Design in Nature: How the Constructal Law Governs Evolution in Biology, Physics, Technology, and Social Organization
エイドリアン・ベジャンはこの画期的な本で、樹木、支流、空気の通り道、神経ネットワーク、稲妻など、自然界で繰り返し見られるパターンを取り上げ、物理学のたったひとつの原理、コンストラクタル法則が、これらの進化や私たちの世界に存在する他の多くのデザインをどのように説明しているかを明らかにする。
生物学的生命から無生物システムに至るまで、あらゆるものが形と構造を生み出し、流れを円滑にするために、絶えず改善される設計の連続の中で進化している。川の流域、心臓血管系、稲妻は、水、血液、電気などの流れを動かすための非常に効率的なフローシステムである。同様に、動物のより複雑な構造は、有用なエネルギーの単位あたりにより多くの距離をカバーするため、あるいは大地を横切る流れを増大させるために進化する。このような設計は、企業や政治機関における階層的な「フローチャート」や報告構造のように、人間の組織にも現れる。いずれも、コンストラクタル法則として知られる同じ原理に支配され、より効率的に流れるように時間をかけて構成・再構成される。複雑さを犠牲にすることなくわかりやすさを実現したやさしい文体で書かれた『自然の中のデザイン』は、私たちを取り巻く世界の理解を根本から変えるパラダイムシフト的な本である。
「最も刺激的な思考原理であり、生き生きとした個人的なストーリーに彩られている。私が最もエキサイティングだと思うのは、ベジャンが彼のコンセプトを発展させるために採用した極めて広い視野である。『自然の中のデザイン』は魅力的な一冊である。”
-エバルト・ヴァイベル、ベルン大学解剖学名誉教授
「ベジャンは、広範な事例とそれに付随する象徴的な写真によって、自然が本質的に流れ構成の卓越した設計者であることを説明している。生物と無生物の区別は、共通の構造設計によって曖昧になるのだろうか？ベジャン教授の卓越した独創的な研究は、この他にも多くの問題を提起している」
-ジェフリー・ルインズ、ケンブリッジ大学マグダレーン・カレッジ副学長
「ベジャンは、物理学、化学、生物学、そして社会科学の一部さえも、深い共通法則のもとに見事に統合している。流れの最適化から自然発生的に生じる自然デザイン、フローシステム、複雑な秩序に関する彼の扱いは斬新で、力強く、非常に説得力がある。」
-MASSIMO PIATTELLI-PALMARINI、『ダーウィンは何を間違えたか』の著者、アリゾナ大学認知科学教授。
ベジャン，エイドリアン
目次
- 表紙
- タイトルページ
- 著作権
- はじめに
- 1 流れの誕生
- 2 デザインの誕生
- 3 動く動物たち
- 4 進化を目撃する
- 5 木と森を越えて見る
- 6 なぜヒエラルキーが支配するのか
- 7 速くて長いものは、遅くて短いものに出会う
- 8 学問のデザイン
- 9 黄金比、視覚、認知、そして文化
- 10 歴史のデザイン
- 謝辞
- 注釈
- 参考文献
- 索引
- 著者について
はじめに
本書は、デザインと進化に関する物理法則、すなわち「コンストラクタル法則」を中心に、科学的学問分野としての自然界のデザインについて書かれたものである。この法則は、無生物の川から、脈管組織、運動、社会組織などの有生物のデザインに至るまで、自然のモザイク全体を覆っている。
1995年9月下旬にフランスのナンシーを訪れたとき、自然界におけるデザインの統一法則を発見することは、私のToDoリストにはなかった。私はデューク大学で機械工学を教える47歳の教授で、熱力学の国際会議で講義をするために来たのだ。私のキャリアがいかに機械工学に染まっていたかを感じていただくために、7冊目の著書『エントロピー発生最小化』の出版を告知するチラシを持参していたことを覚えている。
私の仕事は、ベルギーのノーベル賞受賞者イリヤ・プリゴジンが行った晩餐会前のスピーチで運命的な展開を見せた。この有名な人物は、自然界にあふれる樹木状の構造（河川の流域や三角州、私たちの肺の空気の通り道、稲妻など）は、サイコロを振った結果である（aléatoires）と主張した。つまり、同じようなデザインの根底には何もない。それは単なる宇宙の偶然なのだ（図1）。
図1 自然界のデザイン現象は、無生物と生物を結びつける
左側はシベリア北部のレナ川のデルタ地帯。右側は人間の肺の鋳型である。
彼がそう言ったとき、何かがピンときた。私はプリゴジンが、そして他の誰もが間違っていることを知っていた。彼らは盲目ではなかった。これらの樹木のような構造の類似性は肉眼でも明らかだ。彼らに見えなかったのは、これらの多様な現象の設計を支配する科学的原理だったのだ。私は一瞬にして、世界は無作為の事故や偶然や運命によって形成されたのではなく、目もくらむような多様性の背後には、予測可能なパターンのシームレスな流れがあるのだと悟った。
このような考えが流れ始めたとき、私は世界を新しい、そしてより良い視点で見ることができるようになる、長く、未知の、そして不思議なほどエキサイティングな道を歩み始めた。それ以来16年間、私は物理学のたったひとつの法則が、いかに私たちを取り巻くすべてのデザインを形作っているかを明らかにしてきた。この洞察によって私は、科学者仲間たちが抱いていた多くの信念に挑戦することになる。その中には、あなたや私のような生物は、風や川といった無生物の世界や、飛行機、船、自動車といった人工の世界とは異なる原理によって支配されているという根底にある信念も含まれていた。やがて私は、進化現象や自然の一体性についての新たな理解を深め、知的設計者がいなくてもデザインが生まれる仕組みを明らかにする。私はまた、地球の歴史と、生きていることの意味についても新たな理論を提示するだろう。
道路や交通システムを設計するためのより良い方法、文明や科学、都市、大学、スポーツ、世界的なエネルギー使用の進化を予測する方法などである。私たちは、エジプトのピラミッドやエッフェル塔の天才的な謎を解き明かしながら、いかに政府が河川の流域のように設計され、いかにビジネスが林床の木々のように相互に依存しているかを示すだろう。
帰りの飛行機に乗ったとき、そのすべては未来に待ち受けていた。大西洋上空で私はノート（昔ながらの紙製）を開き、コンストラクタル法則を書き留めた：
有限サイズの流れシステムが時間的に持続する（生きる）ためには、その構成はそこを流れる流れにアクセスしやすくなるように進化しなければならない。
私は科学の言葉で書いたが、基本的な考え方はこうだ： 生物であれ無生物であれ、動くものはすべて流れシステムである。すべての流動システムは、抵抗（たとえば摩擦）に満ちた風景を横切る動きを容易にするために、時間とともに形と構造を生成する。私たちが自然界で目にするデザインは、偶然の結果ではない。それらは自然に、自然発生的に生じるものであり、時間の流れへのアクセスを向上させるからである。
流れのシステムには2つの基本的な特徴（性質）がある。流れている流れ（例えば、流体、熱、質量、情報）と、それが流れるデザインである。たとえば稲妻は、雲から電気を放出するためのフロー・システムである。電流（電気）を体積（雲）から点（教会の尖塔や別の雲）に移動させる非常に効率的な方法だからだ。河川の流域の進化も同様の構造を生み出す。なぜなら、河川もまた、ある領域（平野）からある点（河口）へと流れ（水）を移動させているからである。また、肺の空気の通り道（酸素の流れ）や毛細血管（血液の流れ）、脳の神経細胞の樹状突起（電気信号や映像の流れ）にも、樹木のような構造が見られる。このような樹木のようなパターンが自然界全体に見られるのは、点から面、面から面への流れを促進するための効果的なデザインだからである。実際、このような流れを見つけると、どこにでも樹木のような構造を見つけることができる。
人間も自然の一部であり、その法則に支配されているため、私たちが構築する点から面、面から点への流れもまた、樹木のような構造を持つ傾向がある。例えば、私たちが通勤のためにたどる交通ルート（人や物を移動させるためのフロー・システム）には、小さな車道や近所の小道がたくさんあり、それがいくつかの大きな道路や高速道路に流れ込んでいる。情報、材料、従業員、顧客などの流動ネットワークもまた、ビジネスを維持するために必要なものである。私たちが移動しやすいように構築した人工世界は、自然のデザインの一部をコピーしたものではなく、その現れなのだ。とはいえ、その原理を知れば、設計の改善に役立てることができる。
樹木のような構造は自然界では非常に一般的なデザインだが、それはコンストラクタル法則のひとつの現れでしかない。単純な例で言えば、湖に浮かぶ丸太や海に浮かぶ氷山は、動いている空気体から水体への運動伝達を容易にするために、風に対して垂直な方向を向いている。より複雑な例としては、風景を横切って質量をよりよく移動させる（単位有用エネルギーあたりの距離をより多くカバーする）ように進化した動物のデザインがある。これには、一見「特徴的」に見える臓器の大きさ、骨の形、呼吸する肺や鼓動する心臓のリズム、うねる尾、走る脚、羽ばたく翼などが含まれる。これらのデザインはすべて、流域の雨粒のように、動物が風景をより容易に移動できるようにするために生まれ、また互いに作用し合っている（図2）。
図2 コンストラクタル法則に基づいて予測された、自然界における流れの生成構成の生物および無生物現象
上段：河川の流域、気管支の樹木、円形ダクトと開水路の断面。中段：収縮する固体のひび割れ、雪の結晶の凝固、飛沫が壁に衝突したときの飛沫対飛沫。下段：層流と乱流、動物の運動（飛ぶ、走る、泳ぐ）。
コンストラクタル法則は、流れシステムは時間の経過とともに進化し、そこを流れる流れにより多くのアクセスを提供するために、より優れた構成を獲得するはずであることを規定している。デザインの生成と進化は、そこを流れる流れにより良いアクセスを提供するために自然に生じる巨視的な物理現象である。この原理の素晴らしさは、それがあらゆるスケールで起こることである。小川、樹木、道路など、進化する流れシステムの各構成要素は、流れへのアクセスを容易にするために進化するデザインを獲得する。これらの要素がより大きな構造物（進化する河川流域、森林、輸送ネットワーク）へと合体するにつれて、さまざまな大きさの構成要素が連携し、すべてがより流れやすくなる。例えば、脳の神経ネットワーク、肺の肺胞、地図上の人間の集落の形や構造にこのことが見られる。大局的に見れば、私たちを取り囲む最大のシステムである地球そのものに存在するすべての交配とモーフィングの流れは、グローバルな流れを促進するように進化している。E pluribus unum（多数から1つ）である。
コンストラクタル法則が革命的なのは、それが物理学の法則であり、生物学、水文学、地質学、地球物理学、工学だけの法則ではないからだ。無生物（河川や稲妻）、有生物（樹木や動物）、人工物（テクノロジー）の現象や、知識、言語、文化といった社会的構成要素の発展的な流れを含み、いつでも、どこでも、あらゆるシステムを支配する。すべてのデザインは同じ法則に従って発生し、進化する。
この法則は、生きているということが何を意味するのかについての新たな理解を提供することによって、科学の分野を隔てていた壁を取り払う。生命とは動きであり、この動きのデザインの絶え間ない変形である。生きているということは、流れ続け、変形し続けることである。システムの流れや変形が止まれば、そのシステムは死んでしまう。このように、河川流域は、時間の中で持続するために、それ自身を構成し、再構成する。つまり、それ以前の「生きた」流況システムの化石のようなものである。例えば、今日地下で見られる樹木のような固い鉱脈は、はるか昔に固化する前に流れていた流動的な流れ、渦、蛇行の化石である。生物は、そのすべての流れ（血液、酸素、運動など）が止まるまでは生きているが、その後、彼らも化石化した遺体となる。
この統一された定義は、生命という概念を生物学の専門領域から切り離すものである。熱力学で「環境との平衡」を意味する「死んだ状態」という物理学の概念と一致させ（あるいは並置させ）、周囲と同じ圧力、同じ温度などにあり、したがって何も動かない系を意味する。コンストラクタル法則は物理学の用語で生命を定義し、生命システムのすべての現象をカバーする。この法則はまた、地球上の生命は約35億年前に原始的な種が誕生したことから始まったという見方を覆すものでもある。これから述べるように、「生命」はもっと以前、太陽熱や風の流れのような最初の無生物システムが進化するデザインを獲得したときに始まったのである。地球上の生命の大きな歴史において、無生物、有生物、そして技術的デザインの出現と進化は、ひとつの物語を物語っている。ダーウィンが生物間のつながりを示したように、コンストラクタル法則は地球上のあらゆるものをつなげている。
あるレベルでは、コンストラクタル法則は数学、物理学、工学の言語を通して表現することができる。私の同僚と私は、一流の専門誌に何百もの論文を発表してきた。私自身の専門家向けの著書（『工学熱力学特論』、『形状と構造、工学から自然へ』、『コンストラクタル法則によるデザイン』など）は、デザイン構成という現象を予測するためにコンストラクタル法則を用いている。パリ、ローザンヌから上海、プレトリアまで、一流大学がコンストラクタル法則に関する国際会議やコースを開催している。
それを理解するのに高度な数学は必要ない。コンストラクタル法則はまた、ものの見方でもある。この法則を発見して以来、著名な学者やプロの科学者から、デューク大学の学生や私が訪問した高校の生徒まで、何千人もの人々が、私がナンシーで経験したような発見の瞬間を体験するのを目の当たりにしてきた。彼らもまた、ペニーが落ちるのを聞く。彼らはそれを見る。彼らはそれを理解する。本書を通じて、コンストラクタル法則がいかにあなたの周囲、そしてあなたの内なるすべてを形作っているかを認識する手助けができればと思う。
構成的に見るということは、3つのステップのプロセスと考えることができる。ステップ1は、レオナルド・ダ・ヴィンチの「運動はあらゆる生命の原因である」という洞察から始まる。私はこの言葉がとても広範で好きだ。というのも、レオナルドが語ったのは生物学的なものだけだったからだ。実際、動物だけでなく、川、気象パターン、雪の結晶、企業、国家、科学、知識、文化……ありとあらゆるものが動き、脈を打っている。
ただそこに座っているように見えるものでさえ、実は流れのシステムなのだ。停滞の真髄である泥の水たまりを考えてみよう。泥の水たまりは、濁ったスープ状に沈んでいる。しかし、雨上がりに太陽が顔を出すと、乾いた空気が水たまりから水分を吸い上げ始める。いつの間にか水たまりはなくなっている。やがて、地面から空気中への水分の流れを促進するために、土に木々のような亀裂が入り始める。あの水たまりは、実は生き生きとした、モーフィングフローシステムなのだ。ムービーカメラで撮影すれば、様々なアクションが見られるだろう（図3）。
図3 ザンビア、ルアングワ川のほとりの泥の亀裂
人間もまた、泥の割れ目と似ているが、泥の割れ目よりも複雑な流れのシステムである。内部では、血液の流れが酸素と食物を血管の木のようなネットワークを通して、食物から得られる有用なエネルギー量あたりの効率的な移動を可能にするちょうどよい大きさと形をした臓器へと運んでいる。私たちの身体のデザインは、サメからカモシカ、アオサギ、そして高速道路を走るトラックまで、他のあらゆる動物と同じように、有用なエネルギー（食料、燃料）の単位あたりにより多くの距離を移動できるように進化してきたのだ。そして森の木々のように、私たちもまた、地球上のもっと大きな流れシステムの一部なのだ。車に乗れば、交通の流れに乗る。オフィスでは、私たちが生産した仕事が同僚の仕事とともに流れ、さまざまな経路を通って顧客に届く。スーパーマーケットでは、スリランカの農家や流通業者から流れてきた紅茶が私たちの買い物かごに入る。これからわかるように、これらの一見独立したデザインはすべて、私たちの移動を容易にするために変形し、交配しているのだ。
ステップ2は、すべてのフロー・システムには、コンストラクタル法則-デザイン-までは認識されていなかった特性が備わっている傾向があることを認識することである。この特性には、フロー・システムのコンフィギュレーション（構造、幾何学的形状、形状、構造）とリズム（脈を打ち、動く予測可能な速度）が含まれる。
デザインは勝手に生まれるものではない。モノがなぜそのように見えるのかを知るには、まずその中を何が流れているのかを認識し、その流れを促進するためにどのような形や構造が現れるべきかを考える。フロー・システムの構成は周辺的な特徴ではない。それは決定的な特徴である。後の章では、川、魚、スプリンター、経済、大学、インターネットなど、一見バラバラに見える現象の形や構造が、コンストラクタル法則によってどのように予測されるかを示すことで、このことを説明する。
ステップ3では、デザインは進化するので、図面を映画に変える。流れのシステムは時間の経過とともに構成され、再構成される。この進化は一方向に起こる： フローの設計は、可能であればより簡単に、より遠くへ移動しながら、測定可能なほど良くなっていく。もちろん、衝突や失敗もある： すべての試行にはエラーが伴う。しかし、大雑把に言えば、明日のシステムは今日のシステムよりも流れが良くなっているはずだ。
これこそが、フロー・デザインの生成、絶え間ない変形、改善という、コンストラクタル法則がカバーする自然現象なのだ。このように考えることで、人間や鳥やその他の動物が、地球の表面で質量を運ぶフロー・システムであること、樹木や泥の割れ目が、地面から空中に水を移動させるフロー・システムであること、大学や新聞や本が、世界中に知識を広めるフロー・システムであることを認識することができる。そして、大学、新聞、書籍は、知識を世界中に広めるための流れのシステムである。これらすべてが、これらの流れの流れをより円滑にするために進化させるべきデザインを生み出すのである。この洞察は、長い間偶然と見なされてきた現象にパターンを見出すことを可能にしてくれる。
雪の結晶を考えてみよう。科学界の一般的な見解は、雪の結晶が形成する複雑な結晶には何の機能もないというものだ。これは間違っている。実際、雪の結晶は、凍結時に表面に発生する凝固潜熱と呼ばれる熱を分散させるためのフローデザインなのだ。水蒸気が凝縮して凍るとき、余分な熱が放出される。氷の結晶が最初に形成されるとき、球状のビーズは他の形状よりも速く成長する形状であり、急速な凝固を促進する形状である。ビーズが十分に大きくなると、針が現れ、球体よりも速く凝固を促進する（つまり氷を生成する）。さらに凝固を促進するために、より大きな雪の結晶は、熱を分散させる針がより多い形状に変化する。複雑さは有限（控えめ）であり、出現する構成的デザインの一部である。複雑さは結果であって目的ではない。芸術家の願望でもない。フラクタル幾何学に基づく現在のドグマに反して、複雑さは確かに「最大化」されない。
では、噴火する火山の組織化された猛威、つまり溶岩の流動系を詳しく見てみよう。溶岩が立坑を通過し始めると、溶岩の混合物の濃度は、溶岩がそれ自身を一連の同心円状の鞘に組織化するようになる。中央には粘性の高い（水分の少ない）溶岩があり、外側には粘性の低い（水分の少ない）溶岩がある。固い岩石に触れる粘性の低い溶岩は、溶岩の流れを助ける。溶岩が火山から流れ出るとき、もうひとつ驚くべき現象が起こる： 溶岩は2つの流れ方の選択肢の中から、その時々に適した方を選んで流れているように見えるのだ。溶岩の流れが遅ければ、火山からにじみ出る。溶岩の流れが速ければ、溶岩は別の流れの形、つまり溝や枝のある樹木のような構造を作る。また、溶岩が広がる範囲の大きさがわかれば、生成される流路の数も予測できる。
私たちが目にしているのは、無頓着な溶岩が移動を容易にするために流れのパターンに自己組織化している姿だ。このプロセスは自然界のいたるところで起こっている。例えば、落下する飛沫は、その大きさと速度によって、スプラット（丸い円盤状）にもスプラッシュ（王冠状）にもなる。小さくて速度の遅い飛沫は、スプラットとして静止する。より大きく、より速い飛沫は、飛沫として静止する。この現象はよく知られている。例えば、インクジェットプリンターはこの現象に依存しており、正確な画像を生成するために、適切な速度で特定の量のインクを吐出している。テレビの犯罪番組を通じて広まった血しぶきの法医学もそうだ。コンストラクタル法則の登場以前は、なぜこのような飛沫対飛沫が起こるのか、誰も知らなかった。本書で後述するように、この2つの形状生成の流れ方–ゆっくり短く、速く長く–はどこにでもある。実際、心臓の鼓動や呼吸、コンピューターや脳を動かす回路など、ほとんどのシステムにはこの2種類の流れがある。両者のバランスを取ることが、自然設計の特徴なのだ。
コンストラクタル法則はまた、進化があらゆる時間スケールで観察できることも教えてくれる。私たちが川や動物が流れの利用しやすさを増すために進化してきたと言うとき、それは非常に緩やかな変化である。しかし、溶岩がデザインを生み出し、液体のしずくが飛び散り、夏の暑さの中で稲妻がパチパチと音を立て、冬の空に雪の結晶ができるとき、私たちは目の前で進化を目撃しているのだ。また、私たちは家庭でもそれを見ることができる。例えば、沸騰した鍋にリガトーニを放り込むと、チューブが乱雑に転げ回るのを見ることができる。数分後、驚くべきことが起こる。平らになるのではなく、まっすぐ立ち上がり、煙突のような模様になり、熱と蒸気の流れを促進するのだ。パスタより米の方が好きなら、米を茹でる。水位が十分に下がると、均等な間隔で蒸気の煙突がムキムキの体全体から抜けていくのが見えるだろう。丸い軸を持つ小さな火山の絶妙なタペストリーは、沸騰した塊から熱を出す最も簡単な方法であり、毎回形成される（図4）。どちらの場合も、デザインの謎は「何が流れているか」を問うことで解ける。答えは、リガトーニでも米でもなく、熱と蒸気である。
図4 米の火山：米を茹でる際に蒸気の流れによって作られる垂直のダクトの規則的なパターン
図5 トイレットペーパーの自由落下は、乱流の構成的デザイン現象を可視化する
落下速度が十分速い場合、空気の渦がトイレットペーパーの両側で構成されるが、これは垂直方向の動き（運動量）をトイレットペーパーから周囲の空気に伝えるのに、この方法が効率的だからである。運動量は、落下する気流から離れた横方向に伝わる。紙は非常に柔軟で、乱流の渦を目に見えるようにし、スキーヤーがスラロームのゲートを通過するように渦の周りをループする。
同様に、高い梯子の上からトイレットペーパーを落とすと、トイレットペーパーはうねりながら蛇行する川のように落下する（図5）。また、グラスに黒ビールを注ぐと、縁に規則的な渦ができる（図6）。どちらの場合も、デザインを生み出しているのはトイレットペーパーやビールではなく、これらの物体が落下する際に生じる勢いである。自然には平衡に向かう傾向があるため、その運動量（動き）は乱流というデザイン現象を通じて、周囲の静止した空気や水に横方向に伝達される。すべての場合において、物事は構成によってよりよく流れるため、デザインが生まれる。
もちろん、これらのパターンの背後には意識的な知性は存在せず、神の建築家が見事な設計図を作り出しているわけでもない。混乱を避けるためにはっきりさせておくが、コンストラクタル法則は創造論者の議論に向かうものではないし、インテリジェント・デザインという幻想を広める人々の主張を支持するものでもない。本書の抜粋を鵜呑みにして、私が「デザインされたもの」という精神的な感覚を主張していると示唆する人は、意図的な不誠実行為を行っていることになる。
図6 グラスに注がれた黒ビールの乱流の、より構築的なデザイン
落下する液体の勢いは、縁の周囲に規則的な間隔で配置された渦のデザインによって、より効果的に静止した液体本体に伝達される。気泡は、下向きの流れに対応する領域の上方でのみ表面に集まる。
重力、流体の凝固点、熱力学など、他の非人間的で自然に生じる現象が、物事をある特定の方法で動作させるのと同じように、流れのシステムは、より良い流れのデザインを生み出しているのだ。これまでは、パターンを観察することしかできなかった。コンストラクタル法則は、なぜそのようなパターンが生まれるのかを教えてくれ、将来どのように変化すべきかを予測する力を与えてくれる。世界を動かすのは愛でもお金でもなく、フローとデザインなのだ。
ここで疑問が生じる： どうしてだろう？何がコンストラクタル法則を引き起こすのか？簡潔に答えよう： それはわからない。コンストラクタル法則は、科学では第一原理として知られているもので、他の法則から推論したり導き出したりすることのできない考え方である（もしできるとすれば、それは定理になる）。自然界における巨視的な形状や構造の出現を支配する物理法則である。すべての科学法則がそうであるように、この法則もまた、同じ種類の自然現象に関する何十億もの観察を包括する簡潔な要約である。この法則は、科学における最大の疑問の2つに取り組んでいる：なぜ「デザイン性」（構成、リズム、スケーリング・ルール）は、生物系でも無生物系でもどこでも起こるのか？なぜデザイン生成現象は時間の経過とともに持続するのか？
コンストラクタル法則は屋根の上から叫ぶようなものだ： 流れるもの、動くものはすべて、生き残る（生きる）ために進化するデザインを生成する。これは願望や目的ではなく、自然な傾向、つまり物理現象である。
第一原理として、コンストラクタル法則は観察から出発していない。それは純粋な理論であり、物事がどうあるべきかという純粋に精神的な見方である。私たちはすべての川（あるいは鳥、木、稲妻など）を分類して測定するわけではない。その代わり、私たちはそのうちのひとつだけを精神的に発見し、ひとつで十分なのである。夜闇の中で、原理が私たちのために描いてくれたとおりの自然であることを確信するまで、私たちは眠らない。合理化された形では、科学的方法の使用には3つのステップがある：
- コンストラクタル法則を使って、自然界で起こるべきことを予測する。つまり、フローへのアクセスを容易にするために、デザインは時間の経過とともに出現し、進化していくはずだということだ。
- 鉛筆と紙だけで武装し、経験主義に頼ることなく（つまり、窓の外を見ることなく）、私たちは流れているものが何であれ、それにふさわしいデザインを決定する（予測する）。
- その後、私たちは世界に出て、私たちの予測と自然の中で見つけたものを比較する。
この理論の重要な利点を理解するために、ロバート・エルマー・ホートン（1875-1945）の研究を考えてみよう。ロバート・エルマー・ホートンは、アメリカ地球物理学連合が授与する最高の栄誉であるホートン・メダルが彼の名を冠しているほど偉大な業績を残した土壌科学者である。彼の功績のひとつは、大きな河道に流れ込む支流の数を調査したことである。彼と彼の同僚たちは、何年もかけて経験的データを調べ、地図を研究し、河道を数え、母なる河川に流れ込む娘河川の平均数が3から5の間であることを発見した。
人の同僚と私は、コンストラクタル法則を使って鉛筆と紙で同じスケーリング則を見つけた。ごく単純な河川流域を想定し、領域（河川流域）に対する水の流入量（小川）が一定である場合、どのような流れの構造（この場合、いくつの支流があるのか）が抵抗を少なくしていくのかを尋ねた。私たちが導き出した答えは4つだった。間違いなく、ホートンの実証的な研究によって、私たちは簡単に発見を検証することができた。しかし、もし彼がコンストラクタル法則を知っていれば、同じ結論に達するために無数の測定を行う必要はなかっただろう。
実際、いったんコンストラクタル法則が自然界のデザインを支配していることを認識すれば、我々は頭を使ってあらゆる構成を予測することができる。これが理論の力である。
ナンシーでの会議以来16年間、私や他の多くの研究者たちは、コンストラクタル法則によって予測できない流動系をひとつも見つけていない。言語学や社会学、核汚染除去、グローバリゼーション、金融、戦争、住居分離のパターン、人間の死亡率など、専門家たちはこの法則を使って幅広いテーマを解明している。その応用例は非常に多く、コンストラクタル法則はまだ発展途上にある。親愛なる読者諸君は、地球上や書籍に流れ始めたばかりの新しいアイデアの最先端にいるのである。
もし私がコンストラクタル法則に2つの言葉を加えるとしたら、それはこうなるだろう： 「与えられた自由」だ。私たちの世界には制約がたくさんあり、物事がより効率的な方法で組織化されるのを妨げている。例えばダムは川の流れを止め、悪い考えは人間の繁栄を難しくする。私は、1950年代から1960年代にかけて、ソ連に支配されていたルーマニアで育った。ロシアは粗末な制度を持ち、それを自由で先進的な隣国に押し付けることにしたのだ。すべての領土がそうであるように、ルーマニアは商業やアイデアを含む多くのもののためのフローシステムである。何十年もの間、共産主義政府はそれらの流れを遮断し、私の祖国は衰退した。当時のチェコスロバキアで民衆蜂起が起こり、1968年に「プラハの春」が起こった。ルーマニアは数学コンテストを開催した： 全国から勝ち残った6人が海外留学に応募できるというものだった。私はトップスコアを獲得し、後にマサチューセッツ工科大学（MIT）に合格した。その小さな自由へのアクセスが、私自身を、つまり地球上での私の動きを再設計することを可能にした。
変化する能力を欠いた硬直した政府は、フローを妨げる不可避の抵抗のひとつの現れでしかない。独裁者や全体主義的な政府のもとで苦労するのではなく、流れの構成はある方向に向かって進化する。抵抗は不可避であり、避けられない。だからこそ、世界は決して完璧な場所にはならないのであり、フロー・システムが成し遂げられる最も大きなことは、より良くなり続けること、つまり、より不完全でなくなっていくことなのだ。このように、コンストラクタル法則は進歩という考えを示唆し、希望の約束を伝える： 自由が与えられれば、フロー・システムはより優れた構成を生み出し、より容易にフローを生み出すことができる。
というのも、私はデューク大学の工学部教授として、また産業界や政府のコンサルタントとして、研究を通じて川や木々が直面する同じ問題に取り組んできたからである。私たちエンジニアがクールだと思われることはほとんどないが、私の専門は電子機器を冷却するための、より小型で効率的なシステムを設計することだ。一般的に、計算能力が高ければ高いほど、より多くの熱が発生する。ノートパソコンの底面やプラズマテレビの画面を手で触ってみればわかる！何十年もの間、私は数学と物理法則を使って、熱を箱の中や外に導くためのより良い設計を開発してきた。
私は、自分が描いている図面が自然界に現れる樹木のような流れの構造に対応していることに気づいていたが、あまり気にしていなかった。1995年にプリゴジンが講演をするまでは、普遍的な原理がなぜ大自然と私が同じような答えに辿り着くのかを説明するのだと、二つをくっつけて考えたことはなかった。あの夜、私が経験した「カチッ」という音によって、私は仕事から目を離し、身の回りのあらゆるものの形や構造を考えるようになった。私は不思議に思った： 何がこのような構成を生み出しているのだろう？なぜこのような形状が生まれるのか？
このような疑問を抱いたのは私が初めてではない。科学において、発見の瞬間よりも稀なことは、完全に独力で発見をする研究者である。例えばダーウィンは、種の進化を探求する多くの科学者の一人だった。生物学で進化が起こる自然淘汰などのメカニズムを想像したのは、彼の天才的な才能だった。しかし、知識は静的なものではない。人間の心は、古くからの疑問に対するより良い答えや、情報の流れを容易にするためのより良い理解を絶えず求めている。
自然界におけるデザインは、地球物理学や生物学から社会力学や工学に至るまで、科学の全領域にわたって今日多くの興奮を生み出している。この関心には2つの傾向がある：
- 1. 膨大な知識が蓄積され、我々の頭脳がデザインとして認識する特徴（構成、リズム、スケーリング・ルール）が、自然界のあらゆるフロー・システムに存在することが示された。
- 2. デザイン現象は既存の物理法則ではカバーできない。
経験的知識は、それをサポートするために必要な理論的枠組みをはるかに凌駕している。この種のミスマッチは、科学革命の弾薬であり引き金である。科学が進化する動物のデザインであるならば、動物は重くなりすぎ、より大きな骨格を開発するしかない。
経験的なものと理論的なものとの衝突から、より優れた科学、すなわち自然界におけるデザインと進化のすべての現象を支える法則を含む、より大きな骨格が生まれるのである。他にも多くの科学者が、自然界におけるデザインの謎について独自の洞察を示している。程度の差こそあれ、フラクタル幾何学、複雑性理論、ネットワーク理論、カオス理論、べき乗則（アロメトリック・スケーリング・ルール）、その他の「一般的モデル」や最適性宣言（最小、最大、最適）、チャールズ・ダーウィンの代表的な著作やダーシー・トンプソンの大著『成長と形について』などがそれである。
私の研究は、彼らの努力に対する回答や批評ではない。実際、私がこの膨大な文献を知るようになったのは、1995年にコンストラクタル法則を発見してからである。当時私が知っていたのは熱力学であり、熱を仕事に、仕事を熱に変換する方法の科学であった。仕事とは、抵抗する力に対する動きや流れを表す。熱力学は2つの法則の上に成り立っている。どちらも第一原理： 第一法則はエネルギーの保存を命じ、第二法則はすべての流れが高い（温度、圧力）ところから低いところへ流れる傾向を要約したものである。この2つの法則は、最も一般的な意味でのシステムに関するもので、形も構造もないブラックボックスと見なされている。
当時は、熱力学の2つの法則が自然を完全に説明するものではないことが理解されていなかった。自然はブラックボックスでできているわけではない。自然の箱は構成で満たされており、それらに名前（川、血管）があるという事実さえ、その外観、パターン、デザインによるものである。第二法則が物事は高いところから低いところへ流れるべきであると命じているのに対し、コンストラクタル法則は、時間の経過とともにますます流れやすくなるような構成で流れるべきであると命じているのである。
物理学が自然を完全にカバーしようとするならば、あらゆる場所、あらゆるものにおけるデザインの生成と進化という現象を説明する第一原理を追加しなければならない。コンストラクタル法則はこの新たな追加である。
自然界のデザインを説明しようとするこれまでの試みは、経験主義に基づいている。これらの試みはすべて、知識として蓄積された観察結果についての結論を明確にしている。それらは後ろ向きで、記述的、説明的であり、予測的なものではない。例えばダーウィンは、生物の進化に関するすべての観察結果を集め、それらの既知の事実に適合する説得力のある物語を作り上げた。同様に、フラクタル幾何学は説明的なものであり、予測的なものではない。フラクタル幾何学の支持者たちは、雪の結晶、稲妻、木々のような自然現象のように見える画像を作るために、数学的アルゴリズムを作成する。これらのイメージを描くために彼らが考案したアルゴリズムは、原理から導き出されたものではなく、試行錯誤から導き出されたものである。数学者が庭の木を描くために選ぶアルゴリズムは、画家が同じ対象を描くために選ぶ筆と絵の具に似ている。数学者は、正しく描けたアルゴリズムと絵だけを私たちに見せる。画家も同じである。
コンストラクタル法則は、自然界に見られるデザインを説明するだけではない。なぜデザインが生まれるのかを理解し、将来どのように進化するかを予測するために使える法則を明示しているのだ。
生物学者J.スコット・ターナーが2007年に出版した著書『The Tinkerer’s Accomplice』（邦題『ダーウィンの法則』）の中で、「都合の良い仮定が疑う余地のないドグマとなる悪質な傾向」と呼んでいるものに対抗するためだ。
驚くなかれ、自然界に存在するデザインの証拠が、このような強固な探究心に火をつけたのである。イギリスの古生物学者サイモン・コンウェイ・モリスは 2007年にエジンバラ大学で名誉あるギフォード講義を行いながら、進化には不気味な予測可能性があり、進化は状況の偶発性に支配されると主張する現在受け入れられている常識とは正反対であると主張した。
そしてターナーは、「生物が物事を成し遂げるために工夫する装置には、構造と機能の独特な調和が見られる」と観察した。自然淘汰は、「過去に偶発的ではあるが、未来への展望はなく、そのプロセスを導く目的意識も知性もない」ため、これを完全に説明することはできないと彼は続ける。
ブラウン大学の生物学者ケネス・ミラーは 2008年にボストンで開催されたアメリカ科学振興協会のシンポジウムに出席する前のブラウン大学でのインタビューで、次のように語っている。人々は生命が無目的で無作為なものではないと信じたいのだ。だからこそ、インテリジェント・デザイン運動は、科学的な裏付けがまったくないにもかかわらず、信奉者の感情的な戦いに勝利するのだ。科学者たちは、『デザイン』という言葉と、自然を科学的に理解することに内在する目的意識と価値観を取り戻す必要がある……生命には確かにデザインがある。私たちの身体の構造は、その機能と同様に、時間とともに変化してきた。科学者はこの「デザイン」の概念を受け入れるべきであり、そうすることによって、反進化運動が長い間訴えてきた自然界の秩序ある合理性の感覚を、科学のために主張することになる」
モリス、ミラー、ターナーらは正しい予感を持っている： 自然界におけるデザインは偶然に生じるものではない。彼らのコメントは、我々が革命的な時代に生きており、基本的な前提が問われているという事実を強調している。しかし、ほとんどの科学者は、そのイコノクラスム（象徴破壊主義）に対して、そこまでしか踏み込もうとしない。ダーウィンとその信奉者たちの信条に疑問を呈しながらも、生物は他のすべてとは異なるという考えに固執しているのだ。著名な科学作家であるリチャード・ドーキンスは、高い評価を得た著書『The Blind Watchmaker（盲目の時計職人）』の中で、この考えを明確に述べている： 彼は、「（複雑なものは）どのようにして存在するようになったのか、なぜそれほど複雑なのか」と問いかけた。チンパンジーも、ミミズも、オークの木も、宇宙から来た怪物も同じである」普遍的な展望を述べようとした矢先、彼は引っ込めた。一方、岩、雲、川、銀河、クオークといった。「単純な」ものについては、同じではないだろう。これらは物理学の材料だ。チンパンジーや犬やコウモリやゴキブリや人間は……生物学のものだ」
物理学と生物学の間のこの根本的な区分は誤りである。物理学と生物学の間のこの根本的な区分は誤りである。それは、世界がどのように機能しているかという広い視野からではなく、古くから言われている格言から生じている。ダーウィンとその信奉者たちは、科学的方程式から神を取り除くことに英雄的に貢献した。そして、多くの人が不快に思うかもしれないが、宇宙における人間の位置づけに関して、彼らは人間を一段も二段も引き下げたのである。しかし、彼らは過去から完全に脱却することはできず、生物学的生命が特別であるという考えを超えることはできなかった。
この古い世界観の名残だけが、理解を妨げているわけではない。科学はあらゆるものを包括するものであり、存在するものすべてに合理的な根拠を与えようとするものである。しかし、特にこの200年間、科学の実践者たちは、宇宙をどんどん小さな断片に切り刻む傾向にあった。ある人は岩石を研究し、ある人は鳥を研究し、ある人は宇宙を研究し、ある人は人間に焦点を当てる。ある医師は腎臓を、別の医師は大腸を、別の医師は心臓を専門とする。
科学者たちは、より小さな問題、より小さな次元に焦点を当ててきたため、ほとんどの人は全体像を見ることができなかった。そのため、自然界における包括的なデザインの傾向に気づいている人たちでさえ、私たちが生物に観察している広範な進化の傾向が、川や地球規模の気象パターン、その他動くものすべてなど、ランダムな突然変異の対象となるDNAを持たない無生物現象をも形作っていることを理解する想像的飛躍を妨げてきた。
私は1996年にこの一歩を踏み出した。国際的な学術誌にコンストラクタル法則に関する2本目の論文を書いていたとき、私はこう指摘した：
自然淘汰と、熱力学的効率が生存に与える影響については、これまで多くのことが書かれてきた。実際、生命システムを複雑な発電所と呼ぶことは日常的になっている。生命システムがあらゆる構成要素において最適化され、そのような構成要素の最適な組み合わせを発達させるという傾向は説明されていない。
もしそうだとしたら、川や稲妻のような非生物システムにおいて、同等の構造を発達させる責任は、どのような遺伝コードにあるのだろうか？……私たちをつなぐ社会の「木」、すべての電子回路、電話線、航空路線（ルート）、組立ライン、路地、道路、高速道路、高層ビルのエレベーターシャフトは、誰の遺伝コードにあるのだろうか？
河川流域の形成における土壌侵食の重要な役割を否定しないのと同様である。しかし、メカニズムは法則ではない。何が起こったかを説明することはできても、なぜそれが起こるべきかを説明することはできない。実際、コンストラクタル法則を考えれば、自然界におけるデザインを理解する上で、メカニズムの探求は極めて非生産的であることがわかる。河川の流域や生物にデザインを生み出す単一のメカニズムは存在しない。それどころか、土壌侵食や遺伝のデザイン生成作用を支配する物理学の原理は一つしかない。あるレベルでは、この2つの現象はこれ以上ないほど異なるが、どちらも流れを促進する形と構造を作り出している。自然淘汰、ランダムな突然変異、土壌侵食は終着点ではない。これらは自然界に存在する数多くの形態変化メカニズムのうちの3つに過ぎず、すべての進化現象の統一原理である「コンストラクタル法則」の役割を果たしているのだ。
コンストラクタル法則はまた、ダーウィン以来ドグマとなったもう一つの考え方、つまり進化には包括的な方向性はないという考え方にも挑戦している。この考え方の支持者は、適応によって種がよりよく生き残れるようになると主張するが、なぜこのような変化が起こるのか、「よりよく」とはどういう意味なのかを説明することはない。最も近いのは、次のような循環論理： 生存を助けるのであれば、変化はより良いものであり、生存を助ける変化はより良いものである。これとは対照的に、コンストラクタル法則は、すべての流れシステムは、その中を流れる流れに対して、より良い、より優れた設計を生み出す傾向があるため、進化が起こるはずだと予測する。この法則は、「より良い」という意味を、より速く、より楽に移動できるような変化という、明確な物理学用語で表現している。単細胞生物から魚類、鳥類、そして人間に至るまで、種が台頭してきたのは、景観における動物の質量のより効率的な流れが改善されてきたからである。単細胞生物から魚類、鳥類、そして人類に至るまで、生物種が増加したのは、景観における動物質量の流れがより良く、より効率的になったからである。
コンストラクタル法則は、進化し続ける自然への理解における最新の進歩である。しかし、基本的なレベルでは、私の作品は、科学の内外を問わず、周囲の流れる世界を表現しようとした先人たちとつながっている。例えば、小説家のウィリアム・フォークナーは、「生きる」とは「運動」であり、「運動」とは「変化」と 「変化」である。
フォークナーは川ではなく人間について語ったが、彼の引用は、「流れに身を任せる」、「最も抵抗の少ない道を選ぶ」、「最小のもので最大限のことをする」という古い格言に包含されるコンストラクタル法則の基本的真理を、人々が長い間理解してきたことを示唆している。アメリカの超越論者ヘンリー・デイヴィッド・ソローは1853年、これを人生哲学として表現した。19世紀のアメリカの経済学者ヘンリー・ジョージは、この原則を次のように表現している： 「人間の行動の基本原則は……人間が最小の労力で自分の欲望を満たそうとすることである」
自然はより動きやすいように自らを組織化するという考え方は、科学においても長い血統を持つ。紀元1世紀、アレクサンドリアのヘロンは、鏡に反射して2点間を進む光線が最短経路をたどることを直感した。つまり、入射角と反射角は等しいはずだということである。17世紀には、ピエール・フェルマーが、屈折光線、つまり光が空気中から水中へ通過する際の折れ曲がった光線の形状を予測した際に、同様のビジョン、すなわち最短移動時間の概念を持っていた。
世紀前に力学と微積分を発展させた偉大な科学者たち（ニュートン、ライプニッツ、オイラー、ベルヌーイ夫妻、モーペルテュイ、ラグランジュ）は、自然は物事を最適化すると考え、自然界のデザインに疑問を持ち始めた。変分論理学は、制約条件（つまり現実）も考慮した上で、特定の目的を満たす「最適な」経路-究極の図面-を特定する技術として登場した。惜しいが、葉巻はない。自然は最適や「最終設計」や 「運命」を生み出さない。自然は、不完全さを減らすために時間と共に進化する形やデザインを生み出す傾向に支配されている。デザインの進化は決して終わらない。
コンストラクタル法則は運命（あるいは最適、最大、最小、最多、最少、最高、最悪など）についてのものではない。しかし、18世紀からの洞察は、コンストラクタル法則の力の一つを示唆している： それは、私たちの身の回りのすべての進化には時間的な方向性があり、私たちの身の回りで起こっているすべてのことには目的があり、フロー・パフォーマンスへの方向性があるという私たちの直感に、科学的な確証、合理的で検証可能な根拠を与えるものである。
コンストラクタル法則はまた、人々が長い間直感してきたもうひとつの事実、すなわち自然における調和を見る助けにもなる。川が美しいのは多くの理由があるが、そのひとつは、コンストラクタル法則が予言する幾何学的な法則に従っているから： 川の深さは幅に比例し、大きな流れは幅が広く深く、小さな流れは幅が狭く浅い。これはもちろん、水の流れに適している。この法則や自然界に見られる無数のスケーリングの法則は、はるかに深い調和の表面的な反映にすぎない。後述するように、私たちの美に対する考え方は、それが自然のデザインにどのように反映されているかを見ることで、実用的な形となるのである。
コンストラクタル法則は、孤立して機能するものは何もないことを教えてくれる。あらゆるフロー・システムは、より大きなフロー・システムの一部であり、周囲の世界によって形作られ、その世界に奉仕しているのだ。私たちが木と呼ぶ流れもまた、地域的・世界的な水分の均衡を保つために、地面から空中に水を移動させる大きな流れシステム（川や気象パターンも含む）の一部なのだ。結局のところ、樹木は他のあらゆる流れシステムと同様、自然の流れを構成する傾向を促進するために存在しているのだ。その形状と構造は、これを効率的に行うためのデザインを生み出す傾向を反映している。熱力学とコンストラクタル法則から生まれたこの相互依存性こそが、自然界における調和、バランス、一体性の真の源なのだ。
私は専門家として、コンストラクタル法則を強力な科学的ツールとして捉えている。人間として、私はその形而上学的な意味合いも高く評価している。詩人たちは長い間、世界のバランスと調和、自然の一体性を讃えてきた。しかし、それを合理的に証明することは難しかった。今までは。生物の世界と無生物の世界を結びつけ、川の流れを都市の流れやお金の流れに、私たちの肺や血管の設計を樹木や稲妻に結びつける原理を特定することで、コンストラクタル法則は科学を詩と一致させる。それは私たちの深いつながりを明らかにする。それは、動くものすべてを結びつける傾向を照らし出す。
著者について
ADRIAN BEJANは、エントロピー生成の最小化、対流のスケール解析、ヒートラインとマスライン、自然界におけるデザインと進化のコンストラクタル法則など、熱力学における数々の独創的な手法を開拓してきた。科学情報協会（isihighlycited.com）による全工学分野（全分野、全国、存命・故人を問わず）で最も引用された著者100人の中にランクインしている。h-インデックスは45である。
査読付き学術論文540本以上、著書24冊（Shape and Structure, from Engineering to Nature (Cambridge University Press, 2000)、Constructal Theory of Social Dynamics (Springer, 2007)、Design with Constructal Theory (Wiley, 2008)など）。また、『Advanced Engineering Thermodynamics』（Wiley）と『Convection Heat Transfer』（Wiley）は現在第3版まで出版され、世界中の大学で大学院の教科書として使用されている。
スイス連邦工科大学（2003）、ローマ・サピエンツァ大学（2009）をはじめ、11カ国の大学から16の名誉博士号を授与されている。また、以下のような国内外の学会賞も多数受賞している：
マックス・ヤコブ記念賞（アメリカ機械学会・アメリカ化学工学会、1999）
ドナルド・Q・カーン賞（アメリカ化学工学会 2008）
2011年米国機械学会名誉会員
- ラルフ・コーツ・ロー賞（アメリカ工学教育協会 2000）
- ルイコフ・メダル（国際熱物質移動センター 2006）
- ジェームス・P・ハートネット記念賞（国際熱物質移動センター 2007）
- エドワード・F・オーバート賞（アメリカ機械学会 2004）
- ウースター・リード・ワーナー・メダル（アメリカ機械学会、1996）
- ジェームズ・ハリー・ポッター・ゴールドメダル（1990年、アメリカ機械学会）
- チャールズ・ラス・リチャーズ記念賞(アメリカ機械学会 2001)
- グスタス・L・ラーソン記念賞（アメリカ機械学会、1988）
ベジャンはMITですべての学位を取得した： 理学士号（1971年、優等コース）、理学修士号（1972年、優等コース）、博士号（1975）を取得。1976年から1978年まで、カリフォルニア大学バークレー校のミラー科学基礎研究所で博士研究員を務めた。1984年にデューク大学の機械工学正教授（終身在職権付き）、1989年にJ.A.ジョーンズ特別教授に任命された。
J. ノースカロライナ州ローリーにあるセント・オーガスティンズ・カレッジでジャーナリズムとマス・コミュニケーションの助教授を務める。ニューヨーク・タイムズ紙とニューズ＆オブザーバー紙（ローリー）で活躍し、受賞歴のあるコラムニストである。W.W.ノートンの2冊の本『Remarkable Reads』を編集、寄稿している： 34 Writers and Their Adventures in Reading』（2004）と『The Top Ten： Writers Pick Their Favorite Books』（2007）を執筆している。