序

20世纪80年代中期，我还是一名年轻的学生，那时我读了一本名为《承认奇迹》（ Acknowledge the Wonder ）的书，作者是英国物理学家尤安·斯夸尔斯（Euan Squires）。这本书讲的是基础物理学（当时）的最新观点，近40年过去了，它仍在我的书架上有一席之地。虽然书中的一些内容现在已经过时了，但我一直很喜欢它的标题。在人生的某个时刻，当我考虑从事物理学研究时，有机会在物理世界中“承认奇迹”是激励我投身于科学事业的真正原因。

人们对某一学科产生兴趣的原因有很多。在科学研究领域，有些人会享受爬到火山口或蹲在悬崖边观察鸟类筑巢带来的刺激感；有些人喜欢通过望远镜或显微镜窥视我们有限的感官无法直接感受到的世界；有些人在他们的实验室工作台上通过设计巧夺天工的实验来揭示恒星内部的秘密；有些人会使用巨大的地下粒子加速器来探测物质的基本组成；有些人研究微生物的基因，这样他们就可以开发出保护我们免受疾病伤害的药物和疫苗；有些人精通数学，他们写出凌乱、抽象却又美丽的代数方程，指导超级计算机模拟地球天气变化、星系演化或者我们体内的生物过程。科学是一项伟大的事业，你目之所及的每一个角落都迸发着灵感、激情和奇迹。

但是，“情人眼里出西施”这句古老的谚语不仅适用于科学，也适用于我们的生活。我们对某些迷人或美丽事物的欣赏其实具有高度主观性。和其他人一样，当面对新的主题和新的思维方式时，科学家也会有望而生畏的感觉。如果你在缺乏合适引导的情形下贸然接触某个新知识领域，它会显得非常不可捉摸、让人无法亲近。然而我的观点是，如果努力尝试，我们几乎总是可以更好地理解一个曾经对我们来说莫测高深的想法或概念。只需要保持视野和思想的开放，花点必要时间吸收和消化知识，我们就能做到——不一定能达到专家水平，但足以让我们理解想要知道的事情。

让我们以彩虹这个自然界中最简单又常见的现象为例 ^[1] 。我们都同意彩虹是一种迷人的景象，如果我向你解释形成彩虹的科学原理，它的魅力是否会减弱？诗人济慈曾声称，牛顿“将彩虹还原为光谱，从而摧毁了彩虹的所有诗意”。在我看来，科学不仅不会破坏它的诗意，反而提高了我们对自然之美的感受。这取决于你怎么想。

彩虹来自阳光和雨水的结合，它背后的科学原理的美妙程度丝毫不亚于这一景象本身，也就是我们在雨后看到的那道奇异彩色弧线。“破碎的”阳光构成了彩虹的主材料，阳光对亿万滴雨水的撞击则构成了彩虹的主要加工过程。当光线进入每一颗小水滴时，组成阳光的所有单色光会放缓并以不同的速度传播，弯曲并彼此分离，这一过程被称为折射。然后它们在水滴的背面反射，离开水滴时穿过水滴正面，又发生第二次折射，最终展开形成彩虹。如果我们测量阳光和从雨滴中折射出不同颜色的光线之间的角度，会发现它们之间的角度从40度到42度不等，其中紫光的折射率最大，因此构成了彩虹最内侧的颜色，红光的折射率最小，因此构成了彩虹外边缘的颜色（如图所示）。

更令人感到惊奇的是，这条碎裂阳光的弧线实际上只是一个圆的上端部分——你可以把从你眼睛到彩虹之间的光线想象成一个圆锥体，圆锥体的尖端位于我们的眼睛。因为我们站在地面上，只能看到圆锥的上半部分。但是，如果我们能飘到天空中，就会看到整个彩虹是一个完整的圆圈。

你无法触摸彩虹，它没有实体，它也不存在于天空中任何特定位置。彩虹是自然界与我们的眼睛和大脑之间无形互动的结果。事实上，没有两个人会看到相同的彩虹。我们看到的彩虹是那些光进入我们每个人眼睛后形成的，所以每个人体验到的都是他自己独特的彩虹，这是大自然为我们创造的，而且只属于我们自己。对我来说，这就是科学带给我们的快乐：对世界有更丰富、更深刻，甚至更私人的认识，如果没有科学，我们就不会有这种感觉。

图解彩虹

彩虹不仅仅是一道美丽的色彩弧线，就像科学不仅仅是确凿的事实和批判性思维一样。科学帮助我们更深刻地看待世界，让我们更开明也更充实。愿这本书可以把你带入一个光与色、真与美并存的世界——只要我们都保持开放的视野和思想，相互分享我们所了解的事物，这个世界就永远不会褪色。科学拉近了世界与我们之间的距离，我们越是从近处看，能看到的就越多，想知道的也就越多，我希望你们能和我一样，承认科学的奇迹和乐趣。

[1] 在此处我援引彩虹的例子，其实是其他科学作家常用的做法，如卡尔·萨根（Carl Sagan）的《魔鬼出没的世界：科学，照亮黑暗的蜡烛》（ The Demon-Haunted World: Science as a Candle in the Dark ）和理查德·道金斯（Richard Dawkins）的《解析彩虹：科学、虚妄和对奇观的嗜好》（ Unweaving the Rainbow: Science, Delusion and the Appetite for Wonder ）中都曾出现过彩虹的例子。我希望对这些书非常熟悉的读者为对这个例子仍感新鲜的新读者考虑，能够体谅我遵循这一“传统”的做法。——作者注（以下如无特殊说明，脚注均为作者注）