没过多久，蒸汽机难题催生了热力学的两大定律。第一定律称：一个独立系统的内部能量是恒定的。从本质上来说，这相当于能量守恒定律的另一种表达方式，后者认为能量可以从一种形式转化为另一种形式，但不能被创造或消灭。这与牛顿的决定论世界完全相符，但也是一个限制性很强的声明，因为它只对独立且可控的系统为真。
热力学第二定律使事情变得更有趣也更棘手，它引入了一种叫作“熵”的东西。第二定律指出，热量无法自发地从一个冷的地方流向一个热的地方。我还记得自己奋力理解这个概念的时刻。那是一个寒冷的冬日，在达特茅斯，我邀请一位物理学家来我的办公室开会。他刚刚步行横穿校园的中央绿地，户外的寒冷几乎冻住了他的外套。我开心地说，每当有人走进我的办公室，他们的衣物总会裹挟一股冷空气，让我感到一丝凉意。他看着我说：“你犯了个物理学错误。寒冷无法被传递给你，是你身体中的热传给了我，因为热量离开了你的身体，所以你感觉变冷了。”他让我意识到，热力学第二定律在帮助我们理解日常生活现象方面非常有用，这也顺便提醒我，我们的团队还需要聘请一位理论物理学家。
“熵”的概念最早由19世纪的德国物理学家鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）提出，用于描述“被浪费的热能”。它是一种衡量无法做功的热能的方法。物理学家身上冰冷的外套增加了我的熵，使得能用来维持我体温的能量变少了11。热力学第二定律使得事情开始混乱。简而言之，对外套和蒸汽机来说，热量的交换都是不可逆的。起初，这对那些受牛顿思想影响、信仰决定论世界观的物理学家来说，是一个令人震惊的消息。突然之间，时间变得不再可逆：时间之箭只能向一个方向前进。这让热力学站在了牛顿的普适法则的对立面，后者认为万物在原则上都是可逆的。这个震撼学界的思想逐渐发展为另外一种理论，我们将在后面的内容中看到，该理论甚至与层级化结构和心脑鸿沟难题有关。
奇怪的是，在19世纪中叶，原子理论即物质由原子构成的理论已经被化学家广泛接受且发扬光大，却未能在物理学界成为共识。有一个物理学家开始对这个理论产生疑惑，他就是奥地利人路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）。他最出名的成就是提出了动力理论，用于描述气体中的大量原子和分子如何一刻不停地运动，在彼此之间和容器表面撞击、反弹，产生出随机的混乱运动。他将伽桑狄于17世纪提出的想法转化为一套艰深的科学，这就是如今我们所说的统计力学。如果将分子的种类和位置纳入考虑范畴，动力理论能够解释气体可被观察的宏观属性：压力，体积，黏度，以及热导率。
总体而言，玻尔兹曼的伟大洞见推进了我们对系统混乱度（熵）的定义，即分子运动的整体结果。他认为，既然分子时刻在四处反弹，热力学第二定律就不是一个死气沉沉的绝对性结论，仅在统计学意义上成立。也就是说，到底哪一个特定粒子会被转移是不确定的。当那件冰冷的外套出现在我附近，我的系统整体变得更混乱了。正如迈克尔·柯里昂（Michael Corleone）所说：“这不是私人恩怨，这纯粹是生意。”
在那些将宇宙看作遵循牛顿法则的绝对性系统的物理学家中间，玻尔兹曼的理论掀起了轩然大波。他们坚信，这个世界并非仅凭预测就能获知结果的统计学宇宙。因此，玻尔兹曼的理论遭受了反复攻击。令人悲伤的是，他因此深感沮丧和抑郁，最终于1906年在的里雅斯特与家人度假期间自杀了，不久以后，他的理论就获得了证明，他毫无疑问是正确的。
直至今日，物理学家还在被统计学法则困扰着。一方面，牛顿的法则是相对时间对称的，因此是可逆的。很显然，在牛顿定义的决定论宇宙中，事情总能递向发展。但统计学法则并非如此。一件事的发生如果存在一定概率，而非必然，那么它怎么可能是可逆的呢？结论是不能。如此看来，这两种描述真实世界的方法是矛盾的。要想应对这种二元论局面，我们需要新的思路。物理学家接受原子理论的过程很慢，但一旦接受以后，他们就开始在这条道路上飞奔，开足马力思考这个全新的世界。最开始，在1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）发现并确认了第一个亚原子粒子：电子。汤姆逊既是一位伟大的物理学家，也是一位伟大的教师。他因为学术成就受封爵士并获得了诺贝尔奖，不仅如此，他的8位研究助理和他的儿子也获得了诺贝尔奖。这个团队中的一员尼尔斯·玻尔最后提出了互补的概念。但这都是后话了。在接纳这个新世界之前，我们还需要更多证据。
德国理论物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）对熵的概念和热力学第二定律着了迷。起初他相信的是该理论的绝对正确性，而不是玻尔兹曼提出的那个稀里糊涂的统计学版本。尽管身为牛顿力学的捍卫者，普朗克还是意识到了熵产生的问题，从此深陷其中，坚信熵增才是这个不可逆的残酷现实。普朗克接受了不可逆的观点，但他期望能用经典法则对熵增法则进行严格的推演，从而证明后者的不可逆性。和大多数物理学家一样，他渴望用一个统一的物理学描述来解释一切。然而已有的理论都铩羽而归。
1894年，一个机会出现了，当时他正在执行一个特殊的任务——优化灯泡，让灯泡发光最大化的同时耗能最小。为此，他不得不着手解决一个如今被称为“黑体辐射”的难题。要想理解黑体辐射，不妨去野外生一个篝火。如果你把烤肉用的金属扦子伸进火里，很快就会发现尖端被烧红了。如果温度继续上升，颜色将从红色变成黄色、白色，最后变成蓝色。随着烤肉扦子内部升温，其表面开始向外以光的形式散发电磁辐射，也叫作热辐射。内部温度越高（能量越高），发出的光波长越短（频率越高），从而表现出颜色的改变。物理学家很快假设了一个理想物体，一个“完美”的辐射体和吸收体，它在冷却的时候呈现黑色，因为所有打在其表面的光都会被完全吸收。
这个完美物体被称作黑体，它发出的电磁辐射叫作黑体辐射。没有人能够用经典物理法则来准确预测黑体的辐射量及频率。牛顿法则在低频光（红光）辐射的情况下运行完美，一旦频率上升，预测结果就会完全跑偏。在数次经典物理学层面的尝试和失败之后，普朗克懊恼地转向熵的统计学概念。他引入了一个“能量子”的概念，并将能量看作“离散的量、由整数个有限等大的部分组成”12，他还得出了一个公式，能够很好地预测黑体辐射。
当时，无论是普朗克本人还是其他人都没有意识到，他的辐射法则为一个全新的概念奠定了基础，正是这个概念彻底改变了我们看待世界的方式。这是我们对量子世界的惊鸿一瞥。普朗克的发现还表明，可能不存在统一的基础法则或宇宙模型。有些人或许会说，这是往牛顿决定论世界观的棺木上敲的第一颗钉子。
有趣的是，普朗克自己也被辐射理论的准确性给逗乐了，还说这种特定的能量子“是单纯的假设，其实我还没想好”13。普朗克没有完全理解自己用数学技巧意外发现的新概念，即微观物体与宏观物体性质不同。哇！普朗克无意间抽出了一块关键的砖头，使得他钟爱的大一统理论大厦顷刻坍塌。
The Consciousness Instinct
量子世界的发现不光改变了人类对宇宙的理解，还让我们认识到真相存在两个不同的层级，每个层级都有自己的语言和规则。和任何复杂系统一样，每个层级有自己的工作协议：在原子层级，事物按照统计学规律运作，宏观物体则遵循牛顿的法则。
由于缺乏层级化结构概念，认知论学派简直要发疯。这群研究“我们如何认识世界”的学者乱成一团。大一统理论失效了。物质的运作原理似乎有两种解释——这就是互补原理。
物理学家在无意中接触了这一全新理念，此时他们刚发现光既具有粒子的特性也具有波的特性。这就是物质的互补，是一种二元论。他们与这种观点抗争了数十年，但最后还是接受了它。最近，研究者捕捉到了一个令人难以置信的画面：在同一时间，一部分光子展现出了波动特性，而另一部分光子展现出了粒子特性14。尽管如今互补原理已经被物理学广泛接纳，但还没有多少人相信它会是解决心脑解释空缺的关键。我认为互补原理应当是一个重要的概念，所以首先想了解一下物理学如何接纳这个看似古怪的理论。理解它被物理学接纳的过程后，互补原理在生物学以及心脑鸿沟问题上的重要性也将不证自明。
