宇宙中演化的大趋势就是我们所说的大道。
本文的主旨在于，通过考察宇宙、地球生物演化的历程，看到这些个大趋势。
宇宙存在的本身是没有目的，但是在它的演化进程中，有一个根本趋势，影响了所有的物质，以及物质的复杂组合形式 — 生命。这个趋势也在生命的演化进程中不断显现与重复，就像交响乐的主题一样反复变奏。此根本性的趋势就是宇宙朝向更多的可能性的方向演化。生命与社会的演化，都体现出这个趋势。进而，我们可以近似的认为，这种趋势所指向的方向，就是目的。
古人在谈论一项技艺的最高境界时，常说师法造化，道法自然，又说“见天地方能见众生”。按照这个步骤，我们先“见天地”，看一看自太古之初到现在自然界中发生的大事。但是在开始之前，我们先简明谈一个貌似玄妙，其实简单的物理概念 “熵”。
熵
熵(Entropy)的概念，具有物理学和信息论两方面的含义，二者等价。
熵是描述一个系统的无序程度或者不确定性的量，它是热力学第二定律的核心概念。熵的数学定义是:
$$S = k_B * lnΩ$$
其中 \(S\) 是熵， \(K_B\) 是玻尔兹曼常数， \(\Omega\) 是系统的微观状态数。公式表明，一个系统的熵 \(S\) 定义为 \(\Omega\) 的自然对数乘以一个常数。
系统 是指由一定数量的组成部分构成的集合，各部分之间存在相互作用并受到共同的外界约束。
例如，一罐氧气就是由许多氧气分子组成的系统，氧气分子之间有碰撞和相互作用，同时受到容器的限制和外界的温度、压强等条件的影响。一个系统的特征可以用宏观的物理量来描述，例如温度、压强、体积、能量等。
如果某存在只有一个部分，不可进一步拆分，比如单个光子电子，则不能视之为一个系统。
系统的 微观状态 是指系统在给定的宏观条件下，其组成部分的能够实现的所有可能的状态的排列方式的总和。它是一个非常大的数字，用符号 \(\Omega\) 表示。我们后面会多次用到这个概念。
熵越大，表示系统的微观状态数越多。
例如，一个只有两个氧气分子的玻璃瓶中，假设每个氧气分子只有位置作为状态，且位置只能在左或者在右。那么这个系统的微观状态数就是四种，分别是左左、左右、右左、右右。此时系统的熵就是：
$$S = k_B * ln4$$
如果玻璃瓶中由一万个氧气分子，而且每个分子不仅有空间位置作为状态，还有其运动速度和运动方向作为状态，则它们的排列组合是一个天文数字，熵值就非常大了。
熵的信息论定义是系统的平均信息量。也就是，如果我们想要完全确定系统的完整状态，我们需要获得的信息的多少。信息的单位是比特，它表示单个是或否的选择。单个比特的信息量就是：
$$I_{bit} = k_B *ln2$$
根据这个公式，如果一个判断题只有两个可能的答案，所以它的信息熵是1比特。而一个多选题有5个可能的答案，所以它的信息熵是1.6个比特。
综上，系统的熵就是系统的信息量除以一个比特的信息量 \(S = I / I_{bit}\) 。 这个公式告诉我们：系统的熵与其信息量成正比。
为什么要首先谈论熵？因为我们想引出热力学第二定律。该定律指出热力学过程的不可逆性，它告诉我们：
任何一个封闭的系统，如果没有外界的能量输入，它的熵只会增加不会减少。
热力学第二定律也叫 熵增原理，它是一个经验定律，不能从任何其他物理定律推导出来，而是根据大量的实验观察和统计规律总结出来的。爱因斯坦认为，熵增理论是整个自然科学的第一法则。
我是这样理解熵增理论的，一个系统总是朝向最大概率的方向演变。比如，一盆滴入了一滴墨水的清水，最终会混合均匀成一个颜色。一个房间不整理，只会越来越杂乱。
这和我们在探讨的主题有关系吗？别急，我们继续说。
根据基于广义相对论的现代物理学的看法，我们的宇宙是有限无界的孤立系统，这种情况下，我们可以将宇宙视作一个热力学意义上的孤立系统，那么熵增原理同样适用于宇宙本身。于是，根据前面熵的定义以及热力学第二定律，我们可以认为宇宙中存在一个大趋势：
当然，由于当前科学家们对暗物质和暗能量还不了解，以上结论存在些许未定之数。
为了考察这个趋势如何具体起作用的，我们需要看看从宇宙大爆炸到现在的演化历程。
见天地
根据广泛接受的宇宙模型，宇宙始于大爆炸，这是138亿年前的一种极高温度和密度的状态。此时，空间、时间、物质和能量这四样形式的尚未分别，自然界的四种基本力也未出现。
大爆炸的那一刻，宇宙由 “无” 中自发跃迁到具有空间、时间的量子状态，宇宙无中生有地诞生了。随着时空的出现，引力也出现了。
大爆炸后的 \(10^{-43}\) 秒，宇宙温度高达 \(10^{32}\) K，只有一种统一的基本力。此时的物理定律还不清楚，需要一个结合量子力学和广义相对论的理论来描述。
大爆炸后大约 \(10^{-36}\) 秒，空间以超过光速很多倍的速度膨胀撑开，这个过程称为 暴涨。暴涨将宇宙拉伸至少 \(10^{26}\) 倍，平滑其曲率并使温度均匀，但也产生了偶然的密度扰动，这些扰动后来成为宇宙结构的种子。
大爆炸后的 \(10^{-32}\) 秒，宇宙的温度降低到了 \(10^{28}\) K，由于 自发对称性破缺，强力和电弱力分离了。宇宙变成了一锅粒子汤，大量的基本粒子从能量中出现又湮灭。
大爆炸后大约 \(10^{-12}\) 秒，这时宇宙的温度降低到了 \(10^{15}\) K。出现再次自发对称性破缺导致的相变，电磁力和弱力出现了，它们将空间中的夸克、电子等粒子分离出来。
大爆炸后大约 \(10^{-10}\) 秒，由于强力和弱力的共同作用，夸克被禁闭在一起，形成中子、质子等重子。正反粒子发生湮灭，正粒子偶然地稍多大约 10 亿分之一，构成了现今宇宙的物质基础。
大爆炸后的 \(10^{-6}\) 秒到 1 秒，宇宙的温度降低到了 \(10^{10}\) K，电子、正电子等轻子从能量中出现，又和反轻子湮灭。湮灭释放了大量的能量，使得质子和中子分裂开，它们的比例逐渐稳定在 7:1。
此后几分钟，质子和中子开始通过核聚变结合成为氦核，这一过程持续了约17分钟。此时宇宙中的元素组成是：约75%的氢，约25%的氦，以及极少量的锂、铍和硼。
宇宙继续膨胀并逐渐冷却，三十八万年后温度达到约3000K。此时，电子已经能够与原子核结合形成原子，主要是氢和氦。当原子形成时，释放出光子。这开天辟地以来的第一道光构成了 宇宙微波背景辐射。
质量的出现使得引力派上了用场。大爆炸之后约 5 亿年，引力逐渐将物质聚集在一起形成第一批 恒星、星系和星系团。
宇宙中的第一代恒星，质量大、温度高、寿命短，它们通过核聚变和超新星爆炸喷射出了首批重元素，如碳、氧和铁，这些是星际物质中的新成分，为新的恒星提供了构成物质。第一代恒星尚未被直接观测到，人们相信它们存在于早期宇宙和银河系最偏远的区域。
第二代恒星年龄较大，金属含量较低。它们通过核聚变和超新星爆炸进一步产生更重的元素，比如金、银、铂和铀。第二代恒星爆炸之后，抛射到星际物质中的重元素更多，为固体行星的出现供应了构成物质。
金银这些重元素是在超新星的爆炸中诞生的。当我们佩戴它们时，要记住宇宙制造高档产品代价很高，它需要报销一颗至少比太阳大8倍以上的恒星，才能使我们披金戴银。
——《宇宙与人》
大爆炸后的10亿年，星系开始形成。随着恒星和星系越来越多，它们通过引力相互作用，形成了大尺度复杂结构，如星系丝、星系团和巨大空洞。
大爆炸后的50亿年到现在，暗能量开始占据主导地位，它是一种反引力的能量，使宇宙的膨胀速度加快。物质越来越稀疏，星系之间的距离越来越远，宇宙的温度也越来越低。
最后，宇宙中的物质由85%的暗物质和15%的普通物质组成，它们在一起构成了宇宙总能量的31%，其余的69%都是暗能量。在物质中，质子和中子的比例是7:1，这个比例决定了物质丰度。
在大爆炸后大约 92 亿年，太阳 终于诞生了。太阳是最年轻、金属含量最丰富的第三代恒星。第三代恒星含有较多的重元素，可以形成复杂的化学反应，支持生命的出现。几乎在同时，地球 由太阳形成时留下的边角料中构成，也出现在太阳系中。
在这个极为简略的 “见天地” 过程中，我们需要关注几个核心要素，它们涉及到宇宙的起始状态，以及后续的演化。我们分别谈一谈。
低熵起点
宇宙的起始熵值是指宇宙大爆炸后的最初状态的熵值。
宇宙起始熵值极低，通俗来讲，就是那时的宇宙非常有序，具备极高的纯粹能量。
目前对于宇宙的起始熵值有两种不同的估算。
方法一是基于宇宙微波背景辐射 — CMB。CMB是宇宙最早的光，反映了大爆炸后约38万年的状态。根据CMB的温度涨落，可以推算出宇宙在那时的熵值，然后再倒推出宇宙在更早时期的熵值。这种方法的结果表明，宇宙的起始熵值非常低，大约是 \(10^{-30}\) 到 \(10^{-30}\) 倍的普朗克熵。这个结果与宇宙的平坦性相吻合，表明宇宙当时的几何形状和物理性质在空间中是非常均匀的。
方法二是基于宇宙的暴涨理论。前面我们谈到了，暴涨表明宇宙在大爆炸后经历了一个极短的指数级空间膨胀的过程。暴涨理论认为，宇宙的起始熵值是由暴涨场的量子涨落决定的，而暴涨场是一种在高能量下产生的标量场，它可以驱动宇宙的快速膨胀。暴涨理论的估算指出，宇宙的起始熵值大约是 \(10^{-10}\) 到 \(10^{-20}\) 倍的普朗克熵，该值与CMB的观测估算结果相吻合。
宇宙的起始熵值为什么这么低？可以从两个方面来理解。
从热力学的角度看，熵是系统的可能的微观状态数的度量，可以用系统的热能除以温度来表达。宇宙之初的温度非常高，达到了 \(10^{32}\) K。此时，宇宙是一个致密至热的奇点，它包含了宇宙所有的物质和能量，宇宙完全均匀，所有基本力都是统一的，没有任何差异性和不确定性，其微观状态数确定。因此，熵值是最低的。当时的宇宙的状态单一，没有复杂结构，但具备极高的能量。
从引力的角度来看，起始熵也可以用宇宙的引力势能来表达。暴涨之后的宇宙物质分布非常均匀，空间广大，没有形成星系和黑洞，这表明起始时宇宙的引力熵很低，后续的引力做功大有可为。
我认为，空间存在的本身就体现出了引力势能。在空间中的物质会互相吸引，这种吸引力和物体之间的距离的平方成反比。物质之间的空间距离是引力做功的基础条件，相当于存储了引力势能。空间的扩张是暴涨导致的，暴涨将空间撑开了至少 \(10^{26}\) 倍，并将物质平均化，这就是太初能量转化为引力势能的过程，在这个过程中，宇宙的温度降低了，表明能量逐步转化完成。
有一种说法认为，宇宙的总正能量，包括所有的物质与辐射，等同于宇宙的总负能量，也就是引力势能。二者之和为零。这样看来，宇宙的所有事物都是从真空妙有中借来的。
宇宙的创造性
为什么我们关心初始熵？因为低熵起点是一个特殊的状态，它决定了 宇宙的演化方向。
随着宇宙的膨胀冷却，出现了各种复杂的物质结构，宇宙的微观状态数上升而温度降低，宇宙的熵值逐渐增加，这是熵增定律的具体表达。熵增是一个不可逆的过程，宏观表现为 时间 的流逝。
结合前面的熵的信息论阐释，我们可以说：
例如，太初时只有一种力叫做超力，之后由于对称性自发破缺，出现了四种基本作用力。四种基本作用力的作用下，出现了61种基本粒子，它们构成了118种元素以及各种场和辐射，这些元素可以可能构成最大 \(118!\) 种化合物，这些物质又以至少4种状态存在，更遑论之上出现的无穷多的组合，以及生命等等复杂现象，这些都是自然界的 复杂性递增 的体现。
这个由简单到复杂的过程能够发生，是因为宇宙的起始熵值极低。这就像一个开始时蓄满了水的山顶水库，水向下奔泻，依据地形，形成水流和浪花，这是自发过程，造就了自发秩序。此种由能量到热量的转变，促使了各种演化。能量与物质的形式从简单到复杂，正是熵值不断升高的自发现象。宇宙就这样走上热力学第二定律的不归路。
换个有趣的比喻，由于宇宙的起始熵值极低，这意味着我们通常想象中的蛮荒宇宙其实并不正确，宇宙在一开始就是极富美味的一顿免费大餐，等待各路食客就坐，大快朵颐。如此多的丰盛能量可以享用。在能量的消解并最终转化为热能的过程中，我们欣赏到了多种多样的物质形式，不断发展的复杂结构，以及层出不穷的创新趋势。
下面我们进行一个重要的概念转换。
熵本身是一个统计力学的概念，它表示系统的所有可能的微观状态数的总和。所以，我们认为熵也表明了系统中存在的可能性的总量。
那么，前面阐述的宇宙由简单向复杂演化的熵增过程，我们也可以表达为：
这个趋势，我称之为 宇宙的创造性 。
想要更深入地理解宇宙的创造性，我们需要在前面 “见天地” 的基础上再进一步，“见众生”。
见众生
生命是什么？这是一个极大的课题。
简单来说，从不同的视角观察有不同的结论。比如从物理学的视角看，薛定谔说生命是能够获得负熵或者说能量的复杂系统。从生物学的视角来看，生命是具有遗传物质，能够进行代谢和繁殖，适应环境的有机体。
生命现象与熵增定律并不矛盾，因为熵增定律是封闭系统的热力学规律，而生命是一个开放系统，通过与环境的交流，比如进食，来获得能量。
在开放系统中，在一定的条件下，可以发生自组织过程，进而产生有序的稳定结构，这种结构被称为 耗散结构。
地球上生命之所以能够产生，是由于地球环境中存在太多的能量可以消耗，生命是这些能量的耗散结构。地球环境有利于以碳分子为核心的 有机体 的存在，碳分子构成的碳链的价值在于它可以存储大量的信息，并进行自我复制，地球生命的信息存储介质就是以碳链为基础的RNA和DNA。
具体而言，基因出现了。基因是 核苷酸 序列，是生命信息的载体，是通常所说的遗传物质。基因的出现，表明生命在地球上的基本形式已经确定，之后通过基因的各种变化所导致的演化趋势也随之而来。
自然界中能够存在基因这样的物质，也就是能够通过某种机制自我复制的复杂分子结构，我想这是自然界的核心奥妙之一，它是复杂性累计的必然。根据计算，只有达到 \(10^{13}\) 的数量级之后，自我复制的分子才能出现，这大致等于从原子到蛋白质分子之间的粒子数量差异。
人们通常认为生命是一个个鲜活的个体，比如你我或者我们家里养的小猫小狗。但是我更加倾向于认为，生命的本质其实是个体背后起作用的遗传物质，是一组可以复制和变异的信息。
比如，我们肉体的更新速度很快。不考虑骨骼的话，人体大约几个月就会完全翻新一次。考虑骨骼，大约每七年也会完全翻新一次。但是你还是你我还是我，这是因为决定我们躯体的这堆物质的排列方式的信息，包括遗传物质和记忆等等，还是保持大致不变和连续的。所以说，决定我是我，你是你的，不是我们的身体构成的成分，而是这些成分的排列顺序，是信息。
生命现象过于深奥，先点到即止。
假设把整个宇宙的历史视作三天时间，则地球诞生在第三天的凌晨，现代人类大约出现在第三天的23点59分58秒左右，到现在不到两秒左右。相比而言，恐龙支配了地球大约50分钟。在恐龙的时代，人类的先祖尖齿兽不过是在恐龙巨大脚印边瑟瑟发抖，地下打洞昼伏夜出的鼠辈。
如同哺乳动物和恐龙的故事一样，生命在地球上出现的过程 起伏而漫长，为了行文简洁，我简要地总结了该过程，从中可以看到以下几点趋势：
生命渐趋复杂。从原核生物到真核生物，从单细胞到多细胞，从没有任何器官的病毒到有复杂器官的动物。从单个生命体到蚁群和蜂群那样的生物群体。
复杂性前后累积。蓝藻制造了氧气，才有了有氧呼吸作用。植物兴盛了，方能为动物的出现铺好道路。各色生命出现了，才有了热带雨林这样的合作共生的生态环境。足够复杂的生态与多样性，才培养出了人类这个智能物种。
偶然性发挥了关键作用。不论是基因突变，还是环境气候变化导致的物种大灭绝事件，火山爆发和小行星撞击，冰川期与温暖期的轮替，各种偶然事件都在生命演化过程中起到了导演与推手的作用。
越复杂的生命越消耗能量，越复杂的社会结构也越消耗能量，生命的复杂性本质上也遵循着熵增的路径。
如前所述，宇宙的趋势再三显现自己。在地球生命演化中我们同样看到了：
复杂性在不断累加；
谈到生命演化，离不开伟大的 达尔文进化论，我开了一个序列 “变化与选择 ”，该系列从演化论的角度探讨生命现象，以及宇宙的创造性在生命中的体现。
