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大道至简---读杰弗里•韦斯特的《规模》(上)

杰弗里·韦斯特潜心研究数十年,跨越多个学科,找到了解构复杂世界的简单逻辑——规模法则,指出生命、城市、公司的生长与衰败均受其自身规模的制约,且两者为一定比例的关系。

该书大致包含了以下一些重要的规律。

一,线性规律

动物代谢率与其体重的关系

线性规律存在于许多方面,比如动物的体征、公司的状况、城市的发展等。

二,指数规律

世界人口增长

从公元前1万年人类世开始,世界人口以超指数的速度不断增长。人口大幅度增长始于工业革命和城市化开端的1800年。

尤其是在21世纪下半叶,绝大多数人将成为城市居民,大量人口将居住在前所未有的超大城市中。

三,热力学第二定律

“热力学第二定律”指出,即每当能量转化为有用的形式时,同时也会产生“无用”的能量作为副产品:难以获取的无序热能或不可用的物质形式。世上不存在永动机。

德国物理学家鲁道夫·克劳修斯提出了熵(“变化”或“进化”的希腊语翻译)的概念,这是所有事物通过能量和资源的交替变化相互作用所带来的基本的、普遍的性质。一个封闭系统的混乱不可避免,即熵趋于增大。

为了防止所有系统的退化和无序,必须源源不断地供应和使用能源。

四,规模缩放

1,非线性

从最基本的形式来看,规模缩放是指一个系统在规模发生变化时如何做出响应。

非线性表现为一个系统的可量化特征通常不会因其规模扩大一倍而同样增长一倍。

随着城市规模的扩大,其人均GDP、平均工资、犯罪率等也提升,即社会活动和经济生产率将随着人口规模的扩大而系统性提高。

这一伴随规模扩大而出现的系统性“附加值”奖励被经济学家和社会学家称作“规模收益递增”,而物理学家则会使用更加时髦的术语——“超线性规模缩放”(superlinear scaling)。

2,复杂性

一个典型的复杂系统是由无数个个体成分或因子组成的,它们聚集在一起会呈现出集体特性。这种集体特性通常不会体现在个体的特性中,也无法轻易地从个体的特性中预测。

只遵守受化学诱导和其他几项简单规则,即使没有事先的整体设计,成千上万只蚂蚁也可以搬运数以百万计的沙土颗粒,建造出了令人惊叹的蚁巢。看起来,它们就像是在执行精确编程下的微观行动。

即便知道组成个体(无论是细胞、蚂蚁还是人)之间如何相互作用,我们也不太可能预测出它们所组成的整体的系统行为,即“涌现行为”。这表明一个系统所表现出来的特性与它的组成个体简单相加所表现出来的特性存在很大不同。

而且,一个系统组成部分的小小问题或许会给其他组成部分带来重大的影响。2008年的全球金融海啸体现了这一点,小范围内的美国本土抵押贷款行业出现了错误,结果导致了整个市场的崩溃。

五,代谢率规模法则

动物代谢率与其体重的关系

代谢率规模法则又称作克莱伯定律(Kleiber’s law),该定律适用于所有种群,包括哺乳动物、鸟类、鱼类、甲壳动物、细菌、植物和细胞。

当我们用对数坐标轴绘图时,一系列规模缩放的图形看上去都与上图相类似,并因此拥有相同的数学结构。它们都是“幂律”,并且指数(图中直线的斜率)都是1/4的整数倍,经典的例子便是代谢率的3/4。如果一只哺乳动物的体重增长一倍,它的心率便会下降25%。数字“4”在所有生命体中都扮演着基础性的、神奇的角色。

六,分形、自相似性

1,地图的分形维度

 利用不同精度测量英国海岸线的长度

将测量的精度提高至原来的两倍,英国西海岸线的测量长度将会增加约25%,挪威海岸线的测量长度将会增加约50%。这是一个很大的差别,此前则完全被忽略,直至理查森于70年前偶然发现。因此,若想要让测量的过程有意义,就必须知道精度很重要,它是整个过程中必不可少的一部分。

曼德尔布罗引入了分形维数的概念,通过将幂指数(斜率值)增加1的方式来对其进行定义。因此,南非海岸线的分形维数是1.02,挪威海岸线的分形维数为1.52,等等。增加1的目的在于,将分形的概念与第2章中所讨论的普通维度概念联系起来。一条平坦的线的维度为1,一个平缓的表面的维度为2,立体维度为3。因此,南非海岸线非常接近平坦,因为它的分形维度为1.02,很接近1,而挪威海岸线则很不平坦,因为它的分形维度为1.52,比1要大得多。

在自然界中,几乎没有什么东西是平缓的——大多数事物都是有褶皱的、不规则的、细圆齿状的,通常都以一种自相似的形式存在。想想森林、山脉、蔬菜、云和海洋表面。由此一来,大多数自然物体都没有绝对的客观长度,在陈述测量结果时,很重要的一点是要报告分辨率是多少。

1982年,曼德尔布罗出版了一部非常有影响力、非常具有可读性的半通俗著作《大自然的分形几何学》(The Fractal Geometry of Nature),展示了基于分形数学的相对简单算法规则如何产生了令人惊讶的复杂模式,并说明分形在科学界和自然界的普遍存在,引起了人们对分形的极大兴趣。

电影和媒体行业利用分形,对山脉和风景进行逼真的模拟,应用在《指环王》《侏罗纪公园》《权力的游戏》等幻想作品中。

分形甚至还出现在了音乐、绘画和建筑领域。据说,乐谱的分形维数能够用来确定不同作曲家的标志性特点,如贝多芬、巴赫和莫扎特,而杰克逊·波洛克的画作的分形维数则被用来分辨真伪。

2,城市里的分形

城市中蜿蜒的街道有明显的分形有机结构。

分形维数是一个物体褶皱度的体现。城市的分形维数是一座城市不同基础设施网络自相似性的表现,可以作为城市健康的诊断指数。通常而言,一座健康城市的分形维数会随着城市的增长和发展而稳步增加,这反映出建设越来越多的基础设施以容纳不断增多的、参与越来越多样且复杂的活动的人口的巨大复杂性。反之,当城市遭遇经济困难或暂时性收缩时,分形维数便会下降。

3,社交中的分形

米尔格拉姆提出,在同一国家内,你和其他任何随机人士之间平均相隔6人,即“六度分隔”。原来,令人意想不到的是,我们如此密切地相连。

在6个人的聚会中,两两独立的对话数量可能会是6×5÷2=15,而这些对话都必须被“压制”,以使一个单独的集体话题出现并持续下去。如果桌上坐着10个人,就会有45种类似的二元可能性,这会不可避免地导致群组的巴尔干化,会分裂为2个、3个或者更多的单独对话。

几乎所有社群都适用六度分隔理论。如果想要达到群体的亲密,超过6个人将会变得极具挑战性。同理,与大家庭相比,小规模家庭的亲密和关爱程度也会更好。

邓巴数字序列图

上图反映了社会互动的模块结构中的分形层级。随着模块中群体规模的扩大,互动强度不断减弱。

数字150代表了一个普通人通常能够与其保持联系、将其视作普通朋友,并因此成为其社交网络成员的个体的最大数量。邓巴发现了许多运转正常的社会单元的例子,它们的规模都在这一奇妙数字附近浮动,从采狩者群体到罗马帝国的军队,从16世纪的西班牙到20世纪的苏联,皆是如此。

(从这个邓巴数字序列可知,维持一个多达几百好友的亲密社交网络是不可能的,也提醒人们对社交应适度投入。)

七,齐普夫定律

著名的规模法则——齐普夫定律,它依据城市的人口规模对其进行排列并得出了规律,即一座城市的等级数字与其人口规模成反比。

因此,在城市体系中,规模最大的城市的规模应该是排名第二位的城市的两倍,是排名第三位的城市的三倍,是排名第四位的城市的四倍,以此类推。

语言中词汇的使用频率也符合该定律,莎士比亚的戏剧、《圣经》,甚至本书的书面文字中,所有词汇出现的频率与其在频率分布表中的排名是成反比的。因此,最常出现的词汇的出现频次是第二常出现词汇的两倍,是第三常出现词汇的三倍,以此类推,正如下图所呈现的那样。

 英语词汇的出现频率分布图

更加神奇的是,这一定律在大量例子中都适用,包括轮船、树木、沙粒、陨石、油田、互联网流量的文件大小等。该规律如此简单,但其含义尚不确定。

在经济学中,与之类似的是帕累托法则,通常也被称作“二八法则”,如人口中最富有的20%人群控制着80%的整体收入。

八,通勤一小时---马尔凯蒂定律

利用来自美国、英国、德国以及一些发展中国家的城市数据,扎哈维发现了一项惊人的结论:

无论城市规模大小,或者采用何种出行方式,一个人每天平均花费在交通上的总时间大致为一小时。

粗略地讲,无论在哪座城市,无论交通方式如何,人们每天从家到工作地点的通勤时间大约为半小时。

过去几百年来伟大的发明创造提升了交通速度,增加了通勤距离,却没有减少通勤时间——现在,人们住到了更远的地方,距离工作地点也更远了。

根据扎哈维的结论,意大利物理学家切萨雷·马尔凯蒂研究认为,步行速度约为每小时5千米,那么一座“步行城市”的典型范围为长和宽各5千米,相当于大约20平方千米的面积。现在汽车时速能达到每小时40千米,城市(更广泛地说是都市圈)的长和宽可以扩展到40千米。这通常是多数大城市的服务区,相当于12公顷的面积。

这一令人惊讶的结论被称作“马尔凯蒂定律”,这种一小时通勤定律会对城市的设计和结构带来重要的影响。

(可以预见,未来随着高铁和低空航空器的应用,城市的范围可能进一步扩大。)

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