起點

在過去的幾個世紀里，我們發現了自然界的許多奧秘。可這些是怎么被發現的呢？一個蘋果無法告訴你為什么被放開后它會掉下來，天空也無法回答你為什么它是藍色的。要了解自然的運作規律并揭示它的秘密，你必須對宇宙進行非常系統的研究。大自然在各種條件下（普通或極端）都有什么樣的規律？在所有細節中，我們觀察到了什么現象？

這時，你可不能坐那兒干等著大自然給你提供信息，而是要卷起袖子，以可控的方式創造各種條件。這就是實驗：一種讓大自然告訴我們關于其運轉規律的方法。實驗會產生大量的事實，我們可以對其進行記錄和分類。實驗往往告訴我們，無論乍看起來多么復雜的自然現象，都可以追溯到少數看似簡單的基本原理。為了找到探索大自然嚴格遵守的更深層規則和定律，你必須能夠分辨收集到的事實中存在的各類規律。孩童在試圖理解周圍的世界時幾乎本能地使用了這一策略：如果我用氈尖筆在墻上畫畫，我的父母會有何反應？如果在超市排隊時我突然大聲尖叫，會發生什么事？如果我把手指放在火焰里，就真的會受傷嗎？

盡管父母可能會以各種方式做出反應（這一點我很有經驗），但大自然的反應會遵循牢不可破的規律。這些規律和自然定律向我們提供了有關自然運轉的信息，并且它們具有普適性。一旦你弄清楚大自然的運作方式，就可以預測它在未來和其他情況下的行為方式，這就是多年來我們逐漸深入了解這個世界的方法。

在科學道路上取得進展并不像過去某些時候那樣容易，顯而易見，受到一股不可抗拒的沖動驅使，科學家幾乎總是在未知領域尋找答案，甚至根本不知道答案是否存在。真正的科學進步是突飛猛進的。大多數時候，我們是一小步一小步地向前走，但偶爾也會突然向前邁出一大步。在這種時刻，我們一般會發現深層的機制，并找到一套更基礎的定律。而最初的歡欣過后，我們開始小心翼翼地接受這個新的現實，踏入這個新的世界。當我們這樣做時，就會發現在新世界里我們能一次又一次地觀察到新現象。這種突破可能來源于某些天才的新見解，也可能僅僅是偶然的發現，或是一種新的實驗技術帶來的結果，因為這種技術能讓我們以完全不同的方式研究大自然。顯微鏡的誕生就是一個很好的例子，這種新技術揭示了即使是一滴水這樣簡單的東西中都存在許多生命機制，從而向人們展示了一個隱藏的世界。

這項發明是醫學向前邁出的關鍵一步。這種類型的發現揭示了大自然更深層的秘密，帶領我們從理解“怎么樣”直接跳躍至發掘“為什么”，因為我們學會了用剛發現的新定律來理解之前觀察到的奇怪現象，但這并非它所有的貢獻，它還經常幫助我們將之前認為完全不相關的兩種現象聯系起來。

在開始探索基本粒子的抽象世界前，我想舉幾個例子來說明我們是如何說服大自然吐露秘密的。有時容易，有時難，但每個例子都表明，理解這些自然現象的動力，既不可逆轉地改變了我們對自然的理解，又產生了現代社會賴以生存的知識。在本書后面的章節里，我們的主旨是逐步挖掘基本粒子的世界。每當我們學習某個新見解或發現時，無論它多么抽象或基礎，我都會向大家展示它的實際應用，因為這些應用已經成為人們日常生活中不可缺少的一部分。因此，我們會發現，基礎研究不但使人們對自然運轉有了更深刻的認識，而且對經濟和社會產生深遠的影響。

踏上自然探索之旅意味著要做第一個吃螃蟹的人，所以你肯定會遇到很多意想不到的、尚未有解決方案的問題。例如，無論你能建造多么堅固的橋梁，一旦你想知道海的另一邊有什么，那你就只能造一艘船。有時候，并不是努力就能引領進步，而是需要一個巧妙的點子。想要了解一個圍墻封閉的區域內有什么，如果用錘子和鑿子在墻上鑿，你可能需要幾年工夫，但聰明的做法是搭一個梯子。這一切看似簡單，因為我們已經知道如何解決這些特殊的問題，但想象一下，第一個提出這些想法的人是如何想出來的呢？

簡言之，科學家是真正的冒險家。他們可能不會成為百萬富翁，但想想第一個登上珠穆朗瑪峰或登上月球的人；或者，在我自己的領域里，想想那些最初發現自然界基本構成要素的人，他們揭示了為什么宇宙中沒有反物質；或者想想那些了解真空是真的空無一物，還是實際上充滿了一種神秘的物質、一種賦予了所有粒子質量的物質的人。想想這些先驅者取得的成就和永恒的名聲。

我從一位同事那里聽到過一個很好的比喻，它很好地解釋了科學家分辨自然規律和構建理論的挑戰性。想象你現在是一個剛剛登陸地球的外星人，在這個令你感到處處是驚喜的星球上，你看到的幾乎都是機會，但你決定系統性地從一些簡單的事情開始。所以，你問自己：“這個星球上每個國家都在玩的足球，它的規則是什么？”這是一個明確的問題，似乎很容易回答。但有一個條件：你想看幾場比賽就看幾場，但你不能和任何人談論或閱讀任何關于這個主題的東西，你能做的只是看。花一分鐘的時間去思考，然后問問自己要花多長時間才能想出一份完整的規則清單。

你可能很快就會發現，有兩支11人的球隊，整場比賽在最外圍的白線之內進行，球員在45分鐘后換邊，比賽的最終目標是把盡可能多的球踢進對手的球門。但那兩個球員是誰？他們每邊一個，很少跑動，穿的衣服和他們的隊友不一樣，而且還被允許用手觸球。你要花多長時間才能弄清楚那兩個拿著小旗在足球場邊跑來跑去的人在干什么，或了解什么是角球、越位、換人、一些比賽結束時突然的加時賽、賽場上奇怪的線條和點球等？想象一下，要發現所有的規則是多么困難，但即便如此，如果你動力十足并愿意投入大量的時間，這也不是不可能?？茖W家面臨著同樣的挑戰，但這一次，賽場是我們身處的世界。大自然可不會“免費”泄露它的秘密。只有仔細觀察，設計出正確的實驗向大自然“提問”，我們才能弄清楚存在哪些現象。只有這樣，我們才能逐步地破譯自然界的法則。

順便提一下，從來沒有人說過規則必須合乎邏輯。事實上，自然定律并不符合日常邏輯，它倆并不是一回事。量子力學和相對論，我們將在本書中提及的這兩個著名的理論，都非常奇怪。在某種意義上，你可以把它們比作足球中的越位規則。雖然很荒謬但真實存在，畢竟這只是比賽的方式。一旦你接受了這項規則，那么在邏輯上，只有某些進球才算數，有些則是無效進球。同樣，相對論和量子力學等理論背后那些匪夷所思的原理完全是違反直覺的，可一旦你接受了，它們便能解釋我們從原子尺度觀察自然時看到的所有奇怪而復雜的現象了。理論是對的。但合乎邏輯嗎？并不。

通過研究這些奇怪的理論，我們學會了如何在日常生活中應用它們。目前，納米技術和量子計算領域的許多研究和進展，完全建立在量子力學這一獨特的理論基礎上。盡管根據該理論，許多實驗結果和觀察到的現象是“合乎邏輯的”（換句話說，它們可以用量子力學中的奇怪定律來解釋），但地球上沒有一個科學家能解釋為什么世界會遵循量子力學定律。例如，一個粒子怎么可能同時處于兩個地方，或處于一種在我們尋常世界中無法想象的糾纏狀態？就像你不可能同時處于懷孕和不懷孕這兩種狀態，但在量子世界里，這種混合態卻是非常正常的。

一個理論越成功，就越有助于我們理解這個陌生世界的規則和定律，但與此同時，無法解釋邏輯框架的基本構成也令人十分沮喪。所以在這種情況下，我們已經從理解“怎么樣”直接跳到發掘“為什么”：為什么世界會遵循量子力學定律？一旦我們邁出這一步，問題就從量子力學“如何運作”轉移到量子力學“為什么能運作”。換言之，這就立刻引發了一個新的問題。可憐的科學家總是在追逐不斷變化的目標。不過他們永不停歇的好奇心為社會帶來了巨大的財富，因為由他們的工作產生的創見和應用已經成為現代文明的基石。盡管如此，如果你一直不停地問“為什么”，那么即使是地球上最聰明的科學家也會很快“啞口無言”。

在過去的100多年里，基本粒子物理學家一步一步地試圖接近原子核的最深處。在冒險過程中，我們取得了一些重大進展，對宇宙中所有物質的基本構成要素、基本粒子以及自然界的基本力量，都有了更進一步的見解。我們完全有理由為此感到自豪。在深入研究基本粒子世界前，我想向各位展示一些我們人類已經學會操縱的簡單自然定律，以及已經發現的自然規律。這三個例子表明，我們認為理所當然的一些事情其實沒有邏輯基礎，但卻在純基礎研究產生的日常應用中起著至關重要的作用。頭兩個問題涉及電是如何產生的，以及遺傳特征在人體內何處編碼。

對當今社會繁榮以及人類生活方式的最大威脅之一就是能源短缺。這個問題其實我們不常思考，但目前西方社會對能源依賴程度很高，如果沒有電，不到一天整個社會的運作就會完全停滯。試著想象一下，一個標準的工作日突然停電：沒有鬧鐘，沒有燈，沒有咖啡機，沒有汽車，沒有電梯，沒有自動取款機，沒有電視，沒有電腦，沒有收音機，沒有互聯網，沒有電話，也沒有洗碗機。你可以清楚地理解為什么能源是公眾和政治辯論的熱門話題。本書并不會討論這個復雜問題的所有方面，如：地球有限的化石燃料供應、緊張的地緣政治利害關系、二氧化碳排放、綠色能源以及核能爭議等。這些學科的專家對這些問題的研究可以填滿一整間圖書館，并且相關辯論仍在如火如荼地進行。而我，作為一名物理學家，在此處的工作是提出一個問題，一個在上述爭論中起不到核心作用的問題，但我希望每個人都能回答：如何發電？例如，如何把一個普通的煤球（燒烤架上使用的那種）變成電流？之所以現在能做到這一點，要感謝大自然通過一個簡單的現象向我們揭示了這個秘密。這個看似簡單的自然現象從根本上改變了人類的生活和文明。

約150年前，詹姆斯·麥克斯韋成功地用四個著名的公式描述了所有已知的關于電磁的現象，后來這四個公式也一直沿用他的名字：麥克斯韋方程組。它們證明了磁場和電流密切相關，并且解釋了極為復雜的電磁現象，包括邁克爾·法拉第早期發現的一種規律，這種規律也為人類發電提供了一種方法。

這聽起來可能不是很來勁，但如果你拿出一個銅線圈，并使一塊磁鐵穿過它，磁場就真的產生了。磁場一開始是不存在的，當你把磁鐵移到線圈的中心時，磁場會變得非常強，但當磁鐵被完全移除后，磁場就消失了。這個過程中導線會產生電流。這是我能用的最簡單的辦法，而我也不能讓它更復雜了。這就是發電的原理，無論是在自行車燈里，還是在最先進的核電站中。

當你騎自行車時，你為自己的車燈發電。輪轂發電機是一根長長的、卷起來的銅線，就像長鐵絲整齊地纏繞在真空吸塵器的軟管上。線圈中有一塊磁鐵，通過一個叫作滾輪的齒輪與輪子相連。當你踩踏板時，輪子轉動，磁鐵也轉動。根據我們發現的自然定律，改變銅線圈中的磁場會產生電流，而電流確實也流過銅線圈。然后，電流通過一根細金屬線傳導到燈內，使其升溫并開始發光。想不到吧，就一個自行車燈也這么神奇。當然，不是不讓人們贊嘆高科技能源巨頭，只是一座大型燃煤發電廠的運作方式與此大致相同，也是一塊磁鐵在一圈銅線內旋轉。唯一的區別在于磁鐵如何移動。在自行車上，你通過踩踏板來讓磁鐵移動，而在發電廠里，這項工作由渦輪自動完成，這一點倒是十分稀奇。渦輪旋轉是因為蒸汽用力推動葉片，而葉片通過齒輪箱與磁鐵相連。那么我們如何制造蒸汽呢？通過加熱容器中大量的水。那如何加熱水呢？在容器下面燒一堆煤。就這么簡單！

當然，成千上萬的人每天都在努力工作，確保這個過程中的每一步在發電廠中盡可能高效，所涉及的步驟比我在此描述的要多得多，但我描述的是基本原理。核電站的工作原理幾乎一樣，唯一的區別在于水的加熱方式。在核電站中，這項工作是通過分裂重原子核（如鈾）時釋放的粒子來完成的。風能發電的原理也相同：風吹動渦輪的旋轉葉片轉動銅線圈內的磁鐵。

這是一個非常簡單的原理，但通過改變磁場來產生電流對我們的經濟是至關重要的。當法拉第第一次對此有所發現時，沒有人想到它們會如何應用。據說，當時的英國財政部負責人威廉·格拉德斯通問過法拉第：“但，說到底，這有什么用？”站在他的角度，這個問題確實可以理解。時至今日，科學家每次申請研究經費時，仍然會被問到同樣的問題。不幸的是，我們再也無法超越法拉第經典的答案：“為什么？先生，因為你可能很快就可以征稅了！”那時，人們光是使用燭光就已經很滿意了，所以把錢投進蠟燭行業，尋找更高效的生產方法或設計更好的燈芯看起來似乎更明智。然而現在回想起來，如果是這樣的話，那么燈泡就永遠不會被發明了。

盡管許多科學研究到最后毫無結果，但這確實是一個非常典型的例子，說明真正的創新往往不是事先計劃好的。能夠改變游戲規則的發明往往來自意想不到的地方。這對政治家和整個社會都是一個重要的提示：除了產業創新，我們還需要為自由和不受限制的基礎研究創造足夠多的機會，那么相關課題的申請肯定會隨之而來。

對于物理學家來說，關注有關電動汽車和氫燃料汽車的公開辯論往往既令人著迷又令人沮喪。我們有時會感到很震驚，盡管科學家和制造商做了很多出于好意的努力，政治家和決策者卻連最基本的科學事實都沒搞懂。相關的討論通常聚焦于遙遠的未來場景，但只要政治家稍微懂一點技術，產生的影響可能會比世界上所有的科學報告都要大。誠然，特斯拉車不會在你駕駛時釋放二氧化碳，但讓我吃驚的是，幾乎沒有人會問電池的能量來自哪里。這種電池通過電源插座充電，而插座的電源來自一個產生大量二氧化碳的燃煤發電站。此外，電池是由重金屬和具有極強腐蝕性的酸制成的，并不完全是理想的“綠色”技術。當然，從減少我們對化石燃料的消耗這方面來看確實不錯，并且一個大型發電廠也比一千個獨立的汽車發動機效率更高。你還可以用太陽能給特斯拉電池充電。盡管如此，電動汽車極其環保這一普遍認知還是有些夸大其詞。

這類的辯論也在關于氫經濟的話題中展開。這個想法是通過混合儲存在不同罐子里的氫氣和氧氣，然后將它們作為燃料燃燒來發電。這個過程只會產生能源和水，無疑是清潔的。你可能會把它作為你的汽車的終極清潔燃料，但同樣，有一個條件，在哪能找到純氫和純氧？你可能會從研究水入手，畢竟水由氧原子和氫原子組成。但要把兩者分開，你需要能量，這和把它們結合成燃料的過程完全一樣，只不過方向相反。那你又要從哪里找到分解的能量呢？毫無疑問，通常是一個大型燃煤發電站或核電站。

當然，也可以是風力渦輪機。不可否認，我們也可以利用綠色能源將氫和氧從水中分離出來。但我主要想表達的是，氫是一種能量載體，而不是一種能源。它確實有一些優勢：新能源轎車或公共汽車行駛在市中心時不會釋放二氧化碳或煙塵，而且它可以巧妙地儲存渦輪機、太陽能電池和發電廠的多余能量供短期使用，但這并不是解決能源問題的辦法。

不僅物理學家，許多領域的科學家都試圖解釋他們看到卻不理解的無可爭辯的現象?；A研究不僅給了我們電能，還帶來了重大發現，這些發現現在是醫學的核心。你系統地觀察自然時，會發現這是一個數據寶庫。有時，一旦你收集到足夠的信息，你就可以分辨這些現象并獲得更深入的見解。簡化論的技術放大了構成事物的基本組成部分，這并不是物理學家的專屬。舉個例子，我們通過深入研究細胞的組成部分，發現了DNA和遺傳信息的編碼，這一發現對醫學科學的影響超過了簡化論的其他應用。

生物學家和農民早就知道動物和其他生物會把性狀傳至下一代。最著名的例子就是父母和孩子眼睛的顏色。如果一個孩子的父母都有棕色的眼睛，那么這個孩子有棕色、綠色或藍色眼睛的概率分別是75%、19%或6%。對于不同的性狀，有很多這樣的概率計算，從貓毛的顏色，到農作物對某些疾病的抵抗力，再到植物適應鹽漬土或其他極端條件的能力。在眼睛顏色的例子中，當我們需要解釋為什么父母雙方都是藍眼睛但孩子的眼睛是棕色時，僅有的一個嚴肅問題才會出現（因為概率為零）。然而，遺傳特性確實對我們的食物供應有很大的影響。在農業和食品業中，有關遺傳性狀的知識每天都應用于理想特性的遺傳。例如，抗病性、奶牛的高產奶量以及水稻對極端干旱或潮濕氣候的適應性等。通過對動植物進行多代的選擇性育種，我們可以利用自然界的規律更廣泛地獲得理想的遺傳特性。

大自然遵循著一定的規律，我們用畢生的時間來研究哪些性狀會遺傳，哪些不會。當然，我們最想回答的問題是：這一切是如何運作的？個體性狀的來源顯然隱藏在身體的某個地方。但是在哪里呢？是只存在于卵細胞和精子中，還是存在于身體的每一個細胞中？

這個問題直到20世紀60年代才有答案，當時新的檢測技術使得弗朗西斯·克里克、詹姆斯·沃森和羅莎琳德·富蘭克林（歷史書中最后一位常常被“遺忘”）能夠研究比人類細胞小得多的結構。他們發現了儲存遺傳信息的雙螺旋結構：脫氧核糖核酸（DNA）。關于眼睛顏色和許多其他遺傳特性的信息被證明保存在細胞核中，而書寫這些信息的語言靠的是一個只有4個字母的字母表，每個字母對應一個核苷酸：胞嘧啶（C）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和腺嘌呤（A）。這四個有機分子共同編碼了我們在生物中觀察到的所有特征和復雜現象。通過這一革命性的發現，我們了解到，雖然我們的字母表有26個字母，但只需4個字母就可以記錄一個人的完整遺傳密碼。你如果能流利地使用這門語言，就會立刻知道一個人的眼睛顏色是在哪里編碼的，以及為什么有些人容易患某些疾病，而有些人不會。

這是有史以來最重要的科學發現之一，為現代生物醫學研究和藥物研發奠定了基礎。它對細胞分裂產生了重要的見解，同時也引發了一系列新的問題：每個特定的遺傳特征在哪里編碼？細胞分裂時如何復制DNA？DNA鏈中的一個“亂碼”會造成什么影響？你如何“讀取”這條DNA鏈？“CTGA”可以組合成哪些“單詞”？我們能在基因中找到癌癥的來源嗎？我們能操縱基因組來預防疾病嗎？雖然遺傳物質字母表的基本概念已經存在約50年了，但我們還沒有完全掌握這門語言。幾乎每周我們都會發現新的組合和模式，直到最近才成功地對大部分人類基因組進行了完全定位。

現在的知識正在以日新月異的速度發展。在美國國家人類基因組研究所的網站上，你可以找到有統計數字顯示2001年解碼整個基因組需要花費1億美元，但在今天，只需要幾千美元。家用試劑盒甚至都可以用來分析唾液樣本中的部分DNA。除了醫學家，荷蘭代爾夫特的塞斯·德克等物理學家也在參與前沿遺傳學研究，他們的工作能幫助人們高效地讀取一段長DNA鏈。一旦我們能做到這一點，下一步顯然就是開始構建我們自己的DNA結構。

和其他的技術一樣，這種發展有好的一面，也有壞的一面。近年來，遺傳學的進展幾乎每周都會成為新聞。有時是一個新的基因組被部分或全部解碼，有時是為了追蹤甚至修復疾病的源頭而開發的基因修飾。每個人都支持用于早期診斷遺傳性疾病的新技術，或是為個體遺傳學量身定制的新藥，但與此同時，這些創新也引發了諸多倫理爭論。例如，我是否希望我的健康保險公司知道我患癌癥的風險，如果是，我們可以或應該用這些信息做些什么？社會會如何應對在未出生的孩子身上發現各類遺傳疾病的能力，我有權自行決定是否需要這些信息嗎？雖然動植物為獲得所需性狀而進行的選擇性育種已被廣泛接受，但在人體內直接操縱或合成遺傳物質（基因改造）的情況并非如此。這個例子想要表明的是，僅是把可遺傳性狀匯編成越來越大的數據表格并不會讓我們發現DNA，分辨模式、研究基因字母表才是最重要的。我們是否成功識別以及如何運用我們的新見解和新技術，是當前社會爭論的問題。

成功識別某種模式，如發現DNA，是科學家取得成功的途徑。然而，科學常常令人沮喪，因為我們對研究現象無法做到真正的理解。有時我們需要的是一個靈光一閃的思路，有時我們只是還沒有足夠的信息或知識進行下一步。

不幸的是，你想了解的關于大自然的問題，并不總能找到令人滿意的答案。我們唯一能確定的就是明天太陽還會再次升起。對吧？聽起來是那么回事。但愛因斯坦年輕的時候，他可能會時不時地看著太陽，然后想：“是什么讓它一直燃燒？”

我并不知道阿爾伯特·愛因斯坦那時腦子里在想什么，但很肯定他當時無法回答這個問題。為什么我這么肯定？一個世紀前，世界上沒有人知道答案，因為理解答案所需的科學知識，即使是最基本的術語，都還沒有出現。奇怪的是，直到大約10年前，在我為學生準備一場演講時，我才意識到這一點。這是一個奇怪的想法，因為如果沒有人知道是什么讓太陽持續燃燒，那就意味著沒有人知道它燃燒了多久，還有一個不完全是無關緊要的細節：它還會燃燒多久？所以，阿爾伯特和他的科學家朋友是怎么想的呢？其他人又是怎么想的？為什么地球上的每個人對此都不關心？

當然，現在我們知道太陽一直在燃燒是因為每當兩個氫原子核在其核心結合成一個氦原子核時，都會釋放出能量，而核聚變則歸功于太陽內部的高溫，但在20世紀初，原子核還沒有被發現。直到30年后，科學家才將他們的觀察儀器再次推向極限。這一發現會再次激發各式各樣的應用，正如我們會在第二章中看到的：不僅是核能和原子彈，還有核聚變，這是我們用清潔能源解決地球能源問題的巨大希望。