通常,人们普遍认为蚂蚁和人类遵循着同样的物理规律,只不过按比例缩放。然而,实验证明,这种假定大错特错。
1968年,奥地利植物学家弗里茨·文特发布了一项有关蚂蚁与人类互换大小的思想实验结果。他在《科学美国人》这本杂志上发表了一篇题为《人的大小》的文章。通过对比在蚂蚁的微观世界与人类的宏观世界中存在的物理可能性,文特在文中探讨了尺度与行为之间的迷人关系。通常,人们普遍认为蚂蚁和人类遵循着同样的物理规律,只不过按比例缩放。然而,文特通过实验证明,这种假定大错特错。
一只蚂蚁能够学习阅读吗?这个问题的答案似乎取决于你是否相信蚂蚁具有足够的智力学习像阅读之类的复杂技能。的确,单只蚂蚁看上去微不足道,但一旦成群,它们的行为能力令人惊讶。然而,这并不是重点,在文特看来,问题的重点在于尺度。如果一本书缩小至蚂蚁可以阅读的大小,那么纸张分子键之间的力量将远超蚂蚁的应对能力。也就是说,即使有能力阅读这本书,蚂蚁也根本无法翻动书页。换句话说,当尺度发生变化时,你所面对的问题也将随之发生变化。文特进一步指出:“如果将字母缩减至原来的1/1000,就会达到能见度的极限,因为可见光无法识别1微米以下的形状。当蚂蚁想机械地记录信息时,它们就需要和亚述人一样将字刻在字板上。然而,如果将锤子缩小至蚂蚁可以使用的尺寸,它根本没有‘动能’。也就是说,蚂蚁不可能使用锤子在石头的表面刻字。”
同样,水滴不可能冲走蚂蚁外骨骼上的污垢,因为对蚂蚁来说,水的表面张力太过强大,水滴会从它的身上直接反弹出去。事实上,蚂蚁的每条腿上都长有小钩和倒刺,既用于攀爬,也用于刮除污垢。依此类推,文特不厌其烦地举例说明。譬如,蚂蚁无法享用一杯咖啡,因为缩小的咖啡杯表面张力太大,而无法倒入液体;蚂蚁无法抽烟,因为面对不能缩小尺寸的火焰,它根本无从靠近;蚂蚁也不能穿衣,因为缩小后的衣服黏附力太强,以至于根本脱不下来。总之,文特认为,生物体的大小决定着与之相匹配的物理运行规律,而这些物理运行规律又决定着在不同尺度上的生物体所具备的不同能力。
他指出,所有生物体的能力都受限于其外形大小与质量之比,所有生物体在世界上的活动能力,都取决于其尺度或规模。“如若人类的身高是现在的两倍,那么人跌倒时的动能将是现在的32倍。如此一来,人类连直立行走都不再安全。”
文特进一步提出,我们必须重新考量适用于不同尺度或规模的不同物理规律。在他看来,人类的活动基本在经典力学,即牛顿力学的范畴内。在这一尺度或规模下,人体感受到的物理作用主要是重力定律。蚂蚁的活动则更受到与牛顿力学大有不同的分子学和热力学物理定律的影响。甚至,按蚂蚁的尺度来说,身体长度和质量的测量都变得很不稳定。
文特的思想实验证明,尺度或规模的改变,会带来不可思议的后果。物理学家将此现象称为“标量变异”或标量不对称性,即系统行为随尺度或规模的变化而变化。
(摘自《规模思维》一书)
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