混沌和秩序
在本附录中，我将论证，在一些本书所论及的各种时间范围中有一些反复出现的对象。虽然对理解本书观点并无重大帮助，但是本附录将澄清某些细节，也许有助于读者更加清晰地看到，在现代宇宙诞生故事的各个不同部分之间的某些关联。
就诸多不同时间范围内出现的各种范型（pattern）而言，最重要的乃是范型本身的存在。不论我们从哪一个范型去观察，我们看到的都是有组织的结构或制度。我们并不观察那些微不足道的事物，它们就像一种宇宙静态似的；我们也倾向于让过分简单、重复的范型退入背景。我们关注的是那些将结构和多样性统一起来的复杂范型。也就是那些从无序的、极为简单的背景中凸现出来的、有自身历史的范型。如果历史的变迁有普遍规律，那么人们关注的就是这些范型的创造和进化的方式。
我们之所以看见复杂结构，是因为我们被造成能够看见复杂结构的那个样子。一切活的生物体为生存考虑就必须勘测它们的环境。它们必须能够侦查四时变化、太阳和月亮的运行、被掠食者和掠食者。因此，它们必须成为侦探的范型，查找环境中的点滴事物如何形成更大的、可预测的形态。人类也在不断区分环境中具有结构的部分和不具有结构的部分。我们对于恒星的兴趣必然胜过恒星之间近于空无的空间。我们还学会了如何追踪许多我们感官所无法直接感受的范型，例如深层时间（deep time）的范型。秩序和混沌决定了我们理解我们世界的一切尝试。
但是我们所探测的范型确实存在着，它们的存在是一个巨大的宇宙之谜。为什么会存在那样一种秩序呢？究竟是什么使得有序结构得以创造并且进化呢？创造无秩序似乎更加容易一些。想象手中有一副牌。我们随意洗牌，几乎不会出现有序的排列——比如一把前后相续的十三张红桃。就算真的出现，再洗几次牌这种排列就会消失。但是当研究我们整个宇宙的时候，在许多不同的范围——从绵延数百万光年的星系团，到人类社会的复杂结构，再到将夸克关闭在我们称之为质子和中子的亚原子粒子中的更具延续性的范型——中，都可以找到复杂的可延续的范型。
在解释复杂的可延续范型这个难题时，许多宗教主张，例如像我们人类这样的复杂实体是由一个智慧创造者或者神创造的。对于现代科学而言，这根本称不上解答，因为它只是进一步提出了一个难题，这个神又是如何被创造出来的呢。我们能够不引进一个会带来过多难题的假设而解释复杂性吗？目前尚不存在令人满意的答案；以下文字只是涉猎某些现代的解决办法。
有一件事情是明确的：创造和维持范型需要做功。一副牌的无序状态比有序状态要多得多。宇宙似乎也是这样做功的，它天然倾向于无序和混沌。创造和维系某个范型需要针对宇宙天然趋向于无序而做功；这就意味着促使不大可能的事情发生，并且使它不断发生。
因此，要理解范型意味着要理解能量是如何做功的。在19世纪，法国工程师萨迪·卡诺（Sadi Carnot）在研究蒸汽机能效时，得出一个结论，能量从来不会消失；它只是改变了存在方式。例如，热产生蒸汽，蒸汽压力产生推动蒸汽机的机械动能，能量本身似乎是守恒的。能量守恒定律被称为热力学第一定律。热力学第二定律似乎与之矛盾：在一个密闭的系统（宇宙看上去就是这样一个系统）里，自由能或者能够做功的能量，在数量上倾向于减少。瀑布之所以能够从高处落下推动叶轮，是因为叶轮上方的水被提到了一个高度，被用于提升水的能量（这能量是太阳提供的，太阳使水蒸气蒸发，将其抬高到云层），在水流向大海的时候释放出来。当水流入大海之后，这个能量就不再做功了，因为海平面的所有水拥有大致相同的能量；达到了热力学平衡状态。有用的或者自由的能量，也就是能够做功的能量需要有一个梯度、斜坡，也就是要存在某种差别。热力学第二定律表明，经过一个漫长时期，在一个封闭的系统里，所有差别都会消亡；在这样的过程中，艰难做功、创造并且维持复杂实体的自由能数量一直在减少。这似乎意味着，随着倾向于热力平衡状态，整个宇宙最终将变得越来越没有秩序。在19世纪，这种令人压抑的观念被描述为宇宙的“热死亡”。鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）给大量增加的无用能量贴上了一个标签，叫作“熵”。从很长一段时间看，熵似乎必然递增，复杂性必然消亡。最终，所有一切都将必然变成背景噪音。热力学第二定律显然暗示宇宙中的一切正坐在一部下行到混沌状态的电梯中。
这些就是现代物理学的基本观念，但是它们提出了两个更加深刻的问题。第一，秩序本身如何可能？为什么我们不是存在于一个热力学第二定律已经完成其致死使命的完全无序的宇宙中？宇宙肇始于一切有秩序的实体都一直依靠的自由能的储备吗？如果这样，能量的资本从何而来，需要多久才会消耗完呢？某种事物（或某人？）必须在宇宙的初期做了大量的功，创造出了梯度和差别，从而创造并维持我们周围所见到的范型。如果这不是造物主上帝所做的功，那么是谁做的呢？自由能的最终来源（因而也就是秩序）仍然是现代宇宙学的一个不解之谜，因为，我们所能说的，就是早期宇宙是完全均质的。
早期宇宙显然密度极高、极其炽热，处在一种热力学平衡状态之中。但是随着膨胀而逐渐变冷，随着变冷，它的对称被打破。最早的差别产生了，最早的温度和压力的梯度产生了。起初，似乎在电磁力和引力之类的力之间几乎无甚差别。它们似乎在一个几乎温度无限高、密度无限大的宇宙的巨大能量作用下混合在一起。然而，随着宇宙变冷，各自有差别的力都采取了自己特有的形式。例如，在大约大爆炸30万年之后，电磁场力极微弱，以至于不能将电子和质子束缚在一个原子里面。但是经过一段时间，宇宙冷却到一定的温度，电荷开始塑造现代物理学和化学所研究的原子结构。在这一点上，物质和能量也开始变得具有重大的区别了。
随着宇宙的膨胀，最初微小的差别增加了，每一种力开始以不同方式发生作用。引力在大范围内发生作用，并且形成宇宙的巨大结构。由于物质运动缓慢而且沉重，引力就将它们驱赶到一起，这比将运动迅速而轻盈的能量驱赶到一起要容易许多。因此，随着物质和能量的分离，引力开始做功，将物质形成大型的、复杂的结构，而除非在极端的状态下，如在黑洞附近，在多数情况下能量都能摆脱它的影响。首先，引力将氢和氦聚集在一起形成巨大的云层。然后开始将每一块云吹拂成为越来越小的空间，直到压力和温度在中心增加。当核心达到大约1000万度时候开始发生聚变反应，恒星发光了。所有恒星核心的聚变反应反制了引力的破坏力量，达成某种宇宙停战协定，这成为每一颗恒星的基础。恒星一旦形成，就提供稳定的、长期的能量差别，源源不断地供应自由能或曰负熵的储备。恒星形成了稳定的热点，散布在冷却的早期宇宙中，就像撒在面团上的葡萄干一样。如今，宇宙背景辐射仅为绝对零度之上几度——这就是宇宙的基本温度。但是在恒星的核心一定具有极高的温度，足够熔化一切——而在大型恒星里，它们的温度可高达1000万度。在接近这些热点的地方，复杂实体利用恒星和周围空间的巨大温差开始形成，就像地球上的早期生命是在深海火山口边形成的一样。正如保罗·戴维斯所言：“在远非平衡的开放体系中，物质和能量具有寻求越来越高水平的组织和复杂性的倾向。”
在地球上，太阳和周围空间的温差提供了创造包括我们在内的大多数复杂形式所需要的自由能；太阳系早期历史上所创造的能量驱动着地球上的热力电池，推动地层板块构造。这些差别使得能量流动，而能量流动使得范型得以产生。经过一定的时间，范型的可能性使得许多不同的范型最终出现了。
按照这样的思路推论，使得早期宇宙冷却和多样化的宇宙膨胀是一切温度和压力的差异的最终根源，因此也是创造秩序所需要的自由能的最终根源。我们的论证可以与此稍微不同。在宇宙起源的那一刻，宇宙是极小的并且是同质的，以至于几乎不可能出现无序状态；就像只有一张牌的一副牌。宇宙膨胀为无序创造了巨大空间以及新的可能性，而随着宇宙继续膨胀，可能性也随之增加。作为一般规律，系统越大，熵的可能性也就越大；正如我们继续做一个比喻，一副牌张数越多无序状态的可能性也就随之增加。因此，热力学第二定律表明熵总是在增加，而宇宙膨胀似乎确保在热力学电梯下往绝对无序状态的道路上总会有更多的台阶插入。凡是造成宇宙膨胀的，在某种意义上也就是秩序和范型的源泉。
在第一个问题——解释任何一种秩序如何可能——得到解答之后，第二个问题仍然存在。复杂实体又是如何出现的呢，它们一旦出现，又如何维持自身直到被我们注意到（或者成为我们）呢？反讽之处在于，熵增加的倾向——也就是朝向无序的动力——本身可以是创造秩序的动力。它通过创造无序而创造秩序。用诗歌的语言表述，就是我们能够将不断增加的熵想象为宇宙向原初的热力学状态回归；许多创世神话都类似地描写了原初的统一性分裂，而各个分裂部分又试图回归其原初状态。在柏拉图的《会饮篇》论及男女之爱的一种解释中，诸神把一个“阴阳人”一分为二，成为两个不同的生物，他们试图重新结合，由此创造了未来的人类。趋向无序的动力似乎又创造了新形式的秩序，就像水从高处坠落溅起无数向上跃起的水滴，又像河流能够形成旋涡，少量水流能够阻挡大水流。
从一个局部的范围、从一个短时期看，复杂实体由于创造了秩序而似乎颠倒了热力学第二定律的作用。但是从它们获得自由能的更大环境看，它们显然由于加速了自由能向无用的热形式的转化，实际上是增加了熵。因此在某种程度上，复杂性实际上是热力学第二定律通过一种狡猾的方式更加有效地实现通向无序宇宙的凄惨的目标。伊利亚·普里高津和伊莎贝拉·斯唐热（Isabelle Stengers）使用了耗散这个奇特的术语来描述这里的复杂结构。复杂结构所作的就是处理巨大的能量之流，在这个过程中，耗散大量的自由能，由此熵的总量增加了。虽然从一时一地看它们似乎降低了熵，但是事实上它们比简单结构更有效地产生了熵，令热力学第二定律致死的作用更加容易发挥。
尽管如此，创造秩序并非易事。在某种程度上，重要的能量之流需要通过产生增加秩序的容器而集中和聚集起来。复杂现象要求连续不断的能量以帮助它们登上熵的无情的下行电梯。因此稳定的差异的存在以保证提供源源不断的能量，例如来自邻近恒星的不同温度和压力，这是复杂现象不可或缺的前提条件。是否存在某种主动寻求复杂性的机制，目前尚不清楚。是差异和不平衡的存在主动驱使物质和能量走向复杂性吗？或者它们只是产生了复杂性的可能？复杂性像自然选择一样发生作用吗？一旦出现，由于它们很好地适应了环境而与这个地方发生紧密联系吗？或者热力学第二定律通过自身的一种迂回的狡猾手段来创造复杂性吗？
不管秩序的根源何在，它的产生，不管是在太阳上还是在股票交易所里，都需要创造一种能够流通并控制巨大的能量流而不使之流失的结构。这是一种非常难以掌握的计谋。正是这种困难解释了为什么有序实体是脆弱的、罕见的，为什么它们能够比简单实体更容易从背景里脱颖而出。大致上说，一个现象越是复杂，它就必须玩弄更多的能量流，更容易破裂。因此我们应当期待，随着实体变得越来越复杂，它们也许会变得更加不稳定、短命和稀有。也许甚至增加一丁点的复杂性，就会极大地增加其脆弱性，因而增加其稀有性。就现存所有复杂的化学元素而言，只有很少一些组成了有生命的生物体；就所有活的生物体而言，甚至更少的一部分形成了人类这样有智慧、组成网络的物种。（表4.1为这一概述提供了某些证据。）但是，如果我们不是依赖随机的变化而偶然产生这些结构，而是寻找倾向于主动产生这些结构的规律，那么复杂实体出现的可能性也会极大增加，这一点是很明确的。只是到目前为止，我们并不知道是否有这样的规律存在，虽然研究此种复杂性的科学正在试图寻找这些规律。
我们能够做的就是要描述复杂结构出现的某些方式。基本的规律是，复杂性乃是一步一步出现的，将已经存在的范型联接为更大的、更复杂的不同规模的复杂范型。一旦达到这一目标，某些范型似乎就将各个组成部分封闭在一种比它们所由创造的简单机制更加稳定、更加具有延续性的新的排列里面。这些过程创造了我们在宇宙中观察到的不同层次的复杂性，因为在每一个范围中，新的构造和变化的规则似乎在发生作用。我们称其为突生属性，因为它们似乎并不起源于原先各个组成部分的属性；相反，它们显然是随着各个组成部分组合成一个更大结构之后出现的。宇宙这个字是由八个字母（universe）组成的文字结构。但是这个词的意义不能从关于构成这个词的字母的认识中推演出来。其意义是一种突生属性。在化学中也是如此，水的属性不能通过描述氢和氧如何作用来解释，可是水是由氢氧元素结合而形成的。只有在氢、氧原子结合成水分子时其属性方才显现出来。这些规律在不同范围内、不同复杂性的层次上发生作用的无数方式，为现代知识的不同学科提供了研究主题。每门学科都研究出现在复杂性新层次——从粒子物理学到化学、生物学、生态学和历史——上的规律。
我们自己就是复杂生物，我们从个人的经验知道，要在那台下行的电梯上向上爬，抗拒宇宙滑向无序是何等的困难，因此我们不免对其他似乎也在做同样事情的实体深感兴趣。因此，这个主题——尽管存在热力学第二定律，或许正是在它暗中相助下达到有序状态——交织在本书所述故事的各个篇章中。混沌和复杂的无尽的华尔兹为本书提供了一个统一的观念。