復(fù)雜世界,簡單規(guī)則
推薦人:呂琳媛
電子科技大學(xué)教授,阿里巴巴復(fù)雜科學(xué)研究中心副主任
生命體、城市、公司,乃至一切復(fù)雜萬物,是否都存在相通的內(nèi)在生長邏輯?制約生命與死亡、城市化的擴(kuò)張及公司壽命的決定因素究竟是什么?人類能否通過融匯生物學(xué)、物理學(xué)、社會學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等跨學(xué)科知識,找到揭開復(fù)雜萬物生長背后的簡單法則?
著名理論物理學(xué)家,享譽(yù)全球的復(fù)雜系統(tǒng)性科學(xué)研究中心圣塔菲研究所前所長杰弗里·韋斯特潛心研究數(shù)十年,經(jīng)過反復(fù)試驗和求證,終于找到了解構(gòu)復(fù)雜世界的簡單邏輯——規(guī)模法則,并完成了《規(guī)模:復(fù)雜世界的簡單法則》一書。
本文是呂琳媛教授為《規(guī)模:復(fù)雜世界的簡單法則》所寫的推薦序言。
復(fù)雜世界,簡單規(guī)則
8年前,當(dāng)我還在瑞士弗里堡大學(xué)物理系攻讀博士學(xué)位時,對人類語言系統(tǒng)產(chǎn)生了興趣,便和幾個朋友一起做了些研究。我們收集了9本文學(xué)名著,這些書是用英語、德語、意大利語、西班牙語和拉丁語等語言寫就的。我們對每本書的詞頻分布進(jìn)行了統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)其均符合齊普夫定律(Zipf 's Law),也就是說,如果把單詞出現(xiàn)的頻率按降序排列,則每個單詞出現(xiàn)的頻率 Z(r) 與其名次 r 的常數(shù)次冪存在簡單的反比關(guān)系,這個冪指數(shù)稱為“齊普夫指數(shù)”。
G.K.Zipf,Human behaviour and the principle of least effort (Addison-Wesly, 1949)
這一定律表明,只有極少數(shù)的單詞被經(jīng)常使用,而絕大多數(shù)單詞很少被提及。我們常常聽到的20/80法則就是這個定律的延伸。齊普夫定律已經(jīng)在信息學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué)、生物學(xué)、地理學(xué)、物理學(xué)等眾多研究領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。除了詞頻分布外,我們還考察了24個學(xué)術(shù)期刊的關(guān)鍵詞、H1N1(甲型流感病毒)在各個國家的出現(xiàn)頻率,以及期刊論文引用的頻率等,結(jié)果都發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律。
語言系統(tǒng)中另一個知名的定律是希普斯定律(Heaps’ Law),這是希普斯在1978 年一本關(guān)于信息挖掘的專著中提出的。這一定律關(guān)注的是系統(tǒng)的增長問題,指出在語言系統(tǒng)中,不同單詞的數(shù)目與文本篇幅之間存在冪函數(shù)的關(guān)系,這個冪指數(shù)稱為“希普斯指數(shù)”,是介于 0-1 之間的。這一定律表明系統(tǒng)里的元素數(shù)目隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大呈亞線性增長趨勢。我們在上述提到的 30 余種系統(tǒng)中均發(fā)現(xiàn)了這樣的規(guī)律。例如,隨著流感病毒在全球范圍的蔓延,如果感染人數(shù)增加一倍,那么被感染的國家可能只增加不到 30%。[實證研究發(fā)現(xiàn),H1N1 的齊普夫指數(shù)和希普斯指數(shù)分別是3和0.35。]
在La Divina Commedia這本書中,不同單詞數(shù)目N(t)和篇幅t之間的關(guān)系
令人興奮的是,很多復(fù)雜系統(tǒng)同時遵循齊普夫定律和希普斯定律。那么,這兩個定律之間又有什么樣的關(guān)系呢?通過研究,我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)齊普夫指數(shù)大于1時,希普斯指數(shù)等于齊普夫指數(shù)的倒數(shù),且齊普夫指數(shù)越大,這個關(guān)系越精確;當(dāng)齊普夫指數(shù)小于1時,希普斯指數(shù)等于1,且齊普夫指數(shù)越小,這個關(guān)系越精確。也就是說,這兩個定律指數(shù)之間的解析關(guān)系,只是在齊普夫指數(shù)遠(yuǎn)大于1或遠(yuǎn)小于1或系統(tǒng)規(guī)模無窮大時的一種漸進(jìn)解。此外,我們不依賴任何隨機(jī)過程,證明了齊普夫定律更本質(zhì),而希普斯定律是衍生律。這可能是我們在語言系統(tǒng)研究中迄今為止最重要的貢獻(xiàn)了。
不得不承認(rèn),對復(fù)雜系統(tǒng)本質(zhì)的普適性規(guī)律的發(fā)現(xiàn)總是能讓我們激動不已,特別是對物理學(xué)家來說,這似乎就是生命。本書作者杰弗里·韋斯特就是這樣一位杰出的物理學(xué)家和思想領(lǐng)袖,他曾擔(dān)任世界著名的跨學(xué)科研究組織圣塔菲研究所的所長,被《時代》雜志評為“全球最具影響力的100人”之一。
圣塔菲研究所
我很驚喜地看到韋斯特把系統(tǒng)增長中的標(biāo)度關(guān)系在更廣泛的范圍和更普適的意義上進(jìn)行了討論[希普斯定律是規(guī)模法則在語言系統(tǒng)中的一個表現(xiàn)。],即研究各種事物或系統(tǒng)如何隨著規(guī)模的變化而發(fā)生變化,以及它們所遵守的基本法則。在書中,韋斯特不僅介紹了他有趣的個人生活和研究生涯,而且講述了物種、生命、企業(yè)、城市背后隱藏的普適規(guī)律。他的研究構(gòu)建了一種可量化、可預(yù)測的框架以幫助人們了解世界的意義,以及事物之間是如何相互影響并生長的?!兑?guī)?!飞羁探沂玖诉@個豐富多彩的復(fù)雜世界背后所蘊(yùn)含的普適性簡單規(guī)律,無愧為一部卓越的著作。
韋斯特的研究可以回答很多有意思的問題,比如,為什么蟻人和哥斯拉只能在科幻片里存在?為什么人類不能長生不老?為什么我們一天要睡8個小時,而大象只要睡 4 個小時?為什么在涼爽的早上看不到很多昆蟲?為什么公司會衰亡,而城市不會?這些看似毫不相關(guān)的稀奇古怪的問題在《規(guī)?!愤@本書中因規(guī)模法則而聯(lián)系在一起,看完之后你會發(fā)現(xiàn)答案原來如此簡單。
作者認(rèn)為,萬物相聯(lián)帶來了復(fù)雜性的急劇增強(qiáng),需要追尋對復(fù)雜性的大一統(tǒng)理論,并在書中提出了一個核心觀點:動物、植物、生態(tài)系統(tǒng)、城市和公司中幾乎任何可量化的特點都與“規(guī)?!贝嬖谥闪炕囊?guī)模縮放關(guān)系,這些不同層次的事物之間都有著極為相似的運作方式,其組織、架構(gòu)和發(fā)展表現(xiàn)出驚人的系統(tǒng)性規(guī)律和相似性。
這些事物都具有高度復(fù)雜性,無論是分子、人類還是城市,都通過不同空間和時間層次上的網(wǎng)絡(luò)化組織相互聯(lián)系,不斷進(jìn)化。其中一些網(wǎng)絡(luò)很明顯、很具體,比如現(xiàn)實空間中的城市交通網(wǎng)絡(luò),也有一些網(wǎng)絡(luò)很抽象、很虛擬,比如社交網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)。
韋斯特構(gòu)建的宏觀框架可以幫助我們回答許多有意思的問題,這些問題及其答案也從生物學(xué)、公司科學(xué)、城市科學(xué)等不同維度展示了其框架的包容性和解釋力,許多原本看似毫無關(guān)聯(lián)的事物實則相關(guān)。比如,假設(shè)你知道一座城市的人口數(shù)量,你就可以準(zhǔn)確地預(yù)測出它擁有的加油站數(shù)量。
韋斯特的研究向我們展示了一個美好的未來:大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的快速發(fā)展為人類提供了最大限度地探索萬物成長奧秘的契機(jī)。數(shù)據(jù)的爆炸式增長推動著科學(xué)研究進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代。大量來自社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)大大擴(kuò)展了不同學(xué)科的研究范疇,特別是物理學(xué)的理論和思想被更多地應(yīng)用于生物、社會、經(jīng)濟(jì)等更廣泛的領(lǐng)域中,促進(jìn)形成了多個新興交叉學(xué)科領(lǐng)域,如經(jīng)濟(jì)物理學(xué)、社會物理學(xué)、生物物理學(xué)等,而韋斯特的這本著作,正是橫跨多學(xué)科領(lǐng)域的前沿研究成果。
神奇的數(shù)字“3/4”
生命是宇宙中最燦爛、最光彩奪目的篇章,也是最具復(fù)雜性和多樣性的現(xiàn)象,它以巨大的魅力吸引著無數(shù)科學(xué)家的目光。
對一直尋求萬物統(tǒng)一理論的物理學(xué)家而言,在生命科學(xué)多樣性發(fā)展的背后,一定存在一個可以用完美公式來描繪的規(guī)律。盡管生命演化處處存在著不確定性和偶然性,但生物體中幾乎所有最基本、最復(fù)雜的可量化特征都以一種非常簡單和規(guī)律的方式隨規(guī)模的變化而發(fā)生縮放變化,這被稱作“克萊伯定律”——代謝率隨體重的約 3/4 次冪進(jìn)行變化。
按照這一定律,哺乳動物的基礎(chǔ)代謝率與體重的 3/4 次冪成正比。例如,體重差不多是老鼠的 1 萬倍的大象,其代謝率(即維持大象存活所需的能量)只是老鼠的 1 000 倍。更令人稱奇的是,這類法則還適用于包括心率、壽命、線粒體密度、樹木高度等所有生物數(shù)量和生命歷史事件。
韋斯特發(fā)現(xiàn)了新陳代謝與物種體積之間的規(guī)??s放關(guān)系,解釋了物種停止生長及死亡的原因,交給了人類一把開啟生命科學(xué)寶藏的金鑰匙。
科學(xué)顯微鏡下的城市與公司
克萊伯定律解釋了生命體演化所共同遵守的一個規(guī)律,而韋斯特將其適用邊界進(jìn)一步拓展至人類智慧所創(chuàng)造的公司和城市等領(lǐng)域。城市所具有的復(fù)雜性遠(yuǎn)超任何一個現(xiàn)有學(xué)科的邊界,不論是經(jīng)濟(jì)學(xué)家、地理學(xué)家還是社會學(xué)家,他們對城市的審視都只是對作為整體的城市的某個局部掃描。城市研究的方法論遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于城市自身的演化進(jìn)程。
韋斯特嘗試創(chuàng)立城市科學(xué),并認(rèn)為城市是由基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)及社會經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的,基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)類似生物物種的網(wǎng)絡(luò),具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)特性,使它們隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大而呈亞線性增長;相對地,社會經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)具有“規(guī)模報酬遞增”的特性,使城市規(guī)模呈超指數(shù)增長。韋斯特的研究指出,城市規(guī)模與生物體的成長具有高度的一致性。城市規(guī)模翻番,其對基礎(chǔ)設(shè)施的需求大概只需增加 85%。韋斯特將一個具有自生長性和適應(yīng)能力的“有機(jī)體”的城市展現(xiàn)在我們眼前。
城市與生物體發(fā)展模式之間的一個重要差異是,當(dāng)城市規(guī)模擴(kuò)大時,城市內(nèi)會快速涌現(xiàn)出更多新創(chuàng)意,這種現(xiàn)象被稱為“超線性規(guī)??s放”。城市規(guī)模擴(kuò)大帶來了更多的社會互動,社會互動的增多帶來更多的創(chuàng)新和創(chuàng)意,因此在北京、上海、廣州等超大型城市中,創(chuàng)新機(jī)會更多,生活節(jié)奏更快,這是城市“開放式增長”的演化結(jié)果。這也解釋了為什么人們多選擇居住在大城市。
城市的意義在于生活在其中的人,所謂城市即人。人們的生活和互動才是城市生命的源泉。然而,這一點在大多數(shù)城市的規(guī)劃和設(shè)計中都被忽略了。一個典型的例子就是上海著名的世紀(jì)大道,從東方明珠至浦東世紀(jì)公園全長約 5.5 千米,寬 100 米,被譽(yù)為“東方的香榭麗舍大街”。從設(shè)計本身來看,這無疑是一件藝術(shù)品,但考慮到整個城市交通道路網(wǎng)絡(luò)的功能性,問題就來了。這條道路增強(qiáng)了原有地區(qū)的交通復(fù)雜性,即使是 8 車道也不能解決交通擁堵的問題。游客需要穿過幾十米長的人行橫道才能到對面看看。城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也需要有人情味,需要有人文關(guān)懷。人們從胡同里的四合院或者嘈雜的弄堂搬進(jìn)一梯一戶的高檔住宅并不一定表示城市在進(jìn)步。
上海世紀(jì)大道
相較于城市,公司更像生物體。許多關(guān)鍵指標(biāo)隨著規(guī)模的增長呈亞線性規(guī)模縮放,規(guī)??s放指數(shù)約為 0.9。這意味著,公司更加受到規(guī)模經(jīng)濟(jì)而非規(guī)模收益和創(chuàng)新遞增的主導(dǎo),這為它們的生存歷史,尤其是增長和消亡帶來了重要的影響。公司的維度從出生到青春期不斷收縮,在進(jìn)入成熟期后最終停滯,甚至進(jìn)一步收縮,因此大多數(shù)公司都只能擁有有限的增長和有限的壽命。
未來,人類的命運將與城市、公司緊緊捆綁在一起。城市與公司是創(chuàng)新、財富、文明、藝術(shù)的發(fā)源地,不了解城市的生長規(guī)律,我們就無法理解現(xiàn)代生活;不清楚公司的成長模式,我們就無法理解科技、經(jīng)濟(jì)和社會組織的進(jìn)步。這是每一個活在當(dāng)下的人都需要努力弄明白的事。
復(fù)雜性思維
書中的很多觀點來自杰弗里·韋斯特過去幾十年的研究成果,其目的是建立一套能解釋包括生物、城市、公司等復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的一般性理論框架。除此之外,這本書的另一大貢獻(xiàn)是為我們提供了一套更具整體性、動態(tài)性的認(rèn)知世界的思維范式——復(fù)雜性思維。書中所呈現(xiàn)的許多觀點背后是以復(fù)雜性科學(xué)為基礎(chǔ)的。韋斯特指出,如何對各類復(fù)雜系統(tǒng)演化背后的規(guī)律進(jìn)行量化分析和預(yù)測,是 21 世紀(jì)科學(xué)面臨的巨大挑戰(zhàn)。我們不僅可以對天體、粒子等客觀事物進(jìn)行定量分析,而且可以找到城市、公司等社會組織或系統(tǒng)背后定量化的規(guī)律。
復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在構(gòu)成系統(tǒng)的元素數(shù)量龐大、種類繁多上,更重要的是元素間的相互作用關(guān)系,這種關(guān)系不是物理連接而是化學(xué)連接。例如,把一架飛機(jī)的上千萬個零件拆卸后再重新組裝還可以還原成一架飛機(jī),但是如果把一個人大卸八塊后,無論怎么拼接都不會復(fù)活了。因此,復(fù)雜系統(tǒng)的整體絕不是各個部分簡單的線性疊加,即“1+1 ≠ 2”。
社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)亦是如此。經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是一個開放的演化系統(tǒng)。在這個永無止境的演化過程中,各個要素之間相互作用,新的東西不斷被創(chuàng)造出來,推動經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。因此,經(jīng)濟(jì)也是一個“分配(allocation)+ 創(chuàng)造(innovation)”的非線性過程。
我們應(yīng)該逃脫線性思維的束縛,學(xué)會用“復(fù)雜性思維”方式來理解和認(rèn)知這個世界。
我相信,《規(guī)模》會帶給你一個不一樣的精彩世界!