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我父亲有一次和我谈起了他在布痕瓦尔德集中营的同室狱友。那个人瘦骨嶙峋，学习过算术。你可以根据别人听到“派”（π）时的想法判断出他是什么样的人。对于“数学家”而言，它是圆的周长同直径之间的比率。如果问我父亲——他只上到七年级——他会说“派”是里面夹着苹果的面包圈。有一天，数学家室友不顾他们之间的鸿沟，给我父亲出了一道数学题。我父亲想了好几天还是无法解答。当他再见到这个狱友的时候，他向这个人求教解题方法。这个人不愿意说，让我父亲必须自己找出答案。过了一阵子，父亲又和他谈及此事，但那人严守他的秘密，好像答案是一块金子。父亲尝试着打消掉自己的好奇心，但他做不到。尽管集中营里臭气熏天，时时有死亡的威胁，他却像着了魔似的想知道这道题的答案。最终，另一个狱友向我父亲提出做一笔交易——如果父亲愿意拿面包圈交换，他就把这道题的答案告诉他。我并不清楚父亲当时的体重是多少，但在美军把他解救出来时，他只有85磅（38.56千克）重。在那种环境里，父亲想要知道这道题答案的欲望是如此强烈，以至于他愿意拿自己的面包来换答案。
父亲给我讲这件事的时候我还是个毛头小子，但这件事对我产生了巨大的影响。父亲的家人都已过世，他的财产也被没收，他食不果腹，憔悴不堪，还遭到殴打。纳粹夺走了他的一切，但他思考、推理和求知的动力还在。他的身体虽被囚禁，思想却自在遨游，事实也确实如此。那时我就意识到求知欲乃是人类所有欲望中最重要的，尽管我们身处的环境不同，但驱使我认识世界的热情和父亲是一样的。
在我上大学以及之后研究科学的过程中，父亲询问我最多的不是我所学的各种术语，而是它们隐含的意义——这些理论是如何得出的，为什么我觉得它们很美，对于人类它们又有什么意义。这本写于几十年之后的书，算是我最终对这些问题的回答。
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数百万年之前，人类开始站直身体，这改变了我们的肌肉和骨骼，使我们能够以一种直立的姿势行走，我们的双手因此得到解放，可以去探索和操控周围的物体；这还拓宽了我们的视野范围，使我们可以去更远的地方探索。在站立起来的同时，我们的思考能力也超出其他动物一大截，这让我们可以不只是用眼睛去看，还可以用大脑去探索这个世界。我们站了起来，但最重要的是，我们开始思考。
人类之所以高贵，是因为我们有求知的动力。作为一个物种，人的独特性体现在经过上千年的努力，我们成功地破解了自然的密码。假若给古代的人一台微波炉去加热野牛肉，他或许会认为这个盒子里有一群辛苦工作、像豌豆那么大的神仙，他们在食物下面生起小小的篝火，在盒子打开的一瞬间又会神奇地消失。但事实就是如此神奇——宇宙中的万事万物都遵循一组简单却不可违背的抽象法则，从微波炉的工作原理到我们周围的各种自然奇观皆是如此。
随着对自然世界的认知不断演进，我们从过去将潮涨潮落视为女神的旨意，发展到后来认识到这只是月球引力的结果而已。我们不再把星星看成是天上的诸神，而是看成原子反应堆在向我们投射光子。今天，我们清楚距离我们1亿英里的太阳
的内部情况，也知道相当于我们10亿分之一的原子的结构。我们能够破解这些以及其他自然现象的密码不仅仅是个奇迹。它同时也是一个扣人心弦的神话，一部史诗。
前一阵子，我为热播的电视剧《星际迷航：下一代》写了一季剧本。第一次开剧本讨论会的时候，在座的都是这部戏的其他编剧和制片人，我为其中一集想到了一个点子，为此我激动不已，因为这个点子涉及太阳风真正的天体物理学原理。当我激情四溢地描绘着我的观点及其背后的科学依据时，大家都看着我这个新来的家伙——他们中间的物理学家。当我说完后——整个过程不到一分钟——我心满意足，骄傲地看着我的老板。他是一个脾气不好的中年制片人，曾经是纽约市警察局刑事犯罪科的侦探。他直勾勾地瞪了我一会儿，脸上的表情不可捉摸，然后大声说：“闭嘴，你这该死的书呆子！”
当我从尴尬中恢复过来，我明白他想告诉我的是，他们之所以雇我，是因为我讲述故事的能力，而不是要我给他们上一堂关于星星的物理学拓展课。我完全接受他的观点，从那之后我就照此方法进行写作。（他另一个让人记忆犹新的建议是：如果你感觉自己快被炒鱿鱼了，赶紧关掉你家游泳池的加热器。）
科学在错的人手里会非常枯燥，但关于我们知道什么以及我们是如何知道的的故事却一点儿也不乏味。这将会是超级令人振奋的。人类探索的过程就如同一部电视剧，它和《星际迷航》或者人类第一次登上月球一样引人入胜，剧中有激情四溢、怪异有趣的角色——就像我们在艺术、音乐以及文学作品中见到的一样，也有永远充满好奇心的探索者，正是他们的好奇心将人类这个起源于非洲大草原上的物种带到了今天我们所生活的这个社会。
他们是怎样做到的？我们又是怎样从一个几乎不会直立行走，只能通过双手采集坚果、浆果以及植物根茎来果腹的物种，发展成为今天能驾驶飞机、全球实时发送信息、在巨大的实验室里再造宇宙初期条件的现代人类的？这就是我想要讲述的故事，了解了这个故事，你就会明白作为人你究竟继承了怎样的遗产。
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“世界是平的”这句话在今天已经成为陈词滥调。但如果国与国之间的距离和差异可以有效地缩小，那今天和明天之间的差别就会增大。人类在大约公元前4000年的时候建造了第一批城市，长途旅行最快的方式就是靠驼队，可这平均每小时也只能走上几英里而已。大约在1 000或2 000年之后，人类发明了马车
，最快速度提高到了每小时20英里（32.19千米）。直到19世纪，蒸汽动力机车的出现才使快速旅行成为现实，到19世纪末最高时速达到了100英里（160.93千米）。从学会以每小时10英里（16.09千米）的速度奔跑，到以每小时100英里的速度疾驰，人类用了200万年。但一种飞行速度高达每小时1000英里（1 609.34千米）的飞机的发明，使人类只花费了50年的时间就给这个数字后面加上一个零。到20世纪80年代，人类可以乘坐宇宙飞船以超过每小时17 000英里（27 358.85千米）的速度旅行。
其他科技的发展也显示了类似的加速过程。以通信为例，19世纪初期，路透社还在使用信鸽在城市之间传递股票市场的消息。
到了19世纪中期，电报获得了广泛的应用，到了20世纪，电话出现了。固定电话花费了81年才获得75%的市场份额，手机达到这一市场份额却只用了28年，而智能手机则只用了13年。近些年，手机作为一种通信的工具，其功能先是被电子邮件取代，接着被短信取代，同时手机越来越被当作能装进口袋里的电脑，而不是为了打电话。
“今天这个世界，”经济学家肯尼思·博尔丁说道，“跟我出生时的那个世界之间的不同就像我的世界和尤利乌斯·恺撒时代的世界不同一样。”
博尔丁出生于1910年，于1993年逝世。他所目睹的变化——和随后发生的其他变化——是科学以及由此衍生出来的技术的产物。这些变化在人类生活中所占的比重越来越大，而我们要想在工作和社会上获得成功，也越来越依靠我们接受创新和开拓创新的能力。今天，即使我们所从事的工作和科学技术没多大关系，我们也要面临依靠创新来保持竞争力的压力。所以对我们所有人来说，探索的本质是一个重要的话题。
要想对我们今天所处的位置有一个清晰的认识，也为了让我们有望理解我们将走向何方，我们必须要知道我们从何处而来。人类智力发展历史上的伟大胜利——书写、计算、自然哲学以及其他各个学科——通常都是孤立的，就好像它们之间不存在任何关联一样，但这种看法是“只见树木，不见森林”。它忽略了人类知识的整体性，而这才是它最本质的特性。现代科学的发展——比如通常被认为是像伽利略和牛顿这样“孤立的天才”的作品——并不是从一个真空的社会或者文化中出现的。它深深扎根于古希腊人对知识的求索过程中；它成长于宗教提出的重大问题中；它与艺术创作的新手法一同发展；炼金术赋予了它斑斓的色彩；如果没有社会的进步，诸如欧洲那些伟大的大学的繁荣发展，或者连接城市与乡村的邮政系统的世俗发明，就不可能实现。同样，希腊的启蒙运动，也是源自生活在美索不达米亚和埃及这些土地上的早期先民那让人叹为观止的智慧发明。
正是因为这些影响和关联，人类对宇宙的理解才不会是一个个孤立的片断。就如同一本优秀的科幻小说，它有内在的叙事结构，形成了统一的整体，内部线索盘根错节，相互勾连，故事从人类起源的初期开始讲起。在接下来的文章中，我将选择性地带领大家了解这个艰难的探索之旅。
我们的旅行从现代人类大脑的发展开始，并重点突出那些人类大脑掌握认识世界新方法的重要时代以及转折点。同时，我还将描绘那些让人着迷的人物，他们有着独特的个性，他们的思维模式在那些创新领域发挥了重要的作用。
像许多神话故事一样，这部大戏由三部分构成。第一部分，我们将跨越数百万年的时间，去追寻人类大脑的进化，以及它爱问“为什么”的倾向。这些疑问推动着人类初期的精神求索，并最终催生了书写和计算，以及定律的概念——科学不可或缺的工具。最终，这些疑问促成了哲学的诞生，其洞察力让我们了解到物质世界是依据某种规律和原因运行的。
我们旅途的第二部分将探索自然科学的诞生。这是一个关于创新者的故事，他们拥有非同一般的认识世界的天赋，他们耐心、坚韧、聪明，即使有时候需要花费数年，甚至是数十年去完善他们的理论，他们也会奋勇向前。这些先驱——像伽利略、牛顿、拉瓦锡，以及达尔文——同他们所处时代已经确立的教条进行了长久的、卓绝的斗争，他们的故事无一例外都是个人抗争的故事，付出的代价甚至包括他们的生命。
最后，就像许多完美的故事一样，当主人公有理由相信自己已经接近旅程的尾声时，剧情又发生了意想不到的转折。正当人类认为已经破译了自然的各种法则，剧情又发生了奇怪的转折，爱因斯坦、波尔以及海森堡发现了一个全新的存在领域，这是一个不可见的领域，它的法则还不曾为人类所熟知。“那个”世界——以及它不同寻常的法则——由于太小以至于很难被直接理解：这是一个被量子物理学统治的原子的微缩宇宙。正是这些法则导致了我们经历的那些沧海桑田般的变化，并且这些变化仍在加剧。正因为我们理解了量子理论，我们才能够发明电脑、手机、电视、激光、互联网、医学成像、基因图谱，以及大部分让现代生活发生革命性变化的新技术。
本书第一部分跨越了数百万年的历史，而第二部分却只涵盖了数百年，第三部分的时间跨度则只有数十年，这反映出人类知识的累积在以指数速度加快——以及我们认知这个陌生新世界的渴望。
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人类艰苦的探索之旅延续了多个世纪，但是我们认知世界的特点却始终如一，因为这就是我们人类的天性。其中一个特点对于那些在创新和探索领域工作的人来说应该非常熟悉——构想一个不同于已知世界或概念的新世界或新概念是有难度的。
在20世纪50年代，艾萨克·阿西莫夫，这个最伟大、最有创新能力的科幻小说作家写出了基地三部曲，这部系列小说描绘了未来数千年的故事。在这些书里，男人每天去办公室上班，女人则留在家里。没过多少年，这种对遥远未来的幻想就已经成为过去的事情了。我之所以提起这个，是因为它展示了人类思维最普遍的局限性：我们的创新能力受到传统思维定式的束缚，这些束缚深植于我们的信仰之中，无法摆脱，甚至让我们不敢去质疑。
构想变革的难度的另一面是接受变革的难度，这也是我们故事的另一个绕不开的特点。人类发现难以接受变革。变革对我们的头脑提出新要求，迫使我们走出舒适区，打破了我们的思维定式。它让人困惑和不知所措。它要求我们放弃旧有的思维方式，而这种放弃不是我们的自主选择，是强加在我们身上的。更重要的是，科技进步所带来的变革经常会终结我们的信仰体系，而绝大多数人——或许他们的职业和生计——全都要仰仗于此。其结果就是科学领域的新概念常常会遭到抵制、怒斥以及嘲讽。
科学是现代技术之魂，现代文明之根。它和我们今天生活中的许多政治、宗教和道德问题息息相关，它所隐含的观念正在以前所未有的速度改变着我们的社会。但正如科学会影响人类的思考方式一样，人类的思考方式也在科学理论的构建中发挥着重要的作用，这一点无可置疑。正如爱因斯坦所说，科学“如同人类其他努力一样主观和充满心理暗示”。
这本书试图本着这种精神去描绘科学的发展——把它当成一项思想上以及文化上决绝的事业，只有通过对塑造它的个人的、心理的、历史的以及社会的条件的全面审视，我们才能更好地理解这项事业的理念。以这种方式看待科学，不仅能让我们认识这项事业本身，也能了解创造力和创新的本质，以及更普遍的人类的现状。