动态稳态，自然选择是一套自组织机制

我们的宇宙满足一些宏大的原则，比如全同关系的相对性。了解这些原则使我们受益颇多，但仍不足以扫清所有的宇宙之谜。原则不直接作用于物质，直接作用于物质的是定律。我们需要知道一个原则如何作用于定律之上，以保证定律满足这个原则。在某种程度上，我们已经知道了答案——这个过程和引力与热力学间的扭曲关系有关。

我们现今的莱布尼茨宇宙中，有一个要素几乎达到了热平衡，它便是宇宙微波背景辐射。可是我们知道，宇宙微波背景辐射是早期宇宙的残留，于大爆炸后40万年产生。宇宙中，广袤的星际空间已经处于热平衡的支配之下。可宇宙还有许多部分，离热平衡很远。宇宙中最为常见的物体便是恒星，恒星并没有抵达周边环境的平衡态。恒星总是处于一种动态平衡之中：一面是内核核反应产生的能量，它会使恒星爆炸；另一面是引力，它会使恒星坍缩。仅当恒星的核能耗尽时，它才会抵达玻尔兹曼所说的平衡态，它会成为白矮星、中子星或者黑洞（黑洞是个例外。黑洞就像一台引擎，不断聚积物质，再把它们辐射出去）。但是，这些系统实际上并不处于平衡态，它们处在动态稳定态。

我们可以把恒星概括为这样一个系统。源源不断的能量通过这个系统，使得系统总是远离平衡态。有的能量来自核能，有的能量来自引力势能。它们缓慢地转变为多个频率的星光。这些星光照亮了地球在内的行星表面，使得行星进入了各自的非平衡态。

以上例子反映了一个大的原则^[3]：开放系统中的能量流，往往推动系统进入组织度更高的状态（如前文所述，“开放系统”指的是能与环境进行能量交换的有界系统）。我们将此原则称为“受推动的自组织性”（driven self-organization）。如果说充足理由律是自然世界中最重要的解释原则，那么全同关系的唯一性便是她的王子；受推动的自组织性则是一位能干的天使，她在无数的恒星和星系中作了大量细节工作，保证了宇宙的多样性和复杂性。

把水壶灌满，再放到炉子上。这个系统（水壶和水）便是一个开放系统。能量缓慢地从壶底进入这个系统，把水加热，再通过水的表面进入空气之中。为了更简单地弄清这个观点，让我们给水壶加上盖，这样化为蒸汽的水就无法离开这个系统。加热一会后，水会进入一个稳定态。在稳定态中，水的温度和密度不是统一的。壶底的水温最高，越往表面温度越低；密度的分布与此正好相反。流经水的能量使得水远离平衡态。很快，一个名为“对流循环”的现象开始在系统中显现。在对流循环中，水以水流的形式有规律地运动。从壶底进入的热能推动了水的循环。水受热、膨胀，然后成为上升水流。到了水的表面，水因为耗散了一部分的热，而变得比周围的水更密，于是下降并形成了下降水流。因为水不可能在同一个地方既上升又下降，上升水流和下降水流一定有所间隔，对流循环得以形成。

流经系统的稳定能量流可以制造复杂的模式和结构，它们是系统远离平衡态的证据。再例如，风在沙丘上留下的波纹或是站在复杂度谱顶端的生命。不管是沙丘波纹、生命，还是复杂度介于二者之间的系统，它们都源自流经系统的稳定能量流。这意味着，复杂的自组织系统永远不可能是孤立系统。

这些能量流制造了稳健的莱布尼茨系统。生物往往拥有许多拷贝，可每个拷贝都与其他拷贝有所不同。系统的复杂度越高，我们见到的个体间的不同也就越发明显。

这条道路通向非常优雅的科学。如同之前章节中指出的那样，这里的关键在于，热力学第二定律只适用于孤立系统；孤立系统被盒子封闭；盒子阻断了系统与外部的物质、能量交换。而任何生命系统都不是孤立系统。我们的生活总是伴随着物质流和能量流——它们的源头是太阳的能量。如果被一个盒子封闭（类似棺材），我们便会死去。

因此，亚里士多德弄对了一点。他认为，尘世因为流经其中的能量流而远离平衡状态。一些物理学家和哲学家没有认识到这一观点的重要性，在他们眼中，热力学第二定律和自然选择产生的复杂结构有着不可调和的矛盾。矛盾其实不存在，因为熵增原理不适用于生物圈，它只适用于孤立系统。事实上，自然选择是一套自组织机制。受到外部推动的系统会产生自我组织的趋势，自组织性由此自发产生。

在自组织性系统背景下，我们能更好地理解产生复杂性的特征。高复杂性的系统不可能处于平衡态，因为秩序不可能随机产生。因此，高熵和高复杂性不可能共存。说一个系统复杂不仅仅指一个系统的熵比较低。排成一排的原子的熵很低，但很难说它们很复杂。我和朱利安·巴伯发明了一个更好的概念来描述复杂度，我们称之为“多变性”。只给出一对子系统的相对关系或它们与系统之间的关系，看看这对子系统能否互相区别：如果一个系统中每对子系统都能互相区别，那么这个系统就具有较高的多变性。^[4]一个城市的多变性很高，这是因为你能轻易地环顾四周，了解自己身处哪个角落。在自然界中，非平衡态系统具有高多变性，它们是自组织过程的结果。

自组织系统具有一个普遍的特征：反馈机制可以使这些系统稳定。任何生命都是一个反馈机制的复杂网络，这一网络可以调节、疏通、稳定流经其中的物质流和能量流。正反馈意味着事物加速生成（比如说，麦克风靠近扬声器时产生的尖叫声）；负反馈减弱信号，它就像房子的恒温器，室温过低时打开暖气，室温过高时将其关闭。

当不同的反馈机制对系统的控制权展开竞争时，时空中就有模式浮现。当相互竞争的正反馈机制和负反馈机制作用于不同的系统尺度时，你便可以得到空间中的模式。生物自组织的基本机制由“计算机之父”艾伦·图灵（Alan Turing）发现。^[5]这个机制使胚胎产生模式，而这些模式标记出胚胎将来能够变出来的身体部位。在此之后，这个机制还能使生物产生其他模式，比如猫科动物皮肤上的图案、蝴蝶翅膀上的图案。

如果观测尺度超越了太阳系、超越了恒星，我们将会看到什么呢？恒星组织形成了星系，星系正是恒星的形成之地。星系本身处于非平衡态，它不仅包含恒星，也包括了产生恒星的星际气体和尘埃。外界的气体缓慢地在星系盘上累积；它是星系改变的驱动之一。尘埃则由恒星产生。生命尽头的恒星会发生超新星爆发。在爆发过程中，尘埃被注入星系盘。气体和尘埃可以处于许多不同的相态之中；有些炙热，有些则因寒冷而变得致密。星系的自组织过程由星光驱动——那些源自恒星的能量流。时不时地，大质量恒星发生超新星爆发。在这一过程中，大量的物质和能量被倒入星系之中。在比星系尺度更大的尺度上，我们也看到了结构的存在：星系被组织成了一个个被虚空隔开的星系团。我们相信暗物质的存在形成了这些模式，物质和暗物质的相互作用使得星系聚在一起。

因此，我们这个宇宙现在具有的特点，就是存在于不同尺度上的结构性和复杂性。从生物细胞中的分子重组，到星系组成星系团，结构性和复杂性无不存在。自组织结构存在层级结构，它被能量流推动，受反馈过程影响。这样的宇宙更像莱布尼茨宇宙，而非玻尔兹曼宇宙。

当我们回望过去时，我们会看到什么？我们会看到宇宙演化出了越来越多的结构，我们会看到宇宙从平衡态进入了复杂状态。

我们有充分的理由相信，早期宇宙中的物质和辐射接近热平衡态。在早期宇宙中，物质和辐射极为炙热，却有着非常均匀的温度。如果我们不断回溯时间，这一温度就会不断上升。在再复合时期以前（再复合时期发生在大爆炸之后40万年，光子和物质在这一时期相互分离），物质和辐射同处于一个平衡态。就我们目前所知，这一平衡态只受随机密度涨落的扰动。我们今天所见的所有结构和复杂性都始于再复合时期之后。最初的结构萌发于微小的随机密度涨落之中。随后，这些结构随着宇宙膨胀不断成长，它们形成了星系，又形成了恒星，接着，生命得以诞生。

简单地使用热力学第二定律显然无法得到以上图景。热力学第二定律声称，随着时间流逝，孤立系统的随机性会不断增加，变得越发无序，结构性和复杂性也相应减少。这和我们所见的宇宙历史截然相反。结构在许多尺度上生成，宇宙的复杂性也随之增加，越靠近今天，结构就越为复杂。