3．演化的普適規律 省時省力省料

演化經常是如此的復雜，以致對每一類問題，細節性的過程需要大量專家去探索。雖然如此，演化的大方向和大結局至少可以用我們的常識和直覺去定性地理解和描述。演化是多種因素相互影響的結果，它們之間的相互制約會使表面上的對抗，隱含了某種相互包容以及妥協。這會使演化的方向、過程與結局遵循一些普適的規律。演化的方向也能體現削富濟貧、縮小差異。演化的長遠結局往往使差異最小化或利益最大化或者狀態更穩定。這可能決定了演化對過程的選擇：朝著縮小差異的方向，并構筑一些中間過程（如開水沸騰）或副產品（如生物圈的誕生、城市的出現），以便盡可能快且代價最小化地滿足差異最小化、利益最大化和狀態更穩定。省時、省力和省料不單是人類的智慧行為，大自然的演化也會這么奇巧。比如說蜂巢那樣的六角形結構就是多方博弈的妥協，這種妥協就導致了省料，以及筑巢過程最快（即省時）。也因為如此，演化的終極結果往往可以預測，對演化規律的理解可有助于預測未來。

演化的趨向：縮小差異（圖1.37）

高處的自由物體會下落，水往低處流，溫度高的暖氣片向房間內溫度更低的地方輸送熱量。這都是朝著縮小差異的方向演化的結果。暖氣片輸熱是在縮小暖氣片溫度與周圍空氣溫度差異的過程。高處的水與物體，比低處的位置更高，勢力（勢能）更大。往低處流動與落下，也是與低處的水與物體縮小差距的體現。因此，演化的方向也可以說成是慷慨解囊、削富濟貧。縮小貧富差距，才能更穩定，這才是演化的方向。

如果把初始的差異定義成有序狀態，縮小了的差異定義成無序狀態，那么可以理解為演化朝著更無序的方向演化。把樹葉茂盛當作一種有序狀態，那么秋風掃落葉后，樹葉隨機散落在地面當然可以看成一種無序狀態。落葉無序是自然的過程，樹葉散落后不會自動跑回樹上。在一杯清水中滴一滴墨水，墨水就散開了，即顯得更無序了。散開后，在沒有特殊干預情況下，渾水不會自動變回原來的一滴墨水和一杯清水。

因此，讓一個包含了差異的狀態自然演化，會朝著更無序的方向演化。

表述無序的正規術語：熵

物理學上用“熵”表示無序的程度。熵越大表示無序程度越高，熵越小表示無序程度越低。因此有一個物理學原理是這樣說的：讓一個沒有外部作用干預的孤立系統自然演化，其熵只會增加不會減小，即只能越來越無序而不能越來越有序。也就是說，孤立系統中的差異會縮小，頂多不變。

這是一個普適法則，物理學上把這個叫熱力學第二定律（熱力學第一定律是指，給一個系統注入能量，那么該系統吞掉一部分能量變成內部能量即內能，剩下的一部分給外部做點貢獻即用于膨脹做功）。愛因斯坦認為熱力學第二定律是具有普適價值的唯一物理學理論，即放在哪里都能用，絕對不會錯。用熱力學第二定律可以證明，不可能制造出永動機（據報道，量子行為有違背熱力學第二定律的可能性）。

高溫空氣向周圍低溫空氣傳送熱量，而不是反過來由低溫向高溫輸送熱量使暖氣片越來越熱。為何這種現象非得說成是變得越來越無序了即熵增加了？原來，空氣之所以有冷暖，是因為空氣分子在做雜亂無章的熱運動。每個分子一會兒跑到這里，一會兒跑到那里。溫度越高，那么這種熱運動就越強烈，從某種角度上說就越無序。因此，暖氣片的熱流傳到冷空氣中，使冷空氣變熱了分子熱運動加強了，就是變得更無序了，即溫度的演化朝熵增方向演化。

當然，我們會說，地球上生物的誕生難道不是變得越來越有序了？尤其像人一樣的動物，有形的外表、功能齊全且能完美協同的器官、各種循環系統，這難道不是一種有序的表現？布滿空隙的藕條、雨傘一樣的荷葉、燦爛的荷花、鮮嫩可口的蓮子，這可是完美的有序結構，它們明明是從無序的污泥中生長而成。小荷才露尖尖角，漫無邊際的蓮花雕刻著清澈的湖面，這顯然是一種高度有序的自然畫卷。其實這不違背熱力學第二定律，因為該定律是指孤立系統。地球生物圈接受太陽光等外力的干預，不是孤立演化出來的。再說，眼光放大點看，相比于只有炙熱的太陽和光禿禿的行星的太陽系，生物圈的存在就是一種無序。

省時省力 最大熵增率 最小作用原理（圖1.38）

如果說差異朝著縮小的方向演化，那這個普適法則卻并沒有告訴我們以什么樣的速度演化。大自然也像人類的某些行為一樣，有點著急，有點偷懶，以致由一個狀態向另外一個狀態的演化，會尋求最省時和最省力的演化過程。費力不討好的事情，拖拖拉拉的事情，連大自然都不干。當然，科學家不會以這種方式來表述，把熵拉進來說事，就會顯得科學一點。

加熱平底鍋一薄層水。鍋底的水在加熱后，溫度增高，甚至變得更輕。熱量從鍋底高溫位置，通過薄層的水散到水的上表面。這種在靜態水（空氣中類似）中，熱量由高溫位置向低溫位置傳播的過程就是熱傳導。繼續加熱，就可能出現許多六角形元胞（也稱為貝納爾渦，又稱為瑞利-貝納爾元胞，因為是他們通過實驗研究提出了形成機理及其影響因素的）。六角形中心的水在上升，上升后的水沿六角形邊緣下降。這種由于加熱后引起的在浮力作用下的水流（或氣流）上升，也稱為自然對流。在大氣中，在高度越低溫度越高的區域中，也存在這種“沸騰”導致的對流現象。你在空中釋放一根小毛毛，小毛毛可能往上躥，這就是自然對流在把小毛毛舉向高空。

以上現象，以及非常多的其他演化現象，蘊含著兩大基本原理，按科學語言就是最小作用原理和最大熵增率原理，實際上就是省力和省時原理。這些簡單普適的原理，左右著所有運動與演化。最小作用原理的提出者皮埃爾·路易·莫泊特斯（Pierre Louis Maupertuis）認為，自然界盡量節省其作用付出的代價。有速度的物體在沒有外力時，走直線，因為走直線的代價最小。有轉動因素驅動而生成的臺風和澡盆渦，近似以圓周路徑旋轉，因為只有這樣，各點走的路徑才基本相似，否則就會相互干擾。能一樣就一樣，避免因差異帶來的沖突，也是省力的一種表現。

齊格勒（Ziegler）提出的最大熵增率原理是指演化速度需要遵循的規律。雖然表述的是無序化的速率要最快，但也可以說成是省時原則。加熱平底鍋薄層水的過程中，出現六角形元胞，就是讓熱量的輸送最快，或者說縮小上下溫差的速度最快。如果說縮小溫差就是一種熵增，最大熵增率原理就是指演化使熵增加的速率最快。

盡快完成，代價最小化，這就是自然所遵循的普適法則。如果局部出現有序結構（如美麗的生物圈，流線一樣的河道，圓圈型的漣漪，等等）有助于滿足整體上代價最小化和最大熵增率原理，那么就會出現局部有序結構。彎彎的河道盡量光順，才能使水流順暢，才能使高水位更快地流向低水位，使水位差縮小的速度最快，反映位勢差的縮小速率的熵增率最大。

生物圈的形成與優美的演化，表面上看，局部或者個別生物本身更有序、更優美，從而熵更小。但把地球看成一個整體，其中的生物部分變得有序、自身的熵最小，則整個地球產生的熵最大化。

神秘的六角形（省料）（圖1.39）

煮水形成的瑞利-貝納爾元胞中，溫度增高的水通過浮力在六角形中心上升，上去后將熱量傳遞給空氣從而冷卻了一些，又在旋渦帶動以及重力作用下，迫不及待地沿六角形邊緣下降，盡快去吸收新的熱量再從中央上升。這好像是人為設計的盡快向上搬走熱量的機器，沒有什么其他手段比這效率更高。

我們會問，為何是六角形元胞，而不是圓形。原來，六角形可以挨著一個接一個，而圓相接時，三個相鄰的圓之間會留下空隙，不能最大化地覆蓋鍋底。正三角形、正四角形和正六角形都能無縫地鋪滿整個平面。其他規則多邊形都不能，圓也不能，因此不能有效利用全部空間。六角形與三角形和四邊形相比，同樣面積情況下，邊長的和最小。因此六角形既能占滿空間又最省料。

由數千個巢房組成的蜂巢，每一個都采用正六邊形，可以無縫覆蓋，最大限度地利用空間，利用了六角形所需材料最少且可使用的空間最大的原理。當然，蜜蜂的聰明可能并不是因為它們懂數學，可能是在巢穴中相互擠來擠去，最后擠成六角形，就沒法再擠出別的形狀了。小蜜蜂各自占據自己的巢穴，都想自己的空間最大化，于是應該會擠來擠去。最后的結果是妥協，使各自的空間最大，總的空間不變。利益最大化，卻最省料。

高爾夫球的酒窩凹槽是為了打亂氣流，減弱拐彎渦帶來的壓阻，以便飛得更遠。為了最有效地打亂氣流，也可能做成六角形的。

冰的分子具有六角形結構，而生成冰的水則是三角形結構。顯然，這會使冰比水輕。這種六角形結構還使角點更容易抓捕小水珠，長出六角形雪花。