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翻越不可能的山
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环顾四周，不论你借助肉眼，还是借助最先进的望远镜，我们都会看到一个高度结构化的复杂宇宙。复杂性是不大可能存在的，它的出现总是需要某种解释。没有任何简单组织可以一跃成为复杂组织。高度复杂性的出现需要一系列微小步骤的铺垫。这些步骤依照一个序列依次出现，这也意味着存在一个严格依赖于时间的事件序列。
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一切对复杂性的科学解释总会要求历史的出现。随着历史的发展，复杂性不断积累，如棘轮般缓慢运转。这便是理查德·道金斯（Richard Dawkins）5口中的“翻越不可能的山”。[1]于是乎，宇宙肯定要有一段历史，这段历史随时间展开。要想解释宇宙如何成为今日之宇宙，因果秩序必须存在。
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19世纪的一些物理学家和一些当代的二流宇宙学家接受了无时宇宙图景。在他们看来，我们所看到的复杂性是偶然的、昙花一现的；宇宙的归宿是某个平衡态，这个平衡态被称为“宇宙的热寂”（heat death of the universe）。在热寂时，物质和能量均匀地分布于整个宇宙，什么都不会发生，除了随机涨落以外。[2]大部分时间内，随机涨落在产生后会迅速消散，不形成任何结构。但我会在本章和下一章中解释，第10章中给出的新宇宙学原则可以帮助我们理解，为什么复杂性不断增加的宇宙自然而然而又不可避免。
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因此，在我们面前有两条道路，通向两幅截然不同的宇宙未来图景。在一幅图景中，宇宙没有未来，因为时间并不存在。时间顶多是我们对变化的度量，它是一种假象，变化停止之日，便是假象终结之时。在另一幅图景中，宇宙受时间所制。宇宙不断孕育出新的现象和组织状态，它永远可以自我更新，不断进化出具有更高复杂性和结构性的状态。
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观测记录明确地告诉我们，随着时间的推移，宇宙的趣味性不断增加。早期宇宙充满了处在平衡态的等离子体；从这种最为简单的初始状态开始，宇宙演化出了非常庞大的复杂结构。上至星系团，下至生物分子，这一演化发生在许多不同的尺度上。[3]
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这些结构性和复杂性的不断增加令人困惑，因为它排除了一个最为简单的解释：我们所见的结构只是某种巧合。如果这些结构仅仅是巧合，它的复杂性就不会在过去10亿年间不断增长。我马上会在下文中解释，如果我们看到的复杂性不过是一些巧合，那它肯定会随着时间流逝不断降低，而不会升高。
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宇宙的平衡态
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在将时间驱逐出物理学和宇宙学的道路上，宇宙的热寂说是前进中的又一步。热寂说类似于一个古老的想法：宇宙的自然状态应该不包含任何改变。在思考宇宙的过程中，人们最古老的念头就是设想世界的自然状态应该是个平衡态。在这个平衡态中，所有事物都有自然的归属，结构不会形成。这个思想是亚里士多德宇宙学的精髓（在第2章中我们对此有所讨论）。亚里士多德学说的物理学根基是，一切事物本质上都处于自然运动状态，例如，土会往宇宙中心沉，而空气会向上浮。
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在亚里士多德看来，尘世尚有变化的唯一理由，就是动因的存在。我们可以把动因归类为外加运动。外加运动可以将物体移出它们的自然状态，人类和动物通常被认为是外加运动的源泉。但还有其他来源存在。水蒸气容许气体进入其中，同时也会部分获得气体向上浮的自然运动，因此，水蒸气会向上升。当水蒸气冷却时，气体被排出，水就化为雨下落。外加运动的终极来源是太阳产生的热。不管外加运动的形式如何，它们都来自太阳。假如尘世和天堂被隔开，那么就尘世来说，一切事物都会归于平衡状态，即静止于各自的自然位置，尘世的变化也将终止。
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现代物理定义了自己的平衡概念。它由热力学定律给出，热力学定律适用于盒中物理学。我们常常将热力学定律加在孤立系统之上。这些系统与周围环境之间没有物质和能量的交换。
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当然，我们要特别小心，不然很容易混淆现代热力学中的平衡概念和亚里士多德或牛顿口中的平衡。亚里士多德和牛顿理论中的平衡来自力学平衡。桥之所以会屹立不倒，是因为它的每条梁、每个铆钉都处于力学平衡状态。现代热力学的平衡概念与之截然不同，它适用于拥有很多粒子的大系统，本质上反映的是概率的概念。
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在我们聊宇宙的热寂之前，最好先理解一些术语。最值得了解的，就是熵和热力学第二定律的相关知识。
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理解现代热力学的关键，是要明白热力学中存在着两个层次的描述。一个是微观层次。任意给定一个系统，微观层次要精确描述所有原子的位置和动量，我们称之为系统的“微观态”（microstate）。另一个是宏观层次或系统的“宏观态”（macrostate），它用很少几个变量给出系统粗糙的近似描述，气体的温度和压强就属于这样的变量。研究一个系统的热力学，就要搞明白微观描述和宏观描述之间的关系。
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让我们以一栋砖瓦建筑为例。这个例子中的宏观态就是建筑的设计图，微观态就是砖块的具体位置。建筑设计师只需指定砖墙要多大，要不要开门、开窗，而无须细究砖块的位置。大多数砖块都差不多，交换两块砖不会影响整栋建筑的结构。由此我们看出，一个宏观态可能对应于许多不同的微观态。
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让我们将这栋砖瓦建筑同建筑大师弗兰克·盖里（Frank Gehry）设计的建筑作品做个对比。盖里的代表作是毕尔巴鄂古根海姆博物馆，其外墙由一片片特制的金属板构成。想要实现盖里设计的曲面，金属板必须各不相同，每片金属板的走向也相当重要。当且仅当每片金属板都按照设计图精确定位时，建筑设计师理想中的建筑才能成型。
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在这个例子中，建筑设计师在指定建筑的宏观态之外，还要指定建筑的微观态——每块金属板的走向。同传统砖瓦建筑不同，我们不再有篡改微观态的自由，只有一种微观态可以给出设计师预想的宏观态。
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到底有多少微观态对应于同一个宏观态？我们有个专门术语来表示微观态的多少，即“熵”。通过熵，我们可以看出盖里的建筑是多么具有革命性。实现一张建筑设计图，要对应多少种部件的组合方式，即一栋建筑的熵。标准砖瓦建筑的熵很高，而盖里设计的建筑熵为零，即只有一个微观态对应。[4]
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从上述例子中我们看出，熵是信息的反面。想要描述盖里的建筑设计，需要有大量信息，因为你需要精确地指出每块金属板的制作过程和安装走向。想要描述一栋砖瓦建筑，你只需要很少量的信息，因为你仅需要知道墙的大小。
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让我们通过一个典型的物理过程看看以上方法的工作原理。考虑一个充满气体的容器，里面存在大量气体分子。这个系统的终极描述存在于微观层次：微观描述必须告诉我们每个气体分子的位置和运动，这需要大量信息。但这个系统还有一个宏观层次，在宏观描述中，我们可以用密度、温度、压力来描述气体。
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指明气体的密度和温度所需的信息，远远少于指明每个气体分子所处位置的信息。因此，把系统的微观描述翻译为宏观描述相对简单，而反过来则非常困难。如果你知道每个原子所处的位置，你就会知道气体的密度和温度，后者是气体原子的平均动能。而宏观描述却不可能翻译成微观描述。这是因为给定一个气体密度和压强，可以有许多不同的分子排列方式。
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在将微观态翻译成宏观态的过程中，追踪给定宏观态所对应的微观态数量非常有用。在建筑的例子中，这个数字由宏观构造的熵给出。请注意，“熵”只可能是宏观态的性质。由此看出，熵是一个演生出来的性质；谈某个系统的微观态有多少熵，完全没有意义。
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接下来，我们要把熵和概率相联系。你可以通过一个假设完成这一步，即所有的微观态都有相同的概率，这是个很现实的假设。气体中的每个分子都在混沌运动，它们的排列经常被推倒从来，它们的运动也因此非常随机。一个宏观态对应的微观态越多，换句话说，宏观态的熵越高，它就越有可能被实现。其中最有可能的宏观态被称为“平衡态”。在平衡态中，所有微观粒子都在随机运动。平衡态也拥有着最高的熵。
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