以及死亡的過程，又是多麼不同。很多細菌只活一個小時，而且只需要萬億分之一瓦特就能存活；但是鯨魚可以活超過一百年，而且每代謝一次僅需要幾百瓦特。 在生物如此非比尋常的生活樣態之外，更驚人的是，我們人類帶給這座星球複雜而多樣的社會生活，尤其是以城市的形式，以及城市生活中的各種特殊現象，例如商業、建築與多元的文化，以及無數居民隱而不見的快樂與悲傷。

把如此複雜的現象與星球繞著太陽旋轉、或你手上的錶與iPhone上的時間的規律性，這種非常簡單的法則相比，很自然會引人深思，在所有的複雜與多元表象之下，可不可能有一個類似的隱藏秩序。有沒有可能所有的有機體，或所有的複雜系統，從動植物到城市與公司，都在遵循著幾個簡單的法則？又或者，在世界各地的森林、大草原與城市上演的劇碼，都是隨意的變化，只是一個又一個的偶然？由於賦予這些多樣性的演化過程，本身就是一種隨機性質，因此根據直覺，似乎不太可能出現任何規律性或系統性的行為。畢竟，在組成生物圈的無數有機體中，每一個次系統、每一個器官、每一個細胞類型，以及每一個基因組，都是經過自然選擇（natural selection，又譯自然淘汰、天擇）程序的演化而來，各自根據自己獨特的歷史進程，也有自己獨特的環境利基。

現在，看一下圖一到圖四。每一個圖代表你生活中占有重要作用的數值（quantity），而且是根據大小描繪出來的。第一張圖是代謝率，顯示的是，根據動物的重量或質量（mass），一天需要多少食物才能維持生命。第二張圖是一生中的心跳次數，也是根據一系列的動物重量或質量來繪製。第三張是根據人口多少，一座城市產生的專利數量。最後一張是根據員工人數，公開上市公司的淨資產與收入。

你不必是數學家、科學家或這些領域中的專家，也能馬上看見，雖然這些圖代表的是我們生活中會面對的最複雜和多樣化的過程，但令人非常驚訝的是，每一張圖都顯示出某種簡單而有系統、有規律的原理。幾乎像是奇蹟一樣，數據在圖表上的排列大致是直線，而不是由於每隻動物、城市或公司都有獨特的歷史與地理偶然因素，我們可能預期會呈現出來的隨意分布。最令人吃驚的就是圖二，它顯示出，不管是只活幾年的小老鼠，還是可以活超過一百年的大鯨魚，每一隻哺乳動物一生的平均心跳次數大致相同。

圖一～圖四的例子，只是無數可以呈現出縮放（scaling）關係例子的小小採樣，這種關係是在數量上描述有關動物、植物、生態系統、城市與公司幾乎所有可測量特徵（measurable characteristic），如何依據尺寸大小的變化而放大或縮小。在本書中，你將會看到更多這樣的例子。這種明顯的規律性強烈顯示，在這些彼此迥異而高度複雜的現象之下，有一個共同的概念架構；而且事實上，動物、植物、人類的社會行為、城市與公司的動力與成長，其實受制於一些類似的通用「法則」。

這就是本書的主要焦點。我將會說明這些系統性的縮放法則（scaling laws）的本質與由來，他們全部如何互相關聯，以及如何帶領我們對生活的很多面向，以及最重要的全球永續問題，有一個更深刻而廣泛的理解。總的來說，這些縮放法則為我們在根本原理與觀念上開了一扇窗，有助於我們在解決一大堆橫跨科學與社會的關鍵問題時，可能找到一個量化預測架構。

本書是一種思維的方式，並試圖提出重大的問題，然後對其中一些重大問題提出重要的答案。本書也探討我們今天努力克服的很多重大挑戰與議題，從快速都市化、成長與全球永續問題，到了解癌症、代謝，以及老化與死亡的由來，都可以在一個互相整合的統一概念架構中解決。本書探討的是，城市、公司、腫瘤以及我們的身體，是以極為明顯的類似方式運作；其中的每一個單一事物，只是代表一個普遍主題的變化形態，同時也清楚顯示，在組織、結構與動力上，有系統地呈現出驚人的規律性與相似性。其中的一個共同特點就是，他們全都非常複雜，而且是由無數的個別分子所組成，不管是分子、細胞或人，個別分子彼此關聯與互動，並透過網路結構以多種時間與空間的尺度演變。有些網路明顯非常具體，例如人體的循環系統或城市的道路系統，但有些比較是概念或虛擬的網路，例如社會網路、生態系統與網際網路。

這個大格局的架構讓我們可以解決各式各樣引人好奇的問題，其中有些問題引發了我的研究興趣，有些問題也將在後面的章節中探討，當然有時候難免有點推測性質。以下列舉其中的一部分問題：

‧為什麼我們可以活到一百二十年，而不是一千或一百萬年？我們究竟為什麼會死亡，什麼因素為我們的壽命設下限制？可以根據組成身體的細胞與複雜分子的特點，計算出我們的壽命嗎？可以改變人體細胞與分子，從而延長人的壽命嗎？

‧為什麼組成分子和我們大致相同的老鼠，只能活二到三年，而大象可以活到七十五年？除了這些差異，為什麼大象、老鼠與所有的哺乳動物，一生的心跳次數大致相同，差不多十五億次？

‧為什麼從細胞、鯨魚到森林的有機體與生態系統，以一種明顯普遍、有系統，而且可以預測的方式，依據尺寸而呈現出縮放關係？為什麼會有神奇數字四，它似乎大致控制了從成長到死亡的生理與生命史？

‧為什麼我們會停止生長？為什麼每天必須睡八小時？為什麼我們的腫瘤比老鼠少很多，但鯨魚卻幾乎不會長腫瘤？

‧為什麼幾乎所有的公司只存活相對很短的時間，而城市卻可以繼續成長，而且可以設法迴避即使是最強盛、看似無敵的公司一定會面對的命運？

‧我們可以發展出一門城市與公司的科學嗎，也就是一個用量化預測架構，來了解城市與公司的動力、成長與演變的概念架構？

‧城市有沒有極限規模？或最適規模？動物與植物有沒有最大尺寸？可不可能有巨型昆蟲與龐大的巨型城市（megacity） ？

‧為什麼生活步調不斷加快，為什麼為了維持社經生活，就必須不斷加速創新速度？

‧我們要如何確保只發展了一萬年的人類工程系統，可以繼續與已經演化了數十億年的自然生物世界共存？我們能不能維持一個充滿動力的創新社會，或者我們的星球注定要充斥著貧民窟、衝突與毀滅？

在解答這些問題時，我將著重在概念性的議題，並以跨學科精神引進不同科學的觀點，以整合生物學與社會與經濟科學的基本問題，當然我是以一個理論物理學家的角度出發。因此，我甚至會進一步探討，在發展出基本粒子與自然的基本力量上，包括從大爆炸以來，宇宙演化的意義上，相同的縮放架構如何發揮重要的作用。基於這個精神，我在適當時機也試著提出挑釁與推測，但大體上，本書幾乎所有內容都有已經確立的科學研究基礎。

雖然本書的很多結果與說明都有其論據的由來，而且出處都是以數學語言寫成，但這本書無意要成為技術性與教學性的書籍，而是為了所謂的「聰明外行人」（intelligent layperson）而寫的。這是滿大的挑戰，而且意味著，在提出說明時，我必須採取某些破格的作法，而我的科學家同行如果發現，我在把數學或技術語言轉成大白話時過度簡化，也得試著忍住不要過於挑剔。對於較有數學背景的讀者，我建議可以參考相關的技術文獻。