城市的简单性与复杂性
当我们谈到城市法律时，交通法规、酒类许可证、住宅区划，这些都是我们可能会想到的例子。然而，这些并不是管理城市的唯一法律。圣塔菲的Chris Kempes 教授和Geoffrey West 教授发现了一套非常不同的关于城市生活的法则。如果我们理解了这些定律，他们可以帮助我们避开这个快速城市化的世界所带来的陷阱—- 例如为新冠这样的疾病大流行做准备。
在过去的两个世纪里，统治着这个星球的最显著的现象之一是非凡的城市化速度。平均到21世纪中期，每隔几个月就增加一个如纽约市的大都市，或者每年增加一个面积相当于德国的国家。
城市已经演变成了一台了不起的机器，促进社会互动，创造财富，产生知识和思想，创新，从而提高生活水平和质量。而这伴随着由热力学第二定律控制的巨大代价: 不可避免的犯罪、疾病、污染和气候变化的增加，以及财富和权力的系统性不平等。
显然，地球的未来及其长期可持续性与城市密不可分。因此，越来越迫切需要更深入地了解它们的动态和组织，以帮助减轻和最大限度地减少上述问题。
1）作为复杂适应系统的城市
从几乎任何角度来看，城市都是典型的复杂适应系统，与生态系统和生物体有许多共同之处。其能量和资源通过网络分配，以维持众多的子系统，无论是个体、器官还是细胞。进化压力通常会导致所有这些系统表现出规模经济; 事实上，对这些网络进行优化，可以从数学上得出明确的幂律法则，用以说明生物体几乎所有的生理和生命历史特征是如何随着大小而变化的。
例如，在同一种属生物群落中，支持一单位组织质量所需的能量系统地随着体重的四分之一幂而减少。更一般地说，这种比例律通常是亚线性幂律，其指数是一个四分之一的简单倍数。这种显著的规律性反映了支持生命的多个网络，在数学和物理学中所受到的一般约束，这些约束通常表现为自相似的分形特性。
考虑到这些结果，城市的物理基础设施也满足类似的亚线性幂律增长，也就不足为奇了，该定律起源于支撑它们的各种交通和资源网络的动力学和几何学。诸如加油站的数量、道路和电线的长度、建筑物的体积等指标，在全球不同的城市系统中都以类似的”普遍”方式运行。
简而言之，不管人均基础设施水平如何，随着城市规模的增加，所需的基础设施会系统性地下降，指数约为0.15(而不是生物学中的0.25)。因此，平均而言，城市越大，人们需要的加油站、道路或电线就越少。从这个意义上说，城市和有机体都产生了规模经济: 随着它们规模的增大，它们更有效地利用资源。
但是城市不仅仅是建筑物、道路和电线。基础设施为促进交换信息和刺激社会经济活动的社会互动和其他互动提供了物质框架。
2）社会网络和尺度效应
社交网络与支配生物学和城市基础设施的物理网络有着非常不同的特征: 它们的动态体现了正反馈机制，这种机制是财富、知识和思想创造和交流的基础。在正式的制度和商业环境中产生，如大学、会议厅和公司董事会会议室，同等重要的是，在非正式环境中，如公园、体育场和音乐厅的互动。
社会互动的连通性增强及其超线性增强是城市的本质，导致社会经济活动的超线性规模化和生活节奏的加快。正是这种动力将城市与生物区分开来，使它们不仅仅是“超级有机体”。随着规模的增加，人均指标也在增加: 工资、专利产量和国内生产总值，但这也包括犯罪、疾病和不平等，所有这些都以可预见的更快速度发生。
如上所述，在世界各地的城市系统，所有这些非常不同的指标的规模与城市人口规模的呈类似指数，约1.15。
考虑到历史、地理、偶然性及其相关的巨大可能性空间，似乎不可能理解，为何不必考虑单个物种或城市的特殊性。在不断演变的自组织复杂系统中存在普遍的比例定律是非常令人惊讶的。如果不考虑拿破仑三世，巴黎的结构真的能被理解吗？
历史和地理当然很重要。然而，令人惊讶的事实是，几乎所有生物体和城市的关键特征都遵循系统的、定量的幂律法则。这表明，城市的宏观行为是由一小组约束决定的，自然选择在长时间内的进化过程中隐含的连续反馈，趋向于驱动系统及其子组件朝着最优化方向发展，而这种优化表现在幂律法则中。
像有机体一样，城市和社会组织在竞争的市场中运作，尽管时间尺度要小得多，因此在真实情况与根据理想化幂律法则产生的预测结果会呈现出更大的误差。正是这种差异反映了一个城市的历史、地理和个性; 它的主导行为是由所有城市共有的基础设施(自然)和社会(信息)网络的普遍动态决定的。
3）城市相互依存的框架
详细了解基本机制，包括底层网络的结构和动态，对于减轻问题和减少传统上困扰城市发展的意外后果至关重要，无论是在现有城市还是在新城市的设计中。特别重要的是，认识到一个城市的所有多重特征是强烈耦合和相互依存的—- 这正是复杂适应性系统的本质。处理每一个问题，比如一个地区的交通堵塞或者另一个地区的住房开发，如果假设它与其他一切都脱节一样，可能会导致长期的功能失调。
建立一个量化的、系统的和有原则的框架，同时自然地纳入这种基本的相互依存关系，对于应对21世纪城市体系面临的多重挑战和权衡至关重要。
例如，了解一个城市财富总产值或工资的超常表现(相对于比例曲线的预期)与不平等或犯罪的增加相关，就可以提供一个可量化的衡量标准，以便就权衡和政策决定作出知情的科学判断。同样，了解不同的组织战略导致不同的衡量方式，例如高等教育机构的分类会导致不同的幂律关系，可以表明哪些限制是普遍的，哪些限制是可塑的。
另一个密切相关的例子是最近观测到的新冠病毒疾病扩散率随着城市规模的系统性变化而变化，其指数大约为0.15。这个结果对于城市如何应对流行病有着巨大的影响，例如，一个拥有100万人口的城市将在一万人口的城市的一半时间内使病例数翻倍。不同规模城市之间的这种根本差异应纳入地方和国家各级的每一项大流行病应对计划。
所有这些例子都突出表明，幂律框架应作为传统城市研究的必要补充，侧重于特定城市的具体问题。
这项工作仍处于初级阶段，但是各城市之间系统性规律的存在本身就为充分了解各种机制提供了希望，以便了解如何优化城市以取得各种重要成果，包括不仅使城市具有可持续性，以及整个地球的可持续性。
本文翻译自：https://www.nae.edu/244707/The-Simplicity-and-Complexity-of-Cities 是城市幂律法则论文合集的序言， 原文见：https://www.nae.edu/File.aspx?id=244667
