宇宙究竟在走向有序还是无序？|哈森|宇宙|热力学|物理学|达尔文|量子

雪人会融化，落叶会腐烂，新鞋终会磨损。物理学用热力学第二定律概括这一切：孤立系统的无序程度（熵）只增不减。在已知的自然律里，这是唯一一条给时间指定方向的，所以它常被称作“时间之箭”。

可另一件事同样显著：宇宙在变复杂。大爆炸之后先有氢和氦，恒星内部才炼出碳和氧；地球上的生命从单细胞一路走到人脑。

卡内基科学研究所的矿物学家罗伯特·哈森（Robert Hazen）和行星科学家迈克尔·黄（Michael Wong）今年2月在诺顿出版的《时间的第二支箭：进化、秩序与自然的新法则》（Time's Second Arrow：Evolution,Order,and a New Law of Nature）里提出：这不是偶然，而是另一条尚未被写进教科书的自然律在起作用。

他们称之为“功能信息递增定律”。

他们拿出的头号证据不是生物，而是石头：宇宙最初只有一种矿物，一粒微小的钻石；恒星的高温把元素重新组合，生出25种新矿物；到了地球，这个数字膨胀到约6000种。

绝大多数组合昙花一现，只有稳定的留了下来。在作者看来，这就是“选择”，而达尔文的“自然选择”只是它的一个特例。

进化生物学家恩斯特·迈尔曾认为，类人智能的出现“极不可能”，搜寻外星文明注定徒劳。而据《量子》杂志的报道，如果这条新定律成立，复杂乃至智能的生命在宇宙中应当相当普遍。这本不到200页的小书，押注的是一个古老的问题：我们在宇宙中是不是孤独的？

证据：类比多于测量

这本书使用的方法，是先找共同点，再立法。

两位作者认为，凡是会“演化”的系统都满足三个条件：组分可以排成海量不同的构型；有些过程在不断产生新构型；某些构型因为“功能”而被优先保留。只要三条具备，有序就会从相对的无序中必然生长出来。

度量这种有序的尺子叫“功能信息”。这个概念来自诺贝尔奖得主杰克·绍斯塔克2003年在《自然》上的一篇短文：要衡量一段RNA含有多少信息，就问同样长度的分子里有多少能把同一件事做得一样好——能做到的越少，功能信息越高。

绍斯塔克在试管里一轮轮筛选RNA片段，确实测到功能信息随之上升。2007年，哈森与绍斯塔克又用会自我变异的计算机程序做了模拟，得到类似结果。

2024年，哈森与黄进一步发表论文，称即便对矿物而言，功能信息在地球历史上也是增长的。这些是整座理论大厦里做过定量工作的部分。

难点在于从试管推到宇宙。对一块石头来说，“功能”是什么？哈森的回答是：只要某种选择过程让一种结构胜过无数其他可能，就算具有功能——最稳定的矿物最常见，就是被“选中”了。

《自然》杂志8月31日刊发的书评出自格雷厄姆·希尔兹（Graham Shields）之手。他称赞这本书引人入胜、极富启发，预言它会被争论许多年；但也指出，这一主张虽有部分同行评审文献支撑，却远未板上钉钉，作者自己也承认并非所有反驳都得到了令人满意的回应。

他点出的核心难题是：第二定律要求总体无序必须增加，那么局部有序的增长究竟是一条独立的定律，还是熵增洪流中的一个旋涡？要回答这个问题，就得测量自然系统的功能信息，而这恰恰不容易。

哈森本人并不回避这一点。他在接受《量子》杂志采访时承认，对大多数物理对象，功能信息即便在原则上也无法计算，连一个活细胞都算不出来。他的辩护是：我们同样算不出小行星带的精确动力学，但近似描述已足以让飞船穿行其间。

一条连作者都承认算不出数值的定律，还算不算定律？

两个造反派的内战

“秩序如何在熵增中出现”并不是新问题。1944年，薛定谔在《生命是什么》里说，生命靠“以负熵为食”维持秩序；普里戈金因耗散结构理论获得1977年诺贝尔化学奖，他指出远离平衡的开放系统可以自发形成结构。这些工作奠定了一个共识：只要有能量流过，局部有序与第二定律并不矛盾。

哈森和黄要再往前走一步。他们认为功能信息的增长不与已知物理定律冲突，却也无法从中推导出来——第二定律允许复杂，但不保证复杂，所以需要一条新定律。

在这条路上，他们并不孤单。格拉斯哥大学化学家李·克罗宁与亚利桑那州立大学物理学家萨拉·沃克提出了“组装理论”，用“组装指数”——从零件造出一个物体最少需要几步——来度量复杂性，同样宣称要弥合物理学与达尔文演化之间的鸿沟。

照理说，两个挑战正统的阵营应当结盟。实际上，它们彼此是对方的批评者，而不是盟友。

2024年，哈森团队在《皇家学会界面杂志》发表论文，论证某些非生物来源的矿物分子，其组装指数可以与大型生物分子相当。这直接动摇了组装理论“复杂到一定程度即意味着生命”的判据。

组装理论一方随后回应：他们的组装指数是通过有机分子实验测出来的，哈森的数值则是从晶体结构推算的理论值，那些带电单元在溶液里根本分离不出来。

沃克反过来把矛头对准功能信息。她对《量子》杂志表示，她不确定这个理论如何能被判定对错，因为没有客观的检验办法：“实验要找什么？对照怎么设？”

讽刺之处在于，双方都在对方最引以为傲的地方下刀。功能信息自诩普适，连石头都管得着，哈森就用石头攻击组装理论；组装理论自诩可测，指数能在仪器上读出来，沃克就用“不可测”攻击功能信息。

这场争论关系到一件具体的事。两种理论都声称能提供识别地外生命的判据：黄设想，别的星球上如果出现了超出化学热力学所能解释的“选择痕迹”，就可能是生命的信号；组装理论也预测了基于复杂度的生命迹象。将来人类的探测器飞向土卫六时，究竟应该拿哪一把尺子呢？

一个有代价的选项

批评来自至少三个不同方向，彼此并不相容。

第一种是“多余论”。算法信息论方向的研究者赫克托·泽尼尔（Hector Zenil）在个人博客中主张，选择作用于随机集合会让功能信息上升，这件事算法概率早已预言——结构越简单、越模块化，越容易被较短的程序生成，因而出现得更频繁。在他看来这不是新定律，而是计算的内在性质，另立一条带有热力学色彩的原理，属于不必要地增加解释实体。

第二种是“不可测论”，也就是上面沃克的质疑。

第三种最朴素，也最难回答。《出版者周刊》认为此书“迷人但不足以服人”，理由相当尖锐：作者自己主张，任何自然律都应当既能解释也能预测现象，可他们在自己这条定律上恰恰做不到这一点。

支持者的声音也同样有分量。《柯克斯书评》称之为一部“范式转移之作”，并说这本书“激励人们重新想象生命在宇宙中的出现”。

宾夕法尼亚大学复杂性理论家斯图尔特·考夫曼对《量子》杂志表示，他很高兴他们做了这件事，因为他们让“这个问题”变得正当了。

用大白话来说，“这个问题”就是：宇宙究竟是在虚构的有序中走向无序，还是在虚构的无序中走向有序？毕竟物理学花了几百年，才把“目的”从对自然的解释里清理出去，而“功能”一词恰恰带着目的论的气味。

历史提供了一个耐人寻味的参照。1824年卡诺研究蒸汽机效率时，世上还没有“熵”这个概念；直到1865年，克劳修斯才给出熵的定义，使之成为可以计算的量。第二定律本身也经历过一段“说得清、算不出”的时期，所以不可测未必是死刑。

但区别也在这里：卡诺手里有真实运转的蒸汽机，效率可以直接测量，而且人人测得出同一个数；功能信息已有的定量工作——试管里的RNA、计算机模拟、矿物演化——依赖于先由研究者指定“功能”是什么，换一个指定，数值就变了。

在非生命系统中测出功能信息随时间增长的曲线，并且让这条曲线不依赖于测量者的选择，还有一条更具体的路。黄在2023年接受Axios采访时说，NASA的“蜻蜓”号探测器将去采样土卫六的表面，分析那里的大气化学，或许能看出这条定律是否也适用于描述那个遥远世界的演化。

这是个值得记住的约定：一个提出于书斋的宇宙定律，把自己的命运押在了一架飞往土星卫星的无人机上。如果这条曲线能在更多系统里被测出来，“第二支箭”就会从隐喻变成物理；如果测不出来，它会像许多宏大的统一理论一样，只留下一套好用的比喻。

无论结果如何，这本书已经改变了问题的问法。过去的问题是“复杂会不会违反热力学第二定律”——答案早已是不会。现在的问题是：复杂是不是热力学第二定律之外的另一种必然？