玉米粒的微型高壓鍋

廚房里發(fā)生爆炸通常不是什么好事，不過有時候小小的爆炸能幫你烹制美食。干玉米粒含有多種營養(yǎng)成分（碳水化合物、蛋白質(zhì)、鐵和鉀），但它們都被堅韌的外殼緊緊包裹在致密的種粒里。要得到這些營養(yǎng)成分，把玉米粒變成能吃的東西，你就得想點極端的法子，比如爆炸。幸運的是，玉米粒本身的特性決定了它很容易爆炸。昨天晚上我做了點爆米花。堅固強韌的外表下隱藏著柔軟的內(nèi)心，這樣的發(fā)現(xiàn)總是令人欣喜。不過，玉米粒為什么會變成蓬松的爆米花，而沒有直接把自己炸得粉身碎骨呢？

油燒熱以后，我往平底鍋里放了一把玉米粒，然后蓋上鍋蓋，轉(zhuǎn)身去燒水泡茶。屋外風暴肆虐，碩大的雨滴毫不留情地敲打著窗戶。油里的玉米粒發(fā)出輕微的噼啪聲，似乎一切平靜，但事實上，平底鍋里的好戲已經(jīng)開場。每一粒玉米內(nèi)部都有一個胚芽，它可以長成一棵新的植物，而胚乳則為新植物提供生長所需的養(yǎng)分。胚乳主要由淀粉顆粒組成，它的含水量大約是14%。玉米粒放進熱油以后，胚乳內(nèi)部的水開始蒸發(fā)變成氣體。溫度高的分子運動速度更快，所以玉米粒受熱的時候，越來越多的水分子以蒸汽的形式在它內(nèi)部左沖右突。從演化的角度來說，玉米粒種皮的主要作用是抵御外力侵襲，可是現(xiàn)在，它卻不得不承受來自內(nèi)部的暴亂。在這種情況下，種皮變成了一口迷你高壓鍋。變成蒸汽的水分子無處可去，所以種皮內(nèi)部的氣壓越來越大。氣體分子不斷碰撞彼此和種皮，隨著氣體分子的數(shù)量和運動速度不斷攀升，種皮承受的撞擊力也越來越大。

高壓鍋用滾燙的蒸汽高效地烹制食物，玉米粒內(nèi)部的小小高壓鍋也一樣。就在我尋找茶包的時候，胚乳里的淀粉顆粒被烹制成了某種黏糊糊的加壓凝膠，而且玉米粒內(nèi)部的氣壓還在繼續(xù)增大。種皮能夠承受的壓強是有限的，玉米粒內(nèi)部溫度上升到180℃時，內(nèi)部氣壓差不多達到了標準大氣壓的10倍，凝膠看到了勝利的曙光。

我輕輕晃了晃平底鍋，聽到鍋里傳出第一聲爆裂的悶響。幾秒鐘后，噼啪聲就密集得像機槍開火一樣了，跳動的爆米花頂?shù)缅伾w不斷顫動。每一聲爆響都讓鍋蓋邊緣冒出一縷蒸汽。我倒了杯茶，就在這短短幾秒內(nèi)，平底鍋里的爆裂聲變得更加激烈，鍋邊冒出的蒸汽此起彼伏，接連不斷。

爆炸發(fā)生的瞬間，游戲規(guī)則變了。在此之前，困在種皮內(nèi)部的水蒸氣是出不來的，隨著溫度不斷升高，蒸汽使種皮內(nèi)部的氣壓不斷增大。堅韌的種皮破裂的瞬間，種皮內(nèi)部的物質(zhì)立即暴露在外部環(huán)境的壓強（標準大氣壓）下，這些物質(zhì)的體積也不再受限。淀粉凝膠內(nèi)部灼熱的分子仍在左沖右突，但外面卻再也沒有什么東西束縛它。于是凝膠開始爆炸性膨脹，直至其內(nèi)部和外部氣壓相等。致密的白色凝膠變成了蓬松的白色泡沫，整個玉米粒向外翻了過來，然后逐漸冷卻固化。整個轉(zhuǎn)化過程就此結(jié)束。

把爆米花倒出來以后，你總會發(fā)現(xiàn)幾個沒爆開的“傷兵”，焦黑的玉米粒悲傷地躺在鍋底。如果種皮破損，高溫蒸汽會直接逃逸，玉米粒內(nèi)部無法積聚氣壓，自然就不會爆開。正因如此，玉米可以用來做爆米花，其他谷物卻不行，因為它們的種皮上有細小的孔洞。如果玉米粒太干——比如收獲的時機不對——導致種皮內(nèi)部的水分不足以在蒸發(fā)后產(chǎn)生足夠的壓強，它也不會爆開。少了劇烈的爆炸，原來不能吃的玉米粒到最后還是不能吃。

我端著茶和這碗烹制完美的爆米花走到窗邊遙望外面的風暴。破壞有時候也不是壞事。

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簡單就是美，化繁為簡的美更令人動容。在我看來，描述氣體行為的定律就像視錯覺的游戲，你以為自己看到了某樣東西，可要是眨眨眼再看，它又會變成另一種截然不同的東西。

我們生活的世界由原子組成。這些微小的物質(zhì)粒子擁有相似的結(jié)構(gòu)：外層帶負電的電子陪伴著內(nèi)部帶正電的沉重原子核，但不同的原子之間仍有區(qū)別。化學的故事講的是電子如何按照量子世界的嚴密規(guī)則，讓多個原子共擔責任、改變陣形，以及支撐被俘獲的原子核組成更大的模式：分子。

就在我敲下這些字時，在我呼吸的空氣中，成對的氧原子（每對氧原子都是一個氧分子）正在以1500千米/小時的速度不斷撞擊以320千米/小時的速度運動的氮原子，也許還會撞上速度為1600千米/小時的水分子。不同的原子和分子在以不同的速度運動，這里的混亂與復雜超乎想象。每立方厘米空氣中大約有30000000000000000000（3×1019）個分子，每個分子每秒大約會發(fā)生10億次碰撞。面對這么復雜的問題，你可能會覺得最明智的做法是直接放棄，轉(zhuǎn)而研究腦科手術(shù)、經(jīng)濟理論，或者干脆黑掉一臺超級計算機——干什么不比這個簡單呢？

那些研究氣體運動的先驅(qū)當年根本不知道自己面對的到底是什么，不然他們可能根本沒有勇氣探索下去。無知也有無知的好處。19世紀初，人們還認為原子的概念不科學；直到1905年，人們才找到了原子存在的確切證據(jù)。而在1662年，羅伯特·波義耳（Robert Boyle）[4]和他的助手羅伯特·胡克（Robert Hooke）[5]只有玻璃器皿、水銀、密閉容器里的空氣和恰到好處的無知。他們發(fā)現(xiàn)，如果增大壓強，容器內(nèi)空氣的體積會隨之縮小。這就是波義耳定律：氣體壓強與體積成反比。一個世紀后，雅克·查理（Jacques Charles）[6]發(fā)現(xiàn)，氣體的體積與溫度成正比。溫度升高至原來的2倍，氣體體積也會膨脹至原來的2倍。這簡直不可思議。復雜的原子運動怎么會遵循這么簡潔明了的規(guī)律呢？

抹香鯨和福卡恰面包

抹香鯨深吸一口氣，輕輕一甩壯碩的尾巴，重新潛入海面以下。現(xiàn)在，它的體內(nèi)儲備了接下來45分鐘內(nèi)生存所需的一切，狩獵開始了。這次的獵物是一條巨型魷魚。魷魚身體柔韌，觸須上長著可怕的吸盤，堅硬的喙看起來頗有幾分駭人。要找到獵物，抹香鯨必須潛入大海深處陽光無法到達的黑暗世界。它下潛的深度通常是500～1000米，最深可達2千米。黑暗的深海中，抹香鯨靠高定向聲吶探測獵物的蹤跡，等待獵物靠近帶來的微弱回聲。巨型魷魚仍在毫無防備地游弋，因為它聽不見任何聲音。

在深海中，抹香鯨最珍貴的儲備就是氧氣，氧氣所驅(qū)動的化學反應為運動的肌肉提供了能量，抹香鯨要借此維持生命。不過，從大氣中攝取的氣態(tài)氧到了深海中會成為一種負擔。事實上，從抹香鯨潛入水中的那一刻開始，肺里的空氣就成了麻煩。每下潛1米，它承受的外部水壓就多一分。氮分子和氧分子不斷碰撞彼此，也碰撞著肺壁，每次碰撞都會產(chǎn)生一個極小的推力。在水面上，抹香鯨身體內(nèi)外的推力是平衡的，但隨著它不斷下潛，身體承受的水壓越來越大，由外向內(nèi)的推力超過了由內(nèi)向外的推力，于是肺壁依靠向內(nèi)塌陷讓內(nèi)外壓力重新平衡。抹香鯨的肺逐漸縮小，每個分子擁有的空間也遭到擠壓，因此碰撞變得更加頻繁，這意味著單位面積的肺壁將承受更多碰撞，肺內(nèi)壓強也隨之增大，直至與外界壓強相等。水下10米深處的水壓相當于標準大氣壓的2倍。在這個深度，盡管抹香鯨還能輕松看到水面上的東西（只要它愿意去看），它的肺仍會縮小到原來的1/2。這意味著分子碰撞肺壁的次數(shù)增加了1倍。但是，魷魚的位置可能在水下1千米，在這個深度，抹香鯨的肺會縮小至它在水面時的1/100。

這頭抹香鯨終于聽到了回聲，現(xiàn)在它必須帶著縮小的肺，依靠聲吶的指引在無垠的黑暗中迎接戰(zhàn)斗。巨型魷魚有自己的武器，抹香鯨就算最終獲勝，也可能身負重傷。要是沒有肺里的氧氣，它根本無法獲得戰(zhàn)斗所需的能量。

肺部縮小會帶來什么問題呢？如果肺的體積變成了它在水面時的1/100，那么肺內(nèi)氣體的壓強就會增加到標準大氣壓的100倍。血液中的氧氣和二氧化碳在小巧的肺泡里完成交換，如果壓強過大，多余的氧和氮就會在這個過程中溶解到抹香鯨的血液里。這些多余的氣體可能造成嚴重的后果，潛水者稱之為“減壓病”。在抹香鯨返回水面的過程中，多余的氮氣會在血液里形成氣泡，破壞機體。從演化的角度來說，抹香鯨唯一的對策是從離開海面那一刻起徹底關(guān)閉肺泡。好在它可以通過血液和肌肉中額外儲備的氧氣獲得足夠的能量。抹香鯨體內(nèi)的血紅蛋白濃度是人類的2倍，肌紅蛋白（肌肉中儲存能量的蛋白質(zhì)）濃度則是人類的10倍。抹香鯨會在海面上填滿這個巨大的儲備庫。抹香鯨深潛時絕不會動用肺里的空氣，這實在太危險了。不過在水面以下，它能夠利用的不僅僅是吸入的最后一口氣，肌肉中儲備的額外補給也會支持它的生存和戰(zhàn)斗。

誰也沒見過抹香鯨大戰(zhàn)巨型魷魚。但人們在抹香鯨尸體的胃里發(fā)現(xiàn)過魷魚的喙，這是魷魚身上唯一不能被消化的部分。可以說，每一頭抹香鯨的胃都記錄著它獲得勝利的次數(shù)。得勝歸來的抹香鯨游向陽光，它的肺慢慢膨脹，恢復血氧供應。隨著外部壓強不斷減小，肺的體積也會逐步回到原來的大小。

奇怪的是，在實踐中，復雜的分子運動經(jīng)過復雜的統(tǒng)計學處理后，竟能得出較為明確的結(jié)果。的確有無數(shù)分子以不同的速度碰撞了無數(shù)次，但重要的參數(shù)其實只有兩個：分子運動的速度范圍，以及分子碰撞容器壁的平均次數(shù)。碰撞次數(shù)和每次碰撞的強度（取決于分子的速度和質(zhì)量）決定了氣體壓強。內(nèi)部和外部氣體壓強的比例決定了氣體體積。不過，溫度帶來的影響又有一點不同。

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“一般來說，誰最在乎這個呢？”我們的老師亞當身穿白色束腰上衣，發(fā)福的肚子圓滾滾的，非常符合人們心目中烘焙師的形象，濃重的倫敦口音為他錦上添花。他對著一坨奇形怪狀的生面團戳了戳。面團立刻吸住了老師的手指，就像一個活物——當然，面團里的確有生命。“要做出好面包，”亞當指著面團宣布，“我們需要空氣。”此時此刻，我正在烘焙學校里學習制作意大利傳統(tǒng)面包福卡恰。10歲以后我就沒系過圍裙，因為我已經(jīng)很熟悉廚房了。然而，烤過很多面包的我，卻從沒見過這么奇怪的面團，真是大開眼界。

在亞當?shù)闹笇拢覀冮_始乖乖揉面。首先將新鮮酵母和水混合起來，然后加入面粉和鹽，用力揉搓出筋，谷蛋白是面包塑形的關(guān)鍵。在我們?nèi)嗝娴臅r候，活酵母忙著發(fā)酵糖，并且制作二氧化碳（CO?）。和我揉過的所有面團一樣，福卡恰面團里其實沒有外面的空氣，只有許許多多的二氧化碳氣泡。延展性良好的黏性面團是絕佳的生物反應堆，酵母制造的產(chǎn)品困在面團內(nèi)部，于是面團開始“長高”。

第一階段的發(fā)酵結(jié)束后，面團被放進橄欖油里好好洗了個澡，然后繼續(xù)長高。與此同時，我們開始清洗自己的雙手、操作臺，還有多得驚人的各種器具。酵母的每一次發(fā)酵反應都會釋放出兩個二氧化碳分子，這種惰性小分子由兩個氧原子和一個碳原子組成，在室溫下呈氣態(tài)。大量二氧化碳分子聚集形成氣泡，然后它們就在這個小小的密閉空間里玩起了碰碰車。分子的每一次碰撞都可能交換能量，就像母球擊中斯諾克球一樣。有時候，一個分子會減速到近乎靜止，另一個分子攜帶所有能量呼嘯而去。有時候，兩個分子會分享能量。每一次與富含谷蛋白的氣泡壁發(fā)生碰撞時，分子都會產(chǎn)生一個推力，所以在這個階段，面團里的氣泡會逐漸變大。氣泡內(nèi)積累的分子越來越多，向外的推力也越來越強。氣泡不斷膨脹，直至內(nèi)外氣壓平衡。碰撞氣泡壁的二氧化碳分子有的活躍，有的遲緩。和物理學家一樣，烘焙師也不在乎每個分子的具體速度，因為關(guān)鍵在于統(tǒng)計學數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的整體情況。在室溫和標準大氣壓下，有29%的二氧化碳分子運動速度為350～500米/秒，擁有這個速度的分子具體是哪些并不重要。

亞當拍了拍手，示意我們看向他。他像魔術(shù)師一樣揭開面團上的蓋布，并且演示了一種我從沒見過的操作。亞當把浸過油的面團拉長再疊回來，每側(cè)各折疊一次，這是為了將外面的空氣鎖在皺褶之中。我不由得在腦子里大喊：這是作弊！我一直以為，面包里的氣體應該是酵母釋放的二氧化碳才對。我曾在日本見過一位折紙大師憤怒地批評自己的學生，說他不該用透明膠帶來粘補折好的角馬。在這堂烘焙課上，我感受到了同樣的無名怒火。可是，既然你需要氣體，弄些空氣來又有什么錯呢？反正等面包烤好以后，誰也不會知道它里面的氣體到底來自哪里。最后，我決定服從專家的指導，老老實實疊面團。幾小時后，就在我已經(jīng)被發(fā)酵、折疊、浸泡橄欖油的重復流程折磨得近乎絕望的時候，充滿氣泡的福卡恰面團終于能進烤爐了。兩種氣體都將大顯身手。

烤爐里的熱能開始滲入面包。爐子里的氣壓和外面一樣，但面包內(nèi)部的溫度卻從20℃劇增到了250℃。換算成絕對溫度[7]的話，那就是從293K增長到了523K，幾乎翻了一番。

對氣體來說，這意味著分子的運動速度會變快。這里有個違反直覺的概念：單個分子沒有“溫度”這一說。某種氣體，或者說一團分子，是可以有溫度的，但單個分子無所謂溫度。氣體溫度實際上是描述分子平均動能的一種方式，但說起某個具體的分子，它總在不斷碰撞并且交換能量，因此它的速度也時快時慢，飄忽不定。每個分子都是一輛碰碰車，它的瞬時速度取決于得到的能量。氣體分子運動速度越快，撞擊氣泡壁的力量就越大，產(chǎn)生的壓強也越大。

面包進入烤爐以后，氣體分子突然得到了大量熱能，于是它們開始加速。分子運動的平均速度從480米/秒提升到了660米/秒，氣泡壁承受的向外推力也隨之增大，但外部壓強卻和原來一樣。因此，每個氣泡都會隨著溫度升高而增大，迫使面團向外膨脹。重點在于，空氣氣泡（主要成分是氮氣和氧氣）和二氧化碳氣泡的膨脹率沒有任何區(qū)別。分子的類型根本無關(guān)緊要，在壓強恒定的情況下，無論是什么氣體，只要溫度升高1倍，其體積就會增大1倍。或者說，要在溫度升高1倍的情況下保持氣體體積恒定，那么它的壓強會增加1倍。氣體由哪些原子組成根本不重要，因為從統(tǒng)計學角度來說，所有氣體都一樣。面包烤好以后，誰也說不清哪個氣泡來自二氧化碳，哪個又來自空氣。包裹氣泡的蛋白質(zhì)和碳水化合物基質(zhì)被烤熟固化，氣泡完成了塑形，蓬松潔白的面包就這樣做好了。

理想氣體定律描述了氣體的運動規(guī)律。事實證明，理想是可以實現(xiàn)的，這條定律完全符合現(xiàn)實情況。根據(jù)理想氣體定律，對于一定質(zhì)量的氣體而言，壓強和體積成反比，溫度和壓強成正比。在壓強不變的情況下，氣體體積和溫度成正比。氣體的種類不重要，重要的是氣體分子的數(shù)量。理想氣體定律為我們帶來了內(nèi)燃機、熱氣球，還有爆米花。而且它不光適用于升溫時的情況，還適用于降溫時的情況。

風的瀑布和發(fā)泡奶油

抵達南極是人類歷史上一個重要的里程碑。偉大的極地探險家阿蒙森、斯科特、沙克爾頓等人都是傳奇人物，講述他們成敗的圖書記錄了這個世界上最精彩的冒險故事。南極探險者需要面對的不僅僅是超乎想象的低溫、食物短缺、咆哮的大海和衣物匱乏，就連偉大的理想氣體定律也在跟他們作對。

南極洲腹地是一片氣候干燥的高原，地面上覆蓋著厚厚的冰層，但這里極少下雪。微弱的陽光幾乎全都被白得刺眼的地面反射回去了，所以這里的溫度最低可達-80℃。這里一片冷清。從原子層面上說，極地的大氣幾乎是凝滯的，因為氣溫太低，空氣分子攜帶的能量少得可憐，運動速度自然也快不起來。高處的空氣下沉到高原地表，又會被冰層偷走一部分熱量，于是冷空氣變得更冷。在同樣的氣壓下，低溫會使空氣的體積縮小，變得致密。空氣分子之間的距離也會拉近，運動速度更慢，更難抵擋周圍空氣的推力。南極的陸地海拔較高，向外延伸形成入海的斜坡，這些寒冷致密的空氣會沿著斜坡不可抵擋地滑向大海，就像一道緩慢流動的氣體瀑布，沿著巨大的山谷永不停歇地向著低處的大海奔流，速度越來越快。這就是南極洲的下降風，要是你想去南極點，那就得一路頂風前進。這真是大自然對探險者們開的最惡毒的玩笑。

很多地方都會出現(xiàn)下降風，下降風也不一定是冷風。在下降的過程中，凝滯的氣體分子會有微弱的升溫，這些微不足道的溫暖可能造成戲劇性的結(jié)果。

2007年，我在圣迭戈的斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）工作。作為一個北方人，我有些不習慣圣迭戈四季不變的燦爛陽光。不過，每天早上我都能在室外游泳池里游泳，所以我也沒什么可抱怨的。這里的日落十分壯美。圣迭戈位于海濱，西面便是一覽無余的太平洋，傍晚的天際線美得驚人。

但我仍想念四季分明的氣候。圣迭戈的時間仿佛凝固了，身在此地就像生活在夢中。不過接下來，圣塔安娜風（Santa Ana winds）來了，圣迭戈溫暖宜人的天氣變得炎熱干燥，令人渾身難受。每年秋天，圣塔安娜風總會準時到訪，來自高海拔沙漠的風吹過加利福尼亞州的海岸，奔向大海。這其實也是一種下降風。但圣塔安娜風到達海面時，空氣的溫度比出發(fā)時要高得多。

我清晰地記得那一天，我們沿著I-5高速公路北上，遠處是一條焚風奔流的巨大山谷，開車的是我當時的男朋友。我看到山谷底部云河蒸騰。“你聞到煙味兒了嗎？”我問他。“別犯傻了。”他回答。

但是第二天一早我醒來時，整個世界都變了模樣。肆虐的野火沿著山谷燒到了圣迭戈北面，空氣中飄著煙塵。一處篝火在炎熱干燥的天氣里失去了控制，火借風勢，一路燒向海邊。我看到的那條云河其實是野火冒出的濃煙。去上班的人要么被打發(fā)回家了，要么圍在一起聽廣播，擔心著自己的房子。我們只能等待。地平線上一片朦朧，從太空都能看到的煙云遮蔽了視線，但日落美得驚心動魄。三天后，煙霧開始上升。我認識的一些人在大火中失去了家園。所有東西上都蒙著一層灰，衛(wèi)生官員建議人們一周內(nèi)不要進行戶外鍛煉。

高原上灼熱的沙漠空氣經(jīng)過冷卻，變得致密，于是沿著山坡向下流動，就像斯科特在南極洲遇到的大風一樣。然而，引發(fā)火災的氣流不僅干燥，還有很高的溫度。焚風在下降的過程中為什么會變得越來越熱？這些能量到底來自哪里？答案依然藏在理想氣體定律之中：焚風攜帶的空氣有著恒定的質(zhì)量，而且運動速度非常快，沒有時間和周圍的環(huán)境交換能量。致密氣流一路下降，谷底原有的空氣會對它產(chǎn)生壓力，因為谷底的氣壓相對較高。物質(zhì)會因受壓而獲得能量。

你不妨想象一下：一個氣球朝著一團空氣分子前進，有些分子會撞上氣球，然后被彈開，它們的能量顯然比撞在靜止平面上的分子要高。圣塔安娜風攜帶的空氣體積會縮小，因為它遭到了周圍空氣的擠壓。這樣的擠壓讓運動的空氣分子得到了能量，風也變得越來越熱。這個過程叫作絕熱增溫。每年圣塔安娜風到來的時候，加利福尼亞人總會格外警惕明火。干熱的焚風奪了大氣中的水分，一點火星都很容易引燃野火。風的熱量不光來自加州的艷陽，還來自周圍空氣的推擠。只要空氣分子的平均速度發(fā)生變化，它的溫度就會隨之改變。

從罐子里擠出發(fā)泡奶油的過程則與此相反。奶油噴出的瞬間，內(nèi)部的空氣立即膨脹，對外界產(chǎn)生推力、釋放能量，最后冷卻下來。噴射奶油罐的噴嘴摸起來總是涼的，那是因為流經(jīng)噴嘴的空氣接觸到大氣時釋放了能量。

氣壓只是一種參數(shù)，用于衡量微小的分子撞擊某個表面的力度。正常情況下，我們不會注意到氣壓的存在，因為這樣的撞擊是均勻的。如果我舉起一張紙，它并不會憑空移動，因為紙的正反兩面承受的氣壓相等。我們每個人都時時刻刻承受著空氣產(chǎn)生的推力，但你幾乎不會感覺到它的存在。人們花了很長時間才真正了解這種推力的大小，最后的答案有些出人意料。人們很容易認識到這個發(fā)現(xiàn)的重大意義，因為科學家采取了一種極為直觀的演示方式。重要的科學實驗通常和戲劇性的場面無關(guān)，但這個實驗卻擁有諸多吸引眼球的要素：馬、懸念、令人震驚的結(jié)果，還有神圣羅馬帝國皇帝的親眼見證。

馬德堡半球和大象的鼻子

想知道作用于某件物體的氣壓到底有多大，你必須抽掉物體另一面的空氣，形成真空，這并不容易。公元前4世紀，亞里士多德曾宣稱：“自然界厭惡真空。”1000年后，這個觀點仍盛行于世。創(chuàng)造真空似乎是個不可能的任務(wù)。但在1650年前后，奧托·馮·格里克（Otto von Guericke）發(fā)明了第一臺真空泵。格里克不甘心讓自己的發(fā)明埋沒在無人問津的技術(shù)論文中，他是一位著名的政治家、外交家，與當時的統(tǒng)治者關(guān)系良好，或許正是這樣的背景促使他選擇了一種奪人眼球的演示方式。[8]

斐迪南三世（Ferdinand III）是神圣羅馬帝國的皇帝，也是歐洲許多地區(qū)的最高統(tǒng)治者，1654年5月8日，他帶著侍臣們來到了巴伐利亞的國會大廈外。奧托取出一個直徑50厘米的空心銅球，銅球被切成了兩半，接縫處光滑平整，每個半球外側(cè)都有一個環(huán)，環(huán)上系著一根繩子，方便人們把兩個半球拉住。他在銅球的接縫處涂上潤滑油，將兩個半球拼到一起，然后用自己發(fā)明的真空泵抽出球內(nèi)的空氣。[9]銅球外面沒有任何固定裝置，可是空氣被抽出去以后，兩個半球牢牢地合在了一起，就像被膠水粘起來了一樣。奧托早已發(fā)現(xiàn)，真空泵可以幫助人們直觀地看到空氣的力量有多強大。數(shù)十億微小的氣體分子一刻不停地撞擊銅球外表面，將兩個半球推到一起，但球內(nèi)卻沒有與之抗衡的推力。要把兩個半球拉開，從外部施加的拉力必須大于空氣的推力。

接下來馬兒出場了。兩個半球各套一組馬，分別向兩邊用力拉。皇帝和侍臣們親眼見證了馬和看不見的空氣角力。兩個半球合在一起也就是一個大號水皮球的大小，使它們連接的壓力全部來自空氣分子的撞擊，30匹馬都無法將它們拉開。艱苦的拔河結(jié)束后，奧托打開閥門讓空氣進入球內(nèi)，兩個半球自己分開了。毋庸置疑，氣壓是這場比賽的勝利者，它的強大超乎所有人的想象。如果你把這樣的一個球完全抽空然后垂直懸掛起來，從理論上說，它可以承受2000千克的重物，兩個半球不會因此分開。要知道，這差不多等于一頭犀牛的重量。也就是說，如果你在地上畫個直徑50厘米的圈，那么空氣向這塊小小的地板施加的壓力就相當于一頭犀牛站在上面。看不見的渺小分子撞擊我們的力度竟然有這么大。奧托為不同的觀眾演示了很多次這樣的半球?qū)嶒灒髞砣藗儗⑦@種銅球命名為“馬德堡半球”，因為馬德堡是奧托的家鄉(xiāng)。

奧托的實驗之所以聞名于世，也是因為有人留下了記錄。加斯帕爾·肖特（Gaspar Schott）在1657年出版的一本書里提到了馬德堡半球?qū)嶒灒瑠W托的成就從此進入主流科學界的視野。有記載稱，奧托的真空泵啟發(fā)了羅伯特·波義耳和羅伯特·胡克后來的氣壓實驗。

你可以自己做個真空實驗，不需要馬，也不需要皇帝。請找一塊能夠蓋住玻璃杯口的方形厚卡紙。為防萬一，這個實驗最好在水槽里完成。在玻璃杯里裝滿水，把卡紙放在杯口邊緣，然后小心地平推過去，直至卡紙完全蓋住杯口，注意不要留下任何氣泡。接下來你可以把玻璃杯倒過來，然后松開手。現(xiàn)在卡紙承受著整杯水的重量，卻不會掉下來。這是因為下方的空氣分子不斷撞擊卡紙，產(chǎn)生了向上的推力。這樣的力量可以輕而易舉地托起一杯水。

空氣分子的撞擊不光能固定物體，也能推動物體，其他動物早就發(fā)現(xiàn)了這個秘密，大象就是利用氣壓的專家。

非洲象體形龐大，它們優(yōu)雅漫步的身影常常出現(xiàn)在干燥多塵的熱帶草原上。象群的核心成員通常是幾頭母象。年高德劭的族長帶領(lǐng)象群尋找水和食物，它們根據(jù)自己對地形的記憶做出決策。對于這些動物來說，空有大塊頭是無法生存的。大象的身體沉重而笨拙，為了彌補這一點，它們擁有了動物王國里最精密、最靈敏的工具：象鼻。象群行進途中，每一頭大象都會用這種奇特的裝備不斷探索周圍的世界。象鼻能夠傳達信息、進行嗅探、輔助進食，還能噴水。

無論從哪個方面來看，象鼻都很奇妙。組成象鼻的肌肉相互聯(lián)系、協(xié)同工作，能夠靈活自如地彎曲扭轉(zhuǎn)，還能抓取物體。光是這一點就已經(jīng)足夠?qū)嵱茫灤┫蟊堑膬蓚€鼻孔又為它錦上添花。鼻孔從象鼻末端通往大象的肺部，有趣的事情就發(fā)生在這里。

象群來到水邊。和其他地方一樣，這里看似平靜的空氣在一刻不停地運動著，無數(shù)分子撞擊著大象皺巴巴的灰色皮膚，也撞擊著地面和水面。族長走在象群的最前面，它甩著鼻子慢吞吞地走進池塘，沉重的腳步激起陣陣漣漪。它把鼻子伸進水里，閉緊嘴巴，胸部周圍的大塊肌肉開始收縮，使胸腔擴張。隨著肺部的膨脹，肺里需要更多空氣分子去占領(lǐng)新的空間。這意味著，在接觸涼爽池水的象鼻末端，鼻孔里撞擊水面的空氣分子會變少。盡管空氣分子運動的速度不變，母象肺內(nèi)氣壓仍會下降。在外部氣壓與肺內(nèi)氣壓的推擠賽中，外壓獲得了勝利。內(nèi)壓小于外壓，所以外壓推動水進入象鼻。不過，等到水占據(jù)了一部分空間后，母象體內(nèi)的空氣分子又會恢復原來的密度，象鼻里的水柱也不再上升。

你用鼻子喝水會嗆到，大象也一樣。在鼻子里存了大約8升水以后，族長的胸腔就會停止擴張。接下來，它彎起鼻子對準自己的嘴，肌肉擠壓胸腔，讓肺變小。體內(nèi)的空氣分子受到擠壓，象鼻內(nèi)部的水面就會遭到更多撞擊。內(nèi)壓和外壓的戰(zhàn)斗倒過來重演一遍，象鼻里的水被擠到嘴里。族長通過控制肺的容量來調(diào)節(jié)內(nèi)外壓差。只要閉上嘴巴，鼻孔就成了空氣出入身體的唯一通道，這樣它就能夠隨心所欲地用鼻子吸入或噴出東西了。象鼻和肺是大象操控空氣的工具，大象借助空氣來噴水，而不是單純依靠自己的力量。

我們用吸管喝水也是基于同樣的原理。[10]肺部擴張，肺內(nèi)空氣變得相對稀薄，在吸管里對水面施壓的分子就會變少，于是外部氣壓推動管內(nèi)液面上升。這個動作我們稱之為“吸”，但實際上我們并沒有對水施力，吸管外的空氣替我們推動了吸管里的水。只要一邊空氣分子撞擊的力度大于另一邊，就連沉重的水都可以被推動。

象鼻和吸管利用氣壓吸水的能力也有限度。兩側(cè)的壓差越大，一側(cè)對另一側(cè)的推力也越大。但你能夠用吸管制造的壓差頂多就是一個標準大氣壓的大小。最完美的真空泵也只能把水抽到10.2米的高度，因為我們周圍的空氣只能提供這么多推力。所以，為了最大限度地利用氣體分子提供推力，你得設(shè)法讓它們在更高的壓強下工作。大氣就能提供可觀的推力，但氣體在高溫高壓下產(chǎn)生的推力更加驚人。只要氣體分子的數(shù)量夠多，速度夠快，撞擊頻率夠高，它們就足以推動人類文明。

古老的蒸汽機和用來送信的火箭

蒸汽火車是鋼鐵制造的巨龍，這頭怪獸呼哧呼哧地喘著粗氣，力氣大得嚇人。不到100年前，鋼鐵巨龍在大陸上飛馳，將工業(yè)產(chǎn)品和社會所需的其他物資運到諸多國家的各個地區(qū)，將旅客送往遠方。蒸汽火車外表平平無奇，還會造成不可忽視的噪聲和污染，但它們?nèi)允枪こ虒W的杰作。就算這些巨龍已經(jīng)過時，我們?nèi)陨岵坏米屗鼈儚氐姿廊ァＶ驹刚吆蛺酆谜叩臒岢雷屢恍┱羝疖嚧媪糁两瘛Ｎ以谟辈块L大，我的整個童年都沉浸在工業(yè)革命史中，對磨坊、運河、工廠，還有最重要的蒸汽機無比熟悉。現(xiàn)在我住在倫敦，這段過往漸漸淡去，但和妹妹一起乘坐藍鈴鐵路蒸汽火車的旅程喚醒了我的記憶。

那是個寒冷的冬天，在這樣的日子里，乘坐蒸汽火車奔向熱茶和司康餅簡直是最完美的旅程。出發(fā)前，我們沒在站臺上逗留太久，不過到達謝菲爾德公園后，我們離開火車，在外面待了一會兒。來來往往的人們動作遲緩，卻井然有序。與龐大的鋼鐵巨獸相比，人類看起來是那么渺小。你很容易認出維護機車的工作人員，他們穿著藍色制服，戴著有檐帽，舉手投足間活力十足，有的工人留著胡子，不干活的時候，他們總喜歡在某個地方靠著。而且正如我妹妹所說，這些人里名叫“戴夫”的多得驚人。

蒸汽發(fā)動機的妙處在于，它背后的原理非常簡單，產(chǎn)生的力量卻是那么強大，我們需要去激發(fā)它、馴服它、培養(yǎng)它。蒸汽發(fā)動機和維護它的人類是密不可分的。

站在地面上仰望巨大的黑色發(fā)動機，你很難想象它其實就是一個帶輪子的火爐，上面燒著一大壺水。一位戴夫邀請我們?nèi)ヱ{駛室里看看。我們爬上發(fā)動機背面的梯子，發(fā)現(xiàn)眼前黑乎乎的房間里到處都是黃銅把手、表盤和管子，我還看到了兩個白色搪瓷馬克杯和塞在管子后面的三明治。不過駕駛室最有趣的地方在于，你可以直接看到這頭鋼鐵怪獸肚子里面的東西。蒸汽發(fā)動機的中央是一座巨大的爐子，爐膛里熾烈燃燒的煤發(fā)出明亮的黃光。燒火工遞給我一把鏟子，讓我給發(fā)動機“喂料”，我乖乖從后面的補給車里挖了一鏟子煤，送進那張熾熱的大嘴。發(fā)動機很餓。要跑完這條18千米的路線，它得燒掉500千克煤。這半噸固體黑金會轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水分子的混合氣體，燃燒釋放的巨大能量將它們變得滾燙。這是蒸汽火車能量轉(zhuǎn)化過程的第一步。

蒸汽發(fā)動機最引人注目的部件無疑是機艙與爐子之間的長圓筒，它是發(fā)動機的主體。我從沒認真想過圓筒里到底有什么東西，其實那里面填滿了管子。火爐產(chǎn)生的熱氣通過這些管子傳遍整個發(fā)動機，從本質(zhì)上說，它是蒸汽火車的“水壺”。管子周圍的大部分空間充滿了水，吸收了管內(nèi)氣體的熱量后，灼熱的水分子蒸發(fā)成氣體，在發(fā)動機頂部以極快的速度左沖右突。這就是蒸汽發(fā)動機的工作本質(zhì)：用爐子和水壺制造出大量灼熱的水蒸氣。這頭巨龍不會噴火，它噴出的是數(shù)以億計攜帶能量的分子，但這些高速運動的分子卻被困在發(fā)動機內(nèi)部的狹小空間里。“水壺”頂部的氣體溫度約為180℃，產(chǎn)生的壓強高達10個標準大氣壓。這些分子狂暴地敲打著發(fā)動機壁，但只有在人類需要它們干活的時候，它們才能出去。

我們離開駕駛室，走到機車前方。高聳的發(fā)動機、半噸煤、巨型水壺和所有維護人員——我們剛才看到的一切都服務(wù)于眼前這個東西：兩個帶活塞的圓筒，每個直徑約50厘米，長約70厘米。它位于機車前方，和整個鋼鐵巨龍比起來是那么渺小，但卻是真正的核心所在。灼熱的高壓蒸汽進入其中一個圓筒，活塞另一面的普通空氣無法抵御巨龍噴出的10倍氣壓，分子的撞擊力推動活塞沿著圓筒移動，伴著令人心滿意足的“哐哧”聲，灼熱的氣體最終會釋放到外面的大氣之中。蒸汽發(fā)動機熟悉的“哐哧”聲正是源于這里，這是完成任務(wù)的水蒸氣釋放到大氣中時發(fā)出的聲音。活塞推動車輪沿鐵軌前進，車頭拖著車廂開動了。我們知道，維持蒸汽發(fā)動機運轉(zhuǎn)需要消耗大量煤，但很少有人關(guān)心蒸汽火車跑一趟需要多少水。500千克燃煤會將4500升水轉(zhuǎn)化成蒸汽，這些蒸汽推動活塞，然后伴隨著每一次的“哐哧”聲散逸到大氣中。[11]

參觀結(jié)束后，我們依依不舍地離開發(fā)動機，回到車廂里，讓蒸汽火車把我們送回家。返程途中，一切似乎都變得不一樣了。看到窗外白茫茫的一片，我不由得想起水蒸氣為我們的旅途做出的貢獻；想到剛才在駕駛室里看到的景象，發(fā)動機巨大的轟隆聲似乎也不那么吵了。要是有人能用玻璃做一臺蒸汽機車該有多好，這樣所有人都能看到這頭巨獸是怎么工作的。

利用氣體分子的推力是19世紀早期蒸汽革命的核心。你只需讓某個表面兩側(cè)的氣體產(chǎn)生壓力差，這樣的推力能頂起廚房里的鍋蓋，也能用來運送食物、燃料和旅客，兩種現(xiàn)象的基本原理完全相同。現(xiàn)在，蒸汽發(fā)動機已經(jīng)過時，但我們?nèi)栽诶脷鈮翰顜淼耐屏Α募夹g(shù)角度來說，蒸汽發(fā)動機屬于“外燃機”，因為爐子和水壺彼此獨立，互不相干。而在汽車發(fā)動機里，燃燒發(fā)生在圓筒內(nèi)部，汽油就在活塞旁邊燃燒，產(chǎn)生的高溫氣體直接推動活塞。這類發(fā)動機被稱為“內(nèi)燃機”。開車或坐公交車的時候，請你記得，推動你的是氣體分子。

氣壓和體積的關(guān)系非常容易演示，你只需要一個廣口瓶和一個剝了殼的熟雞蛋。瓶口的直徑要比雞蛋小一點點，讓雞蛋能夠安穩(wěn)地放在瓶口上，不會掉進去。請點燃幾張紙扔進瓶子，讓燃燒持續(xù)幾秒，然后把雞蛋放在瓶口。片刻之后，你會看到雞蛋慢慢地擠進了瓶子里。這下麻煩了，該怎么把瓶子里的雞蛋弄出來呢？把瓶子倒過來，讓雞蛋從里面堵住瓶口，然后用熱水沖一會兒瓶子，雞蛋自然就會掉下來。

這個游戲的奧秘在于，瓶內(nèi)氣體的質(zhì)量是固定的，通過雞蛋你可以看出是瓶子里的氣壓更高還是外面的氣壓更高。雞蛋在瓶口，那么瓶內(nèi)氣體的體積是固定的。這時候如果用火加熱瓶子，那么瓶內(nèi)氣壓就會升高，會有空氣從雞蛋周圍冒出來。等到氣體冷卻下來，瓶內(nèi)氣壓也會隨之降低，所以雞蛋會擠進瓶子。這時候，外部氣壓大于瓶內(nèi)氣壓。容器還是這個容器，你可以反復冷卻、加熱空氣，讓雞蛋鉆進鉆出。

蒸汽發(fā)動機制造的高壓是穩(wěn)定可控的，它能為活塞和車輪提供理想的動力。但事情并未到此為止。為何不簡化從氣體到輪子的過程，以此節(jié)約能量呢？為何不用高溫高壓的氣體直接驅(qū)動車輛？槍炮和煙花就是這類思路的產(chǎn)物。眾所周知，在發(fā)明之初，這些東西的穩(wěn)定性都很差，到了20世紀初，人類的技術(shù)和追求都有了長足的進步，火箭才終于被發(fā)明出來，它采取的正是最直接的推進方式。

第一次世界大戰(zhàn)之前，火箭技術(shù)還不夠可靠，在20世紀30年代，發(fā)射出去的火箭很可能飛往正確的方向，卻不大可能炸死人，至少多數(shù)情況是這樣。和很多新技術(shù)一樣，火箭剛剛發(fā)明的時候，人們根本不知道它能用來干什么。在熱情的驅(qū)使下，富有創(chuàng)造力的人類為它想出了一個聽起來很時髦卻破壞力十足的新用途：送信。

在歐洲，人們真的試過用火箭送信，這完全是因為格哈德·楚克爾（Gerhard Zucker）的努力。當時搗鼓火箭的發(fā)明家有好幾位，但面對接踵而來的挫折與失敗，只有楚克爾以近乎偏執(zhí)的堅持和絕不放棄的樂觀走在了所有人的前面。這位德國的年輕人癡迷于火箭，可是軍方對他的發(fā)明毫無興趣，所以他轉(zhuǎn)而在民用領(lǐng)域探索前景。在他看來，用火箭送信正是全世界人民翹首以盼的，因為火箭速度夠快，可以跨越大洋，而且閃爍著創(chuàng)造力的光輝。德國人受夠了他失敗的早期試驗，于是楚克爾來到了英國。在這里，他獲得了集郵愛好者的友誼和支持，集郵者們歡迎新郵戳和新的郵遞系統(tǒng)。在漢普郡進行了一次小規(guī)模試驗后，1934年7月，楚克爾動身前往蘇格蘭，試圖在斯卡普島和哈里斯島進行火箭送信試驗。

楚克爾的火箭還不太成熟。它的主體是一個長約1米的巨大金屬圓筒，圓筒內(nèi)有一根裝滿了炸藥粉的細銅管，噴嘴位于圓筒底部。信件就塞在銅管外壁和圓筒內(nèi)壁之間。火箭頂端是個帶彈簧的尖頂，楚克爾希望它能緩沖火箭著陸的沖擊力。更可愛的是，考慮到炸藥可能引燃信件，楚克爾還在銅管外添加了保護層，他在草圖上是這樣標注的：“用石棉包裹火藥筒，以防毀壞郵件。”這枚火箭被安放在一臺支架上，斜斜指向天空。發(fā)射的時候，電池會引燃炸藥，產(chǎn)生大量高壓熱氣。高速運動的氣體分子猛烈撞擊火箭頂端，推動它向前飛行，但火箭尾端不存在等量的推力，廢氣只是通過噴嘴直接排放到大氣中。推力的失衡使火箭疾速向前飛行，炸藥會持續(xù)燃燒幾秒，足以將火箭推到高空，讓它飛越兩座島之間的海峽。至于火箭的落點和著陸方式，他似乎沒怎么考慮，不過楚克爾之所以會在蘇格蘭四面環(huán)海的偏遠地區(qū)進行這次試驗，應該也有這方面的原因。

為了完成試驗，楚克爾征集了1200封信件，每封信上都蓋了特制的郵戳，上面寫著“西部群島火箭郵政”。他把塞得滿滿當當?shù)幕鸺诺街Ъ苌希瑖^的人群屏息靜待，英國廣播公司的攝像機開拍，激動人心的時刻來了。

發(fā)射鍵被按下的瞬間，電池點燃了炸藥。劇烈的燃燒在銅管內(nèi)制造出灼熱的混合氣體，載滿能量的分子撞擊火箭頂壁，推動火箭離開支架高速升空。不過短短幾秒鐘后，伴隨著一聲巨大的悶響，火箭消失在一團濃煙中。煙霧散盡后，數(shù)以百計的信件從半空中飄落。石棉層圓滿地完成了任務(wù)，火箭卻徹底被毀。高壓熱氣很難控制，攜帶大量能量的分子炸掉了火箭的外殼。楚克爾覺得是炸藥筒不夠好，他開始回收信件，準備進行第二次試驗。

幾天后，從上次事故中搶救回來的793封信和142封新郵件被塞進了第二枚火箭。這次楚克爾選擇在哈里斯島發(fā)射，終點是斯卡普島。不過他還是差了點運氣。第二枚火箭直接在發(fā)射臺上爆炸了，這次的聲音更加響亮。殘存的信件再次被收集起來，由常規(guī)郵政系統(tǒng)送往收件人手中，只有燒焦的毛邊暗示著它們不同尋常的歷程。火箭試驗遭到了公眾的拋棄。但接下來的幾年里，楚克爾仍鍥而不舍，他總是相信下次一定會成功，但成功始終沒有到來——至少他從未用火箭成功送出過信件。[12]楚克爾是個執(zhí)著于探索的人。我們可以說他沒有在正確的時間和地點想出正確的主意。要是天時地利人和俱全，人們就會將他尊為天才。小型火箭可靠性低、精度不高，要說送信，它的確比不上機動化運輸系統(tǒng)和電報。從某種角度來說，楚克爾是對的：以高壓熱氣為推進劑，完成A點到B點的運輸任務(wù)，這個想法潛力無限。可最后是其他人為這個原理找到了真正的舞臺，解決了實際問題，最后大獲成功。德國的V1和V2火箭在第二次世界大戰(zhàn)中嶄露頭角，火箭研發(fā)納入軍方項目，民用太空項目也逐漸興起。

現(xiàn)在，我們早已熟悉了巨大的火箭搭載設(shè)備和人員飛往國際空間站或者將衛(wèi)星送上太空的畫面。火箭的確非常強大，現(xiàn)代的控制系統(tǒng)讓它們變得安全可靠，這是人類了不起的成就。但是，無論是“土星5號”（Saturn V）、“聯(lián)盟號”（Soyuz）、“阿麗亞娜系列”（Ariane）還是“獵鷹9號”（Falcon 9），所有火箭背后的基本原理都和楚克爾簡陋的郵政火箭一模一樣。只要能在足夠短的時間內(nèi)制造出足夠多的高壓熱氣，你就可以利用數(shù)以億計的分子累積起來的強大撞擊力。“聯(lián)盟號”火箭第一級的飛行氣壓大約是標準大氣壓的60倍，所以它產(chǎn)生的推力也是普通空氣推力的60倍。不過，這兩種推力本質(zhì)上完全相同，都是由分子撞擊物體而產(chǎn)生的。只要分子夠多，速度夠快，撞擊頻率夠高，這樣的推力就能把人類送上月球。永遠不要低估那些小得看不見的東西！

能量和天氣

氣體分子總是和我們形影不離。地球大氣時刻包裹著我們，撞擊著我們，推動著我們，也維持著我們的生命。大氣的有趣之處在于，它不是靜止的，它總在不停地流動變化。空氣在我們眼里是隱形的，若非如此，我們就會看到大量空氣不斷升溫或是冷卻，擴張或是收縮，永不停歇地運動。和氣體分子一樣，大氣的運動也遵循氣體定律。就算離開了抹香鯨的肺和蒸汽發(fā)動機，空氣中的分子仍在一刻不停地彼此推擠。大氣在不斷運動，根據(jù)環(huán)境的變化調(diào)節(jié)自己。人們看不到大氣變化的細節(jié)，卻給大氣運動帶來的結(jié)果起了個名字：天氣。

廣袤的平原是觀察風暴的最佳地點。風暴來臨的前一天，天氣晴朗，天空藍得像是永遠不會變一樣。看不見的空氣分子聚集在地面附近，向著高處擴散，它們一刻不停地推擠、碰撞、流動、調(diào)整。溫度變化促使空氣不斷地從高壓區(qū)向低壓區(qū)分流。不過，這一切進行得緩慢而平和，你很難想象這些分子攜帶著多么巨大的能量。

風暴來臨之日的凌晨和前一天別無二致，但天空更加清澈，所以地面升溫的速度也大大加快了。空氣分子吸收了部分熱量，運動速度越來越快。到了午后，天空中已經(jīng)形成了一道厚厚的云壁，它不斷移動、擴張，直至遮蔽整個地平線。能量在流動。壓差推動氣體形成的厚墻碾過這片平原。由于這堵巨墻并不穩(wěn)定，戲劇性的場面出現(xiàn)了。氣體分子彼此推擠，但它們沒有足夠的時間來重新達到平衡。與此同時，大量能量不斷流動，情況瞬息萬變。被地面加熱的空氣向上推擠云層，在氣墻上方頂起一座座高塔。

雷雨云終于來到了我們頭頂，低懸的黑色云層遮蔽了一望無際的湛藍。頭頂不時傳來沉悶的雷鳴，我們看不到空氣分子，只看到烏云翻涌如潮。云層中的氣團彼此沖撞推擠，巨大的壓差讓這個再調(diào)整的過程變得迅猛狂暴。能量在空氣分子之間交換，雨滴逐漸形成、變大，第一批碩大的雨滴開始墜落。強風從我們身邊呼嘯而過，那是空氣分子在地面上飛奔。

巨大的雷雨云讓我們看到了湛藍的天空中積聚著多少能量，但這看似極端的現(xiàn)象不過是空氣分子的推擠和碰撞在宏觀層面上留下的痕跡，分子層面發(fā)生的事情比這還要激烈得多。空氣分子會從陽光中吸收能量，再釋放給海水，從云層的冷凝中吸收能量，再輻射到太空中。無論如何，它們總在按照理想氣體定律一刻不停地調(diào)整自己。旋轉(zhuǎn)的地球擁有斑斕的色彩和起伏不定的表面，使得這種調(diào)整更加復雜，云、微粒和某些氣體的存在又帶來了額外的變數(shù)。天氣預報實際上就是追蹤頭頂天空中的戰(zhàn)斗，挑選出對地面上的我們影響最大的結(jié)果。不過從本質(zhì)上說，大象用鼻子喝水、火箭一飛沖天，還有蒸汽推動火車也遵循同樣的原理，這些現(xiàn)象都是氣體定律在現(xiàn)實中的投影。爆米花和天氣之間也有這種隱秘而深刻的關(guān)聯(lián)。