下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
咖啡是一种风靡全球的珍贵商品。如何从貌不惊人的咖啡豆中提取精髓永远是鉴赏家争论的焦点，争论有时甚至会上升到个人品位的高度。不过，我个人并不关注咖啡豆的烘焙方式和浓缩咖啡机的压力大小，我感兴趣的是溅到杯子外面的咖啡。
日常生活中充斥着这样的小意外，谁都不会多关注半分。硬质表面上的咖啡渍看起来毫不起眼，只是一摊水滴状的液体而已。但是等它干了以后，你会发现咖啡渍外沿形成了一条褐色的线，就像20世纪70年代的侦探剧里画在尸体周围的轮廓线。咖啡刚溅出来的时候当然是完整的一摊，但是在蒸发的过程中，所有褐色的物质不约而同地向外侧移动了。紧盯着一摊咖啡等它干掉就和盯着一幅水彩画等它晾干一样无聊，就算你目不转睛地盯上半天，也很难看出其中的奥妙。让咖啡汇聚成线的物理机制只在极小的尺度上起效，因此不可能用肉眼直接观察到，但我们可以看到它造成的结果。
如果在显微镜下观察咖啡液滴，你会看到水分子正在乐此不疲地玩碰碰车，庞大的褐色咖啡粒子就夹杂在这些分子中间。水分子之间的引力很强，如果有某个分子向液面外凸出了一点，其他分子立即会把它拉回大家庭里。这意味着水形成的液面就像某种弹性薄膜，下方的水一直在向下拉扯它，所以液面永远是光滑的。液面的这种弹性就是“表面张力”，稍后我们会详细介绍这个概念。而在液滴边缘，液面光滑地向下弯曲，与桌面相交，维持着液滴的位置和形状。但是，房间里相当暖和，时不时有某个水分子离开液面，以蒸汽的形式上升到空气中。这个缓慢的过程叫作蒸发，蒸发出去的只有水分子。咖啡的微粒不会蒸发，只能留在液滴里。
随着越来越多的水分子蒸发到空气中，奇妙的事情发生了。液滴的边缘在桌上是固定的（原因我们稍后会解释），而且边缘处水分子蒸发的速度比其他位置快得多，因为这里的水分子接触空气的机会更多。就算你能说服和你一起喝咖啡的朋友盯着咖啡滴等它变干是最新的潮流，你也看不到液滴里的物质在一刻不停地运动。液滴中央的咖啡必须不断向外移动，去补充边缘处蒸发掉的水分。水分子裹着咖啡粒子向外运动，等到水分蒸发以后，无法蒸发的咖啡粒子就留了下来。在这个过程中，所有咖啡粒子都慢慢被搬运到了液滴边缘，等到水分子彻底蒸发，留下来的就是一圈褐色的轮廓。
我对这个过程如此着迷，主要是因为它就发生在我的眼皮底下，但是这太微观了，我们看不到最有趣的细节。微观世界对我们来说完全是另一个世界，那里另有一套运转规则。你很快就将看到，我们熟悉的一些力在微观世界依然有效，比如重力，但在那个世界里，分子之舞产生的另一些力也扮演着相当重要的角色。如果能够深入微观世界，你会看到一些非常奇怪的现象。最终你会发现，主宰微观世界的规则其实能够解释宏观世界里的很多事情，比如牛奶上漂浮的那层奶油去了哪里，比如镜子为什么会起雾，比如树如何吸收水分。我们将学会利用这些规则改造宏观世界。除此以外，我们还将看到这些规则如何帮助我们改进医院设计，完成新药测试，拯救成百上千万条生命。
●
要对微观世界产生兴趣，首先你必须知道它的存在。不过，如果不知道有微观世界，你又怎么会去探寻它呢？这可真像第22条军规的悖论。
1665年，一本书的问世改变了这个局面，这就是有史以来第一本科学畅销书：罗伯特·胡克的《显微图集》（Micrographia）。
罗伯特·胡克是英国皇家学会的实验管理员。他是一位通才，精通当时已知的各个学科。《显微图集》是胡克专为显微镜编撰的推广材料，他想让读者看到这种新设备的巨大潜力。这本书赶上了好时代。那个年代实验科学盛行，人们对科学的理解一日千里。数百年来，镜片一直没有得到主流科学界的重视，它更像是某种新奇的小玩意儿，而不是科学工具。但是，随着《显微图集》的出版，镜片迎来了春天。
这本书的精彩之处在于，它不仅仅是在严肃性和权威性上沾了英国皇家学会的光。单从内容上说，它也是一本分量十足的科学著作。《显微图集》图片精美，介绍详尽，编撰严谨，品质精良。但是从本质上说，罗伯特·胡克所做的和任何一个第一次接触显微镜的孩子没什么两样，他把周围的一切事物都放到了镜头下面。我们可以在这本书里看到各种物品的显微照片，从剃刀刀片到荨麻刺，再到沙粒、烧焦的蔬菜、头发、火花、鱼、蠹鱼
和丝绸。显微镜所揭示的细节令人震惊。谁知道苍蝇的眼睛竟然那么美丽？不过，在仔细观察之余，胡克并未深入研究微观世界。他在书中某一章谈到了常见的尿路结石，并初步提出了治疗这种痛苦疾病的方法，但他没有进一步探讨，而是高高兴兴地把实际的工作推给了别人。
因此，这或许值得探究：含有碎石的尿液中是否存在其他物质，能让这些固体再次溶化到尿液中去？从图片上看，这些碎石似乎正是从尿液中凝结出来的……不过，这个问题应该留给医生或者化学家，我还是接着往下讲别的好了。
于是，胡克又描绘起了显微镜下的霉、羽毛、海藻、蜗牛的牙齿和蜜蜂的蜇刺。他还创造了“细胞”这个词，专指软木塞的基本组成单位。从此以后，生物学成为独立的学科。
胡克不光为我们指出了通往微观世界的道路，他还直接推开了那扇大门，邀请所有人加入这场盛大的派对。接下来的几百年里，《显微图集》启迪了好几位最负盛名的微生物学家，也在时尚之都伦敦掀起了科学的热潮。微观世界的迷人之处在于，这个精彩的国度一直在那里，但人类对它一无所知。现在我们发现，绕着腐肉嗡嗡飞行的烦人苍蝇原来是微型的怪兽，它长着毛茸茸的腿、圆鼓鼓的眼睛和坚硬的刚毛，浑身披着闪亮的铠甲。这真是个令人震惊的发现。在那时，航海家已经走遍世界，发现了新大陆和新人种，远方仍有大量惊喜等待人们。但是谁都没有想到，我们竟然错过了眼皮子底下的这么多精彩，一小撮肚脐绒毛里就可能藏着一个小世界。面对毛茸茸的跳蚤腿，最初的惊奇退去以后，人们便开始探索背后的科学。微观世界自有运转规则等待人们来了解。人类开始利用显微镜研究一些多年前就已发现却一直没找到确切原因的现象。
不过，这仅仅是我们迈向微观世界的第一步。《显微图集》出版二百多年后，人类才首次确认了原子的存在。原子的个头比细胞更小，胡克描绘的软木塞细胞，其长度大约相当于10万个原子排成一条线。正如著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在多年以后所说的，没有最小，只有更小。人类在中等尺度的世界前行，无法触摸构建世界根基的微观结构。不过，在胡克的《显微图集》出版350年后，事情有了转机。原来的我们只能远远地观察那个微观世界，无法触碰任何东西，就像在博物馆橱窗外张望的孩子一样。而现在，我们正在学习如何操纵微观尺度上的原子和分子。橱窗外的玻璃被拆掉了，我们走进那个世界，“纳米”逐渐成为潮流。
微观世界之所以迷人且蕴藏实用性，关键在于这个尺度占据主导的物理学规则与宏观世界完全不同。人类完全不可能做到的事情或许正是跳蚤的生存技能。当然，所有物理学规则在微观世界和宏观世界都同样有效，跳蚤和我们生活在同一个物质世界中。只是两个世界里占据主导地位的力大不相同。
影响宏观世界的物理因素主要有两种：第一种是重力，它向下拉扯所有事物；第二种是惯性，由于我们的体积相对庞大，所以无论是加速还是减速，我们都需要消耗大量的力。不过，随着尺度的不断缩小，惯性和重力所关联的拉力也会变小。最后我们发现，那些原本一直存在，但在宏观世界里无关紧要的弱小的力逐渐拥有了与重力和惯性竞争的实力，甚至开始占据上风，比如让咖啡在干涸过程中形成轮廓线的表面张力，还有黏性。正是由于黏性的存在，你的牛奶瓶里那层漂亮的奶油才会消失。