起点

在过去的几个世纪里，我们发现了自然界的许多奥秘。可这些是怎么被发现的呢？一个苹果无法告诉你为什么被放开后它会掉下来，天空也无法回答你为什么它是蓝色的。要了解自然的运作规律并揭示它的秘密，你必须对宇宙进行非常系统的研究。大自然在各种条件下（普通或极端）都有什么样的规律？在所有细节中，我们观察到了什么现象？

这时，你可不能坐那儿干等着大自然给你提供信息，而是要卷起袖子，以可控的方式创造各种条件。这就是实验：一种让大自然告诉我们关于其运转规律的方法。实验会产生大量的事实，我们可以对其进行记录和分类。实验往往告诉我们，无论乍看起来多么复杂的自然现象，都可以追溯到少数看似简单的基本原理。为了找到探索大自然严格遵守的更深层规则和定律，你必须能够分辨收集到的事实中存在的各类规律。孩童在试图理解周围的世界时几乎本能地使用了这一策略：如果我用毡尖笔在墙上画画，我的父母会有何反应？如果在超市排队时我突然大声尖叫，会发生什么事？如果我把手指放在火焰里，就真的会受伤吗？

尽管父母可能会以各种方式做出反应（这一点我很有经验），但大自然的反应会遵循牢不可破的规律。这些规律和自然定律向我们提供了有关自然运转的信息，并且它们具有普适性。一旦你弄清楚大自然的运作方式，就可以预测它在未来和其他情况下的行为方式，这就是多年来我们逐渐深入了解这个世界的方法。

在科学道路上取得进展并不像过去某些时候那样容易，显而易见，受到一股不可抗拒的冲动驱使，科学家几乎总是在未知领域寻找答案，甚至根本不知道答案是否存在。真正的科学进步是突飞猛进的。大多数时候，我们是一小步一小步地向前走，但偶尔也会突然向前迈出一大步。在这种时刻，我们一般会发现深层的机制，并找到一套更基础的定律。而最初的欢欣过后，我们开始小心翼翼地接受这个新的现实，踏入这个新的世界。当我们这样做时，就会发现在新世界里我们能一次又一次地观察到新现象。这种突破可能来源于某些天才的新见解，也可能仅仅是偶然的发现，或是一种新的实验技术带来的结果，因为这种技术能让我们以完全不同的方式研究大自然。显微镜的诞生就是一个很好的例子，这种新技术揭示了即使是一滴水这样简单的东西中都存在许多生命机制，从而向人们展示了一个隐藏的世界。

这项发明是医学向前迈出的关键一步。这种类型的发现揭示了大自然更深层的秘密，带领我们从理解“怎么样”直接跳跃至发掘“为什么”，因为我们学会了用刚发现的新定律来理解之前观察到的奇怪现象，但这并非它所有的贡献，它还经常帮助我们将之前认为完全不相关的两种现象联系起来。

在开始探索基本粒子的抽象世界前，我想举几个例子来说明我们是如何说服大自然吐露秘密的。有时容易，有时难，但每个例子都表明，理解这些自然现象的动力，既不可逆转地改变了我们对自然的理解，又产生了现代社会赖以生存的知识。在本书后面的章节里，我们的主旨是逐步挖掘基本粒子的世界。每当我们学习某个新见解或发现时，无论它多么抽象或基础，我都会向大家展示它的实际应用，因为这些应用已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分。因此，我们会发现，基础研究不但使人们对自然运转有了更深刻的认识，而且对经济和社会产生深远的影响。

踏上自然探索之旅意味着要做第一个吃螃蟹的人，所以你肯定会遇到很多意想不到的、尚未有解决方案的问题。例如，无论你能建造多么坚固的桥梁，一旦你想知道海的另一边有什么，那你就只能造一艘船。有时候，并不是努力就能引领进步，而是需要一个巧妙的点子。想要了解一个围墙封闭的区域内有什么，如果用锤子和凿子在墙上凿，你可能需要几年工夫，但聪明的做法是搭一个梯子。这一切看似简单，因为我们已经知道如何解决这些特殊的问题，但想象一下，第一个提出这些想法的人是如何想出来的呢？

简言之，科学家是真正的冒险家。他们可能不会成为百万富翁，但想想第一个登上珠穆朗玛峰或登上月球的人；或者，在我自己的领域里，想想那些最初发现自然界基本构成要素的人，他们揭示了为什么宇宙中没有反物质；或者想想那些了解真空是真的空无一物，还是实际上充满了一种神秘的物质、一种赋予了所有粒子质量的物质的人。想想这些先驱者取得的成就和永恒的名声。

我从一位同事那里听到过一个很好的比喻，它很好地解释了科学家分辨自然规律和构建理论的挑战性。想象你现在是一个刚刚登陆地球的外星人，在这个令你感到处处是惊喜的星球上，你看到的几乎都是机会，但你决定系统性地从一些简单的事情开始。所以，你问自己：“这个星球上每个国家都在玩的足球，它的规则是什么？”这是一个明确的问题，似乎很容易回答。但有一个条件：你想看几场比赛就看几场，但你不能和任何人谈论或阅读任何关于这个主题的东西，你能做的只是看。花一分钟的时间去思考，然后问问自己要花多长时间才能想出一份完整的规则清单。

你可能很快就会发现，有两支11人的球队，整场比赛在最外围的白线之内进行，球员在45分钟后换边，比赛的最终目标是把尽可能多的球踢进对手的球门。但那两个球员是谁？他们每边一个，很少跑动，穿的衣服和他们的队友不一样，而且还被允许用手触球。你要花多长时间才能弄清楚那两个拿着小旗在足球场边跑来跑去的人在干什么，或了解什么是角球、越位、换人、一些比赛结束时突然的加时赛、赛场上奇怪的线条和点球等？想象一下，要发现所有的规则是多么困难，但即便如此，如果你动力十足并愿意投入大量的时间，这也不是不可能。科学家面临着同样的挑战，但这一次，赛场是我们身处的世界。大自然可不会“免费”泄露它的秘密。只有仔细观察，设计出正确的实验向大自然“提问”，我们才能弄清楚存在哪些现象。只有这样，我们才能逐步地破译自然界的法则。

顺便提一下，从来没有人说过规则必须合乎逻辑。事实上，自然定律并不符合日常逻辑，它俩并不是一回事。量子力学和相对论，我们将在本书中提及的这两个著名的理论，都非常奇怪。在某种意义上，你可以把它们比作足球中的越位规则。虽然很荒谬但真实存在，毕竟这只是比赛的方式。一旦你接受了这项规则，那么在逻辑上，只有某些进球才算数，有些则是无效进球。同样，相对论和量子力学等理论背后那些匪夷所思的原理完全是违反直觉的，可一旦你接受了，它们便能解释我们从原子尺度观察自然时看到的所有奇怪而复杂的现象了。理论是对的。但合乎逻辑吗？并不。

通过研究这些奇怪的理论，我们学会了如何在日常生活中应用它们。目前，纳米技术和量子计算领域的许多研究和进展，完全建立在量子力学这一独特的理论基础上。尽管根据该理论，许多实验结果和观察到的现象是“合乎逻辑的”（换句话说，它们可以用量子力学中的奇怪定律来解释），但地球上没有一个科学家能解释为什么世界会遵循量子力学定律。例如，一个粒子怎么可能同时处于两个地方，或处于一种在我们寻常世界中无法想象的纠缠状态？就像你不可能同时处于怀孕和不怀孕这两种状态，但在量子世界里，这种混合态却是非常正常的。

一个理论越成功，就越有助于我们理解这个陌生世界的规则和定律，但与此同时，无法解释逻辑框架的基本构成也令人十分沮丧。所以在这种情况下，我们已经从理解“怎么样”直接跳到发掘“为什么”：为什么世界会遵循量子力学定律？一旦我们迈出这一步，问题就从量子力学“如何运作”转移到量子力学“为什么能运作”。换言之，这就立刻引发了一个新的问题。可怜的科学家总是在追逐不断变化的目标。不过他们永不停歇的好奇心为社会带来了巨大的财富，因为由他们的工作产生的创见和应用已经成为现代文明的基石。尽管如此，如果你一直不停地问“为什么”，那么即使是地球上最聪明的科学家也会很快“哑口无言”。

在过去的100多年里，基本粒子物理学家一步一步地试图接近原子核的最深处。在冒险过程中，我们取得了一些重大进展，对宇宙中所有物质的基本构成要素、基本粒子以及自然界的基本力量，都有了更进一步的见解。我们完全有理由为此感到自豪。在深入研究基本粒子世界前，我想向各位展示一些我们人类已经学会操纵的简单自然定律，以及已经发现的自然规律。这三个例子表明，我们认为理所当然的一些事情其实没有逻辑基础，但却在纯基础研究产生的日常应用中起着至关重要的作用。头两个问题涉及电是如何产生的，以及遗传特征在人体内何处编码。

对当今社会繁荣以及人类生活方式的最大威胁之一就是能源短缺。这个问题其实我们不常思考，但目前西方社会对能源依赖程度很高，如果没有电，不到一天整个社会的运作就会完全停滞。试着想象一下，一个标准的工作日突然停电：没有闹钟，没有灯，没有咖啡机，没有汽车，没有电梯，没有自动取款机，没有电视，没有电脑，没有收音机，没有互联网，没有电话，也没有洗碗机。你可以清楚地理解为什么能源是公众和政治辩论的热门话题。本书并不会讨论这个复杂问题的所有方面，如：地球有限的化石燃料供应、紧张的地缘政治利害关系、二氧化碳排放、绿色能源以及核能争议等。这些学科的专家对这些问题的研究可以填满一整间图书馆，并且相关辩论仍在如火如荼地进行。而我，作为一名物理学家，在此处的工作是提出一个问题，一个在上述争论中起不到核心作用的问题，但我希望每个人都能回答：如何发电？例如，如何把一个普通的煤球（烧烤架上使用的那种）变成电流？之所以现在能做到这一点，要感谢大自然通过一个简单的现象向我们揭示了这个秘密。这个看似简单的自然现象从根本上改变了人类的生活和文明。

约150年前，詹姆斯·麦克斯韦成功地用四个著名的公式描述了所有已知的关于电磁的现象，后来这四个公式也一直沿用他的名字：麦克斯韦方程组。它们证明了磁场和电流密切相关，并且解释了极为复杂的电磁现象，包括迈克尔·法拉第早期发现的一种规律，这种规律也为人类发电提供了一种方法。

这听起来可能不是很来劲，但如果你拿出一个铜线圈，并使一块磁铁穿过它，磁场就真的产生了。磁场一开始是不存在的，当你把磁铁移到线圈的中心时，磁场会变得非常强，但当磁铁被完全移除后，磁场就消失了。这个过程中导线会产生电流。这是我能用的最简单的办法，而我也不能让它更复杂了。这就是发电的原理，无论是在自行车灯里，还是在最先进的核电站中。

当你骑自行车时，你为自己的车灯发电。轮毂发电机是一根长长的、卷起来的铜线，就像长铁丝整齐地缠绕在真空吸尘器的软管上。线圈中有一块磁铁，通过一个叫作滚轮的齿轮与轮子相连。当你踩踏板时，轮子转动，磁铁也转动。根据我们发现的自然定律，改变铜线圈中的磁场会产生电流，而电流确实也流过铜线圈。然后，电流通过一根细金属线传导到灯内，使其升温并开始发光。想不到吧，就一个自行车灯也这么神奇。当然，不是不让人们赞叹高科技能源巨头，只是一座大型燃煤发电厂的运作方式与此大致相同，也是一块磁铁在一圈铜线内旋转。唯一的区别在于磁铁如何移动。在自行车上，你通过踩踏板来让磁铁移动，而在发电厂里，这项工作由涡轮自动完成，这一点倒是十分稀奇。涡轮旋转是因为蒸汽用力推动叶片，而叶片通过齿轮箱与磁铁相连。那么我们如何制造蒸汽呢？通过加热容器中大量的水。那如何加热水呢？在容器下面烧一堆煤。就这么简单！

当然，成千上万的人每天都在努力工作，确保这个过程中的每一步在发电厂中尽可能高效，所涉及的步骤比我在此描述的要多得多，但我描述的是基本原理。核电站的工作原理几乎一样，唯一的区别在于水的加热方式。在核电站中，这项工作是通过分裂重原子核（如铀）时释放的粒子来完成的。风能发电的原理也相同：风吹动涡轮的旋转叶片转动铜线圈内的磁铁。

这是一个非常简单的原理，但通过改变磁场来产生电流对我们的经济是至关重要的。当法拉第第一次对此有所发现时，没有人想到它们会如何应用。据说，当时的英国财政部负责人威廉·格拉德斯通问过法拉第：“但，说到底，这有什么用？”站在他的角度，这个问题确实可以理解。时至今日，科学家每次申请研究经费时，仍然会被问到同样的问题。不幸的是，我们再也无法超越法拉第经典的答案：“为什么？先生，因为你可能很快就可以征税了！”那时，人们光是使用烛光就已经很满意了，所以把钱投进蜡烛行业，寻找更高效的生产方法或设计更好的灯芯看起来似乎更明智。然而现在回想起来，如果是这样的话，那么灯泡就永远不会被发明了。

尽管许多科学研究到最后毫无结果，但这确实是一个非常典型的例子，说明真正的创新往往不是事先计划好的。能够改变游戏规则的发明往往来自意想不到的地方。这对政治家和整个社会都是一个重要的提示：除了产业创新，我们还需要为自由和不受限制的基础研究创造足够多的机会，那么相关课题的申请肯定会随之而来。

对于物理学家来说，关注有关电动汽车和氢燃料汽车的公开辩论往往既令人着迷又令人沮丧。我们有时会感到很震惊，尽管科学家和制造商做了很多出于好意的努力，政治家和决策者却连最基本的科学事实都没搞懂。相关的讨论通常聚焦于遥远的未来场景，但只要政治家稍微懂一点技术，产生的影响可能会比世界上所有的科学报告都要大。诚然，特斯拉车不会在你驾驶时释放二氧化碳，但让我吃惊的是，几乎没有人会问电池的能量来自哪里。这种电池通过电源插座充电，而插座的电源来自一个产生大量二氧化碳的燃煤发电站。此外，电池是由重金属和具有极强腐蚀性的酸制成的，并不完全是理想的“绿色”技术。当然，从减少我们对化石燃料的消耗这方面来看确实不错，并且一个大型发电厂也比一千个独立的汽车发动机效率更高。你还可以用太阳能给特斯拉电池充电。尽管如此，电动汽车极其环保这一普遍认知还是有些夸大其词。

这类的辩论也在关于氢经济的话题中展开。这个想法是通过混合储存在不同罐子里的氢气和氧气，然后将它们作为燃料燃烧来发电。这个过程只会产生能源和水，无疑是清洁的。你可能会把它作为你的汽车的终极清洁燃料，但同样，有一个条件，在哪能找到纯氢和纯氧？你可能会从研究水入手，毕竟水由氧原子和氢原子组成。但要把两者分开，你需要能量，这和把它们结合成燃料的过程完全一样，只不过方向相反。那你又要从哪里找到分解的能量呢？毫无疑问，通常是一个大型燃煤发电站或核电站。

当然，也可以是风力涡轮机。不可否认，我们也可以利用绿色能源将氢和氧从水中分离出来。但我主要想表达的是，氢是一种能量载体，而不是一种能源。它确实有一些优势：新能源轿车或公共汽车行驶在市中心时不会释放二氧化碳或烟尘，而且它可以巧妙地储存涡轮机、太阳能电池和发电厂的多余能量供短期使用，但这并不是解决能源问题的办法。

不仅物理学家，许多领域的科学家都试图解释他们看到却不理解的无可争辩的现象。基础研究不仅给了我们电能，还带来了重大发现，这些发现现在是医学的核心。你系统地观察自然时，会发现这是一个数据宝库。有时，一旦你收集到足够的信息，你就可以分辨这些现象并获得更深入的见解。简化论的技术放大了构成事物的基本组成部分，这并不是物理学家的专属。举个例子，我们通过深入研究细胞的组成部分，发现了DNA和遗传信息的编码，这一发现对医学科学的影响超过了简化论的其他应用。

生物学家和农民早就知道动物和其他生物会把性状传至下一代。最著名的例子就是父母和孩子眼睛的颜色。如果一个孩子的父母都有棕色的眼睛，那么这个孩子有棕色、绿色或蓝色眼睛的概率分别是75%、19%或6%。对于不同的性状，有很多这样的概率计算，从猫毛的颜色，到农作物对某些疾病的抵抗力，再到植物适应盐渍土或其他极端条件的能力。在眼睛颜色的例子中，当我们需要解释为什么父母双方都是蓝眼睛但孩子的眼睛是棕色时，仅有的一个严肃问题才会出现（因为概率为零）。然而，遗传特性确实对我们的食物供应有很大的影响。在农业和食品业中，有关遗传性状的知识每天都应用于理想特性的遗传。例如，抗病性、奶牛的高产奶量以及水稻对极端干旱或潮湿气候的适应性等。通过对动植物进行多代的选择性育种，我们可以利用自然界的规律更广泛地获得理想的遗传特性。

大自然遵循着一定的规律，我们用毕生的时间来研究哪些性状会遗传，哪些不会。当然，我们最想回答的问题是：这一切是如何运作的？个体性状的来源显然隐藏在身体的某个地方。但是在哪里呢？是只存在于卵细胞和精子中，还是存在于身体的每一个细胞中？

这个问题直到20世纪60年代才有答案，当时新的检测技术使得弗朗西斯·克里克、詹姆斯·沃森和罗莎琳德·富兰克林（历史书中最后一位常常被“遗忘”）能够研究比人类细胞小得多的结构。他们发现了储存遗传信息的双螺旋结构：脱氧核糖核酸（DNA）。关于眼睛颜色和许多其他遗传特性的信息被证明保存在细胞核中，而书写这些信息的语言靠的是一个只有4个字母的字母表，每个字母对应一个核苷酸：胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和腺嘌呤（A）。这四个有机分子共同编码了我们在生物中观察到的所有特征和复杂现象。通过这一革命性的发现，我们了解到，虽然我们的字母表有26个字母，但只需4个字母就可以记录一个人的完整遗传密码。你如果能流利地使用这门语言，就会立刻知道一个人的眼睛颜色是在哪里编码的，以及为什么有些人容易患某些疾病，而有些人不会。

这是有史以来最重要的科学发现之一，为现代生物医学研究和药物研发奠定了基础。它对细胞分裂产生了重要的见解，同时也引发了一系列新的问题：每个特定的遗传特征在哪里编码？细胞分裂时如何复制DNA？DNA链中的一个“乱码”会造成什么影响？你如何“读取”这条DNA链？“CTGA”可以组合成哪些“单词”？我们能在基因中找到癌症的来源吗？我们能操纵基因组来预防疾病吗？虽然遗传物质字母表的基本概念已经存在约50年了，但我们还没有完全掌握这门语言。几乎每周我们都会发现新的组合和模式，直到最近才成功地对大部分人类基因组进行了完全定位。

现在的知识正在以日新月异的速度发展。在美国国家人类基因组研究所的网站上，你可以找到有统计数字显示2001年解码整个基因组需要花费1亿美元，但在今天，只需要几千美元。家用试剂盒甚至都可以用来分析唾液样本中的部分DNA。除了医学家，荷兰代尔夫特的塞斯·德克等物理学家也在参与前沿遗传学研究，他们的工作能帮助人们高效地读取一段长DNA链。一旦我们能做到这一点，下一步显然就是开始构建我们自己的DNA结构。

和其他的技术一样，这种发展有好的一面，也有坏的一面。近年来，遗传学的进展几乎每周都会成为新闻。有时是一个新的基因组被部分或全部解码，有时是为了追踪甚至修复疾病的源头而开发的基因修饰。每个人都支持用于早期诊断遗传性疾病的新技术，或是为个体遗传学量身定制的新药，但与此同时，这些创新也引发了诸多伦理争论。例如，我是否希望我的健康保险公司知道我患癌症的风险，如果是，我们可以或应该用这些信息做些什么？社会会如何应对在未出生的孩子身上发现各类遗传疾病的能力，我有权自行决定是否需要这些信息吗？虽然动植物为获得所需性状而进行的选择性育种已被广泛接受，但在人体内直接操纵或合成遗传物质（基因改造）的情况并非如此。这个例子想要表明的是，仅是把可遗传性状汇编成越来越大的数据表格并不会让我们发现DNA，分辨模式、研究基因字母表才是最重要的。我们是否成功识别以及如何运用我们的新见解和新技术，是当前社会争论的问题。

成功识别某种模式，如发现DNA，是科学家取得成功的途径。然而，科学常常令人沮丧，因为我们对研究现象无法做到真正的理解。有时我们需要的是一个灵光一闪的思路，有时我们只是还没有足够的信息或知识进行下一步。

不幸的是，你想了解的关于大自然的问题，并不总能找到令人满意的答案。我们唯一能确定的就是明天太阳还会再次升起。对吧？听起来是那么回事。但爱因斯坦年轻的时候，他可能会时不时地看着太阳，然后想：“是什么让它一直燃烧？”

我并不知道阿尔伯特·爱因斯坦那时脑子里在想什么，但很肯定他当时无法回答这个问题。为什么我这么肯定？一个世纪前，世界上没有人知道答案，因为理解答案所需的科学知识，即使是最基本的术语，都还没有出现。奇怪的是，直到大约10年前，在我为学生准备一场演讲时，我才意识到这一点。这是一个奇怪的想法，因为如果没有人知道是什么让太阳持续燃烧，那就意味着没有人知道它燃烧了多久，还有一个不完全是无关紧要的细节：它还会燃烧多久？所以，阿尔伯特和他的科学家朋友是怎么想的呢？其他人又是怎么想的？为什么地球上的每个人对此都不关心？

当然，现在我们知道太阳一直在燃烧是因为每当两个氢原子核在其核心结合成一个氦原子核时，都会释放出能量，而核聚变则归功于太阳内部的高温，但在20世纪初，原子核还没有被发现。直到30年后，科学家才将他们的观察仪器再次推向极限。这一发现会再次激发各式各样的应用，正如我们会在第二章中看到的：不仅是核能和原子弹，还有核聚变，这是我们用清洁能源解决地球能源问题的巨大希望。 4O0CH89GS1ZWFTakTvWP/wu3QsV9hmj+fxVnjrGr0gpMw+L66bjWXBEaQq46nDDL