一个静止的复杂系统不可能存在

复杂性的演化需要时间，不可能存在静止的复杂系统。我们学到的一大教训是，我们的宇宙拥有一段历史，这是一段复杂性随着时间推移不断增加的历史。这个宇宙不仅不是玻尔兹曼宇宙，随着时间推移，它还会拉开与玻尔兹曼宇宙的差距。

这并不意味着我们应该废除热力学第二定律。热力学第二定律适用于孤立系统，那些随着时间发展最终抵达平衡态的系统。更进一步来说，只要复杂性增加的地方同熵增的地方不重叠，二者之间就没有矛盾。自生命起源以来，地球生物圈已拥有40亿年的自组织发展历史。来自太阳的能量流推动了地球生物圈组织度的增加。大部分能量以可见光的形式抵达地球，被植物的光合作用捕获。光合作用将光子能量转换为化学键。通过化学键的形式，这些能量催化了诸如蛋白质合成等化学反应。这些能量最终会历经整个生物循环，以热能的形式脱离生物圈，最终以红外光子的形式被地球辐射至外太空。接下来，这些光子或许还能加热环日轨道上的一粒尘埃。

或许，单个能量量子催化了一种复杂分子的形成，生物圈的熵因此有所降低。但当地球将这个量子以红外光的形式辐射进入外太空时，太阳系整个的熵却有所增加。只要加热尘埃所引发的熵增大于合成化学键所引发的熵减，系统长期演化的结果将与热力学第二定律一致。

所以，假如我们把太阳系当作一个孤立系统，那么太阳系局部进行自组织过程，就可以和太阳系整体熵增相容。作为整体的系统，太阳系总是试图抵达平衡态，总是试图增加其熵值。热力学第二定律竭尽所能地驱使太阳系进入平衡态。但是，只要太阳不断将炙热的光子释放进入冰冷的时空之中，平衡态的抵达就会被不断延迟。在这段时间内，分子可以利用能量流，进入具有更高组织度和复杂度的状态。百亿年后，恒星将燃尽余晖。复杂性可在这段漫长的时间内不断传播。为什么在大爆炸后140亿年的今天，我们的宇宙还是远离平衡态呢？恒星的存在是回答这个问题的关键。

可为什么会存在恒星呢？如果宇宙必须趋向高熵和无序的状态，到底是什么让恒星无处不在呢？毕竟，是恒星的存在让宇宙远离平衡态。让我们换个问法：如果我们的宇宙是莱布尼茨宇宙，某种类似恒星的物体必须存在，这又是由哪些自然规律的特征保证的呢？

恒星的物理有赖于两个自然规律的非常特征。第一个非常特征，是难以置信的物理参数微调。这些微调过的物理参数包括基本粒子的质量以及四大基本作用力的强度，它们的微调使得核聚变成为可能。被压缩在恒星内的氢气，也因为核力的存在，展现出不同寻常的行为。氢原子不再随机地动来动去，它们会紧紧地聚在恒星的中心，以一种全新的方式相互作用。它们将相互融合，形成氦元素以及其他少数氢元素。

以上过程似乎有如以下场景。你被困在一间囚室里，日复一日，你都生活在无聊的平衡态中。每一个小时都有如其他小时。忽然之间，本不存在的牢门被打开了，你逃脱囚室进入了一个崭新的世界。然而，适用于普通原子的热力学定律永远不可能预言核聚变的出现，也不可能预言其所带来的全新可能性。

第二个非常特征，与将系统绑在一处的引力有关。简单地说，引力颠覆了我们天真的热力学观点。

热力学第二定律制造了一个日常生活中司空见惯的现象：热能总是从高温物体流向低温物体。冰会融化，加热的水会沸腾，当两个物体温度相同时，热能便会停止流动。这两个物体抵达了平衡态。一般来说，当我们从一个物体中提取能量后，物体的温度会下降；当向一个物体内注入能量后，物体的温度会上升。所以，当热能从高温物体流向低温物体时，后者温度上升，前者温度下降。这一过程会不断持续，直到二者的温度相同。这便是一个房间里空气只能有一个温度的原因。假设空气温度有起伏，那么较热的地方的能量便会流到较冷的地方，直到室内空气达到一个共同的温度。

以上现象使得平衡态稳定，任何小的涨落都无法将其干扰。假设因为一些小的涨落，房间一侧的温度较另一侧略有升高。接下来，能量就会从温度较高的一侧流向温度较低的一侧。前者温度降低，后者温度升高。很快，室温又将回到一个均一的值。大多数系统似乎都按照以上符合直觉的方式运行。然而，有些系统偏偏不是。

想象一团另类的气体。当你向其注入能量时，气体的温度降低；当你从中提取能量时，气体的温度升高。这样的气体看似有违常识，但却真实存在。它们处于不稳定的状态。假设你的房间充满了这类另类气体，它们处于同一个温度。一个微小的涨落将一部分能量从左侧气体移到了右侧气体。于是，左侧气体温度升高，右侧气体温度降低。这就意味着，左侧气体的温度将不可能下降，它会变得越来越热。越来越多的能量流入冰冷的右侧，这会使得右侧的气体变得越发冰冷。很快，你会遭遇一个失控的不稳定状态。这一状态中，左右两侧气体的温度差不断加大。

现在，让我们专注于房间内热的一侧，在其中重复以上场景。假设另一个涨落在热的一侧发生，这一涨落使得中心点的温度下降。上文所述现象以一种正反馈的形式出现，中心点的温度将继续变低，中心点附近区域的温度将继续变高。随着时间推移，任何微小的涨落都能成长为一个特征。这样的过程将再三重复。很快，你就拥有冷热区域交错的复杂模式。

按照以上方式运行的系统，将自然而然地形成复杂的模式。我们很难预测此类系统的归宿。它们或将演化出大量非均质的模式位形。我们称这类系统为“反热力学系统”（anti-thermodynamic systems）。热力学第二定律仍然作用于这类系统。但由于能量的注入能让一个区域冷却，气体均匀分布的状态变得非常不稳定。

受引力约束的系统具有上述疯狂的行为，恒星、太阳系、星系、黑洞，它们都是反热力学系统。当你注入能量时，它们将会冷却，这意味着这些系统是不稳定的。不稳定性驱使这些系统远离均一的状态，刺激时空模式的形成。

大爆炸后137亿年宇宙仍远离平衡态的原因与此有着莫大关系。宇宙历史可被概括为结构性和复杂性增加的历史。很大程度上，这是由于宇宙中充满了引力约束系统。下至恒星，上至星系团，这些引力约束系统皆为反热力学系统。

想要理解这些系统为何会反热力学，其实非常简单。引力同其他力有两点基本不同：引力是长程力，且总是吸引力。让我们考虑一个围绕恒星运动的行星。当你向行星注入能量时，行星会移动到远离恒星的轨道上。在那里，行星的运动速度会变慢。因此，注入能量降低了行星的速度，也降低了系统的温度，因为温度与系统个体的平均速度成正比。反之，如果你从太阳系中提取能量，行星会相应地落入近日轨道。在这些轨道上，行星的运动速度会变快。因此，提取能量增加了系统的温度。

我们可以将行星的行为同原子的行为相比较。原子因相反电荷间的电场力作用而被绑在一块。与引力类似，电场力的作用距离可以非常遥远。可与引力不同，仅当电荷相反时，电场力才会是吸引力。带正电荷的质子可以吸引带负电荷的电子。一旦电子被质子束缚住了，由此产生的原子就没有净电荷。此时，我们会说原子的电场力饱和了，原子不再吸引任何其他粒子。太阳系的运行方式与此相反，因为当太阳吸引其他行星之后，产生的新系统拥有比太阳更强的吸引力。于是，又一种非稳定性出现了——受引力约束的系统会吸引更多的物体进入其中。

反热力学行为在星系团退化过程中变得很明显。倘若一个星系团按照热力学演化，它就将到达平衡态。在这种情况下，所有的恒星都拥有相同的平均速度，恒星将永远聚在一块。但事实与之相反，现实中，星系团将经历缓慢的耗散。这一过程非常有趣。每当一颗恒星接近一个双星系统（指两颗互相绕行的恒星）时，如果距离很近，双星的轨道就会变窄。轨道变窄意味着能量的流出，这些能量传给了第三颗恒星。第三颗恒星现在有了足够的能量来脱离星系团，开始它的太空之旅。经过很长一段时间后，星系团中除了一些沿闭合轨道运行的双星以及一团由高速逃逸的恒星组成的恒星云，就没有其他什么东西了。

只要我们不对这些事实进行过于简单的诠释，它们本身与热力学第二定律就没有矛盾。热力学第二定律不过吐露了这样一个真理：如果一件事情可以通过很多方法去做，那它就越有可能被完成。正常的热力学系统终结于一个均一的、无趣的热平衡态；受引力约束的反热力学系统终结于为数众多的非均质态中的某一状态。

因此，宇宙之所以有趣的原因有三：“受推动的自组织性”作用于无数的尺度之上、无数的子系统中，上至星系，下至分子。这一原则使得系统的复杂度得以不断增加。驱动这一过程的引擎是恒星，正是“基本物理定律的精细调整”以及“引力系统的反热力学本质”使得恒星得以存在。但是，当且仅当宇宙的初始条件具有高度的时间非对称性时，这些作用才可以创造出一个充满恒星和星系的宇宙。

以上所有论证都可被纳入牛顿范式之中。某种意义上，我们能通过牛顿范式对此加以理解。但是，如果我们的思维一直跳不出这个范式，宇宙的组织结构似乎就构筑于那些不大可能存在的东西之上——对物理定律和初始条件极端特殊的选取。从没有时间的牛顿范式出发，我们唯一能够自然而然得到的宇宙，便是那些处于平衡态中的死宇宙。这是个令人悲伤的结论，也与我们所生活的宇宙明显不符。但是，如果我们从时间的真实性出发，与之相对的观点就会显得自然而然：宇宙及其终极定律拥有时间不对称性，由此得到的强时间箭头既能涵盖孤立系统中的熵增，又能涵盖系统结构性和复杂性的持续增长。