呂琳媛：複雜世界，簡單法則 | 新書推薦《規模》

呂琳媛：複雜世界，簡單法則 | 新書推薦《規模》

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新書推介 ：《規模：複雜世界的簡單法則》

《規模》作者簡介

• 傑弗里·韋斯特，現年78歲，世界頂級理論物理學家。
• 全球複雜性科學研究中心、「沒有圍牆的」學術聖地——聖塔菲研究所前所長，入選《時代周刊》全球最具影響力100人。
• 數十年致力於「規模」的研究工作，其研究成果被應用在理解生命體、城市可持續發展、企業運營等眾多領域，被業內奉為「跨學科諾貝獎」的不二人選。

內容簡介

• 生命體、城市、公司，乃至一切複雜萬物，是否都存在相通的內在生長邏輯？制約生命與死亡、城市化的擴張及公司壽命的決定因素究竟是什麼？人類能否通過融匯生物學、物理學、社會學、經濟學等跨學科知識，找到揭開複雜萬物生長背後的簡單法則？

• 享譽全球的複雜系統性科學研究中心聖塔菲研究所前所長傑弗里·韋斯特潛心研究數十年，經過反覆試驗和求證，終於找到了解構複雜世界的簡單邏輯——規模法則。在韋斯特眼中，規模成為衡量世間萬物的不變標準，利用規模法則，複雜世界變得可量化、可預測、清晰明了且極度統一。規模法則闡明了從生命體到城市、從經濟體到公司的生長與衰敗都離不開其自身規模的制約，並與其規模呈一定比例關係，遵守統一的公式。這一演算法框架不僅為人類思考未知世界提供了難得的簡單法則，而且能解答不同生命體的生長極限之謎，優化城市發展架構並找到推動經濟實現可持續發展、公司從初創到卓越的生長曲線。

• 《規模》將幫助你重新思考生命、認識自身、了解你的生活與工作，並告訴你複雜世界其實充滿簡單的邏輯，只要跳脫思維框架，打破學科限制，你就會重新看清你周遭的一切。

呂琳媛推薦序：《複雜世界，簡單規則》

呂琳媛

• 國家優秀青年基金獲得者，電子科技大學教授，阿里巴巴複雜科學研究中心副主任。
• 主要從事網路信息挖掘和社會經濟複雜性方面的研究。在Nature
  Communications、Physics Reports、PNAS等學術期刊發表論文60餘篇，引用6
  000餘次，8篇論文入選ESI全球Top-1%高引論文，研究成果入選2016年中國百篇具有影響力國際學術論文。

8年前，當我還在瑞士弗里堡大學物理系攻讀博士學位時，對人類語言系統產生了興趣，便和幾個朋友一起做了些研究[①]。我們收集了 9 本文學名著，這些書是用英語、德語、義大利語、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行了統計，發現其均符合齊普夫定律（Zipf 』s Law）[②]，也就是說，如果把單詞出現的頻率按降序排列，則每個單詞出現的頻率 Z(r) 與其名次 r 的常數次冪存在簡單的反比關係，這個冪指數稱為「齊普夫指數」。

這一定律表明，只有極少數的單詞被經常使用，而絕大多數單詞很少被提及。我們常常聽到的

20/80 法則就是這個定律的延伸。齊普夫定律已經在信息學、計算機科學、經濟學、社會學、生物學、地理學、物理學等眾多研究領域獲得了廣泛的應用。除了詞頻分布外，我們還考察了24 個學術期刊的關鍵詞、H1N1（甲型流感病毒）在各個國家的出現頻率，以及期刊論文引用的頻率等，結果都發現了同樣的規律。

語言系統中另一個知名的定律是希普斯定律（Heaps』 Law），這是希普斯在1978 年一本關於信息挖掘的專著中提出的[③]。這一定律關注的是系統的增長問題，指出在語言系統中，不同單詞的數目與文本篇幅之間存在冪函數的關係，這個冪指數稱為「希普斯指數」，是介於0~1 之間的。這一定律表明系統里的元素數目隨著系統規模的擴大呈亞線性增長趨勢。我們在上述提到的 30 余種系統中均發現了這樣的規律。例如，隨著流感病毒在全球範圍的蔓延，如果感染人數增加一倍，那麼被感染的國家可能只增加不到 30%。[④]

令人興奮的是，很多複雜系統同時遵循齊普夫定律和希普斯定律。那麼，這兩個定律之間又有什麼樣的關係呢？通過研究，我們發現，當齊普夫指數大於1時，希普斯指數等於齊普夫指數的倒數，且齊普夫指數越大，這個關係越精確；當齊普夫指數小於 1 時，希普斯指數等於 1，且齊普夫指數越小，這個關係越精確。也就是說，這兩個定律指數之間的解析關係，只是在齊普夫指數遠大於 1 或遠小於 1 或系統規模無窮大時的一種漸進解。此外，我們不依賴任何隨機過程，證明了齊普夫定律更本質，而希普斯定律是衍生律。這可能是我們在語言系統研究中迄今為止最重要的貢獻了。

不得不承認，對複雜系統本質的普適性規律的發現總是能讓我們激動不已，特別是對物理學家來說，這似乎就是生命。本書作者傑弗里·韋斯特就是這樣一位傑出的物理學家和思想領袖，他曾擔任世界著名的跨學科研究組織聖塔菲研究所的所長，被《時代》雜誌評為「全球最具影響力的100 人」之一。

我很驚喜地看到韋斯特把系統增長中的標度關係在更廣泛的範圍和更普適的意義上進行了討論[⑤]，即研究各種事物或系統如何隨著規模的變化而發生變化，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、城市背後隱藏的普適規律。他的研究構建了一種可量化、可預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並生長的。《規模》深刻揭示了這個豐富多彩的複雜世界背後所蘊含的普適性簡單規律，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，為什麼蟻人和哥斯拉只能在科幻片里存在？為什麼人類不能長生不老？為什麼我們一天要睡8 個小時，而大象只要睡 4 個小時？為什麼在涼爽的早上看不到很多昆蟲？為什麼公司會衰亡，而城市不會？這些看似毫不相關的稀奇古怪的問題在《規模》這本書中因規模法則而聯繫在一起，看完之後你會發現答案原來如此簡單。

作者認為，萬物相聯帶來了複雜性的急劇增強，需要追尋對複雜性的大一統理論，並在書中提出了一個核心觀點：動物、植物、生態系統、城市和公司中幾乎任何可量化的特點都與「規模」存在著可量化的規模縮放關係，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、架構和發展表現出驚人的系統性規律和相似性。

這些事物都具有高度複雜性，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路化組織相互聯繫，不斷進化。其中一些網路很明顯、很具體，比如現實空間中的城市交通網路，也有一些網路很抽象、很虛擬，比如社交網路、生態系統和互聯網。

韋斯特構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、公司科學、城市科學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聯的事物實則相關。比如，假設你知道一座城市的人口數量，你就可以準確地預測出它擁有的加油站數量。

韋斯特的研究向我們展示了一個美好的未來：大數據和網路科學的快速發展為人類提供了最大限度地探索萬物成長奧秘的契機。數據的爆炸式增長推動著科學研究進入大數據時代。大量來自社會經濟系統的數據大大擴展了不同學科的研究範疇，特別是物理學的理論和思想被更多地應用於生物、社會、經濟等更廣泛的領域中，促進形成了多個新興交叉學科領域，如經濟物理學、社會物理學、生物物理學等，而韋斯特的這本著作，正是橫跨多學科領域的前沿研究成果。

神奇的數字「3/4」

生命是宇宙中最燦爛、最光彩奪目的篇章，也是最具複雜性和多樣性的現象，它以巨大的魅力吸引著無數科學家的目光。

對一直尋求萬物統一理論的物理學家而言，在生命科學多樣性發展的背後，一定存在一個可以用完美公式來描繪的規律。儘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、最複雜的可量化特徵都以一種非常簡單和規律的方式隨規模的變化而發生縮放變化，這被稱作「克萊伯定律」——代謝率隨體重的約3/4 次冪進行變化。

按照這一定律，哺乳動物的基礎代謝率與體重的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，這類法則還適用於包括心率、壽命、線粒體密度、樹木高度等所有生物數量和生命歷史事件。

韋斯特發現了新陳代謝與物種體積之間的規模縮放關係，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寶藏的金鑰匙。

科學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律，而韋斯特將其適用邊界進一步拓展至人類智慧所創造的公司和城市等領域。城市所具有的複雜性遠超任何一個現有學科的邊界，不論是經濟學家、地理學家還是社會學家，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遠滯後於城市自身的演化進程。

韋斯特嘗試創立城市科學，並認為城市是由基礎設施網路及社會經濟網路構成的，基礎設施網路類似生物物種的網路，具有規模經濟特性，使它們隨著城市規模的擴大而呈亞線性增長；相對地，社會經濟網路具有「規模報酬遞增」的特性，使城市規模呈超指數增長。韋斯特的研究指出，城市規模與生物體的成長具有高度的一致性。城市規模翻番，其對基礎設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能力的「有機體」的城市展現在我們眼前。

城市與生物體發展模式之間的一個重要差異是，當城市規模擴大時，城市內會快速湧現出更多新創意，這種現象被稱為「超線性規模縮放」。城市規模擴大帶來了更多的社會互動，社會互動的增多帶來更多的創新和創意，因此在北京、上海、廣州等超大型城市中，創新機會更多，生活節奏更快，這是城市「開放式增長」的演化結果。這也解釋了為什麼人們多選擇居住在大城市。

城市的意義在於生活在其中的人，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，這一點在大多數城市的規劃和設計中都被忽略了。一個典型的例子就是上海著名的世紀大道，從東方明珠至浦東世紀公園全長約5.5 千米，寬 100 米，被譽為「東方的香榭麗舍大街」。從設計本身來看，這無疑是一件藝術品，但考慮到整個城市交通道路網路的功能性，問題就來了。這條道路增強了原有地區的交通複雜性，即使是8 車道也不能解決交通擁堵的問題。遊客需要穿過幾十米長的人行橫道才能到對面看看。城市的基礎設施建設也需要有人情味，需要有人文關懷。人們從衚衕里的四合院或者嘈雜的弄堂搬進一梯一戶的高檔住宅並不一定表示城市在進步。

相較於城市，公司更像生物體。許多關鍵指標隨著規模的增長呈亞線性規模縮放，規模縮放指數約為0.9。這意味著，公司更加受到規模經濟而非規模收益和創新遞增的主導，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，在進入成熟期後最終停滯，甚至進一步收縮，因此大多數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。城市與公司是創新、財富、文明、藝術的發源地，不了解城市的生長規律，我們就無法理解現代生活；不清楚公司的成長模式，我們就無法理解科技、經濟和社會組織的進步。這是每一個活在當下的人都需要努力弄明白的事。

複雜性思維

書中的很多觀點來自傑弗里·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、公司等複雜適應系統的一般性理論框架。除此之外，這本書的另一大貢獻是為我們提供了一套更具整體性、動態性的認知世界的思維範式——複雜性思維。書中所呈現的許多觀點背後是以複雜性科學為基礎的。韋斯特指出，如何對各類複雜系統演化背後的規律進行量化分析和預測，是21 世紀科學面臨的巨大挑戰。我們不僅可以對天體、粒子等客觀事物進行定量分析，而且可以找到城市、公司等社會組織或系統背後定量化的規律。

複雜系統的複雜性不僅體現在構成系統的元素數量龐大、種類繁多上，更重要的是元素間的相互作用關係，這種關係不是物理連接而是化學連接。例如，把一架飛機的上千萬個零件拆卸後再重新組裝還可以還原成一架飛機，但是如果把一個人大卸八塊後，無論怎麼拼接都不會復活了。因此，複雜系統的整體絕不是各個部分簡單的線性疊加，即「1+1≠ 2」。

社會經濟系統亦是如此。經濟系統是一個開放的演化系統。在這個永無止境的演化過程中，各個要素之間相互作用，新的東西不斷被創造出來，推動經濟的持續發展。因此，經濟也是一個「分配（allocation）+ 創造（innovation）」的非線性過程。[⑥]我們應該逃脫線性思維的束縛，學會用「複雜性思維」方式來理解和認知這個世界。

我相信，《規模》會帶給你一個不一樣的精彩世界！

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[①]L. Lü,Z.-K. Zhang, T. Zhou, Zipf』s Law Leads to Heaps』Law: Analyzing

Their Relationin Finite-Size Systems, PLoS ONE5(12), e14139 (2010).

[②]齊普夫定律是哈佛大學的語言學家 G. K. 齊普夫（G. K. Zipf）在研究英文單詞出現的頻率時發現的，他在 1949 年面市的一本關於人類定位的最小作用原理的書中進行了詳細闡述。

[③]HS Heaps, Information Retrieval:

Computational and Theoretical Aspects (AcademicPress, Orlando), 1978.

[④]實證研究發現，H1N1 的齊普夫指數和希普斯指數分別是 3 和 0.35。

[⑤]希普斯定律是規模法則在語言系統中的一個表現。

[⑥]張翼成，呂琳媛，周濤 . 重塑：信息經濟的結構［M］. 成都：四川人民出版社，2018.

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