非线性缩放的威力——读《规模》

不少人可能都听过这个说法,如果把一个成年人身体按比例放大两倍,他的骨骼会被自身体重压垮。《规模》这本书以此出发,将背后的物理规律进行推导、扩展,得到了许多现实生活中有趣有料的结论。

这本书全称《规模:关于增长创新可持续的普遍规律和生物体、城市、经济、公司的生命节奏》,作者是英国物理学家杰弗里·韦斯特(Geoffrey West)。先说下身体为什么不能按比例放大吧,其实道理一点也不复杂。我们知道身体的体积与尺寸成三次方关系,骨骼截面积与尺寸成二次方关系。而身体重量与体积成正比(比例系数为密度),骨骼承重力与面积成正比。也就是,身体重量的变化与骨骼承重力并不成正比。在身体尺寸放大一倍时,重量增加到原来的八倍,而骨骼承重力只增加到四倍,可不是被压垮了!如果只到此为止,也就是个趣闻而已。《规模》将它总结为一个公式。

简单却十分有用的公式

如果 k=1,那就是线性关系,你可以按照简单比例放大,X 增大一倍,Y 也增大一倍。如果 k>1,就叫做“超线性”关系,英文叫 superlinear;如果 k<1,就叫“次线性”关系,英文叫 sublinear。

按这个公式描述,体重与尺寸的关系里,k=3,是超线性关系。但折算下来,承重力与体重的关系里,k=2/3,为次线性关系,说白了,也就是承重力没有体重增长快。也可以说一个生物体的力量,是和他体重的 2/3 次方成正比。通过对1956年奥运会举重比赛的成绩和选手的重量进行数据分析,统计结果完美符合这一公式。

同时,这个公式也意味着越小的东西反而看上去越有力量。蚂蚁非常小,但是它可以背起来比它自身体重重很多的东西。大人已经很累了,孩子们仍然在不知疲惫地跑来跑去,根本原因在于小孩体重轻,他们的相对力量更强。

将此推广延伸到工程领域,会发现更多有趣的事情。现在的货轮是越造越大,原因是船要克服的航行阻力,是跟船的载重量的2/3次方成正比 —— 如果你能把载重量扩大到10倍,你需要的动力只要是原来的4.6倍就可以了。在造船的过程中,人们又发现根据数学关系进行模型缩比,模拟的船速跟模型尺寸的平方根,也就是1/2次方成正比。按这个比例缩比,动力学特征是一样的,风洞试验也类似,这就大大增强了仿真能力。

在此基础上,我们还可以继续开脑洞。王思聪用五亿赚了二十亿,四倍;两块钱买双手套,搬砖一天赚八十,四十倍;不见得我比王思聪赚钱能力强,不同量级并不是线性放大。一条虫子从二楼掉下去没事,一只猫也行,换成人可能就残了。刘邦带兵无法超过十万,而韩信则多多益善,高下立判。而可能的一个反面例子是老子“治大国如烹小鲜”,国家治理没那么简单。

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