在涌现与湮灭之间：当一个理论物理学家开始关注衰老与死亡

「 慢下来，开辟另一种范式 」

月初，我和一位计算生物学博士短暂地讨论过这样一个有些抽象的话题：

世界是物理的，还是数学的？

或者说，我们现在所感知的这个世界，是实在的，还是模拟的？

如同一个信徒在复诵信条时的那般笃定，他回答说：

“当然是数学的，我无比坚信这个观点。”

还没等我组织好论点去回应，他又补充道：

“我们不过是被 hard-coded 的 NPC，被抛入到了这个庞大的虚拟的网络里。或者说，人类很可能是宇宙编码过程中的一个 glitch 罢了。”

我表示不理解：“你总得给我一些让人信服的理由吧？”

他没有正面回答，而是被自己的思绪又推远了一些。他感慨，本科阶段开设的《信息论》深刻地塑造了他现在所秉持的世界观。

“假如，这个世界不是虚拟的，人们很难解释为什么现代科学的任何一个门类中的核心理论，最终都凝练到了几个非常优美的数学公式……这在我看来，绝不可能是巧合。这显然是 artificial 的产物。”

我用力掐了掐胳膊，嗯，还是会疼的。用沉默，回应困惑。

说来有些鬼使神差。上面那场对话发生之后没多久，我恰巧拿起了搁置在书架最上层的《规模》。

长时间的日晒，让书皮略微有些褪色。

直觉告诉我，也许有一些困惑可以在那里寻得一两条线索。但让我着实没有预料到的是，这本书在我的思想启蒙之旅上，耸起了一座新的桥。

在读完它之后，我不得不更加靠近那位计算生物学博士的近乎信仰般的看法。我对这个世界，至少在在粗粒度上，具备了一个更清晰的万物理论框架。这让我面对多样，复杂，混乱的日常，掌握了多一份的安定。

好了，话已至此。不妨随我，一瞥书中的奥妙吧！

《规模 —— 复杂世界的简单法则》

SCALE - The Universal Laws of Growth, Innovation, Sustainability, and the Pace of Life in Organisms, Cities, Economies, and Companies (2018 中信出版社)

当一个理论物理学家

开始关注衰老和死亡

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Wait... what? 理论物理学家？

Geoffrey West - 顶级理论物理学家 / Santa Fe Institute 前所长 / 时代周刊全球最具影响力100人 / 2019诺贝尔交叉学科奖提名

Geoffrey West 老爷爷出生在英国伦敦郊外的 Summerset 郡。从牛津大学物理学院毕业之后，又在斯坦福大学获得了理论物理博士学位（学位论文研究的是...... 三体核物理形状因子，库伦散射，和介子形状因子），那时的他才26岁！

他的教学生涯从斯坦福大学开始，后又跳槽到了新墨西哥州的 Los Alamos 国家实验室，设立并领导了高能物理实验项目 —— 超导高级对撞机（SSC）！

插曲 1：美国的SSC项目预算高达80亿美元，在各种因素的叠加下最终在1992年被喊停。杨振宁院士曾经公开反对我国建立自己的大型粒子对撞机，而是建议将国力放在改善民生的其他学科（生命科学，半导体，天文等等）

插曲 2：在奥本海默的“曼哈顿计划”团队中，有一位名叫吴健雄的华人女科学家。她领导的实验首次验证了著名的“宇称不守恒”，为杨振宁和李政道的理论提供了宝贵的实验验证的支持！她获得博士学位的那一年，Geoffrey West 才出生。

好了，让我们回到 West 爷爷的故事线。

1992年，SSC被叫停，West 马上面对的是“没有项目可做，理论物理学要坐冷板凳了”的窘境。而与之形成对比的是，整个科学界和大众都在热议“生物学将在21世纪取代理论物理成为最重要的科学”。这倒是引起了他的兴趣，他向自己提出了第一个关键性问题......

是否存在可以被数学化的“生命的普遍规律”？

迈过中年的门槛，West 也从自身出发，在研究夸克、胶子、暗物质、弦理论的间隙，开始思考死亡 —— 这个在生命旅程中无比重要的环节，以及它的前序 —— 衰老

「题内话：死亡焦虑早晚都会以不同的形式，找到我们每一个人。」

50岁出头的理论物理学家，中年转型再就业。凭借着物理学和数学的底子，带着对生命的好奇，搞起了量化生物学研究！

这一干，就又过了30年。他的事业在60-80岁这个阶段，攀上了另一个崭新的巅峰。他引领了复杂系统学科的理论和实践，将他在生物学中的发现，扩展应用到了社会学/经济学/城市科学/公司科学/人工智能/环境生态...... 也让他所在的 Santa Fe Institute 一跃成为了享誉全球的“没有围墙的”交叉学科圣殿。

「题内话：拥有一个好身体，不断萌生的好奇心，和一份直面人生的勇气...... 人生的可能性太多了！」

一连串的追问 与 一个大胆的假设

「子曰：敢问死。未知生，焉知死。」

West 对死亡的探索，也是从理解生命的诞生和成长开始的。

为什么人类最多只能活到大约120岁？我们为什么停止生长？是什么限制了人类的寿命？

不同的动物为什么有着不同的寿命长短？它们需要的睡眠时间是由什么因素决定的？肿瘤在不同体量的动物中为何会有不同的数量？

我们如何确保人类设计的仅有1万年进化历史的系统，能够继续与已经进化了数十亿年的自然生物世界共存？

为什么最高的树只能长到数百英尺高？

为什么人体每个细胞里都有大约500个线粒体？

《早间新闻》S3E5，Cory 跟 Paul 讨论人类和鲨鱼谁会笑到最后：Four-hundred billion years, that's how long they've been here. There were sharks in that ocean before there were rings around Saturn.

Humans, we are just a blip. Showed up yesterday, almost certaintly be gone tomorrow.

All we have is today. My money is on the sharks.

为了探寻上面这些令人着迷的追问，并从可量化和可阐释的机制的角度去理解衰老、死亡的过程，West 提出了一个大胆的假设：

生命系统的一般粗粒度行为（generic coarse-grained behaviors）或许遵从某种可量化的普遍法则—— 并 以此作为理解真实生物系统的基线（benchmark）继续深度和广度探索。

20世纪90年代，自然选择学说早已经是通识，人们也掌握了DNA的结构，敲开了遗传学的大门。然而，关于衰老和死亡的研究却还大多停留在定性分析。研究生命的生长，就首先要搞清楚新陈代谢的过程控制和维持。而就是在这里，West 找到了他的研究方向（a.k.a 搞起了副业）。

很快，他发现了两个最早都发表于1932年，在生物界早已熟知却又没能得到足够的量化分析和普适性阐释的理论：

克莱伯定律 Kleiber's Law：多数动物的基础代谢率水平与体重的3/4次幂成正比—— 代谢率随体重增加而上升，但增长速率逐渐放缓（体重增加2倍，代谢率增加约1.75倍，实现了规模经济，而不是线性等比例的翻倍）

Max Kleiber《Body Size and Metabolism》

异速生长 Allometric Growth：生物体的身形会随着体形的增长而发生变化，但变化的比例各不相同—— 半径会随着体重的变化而遵从3/8次幂变化，长度则会遵从1/4次幂变化（更慢）

Julian Huxley 《Problems of Relative Growth》

克莱伯定律的双对数图，直线斜率约为 3/4

几乎所有生物体的生理特征和生命史特征都主要有其体形决定，寿命当然也在其中。至此，代谢率和寿命建立了亚线性缩放比例关系，而 West 带着物理学和数学的视角，继续探究这背后的一般性网络动力学原理。

在 Santa Fe Institue，West 找到了宏观生态学家 James Brown 和他的博士后研究员 Brian Enquist 一起，开启了一场跨越世纪的伟大合作。

科学家们撸起袖子，在广袤的世界里找选题，申请预算，组建团队，观察，测量，建模，分析，预测，验证...... （此处省略十几/二十年的跨学科实践研究工作，大量的人力/物力/财力，还有算力 of course，以及科学家和工程师们为了赶工写论文而消耗掉的咖啡）...... 逐渐地，一个跨越物种，在粗粒度上普遍适用于任何生物特性的规律，以数学的形态，浮现了出来：

一个系统中的任何可量化的特性都与该系统的“规模”存在可量化的缩放关系，这被称为“系统性规模缩放法则”（ Universal Scaling Laws）

它是以“非线性的1/4次幂律”的数学形式进行表达的。更具体来说，幂指数总是1/4的整数倍。

神奇的数字“4” 与 生命的“第四维”

·～·～·～·～·～·在 Santa Fe Institue，West 找到了宏观生态学家 James Brown 和他的博士后研究员 Brian Enquist 一起，开启了一场跨越世纪的伟大合作。在 Santa Fe Institue，West 找到了宏观生态学家 James Brown 和他的博士后研究员 Brian Enquist 一起，开启了一场跨越世纪的伟大合作。‍‍

当规模缩放法则应用在不同的生物体的研究时，会揭示出不同指数的幂律公式，但指数总是 1/4的整数倍。

生物体代谢率，随体重的约3/4次幂变化

寿命，随体重的约1/4次幂变化

心率，随体重的约-1/4次幂变化（体重越大，心跳越慢）

大脑白质体积，随大脑灰质体积的约5/4次幂变化

大象的细胞总数是老鼠的 10^4 倍，但是大象的代谢率（维持大象存活所需要的能量）仅是老鼠的 10^3 倍 —— 幂指数的比恰好是 3/4 —— 随着体重增加，细胞需要的能量发生了结余，从而减少细胞损伤。因此大象几乎不长肿瘤，也比老鼠长寿很多！

为什么所有的生物都会死亡呢？

生物的代谢率呈现“亚线性规模缩放”（Sublinear Scaling），而生物存活所需的能量与体重却近似呈现“线性规模缩放”（Linear Scaling）——代谢能力会逐渐跟不上能量需求，循环系统/呼吸系统/淋巴系统等网络化结构的终端单元无法为快速增加的细胞“服务”，组织最终因为缺氧/缺能量而衰退，导致生物的死亡。

「几乎所有的动物的心跳，一生中总共约为15亿次。心率越快的，寿命越短。」

Ginger 深夜笔耕不辍地进行对数运算的“成果”，亲手验算之后彻底叹服！

也许你会说，这个“4”不过是个巧合。

其实，你可以将它理解为“三维世界的另一个空间维度”，而这个+1恰好是网络的分形特性（Fractal Branching）在空间填充（Space-Filling）的过程中，带给生命的额外馈赠。

In other words... 尽管生物生活在三维空间中，但是它们的内部生理和解剖结构却像是“在第四维内”。

要想深入理解 West 是如何利用1️⃣分形网络的自相似性与空间填充特性，2️⃣恒定的终端单元尺寸与特性，以及3️⃣最小作用量原理的优化趋势，将结构动力学分析引入规模法则的阐释与外推，一定要去亲自阅读《规模》这本书，以及1997年发表的Science论文。

Science. 276(5309): 122–126. doi:10.1126/science.276.5309.122

“人类世”的史诗 与 “城市世”的寓言

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「人的本质是其一切社会关系的总和 —— 卡尔·马克思」

既然我们谈到了生命，人...... 相对应的，社会也是其组成部分的全部个体之间相互联系，产生了社会关系之后的有机网络；而现代城市，就是社会这个有机网络的载体（基础设施，文化构建，经济活动......）

那么，规模缩放法则还会奏效吗？幂律会以什么样的数字变化？社会和城市是不是像生物体一样“有机组成”并且蕴藏着独有的“生命周期”？城市和公司会消亡吗？

带着这样一种直觉和好奇，West 和他的团队继续将研究拓展到了人类社会，城市化，以及公司的“生命周期”。

城市的基础设施数量，随着城市规模（人口数量）的增加，按照0.85的指数进行亚线性的缩放

社会经济指数（GDP、工资、财富、犯罪率）随着城市规模的变化，按照1.15的指数进行超线性的缩放

公司的规模（销售额、净收入、总资产）随着公司规模（雇员人数）的变化，按照0.9的指数进行亚线性缩放

中国上市公司数据（共15年累计数据）由北京师范大学系统科学学院张江教授，美国上市公司数据来自标准普尔公司会计数据库（1950-2009年累计数据）

“人类世” 与 “城市世”

在地质史上，我们现在所处的纪元被称为“全新纪”（Neo-Geo）。在地球史上，我们也可将同一时期称为“人类世”（Anthropocene Epoch）。

它的命名充分体现了人类的活动对于地球生态系统的显著影响。全新纪的气候条件使得农业革命推动了人类从“狩猎采集”（hunter- gatherer）的群体变为定居（domestic）的群体。后来又逐渐形成了城市。

接下来的故事，我们都更熟悉些：大航海时代，文艺复兴，现代科学发展与工业革命，现代医学发展与人口增长。现代城市，成为了当仁不让的“人类文明的大熔炉”，彻底稳固了人类在地球上的统治地位（让我勉强使用如此自大的“人类中心主义”视角去评述）。

人口的指数级增长，城市化和全球化影响下，预计在21世纪下半叶，大多数的人将生活在规模超大的mega-city中。West 爷爷给这个从工业革命开始的新时代取了个十分贴切的纪元名 ——“城市世”（Urbanocene Epoch）。

城市规模越大，人均所需的基础设施越少—— 形成了规模经济，即系统性结余；对于一个国家来说，发展大城市有利于节省综合建设成本，城市越绿色，人均碳足迹越小！

城市规模越大，经济指标越好看，创新（专利数量）更多地发生 —— 形成了规模收益，即系统性增长；与此同时，犯罪率、流行病也会不可避免地上升！

当我们注意到城市的“社会经济层面”按照1.15的指数呈现超线性规模缩放，而城市又在不可避免地扩张，很容易想到“哇，这是好事儿，我们的生活会越来越便利，收入也会越来越高......“

而事实上，在社会网络连通性和正反馈增强的作用下，我们可能在还没来得及反应的时候，就必须面对“胖尾效应”带来的很多弊端。

• 生活节奏加快，而”加速度“本身也在不断变大，“从前慢”不仅是一个诗意的表达，更是一种单向度的现实

• 支撑城市经济活动运转的能量（煤炭为主，核能为辅，清洁能源远远不足）却无法跟上需求

• 可持续发展成为了理论上当务之急（但却永远重视不足）

在“涌现” 与 “湮灭”之间

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「人的欲望本质上是对“他者”的渴望，它拥有无法被满足，总是溢出个人的边界和框架 —— 雅克·拉康」

正因为公司像生物体那样，随体量的增加，按照0.9次幂呈现亚线性规模增长。逐渐的，体量达到一定程度后，官僚化运作出现，很难跟上不断加速的经济发展，越来越难适应变化，最终停滞并消亡（破产/并购）。

通过研究 West 发现，无论什么行业，无论什么原因，美国有大约 50% 的上市公司存活不过 10.5年 —— 公司的半衰期是10年！

也许，控制体量的贪婪扩张，重视社会责任（ESG），将远景与人类生存和生态环境的永续发展相契合，才有可能成就一个“长寿”的公司。

农业革命之后，人们逐渐聚集到一起，社会和经济活动在人群中通过“自组织”的形式，织起一张看不见的网。恰恰是人们的需求，或者说“贪婪”促进了资源和信息的交换。

当个体的数量积累到一定的数量，并构成一个复杂的适应性系统时，该系统将会呈现出新的集体特性。它不是个体特性的简单集合（不可还原性），也无法通过对个体特性的分析而预测出集体特性。这样的现象被称为“涌现”（Emergence）

意识，是通过全部的神经元在大脑内组成的活跃的神经网络的集合才产生的。脑细胞并不拥有意识。

城市在整体上是“去中心化”的，但通常会有一些“hot pockets”主导着人际交往和经济活动。

社交网络的“正反馈机制”使得社会和城市出现了“超线性规模缩放”的独特形态。这让我们相信，城市几乎不会湮灭，只是会让一切都坐上不断加速的时光机。

如果继续不加遏制地发展下去，城市甚至人类文明，很可能在“有限时间奇点”来临的前夜，突然出现“大崩盘”。

即便人们不断地创新，尝试去跑赢“加速器”，但是创新的速度也必须不断地加快。这也是为什么我们发现，第三次范式转移（信息革命）用了差不多20年前，而“人工智能”很可能在10年内带着我们走完第四次范式转移。

如果“涌现”是一种“新生”，那么由“墒增”带来的损耗，就预示着所有一切事物的终点 —— 死亡/消逝/湮灭 ——Entropy kills all.

在涌现与湮灭之间，如何回答“为何生长期如此短暂，而衰老期为何是缓慢又绵长的”，才是生命的终极课题吧。

而为了对抗熵增，获取能量，减少不必要的损耗，成为了增长、创新、维护、修复的首要条件，也就是讨论衰老、死亡、系统韧性、可持续发展的基础。

It eventually boils down to energy, you fool!

在“断裂” 与 “褶皱”中

寻找新的范式

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整个社会中，占据绝大数的“我们”，将我们对世间万物的理解，顽固的根植于“欧几里得几何的”，“柏拉图式的”，“平滑理想状态的”幼稚又初始的阶段。

它们是如此的根深蒂固，代代相传，且不断强化，使得我们常常忽视了那些“断裂和褶皱”—— 自我叙事的断裂，使我们太容易陷入精神危机；灵魂的褶皱不被重视，而仅仅被简单化的理解为“自作多情”；时间总是“线性”的，科技总是“进步”的......

那些勇于摘下“平滑又简单的滤镜”的人，就会带我们去发现真实世界里的混乱、复杂、令人费解又那么着迷的多样性 —— 这就是某种值得追求的“诗意的生活”吧！

你觉得，这个世界是物理的，还是数学的呢？

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