宇宙社會學(xué)：宇宙與人

文｜王 濤

隨著對客觀世界認識水平的不斷提高，人們逐漸意識到，現(xiàn)實世界中的大多數(shù)問題都跟多種成分相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)，如細胞、人腦、有機生命體，如生態(tài)環(huán)境、地球大氣、地殼活動，如人類的社會活動、經(jīng)濟活動，乃至一個星系、整個宇宙。這類系統(tǒng)有一個基本特征，即它們的行為并不是個體行為的簡單相加，而是作為一個整體，呈現(xiàn)出一些新的性質(zhì)和規(guī)律。

理解這些復(fù)雜系統(tǒng)的行為特點，探尋其背后的一般規(guī)律，本質(zhì)上也是基礎(chǔ)性的，與追尋物質(zhì)的組成和相互作用一樣，對我們最終理解萬物和宇宙至關(guān)重要。

人們對客觀事物的認識，一般要經(jīng)歷從簡單到復(fù)雜再回歸簡單，從整體到部分再回歸整體的過程。

近代科學(xué)的發(fā)展基本以西方的還原論作為內(nèi)核，認為復(fù)雜的系統(tǒng)、現(xiàn)象都可以通過將其還原為各部分來理解和描述。這也在歷史上賦予了基礎(chǔ)物理學(xué)——對基本粒子和基本作用力的研究——為一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)的崇高地位。

然而，隨著對客觀世界認識水平的不斷提高，人們逐漸意識到，現(xiàn)實世界中的大多數(shù)問題都跟多種成分相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)，如細胞、人腦、有機生命體，如生態(tài)環(huán)境、地球大氣、地殼活動，如人類的社會活動、經(jīng)濟活動，乃至一個星系、整個宇宙。這類系統(tǒng)有一個基本特征，即它們的行為并不是個體行為的簡單相加，而是作為一個整體，呈現(xiàn)出一些新的性質(zhì)和規(guī)律。

正如馬克思所言，“量變引起質(zhì)變”。諾貝爾物理學(xué)獎得主菲利普·安德森在著名的More is different一文中也提到，“將萬物還原成簡單基本規(guī)律的能力，并不蘊含從這些規(guī)律出發(fā)重建宇宙的能力”。理解這些復(fù)雜系統(tǒng)的行為特點，探尋其背后的一般規(guī)律，本質(zhì)上也是基礎(chǔ)性的，與追尋物質(zhì)的組成和相互作用一樣，對我們最終理解萬物和宇宙至關(guān)重要。

對復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)探索，最早可追溯到19世紀(jì)，法國數(shù)學(xué)家龐加萊發(fā)現(xiàn)了三體問題中的混沌現(xiàn)象。但對復(fù)雜系統(tǒng)的一般性科學(xué)研究，則始于20世紀(jì)70年代，基于當(dāng)時耗散結(jié)構(gòu)、協(xié)同學(xué)、突變理論、混沌學(xué)、分形等新理論的發(fā)展——復(fù)雜系統(tǒng)的特點決定了它們的研究方法不能限于傳統(tǒng)的還原論，而需將整體論和還原論相結(jié)合。

對于這種結(jié)合整體論和還原論來探尋事物本質(zhì)的方法，老子曾有過非常精妙的描述：故常無欲，以觀其妙；常有欲，以觀其徼。此兩者同出而異名，同謂之玄，玄之又玄，眾妙之門。要實現(xiàn)這樣的目標(biāo)，需要我們摒棄傳統(tǒng)的、基于還原論的學(xué)科界限，回歸對實際問題和現(xiàn)象的本能的好奇和探索，大膽假設(shè)，小心求證。

回顧人類認識客觀世界的歷史，天文學(xué)一直有著獨特的地位。幾百年前，正是近代天文學(xué)的突破帶來了近代科學(xué)的啟蒙。中國古人幾千年前就形成了“天人合一”的哲學(xué)思想，認為人和自然受共同的客觀規(guī)律約束，所以人事皆應(yīng)順乎自然，和諧發(fā)展。這種樸素的整體觀思想也構(gòu)成了中華傳統(tǒng)文化的主體。

當(dāng)然，近代科學(xué)的發(fā)展早已讓我們脫離了機械地將天與人一一對應(yīng)的簡單思想。我們今天研究復(fù)雜系統(tǒng)的最終目的，一是為了解決更廣泛領(lǐng)域，如物理學(xué)、氣候?qū)W、生物學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、社會學(xué)等中的具體問題；二是探索不同種類復(fù)雜系統(tǒng)——上至星系宇宙，下至地球生靈——其背后有沒有一些普適的規(guī)律。

天文學(xué)中的研究對象、宇宙的基本組成單位——星系，毫無疑問是復(fù)雜系統(tǒng)；社會學(xué)中的研究對象——人類社會，其中也充滿各種復(fù)雜系統(tǒng)，如城市、經(jīng)濟活動、人口增長等。本文旨在拋磚引玉，借助天文學(xué)與其他學(xué)科的交叉研究，通過挖掘宇宙中的星系與人類社會之間的一些共同性質(zhì)和普適規(guī)律，促使更多人能夠脫離學(xué)科體系的束縛，對復(fù)雜世界中的一般性問題有更多思考。

這也是本文題目中“宇宙社會學(xué)”提法的由來，與《三體》中研究宇宙中智慧生命社會學(xué)法則的那個“宇宙社會學(xué)”不同

空間分布：星系與城市

宇宙的基本組成單位是像銀河系一樣的億萬個星系，它們是包含有恒星、氣體、塵埃等成分的自引力束縛結(jié)構(gòu)。星系在宇宙中的分布并不是隨機的，而是呈現(xiàn)為一種泡沫網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，也被稱為大尺度結(jié)構(gòu)，有明顯的聚集效應(yīng)。大部分情況下，星系三五成群，但有時也會聚集在一起形成星系團，甚至超星系團（由數(shù)個星系團構(gòu)成）。

類比人類社會，宇宙中的星系就相當(dāng)于人類聚居的城鎮(zhèn)，二者的產(chǎn)生機制也十分相似——城鎮(zhèn)可以被理解為人口密度超過某一臨界值的產(chǎn)物，而星系則源自宇宙原初密度擾動造成的局域密度增加。雖然尺度差別非常大，但人們很快意識到，星系的分布和城市的分布非常相似。事實上，二者不僅是看上去相似，其數(shù)學(xué)描述也驚人的一致。

左圖為斯隆數(shù)字巡天中描繪出的星系分布，右圖為美國東部城市夜晚燈光的分布

天文學(xué)家利用一種數(shù)學(xué)方法（即兩點相關(guān)函數(shù)）來描述星系的空間分布。如果星系呈隨機分布，這一函數(shù)描述的概率超出值為0；概率超出值越大，則表明星系的成團性越強。觀測發(fā)現(xiàn)，這一概率與空間距離呈很好的冪律分布關(guān)系，星系在小尺度和大尺度上的成團性有著驚人的一致性。這意味著，星系的分布特征是與尺度無關(guān)（scale-free）的。

冪律分布

可以將冪律分布和正態(tài)分布兩個概念放在一起參照理解。

正態(tài)分布曲線呈鐘形，兩頭低，中間高，左右對稱，個體與平均值的差距不會很大，如人的身高分布；冪律分布在雙對數(shù)坐標(biāo)上則是一條斜向下的線，表現(xiàn)出高度的不平均，絕大多數(shù)個體的尺度很小，少數(shù)個體的尺度非常大，如收入分布、人口分布。常說的二八法則、馬太效應(yīng)、長尾理論也都是服從冪律分布的情況。

冪律分布廣泛存在于物理學(xué)、地球與行星科學(xué)、計算機科學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、社會學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等眾多領(lǐng)域，表現(xiàn)形式多種多樣。地震烈度的分布、月球上隕石坑大小的分布、行星間碎片大小的分布、太陽耀斑強度的分布、人類語言中單詞使用頻率的分布、大多數(shù)國家姓氏的分布、科學(xué)家撰寫的論文數(shù)量及論文被引用次數(shù)的分布、網(wǎng)頁點擊量的分布、書報刊銷量的分布、每種生物種群數(shù)量的分布等等，都是典型的冪律分布。

正態(tài)分布（左）冪律分布（右）

無標(biāo)度

統(tǒng)計物理學(xué)家把服從冪律分布的現(xiàn)象稱為無標(biāo)度現(xiàn)象,即系統(tǒng)中個體的尺度相差懸殊,缺乏一個優(yōu)選的規(guī)模。凡有生命、進化、競爭的地方，幾乎都會出現(xiàn)不同程度的無標(biāo)度現(xiàn)象。許多現(xiàn)實世界的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，如互聯(lián)網(wǎng)、社會網(wǎng)絡(luò)等，其各節(jié)點擁有的連接數(shù)分布滿足冪律分布——大多數(shù)節(jié)點擁有很少的連接，而少數(shù)“熱門”節(jié)點擁有極其多的連接——這樣的網(wǎng)絡(luò)就是無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的“熱門”節(jié)點則被稱為樞紐節(jié)點，少數(shù)樞紐節(jié)點對無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的運行起著主導(dǎo)作用。從廣義上說，無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)描述的是大量復(fù)雜系統(tǒng)整體上嚴(yán)重不均勻分布的情況。

內(nèi)稟

內(nèi)稟性質(zhì)，又稱內(nèi)蘊性質(zhì)，是微分幾何最基本的概念之一，指曲面（或曲線）不依賴于它在三維空間中的嵌入方式而表現(xiàn)出的某些性質(zhì)。在相對論里，一個物理觀察者，他在自己所處的空間里所能做的幾何測量，只能是內(nèi)蘊性質(zhì)的測量，而我們在自己生活的物理空間中所能夠觀察和測量到的幾何性質(zhì)，就是這個空間的內(nèi)蘊性質(zhì)。

暗物質(zhì)暈

宇宙中約85%的物質(zhì)成分是暗物質(zhì)，它們的物質(zhì)屬性和組成與人類世界的普通物質(zhì)截然不同。這些暗物質(zhì)受引力塌縮形成的結(jié)構(gòu)體，被稱為暗物質(zhì)暈，簡稱暗暈。宇宙中大多數(shù)的星系都鑲嵌在這種暗暈當(dāng)中。

事實上，對星系分布的無標(biāo)度（scale-free）描述是無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)在自然學(xué)科中最早和最廣泛的應(yīng)用例子之一。我們用同樣的方法來描述城市的分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者驚人的相似——城市間的兩點相關(guān)函數(shù)同樣呈冪律分布，跟星系不同的只是冪指數(shù)（即坐標(biāo)上直線的斜率）和特征尺度（城市的尺度明顯要比星系小得多）。

星系和城市的空間分布均可以用簡單的冪律分布來描述，這說明，支配宇宙和人類社會的組織結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律，可能存在很強的內(nèi)稟相似性。天文學(xué)家已經(jīng)知道了星系分布呈冪律分布的主要原因，是由于引力的無標(biāo)度特性（強弱與距離呈冪律關(guān)系）和暗物質(zhì)暈結(jié)構(gòu)的自相似性（質(zhì)量不同的暗物質(zhì)暈中星系的分布輪廓類似）所造成的。

簡單類比，我們推測城市的分布很可能也存在大城市群和小城市群分布的相似性，以及人們更多向大中城市集中的聚居行為。這很大程度上可以用類似引力的特性來描述，即城市對周圍人群的吸引力大致與城市規(guī)模成正比，與距城市的距離（或者距離的某些函數(shù)）呈反比。嚴(yán)格的統(tǒng)計分析已超出本文討論的范疇，但城市分布的這些特征符合我們的實際生活經(jīng)驗。這就是統(tǒng)計科學(xué)的魅力。通過類比星系，我們可以推測出決定人類的城市分布模式的最可能要素。這對進一步定量研究城市分布指明了方向。反之亦然。

值得一提的是，這種簡單的冪律分布，又稱為無標(biāo)度性（也稱標(biāo)度不變性），是許多復(fù)雜系統(tǒng)的共性。如太陽耀斑的能量分布，地震烈度、城市人口、網(wǎng)站點擊率的分布，人類語言中用詞頻率的分布等等。知道這種分布特點雖然并不能直接告訴我們其背后隱含的規(guī)律是什么，卻能告訴我們，無論什么規(guī)律，它們是與對應(yīng)的標(biāo)度（大小、強弱等等）無關(guān)的。以地震而言，地震烈度與發(fā)生頻率間的冪律關(guān)系說明，大地震和小地震的產(chǎn)生原因很可能沒有本質(zhì)不同，如果我們預(yù)測不了小地震，那也同樣預(yù)測不了大地震。

如果將星系比作人類的城市，那么星系中的恒星就相當(dāng)于城市中的人類個體了。正如不同國家和城市的出生率、人口密度、財富分配不同，不同星系中恒星的產(chǎn)生率、恒星的分布、星光的分布也千差萬別。接下來我們將從個體的角度，討論星系演化與星系中恒星（及星光）的分布，以及人類社會演化與人口分布（及財富分配）之間的相似性和其規(guī)律。

星光分布與財富分配

簡單來講，星系按照是否能夠持續(xù)產(chǎn)生新的恒星可以分為兩類：恒星形成星系（也稱年輕星系）和已停止恒星形成的星系（也稱年老星系，可以類比生物學(xué)意義上已經(jīng)死亡或接近死亡的星系）。

這兩類星系在形態(tài)上也有明顯不同：年輕星系多屬旋渦星系，比如我們的銀河系；而年老星系多屬橢圓星系。二者在面亮度分布上也有明顯區(qū)別，具體而言，橢圓星系（年老星系）的亮度分布高度集中在中心區(qū)域，而旋渦星系（年輕星系）的亮度較為平均地分布在星系盤和旋渦狀懸臂上。這種區(qū)別促使天文學(xué)家開始思考，如何在數(shù)學(xué)上定量區(qū)分這兩類星系。

面亮度

面亮度，也稱表面亮度，是指擴展的物體表面上一塊標(biāo)準(zhǔn)尺寸的亮度。對于一個擴展開的天體，如星系、星團或星云，我們可以通過測量其整體亮度來導(dǎo)出它在一塊標(biāo)準(zhǔn)尺寸上的面亮度。

不同星系中恒星面亮度分布不同，這一特點使天文學(xué)家聯(lián)想到了社會學(xué)中用來描述人類社會財富分配不均程度的基尼系數(shù)。簡而言之，從0到1，基尼系數(shù)值越大，代表財富越集中在少數(shù)人手中，社會財富分配越不平均。一般認為，當(dāng)一個地區(qū)基尼系數(shù)超過0.5時，其社會財富分配差距已比較懸殊。

天文學(xué)家用基尼系數(shù)來描述星系的面亮度分布不均（用星光替代社會學(xué)基尼系數(shù)定義中的人類財富）——基尼系數(shù)越大，意味著亮度越集中分布在少數(shù)區(qū)域，星系越傾向于為橢圓星系（年老星系）。年輕星系和年老星系的分界線就在0.5～0.6。換句話說，如果一個星系的亮度分布不均程度超過0.5，則該星系很大概率近似橢圓星系，已經(jīng)失去制造新恒星的能力，變成了年老星系。

基尼系數(shù)在區(qū)分不同類別星系上的巨大成功使其被眾多天文學(xué)家所接受，成為今天研究星系形態(tài)的一個重要參數(shù)。這也成為自然科學(xué)成功借鑒社會科學(xué)概念進行研究的一個典型例子。

出生率：恒星與人口

為更直觀地對比恒星和人口之間在這一問題上的相似性，這里引用日本的例子。由于多年的經(jīng)濟和社會穩(wěn)定，日本的數(shù)據(jù)能夠很大程度上排除經(jīng)濟發(fā)展、醫(yī)療進步、戰(zhàn)爭等其他因素對出生率的影響，因此得出的出生率與人口密度的負相關(guān)具有更好的說服力

基尼系數(shù)讓我們看到了星系中恒星面亮度的分布與恒星形成率密切相關(guān)，能反映這一關(guān)系的另一個表現(xiàn)是，恒星分布的密度也與恒星形成率相關(guān)——恒星形成率低的星系（年老星系），其星系中心恒星密度普遍高于恒星形成率高的星系（年輕星系）。換句話說，如果星系中恒星分布過于集中、致密，那這個星系很大概率也要死亡了（恒星形成率低，很少再產(chǎn)生新恒星）。

相似的，人口密度過高會不會直接影響到出生率呢？基于生活經(jīng)驗，我們認為這是很有可能的，參考我國2010年人口普查數(shù)據(jù)，城市總和生育率為0.88，鎮(zhèn)的總和生育率為1.15，農(nóng)村總和生育率為1.44。帶著這樣的疑問進一步搜索相關(guān)文獻，可以看到的確有很多相關(guān)的研究證實了二者的負相關(guān)。

這一簡單類比告訴我們，無論是對有機生命集合體的人類社會，還是對無機的恒星聚集體的星系而言，種群密度過高都會導(dǎo)致其繁衍（新恒星的形成一定程度上可被認為是星系中恒星的繁衍）速度的下降。我們也有理由相信，呈現(xiàn)這種規(guī)律的復(fù)雜系統(tǒng)絕不限于星系和人類社會，它本身可能反映了復(fù)雜系統(tǒng)在資源有限的情況下，其增長模式的一般規(guī)律。

當(dāng)然，這里我們僅僅從星系和人類社會兩個復(fù)雜系統(tǒng)的特點總結(jié)出這條規(guī)律，要科學(xué)地證明這一點，最終還是需要研究更多的復(fù)雜系統(tǒng)，利用統(tǒng)計學(xué)分析證明這是否是普遍規(guī)律。這里也要再次明確，類比作為人類認知的核心手段，其本身并不是科學(xué)論證。但合理的類比能夠幫助我們舉一反三、抽絲剝繭，指明科學(xué)論證的方向。

我們還可以對星系和人類社會中呈現(xiàn)的上述共同特點展開進一步討論：對于基尼系數(shù)較大、恒星密度較高的年老星系而言，其死亡幾乎是永久性的；而人類社會因基尼系數(shù)過大、人口密度較高造成的某種意義上的“死亡”，如社會動蕩、政權(quán)更迭、出生率下降等，在絕大多數(shù)情況下并非是永久性的。我們可以從熱力學(xué)第二定律（熵增加原理）的角度來說明這一點——

星系從年輕星系（旋渦星系）到年老星系（橢圓星系）的轉(zhuǎn)變，是有序到無序的過程。具體而言，旋渦星系中大部分恒星繞星系中心做有序、規(guī)則的近似圓周運動，而橢圓星系中的大部分恒星則在做無規(guī)則運動。因此在這一轉(zhuǎn)變過程中，熵增加，是趨于穩(wěn)定態(tài)、幾乎不可逆的轉(zhuǎn)變。與之相反，在人類社會中，無論財富從多數(shù)人向少數(shù)人集中，還是人群由分散到聚集，這些過程都是從無序到有序，熵減少。但這些熵減的過程不可能自發(fā)、孤立地發(fā)生，其必定伴隨著從系統(tǒng)環(huán)境中汲取負熵的過程，因此，社會整體的熵仍然增加。如果僅著眼于財富聚集或者人口集中這一過程，因為熵減少，所以實際上是趨于非自然、不穩(wěn)定態(tài)的轉(zhuǎn)變，這樣的轉(zhuǎn)變發(fā)展到一定程度，必然會造成系統(tǒng)崩潰而重新洗牌，如政權(quán)的更迭、財富重新分配等。簡而言之，就是說，這一過程是可逆的。

縱觀歷史，人類社會“合久必分，分久必合”，其實正是這種從無序到有序再到無序演化的外在反映。老子曾經(jīng)對這種自然界從有序到無序，而人類社會從無序到有序再到無序的發(fā)展有精彩的概括：天之道，損有余而補不足；人之道，損不足以奉有余。這句話在2500多年后的今天讀來，仍然令人回味無窮。

小結(jié)

當(dāng)然，星系乃至宇宙這一復(fù)雜系統(tǒng)與人類社會的各種復(fù)雜系統(tǒng)之間的聯(lián)系（具有某些類似的規(guī)律和特征），遠遠不止這些?？紤]到人類本身就是宇宙的一部分，這種普遍的相似性本身又反映出這些規(guī)律在更廣闊的尺度上的一致性。

過去幾百年，基于還原論的科學(xué)發(fā)展，為我們提供了描述各種復(fù)雜系統(tǒng)的組成成分及它們之間相互作用的有效工具，但作為整體而言，我們對復(fù)雜系統(tǒng)的一般規(guī)律的認識才剛剛開始。

幾百年前，牛頓因為堅信行星運動與樹上的蘋果受同樣的規(guī)律支配而發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律；如今筆者也堅信，未來通過更多對宇宙中各種復(fù)雜系統(tǒng)的深入研究，能夠揭示復(fù)雜系統(tǒng)運作的一般規(guī)律，從而最終回答“世界為什么是這個樣子”這一基本問題。