生命的物理學：從生命到經濟消長，讓物理學的建構定律解開演化的祕密

譯者序
前言
1. 生命問題
2. 世界的渴望
3. 財富是有目的的流動
4. 科技的演化
5. 體育競技的演化
6. 城市的演化
7. 成長
8. 政治、科學與設計的改變
9. 時間箭頭
10. 死亡問題
11. 生命與演化的物理
致謝

前言
 
　　生存或是死亡，這甚至不是重點所在。生命是自然界俯拾可見的現象，廣義來說，能自由改變的運動都可視為生命。每一個移動、流動或是衝撞都展現了一種傾向，就是讓「運動」更容易，並藉由改變運動的結構、路徑及節奏，使其得以持續。無論是有生命或無生命的領域，這樣的演進過程與運動的終結（死亡）都是自然的。

　　問題在於從物理學的角度來看，生命是什麼？為什麼生命、死亡及演化會發生？

　　我會在《生命的物理學》這本書中回答這個問題。事實上，如果我不知道答案，那甚至無法清楚地表達「生命是什麼」這問題。簡單來說，每一個發生的事件、每一個地方以及每一時刻都隸屬於大自然（以希臘文而言，就是物理）。透過人類平凡而渺小的視野，每一事物都遵循著物理定律。而這所說的物理定律，多半在中學時代已經學過，即便是不同世代的人也都能理解。

　　在大自然中，原本靜止的東西是不會運動的，除非它們被推動或被拉動。無數個來自於自然界的「引擎系統」生成運動的能量，而這些引擎所需的燃料是以多種不同的形式存在，例如食物之於動物、汽油之於汽車、太陽能之於大氣與海洋環流，乃至於地表上所有水的流動等等。一旦運動開始之後，動力就會遭到破壞——能量會因「煞車系統」而逸散，進入並影響原先企圖阻止運動的周遭環境。引擎系統和煞車系統是兩種如地球一般古老的自然現象。

　　生存與演化的現象其實是藉由動力的產生與耗散，以推進地球上的一切運動，無論是有生命的或無生命的，諸如河流、風、動物、人類和機器等等。這截然不同的觀點立基於最根本的物理學，稱為「建構定律」。

　　若要用物理的角度來探究生命問題，便需在達爾文以降的主流描述方式之中摻入一點物理風味。單單用描述的方式是無法抓住物理的精髓。讓我們來看看為什麼需要將物理學納入討論：某些東西在一個區域內移動並擴散（例如動物、瘟疫、河流、礦物開採或是新聞），它們的擴散過程會符合著名的S-曲線現象（S-curve phenomenon）：一開始，增長得很慢，然後變快，最後又趨於緩慢。一些已存在的範例說明了S-曲線現象是來自於競爭、生存與資源的競爭、繁殖率、地域性和機率等等。但這是根據物理學的哪個定律呢？生存與資源的競爭、繁殖率和三角洲流域附近的支流分布、雪片的結晶體積，或是一篇科學期刊的引用次數之間到底有什麼關係？

　　從物理的角度切入，生命與演化的現象乍看之下確實令人不解。對於地球生命的未來，與其認為最後會消亡，物理學的建構定律提供了一個相對樂觀的看法，這也是我為何要寫下這本書的理由。讓我來舉些例子。

　　這個世界的能量和水是不會用完的。撒哈拉沙漠擁有充足的太陽能，而剛果則有充沛的降雨。為了可以持續運動（或者說，達到永續生存），這個世界需要的是將有用的能量和可飲用的水，順利導入人類的居住地。這意味著在缺乏電力的地方需要各式各樣的電廠，而乾旱的土地需要不含鹽分的水。

　　沒有群體會願意減少燃料的消耗，因為沒人喜歡貧窮多於富裕，或是喜歡死亡勝於存活。爭辯該降低對環境的衝擊，等同於爭辯該減緩運動，也就是削減生命本身。

　　燃料一向以特定的階層架構而消耗，而這種階層結構在運動中處處可見，從三角洲流域到全球空中運輸，都是少數大的（河道或飛機）帶動多數小的一起流動。

　　在地球上，任何事物的運動形式的演進，包括人類的，都會自然地趨向階級分層的結構。這個世界擁有精緻的結構，其上堆疊著各種階層結構的「流域」，少數的大渠道伴隨著許多的小渠道，互相依賴、彼此協助，讓流動更有效率並維持流動的能量。

　　同時具備快、慢的流動方式會優於只有快或慢的單一方式。流速快的是數量少的大渠道，流速慢的則是數量多的小渠道，如此便可有效率地讓水流遍布整個區域。我們可以發現這種階層結構自然地出現在各處，從都市裡的交通運輸到肺部的氧氣傳送，以及大腦中快慢不同的反應。

　　這個世界並未失控，為什麼？因為在一個有限範圍內，每個正在擴展的流動現象注定會遵守S曲線的過程。初期，流動的擴展速度較慢，到了成長時期，擴展的速度會變快，但最後成熟期的擴展速度又會下降。在任何流動的擴展過程中，不會出現「指數」型或「爆炸」型的增長。

　　這世界不會變得越來越複雜，而後陷入失控。複雜度是穩定且可預測的，例如人類肺臟的二十三支氣管分支。當然，越大的肺臟或越大的流域也會顯得越複雜，因為它們的階層建構在較大的空間內。紐約市的交通運輸比英國杜倫市的交通複雜得多，但是這些複雜的運作並未失控；如果真的失控了，其中的任何一種流動，無論大小都會終結。

　　物體的尺寸大小關乎速度、更長久的生命及效率，這在許多事物的運動中都能見到：動物、飛機、河流、大氣噴流、滾動的石頭和漩渦，我們在各種科技與運動競技中都目睹了這樣的演化過程。舉例來說，商用飛機已經演變成外型看起來像一隻鳥：越重的飛機擁有越大的引擎、負載越多的燃料，機翼和機身等長。越大的飛行物體會負載越多的燃料、擁有越長的機身，以及越久的飛行時間。

　　在運動競技中，現今的百米賽跑是由身材較高的跑者所主宰，因為邁得更大的步伐讓他們能早些抵達終點。尤賽恩・波特（Usain Bolt）和河馬有著相似的衝刺速度，是因為他們的身材高度相近。

　　但尺寸大小並非決定演化走向的唯一條件。在短跑競賽中，除了步伐大小，能夠快速邁步也是另一項優勢。而在長跑競賽中，相反的演化趨勢（趨向尺寸較小的跑者）才是邁向勝利之道。從物理學的觀點來看，這些相互矛盾的演化走向都是可預測的。

　　城市則是自然而非隨機地持續發展，而且其特徵（時間、地點和大小）也是可以被物理定律預測的：大街與小巷、高速公路或環狀道路。城市的建設就像人類那些不知不覺開展的設計：火、動力、言語、寫作、科學、法律、錢財、溝通交流與永續性，它們皆便利了人類的生活。

　　好主意可以廣泛傳播，而且會持續地傳播下去。所以，這些持續演變、流動的設計就意味著「好」。因此想要丈量一個主意有多好，只要觀察其具體實踐時，經由當時該地流動設計的演化與改善，能夠增加多少人為的移動。

　　就物理學的觀點而言，知識包含了想法和行動；優良設計的試金石就是實踐，到最後，好用的才會留下來。這就是為什麼好的改變會自然而然地擴展開來，這是演化的本質，也是演化從不停止的理由。
 
　　生命和演化都屬於物理學的範疇。與過往的生物學相比，我們應該用更寬廣的視野，看待並理解這些地表上的重要現象。例如牛頓力學的第二運動定律和熱力學定律，它們能解釋所有可以想見的狀況，生命與演化也是一樣。

　　我很確定你已了解生命與演化的物理觀點，但也許是以不同的名詞呈現：比如自我組織（self-organization）、自我優化（self-optimization）、天擇、自我潤滑（self-lubrication）、湧現（emergence）等等。我甚至確定你沒有意識到，自己所知道的概念是普遍成立的（普適性）。以物理的觀點來看，這類自我的、天然的、湧現的進程，都明白地指向同一個現象，總結為建構定律。

　　而我鼓勵你們，說出及寫下你們心中的想像，來完成這本書中所描繪的景象。
 
用物理學解釋生命演化，顛覆你的思維

王志宏，時空研究學苑執行長、譯者
 
　　第一次看到《生命的物理學》這本書，立刻受到封面的副標題「萬物的演化」（the evolution of everything）這幾個字所吸引。由於物理學家在探索宇宙的基本理論時，有一部分的動機就是希望找到能夠描述所有自然現象演化的理論，當然這些自然現象的演化也包含了生命的演化。但生命是如此的複雜，人類對於生命的起源與意識的基本定義仍充滿著未知，所以要從基本的物理定律去解釋生命的本質與演化，這當中似乎還有一段很長的路要走。但本書作者卻嘗試用物理學去解釋生命的演化現象，使我產生了極大的好奇心。

　　在閱讀過程中，我理解到作者對於生命的定義，和一般大眾所理解的生命定義是完全不同的。一般我們所認知的生命系統，通常是指含有細胞、基因等可以自行複製的生命物質，而無生命的系統則是包含各種礦物、海水等無生命的物質。然而在本書中，作者對於生命系統的定義，提供了完全不同的觀點。他認為，一個持續流動並且能夠自由變化的系統，就是一種具有生命的系統，所以探討生命的演化就是在探討一套流動系統的演進過程。從這個觀點出發，不論是地殼的演化或河流流域的演化，皆屬於生命演化的範疇。

　　在本書一開始，作者便對於所有流動系統的演化過程，提出一套基本定律，稱為「建構定律」。接著，作者開始進一步探討一些流動系統的演化，像是科技的演化、體育運動的演化、城市的演化、政治與經濟的演化等，並且闡述了這些系統的演化過程與建構定律之間的關係。他更進一步嘗試用建構定律去預測流動系統未來的演化行為。根據作者在書中的探討，你會發現，在不同領域的流動系統中，其演化過程似乎都存在著某些相同的特性，而且這些特性都是屬於物理學的範疇。

　　本書作者亞德里安．貝贊（Adrian Bejan）是美國杜克大學（Duke University）機械系教授，他的研究主要在應用物理與熱力學。本書可以發現，他所提出的建構定律和熱力學第二定律中，闡述了「熵的增加」之間存有某種關係。在一個物理系統的演化過程中，熵的增加所代表的是系統演化的時間方向，但時間的方向要如何在建構定律中闡明出來，本書的第九章提供了有趣的探討。  

　　對我而言，很大一部分的閱讀動機，是希望能夠從書中獲得一些有趣的想法與觀點，並且從閱讀中拓展自己的視野。在翻譯本書過程中，我看到了作者探索生命演化的議題過程中所提出的新思維與觀點，這讓我重新思考了有生命和無生命系統之間，可能存在的相似性，也讓我理解到科技的演化、城市的演化與政治經濟的演化之間，存在著某些共通性。

　　推動生命的演化是一種渴望，一種想要讓流動持續下去的渴望，而演化的過程中所存在的自由度，讓這些流動的系統可以更容易地流動下去，這樣的演化結構就是作者的建構定律所要表達的。我相信在本書中，作者利用科學的分析方法，建立了許多有趣的關聯性，將可以提供給你不少新的觀點與視野。