引言
最后的呼吸

请允许我做一个小小的实验。在接下来的几秒钟，试着密切关注从你身体中逸出的气体，仿佛这是你在地球上的最后一次呼吸。你对这些空气了解多少？感受肺在你的胸腔里一张一弛。里面究竟发生了什么？把手放在你的嘴唇前面，感受从中逸出的气体如何在你的体内流转，变得更加温暖、更加湿润，也许还产生了一种气味。这是何种法术？虽然你的触觉还不够敏锐，但想象一下，你可以感觉到一个个气体分子在你的指尖跳动，就像一个个细微至极的哑铃飞散在周围的空气中。有多少个分子，它们去了哪里？

有一些分子并没有走远。只要你再吸一口气，它们就会奔回你的肺，像是冲上岸的海浪又被大海收回。另一些分子走得稍远，返回之前只在隔壁房间里闯荡，是过早回头的浪子。绝大多数分子成了大气层中的无名之辈，开始向全球扩散。但即便如此，一些疲惫的漫游者也许会在几个月后蹒跚回到你身边。在与这些分子的两次相遇之间，你可能已经是一个完全不同的人，但历次呼吸的幽灵时时刻刻都在你身边飘荡，让你与昨日重逢。

当然，这样的经历并不是你的专属；地球上的每一个人都会经历同样的事情。而且你的“幽灵”极大概率会与他们的“幽灵”纠缠在一起，因为他们极大概率在你之后（或者在你之前）吸入和呼出相同的分子。事实上，如果你在公共场合阅读本书，那么你正在吸入周围人呼出的气体，也就是“二手呼吸”。你对此的反应可能取决于你的同伴是谁。有时我们喜欢这种混合空气，比如和恋人靠在一起的时候，我们感受到对方呼出的气息落在我们的脖子上，但有时我们又非常痛恨这种混合空气，比如飞机上午餐吃了大蒜的邻座正在喋喋不休。但是，除非我们待在罐子里呼吸，否则不可能逃避周围的空气。我们一直在回收邻居的呼吸，哪怕只是远邻。就像来自遥远星辰的光线可以照亮我们的虹膜，来自香格里拉的陌生人的气息可能残存在下一阵微风之中。

更令人吃惊的是，我们的呼吸将我们与历史联系在一起。你的下一次呼吸中的一些分子很可能是来自“9·11”事件或“柏林墙的倒塌”的信使，它们可能目睹了第一次世界大战或麦克亨利堡上空的星条旗 。如果我们把想象力延伸到足够远的空间和足够长的时间，就能联想到一些迷人的场景。例如，你的下一次呼吸（此时、此地）是否可能包含尤利乌斯·恺撒临死时呼出的一些空气？

你可能听说过下面这个故事。在公元前44年3月15日的罗马，尤利乌斯·恺撒——大祭司，终身独裁官，与7月同名，也是第一个在世时就把自己的头像印在硬币上的罗马人——走进元老院会议厅。在经历了一个艰难的夜晚之后，他看起来出奇地精神。在他出席的一个晚宴上，谈话偏离到一个相当病态的话题：最好的死法。（恺撒宣称，他喜欢突然的、意想不到的结局。）恺撒患有癫痫，那天晚上睡得不好；他的妻子做了噩梦，梦中他们的房子倒塌了，恺撒躺在她的怀里，浑身是血。

所以，那天上午恺撒几乎没有出门。但最后一刻，他命令仆人备轿。当他带着随从一起前往议事广场时，他终于放松了，他的呼吸变得自由而轻松。他甚至在途中嘲笑了一名占卜者，此人在一个月前预言，3月中之前恺撒将有一场劫难。恺撒深吸了一口气，喊道：“3月15日已经到了！”占卜者冷漠地回答说：“是啊，恺撒，但还没有结束。”

当恺撒进入会议厅时，数百名元老站了起来。厅内可能很闷，因为混在一起的气息和体温已经让空气暖和了一阵。不过，恺撒还没有来得及坐上他的金椅，一位名叫桑贝尔的元老就带着一份请愿书走到他面前，请求他赦免自己的兄弟。桑贝尔知道恺撒绝不会允准，这就是问题所在。桑贝尔不断乞求，恺撒一直拒绝，另有60名元老趁此机会匍匐前进，似乎在表示支持。恺撒威严地坐在他们中间，感觉越来越恼火。他试图打断讨论，但桑贝尔将双手搭在恺撒的肩膀上，似乎在恳求他——然后将恺撒的紫色长袍拽了下来，露出他的胸口。

“为何如此暴力？！”恺撒说。他不知道自己的直觉会那么准。过了一会儿，一个名叫卡斯卡的元老拿着匕首冲了过来，划伤了恺撒的脖子。“卡斯卡，浑蛋，你在做什么？”恺撒喊道，仍然是疑惑多于愤怒。但随着一众“恳求者”的逼近，每个人都把自己的长袍拉到一边，身体露出一点儿，解开腰带上的皮带，那里通常放着一支毛笔。但此时出现的不是60支笔，而是60把铁匕首。恺撒终于明白了。这就是暴君的下场。 ^[1]

恺撒立刻还击，但在挨了最初的几刀后，他凉鞋下的大理石地板被血弄得很滑。他很快就被衣服缠住并摔倒了。这时，刺客们扑了上来，总共在恺撒身上刺了23刀。后来，恺撒的医生在验尸时发现，其中22处是浅表伤口。毫无疑问，每一处伤口都会使他的身体颤抖发慌。这种惊骇会使血液从外围流向核心，以确保氧气流向他的重要器官。但是，医生说如果没有刺中心脏的那个伤口，恺撒也许不至于丧命。

根据大多数人的说法，恺撒在倒地之前用托加长袍裹住了自己，死的时候没有发出任何呜咽。但还有一种说法（不难看出为什么这种说法2 000年来一直吸引着人们）称，恺撒在倒地之前感觉腹股沟被刺了一下，于是他擦了擦沾满血迹的眼睛。这时，他发现他的门徒布鲁图站在人群中，手里的匕首闪着红光。恺撒看着，喃喃地说：“也有你啊，我的孩子？”这既是问题，也是答案。然后，为了保留一点儿尊严，他裹住自己，瘫倒在地上，痛苦地喘了一口气。

那么，这次喘息“发生”了什么？答案乍一看很简单：这口气已经消失了。恺撒死了那么久，他殒命时所处的那栋建筑几乎没有留下任何痕迹，更不必说已经被火化成灰的尸体。即便是铁制的匕首，现在也很可能已经解体，锈蚀为尘埃。那么，像呼吸这种转瞬即逝的东西，又怎么可能仍在徘徊？如果不出意外，延伸得如此之广的大气层肯定已经将恺撒的最后一口气彻底消解，化为虚无的以太。你可以在海洋中切开静脉，但不要指望2 000年后能有半升的血液冲上岸来。

其实我是说，想想下面这些数字。在每次正常呼吸时，你的肺会排出0.5升空气；而气喘吁吁的恺撒每次可能呼出了1升——这个体积相当于一个直径5英寸的气球。现在，把这个气球与庞大的大气层相比较。在大部分横截面上，大气层在地球周围形成了一个大约10英里高的外壳。根据这些尺寸，该外壳的容积为20亿立方英里。与整个大气层相比，1升呼吸只占地球上所有空气的0.000 000 000 000 000 000 01%。太小了：想象一下，把有史以来所有的1 000亿人聚集在一起——你，我，每一任罗马皇帝和教皇，以及“神秘博士”。如果用1 000亿人代表大气层，并按比例缩减地球上现有的人口，那么你将得到0.000 000 000 01个“人”，相当于一个由数百细胞组成的斑点，这确实是最后的呼吸。和大气层相比，恺撒的喘息似乎微不足道，可以忽略不计，在你下一次呼吸时重遇该气体的可能性几乎为0。

不过，在完全否认这种可能性之前，考虑一下气体在地球上传播的速度。在大约两周内，盛行风 会沿着与罗马纬度大致相同的地带，将恺撒的最后一口气吹遍全世界——穿过里海，穿过蒙古南部，穿过芝加哥和科德角。在大约两个月内，这口气将覆盖整个北半球。而在一年内，它将覆盖整个地球。（今天也是如此——在地球上任何地方产生的任何呼吸、打嗝或废气，都需要在大约两周、两个月或一两年才能到达你那里，这取决于你的相对位置。）

尽管如此，难道这些风不会使气息变得稀薄，最后什么都不剩吗？难道气息经广泛扩散，最终不会消失吗？也许不会。在上面的讨论中，我们把恺撒的呼吸当成一团物质、一个整体。但是，如果我们深入细微处，这团空气就会像素化，展现为离散的分子。因此，虽然在人类层面上，恺撒的最后一口气似乎已经消失在大气中，但在微观层面，他的呼吸根本没有消失，因为构成它的各个分子仍然存在。（尽管空气看起来很“软”，但大多数空气分子是很坚固的：将组成其的原子结合在一起的键是自然界中最强的一种力。）因此，当我问你是否正好吸入了恺撒的最后一口气时，我实际上问的是，你是否吸入了他在那一刻碰巧呼出的任何分子。

答案当然取决于我们所讨论的分子的数量。只需要一点儿化学基础你就可以计算出，在任何合理的温度和压强下，1升空气相当于大约25 000 000 000 000 000 000 000个分子。这是一个大到无法理解的天文数字。设想一下，比尔·盖茨把他800亿美元的财富全部兑换成1美元的钞票，然后把它们统统塞在床垫下。设想一下，他一张一张地拿出这些钱，用每张1美元作为启动资金创立一家软件公司。再设想一下，这800亿家公司中的每一家都蓬勃发展，并自行产生800亿美元的回报。你把所有这些现金加在一起，800亿乘以800亿，其结果仍然只有你每次吸入的分子数量的1/4。人类历史上的所有道路、河流与机场，都比不上我们的肺每秒钟处理的流量。从这个角度来看，恺撒的最后一口气似乎是不可计数的，你在下一次呼吸中至少会吸入一些分子，这似乎是不可避免的。

哪个数字更胜一筹？是恺撒呼出的分子的巨大数量，还是与大气相比每一次呼吸的微不足道？要回答这个问题，不妨先考虑一个类似的情境，即越狱和搜捕。

假设在全盛时期的恶魔岛联邦监狱 ，所有300名囚犯——阿尔·卡彭、“鸟人”罗伯特·斯特劳德、“机关枪”乔治·凯利和他们的297名密友——制服了守卫，抢到了一些船，并逃到陆地。再假设，这些囚犯很擅长混迹于街头，为了防止被抓住，他们从旧金山逃离之后，（像某种气体一样）扩散到整个美国。最后你对这一切有点儿偏执，你想知道逃犯是否有可能潜入你的家乡。你的担心有道理吗？

美国的面积为380万平方英里。如果有300名逃犯，那么平均每1.25万平方英里就有1名逃犯。所以，我的家乡南达科他州横跨大约75平方英里的大草原，我们可以估计这里的逃犯数量（用75除以12 500）为0.006。换句话说，为0。我们不确定，因为有可能随机出现1个。但恶魔岛逃犯不太可能让这个国家充斥着足够多的暴徒，以至于使我的家乡成为这些人的藏身处。

不过，还有比恶魔岛更大的监狱。想象一下，关押着10 000名囚犯的芝加哥库克县监狱也出现了同样的情况。更多的囚犯涌入街头，其中一个人进入我家乡的概率会上升到20%左右。这仍然不是确定的，但我开始冒冷汗了。当然，如果美国的所有囚犯（令人难以置信的220万人）一下子全部越狱，那么这个概率还会升得更高。这一次，在我家乡的逃犯人数将跃升至43人——不是43%，而是实打实的43人。换句话说，对于恶魔岛联邦监狱而言，我的家乡相较于广袤的美国土地来说非常渺小，所以它很安全。但是，在一个世界末日般的全国性越狱事件中，越狱者的数量将压垮这种渺小，因此一些逃犯会有极大概率在那里避难。

想清楚这一点再回头考虑恺撒的最后一口气，从他肺部逸出的空气分子就是逃狱的囚犯，囚犯向全国扩散就相当于气体分子向大气层扩散。而一名囚犯最终出现在某个（相对较小的）特定城镇的概率就是任何一个分子在你（相对较小的）下一次呼吸中被吸入的概率。因此，我们的问题变成了：恺撒的最后一口气是否像恶魔岛一样，因为逸出的分子太少而无法产生影响，还是会像全部美国囚犯的越狱，成为统计学上的必然？

答案是介于两者之间。有点像物质遇上反物质，25 000 000 000 000 000 000 000个分子和0.000 000 000 000 000 000 01%的概率几乎完全抵消了。当你计算这些数字时，会发现大约有1粒“恺撒空气”出现在你的下一次呼吸中。这个数字可能会稍小一些，取决于你的假设，但你极有可能正好吸入了一些恺撒对布鲁图怒吼时喷出的原子。而且可以肯定的是，在一天的时间里，你会吸入成千上万个原子。

想想看，跨越时间和空间，曾经在恺撒肺里舞动的一些分子现在正在你的肺里跳动。考虑到我们的呼吸频率（每4秒1次），这每天都会发生20 000次。多年来，你甚至可能将其中一些分子融入身体。尤利乌斯·恺撒没有留下什么固体或液体，但你和恺撒实际上密切相关。化用一位诗人的话，属于他的原子也同样属于你。 ^[2]

请注意，恺撒在这里并没有什么特别之处。我听说过“恺撒的呼吸”这个问题的变种，主角是十字架上的耶稣（我念的是天主教学校）。实际上，你可以选择任何经历过痛苦的最后一口气的人：庞贝古城的民众，开膛手杰克的受害者，第一次世界大战中死于毒气攻击的士兵。或者我也可以选一个寿终正寝的人，他的最后一口气是平静的——但其中的物理学原理是一样的。我还可以选择牧羊犬任丁丁或者马戏团大象金宝 ，或者可以设想任何曾经呼吸过的东西，无论是细菌还是蓝鲸，他、她或者它的最后一次呼吸现在或不久后都会在你体内循环。

我们也不应该局限于呼吸的故事。在物理学和化学课程中，“某人的最后一口气包含多少个分子”的练习已经成为一个经典的思想实验。但每次有人滔滔不绝地谈论某某的最后一口气时，我总是感到不安。为什么不更大胆一点儿？为什么不更进一步，将这些空气分子推及更大、更疯狂的现象？为什么不讲讲我们吸入的所有气体的完整故事？

从前太古代的第一次火山喷发，到复杂生命的出现，地球历史上的每一个里程碑都依赖于气体的行为和演变。气体不仅带来了空气，还重塑了固体大陆，改变了液体海洋。地球的故事就是地球上气体的故事。人类的情况也大致如此，特别是在过去的几个世纪。当我们学会了利用气体的原始物理力量，我们突然可以制造蒸汽机，可以在几秒钟内用炸药炸开几亿岁的山脉。同样，当我们学会利用气体的化学性质，我们就可以为摩天大楼制造钢铁，消除手术中的疼痛，种植足够的食物来哺育世界。就像恺撒的最后一口气，这段历史的每一秒都围绕着你：每次风从树上哗哗地吹过，热气球从你头顶飞过，或者一股莫名其妙的薰衣草或薄荷甚至肠胃胀气的味道使你鼻头一酸，你就被它淹没了。再次把你的手放在嘴唇前面，感受一下：我们可以在一次呼吸中捕获世界。

这就是本书的目标：描述这些看不见的气体，让你能像在冬日的清晨看到自己的呼吸一样看到它们。在书中的不同时刻，我们将在海洋里与放射性的猪共游，搜寻腊肠犬大小的昆虫。我们将看到阿尔伯特·爱因斯坦努力发明更好的冰箱，我们将坐在副驾驶上和飞行员一起在越南发动最高机密的“气象战”。我们将与愤怒的暴民一起游行，被埋在热得让大脑在颅内沸腾的蒸汽雪崩中。所有这些故事都是基于气体的惊人行为，这些气体来自熔岩和微生物的内部，来自试管和汽车发动机，来自元素周期表的每一个角落。我们今天仍在呼吸其中的大多数气体。本书的每一章都选择其中一种气体作为镜头，审视气体在人类传奇中所扮演的时而悲剧、时而闹剧的角色。

本书的第一部分“制造空气：我们的前四个大气层”涉及自然界中的气体。这包括45亿年前地球从一团太空气体中形成。后来，随着火山开始从地球深处排出气体，地球上出现了适宜的大气。然后，生命的出现扰乱并重新混合了这个原始的大气层，导致所谓的“氧化灾变”（这对我们动物来说实际上是很好的结果）。总的来说，第一部分揭示了空气的来源以及气体在不同情况中的表现。

本书的第二部分“利用空气：人类与空气的关系”考察了人类在过去几个世纪中如何利用不同气体的特殊天赋。我们通常不认为空气有多少质量，但它确实有：如果你在埃菲尔铁塔周围画一个假想的圆柱体，里面的空气将比铁塔本身更重。由于空气和其他气体有质量，所以它们可以用于起重、推进甚至是杀戮。气体为工业革命提供了动力，实现了人类古老的飞行梦想。

本书的第三部分“前沿：新的天空”探讨了过去几十年中人类与空气的关系是如何演变的。首先，我们已经改变了我们呼吸的气体的成分：你现在吸入的空气与你祖父母年轻时吸入的空气不一样，更与300年前人们呼吸的空气有明显的不同。我们也已经开始探索太阳系以外的行星的大气层，并提供了一种可能性：我们的后人可能会离开地球、在一个充满我们还无法想象的气体的星球上开始新生活。

除了这些宏大叙事，本书还包含一系列小故事，统称为“插曲”。它们扩展了主要章节中的主题和思想，解释了气体在制冷、家庭照明和肠道疾病等现象中的作用。（为了好玩，一些小插曲还涉及不那么日常的话题，比如自燃和罗斯威尔外星人的“入侵”。）其中的许多气体是空气中的微量成分——在我们的呼吸中只占百万分之几或十亿分之几。但是在这种情况下，微量并不意味着无关紧要。打个比方，葡萄酒中99%以上是水和酒精，但仅有水和酒精不足以造出葡萄酒。葡萄酒中还富含许多味道——皮革、巧克力、麝香、李子等。同样，空气中的微量气体也为我们呼吸的空气和我们可以讲述的故事增加了泛音和余味。

如果你在街上问人们什么是空气，往往会得到截然不同的说法，这取决于他们关注哪些气体，或者他们是在微观层面还是在宏观层面谈论空气。这很好：空气大到可以容纳所有这些观点。事实上，我希望这本书能促使你修正对空气的看法。我认为，你对空气的概念确实会随着对本书的深入阅读而改变，最终形成一个全面的认识。

你也可以问问自己对空气的看法，因为空气是你生命中最重要的东西。没有固体食物，你可以生存几个星期。没有液体水，你可以生存好几天。但如果没有空气，你最多只能坚持几分钟。我敢打赌，对于你所呼吸的气体，你思考它的时间是最短的，本书旨在改变这一点。纯净的空气是无色和（理想情况下）无味的，它听起来仿佛是虚无。但这并不意味着它是哑巴，没有声音。它通过燃烧讲述它的故事。下面就一起来看看空气的故事。

[1] 原文是拉丁文， Sic semper tyrannis 。据说布鲁图在刺杀恺撒时说了这句话——但这个事实存在争议。1865年美国总统林肯遇刺，刺客也说了同样的话。

[2] 原诗出自沃尔特·惠特曼的《我自己的歌》（ Song of Myself ），原句是“因为属于我的每一个原子也同样属于你”。 8dtOJgv0Scyj9T9NdoocsRkWyIv/+VIj6q8JkRqHORvWTh3HGXhoF3cQ4+Yv8zUe