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- 第二章 总纲
复杂性
如前所述，大历史要处理的问题是复杂性涌现及复杂性降低的问题。最初的时候，复杂性几乎为零。伴随宇宙演化，有些部分变得更为复杂，最突出的现象是星系形成了。但经历了一个暴风雷霆的开端之后，宇宙的大部分实际变得非常空旷，因此其复杂度并不高。而时至今日，在经历了大约140亿年的演化之后，人类俨然成了全部已知宇宙中最复杂的生物有机体。
但不幸的是，迄今人们就“复杂性”概念尚未达成一致的意见。[8]因此，迄今也尚不存在普遍认同的确定不同层次复杂性的方法。称某些物质比其他物质更复杂，这当然是有道理的。比如，有什么人会坚持认为细菌（bacterium）比人还要复杂呢？或主张质子比铀核更复杂呢？人们通常说系统（我本人更喜欢使用“体系”）在整体大于其组成部分之和时要更复杂些。[9]这一观念是德国格式塔心理学的奠基者克里斯蒂安·冯·厄棱费尔（Christian von Ehrenfels）和马克斯·韦特海默（Max Wertheimer）于19世纪90年代创造的。在现代复杂性科学中，这种复杂程度上的差异是通过突变特征（emergent properties）得到阐述的：某一层次复杂存在的特征不可能在低一层次的复杂存在中产生。比如生命体就具有这样的特征，因为生命特征不可能出现在构成生命体的分子身上。法国社会学之父奥古斯特·孔德（August Comte，1798—1857）及紧随其后的德国社会学家诺伯特·埃利亚斯（Norbert Elias，1897—1990）均曾以相对自主性（relative autonomy）概念诠释上述特征，一句话：不能将高层次的复杂存在简单还原成低层次的存在。[10]
因为不存在普遍认同的“复杂性”定义，所以我在这里历数一下复杂性的主要特征，以期问题得到解决。首先是既有的组块问题。组块越多，其组成的架构就越复杂。同理，组块的种类越多，也有助于构架复杂度的提升，因为构架的组块多了，其自身显然也就有条件更复杂一些。复杂度层次的提升还取决于组块间的连接和彼此间的互动，连接互动的数量和样式更多，组成的物体也就越复杂。因此，从整体看，一个体系由更多、形态各异的组块以更多种多样的形式实现连接互动，该体系也就会变得更复杂。
在不同层次的复杂实体中，可以发现不同种类的组块。一般物体的组块为质子、中子和电子。这些基本粒子以不同形式组合成化学元素，而化学元素又是更高层次复杂实体的组块。化学元素可以组成分子，分子是更高层次复杂实体的组块。这些不同的组块共同构成恒星、行星和黑洞，后者组成星系，星系又进一步组成星系群（galaxy clusters）。化学元素组成分子，众多分子又进而组成更复杂的细胞，细胞再组合成个体生物，个体生物组合成社会。所有这些不同层次的复杂实体彼此之间都有某种程度的相对独立性，简单地说，就是某一层次复杂实体显现出的突变特征不可能以低一层次复杂实体的特征做出充分解释。
复杂性还有一个非常重要的维度，即组块的序列。比如，数字计算机的信息只有两个组块构成，即1和0，但通过1和0的大量变化组合，人却能制造出相当程度的复杂性。显然，组块构成的序列不同，就可以产出不同层次的复杂性，序列稍做变化，整个复杂性就会被破坏掉。组块的序列，还有信息，对生命体和文化体特别重要。在生命体中，基因信息是在脱氧核糖核酸（DNA）分子的长链中实现组织的，其中组块的序列至关重要，因为序列决定着细胞内发生的一切。同理，序列对文化信息和文化交流而言也特别重要。
其实无生命的大自然也同样表现出某种形式的序列，因此亦可谓携带着自身的信息。比如，沉积岩往往呈现出多个层次，每个层次包含化石的种类也各不相同，科学家们正是以此为线索对遥远的过去做出解释的。不过这类物质与基因或文化信息有很大不同。沉积岩和化石对体系的整体运作并无作用可言，它们只是在那里存在而已；而储存在基因分子和文化库存中的信息，比如书籍和计算机硬盘驱动器，却对隶属的个体发生某种作用。
比较不同形式的复杂实体，一定要考虑到单位（千克）质量的复杂度。要不然的话，人们就会觉得几千克重的石头——仅仅因为其块头大，因此其组成的原子数量也必然要多——就一定比体积很小的微生物还要复杂。可一旦比较石头与微生物的单位质量的话，就会发现小小的微生物突然变得复杂了许多，这主要是因为后者组块的种类和连接的程度都要大得多。
这种以组块、连接和序列界定复杂性的做法从原则上说就可以确定整体在多大程度上大于其组成部分之和，不过在实践中却很难实现。我们究竟该评估哪（些）方面呢？又该使用什么方程呢？究竟哪（些）方面的权重更高一些呢？是组块的种类，连接的不同方式，还是更持久、更繁复的序列呢？至少现在，我还找不到任何可行的方法对上述三个方面做综合评估并准确计算出不同层次的复杂度。如果可能的话，那么哪怕只在一阶条件（first-order approach）下实现上述目标也足以构成一个完整的研究课题。而即使实现了这一点，我们就能由此精确认定某个特定层次复杂实体的突变特征吗？因此，就目前而言，我们只好依靠质化的手段来评估已知宇宙中不同层次的复杂存在，这至少比主观评说要好一些。虽然这样做不甚令人满意，但据我所知，这却是既有的最好的方法了。[11]
“秩序”与“复杂性”概念的内涵并不完全相同。比如，氯化钠（普通食盐）的晶体就非常规则、秩序井然，因为其中带正电荷的钠离子和带负电荷的氯离子都是交替有序地排列的。但我们却不认为氯化钠晶体特别复杂，因为其组块并不多，组块之间相互作用的方式也非常有限。我更倾向于使用“更复杂”来描述生物有机体，因为后者由多种不同的分子组成，分子之间互动的方式更是多种多样。因此，“无秩序”的反面有两种：一种非常有秩序但并不甚复杂；另一种由多种化合物的结构组成且化合物之间有互动。
更复杂形式的实体从不会无中生有地突然涌现出来，而总要从复杂度更低的实体发展而来。比如，人类社会是从灵长类动物群体中涌现的，而后者则是从更为简单的生命形式进化而来。这只是一般规律的一个例证。涌现或演进的过程通常非常漫长，相比之下，复杂度高的实体的解体却非常迅速，甚至不须经过中间阶段。比如，人死了要火化，一下子就回到了无机物的阶段。
在我们生活的地球，人类不损毁现存的实体就不可能创造出新的复杂实体。在自由空灵的太空中间，我们人类根本不可能有一套可以随意支配的新的组块。相反，我们所能有的只是周围已有的各种形式的复杂实体，且所能做的是对其进行重塑。因此，我们一方面创造新形式的复杂实体，而另一方面却要不断损毁旧的实体。而且还有一点不能忘记，就是人类有时在损毁其他形式的复杂实体的同时，却并未创造出新形式的复杂实体。
下面我们简要地从质的角度看一下大历史中所分辨出的各种形式的复杂存在。根据众多学者的研究，复杂实体主要有三种：无生命的物质即大自然、生命和文化。从物质的角度而言，无生命的自然是迄今人类所知宇宙间存在量最大的复杂实体。以下实例可让人领悟其规模存在的意义。为简单起见，我们假定整个地球的重量大约与一辆美国轿车一般重，约为一吨，那么地球上全部生命的重量加起来应不超过17微克。后者大约相当于轿车掉下来一小块儿油漆的重量。继续这样的类比：整个太阳系的重量大致相当于一艘超级油轮。不过由于银河系的重量尚不为人知，所以我们的类比只能到此为止。但即使银河系内甚至整个宇宙之中充盈着大量生命实体，就如同在太阳系中一样，那么其相对质量也不应超过超级油轮上掉下来的一小块儿油漆。
宇宙中的无生命物质实体也表现出不同程度的复杂性，从单个的原子到整个银河系。无生命物质实体的组织完全遵从大自然的基本规律。无生命复杂实体的结构可能非常精妙，但其运行不须仰仗任何信息。换言之，无生命的物质世界没有所谓的信息中心存在并决定该世界如何运行。因此，那种认为太阳系有所谓自身的蓝图并决定地球或太阳系如何运行的想法是不对的，因为这样的蓝图根本不存在。
下一个层次的复杂存在是生命实体。如上所述，仅从相对质量而言，生命体是一种相当边缘的现象，但生命体的复杂程度却是任何无生命的物质实体都无法企及的。与无生命的复杂实体不同，生命体要维持自身的存续就必须借助某种特殊的机制不断从外界获取物质和能量。生命体一旦停止从外界获取物质和能量就会死亡，其机体会解体成较低层次的复杂存在。为保持自身较高水平的复杂度，生命体往往借助储存在DNA分子内的遗传信息。因此，为弄清生命体的运行机制，就很有必要搞清楚配置生命组建的信息中心何在，信息中心如何运作，把生命信息转化成生物机理的控制系统的工作原理以及上述机制在塑造生命过程中的局限性。
第三层次的复杂实体是指文化：储存在神经和大脑细胞内的文化信息，或人类各种形式的记录、处理和交流。具有这种能力的物种中最发达的自然是人类。就整体质量而言，现有人类累加起来的总重量大约是地球上全部生物重量的0.005%。如果全部生命重量相加仅及车船上掉下来的一小块儿油漆，那么全部人类的总重量也就不过掉落油漆上的几个细菌而已。然而人类通过集体的力量，迄今已学会控制地球上全部生物中相当大的一个部分，大约在25%至40%之间。换言之，由于人类有文化，这几个油漆碎片上的细菌已经控制了油漆碎片相当大的部分。因此，要弄清人类社会的运行机制，仅研究人的脱氧核糖核酸、分子机制及其对外界的影响就不够了，还须同时研究人类借以塑造自我的文化信息，以及除了人之外的大自然。
与基因不同，文化信息的组块无法明晰准确地加以界定，文化复杂性也因而变得难以严格界定。文化概念不但更为灵活、更富于变化，还需人本身对其加以解读。一方面，活体细胞内的基因信息须准确无误地加以解读才能保证细胞体的正常运行，而另一方面，在人类社会却鲜有此类明确无误的解读机制，甚至根本没有。[12]但不管怎样，文化信息还是使得包括人类在内的动物能够成功应对求生的斗争。
我们已知最高层次的复杂存在，即生命体与文化，很可能是一种边缘现象，因为这种现象首先特别稀少，其次物质聚合度高，此外只在较大体系的边缘发现。我们所知的生命体只在行星的表层出现，而这样的行星也只出现在银河系的边缘处。行星上的物质大多是在人类的脚下，而不是环绕着人类。而在太阳系，大多数的物质浓缩在太阳本身而不会超过地球环绕太阳公转的轨道。类似的描述同样适用于太阳系在整个银河系中的地位。不过，诚如埃里克·蔡森观察到的那样，这一规律却不适用于生命体中的复杂度分配。生物复杂度最高的部分，主要是脱氧核糖核酸和大脑，只在某些高度受保护的区域存在，而不是在体系的边缘。这种高复杂度的存在之所以要受保护，是因为生命体要避免从外界进入的物质和能流过大，过大了就会导致生命体的解体。显然，生命体为保护自身的高复杂度为自己制造了一身太空服。事实上，地球上的生命体可能已经成功地将整个生物圈改造成了自己的太空服。这在我个人看来，正是詹姆斯·洛夫洛克的盖娅假说实质所在，本书第五章对此有详述，简而言之就是：地球上的生命体已进化出某种反馈机制，能够使生物圈的整体运作有利于自身的存续。
在宇宙的进化史上，所有这些形式的物理、生物和文化复杂存在都是彼此独立地涌现出来的。从科学的视角看，所谓某种超自然力可能介入复杂存在的生成是不能成立的，因为人类从未见证过此类超自然力的运作。这里的主要问题是：宇宙究竟是如何组织自我演化的呢？我们在日常生活中的所见往往与此正好相反，即常见复杂的存在解体为无序的存在，这使得回答上述问题变得更为艰难。比如，孩子们弄脏了的房间从来就不会自己变得干净，而城市若没有清扫垃圾的体系很快就会被淹没在自身制造出的垃圾之中了。这种趋势被称作热力学第二定律，即在一个封闭的系统中，随着时间的推移，其间存在的无秩序性，或称为熵，只能不断提升。换言之，宇宙的演化也只能是混乱程度不断加剧的历史。因此，某个局部出现复杂度的提升则必然伴随着其他地方出现混乱度的加剧。有鉴于此，复杂存在究竟是如何涌现的呢？
热力学第二定律
19世纪蒸汽机越来越广泛的使用让很多人开始讨论：蒸汽机的效率究竟能够提高到什么程度？地下储藏的煤究竟有多少可以转化成可控的圆周运动以启动机器？沿着这一方向的探索最终导致人类对自然界有了更为根本的认识，这一认识现在被称作热力学，即“有关热的力学”。
热力学第一定律指出，在一个封闭的系统中，能量既不可能被创造，也不可能被消灭（核反应属例外，因为通过核反应可以把物质转化成能量）。能量虽然不可能被消灭，但却可能从更有用的形式转化成相对无用的形式。比如烧煤驱动蒸汽机时就是这样，其间化学能被转化成动能（运动）和热能，后者被排放到宇宙之中。
然而再把热能完全转化成煤却是不可能的。这一深刻洞见最终造就了热力学第二定律，即在一个封闭的系统中，混乱度无可避免地会趋于上升。这就意味着高价值的能源可以变成较低价值的能源，而不可能是相反。
其结果就是，一地复杂度的提升必然以他地混乱度提升作为代价。奥地利科学家路德维希·玻尔兹曼（1844—1906）解释说，这是因为物质和能量都有向统计学上最有可能出现的状况分散的趋势。比方说，要一个房间中所有的空气分子瞬间都聚拢到一个小的角落是不大可能的，相反，空气分子更容易均匀分布在整个房间，除非有某种能流——比如加热系统——的介入使空气分子在房间中打转。但在没有能流介入的情况下，空气分子就会非常均匀地分布，因为这是它们最有可能的分布。这一点借助数学可以得到清晰的展示。玻尔兹曼在这一方面的创新研究现在被称作统计热力学。
这就提出了一个最为根本的问题：为什么宇宙间的物质没有终结于其最后可能的状态，即那种令人感觉乏味的均匀态呢？加拿大裔法国天体物理学家于贝尔·雷弗在其《欢乐时光：宇宙演化、秩序与复杂性》一书第90页以后用相当的篇幅说明，之所以如此是因为宇宙并非一个封闭的稳定系统，正相反，宇宙从一开始就迅速地向外膨胀。结果，物质在涌现之际根本没有足够的时间和条件趋向稳平衡态。假如宇宙的膨胀从一开始就没有那么迅速，那么物质很有可能早已转化成了黑洞或铁，即宇宙中最稳定的化学元素，当然这取决于具体的情况如何。要真是这样的话，那么我们已知的多种复杂存在都不可能成形。但现实的宇宙膨胀非常迅速，这种假想的状况——即大量复杂实体的组块凝结在时空中——根本不可能发生。所以，我们上述的各种组块得以彼此聚散离合，形成各个层次的复杂实体。不过还是那句话，一地复杂度的提升必以宇宙他地混乱度的提升为代价。
