能流与复杂性的涌现

要理解复杂性的兴起和消亡，就有必要明确区分复杂性的最初涌现、存续的时间段和最终的消亡。根据现代科学的认知，任何形式的复杂实体要出现，都必须有能量从物质中流过。比如生命体的诞生就需要持续不断的能流，恒星、行星和星系要形成也需要能流，以下各章对此有详述。

复杂实体一经形成，接下来就要看它在本性上是否需要能量才能维系。有些无生命的复杂实体处于很接近热力学平衡的状态，就是说在现有条件下很少会发生自发的变化。比如，抛向天空的石头便不需能流就能在很长一段时间内保持自身的形状，除非有外来事件干扰到它。星系和黑洞也是一样。不过即使这些结构相对简单的存在物也不能说与宇宙其他部分发生的变化毫无干系。因此，这种简单的存在物也会受到来自外界能量的影响而发生变化，比如宇宙辐射、与其他天体的碰撞或自身原子经历极长时间后的衰变。而且由于这种简单的存在物缺少能流以阻抗上述趋势，所以它们的命运是最终走向溃败，在经历长时间后失去自身所有的复杂性。[13]

无生命的大自然中更为复杂一点儿的实体——其中最突出的是恒星和行星——常常不能接近热力学平衡，其之所以能够存续是因为有某种能流存在，正是能流使其保持着自身的形状。我们称这类实体处于一种动态稳定状态（dynamic steady state）。确切地说，恒星和行星总在不断地变化，但其形状在相当长的时间内大致保持稳定。比如，恒星只要能够通过核聚变（其间氢被转化成氦）释放能量，就一定会发光。相比之下，如今的地球远没有恒星那么活跃，且其复杂性分为几个层次（由地壳、地幔和地核组成），这样的格局是地球最初形成时能流作用的结果，而这一能流现在大部分都消失了。今日地球表层富于生机的复杂性由两个因素决定，一是来自内部核裂变释放的热能，二是来自太阳的光能。

同是诺贝尔奖得主的奥地利科学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger，1887—1961）与俄裔比利时籍科学家伊利亚·普里高津（Ilya Prigogine，1917—2003）都认为，所有形式的生命体都远离热力学平衡。与无生命的自然界相比，所有形式的生命体都必须持续不断地从外界获取物质和能量。比如，人必须频繁地进食、进水并呼吸才能维系人本身的复杂性，而一旦停止了上述活动，人的复杂性很快就瓦解了。人体摄入的能量有许多用途：维持新陈代谢，使人有能力做计划、四下移动，等等。在此过程中，人体摄入的能量从高质能转化成低质能。人体也因此不断向外界排放热能（一种低质能）。这是人类保持自身复杂性并摆脱求生必然产生的身心失调或内部混乱（熵）的方法之一。如果人无力发散这种多余的热能，那么人很快就会因内部的热量而窒息。另一种排放熵的主要办法是顺天应人的大小便。这一特征不仅仅为人类所共有，也是所有生物不可或缺的共性。

总之，人类、地球和太阳都必须有能流流过自身并同时制造出熵才能维持自身的继续存在。1999年，加拿大能源专家瓦克莱夫·斯米尔（1943— ）这样论述道：

能量是宇宙间唯一的硬通货：其形式多样，且一种形式必须要转化成另一种形式才能驱动恒星发光、行星周转、草木生长和文明进化。认识到这一点是19世纪科学的最大成就之一，但令人惊讶的是，这一洞见却尚未引发全面系统的研究，即以能量为棱镜审视我们整个的世界。[14]

能流流过物质，其自身必然从一种高产出状态进入低产出状态。之所以如此，是因为某一物吸收了部分能量并从而变得更复杂。比如，生命体形成并产出许多分子，比如伴随着添加能量的过程。可一旦这种更复杂的存在物解体，能量又会被释放出去，虽然此时的后者总呈现低质能形式。若想有新的复杂实体出现，就必然吸收一定的能量，这可谓一条普遍规律。我们可将其视为上述普遍规律的一种细化，即能流流过物质是复杂实体出现的必然要求。

能流流过物质，其自身总是从高质能变成低质能。比如，我们摄入的食物比排泄出的废物相对维持我们自身的复杂性而言显然更有价值。而且显然，有些形式的能比其他形式的能更具产出或维持复杂性的力量。在热力学中，我们把能量改变物质的能力表述为“自由能”（free energy）。由于本书只试图陈述大历史新的总纲，所以书中并未系统考察能流过物质会发生哪些变化的问题，而只考虑一般意义上的能量输入。在更细化的分析中，当然非常有必要考察能流过物质时发生的各种变化。

我们能否测量并计算出能流过物质具体的量值呢？2001年，埃里克·蔡森在其富于开创性的专著《宇宙演化：大自然中复杂性的兴起》（Cosmic Evolution: The Rise of Complexity in Nature）中就试图用“自由能率密度”（free energy rate density）的概念实现这一目标。自由能率密度被标记为Φm，指单位时间内通过某一特定量物质的能流量。比如，就人体而言，其自由能率密度即某一时间段，比如说在24小时内，人体摄入能的总量除以人体本身的重量。原则上说，蔡森的原理使我们能够计算出任何业已存在过的复杂实体的自由能率密度，小到最微小的粒子，大到星系群。我们还可以在此基础上对各种形式复杂存在的自由能率密度进行系统比较。只可惜“自由能率密度”的概念总显得庞大笨重，与物理学家们常用的“功率密度”（power density）概念颇有雷同，甚至蔡森本人在书中也曾指出这一点。从2009年起，蔡森本人也开始使用“功率密度”而不再使用“自由能率密度”，所以本书也遵从“功率密度”的概念。[15]

此后，蔡森发现，在我们直觉的已知宇宙中多种层次的复杂实体与计算出的功率密度之间有明显的对应关系。也许令人吃惊，人类在大历史的视野中与宇宙中的其他万物相比虽然小得可怜，但人类却制造出已知宇宙中最高级别的功率密度。[16]表2.1是蔡森发现的一个小结。[17]

表2.1一些实体的功率密度

（此表格已得到复制授权）

对很多人来说，这一结果与直觉不符。比如，人们自然会以为太阳的功率密度远高于人类大脑的功率密度。但事实是，太阳释放出的能量虽远高于人类大脑所使用的能量，但人类大脑的功率密度却远远高于前者，因为大脑的体积比起太阳来要小得多。一般说来，生命体的功率密度远高于无生命物质。所以说，千万不要小看这些微小的生命体系，其制造出的功率密度要比无生命物质大多了。

要更好地理解表中的数字，我们有必要稍微详细地介绍一下蔡森的计算方法。[18]我们先谈星系的功率密度。很多人觉得星系不过是恒星的各种聚合体。要真是那样的话，星系的功率密度就简单了，只要将个体恒星的功率密度相加，然后再除以恒星的个数就行了。不过蔡森对星系（事实上即我们的银河系）计算的结果要小得多。我们的银河系中相当大的一部分物质是气体和尘埃，除此之外，还有所谓暗物质（dark matter）被计算在整体质量的项下，所以银河系的功率密度很小。但很不幸的是，我们迄今还不知道暗物质是否真的存在，本书第三章对此有详述。此外，据说银河系的中央部分还有一个质量极大的黑洞，其中的物质密度极高，但复杂度却不高，甚至不存在。因为气体、尘埃、黑洞和暗物质并不释放任何能量但却构成银河系质量很大的部分，所以其结果是降低了银河系的功率密度，也正因此比恒星的功率密度还要低。实际上，蔡森表中恒星的值是以太阳为基准计算的，因为太阳是一颗普通的恒星。

恒星是靠自身释放出的巨大能量运行的，但星系的架构却不是恒星决定的。我们的银河系由为数众多的恒星组成，呈旋转的星云状并有长长的巨臂伸展开来。最初造成这一星体构架的巨大的能流在蔡森的计算中没有体现，其原因是星系构架的形成发生在很久以前，而现在星系的运行已不再需要加入能量。但这种状况也可能发生变化。一旦星系彼此之间发生碰撞，就会产生巨大的动能，而动能会重塑星系的构架。据预测，我们的银河系和其最近的邻居仙女星系（又称仙女座大星云）会在未来20亿至50亿年之间发生碰撞。而且，星系之间也会发生变化，包括星际气团收缩和恒星爆炸，其释放的能量都会改变星系的结构。不过从长远看，这种能流及其效应与全部恒星释放的能量相比可能微乎其微，所以在一阶的星系功率密度估算中就可以忽略不计。

蔡森对星系功率密度的估算只考虑相对稳定的星系体系，而不是迅速形成或解体中的星系。事实上，蔡森的估算都是动态稳态体系的功率密度。换言之，诸体系最初生成时所需的能流不在蔡森功率密度计算的范围之内。

下面谈蔡森对行星功率密度的计算。实际上，这里的行星功率密度值并不能反映任何一颗已知行星的功率密度。蔡森的计算只考虑到地球外端薄薄一层地壳的状况，地球表层在一段时间内接受来自太阳的能量做分子，大气层质量再加上30米洋深的水体质量做分母。据蔡森称，这是行星地球上大部分复杂实体最集中的地方。因为来自地球深层的地热能仅及来自太阳的辐射能的数千分之一，所以蔡森的计算也未计入地热能。

蔡森表格的下一栏是多种植物功率密度的均值，其中包括各种生命体，而有关动物功率密度的计算则是基于人体使用能的情况。这里功率密度的计算方法是估算单位体重所消耗的食物摄入量。蔡森也承认，在实际操作中脊椎动物的功率密度往往差距非常大，甚至达到10倍。[19]这就提出了一个问题：那些功率密度极大的脊椎动物（即鸟类）是否该被视作最复杂的存在物呢？

蔡森对人类社会（现代文化）功率密度的估算是基于当今时代60亿人消耗能量的情况，人均体重为50公斤（成人加儿童）。[20]在此，最大多数的能量不是流经全部人类的身体；果真是这样的话，那整个人类就会立即消亡。这使得将功率密度作为衡量人类社会复杂度的标尺不那么令人信服，所以本书决意不采取这种算法凸显技术发达的人类社会的主要特征。为此，本书特别采纳了“人均能源使用量”（energy use per capita）的概念。

蔡森为人类史提供的功率密度值问题更大。荷兰环境学家卢卡斯·赖金德斯（Lucas Reijnders，1946— ）指出，早期人类由于学会了使用火，其能量消耗可能非常大，包括用火开荒、创造宜居的复杂生活方式并毁掉其他形式的复杂实体，通常是破坏草场、烧毁林木。人们还学会了生火做饭，同时火还能够帮人取暖、驱赶捕食的野兽。比如1997年，这种生活方式使澳大利亚原住民的人均能源使用量甚至比普通美国公民还高一到两个数量级。[21]这不禁使人怀疑：按照蔡森的计算方法，早期人类可以放火烧荒的地面显然比澳大利亚或其他什么地方的原住民还要大，那早期人类的功率密度该有多大呢？如果按照蔡森的做法把功率密度作为衡量复杂度的唯一手段，那么显然澳大利亚原住民要比现代工业社会更复杂。这一点实在不能让我感到满意。[22]

当今时代，人类使用能量的大部分并非只为了维持身体的运转或放火烧荒，而是用在了我称之为“人为形式复杂实体”（forms of artificial complexity）的创造和毁灭上面。“人为形式复杂实体”指人类创造出的一切复杂实物，包括衣物、工具、房舍、机械及通信工具等。借助这些物品，人类改造了周围的自然环境甚至自身。准确地说，不仅仅是人类，还有许多动物也会制造出多种形式的复杂实物，比较有名的例证有蜘蛛结网、海狸造坝等。人为的复杂实体不同于自然涌现的复杂实体，最突出的就在于动物在创造实物之初就有目的和意图，而且人为的复杂实体也不可能自发涌现。因此说人为的复杂实体属于一种新颖的复杂物范畴，也有着自身特有的性征。

人为的复杂实体可分为两个主要的子范畴。子范畴一指制成品不再需要能流即可发挥其功用，子范畴二则指那些还需能流的制成品。前者可称为“被动人为复杂实体”，包括衣服、房舍和道路等。不只是人，还有许多动物，都会制造这种复杂实体。后者可称为“驱动型人为复杂实体”，因为复杂实体制成后还需不断添加能源才能保证其发挥功用。后一类复杂实体包括由风能、水能及化石能源驱动的各种机械。据我所知，只有人类才具备制造后一种由外来能源驱动的复杂实体的能力。从这个意义上说，人是已知宇宙中非常独特的一种存在物。

有多种形式的驱动型人为复杂实体已经显现出超越人大脑（约15瓦/千克）或人类社会（约50瓦/千克）的功率密度。蔡森曾指出，喷气发动机的功率密度甚至可以达到2,000瓦/千克（波音747）或80,000瓦/千克（夜鹰F-117）。[23]相对高功率密度的复杂制成品不光包括喷气发动机，还有许多家用电器也是这样。我和儿子路易曾在家里计算过，哪怕是简单的吸尘器，其功率密度也能达到180瓦/千克，足足超过人脑的十几倍。但这并不意味着喷气发动机和吸尘器比人的大脑还要复杂。与自发涌现的复杂实体不同，有多种人为制造的复杂实体消耗能源并非为了自己变得更复杂，相反，其设计之初就是为了消耗能源以完成某些特殊的任务，比如空载负重或为人类的生存空间赋予某种秩序等。

在复杂尺度的低端也存在不少问题。许多简单形式的复杂实体，从氢原子到在空中飞行的石块，并不需要能流就可以维持自身的存在。因此，这些复杂实体的功率密度为零，虽然其复杂程度颇有差异。在这种情况下，使用功率密度作为其复杂程度的标尺显然效果也不是很好。准确地说，某些能也会流过这些实体，当然这取决于实体在宇宙中的位置，比如靠近恒星。但与恒星和生命体不同，这些实体本不需要能量就可以维持自身简单的复杂存在。这使得将功率密度作为衡量复杂性的尺度问题更多了。

不过，蔡森的分析作为一阶条件方法还是很有道理的，虽然仔细考察还存在不少问题。用美国物理学家莫里·盖尔曼（Murray Gell-Mann，1929— ）的话说，蔡森提供了“粗略看整体”的一个思路，而这在自然科学中是完全成立的。[24]蔡森本人对此非常清楚。他是这样表述的：

第二点说明（第一点是要警惕人类中心主义的危险）关乎计算分析时的细节层次；说实话，这里避开了某些实难纠缠的细节。尤其值得指出的是，这一点在开始计算之初就曾指出过，此处的Φm值只取总体能流，即少数有代表性系统的总体可用能量。也正因此，这里重能量的数量或密度而轻能量的质量或效用。显然，更为详尽的分析要将诸如温度、类型和能源供给的变量甚至接受系统使用自由能的效率都考虑进去。因为毕竟某些波段的能量输入比其他波段的输入会更有效或更糟糕，这取决于系统的地位如何，接收器是否有效，以及系统与环境的关系等。同理，能量使用的效率在不同系统中，甚至在同一系统中的不同部位，也会表现出相当的差异。比如在生物条件下，只有部分输入的能量才能真正做功，从技术角度说，也只有这一部分的能量属于真正的自由能。要详细探讨这一部分的自由能如何使系统的某些部分而不是其他部分更受益，那就要等着我撰写下一部更为详尽的大部头作品。在这本小书中，我们只采取粗略估计的形式以展现一般的或总的趋势；下一步的工作才是更完整（可能应该说是更“复杂”）的研究，才会论及开放系统是如何利用自由能以提升自身的复杂度的，以及其利用自由能的效率如何。

甚至要确定流入开放系统的能的绝对量也非要详尽的分析不可。因为并不是随意什么能流就会起作用的，有时能流过小或过大都无助于系统变得更复杂。能流过小就意味着系统可能保持或接近保持平衡态，出现热沉积；而能流过大就会迫使系统在有极高热源的情况下趋近平衡态，也就是说会损毁系统，甚至造成系统的崩溃。……只有持续不断且有规律地向系统输入能流才能保证系统适度或高效运行。这就像浇花的时候水量一定要适度，否则就把花浇涝了。换言之，火焰、焊枪和炸弹等自然和人造的装置，因为其Φm值太大了，所以在此没有太大用处。[25]

上述引文再次提醒我们：蔡森上表中的功率密度值只是有关相对稳定物质体系中的能流，而不是某些具体形式的复杂实体是如何涌现或衰亡的。

在蔡森的思路中，这些数字首先可以度量不同复杂实体的层次，这也是他独有的解决精准界定和准确测量的方法。与此同时，蔡森还用这些数字标明不同层次的复杂实体究竟需要多少能量才能维持自身的复杂水平。本书将采纳蔡森的后一思路。在以后各章，笔者明确不再将功率密度概念作为衡量不同层次复杂实体的唯一尺度，而使用此概念只是为了标明不同层次复杂实体要维持自身存在所需的能量规模。

埃里克·蔡森有关功率密度更多的计算结果

埃里克·蔡森在2011年发表的两篇文章中对将功率密度作为衡量复杂实体尺度的做法做了更为详尽的阐述。他首先检视了太阳在未来的运动轨迹，本书第三章对此有详述。太阳在50亿年后将不再以氢做燃料，而转到燃烧氦气，太阳系的整体温度也会因之增高，待氦气耗尽，又会继续燃烧更重一些的化学元素，比如同时期形成的氮、碳、氧。这种依次燃烧更重的化学元素的过程会造成更重的化学元素，其结果是太阳的能产出更高，而太阳本身的质量则会降低。因此，太阳的功率密度会提升至目前值的50多倍，这与其核心部位复杂性不断提升的趋势倒非常吻合。

功率密度提高与实体复杂度不断提升相呼应的现象在植物进化的过程中也有发现。蓝藻（又叫蓝绿藻）是一种出现最早也特别简单的植物，至少在30亿年前即已问世，其功率密度仅为900×10–4瓦/千克。相比之下，诸如松、杉等常绿树有3.5亿年的历史，功率密度在5,500×10–4瓦/千克左右。更现代一点儿也因此更为复杂的落叶树（有1.25亿年的历史）的功率密度为7,200×10–4瓦/千克，而离我们最近的驯化了的禾本科植物，如小麦、玉米和甘蔗等，其历史只有0.3亿年，而功率密度却达到了每千克13,500×10–4瓦至22,500×10–4瓦之间。

动物的进化也有同样的趋势。冷血动物如鱼类和爬行动物类靠外界的热能维持其体温，功率密度在4,000×10–4瓦/千克左右，其最初问世是在大约5亿年前。更复杂一些的恒温动物大约是在2亿年前出现的，能够借助摄入的能量维持体温，故其功率密度达到40,000×10–4瓦/千克，而鸟类（1.25亿年前出现）则能在三维空间实现导航，所以还要复杂一些，所以其功率密度达到90,000×10–4瓦/千克左右。不过这些值都是动物安静状态下测得的，上下偏差的幅度可能在10倍左右。更具体的数值还取决于动物如何谋生及其栖居的生态区域。比如，生活在寒冷水域的动物往往比居住在沙漠中的动物功率密度要大一些。此外还有其他一些变量也会影响到动物的功率密度，比如体态大小、其日常活动的本质和持续时间等。因此，这里的数值只是大致的均值。

人类伴随历史的进化也增加了自身的能使用量，人类建构的各种器物也是越来越复杂，这些都会影响人类的功率密度值并使自身的复杂度提升。电子计算机可谓标志上述趋势的一个新近实例。

不过蔡森计算人类社会功率密度的做法还是有些问题的，即用人类控制能的总量除以全体人类相加的总重量。因为幸运的是，人类控制能量的大部分都不是直接从人体内流过，而是从人类创造的器物中流过。根据蔡森的计算，喷气发动机比人的大脑还要复杂，这让人不能接受。但除了有关人类社会和人为复杂实体的计算数值之外，蔡森的思路令人信服地澄清了大自然中不断提升的复杂性与功率密度趋于提高之间的对应关系。围绕这一主题展开更为深入的研究自然是探讨复杂性提升问题的一个重要组成部分。