复杂性科学 开放与进化

 一、导论

在本节课中，我们进一步的沿着复杂性的阶梯，来看复杂系统的进一步的演化。第一个单元其实主要就是讲，从混沌无序怎样去变成是聚集形成一个复杂系统，而这仅仅是第一步，形成复杂系统之后，我们这个系统还会进一步的去发生演化，第一件事情就是要发生新陈代谢。谈到新陈代谢就不得不去提物理学中一个非常重要的定律，叫做热力学第二定律，有些人曾经说，“如果我们把所有的物理学定律全部抛开，只留一条的话，我觉得应该是热力学第二定律，因为它是最重要的一条物理定律，跟我们每一个人的生老病死密切相关。”那么，这个定律说明什么呢？这个定律说的是在任何一个封闭的系统里面，熵总是会增加的，熵这个词我相信或多或少都听说过一些，是一个最神秘莫测，同时又是非常重要的这样一个物理量。简单来说，当然你就可以理解成，熵就是一种无序的程度，混乱，在自然的条件下，外界不去干扰，它总是会增加，也就是越来越混乱。我们看几个例子：像一缕青烟点着了以后，就会慢慢散开，这种发散，散开就是一种无序度升高的体现。再比如说一瓶香水，你把瓶盖打开，这个香水就会一点点挥发，使得香味遍布整个空间，这就是一种熵的增加。再比如说生老病死，每个人都会苍老，最后死亡，之所以会产生这些，就是因为你体内的熵在不断增加、累计。但是，很有意思的是，在自然界或者是人类社会，还会有另一种时间发展的箭头出现，在这样第二种时间之箭下，你就会发现有序是会不断增加，所有的事物好像看起来都会越来越复杂，越来越有序。比如说像人类社会的进步，就是一个典型的特点。我们文明发展到今天，显然是越来越高度的有序化，越来越复杂化。再比如说生物界，大自然的进化就会让这些物种变得越来越复杂，越来越有序，这个好像就跟刚才的热力学第二定律正好是相反的两种时间之箭，存在着严重的矛盾，这个矛盾如何去调和呢？二、开放开放带来秩序我们之所以能够看到有序增加，复杂性增加，能够逆熵去生长，其实最主要的原因就在于开放自身。你一开放以后，就会有能量、物质和信息流到系统里来，同时又会有一些物质能量信息排出去，注意一定要有排放，没排放是不能够进行熵减的。其实只要做到开放，甚至于有的时候连物质和信息的流动都没有，就有可能产生秩序行为。贝纳德对流实验我们来看一个例子，这也是物流学中一个非常著名的例子，叫做贝纳德对流实验，每个人都可以去做。找来一个薄薄的容器，然后倒上一层薄薄的液体，水就可以。同时我们可以在液体的底部给它加热，但是你要注意，加热一定要非常的均匀，然后加热到一定程度以后，就会形成上下表面温度差，当温度差达到一个阈值的时候，就会出现相变了。突然之间，从上往下去看，就能看到右图所展示的样子，就出现了很多的六角格，非常有秩序的结构，而且是周期性的秩序结构。这样一种秩序结构是怎么产生的呢？从更微观的角度去看，我们不难发现，当我们加热液体的时候，液体就会要把底层的热释放出去，当温度的差别不是很大的时候，它这种释放是一种缓慢的释放。我们知道液体都是有很多水分子构成，水分子就会经常左右晃动，这就是他的热的体现。所以，它要想释放能量，它就是靠碰撞，我碰你，你碰它，这样通过碰撞把热从底下传到上面，这是在温度差很小的时候，而当温度差大到一定程度以后，它就发现我再怎么碰撞，把热放出去不解气了，放的太慢了，怎么办？一着急这帮液体自己就跑起来了，于是就会产生了所谓的对流现象，我们就看到下图就表示的很清晰，底下的液体就要玩命的想往上跑，而上面的液体冷却就会玩了命的往下跑，所以一上一下，就会自发的形成这样一种对流的结构。从上表面往下来看，这些对流就会体现为一个非常规则、有秩序的六角格的形状。所以在这样的例子里面，我们会看到，仅仅是有一个能量的差，能量的流入流出，连物质和信息都没有，就足可以产生非常有秩序的这样一种行为，所以就是开放造成有序。另外，局部的相互作用，就是这些液体，通过局部的，达到一定程度的时候就会突然发现相变，有序就会产生。产生这种集体的运动，比如涡旋运动，一旦出现涡旋借用我们上节课给大家介绍的概念，就是所谓的斑图、模式，这种东西就会出现。所以一旦出现斑图，就会出现一个宏观的、凌驾于底层之上的，跟底层相隔离的一种新的秩序就会出来，就是所谓的涌现。经典物理和复杂性科学在这个例子里面，我们可以做一个简单的对比，经典物理和复杂性科学，在经典物理里面，我们通常强调的是孤立的系统，隔绝的，封闭的，所以就会熵不断产生，导致热力学第二定律越来越衰败，越来越老化。但是，在我们这样一个复杂性科学看到的非平衡的，开放的世界里面，相互关联就会导致系统的开放性会产生，会跟外界有交换。其次，在非线性的作用下，就会使得秩序的结构更多就体现为时空上的斑图、Pattern、模式就会形成，这种Pattern往往就具有一定的秩序性。而且会有一些偶然的涨落，会把原有的平静的液体的对称性打破，形成对称性破缺，而产生有趣的结构，所以在这样一种情况下就有可能导致熵减。耗散结构那么这样一种结构，贝纳德对流所形成这种六角格，它还有一个名词，叫做耗散结构。我们看世界上万世万物的结构，或者叫做斑图，它无非可以分成两大类：第一类、静态Pattern。第二类、动态Pattern。一类是属于左边这个叫做静态的结构（静态的斑图），就像我们的霓红灯，为什么说它静态？因为它每一个构成单元，就小灯泡，这个小灯泡不生不灭，它永远存在在那里，它只不过是变换它自己的颜色而已。所以，这种结构呢，就称为静态的。耗散结构有规律可循吗？那么，耗散结构是什么呢？其实，只要你走到小溪，蹲下来静静的看小溪的流水，就能发现，其实那个东西很神奇很神奇。每一个溪流都是由大量的水分子冲刷过去，不停的变，可是你却能在宏观，能看到稳定的一个驻波，那个驻波的样子，稳的，只要你的流速是均匀的，它基本上是不变的，那这种结构就被称为耗散结构。或者更通俗的说，就是流动的结构。比较有意思的是它的所有构成的单元都是瞬息万变，所谓的铁打的营盘，流水的兵，就这么一个道理。而你仔细去想，其实我们感兴趣的复杂系统，更多的其实就是属于这种耗散的、流动的结构。就像我们人体，我们人体是会新成代谢，这个新成代谢，不仅仅是物质流进来流出去，更多的还体现在你每一个细胞都在瞬息万变，衰老和死亡。不同的统计口径可能数值一样，大致上说，每隔4年，我们人体所有的细胞，都会由于新成代谢，完全给调包一次，就是说你4年前的细胞，4年以后全都不在了，全都被换了。但是奇妙的是什么？奇妙的是你还是你，还在存活着，这件事其实很诡异，为什么这么说？当你拿着你三岁时候的照片，你瞧，三岁时候的我多么的聪明、可爱、活泼，可你要置疑了，凭什么说三岁时候的你还是你呢？你要知道，构成你的细胞，已经完全完全被调包不知道多少次了，多少个4年过去了？你凭什么还说他是你？所以其实细思极恐啊，就所谓的我，所谓的你，那个本体，不知道是什么玩意，稀奇古怪的，他不是那个构成单元，又一次跟我们的唯物论实际上是很不一样的。那么构成那个我本质不变的东西，其实就是那个斑图，类似于水的驻波一样，是那个东西，它保持了那种不变性和一致性，才有我的存在。是不是给你一种万世万物都是虚无缥缈的感觉？人类的逻辑底层被抽空了，全部不一样了。规模那么，是不是说全世界都是虚幻飘渺的耗散结构？就完全没有规律可寻呢？恰恰不是这样的。在这里面需要给大家提一个人和一本书，这本书也是现在大卖的一个本书叫做《规模》，《规模》它的作者叫做Geoffrey West。这个老爷子就告诉我们，在万世万物像生物、城市、公司这些耗散结构里面，恰恰是存在了一些非常精确的、甚至可以用数学可以刻划的规律存在。首先，我们来破一下题，什么叫做规模？这个牵扯到翻译问题，我认为这个英文名字叫做《SCALE》，其实翻译成规模是一种权宜之计，我觉得不应该翻译成规模，本义是什么？它的本义实际上是一个动作，它是把一个事物把它放大，按比例进行缩放，这样一种动作叫做SCALE，就像下图展示的一样。当你按照比例把一个系统、一个事物，逐渐一点一点给它放大的过程之中，就会有一些非线性的这种东西突然冒了出来，这个恰恰是《规模》这本书所要探讨的问题，就是所谓的规模法则。我们来看一看，就在规模缩放过程中有哪些很不一样的事情会冒出来？我们来看一个例子。假设你到了一个披萨店，你看中的是一个9寸的大披散，挺好吃的，于是呢，你付了钱，就开始安静的等待，结果没想到的是，过了一会，这个服务员回来，对不起先生，你要的这个9寸披萨已经卖没了，我们这个小店还有5寸的披萨可供选择，我能不能把两个5寸的披萨给你？然后你去把它吃掉，可以不可以？这实际上是不划算的，为什么不划算？这就是规模法则在起作用。你要知道，你买一个披散你要把它吃掉，你吃的是什么？废话，吃的是披萨，我的意思是说你吃的不是周长，不是直径，我们说衡量这个披萨的寸，衡量的是它的直径。所以，我们并不是吃长度，我们吃的是面积，因为面积才是实实在在的料有多少，看起来好2个5寸加起来好像是10寸，那么10寸是大于9寸的，好像我还挺占便宜的，可是你不要忘记，你吃的是面积，而面积就要按尺寸的平方这个规律来进行缩放。所以，9寸的披萨它的面积是多大呢？你可以粗略的认为是81这样一个倍数，那么2个5寸是多少呢？近似为25+25=50，所以，其实是吃了很大的亏，这两个差异也是非常的不一样的，这就是规模法则，就是这么一回事。就是很多很多的属性，在你做规模放大的过程之中，它的非线性就会突然冒出来，冒出来的这种东西，恰恰是我们很难去用我们人类的思维去把握的。因为我们这个大脑，其实非常非常的可怜，因为它只会线性的外推，就至少你在第一意识里面，包括我自己，我为什么要拿这个例子，因为我自己猛一看，也是做错了选择，一样的。人就是擅长做线性外推，但其实，真正的世界是充满了非线性的。克莱伯（Kleiber）定律这个东西跟耗散结构有什么关系？就是在于耗散结构，每个生命体都是一个耗散结构，当我们把一个生命体来做这种规模的放大的时候，那么，生命的很多很多特征，就都会呈现一个非线性的放缩变大。这里面有太多的例子了，其中一个非常重要的例子，就是所谓的克莱伯定律。那么克莱伯定律说的是什么？它实际上说的新成代谢和生物体的体重大小之间的非线性的缩放规律。首先我们要把所有不同的哺乳类动物，在每一个物种里面挑选那么几个个体打过来，然后测量两个量，第一个量很简单，就让它过一下秤，看看它的体重的大小有多少，这就是横坐标。另外一个量，我们要测量一下这个生物体的新成代谢，这个东西怎么测？其实也蛮有意思的，在历史上，也是有很长时间的探讨。基本上现在的做法就是把这个生物体拿过来，关到一个大型的密闭的容器里面，然后让它近可能的在静息的状态下，你不能让它乱跑乱跳，你乱跑乱跳，你的代谢量就会增加，就不准了，所以要保持静息的状态。然后让它静息一段时间，然后测量一下，这个密闭容器里面，二氧化碳这个量增加了多少。我们知道人吃进的事物，总是要变成碳排放，排放出来，就体现为二氧化碳的呼出，用这个量就近似可以测量出来它的新成代谢率有多少。结果克莱伯在1932年的时候，他就发现，我把所有这些物种它们的平均值--平均体重和平均的新成代谢大小，把它拉过来以后，形成了一条直线。但你注意这个坐标，技术上的细节，取了对数，它的作用就是说它最后体现出来的公式是个幂律的，就是你看F，就是新成代谢，M这个量就是体重大小。你注意我在整个讲座里面都不包含数学，只有这块，讲这部分的时候，不得不去放上，因为他太伟大了，就是在生物学这样一个看起来很复杂的领域，我们居然能找到非常简洁的数学公式去描述它，我认为这是21世纪非常大的一个科学进展。所以我把他的这些公式放了上去。你会发现，其实这条直线也就意味着它的新成代谢和它体重这两个量之间是个幂律的关系，而且幂指数是一个很精确的数值，大概是3/4左右，所有我们也叫它3/4定律。当然，这个从表面上看你能很容易理解，体重越大新成代谢也就越高，这是很自然的。2005年左右的时候，杰弗里·韦斯特进一步扩大了定律的适用范围，不仅仅是哺乳类动物，所有的物种，包括有植物，冷血动物，甚至于小到单细胞、细胞里的线粒体，非常非常微观。横跨了整个30个数量集，非常大的这样一个尺度从微观到宏观，你会发现，这个3/4定律，克莱伯法则完全都是成立的。这个法则意味着什么呢？实际上意味着一定的规模效益，换句话说，我为胖子们的存在找到了一个理由，这个怎么说？来给大家做一个简单的推导，我们知道刚才F是等于M的3/4幂律，你可以在方程的两边除以一个M的量，就把它的质量除一下，这样的话，方程的左边，就是M分之F。这意味着什么？左边的这个量，就表示的是你每一块肉，它所需要的能量代谢是多少、需要多少能量。方程的右边，除以M以后，就变成是一个负1/4幂律，指数是负数，意味着M，该值越大越小。也就是说，这个公式告诉我们，个头越大的物种，它每一块肉，需要的能力也就越少。再换一句话说，个头越大，越节约能量。越胖越好。实际上，胖子是有存在价值的，他是在为我们地球的碳排放在做贡献，他的每一块肉都是高质量的肉，比瘦子的肉，质量要高的多，因为他代谢的能力更少。这是克莱伯定律它的非线性，让我们很吃惊的这样一个特点。为胖子们找到了一个存在的理由。其实在我们日常生活中有很多跟这个相关，比如说给小孩服药这个剂量，你给1岁的小孩服用这么多，如果是一个7、8岁的小孩，是1岁小孩的2倍体重，是不是这个药的剂量也该翻倍呢？不是这样的，你要翻倍，有可能把你家孩子给搞死。因为它是一个3/4幂律的一个缩放，所以它要被正常的翻倍要小很多。接下来，我们看到了这样一种实际数据告诉了我们这种规律，3/4幂律法则，为什么会有这样一个神奇的数字3/4呢？其实呢，我们不难做这样一个推理，我们的生物体和外界发生能力物质的代谢，主要是靠我们的表皮、表面。所以，很自然的我们会认为，新成代谢这个大小，是跟表面积，生物体的表面积密切相关，而生物体如果是像一个球一样，泡在溶液里面的一个小球，如果是这样的一个欧几里得几何体的话，那么我们就会知道，它的表面积是会跟它的体长，也就是它的规模是呈现了一个平方的定律，面积就是平方，就自然了。另外一个量，就是体重，显然这个体重会跟你的体积大小成正相关，体积又是一个边长的三次方这样一个规模法则。所以，你把这两个放在一起，新成代谢和体重的关系，就应该是2/3次幂，那么这个2/3次幂跟3/4是不一样的，这个怎么解释这个表面上的矛盾？分形当然，您只要做一个简单的假设，如果说，生物体是生活在四维空间下的话，那么这个3/4次幂看起来就很容易解读了。也就是说你这个生物体的表面积是一个三维空间下的一个东西，而你的体积是一个四维空间下的东西，正好新成代谢和体重之间就是一个3/4幂律的关系了。可是，凭什么你说它会是四维空间呢？看起来没有道理，难道是生活在第四维时间里面的东西吗？其实不是这样的，其实最主要的原因就是在于我们这个生物体，它所有的表面其实都是个分形，它通过褶皱、扭曲，形成自相似结构，产生了更高的维度，这就是本质的原因。可能大家会听的挺糊涂的，我举个例子。像左边这张图展示的，在春运的时候，大家都经历过这样一个事情，就是春运的人很多，于是有关部门把排队变成一个拐来拐去的弯道，就像这条曲线，这个曲线叫做皮亚诺曲线，但是呢，它实际上是一条线，可能通过这种弯曲，它弯出来一个面、一个正方形。所以，就像我们排队一样，有关部门通过设计一些障碍，使得我们人就会拐来拐去，这个时候达到的效果是什么？虽然人有很多，但是呢，你进来以后，你会的我还一直在走着，在运动，好像没有感觉很堵一样，其实这是一种错觉，是因为它拐来拐去之后呢，你跑的路程会更长，这个路程有多长？这个路程几乎等价于这个正方形的面积这么长。所以，这个就是用一维的东西，填充了一个二维空间，冒出来了一个维度，这叫最大化分形，分形就是指这种褶皱，形成这种复杂的结构。但是，对于皮亚诺曲线来说，它是一个最大化的分形，通过褶皱已经尽可能的利用空间了，不能再利用了，已经最大化了，所以它变成了一个本来是一维的，但是它是一个二维的东西。那么，像皮亚诺曲线，这样的集合物品，它的规模缩放的规律是什么呢？其实你不妨验证一下，你把皮亚诺曲线扩大了两倍，那么它的长度是几倍呢？就是4倍，而不是2倍了，因为你必须要按照它这种自相似的方式去扩大，所以它是4倍，它的行为表现一切的一切就像一个二维的东西。这是它神奇的地方。那么，相应的，我们生物体的表面，恰恰是这种最大化的分形，经过上亿年的进化，我们的生物体，特别是内表面，已经是最大化分析了。比如你观察大肠的这种表面结构，你会发现，它里面充满了这种沟沟坎坎，和这种回路、扭曲、褶皱、变形。所以，这样的话，其实每一个点，看起来表面是一个二维的东西，但本质上讲，它是一个三维的物体，所以这样的话，它的新成代谢就是一个三次幂的，而它的体积，你用面积再乘以它的长度，就是它的体积，是一个四维的东西，这就是生物体为什么会冒出来一个维度的本质原因。就是在于生物体它是大量存在这种分形的结构。无处不在的定律那么，进一步，按照克莱伯定律，我们不仅仅能知道新成代谢和体重大小的关系，我们还可以推得很多其他的量，像生物体的特征时间和生物体的特征行率，也会跟规模大小有相关关系。首先我们看一下时间，我们不妨把生物体理解成这样的一个大水缸，你新成代谢无非就是开闸放水，所以就有了流入和留出，那么流入这个量，就是你新成代谢大小，你体重就是水缸里面存储的水量的大小。我们可以做这样一个简单的运算，假如说一个食物粒子，你吃进去的食物，经过你的身体，转转转，再出去，你需要多少时间呢？如果告诉你流量是F、体重是M的话，你做一个简单的计算就不难知道，实际上这个量是M除以F。所以，你一换算就会发现时间刚好是M的1/4幂次，而这样一个量，恰恰绝对决定了生物体的很多很多的特征时间，包括说我们都知道哺乳类的动作它都会怀孕，那么怀孕就会有一个妊娠年龄，我们人类是10月怀胎，很辛苦。更大的物体，像大象，它实际上它的怀孕年龄会更长，2年甚至3年，而更小的物品，像蟑螂这种东西，人家怀孕时间很短，一夜的时间好几窝就出来了。为什么？体重、个体绝对了它的大小。再比如说，还有一个很重要很重要的特征时间，就是生物体的寿命长短，我们现在已知的全世界有关记载，人类最长年龄能活多长你们知道吗？是123岁左右，那么至今为止，我们没有看到任何能够超过这个数量级的，你说人能不能活到千年、万年？那是传说，那是神仙。事实上，120这个年份怎么来的？从哪出来的？由它的规模大小决定的，是因为没有一个人，你的体重能够达到一座山那么大，所以你的寿命长短也就这么长，120年左右。反过来讲，越小的物体，越小的物种，它的寿命也就会相应越短，你可能会记住蟑螂，凭什么它就能生那么快？一夜能下好几窝，你这是羡慕它了，你再看看它的寿命，很短，很快就会死掉。我曾经有一段时间养过一只小松鼠，当宠物养，有一次我就喂食给它，结果我一喂食就不小心碰到了它的胸部，没有别的意思，就是不小心碰到了，结果一碰了就吓我一跳，那家伙跳的很快，咚咚咚的，这种样子，我还以为我吓到它了，所以下一次我在喂食物的时候我会小心翼翼的，然后又摸了摸它的胸，结果发现还是那么快，我就百思不得其解。后来看到了克莱伯定律推论，我才恍然大悟，原来它心跳确实就应该是很快，个头小，松树嘛，肯定是很快的，我没有机会摸摸大象的心跳，你们有机会可以摸一摸，我相信也是吓了一跳，半天不跳一下，咚半天，然后再咚一下，肯定是这种频率，越大心跳就会越慢。而且你会发现，时间这种东西实际上不仅仅适用于生物体的，好像很多的特征都是这样，小的东西一定所有的动作都快，老鼠是什么样的频率，一跳一跳的，转身也快，运动也快，可是它的寿命也短；但是反过来再去看大象这个物种，它要是想转个身，恨不得半年才转过去。而且自然的人类系统照样还是这样，你可能羡慕BAT这些大公司，这么大的体量，可是别忘了，它的一切一切的特征时间一定会很长，它要想转个身，那费了老大劲了，而且它推行不下去，大系统病。反过来小的创业公司就非常的灵活，今天还是朝东打，明天就是朝西了，反正是全凭老大的一拍脑袋，所以它转身也快。而且更有意思的是，我刚才说了，T可以表示寿命长短，F可以表示心跳频率，于是你就可以把方程的两边乘在一起，T×F，叫做一生之中的心跳次数，右侧会发现正1/4和负1/4就会消掉了，变成0次幂，也就意味着它是一个常数，这个常数等于1.5×10的9次方，15亿次，这个很神奇。无论是什么样的生物体，它的一生的心跳次数应该是个常数，冥冥之中自有定数，甭看你今天闹的欢，你今天跳的挺快，你也活不多长，我虽然跳的挺慢，什么都慢，我活的比你长，这是生物体发现的一个非常有意思的常数。而且，这个常数，看心跳我刚才说是生物，好像有点那个意思，是广义的，不仅仅是生物，有时候非生物也是这样，Geoffrey West就在《规模》这本书里面提到，他就曾经研究过马达，发动机，发动机看起来也像个心脏，有时候可以跳的快，有的时候可以跳的慢，他就发现所有的马达跳一段时间以后也是会老化，就死掉了，动力学第二定律，结果就发现也是一个常数，而且很接近这个数，就是它坏掉跳动的次数也是15亿次左右，所以看起来真的是冥冥之中自有定数。而且，在这本书里还不仅仅如此，还有很多其他的常数，比如说生物体一生的新陈代谢的ATP的代谢量，ATP是产生能量的粒子，生物体的能量通货，这个东西一生ATP的产生也是一个常数。在中国古代道家里面有一个说法，叫做人吃的饭，一生之中能吃的饭是个定数，所以你今天胡吃海塞，你活的就短，看起来好像跟这个东西很靠近。而且这一套生物体的规模法则系统的梳理下来以后，还能给我们一些延年益寿的一些方法，真的是这样的。其中有一点很挑战我们的认知的，它的核心思想，你怎么才能够让你的寿命更长，他的核心思想是减少你的新陈代谢。为什么要减少？道理很简单，因为你的熵的产生，就是你的废物的产生，恰恰是跟你的新陈代谢正相关，你的新陈代谢如果越快，你有快速的去磨损你的细胞，也就会快速的死掉，如果你要想去养生，要去延年益寿，尽可能的去减缓你的新陈代谢，但是前提是健康的减缓，可不是说就是充满了高血压，心脏病这样一个大胖子，肯定也活得短，所以是健康的减缓。怎么去减缓？有几个因素，其中最主要的一个因素是温度，温度越高，新陈代谢越快，道理很简单，温度越高，所有的化学反应都会加速，所以尽可能的在比较冷的环境下生存。有人做了系统性的调研，靠近赤道的那些物种，同一个物种，比如说就是鼠类，越靠近赤道，它的寿命就会越短，靠近高纬度就会越长，温度会严重的影响。假如说我们能有一种方法，系统性的降低我们的体温，你也可以延年益寿，至少我们知道速冻是可以的，直接冻起来不死了，当然也失去了新陈代谢的所有的体征了。另外，尽可能的减缓你的能量的释放，减缓你的新陈代谢。所以，很多运动员为什么短命，我指的是那些剧烈运动的运动员，就是这个道理，因为他新陈代谢更快，磨损的就快，所以他寿命都不会很长。所以，最健康的方法就像我一样，站桩、静坐，很健康，你们可以试一试。三、进化人类对于规律的偏移刚才讲的是很多的物种，你们可能会想人肯定是这样的，一生心跳15亿次，但是这个数字正在悄然的发生变化，真正你去统计人一生心跳的次数，已经是所有动物的两倍，又出现了一个异常值，这个是为什么呢？其实最主要的原因就是我们人类已经不是一般意义上的人了，我们是人类3.0。因为真正的科技的力量其实在一点让我们人类发生蠕变，至少在统计数据上是这样。以前在农耕时代，的确是15亿次左右一生的心跳，但是现在已经达到的30亿次，其实寿命更长了，因为科技的力量会改造我们的人类自身。另外从一点反映，我们人类的能量代谢如果维持生存，什么都不干，你的能量代谢是一个什么水平呢？相当于一颗白炽灯泡的代谢水平，其实很低很低的，但没有哪一个人愿意像一个白炽灯泡一样生存，因为人类有太多的欲望，你要开车，你要坐飞机，你要去听课，所有的一切其实都在代谢能量。所以我们现在的人已经不仅仅是一个单纯意义上的人，而更多的是一个被社会、被科技所改造过的人，所以我们已经是在从2.0迈向3.0的进化的过程之中了，只不过我们不自知而已。那么谈到科技，就不得不谈另一种非常有意思的复杂系统，也是一个耗散结构这种东西，就叫做城市。因为现在90%以上的科技创新和50%以上的人口都在城市中居住和诞生，城市这样一个虚无缥缈的东西，是不是也具备非常宏观的准确的数学规律呢？答案是肯定的，这也是最近的一些发现，在规模法则里面。我们会发现，城市很多的变量也服从规模法则，只不过它跟生物体不一样的是，不再是0.75，而是一个大于1的幂指数，1.15次幂，就像右边这个公式所展示的，我们就会发现，很多城市的总体的变量会随着规模的增长呈现一个大于1的幂指数的规模缩放的规律。包括比如说GDP，比如说专利总数，一个城市新申报的专利的数目，再比如说总工资，这些东西都是一个1.15次幂的数值。还包括一些负面因素，比如说犯罪、艾滋病的患病数等等这些负面的东西，也是呈现一个1.15次幂。怎么理解1.15次幂，特别是它大于1意味着什么？其实仍然我们还可以做一些数学上的推导，你会发现方程两边除X，左边就变成了人均的GDP，人均的专利数量，人均的总工资，人均的犯罪数，人均的艾滋病患者数，人均的环境破坏的程度。因为是大于1，所以右侧就变成了0.15，是个正数，所以正数意味着X越大，规模越大，该值就会越大。这就意味着城市规模越大，你的人均的GDP越高，财富越多，你就有更多的机会，而且科技创新也就越多，这就是为什么所有的现在的毕业生，无论国家怎么号召要去支援农村，要去支援小城市，没人听你的，因为人的本性，因为人均财富会更多在大城市里面，这就是为什么北上广深，仍然是一个毕业生首选的地方的原因，这是正面因素。负面因素意味着什么呢？刚才说的犯罪数，艾滋病案例还有环境污染等等也会呈现一个1.15次幂的法则，那就意味着城市越大，就会有更大的概率去碰到犯罪，更多的概率去被感染疾病。所以，正面和负面是在同时发生的，在享受城市给我们带来的财富增长的同时，你会经理更大的风险，而这些意味着城市的新陈代谢的节奏，城市的步伐是在不断的加速的。之前我给大家展示的，生物体它的心跳频率、一切的快慢都会呈规模而递减，负1/4次幂，越大跳的越慢。但是反过来，1.15次幂就意味着所有的一切能量、时间都会呈现加速，也就是规模越大，会越快，就是左边这张图，展示的是他们在各个人口规模不同大小的城市，来去测人们行走的步伐的快慢，所以越大的城市发现人们平均走的步伐就会越快，跟赶命一样，停不下来，所有人都是匆匆忙忙，一脸的冷峻，尤其是北京的早上，你要想挤个地铁，你就能亲身的体会到这一点，城市越大生活越紧张。反过来，如果你去乡村去观察一下人们的步伐，非常的悠闲，经常会看到这样一个场景，几个老大妈坐在村门口，蹲个马扎嗑瓜子，然后开始聊八卦，聊一天，这就是他们一天的生活。为什么会是这样？你可能会觉得农村人没文化，他们没有上进心，不是这样的，其实是有你所在的城市规模大小所决定的，这就是科学的魅力，跟你的个体行为没有什么太大关系，是一个宏观的规律性的东西。更进一步的，城市超线性的，也就是1.15次幂的规模法则，还意味着恐怖的东西，接下来跟你分析。接下来稍微有一点数学，但是也很简单，我们来看左边这张图，刚才我们曾经见过，生物体是个新陈代谢，也就意味着有流入有流出，同样的道理，对于城市来说，你也可以看成一个大水缸，这样的话你的人口规模，就是水缸里面的蓄水量，而你的新陈代谢，就是GDP、财富创造、犯罪总数，所有这些量你可以认为都跟新陈代谢是有关的，因为它反应的是人类的活动，所以活动越大，越快，那就是新陈代谢越高，所以就相当于流入这个量。另外，还有一个流出这个量，城市的流出意味着，你要用一些能量，用一些代谢出来的东西，要去维护这个东西的存在，有些设施被损坏，你就要去维修，这叫维护，这两个量，一个流入一个流出，它们两个规则缩放法则是不一样的，流入的量是1.15次幂，流出的量是1次幂，是一个线性的，所以就必然会导致这两者的不匹配，最终的结果怎么样呢？它存在着两个解，这非常不一样。一种解是上图所示的超指数增长，就是在有限的时间内，一下会增长到无穷大，这个纵坐标是城市的人口，或者是你可以用财富，你也可以用犯罪数等等这些量去衡量，反正是一个总量，总量都会呈超指数的增长，在有限的时间内爆炸。另外一个解是彻底反过来叫崩溃，它会走向死亡。到底什么时候膨胀，什么时候崩溃，这取决于初始条件和那些系数，这些系数又跟整个社会的科技发展水平是密切相关的。所以，最后你把这些都揉在一起，得到一个什么样的结论呢？我们就能够得到一个城市长期的这样一种生长规律。首先，按照这个方程，我们就会发现，城市是首先按照一个超指数的规律去发展，就是这条红线所展示的，本身它就会在有限的时间内达到一个人口无穷大，可是我们显然不会看到这样一种现象，道理很简单，你要想维持无穷大的人口，那可不是几亿，几十亿，是无穷大，那你一定会需要无穷大的能量去提供给他，食物、水这些资源，但是这种资源显然是有限的，所以必然会存在一个时间点，就是红色曲线的终点这块，这个时候，你的资源就无法去维持，所以就很容易发生跌落，就会发生崩溃、死亡。所以，我们看到在中国很多内陆地区像内蒙古、东北都会出现鬼城，空城，就是类似于这种现象，就是跌落和崩溃的表现。可是人显然不会长期的允许这种崩溃存在下去，因为人是会绝地逢生的，是会进行科技创新、科技革命的，所以正是在跌落的过程当中，就逼迫着人类不断的进行科技创新，发明新的技术、新的产品出来。于是，人们就会把方程之中的系数给进行重置，把系数给换掉，那么一换掉我们就会发现，虽然它还是在沿着超指数规律的增长，在一个有限的时间点内还是会达到无穷，可是就会比刚才原轨迹，就是那条虚线展示的轨迹把它往后延迟了，也就是说让真正的无穷大的点又往后延迟，又可以很好的存活一段时间。但是，演化以后，人口还是在增长，增长一定程度以后，资源仍然是不够的，于是又可能发生崩溃，于是同样的故事上演，人类就不得不再次发明新的技术，科技革命，这个周期跌宕起伏，不断的去把无穷大的点往后拖延，也就是我们看到的一波一波的科技创新。而且还有一个很重要的特征，按照它的方程这么规划的规律，我们就会发现，两次重大科技革命中间的时间间隔，是在不断的变小，你回想一下整个人类的发展史是不是这样，绝对是这样的。发生第一次工业革命大概是200、300年前，发生第二次工业革命电力革命大概是100年前，发生信息革命50年前，所以间隔100、50已经变小，而互联网革命，间隔又是变成30年左右，移动互联网大概是10年左右，人工智能大概5年，一切重大科技革命都是在时间越来越短，看见这么一个趋势。最后，这又意味着什么？两个时间间隔就会越来越短的时候，就好象我们不停的要踩在一个跑步机上，每一种科技革命就会迫使我们上一个新的跑步机，越来越快速的科技革命也就迫使我们不停的奔跑在越来越快速的跑步机上。这就是为什么我们看到我们的日常生活正在不停的加速，有听不完的课程，收不完短信和e-mail，我就不得不被一种大势逼迫着我们不停的把我们的生活加速。加速最后的重点是什么呢？就是奇点临近，就是在一开始跟大家说的奇点，Geoffrey West通过完全不一样的方式，也同样推导出来了奇点临近这个结论，因为重大科技革命发生的时间间隔不断的缩短，必然会有一个奇点，已经不能再短了，这个时候会发生什么？Geoffrey West就认为，真正的大崩溃。所以，在整个《规模》这本书里面，最重要的结论，也是最骇人听闻的一个结论，就是他预言，人类必然会发生一个奇点，是不可避免的这种奇点，在这样的奇点下，会产生什么情况？是两个方面同时存在的：方面一：刚才说了，纵坐标可以是财富创造，科技创新这些东西，它会在有限的时间内达到无穷，这就相当于人工智能的起点，不仅仅是人工智能超越人类的能力，人是能造出人工智能，人工智能肯定会具有人一样的能力，所以人工智能也会创造出人工智能，这就叫超人工智能，所以一旦超人工智能出来了之后，根本就不需要创新了，因为它会自动的推动它的创新不断的进行下去，这个就是奇点的含义，其中一方面，它的科技包括它的社会财富，GDP这些东西都会在有限时间内达到无穷大。方面二：很多负面的因素，像犯罪、环境污染、疾病传播，这些负面的因素也同样的按照1.15次幂生长。所以，当你发生科技无限大的时候，这些负面因素也会无限大。所以，发生奇点临近的时候，很奇妙的事件，无限多的财富同时意味着无限多的破坏，这是一个什么样的变态的世界，不知道，但是很有可能就是在我们能够有生之年能够看到这个时刻，大家拭目以待。再次让我们来对比一下我们讲到的这些规模法则，实际上我们是横跨了两种不同的世界，经典世界和复杂世界，一边是封闭，一边是开放，一边是平衡，一边是非平衡，而且是周期性的发展，最终会趋向于一个奇点，一边是秩序，一边是混沌的边缘。虽然通过开放能够达到有序，但是最终还避免不了死亡，甚至于崩溃这样一种世界观。自复制有没有新的解法呢？不知道，也许我们可以去借鉴一些生物学的规律，这就牵扯到我们下一步的发展。既然所有的开放系统都避免不了死亡和崩溃，我们有没有再生的方法呢？其实自然界是有的，这叫做达尔文式的进化。在讲到达尔文式的进化之前，我们必须要先提到一个著名的人物--冯·诺依曼，冯·诺依曼被称为计算机之父和博弈论之父，这个人很厉害。但是，相信你们所有人都不知道，因为包括很多专家都不太很熟悉，他实际上在晚年，还有一个对复杂性科学的重大贡献，就是他想知道，机器如何进行自我复制，在琢磨这么一个问题。你可能会觉得为什么要研究机器的自我复制问题啊？看看生物学，直接跟他们学就完了，但是请你注意这一点，实际上，冯·诺依曼之所以想研究自复制问题，他的本质原因是想找到一条抵抗热力学第二定律，给我们带来的一种死亡宿命的解决方案，他是想找到这一点。他首先观察到的是，所有的人造的系统，无论是计算机，还是马达，都会不可避免的走向衰败和死亡，开车你会发现，隔一段时间你就要保养你的车辆，不保养就会充满了各种问题，甚至于连计算机系统，就是我们使用的软件，特别是Windows用户，就会发现，一段时间不清理你的硬盘，不清理软件，开机就会越来越慢，甚至于很容易崩溃，很容易死亡，热力学定律会经常作用在人造的这些系统上面，很脆弱，很容易就衰败掉。可是反观生物体，你会发现，他就会演化以后，就会走向有序，变得越来越复杂，就是进化，第二件时间之箭，所以光知道我们这个系统要开放是远远不够的，开放最后还是要死亡，所以怎么办？生物体已经找到解决方案，就是自复制，因为自复制虽然个体还是死了，可是你的基因，你的后代保留了下来，所以生物体就找到了一个对抗老天，对抗死亡，对抗宿命，对抗热力学第二定律的一种途径。复杂度阈值冯·诺依曼研究自复制这个问题，就想找到这个途径的机理是什么。他就发现，存在着一种所谓的复杂度的阈值，一个关键值，当我人造的系统它的复杂度没有达到阈值的时候，热力学第二定律就不可避免的作用在这个上面，让他一点点衰败死亡下去，但是当你推动这个复杂度，然后超过了一定的阈值，就有可能使得系统反过来了，变成了是一种进化的系统，就像下图所展示，一个是复杂度，中间又有一个分水岭，就是复杂度的阈值。这个阈值到底是什么呢？就是自复制，他就是认为，只要你的系统复杂度能够让它完成自复制的时候，我就有可能从衰败走向秩序，走向进化，这是他观察到的这一点。自复制的难点所以，他就开始琢磨，我怎么才能让一个机械的、人造的系统能够具备自复制的功能，但是你细细的思考就会发现，人一个系统具备自复制这种能力是非常不简单的，很难，为什么呢？你要想把自己平白无故的拷贝一份出来的话，你会怎么做？可能你会想到，我会用一个扫描器，把我身体的每一个细胞信息的状态给扫描下来，同时我在旁边再造一个自我，一定会有一个扫描的过程，因为你要拷贝所有信息。可是，你要完全这个扫描过程，你就会发现一个矛盾点，就是扫描器怎么扫描？扫描不了自己，就像每一个人都没有办法看到自己的眼睛一样。你也不能用耳朵听到你耳朵的声音吗？听不见的。存在着这样一个悖论，因为这里面要想包含他自己的话，也就是说他自己里面还要有一个自己，就像这张图所展示的一样，它会无穷的延伸下去。所以一牵扯到自复制，就意味着无穷，所有的人造的系统都是有限的，怎么才能实现这种无穷呢？所以自复制是一个很难解决的问题。自复制的非平凡特性可是，20世纪的数学其实已经暗含了解决方案，这里面就牵扯到一个非常重要的数学上的概念，就叫做自指。可能你对这个概念很陌生，很糊涂，你看看右边这张画你就能知道自指的含义了，就是给你一种不可能的感觉。《盗梦空间》那个电影，就充满了不可能性。现实的生命就是这样一种自指系统，就像两只手互相画，到底这个手是谁画出来的，其实是它自己，这个看起来是一种表面上的不可能性。可是数学家们却找到了一种可能的途径，这种途径就叫做奎因，他是一个大数学家和哲学家。数学家们曾经利用奎因的技巧，实现了若干种自指的数学结论，可能你们有的人会听说过一些，大概给大家讲一下，包括罗素悖论，它又牵扯到说谎者，我说的这句话是假话，那这句话到底是真的还是假的，你会发现你认为它是真的时候就是假的，你认为它假的时候就是真的，反正它老是跟你对着干，就是一个很奇怪的自指悖论。自复制的机器而现在冯·诺依曼告诉我们，自指这个数学上的非常重要的命题，也是跟自复制问题密切相连，通过奎因这种技巧，我们就可以出现一个自复制机器，就像下图所示，他已经把它给设计出来了。到底是怎么完成这种自复制的呢？其实也不难理解，它其实就是下述原理：这个机器要分成两部分，由两部分组成：一部分是机器，另一部分是设计图纸。这个就像刚才那个扫描器一样，首先要记载了关于这个机器的绝大部分信息，但是并不包含它自己，因为一包含自己又变成无穷了。于是要完成自复制会怎么做？首先，第一步是要把图纸复印一份，这个很简单，复印机一扫描就OK了。第二步，机器要能够根据图纸再造出来一个机器，这个是一个很关键的一点，只要把这样的两个东西偶合在一起，图纸加机器看成一个整体的系统，你这个系统就可以完成一个自复制的功能了，这个就是冯·诺依曼发现的这样一个奥秘存在。机器与生命的对比请注意，冯·诺依曼发现这个时间点可是早于1953年的，1940几年的时候就已经发现有这些东西了。而到了1953年，也就是在他去世前后，沃森和克里克就发现了DNA双螺旋结构，而且进一步的对生物学的探讨，人们也就认识到，实际上生物体细胞要完成自复制，恰恰就实现了一个冯·诺依曼的自复制机器，他们俩的逻辑框架简直就是一模一样的，所以冯·诺依曼这是一个神来之笔，他能够洞悉到生物界的奥秘之所在，而且可以做一个精确的映射。比如说在生物体里面，图纸就对应为DNA双螺旋结构的AGCT这个编码，就是一张生命的图纸，机器就是细胞体本身，整个的自复制过程就相当于细胞的有丝分裂自复制的过程，所以能够形成一个严格的对应，这就是自复制的逻辑之所在。有了这个自复制逻辑，还离抵抗热力学第二定律还差一步，怎么去完成进化呢？恰恰是因为热力学第二定律，就有可能使得一个自复制的系统产生达尔文式的进化。这个机器在自复制的过程当中，可能会由于环境的因素会受到一些扰动，有可能发生在机器的上面，也有可能发生在图纸的上面，发生在机器的上面的时候，机器就坏掉了，就导致了死亡，这个是不幸的。但是一旦扰动发生在图纸上面，它就有可能跟原来的机器不一样，一旦再造出来机器，还具备自我复制能力的话，就会发现这个就是一个优良物种，是一个全新的物种，而这种全新的物种就有可能比老机器更好的适应环境，达尔文进化也是这套原理。自复制与达尔文式进化回顾一下，达尔文进化无非就这么几点，首先要有遗传，就是把DNA复制下去。第二，DNA在遗传的时候会变异，也就是图纸对图纸的扰动。第三，扰动有可能导致好的结果和不好的结果，那就看自然选择，老天爷会让哪些存在下来。于是，经过这样的迭代，自然界就创造出来了丰富的物种多样性，这就是生物学反观机器也是的这样的。我们其实不妨可以把基因突变也进行这样的比较。因为突变完全是因为环境的热噪声所引起的，所以为什么热带的生物体死得早，是因为突变的也快，会发生变异，所以越热环境的噪声，那些震动就会越大，所以就导致AGCT编码在操作过程之中会出现错误和变化，所以它的突变也恰恰是由于热力学第二定律的影响导致了这种突变。只要这个突变发生在图纸上面，就会创造全新的机器出来，而这种机器就有可能比老的机器会更具有进化的天赋。最后，我们给出一个评价，实际上自复制这样一个复杂度的阈值，它是可以让热力学第二定律变废为宝的，就像刚才说的，因为你的热噪声的干扰，可能发生在图纸上面，基因上面，这就使得衍生出来的新物种具备了新的功能。因此，热力学第二定律很有可能变成进化的动力来源，从而抵抗热力学的衰败，而不停的复杂，有秩序下去。层级：生命的轮回最后一个阶段是层级的产生。我们知道现实的复杂系统，生物世界存在着大量的层级结构，比如说，单细胞生物体可以相互组合，形成多细胞的生物体，多细胞的物种，我们人体来看，也是一个很多层级的系统，由细胞构成组织，组织构成器官，器官构成了人体。社会系统也是这样，人构成了公司或者是组织，然后又形成了城市，又形成了国家，总是具备这种层级化的结构，这些层级化的结构是怎样产生的呢？这里面牵扯到一个所谓的内共生理论，它讲述了很多有意思的故事。我们知道，现在的多细胞生物体，里面有多细胞器，有些细胞器就很有意思，比如说下图右上角黄色的像鞋一样的东西，叫做线粒体，线粒体很特别，因为线粒体内部也有它自己的染色体，就是DNA双螺旋结构，而且自己也有自己的细胞膜，这个细胞膜又是有两层，有一个内层膜，有一个外层膜，两层还是很不一样。还有一些细胞器，比如说叶绿体也是类似的，有自己的DNA，有自己的细胞膜，为什么会这样？就好像线粒体或者是叶绿体就像一个自己的独立的细胞一样，可以在真核生物体里面存在，为什么会形成这样？内共生理论有一位科学家叫林恩·马古利斯，她提出了一套叫做内共生理论。她认为，实际上在远古时期，多细胞真核生物形成的早期，其实是真核细胞要去把线粒体本来是一个独立的小型的细胞，一个生物体，它实际上是大细胞要把小细胞吞掉，可是在吞噬的过程当中，并没有完全把他消灭掉，而是跟它维持了一个长期的存在，共生了下去，这就是内共生理论原因。这样一种共生就会导致线粒体还有叶绿体就可以长期的和细胞维持了一个存在，形成了一种共生的关系。一方面线粒体是一个相当于细胞的电厂一样，所以它就给细胞供应能量，而这个细胞又对线粒体这样一个非常脆弱的小细胞提供了一个保护作用，很难被外界的复杂的环境摧毁掉，这个故事还可以迭代，不停的发生下去，也就是说，是一个大细胞吞掉一个小细胞，形成一个大组织，这个大组织又可以进一步吞噬其它的小细胞，形成组织，组织套组织，就会形成非常复杂的层级结构，这就是内共生理论所给我们讲述的这样一个生物进化的不一样的故事。有很多的证据去支持内共生理论，比如说，每一个细胞器都会有相应的独立的DNA结构。另外，双层膜也是一个证据，原因就是在于外表面的那层膜实际上是大细胞的膜，而内表面的膜是原来的小生物体的膜。从更大的视角看合作与竞争而且，从一个共生的角度来看，我们会对合作和竞争有一种全新的认识，比如说包括我们以前说合作就是利他，但实际上站在一个宏观组织的角度去看，实际上合作就是促使更大的组织的形成。反过来竞争当然就是一种分裂，就是促使组织不能够形成，也就是组织的衰退。所以从这个角度来讲，我们对竞争和合作就有一个全新的认识，而内共生理论就告诉我们，其实最宝贵的恰恰是竞争的弛豫，也就是把竞争无限的拖延下去，最终形成了一种合作，一种内共生的模式，就像细胞吞噬线粒体一样维持下去，这样就能够形成一个全新的个体。这个实际上在人类历史上也存在着一些例子，比如说在二战期间，曾经有一支法国军队和德国军队，形成了一种对抗的局面，这两支军队都是远离大部队了，他们在一个荒山僻野发生这种交锋，结果长时间好几个月过去了，一直得不到总部的消息，所以就导致了这两支军队谁也不跟谁打仗了，甚至于最后他们形成了合作，我给你做饭，你帮我挑水，类似于小两口过得还挺好，形成这样一种局面，这就是所谓的竞争的弛豫。所以，在我们的日常生活里告诉我们，很多时候当你产生矛盾当然是不可避免的，这时候有的时候拖延其实是一种很好的现象，因为你拖延下去的话，维持这种竞争关系存在，就有可能形成一个全新的个体，形成高层级的组织。所以，这样一种从混沌、聚集、新陈代谢、进化、层级的产生，就会迭代的不停的发展下去，然后形成这种高级别的组织以后，你又可能回到原点。因为你的每一个高层级多细胞的组织又变成了单元，一个个体，于是这些单元和个体之间又会发生一定的聚集行为，从而形成一个更大的整体，于是这个故事就会进一步的发生下去，不停的周而复始的循环，这就是我们所看到的纷繁复杂的世界。四、小结最后，我讲课已经到了尾声，让我们来做一个大的总结。首先我们会发现，简单规则会导致复杂涌现的行为，这就是一个反直觉的例子，就是复杂行为不一定非得是复杂的规则和设计，它可以来源于很简单的规则。第二，所有的涌现和复杂都是发生在混沌与秩序的边缘，你要巧妙的平衡这两种力量。第三，开放和流动能够创造有序，就像贝纳对流实验，所有的这些有序的结构的产生，虽然它内部都是瞬息万变，看起来虚无缥缈，但是它背后却有着惊人的、可以用数学去刻画的规模法则。第四，我们可以从完全新的视角来去理解生物体的自复制这种能力，它实际上是可以将热力学第二定律变废为宝，变成是一种进化的力量，从而抵抗大自然的热力学第二定律。第五，层级的涌现会导致生命周而复始的循环，不停的形成更大的、宏观的层级结构。