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用物理學找到美麗新世界:事物如何環環相扣

用物理學找到美麗新世界:事物如何環環相扣

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內容簡介

  約翰.多恩在《沉思錄》裡面說道:「沒有人是孤島」,但是,我們究竟是如何受別人的行為所影響呢?是否有某種「自然法則」在引導著人類事務?當我們在創造社會時,是否擁有完全的自由?或者,我們受限於「人類的天性」?在人類的各種事務中,它們又是如何環環相扣的呢?

  菲利浦.鮑爾的《用物理學找到美麗新世界》從霍布斯談到亞當史密斯、再談到現代的交通流量以及市場交易,他的觸角橫跨了經濟學、社會學以及心理學,這本書為我們帶來了一個訊息:當我們不再試著去預測與分析個體的行為、並轉而去關注數百個、數千個、甚至是數百萬個人類決策所能產生的影響力之後,我們便能夠理解人類行為。

作者簡介

菲利浦.鮑爾Philip Ball

  曾是《自然》雜誌的工作成員之一,現為專職作家。他的著作包括了《用物理學找到美麗新世界》(榮獲英國艾凡提斯科學圖書大獎)、《水》(H2O)以及《明亮的地球》(Bright Earth)。作者現定居於倫敦。

譯者簡介

謝伯讓

  國立台灣大學植物系(生命科學系)學士,國立中正大學哲學系碩士,現於美國達特茅斯學院攻讀認知心理學博士。

 

導論

政治算術

  西元一六九○年十一月七日,英格蘭的新國王威廉三世收到了一份手寫的書稿。這位出身於奧蘭治的公爵,剛剛在去年的一場不流血政變中,罷黜了篤信天主教卻不受人民歡迎的國王詹姆士二世。在當時的混亂情況下,這份手稿所記載的訊息或許為這位新領袖提供了一些心靈上的慰藉,因為它透露出,英格蘭已經是世界上一個安全穩固的政權。

  這份手稿的作者是威廉佩堤爵士(Sir William Petty),他曾任牛津大學的解剖學教授,也曾在英格蘭對愛爾蘭的戰役中擔任軍醫。他於一六八七年逝世,而他的兒子塞爾伯恩伯爵(Earl of Shelburne)在數年後將他的著作送進了王室。佩堤宣稱他證明了:

  #一個人口數不多的小國,或許能藉由地理位置、貿易以及政策方針,獲得跟大國一樣的財富與權勢。
由於先天地理環境的限制,法國沒辦法像英國或荷蘭一樣在海上稱霸。
英國國王所擁有的子民與領土,天生就注定能獲得跟法國一樣的財富與權勢。

  英國在邁向強盛之國的道路上,或許會面臨許多阻礙,但這些阻礙都是一時的,只要君民齊心協力,就可以克服所有難關。
過去四十年來,英國的權勢與財富已然與日俱增。

  英國國王擁有眾多臣民,光靠其總消費額的十分之一,就足以提供十萬名步兵、三萬名騎兵、四萬名海軍,以及其他各項政府支出。只要稅收穩定,不論固定費用或臨時支出,政府都可以輕鬆應付。

  英國的眾多臣民中還有許多閒置的人力,這些人每年將可以多創造兩百萬英磅,遠比他們現在賺到的還要多。各式各樣的工作機會也早已準備就緒,等著這些人來一展身手。
英國有足夠的財力來導引國家貿易。
此時的英國集合了天時地利人合,將領導整個商業世界的貿易潮流。#

  換句話說,佩堤認為英國完全具備了泱泱大國的條件。但佩堤是基於什麼論點做出如此大膽的主張?在這本名為《政治算術》的書中,佩堤主張將政治科學化。就像牛頓的「萬有引力定律」,終究必須借重定量分析、並仰賴天文學家布拉赫(Tycho Brahe)與克卜勒的重大發現一樣,佩堤用數據來證明英國社會的健全狀態。

  佩堤解釋道:「我使用的方法,至今仍不普遍。我不是只用了一些比較級和最高級的形容字詞或是聰明的論點,相對的,我採用數字、重量或測量的方式來傳達我的理念(這是我長久以來對政治算術的堅持)。我只允許自己使用理性的論證,並只考慮那些在自然界中清楚可見的因素。此外,我也不觸碰那些會輕易隨著他人的心態、意見、品味和熱情而改變的事物,我承認我永遠都無法以令人滿意的方式,說明這些善變事物的基礎(如果可以被稱為基礎的話)。就像是我無法預料不知名染料的色澤,或者我無法光靠著入射與反射的角度,或是《投擲與投射》(De Projectilibus & Missilibus)一書中所描述的複雜物理學概念,絲毫不練習就能將網球、撞球、以及保齡球打得很好一樣。」

  換言之,儘管佩堤宣稱他對善變的人類天性瞭解不多,他卻相信我們能藉由測量與量化的方式來進一步認識人類社會。他認為,政治算術這門科學能幫助國家的領導者,不受到人性中非理性因素的影響。此外,政治算術也可以用來創造出一些健全的、可驗證的統治原則。

  如果佩堤活到今日,那他會非常失望。因為在過了三百年之後,政治科學家仍在悲嘆人類事務是如何不受理性和邏輯所引導,並如何輕易被奇想與偏見所支配。在一九五四年出版的《人類、國家與戰爭》(Man, the State, and War)一書中,作者華茲(Kenneth Waltz)這麼希望著,或許在某一天,國與國之間的互相交流能透過理性的原則來實現,而不是靠著武斷的想法與爭辯來達成。他說:「由於我們缺乏一個精確的國際政治理論,所以當某人提出了一些原因和解決方案時,這些原因和方案往往都只和那個人本身的個性與曾受到的訓練較有關聯,卻沒有真正的觸及那些存在於世界中與眾人息息相關的事物。」

  顯然華茲跟佩堤不一樣,他並沒有設想一種「牛頓物理學」般的人類社會學。從今日的眼光看來,佩堤的觀點似乎過於天真,然而這種想法卻在當代物理學中引起了迴響。過去二十年來,這個學科正在發生一件很特別的事情。原先用以瞭解宇宙中物質如何運作的各種研究工具、方法以及想法,現在可以被應用在一些乍看之下毫不相干、且極度不相稱的新領域上。很顯然的,物理學在科學社會中找到屬於自己的地位。

  我們會談到這樣的理論演變如何誕生,為什麼值得我們認真看待,以及可能會造成的影響。本書也會談到這種「社會物理學」的侷限與缺點,以及它遭到濫用的可能性。

  以前類似的理論演變過程曾出現過。在一九七○年代,法國數學家德姆(Ren? Thom)提出了劇變理論,這個理論似乎能夠解釋人類社會為什麼會因為一些小事件的刺激而突生變化。然而,這一線曙光一下就消失了,因為德姆這種偏重於描述現象與性質層面的理論,並沒有真的提出什麼基本原則與機制來解釋變化的過程。反觀在一九八○年代趨於成熟的混沌理論,至今已有許多證明顯示出這個新興的理論是較為紮實的。混沌理論讓我們理解到,即使一個系統的初始狀態很清楚明確,但是這種複雜、一直處於變動中的動態系統很快就會超出我們所能精確預測的範疇。目前已有許多人主張利用混沌理論作為預測市場經濟的一種模型,而混沌理論中用來描述動態穩定狀態的概念,也就是「吸引子」(attractor)的概念,似乎能解釋為什麼某些社會的組織或行為模式不會受到細微干擾的影響。儘管如此,混沌理論和真正的「社會科學」仍有一段很大的差距。

  上述的概念也正好符合時下流行的三C原則(請加註)中的第三個原則,即複雜性。這一類的「複雜理論」試圖要瞭解,在眾多不同個體的交互作用影響(僅需依循少數簡單的規則)下,秩序與穩定性如何可能浮現。用行話來說,複雜理論想要瞭解的就是「突現」(emergence)與「自組織」(self-organization)的現象。

  這本書中所探討的物理學跟這種複雜性的概念並非完全無關,事實上,兩者常有交集。今天被大家認為是「複雜科學」的學問,大都只是換湯不換藥。這類複雜理論的主要課題研究早已超過百年,研究這些主題的物理學家也早就發展出成套的概念與技巧,使得這些「新的」複雜科學研究幾乎沒有新的元素注入。當我們仔細探尋這系列物理學的根源時,可以發現為什麼這個物理學派別有足以置喙社會學的餘地,因為它是研究集體行為的科學。表面上看起來,似乎不容易看出一大團無生命的物質粒子和人類的群體行為有什麼關係,不過物理學家已經發現,當一個系統中的各個組成分子可以集體運作時,該系統通常就會產生遞迴特性(儘管各個組成分子乍看之下毫無共通點)。

  大家對上面的想法稍有概念後,我希望能在接下來的章節中告訴大家,這種新的社會物理學可以面對那些佩堤不願觸碰的問題:「那些會輕易隨著他人的心態、意見、品味和熱情而改變的事物」。我想要說明的是,儘管我們對人類行為的起因是如此可悲地無知,但事實上我們擁有預測人類集體行為走向的能力,也就是說,我們可以無視個人自由意志的存在而對整個社會進行預測。甚至,還可以主張我們能找出自由意志的極限。

  佩堤以為光是「量化」這個方法就足以讓《政治算術》躋身科學殿堂,相較之下,同時期的霍布斯對於社會科學的體認顯得較為深刻。霍布斯認為,社會科學必須超越數字,並勇於和社會機制等相關的困難問題搏鬥。在本書的第一部分中,我們會看到霍布斯的機械論和佩堤的政治算術,如何引導我們去理解社會、以及如何對十九世紀的物理學進行反饋。我們也將看到物理學如何處理那些組成份子眾多(且同時彼此間進行互動)的系統,以及為什麼一個看似混亂的系統可以產生具有規律性、可預測性、並可透過統計來描述的行為。

  將人類視為是沒有生命的物質(或表面上看起來沒有生命)是具有爭議性的,這也是在建構這種奠基於物理學的社會模型時必須小心謹慎的原因。我們必須要先證明統計物理學可以用在「生命」之上(我其實很想說,「生命」也沒有什麼了不起的)。先由細菌開始,然後再討論整個世界。

  不過,你不會在本書中找到一個闡述詳細的「社會理論」。現今的理論趨勢是傾向於發展出一種「統一理論」(一種全面的、含括一切的科學架構),這種理論架構儘管有其用途,但可以說是不健康的。如果真的有所謂社會物理學的話,將不會是一個放諸四海皆準的等式,我們也不可能在等式中填入一些數字之後,就得出一些對社會行為的可預測描述。如果要建夠一套真正的社會物理學,我們必須累積各種實例,並針對每個不同的目標方針發展出不同的工具與概念。這個關於社會物理學的概述雖然一點也稱不上詳盡,但我們會看到物理學如何解釋各種人類的行為,包括了人類如何在寬闊空間中行動,以及人類如何決策、投票、同盟、形成組織與尋找同伴。我們也會暸解到,物理學如何解釋經濟市場的某些行為面向,並揭露社會與經濟人際網絡之間的隱藏結構。此外,也將揭示政治衝突與合作背後的物理機制。

  在這一切背後,還存在一個更困難的問題:物理學只能單純用來幫助我們解釋與瞭解各種現象嗎?或者,我們是否可以利用物理學來預測和防範問題的產生,並進而改善社會讓我們的社會更安全美好呢?又或者,這種希望利用物理學來改善社會的期望不過是另一個夢,一個終將墜入早已客滿的烏托邦墓園的夢。

 

詳細資料

  • ISBN:9789866973857
  • 叢書系列:IDEAS
  • 規格:平裝 / 480頁 / 16k菊 / 14.8 x 21 x 2.4 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

第七章

上路出發

無法改變的交通動態

一個社會規劃者會仔細地考量交通號誌的效用。他們提醒了我們,雖然人們通常都會把規劃跟控制聯想在一起,但是其中的關鍵因素卻往往在於事物之間是否具有協調性:人們必須在適當的時間做出正確的事情,以配合其他們人的行為。

湯瑪斯‧謝林(Thomas Schelling)西元一九七八年


在任何一個知識領域的理論性研究中,其最主要的目標之一,就是要找出一個最佳的觀點以揭示出事物最單純的面向。

約書亞‧威勒‧吉布斯(J. Willard Gibbs)


不管是在煉獄,或是在天堂,
於孤獨的旅行者之中、他是最快的一個。

盧亞德‧吉卜林(Rudyard Kipling)西元一八九○零年

如果要你每一年都要花一整個星期的工作時間坐在一個大紙箱裡,然後什麼事也不能做,不能站起來、不能伸伸懶腰、不能睡覺、不能看書、也不能看電視,你會覺得如何?如果你住在華盛頓特區、波士頓或是丹佛,那麼你或許已經嘗試過這種情況了。如果你住在洛杉磯,你或許每一年得花上一個半星期的時間來體驗它。

我說的是車子塞在車陣裡動彈不得的情況。隨著城市的擴展,通勤者的通勤距離就變得更遠。,此外,由於許多大眾運輸系統都很老舊,而且騎腳踏車又變成了一種會威脅生命安全的活動,因此越來越多人選擇自己開車上班,於是,「塞在車陣中」便理所當然地成為城市生活的一部分。平均而言,過去二十年來,居住在美國大城市的人,在這種很孤單、很煩躁的情況下所浪費的時間已經成長了三倍之多。在洛杉磯,你每年花在交通堵塞上的時間很可能會高達五十六個小時:這個時間是每週正常工作時數的一點五倍。而且,很肯定的是,塞車的情況肯定只會越來越糟。倫敦的居民會不厭其煩地告訴其他人(通常是當他們遇上塞車時),今天倫敦城裡的平均開車時速就跟一百年前的車速一樣慢(當時所謂的馬力就真的是指「馬的力量」)。有鑑於此,倫敦的管理當局最近已開始在最容易產生交通擁擠的地段開始徵收塞車費,試圖藉此看看是否能減少車流量。

寒暑假時,在歐洲看到超過一百公里長的塞車情況並不是什麼奇怪的事。由交通堵塞所造成的車輛運輸的隱性成本相當地驚人,如果這項成本反映在汽車或汽油的價格上,或許在買車或加油時我們就會再三地考慮。在德國,每年人民浪費在車陣中的時間經濟成本大約有六百億英磅,其中還不包括對環境的汙染。而在休士頓(這裡的汽油很便宜!),如果將每天塞車時所浪費的汽油加總起來,每人每年大概會多花八百五十美元左右(五百英磅)。

汽車所排放的廢氣是世界上最大的汙染源之一。在德國這種都市化程度很高的國家,排放到大氣中的有毒一氧化碳與氮氧化物,有百分之六十是來自於汽車。近年來,城市地區的兒童罹患氣喘的比例增高,其主要原因很可能就是源自於汽車所產生的汙染。因車輛過度排放二氧化碳所造成的溫室效應,或許正是導致兩極冰層融化的元兇。塞車時汽車引擎會空轉,導致汽油燃燒不完全,而這種情況就會讓上述的污染問題更嚴重。在西雅圖,平均每個人每年在塞車時(車輛靜止或幾乎靜止)所用掉的汽油就超過三百五十公升。

要解決塞車的問題,其中的一項方案就是建造更多的道路。但是,有了更多道路之後,必然會吸引更多的車輛,很快地,問題很快就會回到原點。美國國家歷史文物保存信託基金會執行長莫伊(Richard Moe)指出:「建造更多道路以疏解交通,就像是放鬆皮帶來解決肥胖問題一樣。」理想的解決方式,就是鼓勵民眾多多利用大眾運輸工具、多騎腳踏車、多走路。雖然這一類的事情都很容易做到,但是我們對內燃機的依賴還是很難消除,而這個問題不管在開發中國家或是已開發國家都越來越嚴重。如果減少車流量是很令人氣餒的一項任務,我們是否至少能以較有效率的方式來疏導它呢?簡言之,了解交通如何流動,、以及為何阻塞乃是我們最急迫的目標。

儘管目前我們大多利用電腦來進行交通流量控制以及街道網絡的規劃,但是每個城市還是有它自己的「黑色地帶」,在這些地點,交通規劃者或是道路工程師始終都沒辦法完善地解決其交通問題。或許對規劃人員和工程師來說,要用數十年前就已經存在的基礎建設來應付二十一世紀的交通流量,真的是一項不可能的任務。我們都知道交通流量很奇怪,例如有時候明明沒有發生什麼事情,但高速公路就是會「莫名其妙」的塞車。

現在,統計物理學能夠幫助我們找出交通流量移動以及堵塞的原因。世界各地的研究人員正努力地試著從有關液體與氣體的物理學概念中設計出模型,以便利用這種模型來預測交通壅塞情況會在何時、何地發生,以及會產生何種壅塞形式。我們已經知道交通有屬於自己的獨特行動法則,而這些法則時常令人感到驚訝,、甚至偶而讓我們惱怒。雖然交通物理學無法解決所有的運輸問題,但是它可以幫助我們找到更好、更安全的措施、改善高速公路的設計,並且更準確地預測到塞車情況。它將讓交通控制不再只是一項依據經驗的活動,而是變成一門嚴謹的科學。而且,交通物理學的出現時間來得正巧,因為在運輸規劃的領域中,自由放任再也不能算是一項解決方法了。


持續追蹤

在繁忙的路段上開車就像是在玩股票一樣,因為你總是根據不完整的資訊來做決定。地方電台的交通狀況報導以及車內的電腦路線規劃系統,只能提供駕駛人有限的訊息,而且這些資訊常常無法在你需要的時候即時地出現。但是德國杜伊斯堡(Duisburg)已經成功實現了我們未來的期望。你可以透過網際網路,看到整個城市的即時交通流量地圖,而且每一分鐘就會更新一次。

我們可以在道路旁邊裝設監視器、記錄通過的車輛,藉此計算出交通流量。例如環線感應系統(埋在馬路下的壓力感應線)這一類的監視器,就能記錄每分鐘經過的車流量。然而,最有效益的交通流量測量方法不是計算車子數量,而是計算車流密度。在一分鐘之內通過的十輛車,可能是彼此車頭車尾緊貼、速度很慢的十輛車,也可能是彼此相隔很遠、但速度很快的十輛車。上述例子中,排成一列、緩慢通過的十輛車,其車流密度比較高;而後者的車流密度則比較低。要推算出車流密度,我們不只需要知道每分鐘共有多少車輛通過,還必須知道車子的速度。另外,我們還必須在每個監視地點將兩個電磁迴圈非常靠近地裝設在一起。

原則上,只要在每條道路上各裝設一對電磁迴圈,就可以量測出一個城市的交通密度。但然而,這種做法一點也不實用。在杜伊斯堡,管理當局只在幾個重要路段測量車流密度;其它他街道大部分都沒有裝設偵測儀器。接著,研究人員會以一種有關移動粒子的電腦模型來模擬車流狀況(很類似我們在前面幾章所談到的模型),這樣一來,即使有些街道沒有進行實際偵測,還是可以根據電腦的模擬預估其交通流量。實際測得的資料則可以讓電腦模擬維持一定的準確度:研究人員會不斷地檢視並利用這些數據,以確保計算的結果符合實際測得的數據。他們假定這樣的運算方式將可以讓實際數據與計算結果之間的差距不會太大。

這個電腦模型是在一九九零○年代初期由史瑞肯柏格(Michael Schreckenberg)所研發出來的。史瑞肯柏格是一位物理學家,他與芮格爾(Kai Nagel)在杜伊斯堡大學共同進行研究,後來史瑞肯柏格則到科隆大學繼續進行研究工作而芮格爾則到美國進行類似的研究,並為德州的達拉斯以及美國其他城市設計了即時交通流量地圖(註一)。

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