生命问题
从物理学的角度来看，有利于生命的运动变化，就是生命的演化。
生命是什么？这是一个具有重大意义的问题。1944年，奥地利的诺贝尔物理学奖得主埃尔温·薛定谔 （Erwin Schrodinger）在其著作《薛定谔生命物理学讲义：生命是什么？》 （What is Life? With Mind and Matter and Autobiographical Sketches）中，勇敢地尝试回答了这个问题，而这本书的出发点则是活细胞的基因学和生物学。“生命是什么”对哲学家和科学家来说都是个古老且令人困惑的问题。几个月前，美国科学作家费里斯·贾布尔 （Ferris Jabr）在《纽约时报》 （The New York Times）上发表文章，表示科学没有办法回答这个基本问题。“生命是什么？科学无法告诉我们……科学家们一直在努力给生命提供一个精确且普遍可以为人接受的定义，但都失败了。”他补充道：“没有东西是真正活着的。”当然，我并不同意他的论点。
在本书中，我将试着探索生命问题的本质，研究万物运动的特性，及其背后存在的最根本的推动力，而这些运动的过程都能自由地变化。自然涵盖了万物，从无生命的（如河流）到有生命的物质（如动物、人类、社会团体）。早在科学出现之前，这些推动力就一直存在，例如，渴望活得更久，渴望食物、温暖、力量、运动，以及能在生活区域自由通行。我想探究为什么万物都存在“推动力”，为什么这些推动力会自然而然地出现，又为什么会出现在我们之中，以及为什么会出现在能够自由移动与变化的万物之中。
本书要探讨的就是生命的推动力，这是一个生命问题（与其相反的就是死亡，而这是我们试图避免发生的问题）。不同于薛定谔，我会将这个问题明确地放在物理学——万物的科学——的范畴内。
2012年，我在《大自然的设计》（Design in Nature）[1]一书中，提到大自然中的组织结构现象及其物理法则。该法则即是我在1996年提出的“建构定律”。[2]根据“建构定律”，无论是在有生命还是无生命的领域，生命都是一种可以自由演化的运动。生命是自由变化的流动结构和节奏，促使流动，并提供更多的运动。当运动停止时，生命也就停止了；当运动没有变化的自由，并且无法找到更大的通道时，生命便停止了。
在“建构定律”中，到处都是生命现象，而生命同时包含无生命的范畴（像河流、闪电、雪花、空气的湍流）和有生命的范畴（像动物、植物、社会与技术）。从这个角度来看，生命现象比生物圈的历史还要古老，因为在地球物理学中所探讨的无生命流动，要比生物学探讨的有生命流动更为久远。
生命、组织和演化都是物理的一部分（希腊文physika意指自然的事物），它们各有其遵守的物理定律。[3]我明白即便是受过科学教育的人，也很难接受生命是一种物理现象，并且是由各种流动的系统组成——包括非生物、生物及人造系统，它们可以任意地混合并向更容易增长的方向发展。毕竟，“生物学”这个词的意义就是了解生命（希腊文bios），即使是小孩子也能区分生物的运动与非生物的动态（像河流、风、洋流、火山、雪、闪电和地震）之间的差异。
所有物体运动的自然趋势，从物理学的观点来看都是一样的。一个19世纪初的孩子会把运货马车和有生命的马匹联系起来；而现在的小孩则会把货车和无生命的汽油、引擎，以及加油时父母所支付的金钱联系起来。而在读完本书之后，未来的小孩会将钱、汽油、马匹和马所需要的燕麦联系起来。
这就是知识演化的方式——科学、技术和物理定律都会成为文化的一部分。那些看起来直观却又被片面理解的知识，将逐渐成为一个更大、更简单的集合体。每个新时代的孩子长大之后，都会成为更有知识的父母和老师，同时会渐渐忘记无知与零散的过往。知识具有传染力，并且能自然地散播出去。艺术和科学对我来说没有什么不同，都是一种动态的图像，二者拥有相同的内在乐趣，无论是创作一件充满启发的艺术品，还是提出深刻的科学思想，触发一连串的心灵图像。在类别上，科学家与艺术家可以归属为同一类。
自由改变形态的运动是一种宏观现象，一个在运动的实体是相对于一个没有在运动的环境而言的。“运动”具有一种清晰可见的相对性，我们这些观察者赋予了这样的运动许多名称，比如组织、系统、配置、设计、构造、改变、演化。这些名称是我们的大脑能够理解的，因为它们如同我们感官所反映的事物一样，非常频繁地出现在大脑中。
十分有趣的是，看不到的分子、原子、亚原子粒子，无法在宏观的生命现象中展现，要描述它们的随机、不规则的布朗运动1，与描述河流的路径、肺中的气流、城市和航空交通是不一样的。
在本书中，我将进一步探讨《大自然的设计》中出现的参数背后更深层的意义。这诸多例证能帮助你了解在现今居住的环境和文化中，生命法则的重要性。这些例子有新有旧，主要来自于地球科学和动物学领域。当它们被放在一起看待的时候，并非如字面上的不同而有所差异，而是作为一个整体，因为自然界的生命现象就是一个整体。我会解释“建构法则”如何影响维持生命的演化设计：能量的产生和使用、运输、技术的演进、新思想的传播、设备、知识、财富以及更好的政府。
当我完成《大自然的设计》一书时，最有趣的发现（也是燃起我撰写本书的火花）是全球的航空交通运输地理分布具有非常鲜明的阶层结构（图1.1）。尽管航空交通连接着全球所有的人口聚居区（就像大脑的皮层），但大部分空中运输都位于北大西洋上空。
▲ 图1.1 人类航空交通运输的世界地图
上图：1992年飞机航线分布图（未显示极短航线），改编自Springer:K. Gierens, R. Sausen and U. Schumann, “A Diagnostic Study of the Global Distribution of Contrails, Part 2: Future Air TrafficScenarios,” Theoretical and Applied Climatology 63 [1999]:1-9.
下图：现今人类航空交通运输的世界地图（经欧洲航天局许可，“Proba-V Detecting Aircraft,” January 5, 2015, © ESA/DLR/SES）。
人类的活动刻画了地理和历史，宛如各条河流集合而形成的流域，遍布少数的大型主干与众多的支流，塑造着时常变动的世界地图。这当中就隐含了阶层结构。而我会从物理学的观点出发并这样思考，缘于麻省理工学院带给我的难忘教育，考虑到空中运输必然依靠飞机引擎消耗燃油。没错，航空交通运输量的阶层差异会反映在使用的燃料量上，同时也有着属于自己的世界地图。几个燃料消费大户和许多小型消费者，共同将航空交通的流动散布到全球人类居住的区域。整体来说，阶层化的运输量有利于所有运动的个体。
当人们经济富足时，才会去旅行。由此我们可以迅速发现交通和燃料消耗的地理分布，阐明了全球的经济发展。横跨北大西洋的航空运输桥梁的两侧已经稳妥地建立起来（两侧的交流也有相当长的历史），而这两侧就是世界两个最先进的区域——西欧和北美。这就是我为何决定画出各国一年的燃料消耗与经济发展的关系图［根据一年的国内生产总值 （GDP, Gross Domestic Product）］。
这个结果显示于图1.2，可以很清楚地看出燃料消耗和“富裕”之间成正比。燃料消耗属于实体的物质（可以测量燃料的重量和燃烧时产生的能量），但富裕和经济学上经常使用的概念（例如效用、金钱概念、变得更好）并不是实体；看来经济也属于物理学的范畴，因为物理学的领域包含了有实体和没有实体的部分。
于是我进一步发现，一个国家燃料的年消耗量，远超该国航运所需。消耗掉的燃料驱动了所有在移动、冲撞、加热与冷却的事物，换句话说，消耗的燃料推动了整个社会，让它们有了生机并且能够持续。为什么这里要说“正在‘动’的万物”？因为一个国家的财富情况 （GDP），显然与燃料消耗速度成正比，而燃料的消耗正是事物能够在一个社会中生存、移动和改变的原因。
▲ 图1.2
财富即代表运动能力。经济活动反映在所消耗的燃料上，图中为全球不同区域与国家的国内生产总值与其燃料年消耗量的关系。〔资料来源：国际能源总署（Key World Energy Statistics），2006. Copyright 2016 by Adrian Bejan〕
当我画下图1.2时，之前困扰我的问题突然在脑中浮现出清晰的答案。举例来说，为什么所有国家都沿着相同的直线向上发展？为什么美国目前是领先者？美国人并不比其他国家的人更聪明；事实上，大部分美国人都是其他国家人的后裔。
为什么每个个体或团体都渴望变得“富裕”？
答案可以归纳为一个单一的事实，那就是对于能自由自在运动的人或物而言，都倾向拥有更多的自由来持续运动。这代表在图1.2中，这些黑点一定会往右边移动，消耗更多的燃料，而非更少。没有人愿意减少燃料的消耗，因为没有人喜欢贫穷胜过富裕，或是喜欢死亡胜过生命。
这就是写作本书的动机。在我脑海中出现的声音，即GDP和燃料消耗之间的关系，开始让我质疑科学家、权威者、政治家以及大众认为显而易见的观点，也让我能将所有的答案置于一把科学之伞下。
本书将揭示出一个默默隐藏在科学中的真理：当科学与我们自身相关，并能为我们所用时，它会变得十分有趣。这就是为何本书中的想法都是关于人们所需要的事物以及如何获得，并且如何为人类构建更好的未来。
这本书源自于一个显而易见的观点：每个动物和人类都想拥有能量，在吃或是消费的欲望上就能体现出来。由图1.2所展示的趋势可见，动物需要食物，而交通工具与机械则需要燃料。在第四章“技术的演化”中我将会提及，食物就是能量，以物理学的观点来看，就是单位时间所使用的“有效能量” （exergy）。能量可以使物体运动，例如身体的运动、身体内部的运动（血液和空气的流动）、外部的流动（运动、迁徙和运输）。而我们可以使用工具来确保自己的安全与舒适——温暖的环境、可饮用的水源、身体的健康，以及打造安全的道路与桥梁，让我们在驾车或行走时不会断裂。
在讨论人类与机器时，我使用了“机器”一词，在此需要稍微解释一下，这个词和汽车、发电厂、冰箱和制造业没有关系。这里的“机器”的意思源自于最古老的含义，也就是“发明”（古希腊文为mihani），或者是一种让人类的力量更有效率发挥的精巧方法。每一件和我们有关的物品都是一种发明，比如衬衫、收成的粮食、从动物或是电源插座所获得的能量。事实上，随着时代变迁，新的发明让我们更有能力、更强壮、更长寿。“机器”的概念不应该局限或混淆于那些让我们的能力延伸的机器上。
人类存在之时，机器就存在。它一开始就以力学和机械的形式持续地存在，就和几何学一样古老。“机器”这个词本身便属于物理学的领域，因为机器是有形的，类似“智人” （sapiens，智慧、感知）一词，但更为真实和可测量。文字有其意义，特别是在科学中。
地球文明的发展与传播，可以视为越来越多的个体都在做功，造成整体运动状态的提升。从能量的制造和消耗（从驯养的动物到农奴，风车、水车一直到蒸汽引擎）或是生命传播的演进（例如个人自由、健康、解放、富裕以及赋予权利），就可以看出这一点。在演进的过程中，我们渴求更多的改变，而当这些改变有利于我们运动时，它们就和我们形影不离。从物理学的角度来看，这便是生命的演化。
每个人都想获得更高的能量而非更少，于是每个人和其他人合作，以获得更高的能量。合作本身就是一种运动，因为合作 （collaboration）的英文词根labor就是劳动、做功的意思，并且做功包含运动（做功＝力×运动距离）。合作是组织背后的驱动力，依照共同目的流动，加上改变的自由度，这两者就是生命的本质。当流动的实体可以自由改变时，就会不停地左右转向，以找到更好的流动方式。流动本身随着时间会演变成更好的流动状态。就物理学的观点而言，这就是可持续性。
从热力学的概念来看，生命是非常清楚且容易理解的，其反义词就是死亡。热力学对于死亡状态的定义非常完备，可被叙述为一个系统（物质与空间中的某区域）的状态和周围环境达成完全的平衡。举例来说，在死亡的状态下，系统的压力、温度和周遭环境的压力、温度一致。死亡状态指的是“没有任何运动”，无论是系统还是系统内部。
而相对于死亡状态的，也就是我现在要定义的，被称为存活的状态。存活状态的系统并未与周围处于平衡。系统内外及系统与环境之间存在着不同的温度与压力（以及其他的性质），因此系统处于来回推拉、加热和冷却中。系统包含了流动，以及最重要的——组织结构。系统是以集体的方式移动，并可自由地在移动和流动时变化形式。
活着的系统具有流动、组织结构、改变和演化的特征，一旦这些特征出现，就可以区别出系统是活着的，还是死亡的状态。
生命即是运动，如果两者同时发生就需要做功；而做功需要食物，食物则由做功而来——人类的劳动、肉食性动物的狩猎以及草食性动物的逐水草而居。劳动、狩猎和逐水草而居，这些词汇道出了生命即是做功。这是纯粹的物理学观点，但为什么这样的观点会如此重要呢？因为这个观点对于我的职业——教育十分重要。许多与我同时代的老师，都教导年轻学子关于生命的知识比生命与做功间的关系更重要。对于身处富裕社会的孩子来说，食物比在世界其他地方更容易得到，在这里可以用少量的金钱轻易地获取食物。然而以更宽广的格局来看，为了让全世界人类的运动得以持续地进行下去，需要消耗的食物和其他所需（如加热、冷却、干净的水），只能通过做功来运送。
对于我们每个人来说，生命就像一场个人电影，或者说一场严格意义上的个人秀，每个人同时担任编剧、导演、制片人、演员、观众以及评论家，并在录像的过程中不断地完善情节。在这样的个人电影中，情节完善和录制方向一致，而完善的目的是使电影尽可能地越来越长。
这部电影有开始，也有结束。在开始之前没有任何东西可观赏，在结束后也一样。有些人因经历医疗手术而短暂失去意识，就像电影剧本包含了一段或更多的中场休息，这些中场休息类似于电影开场前或结束后的时间。有鉴于此，我们要做的只有两件事：完善剧本并享受演出。
我们对于生命的理解，往往局限于错误的二分法：自然与人工、有生命与无生命、生物与非生物、天然与培育。但大部分的人并没有意识到，我们就像滴落到平原上的雨滴，与万事万物并肩流动。就像水必定会回到空气中，这个过程中会流经许多设计，例如树状流域，放养和迁徙的动物，草地、树木和森林，海浪，沙丘，洋流和气流，由倒下的树木或断枝形成的涡流、漩涡和湍流，流动或不流动的河流下游。这一切皆是生命。
共生（symbiosis），是彼此由于互惠互利而共同生活的法则，体现了无处不在的物理生命定律，生物和非生物都是如此。我们可以在两条小河流汇集成一条河流时看到共生，也可以从植物根部的真菌、菌根的网络与土壤的生命和流动中发现共生。每一个社会结构也是共生，因为驱使社会结构形成的动力就源自于利己。
不过，并不是把为数众多且较小的东西合成一个“大”的集合体就是最好的安排。在是大是小、或多或少之间必须达到一种平衡，“大”不见得就是最好的解答。平衡取决于横跨地域（生物、非生物、社会）的有效输送，需要一些大型的输送结构，同时也需要许许多多的小型输送工具。这一类的平衡或者说是阶层结构俯拾皆是，也说明了如何借助各式流动涵盖整个区域的妙方。
组织（或者说“设计”）的发生极其自然。“组织” （organization）这个英文词汇点出了一个事实，就是组织中的器官 （the organ）是有生命的。伴随着内部与周围的流动，这些流动属于一个更大的集合体，并在这个世界中变化形态，演进、增长、缩减和移动。合作是一种设计，它来自于每个个体想拥有更自由运动的自私冲动——我们彼此合作，是为了以更优于个体的方式共同流动。这些合作像可以让事物流动的渠道，而这些渠道迎向流动，并与流动混合。渠道并不是“联系”或“网络”，更不是两根或更多钉子中间的细线。
成长并不是演化，虽然这两个词汇都意指结构上的改变和流动，并且可以利用物理定律来预测，但它们是两种不同的现象。成长是一种非常短暂的时间尺度，且相较于演化是更为特定（有限制和局域性）的现象；而演化在本质上有如漫长史学般古老且具有普遍性。在物理定律中，我和我的同事已经证实了成长是一种S形曲线现象，也就是一开始成长得很慢，接下来会快速成长，最后则会趋于缓慢且停滞。
非洲南部卡拉哈里沙漠 （Kalahari Desert）的河流三角洲，癌症肿瘤，从出生到成长的动物躯体，以及雪花堆叠成冰块的过程，都像一个会随着时间变化而不均匀增长的空间，以慢—快—慢的形式，直到停止（这对应着S形曲线上方的终点）。奥卡万戈河三角洲 （Okavango River Delta）进入沙漠的时间有数个月，与上游的安哥拉 （Angola）雨季时间相当。而另一方面，这个三角洲的演进极其漫长，如渠道的河流随着每年春天雨季来临而对沙漠地表进行侵蚀，这就是演化下的设计。
本书意在探究自然界最基本的观念：自由度，这是自然界和热力学中最基本也最容易被忽视的特性。自然界的万物都有变化的自由度，其流动的形态可以转换、变形、演化、拓展与消退，这样组织才会自发产生。没有了改变的自由，便无法产生组织和演化。社会组织、文明和文化是最著名的演化现象，它们说明了这种自由变化、演进的自然趋势。当我们想改进一个设计时，添加许多限制并将之伪装成好想法是没有意义的。在本书中，我将这些争论放在一旁，而专注于物理学——也是解释所有现象的根源。
本书也将技术的演化作为一种自然组织的现象进行探索，和动物、流域或科学的演化并无不同。运输工具消耗燃料并在世界地图上移动，运输工具及其运动都是演化的设计。举例来说，更新型的飞机会更大（图1.3）、更简化、更轻且效率更高地搭载重物，这种现象与我们在动物演化中看到的相同。[4]运输工具由许多零件（如果运输工具是动物的话就是器官）组成，这些零件彼此联系并一同流动。之后，我会展示一个器官所需的热与该器官的重量成正比；同理，整个运输工具所需的燃料也与该运输工具的重量——也就是所有“器官”的重量成正比。
任何流动的系统都注定是不完美的，然而系统会持续改变，让整体的流动变得更好也更容易。在这样的演化方向上，其缺陷（内部流动的阻力）会扩散并分布得更均匀，所以越来越多的流动区域感受到的“压力”，和最大“压力”的流动区域一样大。这种有目的性的缺陷扩散永不停息，且缺陷的扩散永远不会完全均匀，所以演化也不会结束。
▲ 图1.3
百年来航空业主要机型的演进。(A. Bejan, J. D. Charles and S. Lorente, “The Evolution of Airplanes,” Journal of Applied Physics 116 [2014]: 044901. Copyright 2016 by Adrian Bejan)
当我们越深入思考流动系统，越会觉得其外观和运作很像某种动物。动物的构造和运动方式曾经是一道难题。从老鼠到蝾螈，再从鳄鱼到鲸鱼，不同动物的身体大小、流动与性能参数之间，存在着非常精确的法则——幂次法则 （power laws）2。想要了解生命系统中的物理定律，就要将它们视为随着时间改变的流动系统，由能量驱动，有着各种现实尺度的限制，最重要的是有可以改变的自由度以及随时间演化的优化设计。
在万物的设计中，从动物到运输工具，一定要维持流动。生命就是运动，所有有生命的东西都要借助流动来维持生机，从河流到步行、跑步、身体的敏捷与反射作用，皆是如此。
这一发现也适用于动物，同时解释了为什么“尺寸”在自然界中如此重要：巨大的动物有巨大的器官，而较小的动物有较小的器官。尺寸并非被赋予，而是演化设计下的特征，可以经过预测或推论得出。动物可被视为一台在地表自由运动、用来运输本体重量的工具。整体就是众多器官的组合，每个器官单独来看或许并不完美，却能形成更好的组织，让整体活得更好，并且能持续演化。
多样性和阶层结构是自然流动组织的必要特征。大事物一定是数量少的，而小事物一定是数量多的；阶层结构是平等的，阶层化是为了和自由度一致，这同样是大自然设计的一部分，也是可预测的结果。之前说明的食物链与货物运输系统，正揭示了这样的设计。阶层结构将能源供应者和使用者联系起来，并通过覆盖整个区域的管道进行分配。一个发达国家的居民可以利用主要干道在更远的距离上移动更重的物品，而一国整体的经济活动也正是这样的运动。
本书将演化视为物理现象，无论是生物还是非生物，都可以自由地移动与形变，尤其是将演化的概念应用到非生物系统中。对科学家而言，技术最迷人的地方就是让所有人都看到演化的脉动。电子产品的微型化就是活生生的演化现象。这种演化的动力源自于每一个人，因为我们每个人都有一种强烈的愿望，让我们的身体、交通工具以及随身物品移动得更方便、时间更长且范围更大。这些并非来自于把东西越做越小的“革命”，而是一种强烈又持续不断的演化；类似的现象在各领域皆可看见，并非只出现在技术演化上。仔细想想书写材料从古代到现代的演化：黏土刻板、石板、竹简、莎草纸、羊皮纸、书本、大规模印刷到计算机打字，使用的材料都是为了让我们能够更密集地书写文字。
体育运动则是另一个可以看见演化的领域，只是由于过于明显，大部分人都没有注意到它在科学上的重要性。其微妙之处在于，体育运动的演化在阐释自然界生命现象方面发挥着重要作用。我会说明如何预测未来的体育运动，例如，为什么最快的赛跑选手和游泳选手长得更高大，以及这种趋势会如何因物理学而继续下去；我也会解释关于运动员的“分化的演进” （divergent evolution），也就是为什么短跑运动员通常会比较高，而长跑运动员通常会比较矮。在涉及“投掷”动作的团体运动中，例如棒球，过去的记录显示演化的趋势是朝向身高较高的球员，而且运动员在场上的身高分布也随着快速投掷的需要而演化。
尺度效应是生命设计的核心，它无处不在，并非只在飞机、电子产品和运动员身上才看得见。越高大的物体，运动得越快，这在动物、运输工具、河流、风和洋流中的例子比比皆是。更大的运输工具往往效率也更高，体型较大的动物寿命也可能会更长，并且在它们的生命周期中可以移动得更远；更大的石头可以滚得更远，而且运动更为持久；更大的波浪也是如此。我们还会了解到为什么不是每一个移动的东西都会演化成最大的尺寸，以及为什么自然组织必须要有阶层化和多样性。这种遍布生物和非生物范畴的普遍性，正是理解这一现象的关键。
政府是一个由规则条文组成的复合体，而这些规则条文扮演着类似渠道的角色，管理并协助人与商品在世界上流动。如果缺少这些渠道，我们将如同沼泽的水一样被阻塞，而“阻塞”就意味着饥寒交迫、贫穷困厄以及悲恻短命。
更好的思想如同更好的规则条文（法律）和更好的政府，都具有相同的物理效果。渴望改进、组织、参与、使人信服与实践改变，是我们共同拥有的特性。这也是为什么人类与机器的演化会向更广大、更容易、更有效率、更长久的方向运动的原因。我们可以大声地说，这就是演化，这就是无可避免又时刻发生的演化。大自然的法则使得演化的设计朝向更自由与更好的政府发展，这就是演化永不停歇的原因。
本书将从物理学出发，以最广泛的科学观念阐明演化的意义。演化意味着流动组织如何随时间改变，以及如何朝着特定的方向发展，就像背后有目的的驱使一样。演化对技术、运动员和动物来说，与演化之于地球科学同样真实。在经济、技术、无生命与有生命的系统中，演化或改变设计的效用就如同经济学一样可以被量化，如果这变化帮助了整体的流动，就是有用的；这在经济学和技术发展中表现得尤为明显。总而言之，演化永不停歇。
“相信不断追寻真理的人，怀疑已经发现真理的人。”
——安德烈·纪德（André Gide）
1947年诺贝尔文学奖得主
知识让人类与机器有能力去改变自身的设计或让其有所作为，并能随之持续不断地传播出去。单纯的信息并不是知识，同样，数据也不是知识。数据本身不会自行传播，而是通过知识的载体，也就是我们每一个人。工程师可以说是知识的载体之一，他们是科学家而不是修理工，他们的洞察力来自于对运动的动态图像的分析以及做功的源头。发明者也是知识的载体，传播着改变设计的知识。他们时常质疑所传播的事物，丢弃其中无用的部分，并且带着更好的设计变革向前迈进。
“演化”几乎总是联系着“生命”，因此演化的科学辩论的例子都来自于生物圈。早在生物圈形成之前，地球科学的所有流动系统的演化就已存在许久，例如湍流、流域、闪电、大气和洋流、地壳运动、海岸线迁移、沙丘堆积等。
无论是生物还是非生物，演化在大自然的王国中都像是一部关于流域发展的电影。小小山口开启了小河流，然后河流会慢慢成长并涌入平原——归因于如此精良的设计，下游的城市一旦遇上水患就完全无力阻挡。水流会推开阻挡在其路上的细沙、小石砾和巨大的木头，并突破上一个汛期未被冲垮的河堤。地球物理学家将这种现象称为“侵蚀”，但这一词汇无法贴切地形容河道发展与形成的实际过程。
侵蚀和啮齿动物源自于同一个拉丁文动词roděre，意思是用牙齿咬合。不过河流并不是任意切割地貌，而是会在特定的时间、地点侵蚀，在另一些时间、地点堆积。结果呈现的是一种水流造成的组织及秩序——在雨季时，洪流是势不可挡的。洪流的流动和树的枝杈有着相同的结构，或者可以说洪流是将水当成分叉的树枝，在地表上绘出大树的样貌，最终形成了流域的模样。假如洪水不是以树状的渠道有效率地侵入平原，就没人能够逃离洪流，而整个平原也会沦为一摊烂泥。
观看流域演化形成的影片，可以一窥整个地球演化的面貌。从物理学角度来看，物理定律可以说明降雨产生河道结构与沙洲是一种自然趋势，让河流能够更轻易地流入大海。假设降雨量稳定且平均，河流从平原流到出海口的速度会稳定，并且不随时间改变。流域结构的演化倾向于持续让水流更轻易地流动，这代表了地表地势的演化，山丘与高山也会变得越来越平坦。更容易流动意味着产生流动所需要的重力势能会更少，这就是自然界中发生的现象，同时也说明了，为何侵蚀现象和流域流动呈现的树形图案是同一现象。
假如上面所说的是正确的，那么为什么地壳没有变得非常平坦？当然，平原是平坦的，但为何山脉会像平原一样屹立不变？因为当世界上的河流持续地冲刷山脉时，山脉却在持续不断地上升。两种效应之间的平衡主宰了现今的地势样貌。山脉会上升，是因为火山运动和地壳板块的碰撞，由地表底部往上，再由河流通过侵蚀和沉积作用带回地表；地壳的循环运动便是地壳混合的过程，这一岩石的循环就像是湍流中的漩涡，范围扩及全球，其生命与地球的历史一样悠久。
那么，我们是如何得知地壳变动的循环在过去不曾间断的？在我幼年时，每到夏天就会去爬喀尔巴阡山 （Carpathian Mountains）。我还记得，当时的我非常困惑于那些曾被几条河流垂直切割出的陡峭峡谷，而我得到的解释是河流侵蚀了岩石，并将石砾裹挟到下游。虽然这个说法是对的，但并不令人满意。若要切割山脉，河流必须先往上流，这相当不合理，河流流动的自然方向应该是环绕着山谷。
唯一的解释就是河流比山脉还要久远。平原中的河流渠道非常缓慢地提升，直到形成今天的山脉；河流持续流动，并持续冲刷冉冉上升的地壳。
你看，要学习科学就必须问问题。为了拥有所有可以维持生命的好事物，不管是在科学、技术还是财富领域，都要拥有质疑的自由。那些在科学、想法和财富上引领世界前进的社会（图 1.2），都鼓励年轻人质疑现状与权威，而这绝非巧合。
最难质疑的是那些最常见的现象。为什么要花那么久的时间才能理解自然趋势，甚至花了更久的时间才在物理学领域记下第一原理？因为人类思维的演化是人类和机器物种演化的一部分；当遭遇不可预期的危险时，为了生存而适应和改变是很自然的。这就是为什么我们最先质疑的，通常是那些不寻常的“惊喜”（思想好像突然被凌空抓起，就像动物被捕食者的爪子抓住一样）；而那些潜藏在最熟悉的、最不起眼的事物之中的，反倒是最后才被质疑的。能从熟知的事物里发掘出新的问题，这在科学的发展中是很罕见的。
我希望本书可以赋予你一种全新的视野，了解地球就像扩散出去的血管系统，其中有正在流动的居民、汽车、飞机、政府等等。这种新视野也会证实，渴望 （urge）拥有更好的想法、更好的定律和政府，来自于相同的物理效应。在这里，我使用“渴望”一词涵盖像自然趋势、推动力、意图、驱动和本能等其他名词。
渴望改善、组织、参与、说服别人和改变的动力，是所有人的共有特征。这就是为什么人类与机器的演化是朝向更伟大、更容易、更高效和更久远的方向运动。很明显这就是演化的过程，也是从物理学的角度，探讨可持续发展以及如何达成可持续的基石。
我成长于社会主义国家罗马尼亚 （Romania），位于多瑙河三角洲 （Danube Delta）附近的城市加拉茨 （Galaţi）。虽然那时的我没有护照，无法离开这个国家，但我可以在港口看到远洋渔船的名字和颜色，以及来自海外的船员。这滋养了我的想象力。
当时，我非常沉迷于法国小说家儒勒·凡尔纳 （Jules Verne），以及和我父母同时代的畅销书作家。
不过，先别管我的想象力！儒勒·凡尔纳的书中有尼莫船长和鹦鹉螺号潜艇的原始插图，还有《气球上的五星期》 （Five Weeks in a Balloon）与《环游世界80天》 （Around the World in 80 Days）中提到的远方。
从这些书中，我了解到这个世界一直在流动和改变，并能从周围看出来呈现流向更好的状态。在我的成长过程中，行驶于多瑙河上的是侧轮汽船；年纪更大时，柴油引擎取代了蒸汽发动机。当我准备离开罗马尼亚时，水上飞机出现了。我亲眼见证了儒勒·凡尔纳的想象和达·芬奇画作中的演化过程。
我从未渴望书中的发明成真，也许是因为在我的成长过程中，这种动力已经被满足了。我看到侧轮汽船变成水上飞机，而街上的马车被汽车取代。虽然我的父母没有车子，但现在的我可以驾驶一辆车，感受风吹拂过我的脸庞。火车是令人兴奋的交通工具，但我对飞机却感到敬畏。你可以说，我就像是来自19世纪的人。
人类是全球生命系统的一部分，人类与机器物种每一秒都在演化，而且会变得越来越好。万物都在流动和改变，这真的非常令人惊叹。
注释
[1] A. Bejan and J. P. Zane, Design in Nature: How the Constructal Law Governs Evolution in Biology, Physics, Technology, and Social Organization (New York: Doubleday, 2012).
[2] A. Bejan and S. Lorente, “The Constructal Law and the Evolution of Design in Nature,” Physics of Life Reviews 8 (2011): 209-240.
[3] T. Basak, “The Law of Life: The Bridge between Physics and Biology,” Physics of Life Reviews 8 (2011): 249-252.
[4] A. Bejan, J. D. Charles and S. Lorente, “The Evolution of Airplanes,” Journal of Applied Physics 116 (2014): 044901.
1 编者注：布朗运动（Brownian Motion）是指微小粒子表现出的无规则运动。
2 编者注：幂次法则指的是事物的发展，其规模与幂次成反比，规模越大，幂次越小。