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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

The Physics of Life: The Evolution of Everything

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內容簡介

  ★美國Amazon4.4星 熱評推薦!
  ★《紐約時報》暢銷驚悚小說家、《人皮拼圖》系列作者傑佛瑞.迪佛盛情推薦!

 
  生命與演化,只能用達爾文的演化論來定義?
  世界頂尖的能源科學家,顛覆既有的生物學思維,以大膽、創新的觀點揭開萬物演化的奧祕——

 
  獲獎無數的麻省理工學院博士、杜克大學教授亞德里安.貝贊(Adrian Bejan)主張,
  這世界的萬事萬物莫不遵從「建構定律」(Constructal law),
  無論有生命或無生命,例如河流、風、動物、人類和機器等萬物都在「演化」——改善機制,提高物質流動的效率。
  他認為,物理能夠解釋一切演化現象,包括人類文明、經濟活動、體育競賽甚至政治選舉。
 
  從物理學出發,貝贊教授以建構定律的角度,引領你重新觀看這個世界——
 
  .生命是什麼?生、死與演化為什麼會發生?
  .不必擔心世界會失控。為什麼?S-曲線能提供解答。
  .如何改善能源的供給與經濟?
  .人類文明如何高效演化?

 
  物理意謂自然法則,「自然」即是萬事萬物,包括生命。
  《生命的物理學》藉由生物與非生物的演化,探索一個終極問題:
  如何善用能源、文化、經濟,以及周遭事物的資源而讓生命永續生存?
  現在很清楚了,答案就是物理學!
 
本書特色

  1.以突破性的觀點揭開萬物演化的奧祕
  2.顛覆達爾文的演化論,從物理學的角度闡述萬物演化!
  3.關於演化,讓你更富有想像力。

國際推薦
 
  「作者獨特的物理學觀點,提供我們一種革命性的新方法,去看待、了解我們周遭的世界,無論是自然界、人體、政治或文化機構。本書寫作熟練靈巧,不管是專家或外行人都能深受吸引,是必讀之書。再不會有其他書能讓你以同樣的觀點看待生死或介於其中的事了。假如你喜歡賈德.戴蒙(Jared Diamond)的生物學相關著作,或史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)的宇宙學,你會愛上這本書。」——《紐約時報》暢銷書作家 傑佛瑞.迪佛(Jeffery Deaver)
 
  「迷人且有詩意⋯⋯獨特且吸引人,這本書會讓你有餘音繞樑的感覺,占據你的意識,並促使你以嶄新的視野看待這個世界。」——《科克斯評論》
 
  「在這部看似古怪,間或看得出巧思的作品,作者貝贊深入探討,進化並非生物學現象,而是物理現象。」——《出版人週刊》
 
  「藉由本書所帶來的確定性,我們會在眾聲喧嘩的陰鬱中,找到充滿希望的訊息:未來將是有建設性的、具開放性的,且富含承諾。本書超越達爾文的《物種起源》(The Origin of Species),且足以與《數學原理》(Principia Mathematica)相比擬。」——《Remaking the City Street Grid – a new model for urban and suburban development》作者 Fanis Grammenos

  「凡是對於財富、幸福、自由、體育、政治、城市、市場、物理學、生物學,或是對生命本身有興趣的人,都會發現這是一本啟發人心的好書。隨手翻閱書中的任何一頁,都能發現某個重要知識領域的迷人見解,讓你過得更好。」——暢銷書《投機客養成教育》作者 維特.倪德厚夫(Victor Niederhoffer)
 

 
 

作者介紹

作者簡介

亞德里安•貝贊(Adrian Bejan)

 
  麻省理工學院博士、加州大學柏克萊分校研究員、杜克大學機械工程學系講座教授,是世上最傑出的能源科學家之一。同時身兼葡萄牙的埃伍拉大學(University of Evora)、南非的比勒陀利亞大學(University of Pretoria)以及香港理工大學教授。

  2001年,在全球機械工程領域中,他名列前一百位文章引用次數最多的作家;在熱力學領域,他獲得了國際最高榮譽,也是歐洲科學院院士及美國機械工程師協會的榮譽成員。他曾在十一個國家的大學榮獲十八個榮譽博士學位,著有三十本作品和六百多篇國際審議期刊文章。
 
譯者簡介

王志宏 Chih-Hung Wang

 
  英國蘭開斯特物理系博士,德國愛因斯坦機構訪問學者。
  主要研究為廣義相對論、宇宙論、重力輻射以及黑洞理論。
  現職為時空研究學苑執行長,以及時空研究書苑(出版社)專任講師。
 
吳育慧 Yu-Huei Wu
 
  英國南安普敦大學數學博士(2007),英國劍橋大學應用數學與理論物理碩士,沃夫森學院(2002)。
 
  經歷:                                                          
  中央大學數學與理論物理中心博士後,北科大助理教授,中央大學天文所博士後,中研院博士後,英國南安普敦大學先修班講師,英國南安普敦大學數學系講師,德國愛因斯坦機構訪問學人,北京晨興數學中心訪問學人 , 德國科隆大學理論物理機構訪問學人。

  主要研究為黑洞理論、重力波、重力輻射、應用數學與理論物理。
  目前為時空研究書苑(出版社) 負責人,時空研究學苑出版品課程企劃總編輯。
 
 
 

目錄

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。
 
亞德里安・貝贊(Adrian Bejan) 2016.03

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。
 
 

詳細資料

  • ISBN:9789863429227
  • 叢書系列:PopSci
  • 規格:平裝 / 320頁 / 17 x 22 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

【第一章】
 
生命問題
 
The Life Question
 
生命是什麼?當然,這是一個大哉問。1944年,諾貝爾物理獎得主薛丁格(Erwin Schrodinger)在其知名著作《薛丁格生命物理學講義:生命是什麼?》(What is Life? with Mind and Matter and Autobiographical Sketches)中,英勇地嘗試回答這個問題,出發點則是活細胞的基因學和生物學。「生命是什麼」對哲學家和科學家來說,是個古老且令人困惑的問題。在數個月前,美國科學作家賈布爾(Ferris Jabr)在《紐約時報》(The New York Times)發表文章,表示科學沒有辦法回答這個基本問題。「生命是什麼?科學無法告訴我們……科學家已經遭遇困難,也無法對生命提供一個精確且普遍可以接受的定義。」他補充道:「沒有東西是真的活著的。」當然,我不同意他的論點。
 
在本書中,我試著探索生命問題的本質,檢視萬物運動背後存在的最根本推動力與特性,而這些運動的過程都能自由地變化。自然涵蓋了萬物,從無生命的(如河流)到有生命的物質(如動物、人類、社會團體)。早在科學出現之前,這些推動力便一直存在著,例如:渴望活得更久、渴望食物、溫暖、力量、運動,以及能在周邊區域自由地通行。我會探究為什麼萬物都是一種「推動力」、為什麼這些推動力會自然而然地出現,又為什麼會出現在我們之中,以及萬物能夠自由移動與變化。
 
本書要探討的就是生命的推動力,這是一個生命問題(與其相反的就是死亡,而那是我們試著避免發生的問題)。不同於薛丁格,我會將這個問題明確地放在物理學——萬物的科學——的範疇內。
 
2012年,我在《大自然的設計》(Design in Nature)一書中,提到關於大自然中的組織結構現象及其物理法則。該法則即是我在1996年提出的「建構定律」。根據建構定律,生命是一種可以自由演化的運動,無論是有生命還是無生命的領域。活著就是自由變化的流動結構和節奏,促使流動更容易。當運動停止時,生命也就停止了;當運動沒有變化的自由,並且無法找到更大的通道時,生命便停止了。

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