驱动复杂性生成的自由能

宇宙大爆炸后的几秒钟至几分钟，整个宇宙的温度急剧下降。其间有几个星光璀璨的时刻，宇宙中的能量足以生成或毁灭各种新奇的能和物的形态。但由于温度急剧下降，有些形态的能和物就凝结成几种简单的结构。在大爆炸的熔炉中，力和粒子像陶瓷一样稳定下来。狂躁的能量遵循少数几个运作规则造就了质子和电子一类的结构，这些结构非常稳定，因为温度趋降的宇宙很难再产生当时制造这些结构所需的温度。

此后，宇宙温度下降的速度减缓，就好像已经从温度的高峰跌到了谷底一样。此时的温度梯阶趋于平缓，不再出现陡降，所以变化的速度也出现锐减，就好像来到了起伏有致的丘陵地带，温度也时升时降。此时的新结构也很难被锁定，因为结构遭遇少许的升温就解体了。比如，原子在新兴的星体内在温度达到一万摄氏度以上时就会发生解体。

在这种不大可预测的环境中，复杂的结构需要额外的加固才能稳定下来。而这种加固还要靠控制下的非随机能量流动（controlled，nonrandom flows of energy）。恒星是由内核处发散出的能流得以维持的；生物体，包括你和我，能够维持下去靠的是细胞内复杂的新陈代谢所提供的精准的能流；而在大爆炸后的宇宙，也要靠做功才能建造并维持复杂的结构存在。正因如此，凡物的形态、复杂性及有指向性或结构化的能流（structured flows of energy）之间存在着深刻的联系。

结构化的能流是一种颇为直观的描述，而非科学界的术语。这里想说的是：热力学理论对两种能流进行了区分，即完全随机的能流和有方向、有结构、首尾贯通的能流。结构化的能流称作自由能（free energy），非结构化的能流则称热能（heat energy）。这一划分当然不是绝对的。其实这里只是一个贯通或随机的度的问题。但无论怎么说，区分自由能和热能对我们的起源故事却是至为根本的。

热力学第一定律认为，宇宙中能的总量是不变的，且保持恒定。我们的宇宙从问世起，其造成事物生发的潜势似乎就是固定的。所以，热力学第一定律其实想要表达的是原初时代的多种可能性。热力学第二定律称：从原初多种可能性中萌生的物质多少都呈现出某种结构，就好像溪水中的涟漪。但随着时间的推移，大多数的物质都会变得更少结构化。这是因为物质和能量的大多数可能组合的结构性都很弱，所以即使偶然有结构，其趋势也是迅速衰败。(www.zuozong.com)

瀑布就是一个很好的例证。瀑布很有型，但最终会耗散殆尽。瀑布顶端的水分子并非随机运动，而是像气罐中的分子一样，都向同一个方向进发，又像恋爱中的猫，彼此贴得越近越好。这是因为，不同于普通单个行动的空气分子，瀑布中的水分子被电磁力裹挟，引力于是将其紧密地聚拢到一起且朝同一方向运动，如同行进中的一队士兵。水从瀑布顶端飞溅直下，此时势能便转化成动能。水分子协调一致，朝一个方向运动。此时的运动是结构性的，我们可以把造成这一运动的能量流称作自由能。自由能不同于空气分子的随机热能就在于前者能做功，原因是它有型有结构，能够把物朝一个方向推动，而不是随意任何一个方向。1如果有必要，就可以导引这种自由能通过涡轮机发电。自由能是造成事物生发的那种东西，其移动快捷、势不可挡，是我们整个起源故事的驱动器。

但不同于一般意义上的能，自由能很难保存，因为它很不稳定，就像伸展的弹簧。自由能做功的时候，就失去了自身的结构，用完了也就完了。如同瀑布顶端的水砸到底端的岩石上，旋即变成了分散的、不再整齐划一的热能。单个的分子彼此大致独立地摇摆着。能当然还在那里，还是守恒的（也就是热力学第一定律），但分子朝多个方向推动，这样就不再能够驱动涡轮机了，因为此时的自由能已经转化成热能。根据热力学第二定律，所有的自由能最终都会转化成热能。

热能就像喝醉酒的交警，胡乱指挥着能的车辆，结果只能是制造更多混乱。而自由能可被比作神志清醒的交警，指挥能的车辆沿着某些特定的路线前进，所以创造出秩序。对我们来说非常幸运的是，早期宇宙确有一些自由能存在，而且依据宇宙最基本的规则在运行。这些规则把能向某些特定的非随机的路线导引，确保了少量却至为根本的结构存在。