星系形成：更大尺度复杂性的涌现
宇宙“大爆炸”后7亿至20亿年，当时的宇宙还只是如今的6%大小，星系从最原始的材料中涌现了。只有在这一时段，星系形成的金凤花条件才真正具备。不过从此以后，多个星系还是存留了下来。显然，星系持续存在的条件要比最初形成限制少多了。
所有的星系都是从原始的物质中涌现的，主要是氢和氦。氢、氦粒子在引力的作用下形成了更大的结构。因此，我们可以把星系的涌现看作是物质聚合的一个过程，原来散布在广阔空间的物质现在凝聚到相对较小的区域，物质聚合度大大提升，从而在宇宙太空中制造出相当大的物质梯阶。相比之下，现今的辐射不能以类似方式实现物质的聚合，这是因为没有一种什么力量能够把光子凝聚到一起并形成更大、更复杂的结构。结果，宇宙辐射伴随宇宙的不断膨胀变得更稀薄，而物质则聚合成星系。假如物质像辐射一样也在不断变得稀薄，更复杂的实体就不会出现。因此，星系形成的时期昭示了宇宙中物质与能量分布的一次重大变化：在此之前，整个宇宙大致是均质的，而在此后，宇宙几乎突然间变得凹凸不平。由于宇宙在持续不断地膨胀，多个星系便彼此分隔开来，星系周围是广袤无垠的星际空间。
尽管科学界对宇宙演化过程中星系形成的具体机制还不是非常清楚，但对其大致过程还是了解的，现简述如下。宇宙“大爆炸”38万年后变得更中性，此后的不断膨胀更导致温度继续降低、辐射水平持续下降，而物质密度也相应减少了。这一时期被称为“黑暗时期”（dark age），而且持续了数百万年的时间。宇宙处于黑暗之中，这是因为最初大爆炸的火球已经暗淡下来，而能够发光的恒星此时还没有出现。不过，大约在“大爆炸”后7亿年左右，很突然地大量星系开始形成了。显然，至此星系出现的金凤花条件已经具备。但这里最大的问题是：星系究竟是怎样从先前大致均质的宇宙中涌现的呢？
星系是自然生成的巨大物质团。因此，这里的主要问题是如此规模的物质最初是如何聚合成团的呢？目前，有关宇宙最久远的观察是“大爆炸”后38万年出现的宇宙背景辐射，这种辐射呈现出一种近乎完美的黑色球状物，据说这是因为那时绝大多数的物质和辐射相当均匀地散布在宇宙的各个区域。不过，更为精细的观测显示：横跨整个天空的宇宙辐射还是出现了一些细微的差异。如图3.1所示，这种差异是最初的物质在引力作用下呈现出的丛簇抱团现象所致。显然，大约从宇宙“大爆炸”后38万年起，有可能在未来变成星系的高聚合度物质团已经开始生成。
图3.1 宇宙背景射线的变异说明最早的复杂性已经涌现（来源：美国宇航局）
物质在密度上的差异可能是某种随机效应的结果，导致物质在宇宙中的分布出现不均衡。随着时间的推移，大量粒子在相互碰撞后就粘连到了一起，于是造成局部物质聚合度的提升，且对其他粒子的吸引力也增加了。在这一过程中，有些地方出现了较大的高聚合度物质团，而其周围空间物质的含量必然减少。结果，星系和星际空间同时形成了。此时的温度也不像以往那么高，不至于让正在形成中的物质体系迅速解体，而物质密度也足够大，能够使大量物质聚拢在一起。
这一图景最大的问题是：在当时情况下，引力还不足以使所有物质聚合成星系。在此，暗物质有可能起了作用。据最近的一项研究发现，暗物质可能在宇宙呈现中性之前即已开始聚拢。暗物质的这种早期凝聚是可能的，因为除引力之外，暗物质在当时还没有，或仅仅非常微弱地，与普通物质和辐射发生互动。早期暗物质的凝聚会进而造成更大规模的实体结构，然后通过其自身巨大的引力作用吸附普通物质并最终凝结成星系。不过也许我们并不充分了解引力，也许引力理论稍加改造就足以完满地解释星系的形成过程，而不需暗物质概念的介入。
另外，有关星系形成和演化还有一个我们自身视角的问题：从地球的角度视之，宇宙好像从哪个方向看都大同小异。有理论学者认为，这意味着早期宇宙形成期哪怕有再多的差异，也被异常快速的宇宙膨胀抹平了。有学者提出这样的假说：在“大爆炸”后的10–36至10–32秒之内，宇宙的体积膨胀了1026倍，就相当于一下子把质子变成太阳系那么大。该理论由美国物理学家艾伦·古斯（Alan Guth，1947— ）首创，后有俄裔美籍理论物理学家安德烈·林德（Andrei Linde，1948— ）对其加以改进，被称为“暴胀论”（inflation）。这种初期的宇宙暴胀应该是在强子和轻子出现之前。据说是某种单一的超强力量一分为三：强力、电磁力和弱力，而超强力分裂释放出的能量造成了宇宙暴胀。在超强力分裂之前，引力早已成为一种分立的力量。2014年，首个支持暴胀论的实验证据问世：科学家们可能在宇宙背景辐射中探测到了一个微弱的磁性偏振信号。
且不管星系最初形成的具体机制如何，星系肯定是在宇宙早期问世的。而且就在其涌现期间，为数众多的行星已开始彼此远离，证据就是今日观测到的多普勒红移效应。不过也有另外一种情况发生：引力把不少星系拉到了一起，而无数星系可能已经彼此融合。不过随着时间的推移，这种星系趋近的现象变得越来越少。
所有星系均处于旋转之中。这是星系得以存在的必要条件，因为假如星系停止旋转，所有的物质就会从很早起就开始向星系的中央靠拢，形成一个巨大、密实的物质团。星系之所以旋转，是因为它本身就是大量物质随机运动的产物，而旋转有助于加强物质向星系的收缩。其原理与冰上舞蹈选手把手臂贴近身体会突然加速自旋一样。我们在下文还会看到，太阳系在形成过程中也有类似的位居中央的恒星和周边行星旋转的现象发生。
凡星系的中央都聚集了大量至密物质，人类不可能直接观察到，因为这里的引力非常强大，任何存在物——包括光线——落入星系的中央都不可能再逃脱。这就是有名的黑洞。黑洞能够被发觉是因为它具有超强的引力效应。显然，物质朝向星系的汇聚造成了两种截然不同的过程：一方面，数十亿的恒星横空出世；另一方面，数不清的黑洞渐次形成。当然，上述过程取决于汇聚到一起的物质质量有多大。如果汇聚的物质质量小于太阳质量的200倍，就会形成恒星；而如果量再大，就会形成黑洞。在这种超级致密的体系之内，任何更复杂的实体都不可能形成，因为此间巨大的引力会摧毁任何可能形成的结构实体。不过，黑洞在宇宙演化过程中对复杂实体的兴起还是起到了至关重要的作用，因为黑洞把星系聚拢到了一起，而此举可能有助于在星系其他的部分创造复杂实体涌现的金凤花条件。
这种处于星系中央部位的所谓超大质量的黑洞虽然不可见，却制造出极其壮观的宇宙焰火，尤其是在星系史的早期。那时候，海量的物质纷纷流向这些超大质量的黑洞，黑洞的能量因此剧增并释放出强大的辐射，强度大约是整个银河系的100~1,000倍。时至今日，这种辐射还能以类星体（quasars，类似恒星的物体）及其红移的形式被观测到，这些类星体大多可以追溯到数十亿年前，而离我们最近的类星体事件可能是在20亿年前发生的。这种类星体，用埃里克·蔡森的话说，是“垂死一族的最后元老”。[11]我们还没有观测到离我们更近一些的类星体事件，据说这是因为宇宙在经历了数十亿年的演化之后，黑洞中心地带的星际气体大多已被黑洞吸收，而一旦吸收殆尽，类星体也就不再发光了。[12]未被吸入黑洞的物质要么聚合成恒星，要么以气体和尘埃云的形式随机飘荡。而上述多个过程的共同结果之一，就是在星系中形成了聚合度高但又多种多样的物质团，散落在太空中。
总之，在宇宙“大爆炸”之后的7亿至20亿年间，星系在引力的作用下突破重重貌似无规律的冲撞聚散，自发地形成了。也只有在这一时期才真正具备星系形成的金凤花条件。星系的涌现导致了宇宙星空的分化：一部分汇聚了大量的物质（构成星系），而另一部分则是愈发空灵的星际空间。宇宙本身的不断膨胀更加剧了上述差异，终至“大爆炸”约20亿年后不会再有任何形式的星系出现。不过从那时起，星系持续存在的条件一直具备。
把宇宙时空分化成有物质和无物质的两个部分对未来宇宙史的演化至关重要，其中最重要的一点是：这样便造就了一个巨大的熵垃圾桶。[13]因为熵在宇宙史的早期阶段可能已经累积至最大限度，急需一个可以卸载的垃圾场，也只有这样，才能容许更复杂的实体进一步涌现。其根本原因还在于热力学第二定律，定律指出：任何局部或区域秩序的涌现，必然伴随着其他地域产生更多的无秩序。宇宙持续不断膨胀，再加上物质不断冲撞挤压形成恒星和星系，为熵提供了一个去处：要么在星系中，要么在星际空间。这就等于为恒星和行星制造的辐射提供了一个巨大的、极寒冷的化熵池（entropy sink）。要不是因为有这样一个化熵池，更复杂的实体就不会涌现，因为它早已在自身制造的热浪中窒息了。换言之，宇宙演化出一个巨型的熵垃圾桶是更复杂实体出现的一个绝对必要的金凤花需求。
虽然星系的形成在宇宙“大爆炸”之后约20亿年左右便已告终，但星系本身的演进却是一个持续不断的过程。宇宙虽还在持续膨胀，有些星系却完好地保持了自身原有的体积（还有某种程度上自身的外形），但也有一些与相邻星系甚至相邻星系群发生碰撞，因而变得面目全非。由于这类事件的共同作用，我们所观测到的星系在大小上也存在极大的差异，小的仅是太阳质量的几百万倍，大的则是太阳质量的数万亿倍。星系的形状也各不相同，有的呈螺旋状，而有的呈球形。[14]我们身处其中的银河系一般被认为是一个中等的螺旋状星系，但在2007年，由弗朗索瓦·哈默尔（François Hammer）带队的一群法国天文学家提出：银河系事实上非常特殊，因为它在整个历史上从未与其他星系发生过类似融合的现象。这种由宇宙演化带来的宁静为生命的问世提供了绝佳的条件。[15]
总之，由于星系的形成和演进，整个宇宙有了更多的分化。随着时间的推移，星系的出现使得物质和能量的梯阶变得更加陡峻，而这使得新的物质及能流成为可能，为更新、更高水平的复杂实体诞生铺平了道路。与此相反，不断膨胀的星际空间则变得日益空灵、简单。从复杂性不断提升的角度审视这一过程，我们便会看到：在大历史初期，如此大规模的复杂实体渐次形成且变得日趋多样，其原本的建材却不过两种简单的化学元素——氢和氦，这真令人唏嘘不已！而随着时间的推移，今天我们所熟悉的所有的复杂实体都会从这些基本的元素中脱颖而出。
攀登复杂性的金字塔（2）：大的构架
复杂性金字塔的下一个层次是在引力的作用下涌现的，引力在电磁力聚集了足够的原料后马上就出场了。通过引力的作用，大量的原子和分子继而形成了恒星、黑洞、中子星、行星、月球（卫星）、彗星、小行星及其他天体，或气体和尘埃云。与其他自然力相比，引力相对较弱。但由于引力只吸引而不拒斥物质，所以引力可以变得非常强大，其大小取决于已聚拢物质的多少。因此，要打破这种物质结构所需的能量也有很大的差异，很小的物质结构几乎不要多少能量就可以打破，而巨大的物质结构却需要很多能量。所以说，引力越大，物质结构就越发健硕。星系、黑洞和中子星都非常健硕，而彗星和小行星则相对脆弱一些。
不过，这种复杂实体中比较居中的一类，也就是恒星，却表现出与上述趋势截然相反的态势，这主要是因为恒星内部致密的热核部分有强力造成的核聚变。因为核聚变在压力和温度都较高时会进行得更快，所以较大的恒星反倒不如较小的恒星更长寿，虽然前者内核部分的氢能量储备要大得多。引力效应还会造成更丰富的多样性，虽然没有分子那般多样。在行星和月球（卫星）的表层，引力造成的多样性程度还要高得多，因此为更多新形式的复杂实体——尤其是生命体——涌现创造了良好条件。