3．演化的普适规律 省时省力省料

演化经常是如此的复杂，以致对每一类问题，细节性的过程需要大量专家去探索。虽然如此，演化的大方向和大结局至少可以用我们的常识和直觉去定性地理解和描述。演化是多种因素相互影响的结果，它们之间的相互制约会使表面上的对抗，隐含了某种相互包容以及妥协。这会使演化的方向、过程与结局遵循一些普适的规律。演化的方向也能体现削富济贫、缩小差异。演化的长远结局往往使差异最小化或利益最大化或者状态更稳定。这可能决定了演化对过程的选择：朝着缩小差异的方向，并构筑一些中间过程（如开水沸腾）或副产品（如生物圈的诞生、城市的出现），以便尽可能快且代价最小化地满足差异最小化、利益最大化和状态更稳定。省时、省力和省料不单是人类的智慧行为，大自然的演化也会这么奇巧。比如说蜂巢那样的六角形结构就是多方博弈的妥协，这种妥协就导致了省料，以及筑巢过程最快（即省时）。也因为如此，演化的终极结果往往可以预测，对演化规律的理解可有助于预测未来。

演化的趋向：缩小差异（图1.37）

高处的自由物体会下落，水往低处流，温度高的暖气片向房间内温度更低的地方输送热量。这都是朝着缩小差异的方向演化的结果。暖气片输热是在缩小暖气片温度与周围空气温度差异的过程。高处的水与物体，比低处的位置更高，势力（势能）更大。往低处流动与落下，也是与低处的水与物体缩小差距的体现。因此，演化的方向也可以说成是慷慨解囊、削富济贫。缩小贫富差距，才能更稳定，这才是演化的方向。

如果把初始的差异定义成有序状态，缩小了的差异定义成无序状态，那么可以理解为演化朝着更无序的方向演化。把树叶茂盛当作一种有序状态，那么秋风扫落叶后，树叶随机散落在地面当然可以看成一种无序状态。落叶无序是自然的过程，树叶散落后不会自动跑回树上。在一杯清水中滴一滴墨水，墨水就散开了，即显得更无序了。散开后，在没有特殊干预情况下，浑水不会自动变回原来的一滴墨水和一杯清水。

因此，让一个包含了差异的状态自然演化，会朝着更无序的方向演化。

表述无序的正规术语：熵

物理学上用“熵”表示无序的程度。熵越大表示无序程度越高，熵越小表示无序程度越低。因此有一个物理学原理是这样说的：让一个没有外部作用干预的孤立系统自然演化，其熵只会增加不会减小，即只能越来越无序而不能越来越有序。也就是说，孤立系统中的差异会缩小，顶多不变。

这是一个普适法则，物理学上把这个叫热力学第二定律（热力学第一定律是指，给一个系统注入能量，那么该系统吞掉一部分能量变成内部能量即内能，剩下的一部分给外部做点贡献即用于膨胀做功）。爱因斯坦认为热力学第二定律是具有普适价值的唯一物理学理论，即放在哪里都能用，绝对不会错。用热力学第二定律可以证明，不可能制造出永动机（据报道，量子行为有违背热力学第二定律的可能性）。

高温空气向周围低温空气传送热量，而不是反过来由低温向高温输送热量使暖气片越来越热。为何这种现象非得说成是变得越来越无序了即熵增加了？原来，空气之所以有冷暖，是因为空气分子在做杂乱无章的热运动。每个分子一会儿跑到这里，一会儿跑到那里。温度越高，那么这种热运动就越强烈，从某种角度上说就越无序。因此，暖气片的热流传到冷空气中，使冷空气变热了分子热运动加强了，就是变得更无序了，即温度的演化朝熵增方向演化。

当然，我们会说，地球上生物的诞生难道不是变得越来越有序了？尤其像人一样的动物，有形的外表、功能齐全且能完美协同的器官、各种循环系统，这难道不是一种有序的表现？布满空隙的藕条、雨伞一样的荷叶、灿烂的荷花、鲜嫩可口的莲子，这可是完美的有序结构，它们明明是从无序的污泥中生长而成。小荷才露尖尖角，漫无边际的莲花雕刻着清澈的湖面，这显然是一种高度有序的自然画卷。其实这不违背热力学第二定律，因为该定律是指孤立系统。地球生物圈接受太阳光等外力的干预，不是孤立演化出来的。再说，眼光放大点看，相比于只有炙热的太阳和光秃秃的行星的太阳系，生物圈的存在就是一种无序。

省时省力 最大熵增率 最小作用原理（图1.38）

如果说差异朝着缩小的方向演化，那这个普适法则却并没有告诉我们以什么样的速度演化。大自然也像人类的某些行为一样，有点着急，有点偷懒，以致由一个状态向另外一个状态的演化，会寻求最省时和最省力的演化过程。费力不讨好的事情，拖拖拉拉的事情，连大自然都不干。当然，科学家不会以这种方式来表述，把熵拉进来说事，就会显得科学一点。

加热平底锅一薄层水。锅底的水在加热后，温度增高，甚至变得更轻。热量从锅底高温位置，通过薄层的水散到水的上表面。这种在静态水（空气中类似）中，热量由高温位置向低温位置传播的过程就是热传导。继续加热，就可能出现许多六角形元胞（也称为贝纳尔涡，又称为瑞利-贝纳尔元胞，因为是他们通过实验研究提出了形成机理及其影响因素的）。六角形中心的水在上升，上升后的水沿六角形边缘下降。这种由于加热后引起的在浮力作用下的水流（或气流）上升，也称为自然对流。在大气中，在高度越低温度越高的区域中，也存在这种“沸腾”导致的对流现象。你在空中释放一根小毛毛，小毛毛可能往上蹿，这就是自然对流在把小毛毛举向高空。

以上现象，以及非常多的其他演化现象，蕴含着两大基本原理，按科学语言就是最小作用原理和最大熵增率原理，实际上就是省力和省时原理。这些简单普适的原理，左右着所有运动与演化。最小作用原理的提出者皮埃尔·路易·莫泊特斯（Pierre Louis Maupertuis）认为，自然界尽量节省其作用付出的代价。有速度的物体在没有外力时，走直线，因为走直线的代价最小。有转动因素驱动而生成的台风和澡盆涡，近似以圆周路径旋转，因为只有这样，各点走的路径才基本相似，否则就会相互干扰。能一样就一样，避免因差异带来的冲突，也是省力的一种表现。

齐格勒（Ziegler）提出的最大熵增率原理是指演化速度需要遵循的规律。虽然表述的是无序化的速率要最快，但也可以说成是省时原则。加热平底锅薄层水的过程中，出现六角形元胞，就是让热量的输送最快，或者说缩小上下温差的速度最快。如果说缩小温差就是一种熵增，最大熵增率原理就是指演化使熵增加的速率最快。

尽快完成，代价最小化，这就是自然所遵循的普适法则。如果局部出现有序结构（如美丽的生物圈，流线一样的河道，圆圈型的涟漪，等等）有助于满足整体上代价最小化和最大熵增率原理，那么就会出现局部有序结构。弯弯的河道尽量光顺，才能使水流顺畅，才能使高水位更快地流向低水位，使水位差缩小的速度最快，反映位势差的缩小速率的熵增率最大。

生物圈的形成与优美的演化，表面上看，局部或者个别生物本身更有序、更优美，从而熵更小。但把地球看成一个整体，其中的生物部分变得有序、自身的熵最小，则整个地球产生的熵最大化。

神秘的六角形（省料）（图1.39）

煮水形成的瑞利-贝纳尔元胞中，温度增高的水通过浮力在六角形中心上升，上去后将热量传递给空气从而冷却了一些，又在旋涡带动以及重力作用下，迫不及待地沿六角形边缘下降，尽快去吸收新的热量再从中央上升。这好像是人为设计的尽快向上搬走热量的机器，没有什么其他手段比这效率更高。

我们会问，为何是六角形元胞，而不是圆形。原来，六角形可以挨着一个接一个，而圆相接时，三个相邻的圆之间会留下空隙，不能最大化地覆盖锅底。正三角形、正四角形和正六角形都能无缝地铺满整个平面。其他规则多边形都不能，圆也不能，因此不能有效利用全部空间。六角形与三角形和四边形相比，同样面积情况下，边长的和最小。因此六角形既能占满空间又最省料。

由数千个巢房组成的蜂巢，每一个都采用正六边形，可以无缝覆盖，最大限度地利用空间，利用了六角形所需材料最少且可使用的空间最大的原理。当然，蜜蜂的聪明可能并不是因为它们懂数学，可能是在巢穴中相互挤来挤去，最后挤成六角形，就没法再挤出别的形状了。小蜜蜂各自占据自己的巢穴，都想自己的空间最大化，于是应该会挤来挤去。最后的结果是妥协，使各自的空间最大，总的空间不变。利益最大化，却最省料。

高尔夫球的酒窝凹槽是为了打乱气流，减弱拐弯涡带来的压阻，以便飞得更远。为了最有效地打乱气流，也可能做成六角形的。

冰的分子具有六角形结构，而生成冰的水则是三角形结构。显然，这会使冰比水轻。这种六角形结构还使角点更容易抓捕小水珠，长出六角形雪花。