在土耳其西北，离爱琴海不远处，伫立着一座山峰，古称为摩罗斯山。两条河流从这里发源，一名帕克托洛斯，一名赫尔穆斯。在几种因素的共同作用下，这两条河在历史上非同寻常：首先，河床坡度较小，所以水流相当缓慢；其次，沿岸山上的土石因风和气温变化逐渐被剥蚀，形成混合着金粒的细沙，散落入水；最后，两条河携带着大量细沙流入沿海平原，在那里，河流更加宽广平缓。根据古希腊历史学家希罗多德在公元前4世纪留下的记载，数百年来这两条河都是淘金业最繁盛的地区。2700年前，这两条河位于吕底亚王国境内，在其中一条河畔，有一个不知名的淘金者（他可能受雇于当时的国王）在这里做出了人类历史上最重要的发现之一。

那时候人们搜集并熔炼金沙，通常是借助羊皮。羊皮里的动物油脂会吸附细微的金粒，等到羊皮吸满，淘金者就把它挂到树枝上晾干，然后扔进熔炉烧掉，从灰烬中筛出纯净的金珠。或许正是这种精炼黄金的方法催生了伊阿宋与阿尔戈船英雄夺取金羊毛的神话。无论如何，接下来金珠被熔铸成金砖和金锭，用来购买货物和服务——人类用黄金交换商品的历史可追溯到公元前3000年的美索不达米亚和埃及，金锭（以及银锭和铜锭）的价值依其重量决定。这套系统的缺陷非常明显。金属锭十分沉重，难以运输，只能用于大额交易，例如两国之间的贸易，或者雇佣军服役结束后的最终结算。

帕克托洛斯淘金者的一项发现引发了一场巨变。除了金沙，河里还有很多小块的黑色燧石片，它的地质名称是页岩。人类使用页岩的最早记载来自希罗多德，根据他的描述，吕底亚人磨掉石片的表层，使其粗糙无光。金子在这样的平面上划过，就会留下明显的痕迹。纯金的划痕是黄色的，金银合金会留下白色的印子，金铜合金划出的则是红色。这种用来鉴别黄金纯度的石头，流传下来一个充满隐喻意味的词：试金石。

试金石发现于公元前8世纪前后。这偶然发现的不起眼石头即将带来深远的影响。大约在公元前7世纪，盖吉兹王在位时，吕底亚的统治者拥有了鉴别贵金属的手段。有了这种石头，哪怕是毫无鉴定经验的人也能轻松地分辨出金属品质的细微差别。之前数百年，巴比伦和埃及的王朝一直习惯在金锭上铸刻标记，用政府的权威为金属的价值背书，不过这样的举措并未促进金块自由流通，因为标记也许仅仅能保证最初的主人愿意按照原始价值回收它。而试金石让人们得以建立贵金属的品质标准，赝品无所遁形，国王的标记成了纯度和分量的坚实保障，流通变得顺畅进来。

对更小额货币单位的需求催生了西方世界的第一枚硬币——吕底亚斯塔特币。接下来的100年里又出现了一系列辅币，每种辅币的价值都是斯塔特币的若干分之一。到了公元前550年，吕底亚的克罗伊斯王首次确立标准的帝国货币制度时，吕底亚的钱币已经赢得了质量优秀、标准统一的口碑。其他城邦，如米利都、福西亚、基齐库斯、米蒂利尼和以弗所，也纷纷效仿，发行了自己的官方货币。随后，一些城邦结成货币联盟，比如吕底亚和米蒂利尼，其货币可以越过各自的边境，在双方领地自由流通。到了公元前5世纪的雅典帝国时期，雅典的货币已经通行于地中海东岸的大部分地区。

硬币的普及造成了两大影响。其一，政治上，它由中央铸币厂统一发行，潜移默化地培养了使用者对统一的认同感。代表政府的标记通过硬币出现在每一笔交易中，硬币的存在定义了政府权威的领地，它的价值映射着发行国的经济是否健康、政治是否稳定。第二重影响则是第一重影响的产物：随着各城邦日渐繁荣，跨边界贸易也越来越频繁，有了硬币，买家可以更方便地依自己的选择购买商品，卖家的货物品种也丰富起来。市场变得更加多样，交易范围越来越广。我们可以说，吕底亚斯塔特币的出现激发了地中海地区的贸易增长，因为是硬币满足了更多灵活的贸易需求。

在古老的时期，世界上最伟大的贸易路线就已初具雏形，商人从地中海东岸出发，驶出红海，穿越大洋，直抵印度和中国。有证据表明，早在公元前1000年之前，埃及人和巴比伦人的步伐就已南至索马里，东达印度。到了亚历山大大帝的年代，商路进一步发展，大帝的货币与商品一起流向世界各地。从印度到黎巴嫩，从俄罗斯南部到尼罗河上游，亚历山大大帝的印记无处不在。公元前331年，亚历山大大帝决定在最方便掌控帝国贸易洪流的位置建一座城市，这座城市要由石头筑成，东西两面各有一处天然港口，这样无论风向如何，船只都能顺利入港。

亚历山大港位于尼罗河河口，它成了全世界的贸易之都。从南方，如今的索马里，运来了香料；从苏丹运来了大象、铁和黄金；从如今的法国、德国和俄罗斯，运来了皮毛与琥珀；从英国运来了锡。世界各地的货物流向亚历山大港，又从这里去往四面八方。公元1世纪时，狄奥·克里索斯托这样描写它：“这座城市垄断了整个地中海的航运……它位于世界的十字路口。”亚历山大死后，这座城市几番易主，先后由波斯人、希腊人、迦太基人和罗马人统治。建城后的600年间，亚历山大港蓬勃发展，它不仅是贸易枢纽，也是地中海的文化中心，后者在很大程度上归功于建城不久后就落成的大图书馆暨博物馆。在公共基金的资助下，当时最杰出的学者齐聚一堂，撰写著作、发表演说；博物馆内有10间礼堂，每一间对应一个专门的主题，供学者授课。除此以外，这里还有供人研究、学习的空间，以及供学者居住的场所。

亚历山大图书馆收藏着当时几乎所有的知识。公元前235年，馆内有约50万部书稿，到了尤利乌斯·恺撒的年代，藏书增至70万部。当时的亚历山大港有专门的法律条文，规定来访者必须将自己携带的书稿通通交给图书馆誊抄。船只入港时，会有官员上船搜寻书籍。公元4世纪，亚历山大港与雅典起了争端，因为雅典人发现亚历山大港人将希腊悲剧原稿私藏下来，还给他们的是图书馆抄写的复本。博物馆里教授的知识涵盖了当时所有的学科，包括数学、几何学、天文学、哲学、药学、占星学、神学和地理学。在这座港口城市，人们尤其青睐军事领域的研究、地理学和与之相关的天文学等。大约在公元127年到151年间，全世界首屈一指的伟大学者、曾在亚历山大港任教的克劳狄乌斯·托勒密撰写了一部13卷的著作《天文学大成》，总结了当时所有的天文学知识。

早在近公元前2000年时，天文学就已成为一个专门的研究领域，巴比伦人对此钻研颇深，埃及人也略有踏足。人们对日月星辰的运动萌生兴趣完全始于实用目的，他们认为观察天空有助于编撰更准确的历法，让统治者更精确地预测洪水季节的时间，从而提高灌溉效率。渐渐地，这门学科染上了占星术的神秘与魔法色彩，用天文学规律预测日月食和星座在一年中的位置变化，成为祭司兼统治者的权威之源。公元前539年，波斯的居鲁士王应邀深入巴比伦腹地阻止内战，这时候的天文学家已经把天空分成了12个星座，每个星座各占30度，组成一道环带，这就是黄道十二宫的雏形。注重实用的波斯人借助巴比伦人晦涩难懂的研究成果，进行了更科学的观察，于是从公元前300年起，来自巴比伦的迦勒底星表逐渐发展完善。

这些知识为托勒密的著作奠定了根基。为了准确测量角度和时间，人们需要更精确的天文设备。托勒密本人也绘制了一张星表，列出了1022颗恒星，以及它们在亚历山大港的天空中的位置。他还描述了如何制作测量星体位置的仪器：星盘。接下来的1000年里，星盘成为观星者的基本工具。显而易见，托勒密的星表能为这座贸易城市的航海者提供莫大的帮助，然而遗憾的是，以目前的证据来看，在他生活的年代仅有极少数掌握天文知识的航海者懂得利用这些数据，更不用提更早的时期。那少数的几位佼佼者，例如尼多斯的欧多克索斯（记载于公元前370年）和马赛的皮西亚斯（记载于公元前300年），能够根据恒星的高度角，判断自己与母港在南北方向的距离。假如表中列出某颗星在母港的角度是X，而他在某地的观察结果却是Y，这种差别只取决于两地在南北方向的距离，推算便能得出这个距离究竟是多少。不过，对于当时希腊和罗马的绝大多数航海者而言，星辰的作用仅止于判断航向。正如罗马作家卢坎在公元前63年所言：“永不落下的轴心指引着船只的方向。如果小熊座高悬在桅杆上方，那么我面朝的方向正是博斯普鲁斯。”（换句话说，如果位于北方的小熊座在你的左手边，那么船正在向东行驶。）

托勒密著书300年后，西罗马帝国灭亡。随着罗马人撤退，欧洲陷入了纷争与混乱，亚历山大港流传到地中海北岸的少许作品均告散佚失传。整个西欧与东面的帝国失去了联系，尽管拜占庭皇帝统治下的亚历山大港仍有开课讲授之风，但图书馆的地位日渐衰微。谁也不知道烧书事件发生的确切时间，只有许多种推测：也许是罗马人统治期间意外发生了火灾，也许是公元4世纪那些狂热的基督徒蓄意纵火，又或者按照阿拉伯作家的记载，公元646年，穆斯林最终占领这座城市后，将藏书扔进壁炉烧得精光。无论罪魁是谁，图书馆收藏的文本几乎全部毁于一旦。今天我们之所以还能看到托勒密的著作，全赖于幸好有一套复本散落在外，它即将经历曲折而奇特的旅程。8世纪中期，它流落到了伊朗西南部琼迪沙普尔的一座修道院图书馆里。公元765年，数百英里外的巴格达建城后不久，阿拉伯人发现这座修道院的图书馆里收藏了大量古希腊科学和哲学著作，于是他们立即动手，把这些书翻译成阿拉伯语，《天文学大成》就在其中的第一批书里。随着巴格达的翻译学校发展壮大，哈里发们从拜占庭人手中或买或抢，获得了更多的古希腊著作，尤其是药学和天文学作品。伊斯兰教扩张的脚步一直抵达了西班牙，阿威罗伊、阿尔布玛真、花拉子米等阿拉伯翻译家兼作家将这些古代著作和他们自己撰写的评注带到了西欧的大门口。正是因为拥有这些著作，到了13世纪中期，智者阿方索（长期以来西班牙一直是伊斯兰国家，阿方索是这个国家最早的基督徒国王之一）才能在托莱多建立学校，将这些阿拉伯语文本翻译成拉丁语。星表终于传入了欧洲，不久后它将在航海者手中大放光芒。

13世纪，西罗马帝国崩溃800年后，欧洲的海上贸易终于走出绵延几个世纪的战争与混乱，逐渐复苏。记载显示，人们在11世纪初建造了罗马人撤退以来的第一座码头。随着欧洲经济回暖，地中海地区和北海地区恢复了联系。但是海上贸易发展的势头不如其他行业，因为富有经验的水手依然只在5月至9月出航，和罗马时代一模一样。从11月到翌年3月，天气变幻不定，商人都不愿意冒险，因为坏天气可能使货船迷航甚至沉没。在适合出航的季节里，海上导航仍然主要依靠地中海沿岸罗马时代的灯塔，或是参照其他地标；而在近岸航行时，数百年来积累的对特定海岸的了解让熟练的水手得以通过探测水底来辅助掌舵。12世纪，船驶近港口后，水手会将一根系有重物和一块黏糊糊的动物油脂的绳子扔进水里，令其沉至海床，通过绳子的长度判断水深，再收回绳子观察动物油脂粘上的东西，分辨海床的质地和成分，最后结合洋流、气温和风向，小心翼翼地操纵船只入港。

当时的船只样式也限制了航运发展。商人不愿意在冬天出航，同理，也不愿意冒险大幅改进船只。造船需要的投资本来就庞大，谁也不愿意尝试未经验证的改良。老旧的罗马横帆尽管早已过时，却继续统治了欧洲好几百年。横帆的局限说来简单，影响却十分深远。悬挂横帆的船只能顺风航行，如果风正向北方刮，即使你想去南边，也只能随风北去。因此，水手在出海前必须等待合适的风向，这又压缩了本来就已经很短暂的航海时段、减少了出海船只的数量。埃及人和罗马人曾靠横帆跨越印度洋，那个区域的风向稳定，总是向某个方向一直吹6个月，然后反过来再吹6个月。欧洲海域的风向变化却复杂得多。

打破这一局面的改进或许早在8世纪就已流传到了地中海沿岸。它可能是阿拉伯人发明的，不过也可能是他们从中国人那里学来的。欧洲人叫它“大三角帆”，他们误以为这种帆是东罗马人从君士坦丁堡带来的。大三角帆装在桅杆上，顶部有一根可活动的桁，它让船只第一次得以逆风航行。哪怕风向与航向几乎完全相反，大三角帆也能驾驭。大三角帆带来的第一个影响是出海的船只变多了，因为出港前不必再苦苦等风。贸易节奏随之加快，船舶的规格也变得更大：货物和港口数量飞速增长，人们自然希望以一条大船替代数条小船，这样更加经济实惠。从12世纪到13世纪，欧洲北部的麦地产量稳步增长，大宗货物出口成为常态。北方国家，尤其是如今德国波罗的海一带沿岸的商业城镇结成的汉莎同盟，和南方地中海区域的国家签署了贸易协定。从1150年到1300年，商品价格和利润、积累的财富和投入商业的资本都增长了约30%。但水手们仍面临诸多困难：哪怕是安装了大三角帆，这些用来运输粮食的新船操纵起来也很困难，因为它们的形状根本不适合在浅水海滨或者码头附近航行，只有在天气理想的时候，船只才能顺利入港。这个问题在北方尤其严重，或许正是出于这个原因，解决它的办法也首先出现在北方，我们在两枚13世纪中期的印章上找到了最初的证据，这两枚印章分别来自埃伯林和维斯马，都是波罗的海沿岸的港口城市。印章上绘的船都装备了方向舵。

在此之前，掌控航向基本靠舵桨，不过正如德国水手发现的，船大到了一定程度，舵桨就笨重得无法操纵了。新式舵可能源自中国，阿拉伯人在印度洋远航时采用了这种设备，随后它又流传到地中海沿岸和北方。这种“尾舵”装在船尾中央一根垂直的柱子上。要安装这根柱子，船尾必须是平的。于是船的形状再次改变：新式船尖头平尾，有更多装载空间。借助尾舵，水手操控大船时，有了必要的纵向操纵能力，这又进一步激励了商人投入资金。船变得更宽、更平、更长，装得也更满了。

到了1300年，又出现了更复杂的结构。东征归来的十字军士兵带回了许多欧洲市场上没有的奢侈品，例如香料、丝绸和染料。这些物品刺激了新的市场需求，威尼斯、热那亚、阿马尔菲……意大利早期的沿海共和国纷纷崛起，它们在阿拉伯和土耳其建立了殖民地和贸易站，想靠这里的奢侈品致富。从意大利港口运往北方和西方的货物不少采取了以物易物的交易方式：法国大西洋海岸的盐、斯堪的纳维亚的木材、德意志的谷物，不过最多的还是英格兰和佛兰德的羊毛。但是很快，这些欧洲国家依然为巨大的贸易逆差头疼起来：黄金源源不断地流向南方，始作俑者正是那些中间商，尤其是热那亚人和威尼斯人，他们手握定价权，赚得盆满钵满。1453年，君士坦丁堡落入土耳其人之手，欧洲通往东方的商路随之中断，局面变得更加严峻。商品价格居高不下，为了找到香料的货源，14世纪中叶，葡萄牙人开始沿着非洲海岸向南远航，“航海家”恩里克王子和他在大西洋海岸的萨格里什建立的航海制图学校为葡萄牙水手提供了莫大的帮助。随着第一批船队扬帆出发，远洋航海面临的严重问题也随之凸显。

中世纪领航员主要依赖3种工具来判断船只的位置：波特兰海图、航向航速盘和打结的绳子。波特兰海图出现于13世纪初，它的名字来自意大利词语“portolano”，这是一部导航手册的名称。这种海图精确描绘了近岸地形——最早是黑海沿岸，并绘有“风向玫瑰线”。这些线条代表了通用的方向，并严格按照比例尺绘出，领航员可以比较准确地计算出两处风向玫瑰线交点之间的距离。航向航速盘用于确定船只的航线，它的主体是一块圆盘，中央有一根小钉代表船只的起点，周围则是一圈圈同心排列的小孔，盘上配有多个用线串联起来的小钉。假如船向西北航行了一段距离，领航员就会在圆盘上相应的位置插上一根钉子，船只航行的轨迹呈现为钉子间的连线，一目了然。要想知道船只航行的距离和速度，打结的绳子就派上了用场。绳子上的结是等距离排列的，末端绑着一根木棍。船员把木棍扔进水里，让它在船尾漂浮，然后用沙漏测量一定时间内绳子放出了几个结，通过时间和距离计算得出航速。运用这3种工具，水手可以推测船只的位置，这种方法后来被称为“航位推算法”。虽然当时的导航技术原始而粗糙，但已经足以应付地中海和欧洲北部的近岸航行。不过，随着远洋航海兴起，水手需要更准确的方法来判断船只的确切位置。

让远航非洲得以实现的设备可能源自中国，把它带到欧洲的依然是无所不在的阿拉伯人。早期历史记载中断断续续地出现过它的身影，最初的一份记载来自一位英国云游修士，名叫亚历山大·内坎。1180年，从巴黎归来的内坎带来了一则新闻：据说有一种神秘的针会永远指向同一个方向。1269年，另一位云游修士，马里孔特的彼得，记述了他在意大利卢切拉围城战期间与安茹公爵共同完成的一系列实验，其中用到了一种名叫“旱指针”的工具。1270年以后，因托莱多星表而名望卓著的智者阿方索颁布法令，要求所有出海的水手携带这种指针。到了13世纪晚期，指南针已经传遍了地中海。原始的指南针仅仅是一根套在麦秆里的磁针，漂浮在装满水的碗里。不过1300年，意大利阿马尔菲共和国的水手为磁针绘制了一套盘面，标示出精细的方向，设计灵感正是来自风向玫瑰线。同时，罗盘还被装进了盒子里。现在，领航员测量航线的精度提高到了圆的1/32，方向也进一步细分成8个“主风向”，8个“半风向”和16个“1/4风向”。方向的标准化体系来自地中海水手的长期经验，这里的风向稳定而可靠。

罗盘对经济的推动作用怎么形容都不为过。大三角帆与横帆的组合、尾舵和罗盘彻底改变了航海业。13世纪初，一到冬天海面上便完全见不到船只，意大利的航海城市甚至立法禁止冬季出海。威尼斯的船队每年两次定期起航，开往地中海东岸。其中一次在复活节出发，9月返回；另一次则是8月出发，在异国的港口过冬，来年春天再返航。100年后，舰队离港的时间依然未变，但8月出发的舰队会在冬天越洋回到母港。借助罗盘，船只在阴云密布时也能辨别方向，日夜兼程。航行的班次翻了一番，船员得到了长期稳定的工作。投资者因此更安心也更慷慨，航班数量持续增长。君士坦丁堡陷落后，通往东方的商路被切断，人们不得不跨越大洋寻找新货源。正是这样的远航，让西方人发现了美洲。悬挂大三角帆的商船穿过多变的海风，抵达亚速尔群岛。从这里开始，稳定的信风鼓动横帆，将商船送到加勒比海域，水手升起三角帆，寻找机会靠岸。返航也遵循同样的流程，一路上无论天气是好是坏，指南针总能告诉人们目的地在哪个方向。

传说哥伦布在第一次穿越大西洋时，发现指南针其实并不可靠。1492年9月，哥伦布抵达加勒比海附近时，恐慌开始在船员间蔓延：有人发现，指南针偏离了北极星的方向。这种现象当时从未有人见过。16世纪初，返航的哥伦布船队带回了指南针出现异常的消息，这立即引起了人们的担忧。如果指南针不可靠，那么投资远航的风险就会大大增加；英国、西班牙和葡萄牙正在崛起为海上帝国，他们的经济命脉越来越依赖足够准确的导航技术。

当时的英国是整个欧洲最有活力的越洋帝国。顺理成章地，英国人率先通过实验找出了指南针异常的原因。1581年，伦敦的罗盘制作者罗伯特·诺曼进行了一系列实验，并将实验结果写成了《新引力》一书。诺曼把磁针和不带磁性的针分别放在盛有水的碗里，结果出乎他所料，磁针指着的并不是正北方。他还注意到，磁针向北的那头微微沉进了水里。当时人们尚不知道，地理北极和地磁北极并不重合，要想让磁针指向正北，你必须位于地磁北极所在的经线上，而在其他地方，磁针的指向总会或多或少有所偏差，偏差大小取决于你所处的位置。诺曼的发现吸引了威廉·吉尔伯特的注意，他生活优裕，是英国皇家内科医学院的院长，也是伊丽莎白女王的私人医生。

1569年，25岁的吉尔伯特在剑桥大学获得了医学博士学位，次年他来到伦敦，很快就在首都的上流社会里闯出了名头，成为许多高官望族的私人医生。1600年他进入宫廷的时候，英国已经经历了两任统治时间长达数十年的君主——亨利八世和他的女儿，“童贞女王”伊丽莎白一世。当时的英国对外所向披靡，内部也很安定，而后者多亏了王室对秘密警察的审慎运用。亨利八世解散了修道院，海外贸易也飞速扩张，英国进入了繁荣期，在这样的环境下，只要勤奋工作、嗅觉灵敏，无论你梦想成为什么样的人，几乎都能实现。用今天的话来说，整个社会都在向上流动。如果你恰好有点钱，又明智地投资了那些处于上升期的产业，就大可高枕无忧，悠闲地鼓捣自己的爱好。大部分上层中产阶级和贵族选择了打猎，而吉尔伯特则开始解决罗盘指针之谜，他将在这个问题上花费18年时间。

作为一名医生，吉尔伯特极富科学素养。少年时期吉尔伯特便耳闻目睹许多重大的航海发现，他是弗朗西斯·德雷克爵士 的好友，同时一直与英国和欧洲大陆的科学“激进分子”保持通信。在剑桥学习期间，他想必读到过前人关于具有神奇疗效的天然磁石的文献。天然磁石正是指南针磁性的来源，不过吉尔伯特一直对“神奇疗效”这部分嗤之以鼻。所以，他花了18年时间，殚精竭虑，研究神秘的磁石。吉尔伯特把天然磁石磨成一个个小球——他称之为“小地球”——然后用它去接触各种材料，例如金属、木头、水、琥珀和磁针。所有实验结束后，吉尔伯特于1600年出版了一本总结性的著作《论磁石》，这本书一出版便大获成功，短短几年内就传遍了欧洲。除了自己的实验以外，吉尔伯特还汇总了当时对磁力的认识。他得出了重要结论：地球本身是一个巨大的磁体，有南北两个磁极；地球绕地轴自转，同时围绕太阳在太空中公转。吉尔伯特指出，正是磁场的存在才让地球上包括大气在内的所有东西停留在现在的位置，而不是飞散到太空中去。他还重申了前人的观点：某些东西在摩擦后会产生磁性。此外，他轻描淡写地说，如果磁场维持大气的理论成立，那么行星之间应该没有空气。

吉尔伯特的结论清晰有力，欧洲各地的人们纷纷着手验证这一理论。结论中还有另一个引人遐想的部分：真空，虽然他的原话是“没有空气”。但是，根据亚里士多德的理论，真空根本不可能存在。亚里士多德曾说，“自然界厌恶真空”，他认为物体在空气中运动是因为存在一种“推动”。空气从物体前方移动到后方，物体由此被推动着前进。同时他又认为，介质对运动有阻碍的作用，因此，空气越稀薄，物体穿行就越迅速。依这套理论，既然真空中的物体不会遇到任何阻力，那么它的运动速度将达到无穷大。亚里士多德不接受“速度无穷大”的概念，所以他得出结论，能实现速度无穷大的条件不会被满足。

研究吉尔伯特理论的主要是军队工程师，他们正在钻研火药的新应用，以及增强火炮威力的办法。其中有一位名叫奥托·冯·居里克的德国工程师，他出生于《论磁石》出版后两年。居里克在荷兰莱顿大学（这所学校是政府为了表彰莱顿市民英勇抵抗侵略、守卫了城市而建立的）修完数学和法学课程的时候，欧洲人正兴致勃勃地尝试创造真空。1646年，44岁的居里克被选为马德堡市的市长，同时也因业余科学家的身份小有名气。1652年，神圣罗马帝国皇帝斐迪南三世来到位于如今德国南部的雷根斯堡，召集各位亲王、市长和主教共议国政。皇帝听说了居里克的研究，要求他演示。那年5月，居里克研制的真空泵给达官贵人们留下了深刻印象。这真空泵实际上只是对当时常见的灭火器稍加改动的产物，安装有一套阀门，能将各种容器抽空。一次实验表明，含有空气的容器比抽空以后的容器更重；另一次实验表明，只有球形容器才能被抽空，其他任何形状的容器都会向中心塌陷。被抽空的容器里出现了奇怪的现象：蜡烛熄灭，小鼠死掉，铃铛摇晃却没有声音。不过居里克的巅峰之作还得数马德堡半球实验。他把两个空心的黄铜半球合在一起抽成真空，然后驱赶两组各8匹马在两头用力拉。马奋力向前，却始终无法拉开黄铜半球。然后，居里克重新向球内注入空气，两个半球轻轻一拉就分开了。居里克证明了我们可以创造真空，而且真空拥有可怕的力量。斐迪南三世大受震动，他命令维尔茨堡大学的数学教授加斯帕尔·肖特记录这次实验。肖特出版了两本记述马德堡半球实验的著作，第一本发行于1657年。顿时，整个欧洲的学者都注意到了居里克的研究。

几年后，居里克的兴趣转向了吉尔伯特理论的另一个领域：磁。1663年之前的某个时间，他开始测试哪些物质在摩擦后会产生吸引力。硫黄是其中一种。居里克把碾碎的硫黄倒进一个玻璃球里，加热熔化硫黄，待其冷却后敲碎玻璃，就得到了硫黄球。接下来，他用一根棍子穿过硫黄球，把棍子横置在安有传动装置的支架上，转动支架的手柄，让硫黄球高速转动。居里克用手摩擦飞转的硫黄球，片刻之后，这个球就会开始吸附羽毛、亚麻线、水等各种东西。于是居里克得出结论，正是这种引力让被抛向空中的物体落回地面。然后，他又做了一个实验。他在黑暗中摩擦飞转的硫黄球，看见它开始发光，光芒弥散开来好几英寸，将他的双手笼罩其中。在居里克看来，这种光不过是磁力的另一种古怪特性，硫黄球在摩擦时产生的轻微爆裂声也是同理。1672年，他出版了《新马德堡实验》一书，归纳了他的实验结果，书里只有一小段文字提到了硫黄球。不过，这一小段文字已经足以触发接下来100年的新发现。

变革的历程中总有一些关键的时刻，未来的可能性突然成倍地涌现出来。居里克的著作就是其中之一。他的真空泵促使人们开始研究气体的成分，尤其是空气，于是氧气被发现，由此人们顺理成章地开始研究燃烧过程；对呼吸系统疾病的研究和元素分析也随之开展。真空泵还帮助人们解决了矿井的排水问题，促进了冶金术，尤其是炼钢业的发展。对气体的研究还将激发科学家去探索光在不同气体中的传播，继而发现阴极射线，然后在此基础上发明电视机。居里克的硫黄球实验影响更为深远。他在实验中看到的光、听到的爆裂声都来自电，我们无须再赘述电促成的诸多发明和发现。

居里克硫黄球实验最隐秘的影响或许是它深化了人类对天气的研究。数百年来，人们一直在探究雷和闪电的特性。英国撒克逊时代的传教士比德曾经推测，闪电由云摩擦产生，雷则是云团碰撞发出的声响。中世纪人们还有一种习俗，雷雨时要去敲响教堂尖塔上的大钟，希望赶走雷电，结果害得无数敲钟人触电伤亡。事实上，直到1786年，巴黎最高法院还颁布了一条法令来制止这种行为，因为此前的33年里发生了386起记录在案的雷击事件，至少有103个倒霉蛋被电死在湿漉漉的钟绳旁。居里克实验之后的30年内，人们开始把静电和闪电联系起来。1708年，英国的华尔博士写道，电“似乎和雷声和闪电有一些相通之处”；1735年，另一位英国人斯蒂芬·格雷尝试测量这种神秘的力量能沿着一根绳子传多远，最后他也得出了同样的结论。

不久，人们留意到了雷电对遍布欧洲的火药库存在着潜在威胁。一场争论即将爆发，探讨这种威胁究竟该采取哪一种办法来化解。争论的源头是一位当时默默无闻的波士顿人，他是一名煮皂工的第15个孩子，名叫本杰明·富兰克林。1750年，富兰克林给英国皇家学会写了一封信，阐述自己的电学理论。他写道，电分为正负两种。电之所以会像人们已普遍观察到的那样，从一个地方流向另一个地方，是因为呈负电的物质总会被呈正电的物质吸引，要回归自然状态下的平衡。富兰克林宣称，正是因此，电流一定会被呈正电的铁棍吸引走，离开它原本会经过的那些或许更危险、更脆弱、更昂贵的东西。他提议用教堂的尖塔验证自己的理论。皇家学会对此嗤之以鼻，所以富兰克林决定自己动手。他本打算借费城的教堂尖塔一用，结果教堂迟迟没能落成，于是，富兰克林做了如今闻名世界的风筝实验。他在风筝上绑了一根铁丝，然后把风筝送入雷雨云吸引雷击。1753年，风筝实验后第二年，富兰克林的实验数据发表在《穷理查年鉴》上。1760年，英国安装了第一根避雷针。

1769年，意大利北部布雷西亚的一座火药库发生爆炸，大约17.5万磅火药被雷电引爆，摧毁了半径639英尺范围内的190幢房屋。于是，安装避雷针成了政府议题。布雷西亚政府请求皇家学会帮助他们避免悲剧重演，为此成立了一个委员会，富兰克林名列其中。避雷针是应该像富兰克林主张的那样安装在屋顶，还是应该装在房子周围？人们为这个问题举棋不定。最后，考虑到富兰克林是革命党人，英国人抛弃了他的建议，把避雷针安装在房屋周围。整个欧洲竖起了无数避雷针，1778年，巴黎甚至出现了专为女士设计的避雷帽。

接下来的两件大事促使人们开始科学地研究气象。其一是1793年的英法战争，在暴风雨中，军舰有时不得不在战局关键时刻离开指定的位置，以免被雷电击中引起爆炸，以致造成战术上的混乱。英国海军部成立了专门的委员会，商议出解决方案：在船的桅杆上安装铜条，再用导线将铜条与船壳上的金属部件连接起来；更重要的是，所有船只回港后必须立即汇报海上的风暴活动。其二则是，继1783年法国中部的两位造纸商孟戈菲兄弟完成了热气球的飞行试验之后，1803年7月，法国科学家艾蒂安·罗伯逊和音乐教师罗伊斯特先生乘坐一个退役的军用热气球从汉堡升空，最终飞到了离地2.3万英尺的高度，这是一个惊人的成就。高空中，罗伊斯特的头肿胀起来，甚至连帽子都戴不上了。不过，这两位勇士仍然证明了人类可以活着到达风暴诞生的高度。随后人们继续进行了许多飞行活动，将空气采集器、气压表、温度计、罗盘、望远镜以及其他各种有助于观察天气的设备——乃至活的动物——送上了天。到了1823年，英国皇家气象学会已经初具雏形，观察天气成了一项公共服务事业。1854年11月14日，一场飓风袭击了停靠在克里米亚的法国精锐舰队，满载船员的“亨利四世”号在风暴中沉没。军部向时任法国天文台台长勒韦里耶求助，询问是否有可能建立一套天气预警系统，避免悲剧重演。第二年的2月16日，勒韦里耶向皇帝汇报，如果能建立一套网状的气象站系统，就能预报天气。他的建议次日就得到了皇帝的首肯。2月19日，勒韦里耶代表皇家科学院提交了一幅当天上午10点的法国气象地图，图上的数据来自分布于全法国的10个观察站。人们随即设想将气象地图出版。1861年，弗朗西斯·高尔顿编撰的第一本气象地图册在英国出版，这时候的气象地图已经和现代的非常相近了。

19世纪末，欧洲和美国东部各地的山顶上建起了大大小小的气象站，为新兴的天气预报提供信息。1883年10月18日，在英国最高峰——苏格兰的本尼维斯山上，《泰晤士报》的记者撰写了一篇报道：

诸位女士和先生在本尼维斯山下威廉堡的亚历山大酒店集合，然后或步行，或骑马，沿一条小道前往山顶……卡梅隆·坎贝尔夫人骑着一匹小马在前面领路，在她前面的风笛手一路吹奏着《洛希尔去了法国》……离山顶还有很远，但眼前仿佛是北极的景象——山顶积雪足有两英尺深，狂风不时扑面而来，空气寒冷刺骨。建筑师前来迎接坎贝尔女士，并把气象站大门的钥匙交给了她……我们的队伍得到了热情的迎接，屋里有温暖的炉火和热茶。

苏格兰气象学会的艾宾格尔爵士在仪式上宣布，英国的这座高山气象站将和美国、法国的气象站连成一体，从此我们可以定期预报极广大范围内各地的天气。本尼维斯气象站就此正式启用。

多年以后，这座气象站里发生的一件事将最终促成某个新发明，而后者将对现代世界的所有生物带去至为深远的影响。气象站由于资金不足，会在正式员工休假时雇大学生来担任临时观察员。1894年9月，剑桥大学年轻的物理学研究生C. T.R.威尔逊在这里做了两周的假期工。一天清晨，刚过5点，威尔逊在每小时一次的常规观察中发现了一个奇特的现象。后来他回忆道：“起初，山峰投在围绕山腰的云海上的影子一直延伸到了西方的地平线上。随着太阳升起，影子外缘迅速向东移动。就在这时候，影子尽头的云面上出现了模糊的光晕，是一种暗淡的彩色同心圆弧……我很好奇，决心在实验室里重现这一幕。”威尔逊观察到的光晕是一种光学现象，即“佛光”。如果观察者的影子投射在山谷的云雾之上，也会出现同样的景象：影子的头部仿佛笼罩了一层光环，光环由2到5种颜色组成，按光谱排列，偏红的色带位于外侧。

威尔逊回到剑桥以后，开始尝试人工造云。为此他设计出了一种名为“云室”的装置。云室的基本原理是，降低潮湿空气的气压，空气中的水就会凝结成云。云室由一个装有活塞的玻璃容器和一个玻璃球组成，二者通过阀门连接在一起。在阀门关闭状态下，将玻璃球抽真空，再将湿润空气注入活塞上方的玻璃容器。这时，打开玻璃球与玻璃容器底部之间的阀门，活塞下方的空气就会涌向玻璃球，在1/100秒内拉动活塞快速下降。而在活塞上方，突如其来的降压会让潮湿的空气凝结成云。当时人们普遍认为，水凝结成云是因为空气中的液滴以细小的尘埃为核心汇集起来，最终导致降雨。有一天，威尔逊用电荷吸走了容器里所有可能存在的尘埃颗粒，让容器内部达到绝对无尘，却发现水汽依然可以凝结。经过好几个月的试验，威尔逊得出结论：水汽的凝结与灰尘完全无关；但容器内的气压下降得越快，最后得到的云雾就越浓重。结合这两种现象，威尔逊推测，凝结一定与某种小得无法探测的粒子有关，但他暂时放下了这项研究。威尔逊万万没料到，他在云室里制造出的细小云带是科学发展历程上的一颗定时炸弹，多年后它爆炸的威力将震撼整个世界。

威尔逊回过头去研究自己最初的心头好：天气。1896年，他运用刚刚发现的X射线在云室中造云，最终得出结论：液滴的凝结核是离子。X射线剥夺了行进路线上原子的电子，生成了这些带正电的离子。现实的云层中也会发生类似的现象，威尔逊由此推测：之所以会产生闪电，是因为云层内部存在巨大的电势差，云层顶部的原子仍然带正电荷，底部的雨滴却携带负电荷。从1920年到1925年，威尔逊完善着自己的闪电生成理论，同时联系了另一位剑桥学者爱德华·阿普尔顿。威尔逊曾经设计过一些实验来测量闪电发生区域的磁场强度，阿普尔顿对此很感兴趣，因为他正在研究无线电的天电干扰——暴风雨来临时，收音机里会传出噼啪的杂音，这就是天电干扰造成的。威尔逊还联系了罗伯特·沃森－瓦特。瓦特从1919年起担任英国皇家航空研究院的首席气象学家，他一直在尝试利用无线电定位风暴。1924年12月，阿普尔顿终于发现，大气中的电离层——这层大气现已被命名为“阿普尔顿层”——会反射无线电波，测量电波发射与反射之间的时间差，就能计算出天线与电离层之间的距离。沃森－瓦特改进了阿普尔顿的方法，利用无线电收发器，他甚至能够准确测算风暴的方向和距离。1935年4月2日，沃森－瓦特获得了无线电探测和测距设备（雷达）的专利，这种技术可以用来探测飞行器的位置。

第二次世界大战期间，雷达广泛用于定位飞行器和风暴。1945年8月6日，美国空军起飞执行任务的那架B-29上就搭载着雷达。除此以外，那架轰炸机上还装载着威尔逊的云室带来的另一个副产品。1912年，威尔逊拍摄了一些射线穿过云室液滴留下痕迹的照片，还把照片给剑桥大学的同事、研究原子物理的欧内斯特·卢瑟福看过。照片上除了一条较粗的痕迹外，在某些位置还有一些较细的痕迹沿着切线方向偏出；卢瑟福一见就激动不已。这些照片证实了他在近一年前做出的推测：α粒子撞击原子时会发生散射。

威尔逊的云室被卢瑟福誉为“整个物理学史上最新颖的设备”，它让物理学家可以直观地研究原子在遭受轰击时的行为。云室帮助物理学家实现了人工原子裂变，最终制造出了1945年飞往广岛的那架“艾诺拉·盖”号B-29型轰炸机携带的武器：人类战争史上的第一颗原子弹。 d/ifO46DYJqqIsFTLDvyu5AowkKz3Rl1np2hik2v6tYuQsJVfRkPQNZD40AyKFeV