简介
【颠覆达尔文的演化论，从物理学的角度阐述万物演化】
本书突破了传统角度和观念，以作者率先提出的建构定律为基础，结合生物学和地球物理学等多种学科，综合无机生命（如河流、闪电、雪花、空气湍流）和有机生命（如动物、植物）的范畴，通过剖析社会制度、科学技术、能源和经济、水和食物供应、体育健康和文化氛围等一系列问题，研究万物运行的特性，及其背后存在的根本推动力。
本书还另辟蹊径地论证为什么世界能够如此运行的法则和规律，以及演化现象是比生物圈的进化概念更宽泛、更古老的存在，从而引导读者能更好地理解地球上的各个系统以及文化和政治发展的自然演化过程。
作者介绍
阿德里安·比赞（Adrian Bejan）
★世界杰出的能源科学家之一
★获得过十多个重大奖项，包括由美国机械工程师学会及美国化学工师学会联合颁发的国际传热界学术奖和终身成就奖：马克杰可奖（Max Jakob Memorial Award）
★热力学及流体力学中的“比赞数（Be）”即得名于比赞教授
★因创立建构定律（Constructal Law）而闻名于世
★位列2001年全球机械工程领域前100位文章引用次数最多的科学家之一
★美国机械工程师协会荣誉会员，欧洲科学院及多个国家的科学院院士
★美国麻省理工学院博士，加州大学柏克莱分校研究员，杜克大学机械工程学系讲席教授，曾任日本庆应大学、葡萄牙埃武拉大学、南非比勒陀利亚大学及中国香港理工大学教授
★获颁11个国家18所著名大学的荣誉博士学位，著有30部图书和600多篇国际审议期刊文章
部分摘录：
体育运动的演化 Sports Evolution 物理原理就像颗水晶球，让我们看透未来与过往。
大多数人可能对技术的演化不太熟悉，但肯定对运动的演化非常熟悉，毕竟运动是日常生活的重要部分。我们观看、练习运动，并从运动中获得启发。每个人都喜欢胜利者。
体育演化的微妙之处，在于它在科学与技术中所扮演的角色。体育就像一座科学实验室，我们可以了解运动背后的原理，让运动员和教练能够选择更有效的方法进行训练。每个人都对卓越表现的秘诀感兴趣，而这个秘诀就是科学。物理学的原理预测了体育的演化和未来发展。正如我的一个运动教练曾说过：“什么也比不上训练。”这不是说我们应该像疯子般锻炼身体；他的意思是一旦学会了一项技能（不论好坏），它就不会离开你。这个原则适用于从音乐到数学的每一项技能。
讲究速度的运动会越来越快，例如短跑和游泳，不过这是演化现象中显而易见的现象。细微之处在于这些运动为什么越来越快？怎样越来越快？
过去100年的短跑 （100米赛跑）和游泳 （100米自由泳）的速度记录汇编显示，新冠军的体型往往比之前的冠军更大，[1]较大也表示身体重量更重（质量M）、身高更高 （L或[M/ρ]1/3，ρ指的是身体密度），这是一个重要且合理的趋势。从1900年到2002年，速度最快的短跑运动员和游泳运动员的平均身高比同时期人类平均身高增长了1.5倍，即12.5厘米：5厘米。
针对水中游的、地上跑的、空中飞的动物，将其中佼佼者的速度和身体尺寸画成图表，就能再次确认速度与尺寸之间的关系。“建构定律”对所有动物的速度和质量的关系有下列预测[2]：
Vs〜M1/6g1/2ρ–1/6（游泳）
Vr〜rM1/6g1/2ρ–1/6（奔跑）
Vf〜(ρ/ρa)1/3M1/6 g1/2ρ–1/6（飞行）
附录会介绍这些关系的推导。系数 （ρ/ρa）1/3大约等于10，因为身体的密度 （ρ）和水的密度 （1000kg/m3）大致相同，g为重力加速度，而四周环境（空气）的密度 （ρa）是1kg/m3。陆生动物奔跑的速度介于Vf和Vs之间，其中系数r在1和10之间，所以Vs＜Vr＜Vf 。如果将V以米/秒为单位来表示，M以千克为单位来表示，则前述的关系大致如下：
Vs〜 M1/6（游泳）
Vr〜 rM1/6（奔跑）
Vf〜 10M1/6（飞行）
与这些相关的是运动距离为Lx时所做的功：[3]
WS〜MgLx（游泳）
Wr〜r-1MgLx（奔跑）
Wf〜(ρ/ρa)-1/3MgLx（飞行）
陆生动物在跑步期间所做的功介于Wf和WS之间，所以WS＞Wr＞Wf。这是由于体型更大的动物行进得更快，单位距离会做更多的功，需求是随着海→陆→空的方向减少。这解释了地球生物的演化，为何是依循海洋、陆地、天空的方向。
人类与机器的运动也沿着相同的方向发展，从在河流上使用划桨的小船沿着岸边行驶，到陆地上的轮子和车厢，再到现代的飞机。如今所有设计都已就位，并会持续延伸到大气的更上层、海洋的更深处和更远的外层空间。
相同的电影（设计演化上更好的说法是：沿着特定时间方向的序列影像）显示了速度随着时间往前一直增加，并会持续下去。对于体重相同的运动员来说，跑步者比游泳者快，而飞行者又比跑步者更快。在无生命的演化中也是一样的，例如河流流域。在持续降雨中，所有渠道的持续变化都是让河流变得更通畅，并为流动提供一个更顺畅的途径。
我们在四组跑得最快的运动员、跑步者和游泳者(男性和女性)[4]身上发现了相同的演化设计，以及可以让我们用来预测的“建构定律”原则。速度应该以身体质量M1/6的关系式来增加，或是以身体高度的1/2次幂增加。
一般来说，“建构定律”指出体型大的动物，速度应该会更快。比较大象和老鼠，以及博尔特和小学男生，我们再次看到这无可辩驳的预测；因为就一般而言，没有人可以预测单一个体。自然界的设计是原理（秩序）与多样性（例外）的和谐共存。
演化的方向是单一的，因为不同的个体（运动员）都在追求相同的目标：胜利。我们的目标不是速度，而是要赢得胜利，在社会中取得进步，生活得更好、更富有、更长寿、走得更远，并且为后代留下更多的遗产（如继承）。回归本质来看，演化真正的目标是要拥有更多的活力。不同种族的演化过程都具有相同的设计，我们已经在不同物种的演化中见到这件事：例如鲨鱼和海豚，即使鲨鱼是鱼类、海豚是哺乳类，它们还是演化出相同的外形和运动方式，而鱼类模拟哺乳类动物则更悠久。
跑步、游泳和飞行是周期性的前进运动，其特定频率来自于“建构定律”。当体型更大时，频率也会更低，如附录所示。“发生”在这特殊频率的身体水平速度 （V），当其身体体型（长度尺寸为L）较大时，速度和L的平方根成正比。
总的来说，速度来自距离。从比萨斜塔塔顶扔一颗石头到地面的速度和距离，会比我从头顶扔那颗同样的石头到地面更快、更远。
了解速度和尺寸大小之间的关系是相当重要的，因为人们已经提出了许多关于体育运动的速度，以及如何提高速度的办法，这些想法包含了从运动员的出生、成长，直到训练运动员的方式。更不用说除了天生条件之外，后天培养也起着一定的作用。当其他因素和条件（食物、训练、医疗保健等）相同时，物理定律相关的“尺寸决定速度”的部分就出现了。
一种观点是，速度还取决于机械式的驱动效率，也就是肌肉收缩；一些短跑运动员就拥有大量的快速收缩肌肉。的确，任何动物和运动员都需要能够收缩的肌肉，才能做功、移动身体，也就是产生肌肉收缩。
收缩的速度远大于运动的速度，也就是身体（骨盆）向前运动的速度。跑步和肌肉收缩是两种不同的动作。
由于进化的规律现在已经为人所知，那么将演化的设计快进以及预测未来将成为可能。2009年，我们在关于体育运动速度演化论文的结尾做出这样的预测：
在未来，我们可以预测到速度最快的运动员会更重、更高。如果领奖台上有各种体型的运动员，那么关于速度的运动可能需要区分重量级别。选手力气与体重间的关联性并不是不切实际的猜想，这在现代运动发展的初期就能看出。在举、推和击打上，体重较重的运动选手比体重轻的更有力，因此举重、摔跤和拳击赛实行重量分级制度。同样地，体型大的运动员在跑步和游泳比赛中也会更快。[5]
在这一系列预测中，我们可以肯定地加上美式足球，因为在追求速度和力量（推动和撞击对手）的运动中，会吸引更高大的运动员参加比赛。那些冷门运动一定要改变或废除规则。在罗马竞技场中，与狮子搏斗的角斗士已转变成与公牛战斗的斗牛士。
尺寸有益于速度，但并不是唯一影响因素，还有文化、体育教育、食物、训练方法、设施、医疗咨询以及运动员的热忱。运动员就像音乐家，以各种风格演奏自己的身体。但如果其他的条件都相同，体型大小就起到了决定性的作用。
某些类型的身体结构对于增加速度也有帮助。广义来说，这与选手的地理起源有关。根据发现的结果，体型大的球员速度应该更快，[6]我们也解释了为什么速度最快的短跑选手往往来自西非，而最快的游泳选手则来自欧洲。[7]这是由于在身高相同的运动员中，西非选手的身体重心平均比欧洲选手的重心高了3％。
在短跑比赛中，所谓的重要高度指的是身体重心距离地面的高度，而且因为速度是高度的1/2次幂关系，所以3％的高度差异可以转变成1.5％的速度优势。对于西非的短跑选手来说，这可是巨大的优势。
相反地，欧洲选手的平均身体躯干比西非选手长3％，而身体在水上的高度则上升3％，产生的水波高度也会增加3%，他们身体和其创造出来的水波对于前进有1.5％的速度优势。
总的来说，一个简单的理论物理想法说明了田径运动中“不同的演化”，短跑运动会以西非选手的身体结构为典型，游泳比赛则会以欧洲选手的身体结构为典型。至于亚洲优胜者则因为第一个效应，在这两项运动中都很少见，[8]即缺乏具有优势的身高。从某种意义上来说，天生的自然优势，是培育运动选手的先决条件。[9]
腿的优势在陆地，躯干的优势则在水中。这个预测是体育演化的“建构定律”在生物学上的贡献。如果你已经知道体育的演化，就会知道水生动物和陆地动物看起来不一样的原因，也知道该如何下注。
短跑最快的动物（猎豹、阿拉伯马、灰狗猎犬）都具有高重心的身体结构，而游得最快的动物是没有腿部的。因此，可以推测从陆地演化到海洋的哺乳动物（像鲸鱼、海豚）会出现萎缩的腿和骨盆。你也不需要为了发现而杀戮和解剖，因为你有能力预见，而物理定律就是你的水晶球。
尺寸和种族的起源并不是决定陆地和水中速度的主要因素。另一个因素是体型相同的运动员，其身体运动频率的细微调整，图5.1说明了奔跑时这一因素的影响。从物理学的角度来看，跑步是一种让重量维持在地面上的倒—向前 （falling-forward）运动，通过“人体车轮”中的两根辐条向前滚动。[10]需要更快地倒向前方，就是人类跑步时会自然地（本能地）举起手臂向前摆动，与腿部的步伐同步，让每一步身体的质心向前推进，并比垂直方向拉力（重力）产生的前进距离更远。摆动手臂是速度滑冰的自然特征，滑冰运动员的体型越大越高，就越有优势，因此可以前进得越快越远。
“人体车轮”的两根辐条就是跑步者的腿。在图5.1中，垂直杆代表选手的腿，而身体的质量集中在一个点（中心），并位于杆子的最上端。展现出四种跑步者的设计：两个代表高的选手 （a,b），两个代表矮的选手 （c,d）。在其中的两个设计 （a,c）中，身体质量以足部为支点并向前摆动30°，而其他两个设计 （b,d）是向前摆动90°一直到地面。这四种跑步方式 （a-d）花费的时间相同，但速度和跑步的距离按照顺序排列，却是a＞b＞c＞d，这是为什么呢？
有两个原因：首先，根据描述所有动物运动的“建构定律”，预测中高的选手 （a,b）会比矮的选手 （c,d）跑得更快。[11]这解释了短跑比赛中的“博尔特现象”，也解释了为什么男子100米四肢并用跑的纪录时间［16.87秒，伊藤健一 （Kenichi Ito），2013年11月14日，东京］大约是博尔特纪录的31/2倍。伊藤健一的身体重心高度是博尔特的1/3。为什么？因为在百米四肢并用跑中，质量重心高度下降了约1/2，而且伊藤比博尔特矮了许多。
其次，在相同高度的跑步者中，短步伐 （a,c）比长步伐 （b,d）具有更快的速度。较短的步伐意味着更快的步伐频率，这解释了美国田径选手“迈克尔·约翰逊 （Michael Johnson）现象”：保持身体直立来加快跑步，并在单位时间内跑更多步。
归根结底，图5.1显示短跑中的速度快慢有两个独立的因素，即体型 （a,b）和步伐速度 （a,c）。两个截然不同的运动风格（博尔特和迈克尔·约翰逊）成功地说明了一个演化趋势：跑步要提高身体重心。
跑步者在地面上运动，就像一根不断向前倒的杆子。运动员的质量集中在杆子最上端的点。杆子高度是运动员的重心相对于地面的位置。高的运动员（a，b）比矮的运动员（c，d）快。较快的步幅频率（a，c）与较慢的步幅频率（b，d）相比，具有更快的前进速度。（Copyright 2016 by Adrian Bejan）
这一成功还表明，进化不仅通过对现有运动设计的微小改进，而且还通过对流动性能产生巨大影响的突然变化而进行。在跳高运动的演化中，背越式跳高 （Fosbury Flop）与大自然中四条腿的运动突然变化成双腿运动是一样的。这两种变化在运动设计中都是跳跃式的，而非渐进式的，所以对运动表现的影响也一样。
美国跳高运动选手迪克·福斯贝里 （Dick Fosbury）在20世纪60年代研发了背越式跳法——头先脚后着地，并在1968年的墨西哥奥运会中赢得金牌，也让这项技术闻名世界。在此之前，跳高比赛的胜利者主要采用的都是俯卧式和剪式的跳法，而这些技术源自于我们越过围墙时采用的常见方法。
“思想只是漫漫长夜中的闪光，不过这个闪光即意味着一切。”
——法国数学家亨利·庞加莱（Henri Poincaré）1
写到这里时，我突然想到，动物身体可以上升到的高度也是设计的一部分，并可以用两种方式来预测。一种情况是当动物站立在一个地方并跳到高度H时，需要做功 F×L，其中，身体力量F大约是Mg（见附录），而F的垂直位移大约是身体的大小L。这个功转化为身体在最高点时的重力势能，也就是MgH。从能量守恒 （MgL〜MgH）可以得出，垂直上升距离H必须和身体尺寸L相近。
另一种情况是当动物以速度V水平运动时，以脚底为支点，将运动轨迹从水平变成垂直。身体跑步的动能大约为1/2MV2，而且这些动能将转换为MgH的重力势能。回想一下，跑步是一种倒向前的运动，而且速度V与 （2gL）1/2成比例，我们发现从动能转化为势能会得到一个结论，就是H和L也一定成比例。
这个预测说明了体型大的动物应该可以比体型小的动物到达更高的地方。这是一种广泛的设计，而且没有被个别情况中存在的偏离性所推翻。有趣的是，偏离是另一种自然现象的本质：每次我向观众展示一种可预测的自然设计，至少会有一个专家拿自己喜欢的例子来反驳我的说法。当我第一次向生物学家介绍飞行的“建构理论”时，第一位教授的评论是：你看鸡不会飞，你要怎么解释呢？对于这么有智慧的反例，我可以用土耳其和阿拉伯的谚语来解释：“人们只会对长满水果的树丢石头。”
的确，我饲养的老猫依然可以立定跳上桌，但我现在办不到了；我曾经可以，但我毕竟不是一只猫，何况小猫也跳不上桌。一只老鼠可以跳过好几只老鼠，但不能跳过我。跳蚤可以跳到比身体高许多倍的高度，但大象不可能和跳蚤的运动方式相同。
这个故事的关键词是“有序” （