研究整個宇宙的歷史似乎是一項令人畏懼的工作。不過，我們會發現，從許多方面而言，它並不比講授一個大國（比如美國或俄國）的歷史更艱巨。關鍵在於，我們一開始就要對這個故事的整體形態有清晰的認識。對我們很有幫助的事實在於，有一條線索貫穿整個故事：那就是宇宙出現 138 億年以來越來越複雜的事物的出現。複雜事物具有多種組成部分，它們精確地排列，從而產生新的屬性。我們將這些新屬性稱為突現屬性（emergent properties）。
我們不會假裝要描繪出現的一切新事物，或者宇宙某些部分變得更複雜的所有階段，我們只是關注這個進程中的一些主要階段，考察出現的一些最有趣的事物，並且努力弄明白我們是如何融入這個宏大故事之中的。
早期宇宙非常簡單。最初，即宇宙學家所說的輻射時代（radiation era），巨大能量流主導著宇宙。整個宇宙有點類似太陽的中心，由於溫度過高，複雜的化學結構無從誕生。當時沒有原子、沒有恆星、沒有行星，也沒有活的有機體。不過，宇宙在擴張的同時也在冷卻，差不多在其誕生 40 萬年之後，它的溫度低得足以讓氫原子和氦原子（還有其他一些簡單元素）在那種熱「漿」中凝結。原子是最早出現的複雜物質結構。不過，即便那時候，在幾百萬年時間裡，宇宙還非常簡單，僅僅由巨大的氫原子和氦原子雲團以及散佈其間的能量構成。（另外，還存在大量所謂的暗物質，不過，由於它們似乎永遠也不可能構成複雜實體，因此，我們很大程度上忽略了它們。）
於是，通過以原子作為基本成分，更複雜的事物開始出現。不過，只有環境「恰到好處」時，它們才會出現。我們將這種環境稱為「金鳳花環境」（Goldilocks conditions）。首先，大概在宇宙出現 2 億年之後，所有的恆星系出現了。在星系中，垂死的恆星開始形成新的原子和新的化學元素，如碳、氧、金和銀等，然後將它們散播到周圍太空。在條件合適的地方（不太熱也不太冷，不太空曠也不太密集），這些元素逐漸以複雜方式結合，形成新的物質。恆星也會將能量散播到附近太空。由此可見，當大部分宇宙依然很簡單時（直到今天也是如此），在星系內部，事物變得越來越複雜。當更多化學元素散佈到恆星之間的空間時，新的物質——水與冰或灰塵和岩石——開始在新近形成的恆星周圍聚集，最終形成最早的行星體系。至少在一個行星上（或許在許多行星上，儘管迄今為止我們還沒有直接證據證明這一點），化學元素結合形成更複雜的結構，最後形成簡單的活細胞，這種細胞能夠以非凡的精確性複製和繁殖，並且緩慢地適應周圍環境，同時創造出越來越多不同類型的單細胞有機物。慢慢地，更複雜的細胞開始進化，直到大約 6 億年前，一些細胞結合起來形成多細胞有機物。在最近幾十萬年，我們這個物種進化出來了。我們在後面內容中會看到，在人類歷史時期，事物變得更複雜。
在做出進一步探討之前，我們必須更深刻地考察複雜性這個核心概念。複雜性是簡單性的對立面。不過，知道這一點並沒有什麼用。難題在於，根本無人確切地知道解釋複雜事物之所以變得複雜的最好方式。以下是大致的界定，或許將對我們有幫助。
首先，複雜實體包含多種成分。原子之類的簡單事物包含很少的成分：就氫原子來說，只有一個質子和一個電子。更複雜的事物，如 DNA 分子，可能含有數十億個不同原子。因此，我們首先得說，複雜事物包含許多不同的成分。
其次，這些成分以特定方式排列。將一架現代客機的零件堆在一起，然後任意組裝起來，你很快就意識到，如果這些部件組裝不正確的話，飛機根本無法起飛。不同部分都有特定功能，就好像它們是一個團隊的組成部分。同樣，構成 DNA 分子的原子必須以特定方式排列，只有這樣，構成 DNA 分子的許多基因才可能協同工作，否則這些原子什麼也幹不了。即使一個氫原子也是以精確方式排列的：質子在核心，一個電子以一定距離繞著它旋轉。這兩個粒子被電磁力結合在一起，因為質子帶一個正電荷，電子帶一個負電荷。原子則比它的構成成分更複雜。
第三，複雜事物具有新屬性或者突現屬性。當複雜事物以正確的模式（這種模式能夠促使它們的各組成部分協同工作）排列時，它們就能夠創造新事物。新的特徵「顯現」。「把聖保羅大教堂搗成原子，」塞繆爾·約翰遜（Samuel Johnson）說道，「然後觀察每一個原子；毫無疑問，它毫無用處；不過，如果將這些原子組合起來，你就得到了聖保羅大教堂。」 ２ 一堆飛機零件不可能完成任何有趣的事情。若將它們正確組裝起來，它們就能夠飛翔。把變形蟲的 DNA 分子正確排列起來，它就提供了生命有機體形成所需要的一切訊息。（這確實給人留下深刻印象，因為我們現在無法在實驗室做到這一點，儘管現代科學取得了許多成就。）即便一個氫原子也具有新的屬性。比如，它呈電中性（因為正負電荷相互抵消），如果在高速和高溫下與其他氫原子相撞，它就能夠聚合形成氦原子。這些新特徵就是突現屬性的例證。這常常顯得不可思議，因為它們並不存在於那些構成複雜實體的各種成分中。只是當這些成分以精確模式排列時，它們才顯現出來。它們不僅僅源自這些成分，也源自那種模式。我們覺得，模式是非物質的或抽像的，而各種成分是實實在在的和物質的，這個事實解釋了突現（emergence）之神奇特性。
第四，複雜實體似乎只出現於存在必不可少的金鳳花環境的地方。即使今天，宇宙的絕大部分依舊很簡單。不過，世界上一些地方出現了合適的環境，我們也在那裡觀察到了更複雜事物的出現。例如，地球表面就是複雜化學反應的理想場所。這裡存在大量不同的化學元素，有非常適合化學反應的固體、氣體、液體和溫度。
第五，複雜實體似乎與有助於它們維持自身結構的能量流聯繫在一起。如果你將一些大理石從小山頭滾到山腳一個洞中，它們還是會停留在一起，因為那種組合對能量的需求最少。這是一種靜態的、不那麼特別令人感興趣的複雜形式。那些最吸引人的複雜形式是動態的。它們更像熟練的變戲法者所創造的複雜模式。維持它們的存在需要穩定的能量流。此外，廣泛而言，以下說法似乎是正確的，即這些結構越複雜，它們也就需要更多能量維持自身。這是天文學家埃裡克·蔡森（Eric Chaisson）的觀點。蔡森表明，如果計算一下的話，結果顯示，大致而言，行星似乎比恆星更複雜，因為在行星上，每秒鐘流經每克物質的能量流，要多於恆星上相同時間流經相同質量的能量流。同樣，活的有機物似乎比行星更複雜，而現代人類社會或許是我們所知道的最複雜事物之一！對人類尤其是歷史學家而言，這是一個非常重要的結論。它塑造了我們在本書中講述的故事的形態。
概括而言，以下是複雜事物的五大關鍵特徵：
1．它們由多種成分組成：複雜事物是由各種各樣成分構成的。
2．它們被組合在一種精確的結構中：它們的成分以一種十分明確的方式結合在一起。
3．它們具有新的或突現的屬性：事物得以建構的方式賦予它們某些特別的屬性。
4．它們只出現在環境合適的地方：只有當創造更複雜事物的完美的金鳳花環境存在時，它們才會出現。
5．它們通過能量流結合在一起：引起我們最大興趣的各種複雜形式，都依賴能量流。一旦能量流不復存在，它們就會喪失那些讓它們與眾不同的突現屬性。這不僅適用於恆星，也適用於人類和汽車。恆星若沒有內核的聚變反應，它們就會暗淡無光；人類若缺少來自食物的能量，就會死亡；汽車若耗完了汽油，就會停止不前。