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宇宙能否包含两个一模一样的瞬间
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让我们从一个简单的问题开始：宇宙能否包含两个一模一样的瞬间？
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时间箭头的存在意味着每一个瞬间都是独一无二的。至少到目前为止，不同时刻的宇宙都是不一样的。这些不同显现于星系的性质之中，或显现在元素的丰度之中。这里的问题在于：这个瞬间序列到底是偶然出现的，还是蕴含着某种深层次的原则？在牛顿范式中，时间箭头的存在似乎是偶然的；而在一个处于平衡态的无时宇宙之中，我们预期存在许多完全一样的瞬间或非常相似的瞬间。
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有个更深层次的原则告诉我们，两个瞬间不可能完全相同，这便是莱布尼茨的“全同关系的同一性”。在第10章中，我们对此原则进行了描述，它来自莱布尼茨的充足理由律。这一原则认为，如果宇宙中的两个物体完全无法区分，那么它们就不可能不同。这不过是常识。如果事物间的区别仅在于可观测的性质，那么两个有所区别的物体就不可能具有完全相同的性质。
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莱布尼茨的原则基于一个基本的想法：物体的物理性质是相对的。如果我们有两个电子，一个处于床罩的原子之中，一个处于月球背面的环形山顶，那么这两个电子是否一样呢？它们不是一模一样的粒子，因为它们的位置不同，而位置是粒子的属性之一。从相对关系的角度出发，我们可以说，它们因为所处环境有所区别，从而可以互相区分。[1]
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世上没有绝对空间。所以，如果我们不给出某个空间点的识别方法，就无法问那个空间点上到底发生了什么。换言之，除非我们有办法指明某一地点，否则就无法将物体定位到那一点上。想要知道自己的位置，方法之一就是看看四周的风景有什么特别之处。假设一个人声称空间中的两个物体拥有完全相同的性质，处于完全相同的环境之中。那么，无论你离两个物体有多远，你会发现，它们之外的万物的组织结构也会完全相同。如果这种奇怪的情况确实存在，那么观测者就没有办法区分两个物体。
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因此，要求世界上有两个完全相同的物体，是一件不可能完成的任务。这个要求意味着，宇宙中必定存在着两个一模一样的地方——在这两个地方看到的宇宙完全一样。宇宙中不可能有两个完全相同的物体，这一简单的要求将极大地改变作为整体的宇宙。[2]
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同样的论证也适用于发生在时空中的事件。全同关系的同一性要求，两个时空事件不可能有完全相同的可观测性质，两个瞬间也不可能一模一样。
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仰望夜空时，我们所见的宇宙，总是局限于一个特别的观测地点、一个特别的观测瞬间。我们的所见，包括那些进入我们眼帘的所有光子，无论它们的发源地是远是近。如果物理学果真构筑于相对关系之上，那么这些光子将构成一个特定事件的内在现实，即你在某个特定时间和空间仰望夜空这件事。但是，全同关系的同一性声称，观测者若从宇宙历史中的任意一个事件出发，他可能看到的宇宙将是唯一的。假设有群外星人在你入睡后绑架了你，把你送进他们的时间机器中。醒来后你发现自己离家有几个星系的距离。你可以环顾四周，将自己的所见做成地图，并由此准确地判断自己的位置。至少原则上你可以这样做。你或许还能更进一步地准确判断出自己是在什么时间被传送过来的。
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这就意味着，我们的宇宙不可能具有精确的对称性。事实上它也没有，正如我们在第10章中看到的那样。在研究宇宙局部系统的模型时，对称性对我们的帮助很大。但到目前为止，物理学家假定的所有对称性，要么被证明是近似的，要么被证明是破缺的。
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根据全同关系的同一性原则，在我们的宇宙中，每一瞬间都与其他瞬间截然不同；每一瞬间的每一地点都与其他地点截然不同；没有一个瞬间可以重复出现。如果我们看得足够细，宇宙中的每一事件都是唯一的。在这样的宇宙中，使牛顿范式具有意义的条件不可能被完全实现。如前文所述，牛顿范式要求我们反复进行实验，以确认它们的可重复性，并区分改变定律引发的效应和改变初始条件引发的效应。反复试验的条件可以被近似地实现，但不能被精确地实现。因为我们注意到的细节越多，一个事实就越发明显：没有事件或实验可以具有完全一样的拷贝。
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是莱布尼茨宇宙，还是玻尔兹曼宇宙
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我打算给每一个瞬间、每一个事件各不相同的假想宇宙起一个名字，这会让我们的讨论变得容易许多。就让我们称之为“莱布尼茨宇宙”，这样的宇宙满足全同关系的同一性原则。
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莱布尼茨宇宙和玻尔兹曼想象中的宇宙有着天壤之别。在后一版本的宇宙中，大部分宇宙的历史都处于热平衡态；熵达到了最大值，不存在任何组织或结构。在这段死寂而又漫长的历史中，偶尔会有一些统计涨落产生出某些组织和结构。这些组织和结构仅能维持一小段时间，随后便会由于宇宙的熵增趋势而逐渐消散。我们将这样的宇宙称为“玻尔兹曼宇宙”。
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我们的未来由什么决定呢？这个问题的本质是，我们到底生活在一个莱布尼茨宇宙中，还是一个玻尔兹曼宇宙中。在莱布尼茨宇宙中，没有任何两个瞬间相像，从这个意义上说，时间是真实的。在玻尔兹曼宇宙中，许多瞬间会不断重复出现——即便这些瞬间不是完全一模一样的，它们的相似程度总能满足你要求的精度。近似地讲，几乎所有玻尔兹曼宇宙中的瞬间都完全相似。这些瞬间同属平衡态，所以大致上一样。对诸如温度、密度等体积量来说，测量的平均值总是一样的。当然，原子可以在平均值附近涨落。但这些涨落，并不足以改变宏观尺度的组织和结构。
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在玻尔兹曼的宇宙中，如果你等待的时间足够长，宇宙或许会以你要求的精度重现任一位形。一般来说，两次重现之间的间隔会是庞加莱回归时间。但如果时间是永恒的，那么每个瞬间都能重现无穷多次。
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莱布尼茨宇宙与此截然相反：从定义上看，莱布尼茨宇宙不允许任何瞬间重现。一个宇宙不可能既是莱布尼茨式的，同时又是玻尔兹曼式的。我们的宇宙到底属于哪一种呢？
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如果时间是真实的，两个完全相同的瞬间就不可能存在。只有在莱布尼茨宇宙中，时间才是完全真实的。莱布尼茨宇宙拥有极高的复杂度，产生出满是独特模式和结构的大规模阵列。这些模式和结构会随时间不断改变，以保证每个瞬间与其他瞬间有所不同。我们的宇宙确实就是这个样子。
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动态稳态，自然选择是一套自组织机制
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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