目录

万物起源

现在有多长

11次奇妙自然探索之旅

13次时空穿梭之旅

版权信息

万物起源

作者：英国《新科学家》杂志

文字：[英]格雷厄姆·劳顿

插图：[美]珍妮弗·丹尼尔

译者：张卜天

出版人：张旭东

责任编辑：林澧波

总策划：徐革非

监制：吴文娟

策划编辑：许韩茹

文字编辑：陈晓梦

版权支持：辛艳

营销编辑：仇悦

封面设计：张丽娜

版式设计：李洁

目录

版权信息

导言

序言

CHAPTER 1 宇宙

这一切是如何开始的？

你能区分“有”和“无”吗？

星星为什么闪烁？

一闪一闪亮晶晶

物质是由什么构成的？

你（主要）是由星尘构成的。

陨石从何而来？

正在下太空石头雨！

宇宙是由什么构成的？

为什么宇宙有95%沉浸在黑暗中？

黑洞从何而来？

如何在时空中形成黑洞？

CHAPTER 2 地球

我们为何居住在距太阳第三远的岩石上？

其他世界的太阳系

月亮真的是行星吗？

月亮有多大？

地球上为什么有陆地和海洋？

锆石永存

为什么天气总在变化？

随风流动

土壤来自何处？

挖土

为什么地球有如此非凡的大气？

你的每一次呼吸

地球是如何充满石油的？

文明的命脉

CHAPTER 3 生命

生命从何时开始？

生命的三种成分

复杂生命是如何演化出来的？

生命的攀升

为什么我们要有性（除了很明显的原因）？

精子邂逅卵子

为什么会有这么多种令人头皮发麻的小爬虫？

虫子星球

恐龙时代始于何时？

恐龙，或是……

眼睛是如何演化出来的？

开始看到光

我们为什么要睡觉？

动物的睡眠

猿是怎么变成人的？

人类的足迹

最初的语词是什么？

用某种语言说话

我们为什么要交朋友？

拥有对的朋友圈

脐毛是从哪里来的？

你的耳朵里有什么？

CHAPTER 4 文明

我们是从什么时候开始在城市生活的？

城市物种，农村星球

我们为什么会视纸片如黄金？

追踪货币

我们是从什么时候开始埋葬死者的？

死人比活人多

烹饪的第一餐是什么？

吃饱

我们是如何驯化动物的？

役畜

我们是从什么时候开始崇拜神灵的？

难以置信！

我们是从什么时候开始喝醉的？

奇特的酿造物

我们为什么需要这么多东西？

你就等于你所拥有的。

我们是从何时开始穿衣服的？

虱子与人

最初的音乐听起来什么样？

完美的和谐

谁发明了卫生纸？

擦掉过去

CHAPTER 5 知识

文字始于何时？

最早的文字？

我们是如何发现零的？

零的英雄们

我们何时开始对事物进行测量？

万物的单位

谁开始留意时间？

12的力量

我们何时开始讨论政治？

左脑，右脑

炼金术何时变成了科学？

元素……

我们是如何发现世界是如此奇怪的？

深入兔子洞

CHAPTER 6 发明

为什么发明轮子要那么久？

有轮子就能旅行

我们何时开始通过电波交谈？

向星星广播

第一个飞起来的人是谁？

缩小的世界

为什么我们使用的是QWERTY键盘？

我们如何利用电子设备解决数学问题？

愈来愈快

谁第一个发现了X-射线？

内部信息

这是运气吗？

砰！

我们如何成了摧毁世界的人？

距午夜只剩3分钟

我们是如何（暂时）战胜病菌的？

这就是战争！

极客们果真统治了地球？

网络的历史

我们是怎样征服太空的？

这是火箭科学……

延伸阅读

Chapter 1 宇宙

Chapter 2 地球

Chapter 3 生命

Chapter 4 文明

Chapter 5 知识

Chapter 6 发明

致谢

《新科学家》

始创于1956年，是一家国际性科学周刊，在科学出版界具有世界性的声望，在全世界有超过500万忠实读者。

格雷厄姆·劳顿

《新科学家》杂志执行主编，毕业于英国帝国理工学院，获得生物化学学士学位和科学传播硕士学位，在科学写作方面获得过许多奖项。

珍妮弗·丹尼尔

《纽约时报》著名插画设计师，Google创意总监。

导言

史蒂芬·霍金

我们从哪里来？

我们为什么会在这里？我们是从哪里来的？根据中非博松戈人的说法，起初只有黑暗、水和大神本巴。一天，本巴胃痛发作，吐出了太阳。太阳烧干了一些水，露出了土地。仍感不适的本巴又吐出了月亮和星辰，然后是豹、鳄鱼、乌龟，最后吐出了人。

和其他很多创世神话一样，这个神话要努力解决的各种问题我们今天仍在追问。幸运的是，我们现在有了科学这个工具来提供答案，这一点我们很快就会看清楚。

关于这些存在的奥秘，第一项科学证据是在20世纪20年代被发现的，当时埃德温·哈勃开始用加利福尼亚威尔逊山上的一架望远镜进行观测。哈勃惊讶地发现，几乎所有星系都在离我们而去。不仅如此，越是遥远的星系，远离我们的速度就越快。宇宙的膨胀是古往今来最重要的发现之一。

这一发现改变了关于宇宙是否有开端的争论。如果诸星系此时正在彼此远离，那它们在过去必定离得更近。如果其速度保持恒定，那么数十亿年前，它们应该是挤在一起的。这就是宇宙的起源吗？

当时，许多科学家都不满意宇宙有开端的说法，因为这似乎意味着物理学已经崩溃。我们不得不援引一个外在的动因——为方便起见，可以称之为上帝——来决定宇宙如何开始。于是，他们提出了一种理论：虽然宇宙目前正在膨胀，但它并没有一个开端。

也许最著名的理论是在1948年被提出的。它叫作稳恒态理论，暗示宇宙过去一直存在，而且无论什么时候看上去都一样。最后这个特性是一项可以检验的预言，可检验性是科学方法的一个关键要素。但事实表明，它并不成立。

1965年10月，人们发现整个空间中有一个微弱的微波背景，这是最早的观测证据，表明宇宙有一个非常致密的开端。唯一合理的解释就是，这个“宇宙微波背景”是一种炽热而致密的早期状态所遗留的辐射。随着宇宙不断膨胀，辐射冷却下来，直至成为我们今天看到的残余。

很快就有理论支持这个想法。我和牛津大学的罗杰·彭罗斯认为，如果爱因斯坦的广义相对论是正确的，那么必定存在一个奇点，在那个点上，宇宙无限致密，时空曲率为无限大——时间本身正是从这里开始的。

宇宙从大爆炸开始，然后快速膨胀。这被称为“暴涨”，过程极为迅速：经过1秒钟的极小一部分，宇宙的尺寸就增加了很多很多倍。

暴涨使宇宙变得广袤而平滑，但不是完全平滑，不同位置之间有微小的差异。这些差异最终导致了星系、恒星和太阳系的诞生。

我们的存在便缘于这些差异。如果早期宇宙是完全平滑的，就不会有星星，也不会发展出生命。我们是原始量子涨落的产物。

我们将会看到，仍然存在许多巨大的谜团。不过，我们正在逐步接近以下古老问题的答案：我们从哪里来？我们是宇宙中唯一会问出这些问题的生命吗？

序言

我一直对起源问题感到着迷。小时候，我常常跟妈妈、爸爸和妹妹去约克郡的海边；我们从悬崖峭壁上挖出菊石 [1] 、箭石 [2] 和卷嘴蛎，我想知道：它们是从哪里来的？它们还活着的时候，地球是什么样子？

不是只有自然界促使我追问事物是从哪里来的。我曾经边看电视——那时可能是黑白电视，但仍然是一个技术上的奇迹——边想：是谁发明了它？我不明白人如何能够制造出一个有屏幕的、从远处投射图像的盒子。我想，要是让我做，我永远也做不出来。

20年前我成了一名科学记者，那时我意识到起源故事能够大大激发我们的想象力。“我们从哪里来？”是我们问自己的最深刻和最根本的问题之一。（此外还有诸如“我们应当如何生活？”“我们要去哪里？”等问题，但这些问题并非本书所要涉及的。）我相信，观察某个事物，思考某个存在问题，并问“它是怎么来的”，这是人类本性的一部分。

我们所知的每一个社会都有关于宇宙及其居民的起源故事。有记录的最古老的创世神话是写于2700年前青铜时代巴比伦泥板上的《埃努玛·埃利什》。但起源故事肯定比这早得多，至少可以追溯到40000年前，那时我们的祖先在行为上已经变成了现代人。据我们所知，他们的头脑与我们的别无二致。这意味着他们有能力做思想上的时间旅行——将自己投射到过去和未来。因此，我们的祖先能够超越此时此地，甚至是自身有限的生命，沉思遥远的过去和未来。和我们一样，他们必定想知道这一切是从哪里来的。

也许可以进一步往前追溯。即使是我们最早的祖先可能也有一个起源神话，一个在直立人的篝火旁以原始语言传承了数百万年的故事。是的，连起源故事也需要一个起源故事。

当然，除了直接的体验与想象，这些古老故事的创造者并没有太多东西可以依靠。他们往往会求助于超自然的解释。我们自己文化的起源神话《创世记》就是这样一个故事。它实际上把一次可以完成的事情分成两次做：先是我们熟悉的六日创世神话，然后是一个稍有不同的、有些矛盾的版本。这也许是默认：我们永远也不可能确定地知道，却忍不住跃跃欲试。

但引入了科学方法的力量后，思想上的时间旅行就成了一种精密仪器。我们可以用望远镜来窥视早期宇宙，并用数学来理解它的属性。事实上，正如史蒂芬·霍金在导言中所解释的，像这样把钟表指针拨回去已经使我们走了很远，几乎回到了宇宙本身的开端。

与此同时，历史科学——地质学、进化生物学和宇宙学——使我们得以重构发生在人类出现之前很久即所谓“深时”的事情：我们太阳系的诞生、生命的起源、人类的进化等。考古学和历史学有助于我们理解我们的过去和人类直接负责的事物——从烹饪这样的早期创新到万维网这样的现代技术——的起源。

《万物起源》汇集了科学所揭示的现代起源故事。它将最重要、最有趣和最出人意料的53个简短故事汇集在一起，并辅以珍妮弗·丹尼尔生动幽默的信息图表。

当我开始罗列主题时，一些主题显然是必不可少的，比如大爆炸、生命的起源和人类的进化。人类文明的兴起是另一个富矿。15000年前，我们的祖先还是四处迁徙的狩猎-采集者；而现在我们住在房子里，到超市采购，乘坐机器四处旅行。这一切是如何发生的？

还有一些主题的必要性略逊一筹，非常感谢我在《新科学家》的诸位出色的同事以及约翰·默里，他们提出了一些更为新奇的主题：零、土壤和个人卫生这些都是我非常喜欢的主题。最后，我们有太多材料要挤进一本书。未能入选的主题有一长串，比如板球及和路雪冰淇淋的起源等。也许有一天，我会写本《万物起源续编》。

但这种思想上的时间旅行已经足够。我很为这本书感到自豪。对我来说，这是一次探索之旅，我希望对你也是如此。在我们努力创作这本书的同时，它所讲述的许多故事有所改变和发展，因为又有了新的发现。这正是科学永不止息的美。

我唯一的遗憾是，暂定的副标题没有出现在封面上（如果你想知道，我可以告诉你，“从大爆炸到脐毛”，其范围之广可见一斑）。它在形式上始于《新科学家》与约翰·默里出版社的一次头脑风暴，但我认为其真正起源是在约克郡海滩上一个小男孩的头脑中，大自然的奇迹赋予了他灵感。

我又穿越时空去了那里，试图弄清楚某个事物是从哪里开始的。我们只是忍不住要这么做。

格雷厄姆·劳顿

2016年5月伦敦

CHAPTER 1　宇宙

这一切是如何开始的？

宇宙很大，非常非常大。但如果关于宇宙的起源，我们的理论是正确的，那么宇宙就曾经很小，非常非常小。事实上，它一度并不存在。大约在138亿年前，物质、能量、时间和空间从无中自发地产生出来，这就是我们所说的“大爆炸”。

那么，这是如何发生的？换句话说：万物的起源是什么？

这是典型的起源之谜。对于历史上大多数人来说，唯一可信的答案就是“神造出了万物”。在很长一段时间里，甚至连科学也回避这个问题。20世纪初的物理学家们普遍相信，宇宙是无限和永恒的。表明宇宙并非如此的第一条线索出现在1929年。当时，埃德温·哈勃发现各个星系就像榴霰弹爆炸后的弹片一样彼此飞离。

合乎逻辑的结论是，宇宙必定在膨胀，因此，它过去一定更小。通过反向设想它的膨胀，就像倒着放映电影一样，天文学家们得出了另一个相当奇特的逻辑结论：宇宙必定有一个开端。

终极开端

起初，许多科学家都对终极开端这个想法感到不满，于是提出了不需要终极开端的其他解释。其中最著名的也许是1948年提出的稳恒态宇宙假说。根据这一假说，宇宙一直存在，并且在任何时候看起来都一样。天文学家们很快就找到了方法对这个假说进行检验，发现它并不成立。有些天体，比如类星体，只有在距离我们很远的地方才能找到，这表明宇宙并非在任何时候看起来都一样。尽管如此，支持稳恒态宇宙的理论家们还是给我们留下了一份持久的遗产，那就是“大爆炸”——而最初创造这个词却是为了讽刺主张宇宙有一个终极开端的理论。

致命的一击发生在1965年，人们意外发现有一种微弱的辐射遍布所有空间。对这种宇宙微波背景的解释是，它是一个比今天的宇宙更为致密和炽热的宇宙的“余晖”。

这些观察很快就得到了理论的支持。史蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯认为，如果广义相对论是正确的，那么必定存在一个奇点，在那个点上，宇宙无限致密，时空曲率为无限大——时间本身正是从这里开始的。

“大爆炸”现在是主流科学。宇宙学家们相信他们可以将宇宙的演化从爆炸发生后的一刹那追溯到现在，包括一个被称为“暴涨”的短暂的高速膨胀期以及最早的恒星的诞生。然而，实际的创世时刻在很大程度上仍然是猜测性的。在那一点上，我们关于现实的理论开始崩溃。为了取得进步，我们需要研究如何调和广义相对论与量子理论。尽管有数十年艰苦的思想嫁接，物理学家们仍然在这个问题上卡住了。不过，对于如何回答大爆炸理论核心处的那个恼人的问题，我们的确有些想法。

不是大爆炸

大爆炸是对宇宙起源的主流解释，但它自身并没有发言权。一个可选方案是，那不是一次爆炸，而是一次反弹。在这个剧本中，将我们的宇宙倒回去，使我们经由它致密和炽热得难以想象的开端，从另一边出来，进入前一个宇宙致密和炽热得难以想象的结尾。另一个可选方案是，此爆炸是许多次爆炸中的一次。根据多重宇宙理论，我们的宇宙只是沸腾的宇宙泡沫中的一个泡泡。然而，这两种说法都暗示了宇宙没有开端。这个概念要比宇宙只是凭空跳出来的概念更难把握。

大爆炸或大反弹：万物的开端，抑或回到前一个宇宙？

果可以对某个事物进行某种操作，之后它看起来和之前一样，就可以说这个事物是对称的。根据这个定义，“无”是完全对称的：你可以随意对它做什么，它仍然是“无”。

正如物理学家了解到的，对称注定是要被打破的，当它们被打破时，会对宇宙产生深远的影响。

事实上，量子理论告诉我们，不存在“空”这种东西。它的对称性太过完美，以致无法持续，生生灭灭的粒子所组成的沸腾起伏的汤会将其打破。

如何从“无”中生出有？

这导致了一个违反直觉的结论：尽管有熵，但“有”是一种比“无”更自然的状态。在这个意义上，宇宙中的一切事物都只是量子真空的激发罢了。

这是一个很合理的问题，因为一些基本的物理学定理表明，宇宙是极不可能存在的。热力学第二定律说，混乱或者熵总是倾向于随时间而增加。熵衡量的是重新排列一个系统的组成部分而不改变其整体外观有多少种方式。例如，在整体温度和压力不变的情况下，可以按照许多方式来排列热气体中的分子，所以气体是一个高熵系统。而如果对生命体的分子排列多一点干涉，就会把它变成一个死的东西，因此我们是低熵系统。

也许真是某种类似的东西应为宇宙本身的起源负责？这似乎很有道理。也许大爆炸只是“无”在行自然之事，是一次导致整个宇宙诞生的量子涨落。

空间和时间之外

根据同样的逻辑，“无”是最高的熵状态；你可以随心所欲地对它进行组合，它看起来仍然什么都没有。

当然，这引出了一个问题：大爆炸之前有什么，以及这种状态持续了多久。不幸的是，在这一点上，像“之前”这样的常识性概念变得毫无意义。

根据这一定律，很难看出“无”怎么能变成某种东西，更不用说变成宇宙了。但熵只是故事的一部分，另一部分是被物理学家称为“对称”的性质——它并不完全等同于我们在日常生活中与形状联系在一起的对称。对物理学家来说，如这也引出了一个更加困难的问题：这种对创世的理解依赖于物理学定律的有效性，但这意味着这些定律得先于宇宙而存在。

物理学定律如何存在于空间和时间之外而没有自身的起因？换句话说，为什么有某种东西而不是一无所有？

你能区分“有”和“无”吗？

实际上，你不能。它们之间没有区别。量子理论告诉我们，“无”不可能存在：它总会引出某种东西，也许是一个宇宙。事实上，这可以解释大爆炸。如果你把宇宙中所有物质和能量加在一起，包括具有负能量的引力，你将会得到零。整个宇宙是由……“无”组成的。

星星为什么闪烁？

仰望夜空，你正在时间中回望。最亮的星星天狼星A发出的光要花8年半左右才能穿过星际空间到达地球。肉眼可见的最遥远的星星天鹅座α距离我们大约2600光年。据我们所知，这两颗星星甚至已经不存在了。

继续回望，我们探入时间的更深处。2012年，哈勃太空望远镜花了23天在一小块天空收集微弱的光，拍摄了一张名为“哈勃极端深场”的著名照片。这张照片上散布着遥远的星系，有些极远，它们的光是在宇宙只有5亿岁时发出的。

这张照片证实了天文学家们长久以来的猜测：宇宙本质上是各向同性的，布满了与我们的太阳和银河系相似的恒星和星系。但如果哈勃望远镜能够更深地探入过去，它将看到一个极为不同的宇宙。

现在普遍认为，宇宙始于一个极其微小、致密和炽热的物质能量火球。这时的宇宙并不包含恒星和星系，并且在之后的5亿年里都是如此。

我们已知的最古老的星系是EGSY8p7，它诞生于大爆炸之后约6亿年。又过了5亿年，宇宙中遍布星系，每个星系都包含着数千亿颗恒星。它是如何从一个极端发展到另一个极端的呢？

要回答这个问题，我们必须回到很久以前，回到大爆炸之后仅仅3×10-44 秒的时刻。这是暴涨的开端，在不到1毫秒的时间里，宇宙发生了指数膨胀。

像吹气球一样吹起来

暴涨把宇宙从一个沸腾起伏的物质能量扭结变成了某种更为光滑均质的东西，有点像将皱巴巴的气球吹圆。然而，暴涨并没有导致完全的均一：到处都有微小的差异，这是引起大爆炸的量子涨落的延伸残余。暴涨结束后，宇宙继续以更慢的速度膨胀，差异进一步延伸。导致了恒星和星系的诞生。

我们对这些情况的了解来自于对宇宙背景辐射的观测。宇宙背景辐射是遍布整个空间的微波的隐约迹象，往往被称为大爆炸的“余晖”。起初，宇宙微波背景的温度似乎处处相同：绝对零度以上2.7℃，极其寒冷。但美国航空航天局的宇宙背景探测器（COBE）卫星在1992年绘制了详细的地图，我们发现有些区域比平均值略冷，另一些区域则略热。

由一个黑洞构建

一般认为，星系会在引力的影响下逐渐合并，但还有一种更富戏剧性的可能。它们也许是通过高能物质喷流猛烈注入气体云的方式而迅速形成的。这些喷流是从类星体中释放出来的，类星体是一种极为明亮的天体，其能量被认为是由超大质量黑洞赋予的。如果这种理解是正确的，那将意味着大多数星系中心的超大质量黑洞是其周围事物的建筑师，而不是它们的产物。

活得急，死得快

这些差异非常微小，只有十万分之几，但已经足够。

寒冷的斑点对应包含较多物质（主要是氢和氦）的早期宇宙区域，因此比平均值略为致密。引力负责余下的事情，逐渐把这些物质凝结成更大、更致密的斑点，最终在其内部引发核聚变，恒星由此诞生。

这些差异可归因于质量的随机变化。大约90%的恒星是主序星，它们都在做同样的事情：在其中心将氢原子核融合在一起形成氦原子核，这个过程叫作聚变。恒星的质量越大，其中心就越热，氢聚变的过程也越快，因此就越亮。而恒星越亮，看起来就越蓝。

引力也可以解释被我们称为星系的恒星群的形成，以及星系团的形成。后者的长度可以达到1亿多光年。

恒星的质量决定了它能活多久。虽然质量更大的恒星有更多的燃料可以燃烧，但它们燃烧得更快，死得也更快。大质量恒星大都在几百万年内就耗尽了自己的氢。与之形成鲜明对比的是，太阳已经燃烧了46亿年，并将继续燃烧几十亿年。

我们自己的星系就是以这种方式形成的，而且这个进程仍在继续。例如，银河系正在从它附近的两个星系大小麦哲伦云中吸收物质，也从太空中吸收气体。作为比宇宙中大多数星系都要大和明亮得多的星系，银河系最终会与它附近的仙女星系结合，从而变得更强大。

每颗主序星都将在某一天耗尽其中心的氢。然后它会开始燃烧它中心之外的氢，同时膨胀和冷却。现在它是一颗巨星或超巨星。

恒星也在被称为“恒星摇篮”的高密度的星际尘埃中继续形成。哈勃太空望远镜拍摄到了由气体和尘埃构成的巨柱的令人震撼的照片——在那里，新生的恒星带着原行星盘从云中显现出来，原行星盘最终将发展成行星系统。银河系每年会孕育出大约10颗恒星。

这些巨大的恒星活得短暂而热烈。它们开始聚变形成氦、碳、氖、氧、硅和硫，最后两种元素又聚变成铁。但铁不会聚变成更重的元素，在那一刻恒星注定会作为一颗超新星而爆发。此后，其残余物质会坍缩成一个微小但致密的球体，可能是黑洞，也可能是中子星。

较小的巨星不会爆发，而只是慢慢缩小成炽热而致密的白矮星。经过足够长的时间，白矮星会完全褪色，变成黑矮星。但目前还没有出现过这种情况，因为宇宙还不够老。

虽然所有恒星都以相同的方式诞生，但它们彼此却非常不同。有些明亮，有些暗淡；有些是蓝色，有些则是白色、黄色、橙色或红色；有些巨大，有些微小。

一闪一闪亮晶晶

如果你根据亮度和颜色来绘制可见的恒星，就会出现一幅图案。这些恒星不是随机分布的，而是聚集成三个团，恒星团揭示了关于恒星的生命及其演化过程的许多信息。

物质是由什么构成的？

设想你在1岁生日时收到了一份非常奇怪的礼物：一小瓶氢气。第二年你收到了一些氦，第三年收到了一块锂。21岁生日时，你自豪地拥有了一些钪。而你40岁的生日礼物是一块结晶的锆。到了92岁生日，你会收到铀。若想集齐全套，你需要活得更长。

确切地说，是118年。这正是我们已知的化学元素的数量。化学元素是固体、液体和气体的大杂烩，其中有金属，有非金属，有些罕见，有些常见，有些有用，有些无用。它们是化学和生命的建筑构件。它们是从哪里来的呢？

最容易的回答是大爆炸。但这并不能让人满意，因为大爆炸本身只产生了三种最轻的元素：氢、氦和微量的锂。其余元素呢？

要想获得完整的答案，需要了解原子的组成部分和一些基本的算术知识。最简单的原子是氢，它由一个质子和一个电子构成。接下来是氘和氚，它们是氢加上一个或两个中子。之后是氦，原子序数为2。然后是锂，原子序数为3。常识告诉我们，较小的元素聚合在一起可以形成较大的元素。这正是它们的形成机制。

大挤压

但这个过程并不简单。这类反应非常困难，因为需要大量能量才能使两个原子核发生聚变。这需要天文温度：至少1000万摄氏度。宇宙中只有两个地方符合要求：大爆炸后不久，以及恒星内部。

元素形成的第一个阶段是在大爆炸之后不久，被称为“核合成”。在0.01秒内，质子、中子和电子从火球中凝析出来。几秒钟之后，质子和中子开始被火球的巨大能量驱赶到一起，被核力黏住。这些聚变反应最初形成氘核，氘核与更多质子反应产生稳定的氦核。

当氦出现时，温度已经降下来，聚变无法继续。也许会有少量锂产生，但除此以外没有更重的元素生成。核合成几乎刚一开始就结束了。

大约又过了377000年，聚变得以恢复。此时温度下降到3000摄氏度左右，使得原子可以存在。氢原子核和氦原子核获得了自由电子，形成了最初的完整原子，即1号元素和2号元素。超过99%的可见宇宙是由这两种元素构成的，但宇宙并非仅由它们构成。要想形成更重、更有趣的元素，还需要恒星。

很重的金属

直到20世纪40年代初，化学家们用中子轰击铀制造出钚和镎时，人们才知道地球上有比铀重的元素。自那以后，又有24种超铀元素在实验室被合成出来。迄今为止最重的是118号元素oganesson。

超铀元素常被认为完全是人工合成的，但事实并非如此。和普通的重元素一样，它们也是在超新星爆发时被创造出来的。但它们不稳定，往往会迅速瓦解。自太阳系形成以来，天然元素已经完全衰变，因此，它们没有出现在地球上实验室之外的地方。

*暂定名称

恒星形成时，大量气体在自身引力的作用下发生收缩，使中心的温度升高，原子核开始发生聚变。第一次反应发生在大约1000万摄氏度的环境下，氢原子核聚变成氦原子核，直到氢原子核耗尽为止。

继续聚变

接下来发生的事情取决于恒星的质量。如果它很小，聚变就会停止，其核心会变成一颗白矮星。但如果恒星的质量大于8个太阳，聚变将会继续。氦原子核结合形成铍（4号元素），后者与更多氦发生反应，形成碳和氧。在质量最大的恒星中，核心温度会变得非常高，碳和氧进一步发生聚变，形成像铁（26号元素）这样的重元素。然后反应停止，因为铁有所有元素中最稳定的原子核，在这些条件下不会发生聚变。但在恒星外层，包括中子俘获在内的其他核反应正逐渐构造出越来越大的原子核，一直到铋（83号元素）。

随着铁在核心处逐渐积聚，恒星随时可能死亡，它无法继续通过聚变产生能量。但引力是冷酷无情的：它继续挤压核心，把温度提高到数十亿度。恒星的中心突然坍缩；外层塌陷，然后反弹，将恒星内部的物质喷射到太空中，成为一颗超新星。爆发产生的大量中子创造出更重的元素，直到地球上已知最重的天然元素铀（92号元素）及其他。超新星将其残余物喷入太空，这些残余物最终被纳入后来的一代代恒星和行星中，包括我们的太阳和地球。

恒星起源的一个例外是锂、铍、硼这三种元素。它们的核不稳定，会立即被恒星中的核反应消耗掉。它们很罕见，但（除了大爆炸产生的锂）它们中有很少一部分被认为产生于宇宙射线——高速穿越空间的颇大的原子核。其能量是如此之大，当它们与其他原子发生碰撞时，原子核会分解成较小的碎片 [此书分享V信wsyy 5437]。

除人工元素以外，地球上所有原子要么是大爆炸的残留物，要么是早已死亡的恒星或宇宙射线的残留物。当我们的太阳死亡时，它们可能被抛回太空，最终重新凝聚成一个新的太阳系。那是多么壮观的回归啊！

你（主要）是由星尘构成的。

人体大约含有20种不同的元素，大多是在古老的恒星内部形成的。如果把一个体重80千克的人分解成原子，你会得到如下结果：

陨石从何而来？

2013年2月15日，俄罗斯南部乌拉尔山脉以东的车里雅宾斯克，天空中有一个巨大的东西爆炸了。它在大气中燃烧殆尽，但一些碎片落到了地球上。其中一块碎片击穿了冰冻的切巴尔库尔湖湖面，留下一个宽约7米的洞。2013年10月，一名潜水员重新发现了它——重达570千克。其他更小的碎片也聚集在这片区域。

天文学家得出的结论是，这次爆炸源于一颗直径17到20米、重约10000吨的小行星。最初的爆炸发生在海拔约30千米的空中，携带的能量相当于50万吨TNT——约30颗广岛原子弹。它是人类已知的天外对地球的最大冲击。

车里雅宾斯克陨石是地球表面已被发现的30000多颗陨石之一。有的时候，陨石在落地之后很快就被发现，但大多数陨石都是在落地之后很久才被发现的。每颗陨石都有一个有趣的故事。

岩石的残留

大多数陨石都是小行星的碎片，这些碎片本身乃是太阳系形成过程中的残留物。小行星通常静静地待在离太阳较近的行星与较远的气体和冰巨星之间的一个碎石带上。但由于某种原因，小行星有时会脱离轨道或者被粉碎，偶尔会在撞向地球的途中结束生命。这些旅行中的太空岩石被称为流星。

陨石一旦着陆或者被发现，立即成为热衷于揭示太阳系历史秘密的行星科学家们的珍贵财产。

首先要查明它是什么种类的陨石，这会揭示它可能来自哪里。陨石的分类很复杂，但粗略地说，可以分为三大类：石陨石、铁陨石、石铁陨石。

事实证明，车里雅宾斯克陨石属于一种被称为“球粒陨石”的相当普通的石陨石，之所以这样命名，是因为它们包含着陨石球粒——小而圆的硅酸盐物质颗粒。

没有人知道陨石球粒的起源，但它们起初可能是产生太阳系的尘埃和气体云中的一团团熔岩。大约86%的陨石是球粒陨石。球粒陨石大多是来自小行星带的岩石，这意味着它们是形成太阳系的材料的原始遗迹。

行星有机物

碳质球粒陨石是较少见的一种石陨石，叫这个名字是因为它们当中含有像氨基酸这样极高层次的有机化学物质。这些陨石也被认为是形成太阳系的原始材料的原始团块。

还有一种石陨石是无球粒陨石，叫这个名字是因为它们缺乏陨石球粒。8%左右的陨石属于这一类。无球粒陨石并非原始物质团块，似乎是行星早期形成阶段的产物，那时物质在引力的影响下聚集在一起，形成原行星。随着温度升高，原行星开始熔化。这不仅摧毁了陨石球粒，也导致铁和镍等重元素朝中心下降，留下一个岩质地幔。这个外层似乎是大多数无球粒陨石的来源，它们是未能长成的失败行星的残留物。

少数无球粒陨石有更加明确的起源，它们曾是月球或火星的一部分。

大约1/20的陨石属于铁陨石，主要由铁和镍构成，同样是行星形成过程中的残留物——富含金属的、后来被撞碎的原行星核的碎片。这些太空金属团块有助于我们了解地球是如何分成地核、地幔和地壳的。

最后一大类陨石是石铁陨石，它们介乎石与铁之间。这些罕见的石块——只有1%的陨石属于这一类——似乎也来自失败行星的内部，靠近铁核与岩质外层之间的边界。

寻找陨石并不容易。在贫瘠的地方最容易找到它们——南极洲尤其多，因为那儿的景观是白色的，而且冰川的搅动使它们聚集在山脉底部。

小心你的头

如果你找到了一颗陨石，那么它可能来自大约4亿7000万年前裂成碎片的一颗较大的小行星。这引起了奥陶纪时期落到地球上的一场陨石雨。大多数碎片仍然在那里，即使是现在，它们也占据了坠落到地球上的陨石的大半。

陨石偶尔会击中人，但迄今为止尚无得到确认的死亡案例。1954年11月，一颗陨石击穿了亚拉巴马州一所房子的屋顶，砸中了若干家具和34岁的安·伊丽莎白·霍奇斯。她受了严重的挫伤，但后来痊愈了。1992年8月，乌干达的姆巴莱下了一场陨石雨。一颗陨石击中了一棵树，反弹起来砸中一个男孩的头，但他没有受伤。

月球和火星的碎片

从1969年到1976年，美国和苏联的航天任务把重约380千克的月球岩石带回了地球。但这些岩石并非地球上仅有的月球岩石。大量月球岩石以陨石的形式到达地球，也许是因为遭遇撞击飞离月球表面的。

火星也经常把岩石抛到地球。约有130颗陨石来自火星，我们所掌握的这颗红色星球的碎片只有这么多。其中最著名的是在南极洲发现的ALH 84001。1996年，美国宇航局的科学家们宣称它包含着火星细菌的化石遗存，引起轰动。不幸的是，科学界公认，这些证据不足以支持一个关于外星生命的结论。

正在下太空石头雨！

有超过34000颗陨石在地球表面被发现，或者被观察到正在撞击地球。

宇宙是由什么构成的？

宇宙不只包含我们眼睛看得到的东西，而是比这多得多。事实上，就宇宙的绝大部分而言，人是种怪异的存在，微不足道。构成你以及你所关心的一切事物的普通材料只占宇宙不到10%的内容；宇宙的其余部分则是由被称为暗物质和暗能量的神秘物质构成的，这是我们这个时代最伟大的宇宙奥秘之一。至于它们到底是什么，谁也说不准。

这些让人不舒服的东西中首先被注意到的是暗物质。早在20世纪30年代，荷兰天文学家扬·奥尔特就发现银河系的一些恒星的运行有些反常。要解释这种情形只有设想有些不可见的黑暗物质占据了很大一部分空间。

瑞士天文学家弗里茨·兹威基后来观察到，距地球3.2亿光年的一个星系团中存在类似的反常情形。他发现各个星系彼此围着旋转的速度要比引力基于星系中恒星的联合质量所推论的速度大得多。这表明，要么星系包含着远多于可见之物的物质，要么牛顿的引力定律是错误的。兹威基选择了前者，并认为这多出来的物质是大量看不见的气体。

不知如何是好

20世纪70年代，天文学家们对几个星系做了一次类似的观测，结果发现，这些星系旋转得如此之快，以至于应该分崩离析。他们最初选择了兹威基关于看不见的气体的解释，但遇到了麻烦。如果看不见的东西是由质子、中子和电子组成的正常物质，那我们关于恒星和星系如何形成的理解就必定是错误的：它们永远不会足够快地瓦解，以形成最初的恒星和星系。

因此，他们开始认为有其他东西存在，这种神秘的物质不吸收或发射光和其他电磁辐射，这就是我们看不到它的原因。但它与引力相互作用，因此我们可以看到它对普通物质的影响。他们称它为暗物质。

宇宙学家们现在认为，暗物质是宇宙的一种重要成分，构成了大约27%的宇宙。如果没有暗物质提供的额外引力，星系就不会足够快地形成，进而形成我们今天观测到的星系团和超星系团。

暗物质主要集中在星系周围的球形晕轮中。事实上，像我们银河系这样的螺旋星系，大部分质量并不包含在恒星和行星中，而是包含在它们周围看不见的物质中。

弱相互作用重粒子

但令人沮丧的是，我们仍然不知道暗物质是什么。根据我们最好的理论，它是由弱相互作用重粒子这种假想的粒子构成的。如果这种说法正确，那么每秒钟必定有数万亿个这样的粒子穿过地球。许多实验都试图探测弱相互作用重粒子，或者在实验室生产它们，但没有一个获得成功。

而且天文观测越详细，物体就变得越暗。有的时候，暗物质似乎太多，比如绕银河系运行的矮星系。它们旋转得如此之快，必定充满了暗物质。但这与我们的星系形成理论告诉我们的正相反，后者说，星系中暗物质的量应当与星系的大小大致成正比。

在其他时候，我们看到的暗物质又太少。整个宇宙中小星系的数量大约是我们星系形成理论预测结果的十分之一到百分之一。还有一些星系似乎不包含任何暗物质，尽管环绕它们的星团似乎承受着额外的引力。

引力问题

底线是，我们迫切需要知道暗物质是由什么构成的。如果它不存在，那么我们对引力的理解就是错误的。对于大多数天文学家来说，这都是不可想象的，他们继续把希望寄托在暗物质上，并通过观测星系的移动和旋转路径来推测它的性质。 [此书分享V信wsyy 5437]

如果说我们对约占宇宙27%的东西近乎一无所知听起来不能令人满意，那么，听到我们对另外70%的东西绝对一无所知又该作何反应？这正是宇宙学家们在1998年面对的艰难处境，那一年，一种古怪的反引力被发现，人们现在叫它“暗能量”。

这个发现始于一个测量宇宙膨胀率的常规实验，随着引力逐步对大爆炸产生遏制，宇宙的膨胀预计将会放缓。天文学家们正在寻找超新星，即正在爆发的恒星，它们发出的光将会确证这些细节。

超新星有一个不同的故事。事实证明，那些遥远的超新星距离我们比天文学家们根据宇宙膨胀放缓这个假设所预期的要远得多。天文学家们被一个不可避免的结论惊呆了：宇宙的膨胀没有放缓，而是在加速。但为什么会这样？

这已成为天体物理学中最令人头疼的问题，我们对这个问题的研究并没有什么进展。大多数物理学家都认为，解决方案在于设想一种难以捉摸的力——暗能量。它潜伏在空间的空虚地带，约占宇宙中物质和能量的70%，导致宇宙以不断增长的速度膨胀。

爱因斯坦的非凡错误

现代的暗能量概念被提出还不到20年，但阿尔伯特·爱因斯坦在1917年发明了一个非常相似的东西，作为其广义相对论的一个附加项。他意识到，引力会导致宇宙向内坍缩，于是他补充了一个修正因子——宇宙学常数，这是空虚空间所固有的一种神秘的反引力力量。后来他改变了主意，称这是他一生中“最大的错误”。我们现在知道，他是超前于时代的。

这种暗能量究竟是什么？呃……我们不知道，但并不缺乏想法：它可能是空间自身的结构所固有的一种能量，也可能是一种被称为“第五元素”的以变化的速度扩张的奇异的场，还可能是一种不同形式的引力，在某些情况下排斥他者而不是吸引，甚至可能是一种幻觉。

为什么宇宙有95%沉浸在黑暗中？

如同本页上画的软糖，宇宙大部分是黑暗的：68%的宇宙是暗能量，27%的宇宙是暗物质。这意味着，大约95%的宇宙是由我们看不到也无法理解的东西构成的。白色软糖代表我们能理解的一小部分宇宙。

黑洞从何而来？

在一个晴朗的夜晚，走到户外寻找射手座。在它之外的某个地方潜藏着一个天界怪物（你不必紧张，离我们非常遥远）：一个超大质量的黑洞。你看不到它；它被尘埃遮住了，况且它本身还是全黑的，离我们有大约27000光年之遥。但我们相信它是存在的，就位于我们银河系的中心。

我们怎么能如此肯定呢？它是怎么到那里的？

先来说重要的事情。既然没有人见过黑洞，我们是如何知道它们的？

黑洞通常被视为20世纪的一项发现，但这个想法可以追溯到1783年，当时约克郡的牧师兼业余哲学家约翰·米歇尔向伦敦皇家学会提交了一篇思辨性的论文。

米歇尔正在研究如何测量恒星的距离和大小的问题（即使是现在，这个问题也让天文学家们头疼）。他的出发点是艾萨克·牛顿的光的微粒说——光是由无穷小的微粒构成的。米歇尔推理说，恒星发出的光会由于恒星引力的作用而放慢速度。可以借由光速放缓的量来计算恒星的质量，进而算出恒星与地球的距离。

1784年，米歇尔的长篇论文发表在皇家学会的内部刊物《哲学会刊》上。它主要关注如何在地球上用棱镜测量这些数据，但除此之外还包含着一个遐想。

米歇尔推论说，如果恒星的质量足够大，它的引力将会非常强，甚至连光都无法逃脱它的控制。其计算结果是，恒星的直径需要比太阳的直径大500倍左右，才能以这种方式擒获光。他写道，如果存在这样一个天体，那么，“它的光永远也到不了我们这里”。

这个完全原创的想法偏离了米歇尔的目标，遂被搁置起来。“我不会就此做进一步的研究。”他写道。

米歇尔没有食言。他于1793年去世，似乎再未提及这个想法。

几年以后，法国学者皮埃尔-西蒙·拉普拉斯在推测非常大的恒星的性质时提出了同样的想法。它们的引力是如此之大，以至于没有光能够从其表面逸出。因此，宇宙中最大的物体可能是看不见的。

拉普拉斯或许曾打算深入研究这个想法。然而，到了1804年，一种新的理论使之变得过时，该理论认为光不是一束粒子，而是一种波。如果是这样，光将不受引力的影响。这个想法于是被遗忘了。

回到黑暗

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论使情况峰回路转，它将引力定义为像恒星这样的大质量物体所引起的时空扭曲。

意大利面条化

任何到达黑洞事界的东西都会被吸入，永远不会再被看到。这个过程被称为“意大利面条化”——引力是如此强大，能把可怜的对象（比如飞船或宇航员）拉伸成一条长长的细线，再像吃面条一样将其吞噬。

然而，由广义相对论可以得出一个奇特的预言，爱因斯坦本人并没有发觉。天文学家卡尔·史瓦西在东线服役的业余时间（1914年，40岁的史瓦西曾自愿加入德军）发现了这一点，并告诉了爱因斯坦。

史瓦西指出，如果极大的质量集中到一个足够小的空间中，时空曲率将会变成无限大。结果便是时空中会出现一个“奇点”，那里的引力强到连光也逃不掉。爱因斯坦对此印象深刻，但不相信这样的点真实存在。1916年，史瓦西在战壕里染病去世，他提出的奇点最终被当作一种纯理论的东西。1939年，爱因斯坦发表了一篇论文，据称“证明”了这一点，这件事至少暂时平静下来。

20世纪50年代，天文学家们开始用无线电波来探测深空，发现了像类星体那样能量极强且非常遥远的天体，只有通过广义相对论才能理解它们的存在。由此，物理学开始重新重视大质量天体，物理学家们渐渐承认，奇点的确可能存在。一个关键突破是“事界”的概念。事界即黑洞的“表面”，时空中的边界，引力在那里变得极大，没有什么东西可以逃脱。

到了20世纪60年代末，大多数物理学家都承认，黑洞是爱因斯坦理论的一个不可避免的结论。

黑洞是如何形成的？

质量约为太阳两倍或两倍以上的任何恒星都注定会成为一个黑洞。这样的恒星拥有巨大的引力场，从而产生向内的压力。恒星一生都在通过其中心的聚变反应来抵制这种压力。当它们耗尽燃料，无力继续抵抗时，便开始在所谓的“引力坍缩”过程中挤压自己。

黑洞的故事

没有人能确切地说出“黑洞”一词的由来。人们往往认为它源于物理学家约翰·惠勒，他在1967年的一次演讲中提到了这个词。但根据《耶鲁语录》的说法，“黑洞”一词最早出现在1964年美国科学促进会的一次会议报告中。情况很可能是，在惠勒提到之前，这个名称已经在天体物理学家中间流传，而惠勒对朗朗上口的短语很敏感，遂将其捡起并加以推广。

这有时会直接形成一个黑洞，或导致被称为超新星的大爆发，此爆发吹走了恒星的外层，只留下一个核。如果质量足够大，这个核将继续坍缩。随着坍缩材料变得越来越致密，其引力场也会变得异常强大，等它越过那个连光也无法逃脱的临界点，黑洞便诞生了。

然而，这个过程并不能解释质量至少是太阳10万倍的超大质量黑洞的起源。这些黑洞可能纯粹是由于大量物质在极长的时间里螺旋行进到一个普通黑洞中而形成的，或者是由大量普通黑洞合并而成的，还可能是由早期宇宙中极其巨大的恒星坍缩而成的。

有趣的是，虽然大家都逐渐接受了黑洞的存在，但从未有人见过任何一个黑洞。最新成果是我们最近检测到了两个黑洞碰撞所产生的引力波。

人们正计划直接给出黑洞的图像，那时它们的存在将无法逃避，如同囚禁在其中的光。

如何在时空中形成黑洞？

我们看不见也无法理解黑洞，但我们知道黑洞必定存在。

CHAPTER 2　地球

我们为何居住在距太阳第三远的岩石上？

看看太阳系的八颗行星，你很难从中看出某种家族相似性。然而，太阳系起源的故事表明，它们是由相同的原材料造出来的。

你还可能认为，这些天体毫无章法地分散在太阳系中。但如果移动今天太阳系的任何一个组成部分，或者尝试添加什么东西，整个结构将会轰然坍塌。 [此书分享V信wsyy 5437]

这种精致的结构究竟是怎么产生的呢？故事始于46亿年前，当时，银河的一湾静水中正在酝酿着某种东西。弥漫在所有星系之间的缥缈之物（氢气、氦气，以及少量尘埃）已经开始凝结。有一团云因无法抵抗自身的引力发生了坍缩。在随之产生的热和混乱中，一颗恒星诞生了，这就是我们的太阳。

生于一颗垂死的恒星

我们不知道是什么开启了这个过程。也许是冲击波——来自附近一颗恒星爆发时的死亡阵痛。但这并不是特别罕见的事件。大约80亿年前，银河系诞生，此后这类事件发生了无数次，至今仍在银河系中离我们很远的地方上演。

太阳形成的时候吞噬了云团中大约99.8%的物质。零星的残余被引力塑造成一个扁平的圆盘，环绕着这颗新生的恒星。这一原行星盘的尘埃颗粒在环绕太阳运行的同时相互碰撞，逐渐凝聚成越来越大的天体，即所谓的星子。

一旦直径扩展至约1公里，这些星子的引力就足以开始拖动周围的物质（包括其他星子），这个你拉我逃的过程最终导致行星的形成。

这个过程如何发展取决于星子与太阳的距离。圆盘最内侧的区域非常热，这意味着只有高熔点的金属和矿物才能以固态形式存在。因此，这一区域的星子只能生长到那么大，结果产生了内太阳系的四颗小岩质行星：水星、金星、地球和火星。

气体和冰

向外越过甲烷和水也以固态存在的“冰线”，这种限制就不存在了。行星在这里可以长得很大，足以开始聚集氢和其他气体的分子。木星和土星这两颗气态巨行星就是这样形成的。若是再向外一些，在更寒冷的地方，还有天王星和海王星这两颗冰巨星。

目前为止还很简单。但如果究其细节，这个模型就会变得非常模糊。没有人真的知道小石砾是如何凝聚成直径几千公里的星体的。这么小的物体会被周围的气体推来搡去，来不及粘在一起就盘旋着落入了太阳。也许是局部湍流形成了压力较低的旋涡，使岩石可以在其中聚集和凝固。

类似的问题也困扰着气态巨行星。我们可以用在其他行星系统中看到的“热木星”来说明这些行星被弹向太阳的危险。这些“热木星”的体积与我们的木星大致相同，但距离其环绕的恒星非常近，同地球和太阳间的距离差不多，或是更近一些。倘若早期太阳系发生过类似的事情，地球和其他内行星可能会被一并掷出。

太阳诞生数亿年之后，外太阳系似乎的确发生过一次剧变。模型表明，气态巨行星彼此距离更近了。然后发生了一些事情，使这种安排变得不再稳定，并把行星掷到现在的位置。但从那时起，组成太阳系的天体达成了一种宁静而微妙的平衡。

太阳系当然并不仅仅包含太阳和行星。火星与木星之间有一条被称为“小行星带”的碎石带。也许是受到木星的引力影响，这一圈原行星材料没能凝聚起来。这条小行星带主要由岩石组成，但的确包含四个相当大的天体，即谷神星、灶神星、智神星和健神星，它们的质量加起来占了这条小行星带总质量的大约一半。

很多卫星

太阳系也充满了卫星，到目前为止已有180多颗被命名。只有三颗在内太阳系：我们的月亮以及环绕火星的两颗。其余卫星则围绕着气态巨行星和冰巨星运转。人们认为，大多数卫星要么是吸积盘的残余，要么是被行星引力俘获的路过的小行星。土星和海王星的环也可能是生成太阳系的物质残余，其起源并不明确。

冰巨星以外是柯伊伯带，由大约10万个冰体（包括之前的行星冥王星及其卫星卡戎）组成的寒冷区域。这些天体也是太阳系形成过程中的遗留物。柯伊伯带非常大，从海王星轨道——距太阳30个天文单位，也就是30倍的日地距离——外侧延伸至距太阳50个天文单位。

但这仍然没有抵达太阳系的边缘。再往外是奥尔特云，这是一个主要由冰体构成的球形云团，延伸到距离太阳约两光年处。在这里，太阳的引力不再产生任何影响。奥尔特云从未被直接观察到，但一些天文学家推测，它所隐藏的东西，即我们尚未观察到的一颗冰巨星，将从根本上改变我们对太阳系的看法。

谁说太阳底下无新事！

什么在吃木星？

我们称木星和土星为气态巨行星，但大多数天文学家都认为它们有岩核。这些行星的形成方式与地球相同，然而，一旦它们的质量达到地球质量的大约10倍，其引力就会把气体拉进来，形成厚厚的大气层。

奇怪的是，一些研究表明，木星核的质量小于其应有的质量。这可能是因为它在熔解。木星的核承受着极高的温度和压力。在这些条件下，被认为是木星的核的关键成分的矿物氧化镁可能会溶入大气层。

其他世界的太阳系

月亮真的是行星吗？

太阳系有180多颗卫星，但我们的卫星独一无二。我们的卫星月亮也许不是最大的。与外太阳系的一些冰卫星不同，它没有希望庇护生命。比起它的一些竞争对手，它也许更冷，更寂静，更接近规则的球形。但说到起源，其他任何卫星都没有像它这样引人入胜的曲折故事。

虽然只是太阳系第五大卫星，比之土卫六、木卫一、木卫三和木卫四相形见绌，但月亮依然大得惊人。其直径超过地球直径的四分之一，相对于围绕运行的行星的大小，月亮差不多是太阳系中最大的卫星。

月亮的异常尺寸使其起源成了问题。这样一个天体不可能以跟其他卫星一样的方式形成。其他卫星要么是被俘获的小行星，要么是形成太阳系的由尘埃和气体组成的吸积盘的残余。

1879年，查尔斯·达尔文的天文学家儿子乔治·达尔文提出了一个解决方案。他认为，地球和月亮曾经是一个整体，因旋转太快而解体，并将自己的一部分掷入轨道。这块熔岩最终凝固成了月亮。

这个想法一度很受欢迎——曾有人提出太平洋是这一事件留下的疤痕——但在20世纪却不再受人青睐，因为数值上说不通。年轻的地球要想吐出一个月亮，就必须以不可能的速度旋转，大约每两小时就得转一圈。

大撞击

随着达尔文的想法不再受人青睐，另一个想法取代了它，这就是所谓的“大撞击”假说。它认为，太阳系开始形成之后大约5000万年，一个名为忒伊亚的火星大小的天体与地球相撞。忒伊亚斜着撞上地球，由于巨大的冲击而四分五裂，飞出的碎片最终结合成了月亮。

起初，大撞击比起别的解释并没有什么优势。它之所以被提出来，是因为其他解释都说不通。但随着天文学家们对早期太阳系的图景不断进行完善，情况发生了改变。我们现在知道，大撞击是行星形成的一个重要因素。

大撞击是目前接受度最高的解释，但也有自己的问题，这促使某些天文学家回到达尔文思想的一个修改版本。根据大撞击的说法，组成月亮的材料大半来自于忒伊亚，地球只贡献了少量材料。如果是这样，月球岩石和地球岩石在组成上应该有实质性的不同（除非由于某种巨大的巧合，忒伊亚和地球是由完全相同的材料构成的），然而对月亮岩石的分析并不支持这一点。

水月亮

事实上，组成月亮的氧、铬、钾和硅等元素同地球上的并没有什么差别。月球岩石也含有大量水。一次大撞击所产生的热量本应将这些水耗光。

研究结果表明，月亮曾是地球的一部分，由于某种原因被掷入太空，而没有被碰撞的行星污染。然而，为了避免困扰达尔文解决方案的那个问题，某处应当有巨大的能量输入。

一种极富戏剧性和猜测性的想法是，这种能量——相当于4亿亿颗广岛原子弹——来自于地球内部，通过一次巨大的核爆炸表现出来。

这并不像初看起来那样怪异。我们知道，地球内部曾经包含着自然聚集的铀，它们表现得就像核反应堆。其休眠的遗迹已在世界上许多地方被发现，尤其是在加蓬。

大约20亿年前，这些反应堆非常活跃，可能持续燃烧了数十万年，直到耗尽自己的铀供应为止。但它们的直径最多只有10米，不足以使地球裂开。

但某种类似的东西仍然可以解释月亮的起源。其基本想法是，像铀、钍和钚这样的放射性元素都集中在致密的岩石中，这些岩石在地球形成后不久沉入地下。它们聚积在外核和地幔的边界处，那里的地质力量将它们彼此拉近，形成一个巨大的核反应堆，最终超过了临界温度，发生爆炸，其威力足以将一块月亮大小的岩石掷入轨道。

中午的黑暗

如果你目睹过日全食，你就已经历了太阳系最令人惊讶的巧合之一。当月亮同太阳完美吻合时，虽然会完全遮住太阳，但日冕作为一个白热的光环依然可见。这一景象之所以会发生，是因为月亮和太阳在天空中的大小几乎完全相同（太阳直径实际上比月亮直径大400倍，但在与地球的距离上，太阳碰巧也比月亮远400倍）。

这似乎很有意义，但实际上却是一种巧合。月亮曾经距离地球近得多，目前正以每年3.78厘米左右的速度慢慢移开。所以，在遥远的过去和未来，日全食都不会给人留下如此深刻的印象。

一次较小的撞击？

还有其他方式可以回避大撞击的问题。比如，一个大小约为忒伊亚一半的天体全力撞上地球，然后深埋其中。计算机模拟表明，这会提供足够的能量将一大股熔化的物质掷入轨道，从而造就一个岩石组成与地球无差别的月亮。

另一种“小撞击”则设想有两颗大小约为地球一半的行星缓慢地发生碰撞，随后结合在一起形成了我们的地球，碰撞的残留物结合形成了月亮。

好消息是，即使核选项是正确的，也没有重复发生的危险。导致爆炸的放射性同位素现已衰变殆尽。等到下一次灾难性的撞击，我们可能就不会这么幸运了。

月亮有多大？

月亮的真实大小很难把握，但它非常大，其表面积超过了俄罗斯、加拿大和中国国土面积的总和。它是内太阳系最大的卫星，仅比土星和木星的几个大卫星稍小一些。

地球上为什么有陆地和海洋？

地球是太阳系中四颗岩石行星之一，其他三颗是火星、金星和水星。但在许多方面，地球都和它们不一样——这不仅仅是因为它庇护着生命。地球表面并不稳定，它通过缓慢但不可阻挡的板块构造过程不断自我调整。更不寻常的是，地球表面大约70%被水覆盖。

阿瑟·克拉克曾说：“把这颗显然是海洋星球的行星称为地球是多么不恰当啊。”为了理解地球不断变化的水表面是如何形成的，我们需要回到地球诞生之初。

一般认为，太阳系的时间零点是在45亿6700万年前。在那个时间点上，地球尚不存在；星子之间的剧烈碰撞正在使地球成形。到了45亿5000万年前，大约65%的地球已经凝聚在一起。这颗胚胎行星非常热，是一个完全由熔岩组成的“岩浆世界”。但据推测，此时它已经开始冷却，形成了岩石地壳。

然后又过了大约2000万年，婴儿地球在围绕太阳运转的轨道上逐渐凝固和稳定的进程被粗暴地打断了。一个火星大小的天体斜着撞上了这颗年轻的行星。碰撞产生的碎片被抛入地球的轨道，最终形成了月球。该行星的大气中充满了蒸发岩，凝聚成熔岩雨落下来，以大约每天1米的速度沉积成一片熔岩海。

地球遭到撞击

碰撞的能量也为再次熔化地球（也许直达地核）提供了足够的热量，重新创造出岩浆之海，抹去了这颗星球以前的地质记录。

然后，大约41亿年前，仿佛是雪上加霜，“后期重轰炸期”开始了。也许是被气巨星轨道的一次重新安排所触发，来自小行星带的陨石雨落在地球上，再次熔化了它的部分表面。这些灾难连同后来的板块构造和风化，使我们对地球最初的5亿年几乎没什么了解。由于当时的条件如地狱一般恶劣，这个时期被称为“冥古宙”。

在距今40亿年前的冥古宙末期，地球上出现了陆地、海洋、板块构造，或许还有生命。它与今天的地球不完全相像，比如大气就非常不同，但与因天体碰撞而形成的熔岩球有着天壤之别。它是如何形成的呢？

今天的地壳几乎完全由年龄不超过36亿年的岩石组成，冥古宙时期的环境痕迹在地面上极为稀少。留存至今的真正古老的岩石（大约占地壳的百万分之一）大都被不断熔化和压缩，已经变得面目全非。幸亏还有锆石这种微小的弹性晶体，使业已发生的事情有了一些眉目。

和山一样古老

锆石是地球上最古老的矿物，多见于澳大利亚西部的杰克山。它们由极为稳定的硅酸锆晶体组成，并含有高浓度的铀，因此我们可以根据剩余的放射性的强度计算出锆石的年龄。许多锆石的年龄都超过了40亿岁，这意味着它们是在冥古宙时期形成的。

锆石不能告诉我们，遭到撞击的地球再次冷却时究竟发生了什么，但其氧含量表明它们是在水中形成的，这说明地球上的海洋在40亿年前就处于适当的位置。这引出了许多新问题，尤其是水来自哪里，以及水为何没有径直蒸发掉。它还告诉我们，地球在冥古宙时期必定已经有了地壳，因为海洋需要依托于一个坚固的表面。

第一层地壳是玄武岩，这是一种目前仍在洋中脊形成的致密的黑色火山岩。玄武岩构成了大部分海底，并聚集成巨大的体积，从海洋中浮现，成为陆地——冰岛和夏威夷都是由从海底喷出的玄武岩聚集而成的。这个过程也发生在早期地球上。在第一个10亿年左右的时间里，地球表面由被火山岛链打断的海洋构成。

宇宙混合物

地球上很早就有了海洋，但海洋究竟是如何形成的却是一个谜。地球距离太阳很近，似乎不大可能保住从原行星的建筑材料中得来的水。

标准的解释是，海洋来自彗星和小行星等冰体所承载的水，于后期重轰炸期降临地球。但最近发往67P丘留莫夫-格拉西缅科彗星的罗塞塔号探测器对这种想法提出了一些质疑。这颗彗星上的水与地球上的水成分并不相同。

事实证明，其他彗星和小行星上的水与地球上的水差异很大。地球上的水似乎是来自整个太阳系中不同来源的混合物，是在40多亿年前一次赐予生命的撞击中到达地球的。下次你烧开水时想想这一点。

运动的世界

最早的大陆也是在这个时候开始形成的。它们由另一种被称为花岗岩的火山岩组成。这是一种在俯冲带形成的较轻的岩石，在那里，大洋板块相互滑动或者滑动到大陆板块下方。花岗岩的密度比玄武岩小得多，所以会浮在更加致密的岩石上。第一个真正的大陆地壳就是这样形成的。形成于40亿年前的一些大陆地壳碎片今天仍然存在。

花岗岩的存在告诉我们，此时构造板块必定已在动来动去，尽管完全不像今天地球表面那种全面（但极其缓慢）的搅动。

甚至有人提出，生命开始于冥古宙。最早的可信的化石来自34亿3000万年前，但41亿岁的锆石中的一些化学标记也许是生物体的遗迹。如果是这样，它们如何在冥古宙幸存下来便成了一个有待解决的新谜题。

锆石永存

大约40亿年前，这些微小而坚硬的晶体是极早期地球唯一幸存的原始碎片。它们表明，大陆和海洋的形成快得令人惊讶。

为什么天气总在变化？

如果随机在地球表面选一个位置，在那里站上一年，你会经历几乎每一种天气。例如，如果你选择伦敦的特拉法尔加广场，你大概会遇到10个暴雨天，50个寒冷的清晨，5个下雪天，15个雷雨天，一两场大风，1500小时的日照，以及数不胜数的阴天。

为什么在地球的同一个地方可以经历如此不同的天气？答案就在我们头顶，在包裹着地球的薄薄的大气层以及那个距离我们1.5亿公里的巨型热气球中。

来自太阳的天气

无论天气是热是冷，原因总是一样的：太阳发出的辐射撞上了一颗带有大气层的近乎球形的旋转的行星。由于这种简单的安排，大气层受热是不均匀的。在赤道，阳光直射到地球上；在两极，阳光则沿一个很大的倾角照射下来。因此，给出同样大小的区域，极地获得的阳光比赤道地区少。这就是两极冷而赤道热的原因。

由于这一差异，天气是流动的。热量自然地从较热的地方转移到较冷的地方，所以大气层和海洋将热量从赤道输送到两极。一颗没有温度差异的行星上不会有天气。

如果这就是全部，那么全球的天气模式会非常简单。热空气从赤道上升，然后向两极移动。在那里它会冷却、下降，然后沿地表回到赤道。于是，地表的风将从热带地区均匀地刮向两极。

但实际情况并非如此，原因很简单：地球在旋转。在这个旋转的球体上，地表及其上方的空气在赤道运动最快，在两极则完全不动。因此，地球的旋转使南北风偏向一边。这种偏向被称为科里奥利效应。

地球旋转产生的科里奥利效应很强，足以扰乱基本的南北气流，形成六个相互关联的地表风带，南北半球各三个：极地东风带、中纬西风带、低纬信风带。信风相遇的地方是一条不规则的气候带，被称为热带辐合带。

快乐的单调

极端天气能上头条，不列颠群岛的多变天气为其居民带来了谈资。但你有没有想过，地球上哪个地方的天气最温和，变化最少？美国《天气》杂志试图弄清楚这个问题。它指出，比尼亚德尔马（智利瓦尔帕莱索附近的一个沿海城镇）是气候最为单调的地方。此地白天气温终年在15至25摄氏度之间波动，通常有些阴天，下着蒙蒙细雨；很少有大风，从不结冰或下雪，偶尔会有雷暴打破这种单调。

科里奥利力还导致了远离地表的风。这些快速移动的东西风带被称为喷流。地球有四个喷流，南北半球各两个：一为极地喷流，一为亚热带喷流。

起主导作用的就是这一基本模式，但实际的风要更为复杂多变。这是因为地球并不是一个规则的球体，上面有海洋、山脉、森林和沙漠，所有这些都会影响空气的运动。

大团蓬松的云

除了风，天气的另一个基本要素是水，在我们的经验中表现为云和雨。

云的形成需要两种东西：空气中的水蒸气，以及使水蒸气上升的机制。通过地表水的蒸发和植物的蒸腾作用（从土壤中吸取水分并经由叶片释放出来），水蒸气进入空气中。上升机制可以通过三种方式来实现：第一种是暖气流上升；第二种是不同密度的空气团相遇形成锋，推动空气上升；第三种是空气被吹向山脉，被迫上升。

空气上升时会冷却和膨胀。冷到一定程度，水蒸气将无法保持气态。当气温达到这个露点温度时，水开始凝结，形成小水滴群——也就是云。如果小水滴变得足够大，就会从空中落下，形成雨、雨夹雪、雪或冰雹。

所有这一切都发生在大气层最下方7至20公里的区间，也就是我们所说的对流层。超过这个高度，由于臭氧吸收紫外线，空气突然开始变暖，这里是平流层的下界。这些因素足以解释我们经验到的所有天气，从风和日丽到狂风暴雨。

电闪雷鸣！

雷暴是最狂暴的天气之一。如果太阳足够热烈，上升的温暖气流会形成花椰菜状的积云，这种积云可以到达对流层顶部。上层区域达到凝结点之后会形成冰晶，冰晶之间相互碰撞，将电荷分离开来。当分离达到某个临界水平时，这些电荷将在一次闪电中重新聚在一起。云现在成了一场雷暴——尽管雷声本身产生的原因仍然不清楚。

世界上最猛烈的降雨总是由雷暴引起的。如果风的情况正好合适（或正好不合适，这取决于你怎么看了），雷暴还会引起自然界最猛烈的风暴——龙卷风。1999年5月，在俄克拉何马的一场龙卷风中，雷达测定的风速达到每小时486公里，这是有史以来最快的记录。

热带气旋（包括飓风和台风）是另一种极端天气系统。尽管不如龙卷风猛烈，但它极为庞大——直径达2000公里，能够产生10米以上的风暴潮，日降雨量超过1米。

热带气旋形成于海面温度超过27摄氏度的海洋上方，会造成海水大量蒸发。当这些水蒸气凝结时，潜热的释放会导致一场热带风暴。如果风暴在风力和科里奥利力的共同作用下开始旋转，就会形成地球上最具破坏性的天气系统。

随风流动

天气很难预测，但其背后的模式很简单：由大气旋涡组成的一个相互关联的系统将热量从热带地区转移到两极。

土壤来自何处？

土气无教养（common as muck）。像土一样廉价（dirt cheap）。弄脏了（soiled）。我们脚下的土很难让人感受到诗意。但如果细加端详，你会发现它是种美丽的东西。

土壤覆盖了地球的大部分表面。如果没有土，地球将是一个非常不同而且充满敌意的地方。

不同的土壤千差万别，但大体而言，它们都是混合物，固态物质和孔隙各占一半。固态物质主要是小石块和有机物（死的活的都有）。孔隙并不是空的，而是以不同比例充满了水和气体。然而，这张简单的成分清单尚不足以构成土壤。要想得到成品，还需要根据一份复杂而冗长的处方来炮制这些东西。

大多数土壤的起点是裸露的基岩。这些基岩因风化而受到侵蚀，产生了更小的碎片，积聚在表面。“风化”是一个贴切的词。当岩石受到风、雨、冰雹的袭击，又因为周期性的冰冻和融解而变得脆弱易碎时，就会发生风化。温度上升和下降时，热气流的膨胀和收缩也会产生类似的效果。

岩石还会被雨水中的化学物质所侵蚀，这些化学物质会溶解一些矿物。最后是生物风化。裸露的岩石起初被分泌腐蚀酸的细菌和其他微生物占据，接下来是地衣和藻类，它们对岩石的物理附着是强大的腐蚀因素。在夏威夷贫瘠土地上的实验表明，地衣至少能使风化加速100倍。

在成熟的土壤中，生物风化更为严重。无脊椎动物、真菌和细菌的呼吸产生了二氧化碳，积聚在土壤颗粒之间。渗入土壤的雨水溶解了二氧化碳，形成碳酸。土壤中的有机物还产生了其他酸性物质。土壤也有类似海绵的作用，在降雨之后延长了其下方岩石保持湿润的时间，这意味着化学风化可以持续更久。如此一来，土壤成了生成自身的催化剂。

最初的微生物殖民者还开启了土壤的有机化。地衣和藻类利用了这些微生物留下的东西，先用活的然后用死的有机物质逐渐覆盖了岩石。当有机物质积聚得足够多，蠕虫和节肢动物这类较大的生物就会搬进来。它们在挖掘洞穴的过程中将有机物质和矿物颗粒混合在一起，形成了孔隙空间。蠕虫分泌的黏液还能将这些东西粘在一起并固定下来。一块土壤就这样诞生了。

优雅地老去

随着土壤变厚和成熟，它可能会分化成几层，顶部是表层土，底部是下层土。一块成熟的土壤中充满了各种生命。1克土壤可能含有1亿个细菌和古细菌、1000万个病毒和1000个真菌，更不要说较大的有机物和植物根系了。单是细菌就可能有100万种。

毫不奇怪，这一切都需要时间。风化的过程费时费力，地衣生长极为缓慢。对近期夏威夷熔岩流的研究表明，至少需要一百年甚至一万年才能形成原始土壤。一百年前形成的熔岩流现在几乎仍然是不毛之地；甚至一万年前形成的那些熔岩流也只是刚刚形成某种类似土壤的东西。这表明，覆盖地球大部分面积的肥沃土壤需要千万年才能形成。非洲和澳大利亚的一些土壤可以追溯到1亿4400万年前的白垩纪时期。

20000种褐色

今天的土壤的多样性令人吃惊。基岩、气候、地形、当地生态系统和土壤年代都会影响其组成。就像对生命形态进行分类一样，我们借助于一个详尽的分类系统来把握土壤的多样性。例如，与物种分类相似，美国农业部把土壤分成目、亚目、大群、亚群、族和系。仅在美国，就有20000多种土壤被编目。

而土壤的出现比那还要早。已知最早的古土壤——化石土壤可以追溯到20亿年前，远在植物出现之前，当然更在植物占领陆地之前。这些土壤绝非原始贫瘠，而是肥厚丰腴。其中一些有一半体积是黏土矿物，后者是基岩大规模风化的最终产物。这是至少在数十万年间保持稳定的土壤的典型特征。

高地土壤

没有理由认为，古土壤的形成过程与现代土壤截然不同，尽管当时并无多细胞生物——植物、蠕虫和节肢动物——施展其魔力。或许连地衣也没有，有关它们的化石记录太稀少了，无法确知是否如此。最合理的情况是，土壤是在数十亿年前占领地表的耐寒细菌的作用下形成的。

与这个业已逝去的世界情形最接近的是犹他州峡谷地国家公园的沙漠高地。烈日当空，凉风吹拂，细菌、地衣和苔藓在岩石表面竭力生长，共同形成了所谓的隐花植物结皮。与这层结皮混杂在一起的是薄薄一层矿物和有机物的碎屑，换句话说，一种土壤。游客们只能走标记过的小路，以保护这层脆弱的土壤；一脚下去就可能踩碎结皮，使下方的土壤暴露出来遭到侵蚀。侵蚀一旦开始，就会灾难性地蔓延。

我们需要在全球范围内做好保护工作。根据联合国的说法，农业和建筑破坏了世界上超过三分之一的土壤，我们正以每分钟30个足球场的速度失去肥沃的表土。鉴于我们95%的食物是从土壤中生长出来的，土壤中包含的碳是整个大气层的三倍，其更新换代需要成千上万年，我们真的需要采取行动了。救救我们的土壤！

挖土

土壤其实不太像裸眼看到的样子，让我们把镜头移近，来一场土壤中的旅行。

为什么地球有如此非凡的大气？

做一次深呼吸，你刚刚吸入了大约2.6×1022 个气体分子，主要是氮和氧。但如果你有机会站在早期地球的表面吸一口气，你将吸入极为不同的2.6×1022 个分子，主要是二氧化碳和二氧化硫。（此后你也吸不了很多口了。）空气在很大程度上无法为我们的视觉和心灵所感知，但它的存在是一个奇迹，使地球区别于我们所知的其他星球。

从体积上说，今天地球的大气由大约78%的氮气、21%的氧气、1%的氩和不定量的水蒸气所组成。此外，还有少量二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、甲烷、氦、氖、氪，和更少量的臭氧、过氧化氢、氙、氡、氮氧化物，以及氯氟烃这类人造的工业污染物。

这一组成迥异于大气刚刚形成时情形。很早以前，地球可能被地球形成时留下的一层稀薄的大气（主要是氢）所包裹。但这种“原初大气”没持续多久就被一阵阵太阳风扫入了太空。因此，在讨论今天的空气的起源时，我们可以将它排除在外。

地球很快就获得了第二种大气，从一个看起来不大可能的来源——它自身之中。火山排出了一些较重的气体，这些气体在地球引力的牵引下无法逸入太空。彗星和小行星的撞击可能也为大气增加了一些气体。因此，今天地球上的大气是从地球放的屁和太空打的嗝演化而来的。

这第二种大气很是稠密，令人窒息，主要由蒸气、二氧化碳和二氧化硫组成。我们知道这一点是因为它们是今天火山喷发出来的主要气体。火山极为活跃，大气压可能是其如今水平的十倍，这解释了为什么早期的海洋没有蒸发进入太空。

随着阳光将二氧化硫和水这类分子分解，氧开始缓慢积聚。但它仍是大气中一种不重要的成分，直到很久以后。

数十亿年来火山喷发出来的碳和二氧化硫混合物是如何演化成一种主要由氮和氧组成的大气的呢？答案有两个：第一，大量二氧化碳溶解在海洋中，最终沉积下来形成石灰石。第二，生命出现了，从根本上改变了大气的成分。

原始烟雾

起初，生命对大气的主要贡献是甲烷，这是原始单细胞有机物将能量从氢和二氧化碳中释放出来时产生的一种废物。大约在37亿年前，一场“甲烷危机”甫一开始就几乎毁灭了地球上的所有生命。排放甲烷的微生物使大气中充满了一种烟雾，几乎将太阳遮住。

下一个重大变化是发生在约23亿年前的大氧化事件。这场剧变在大约10亿年前就埋下了种子，当时，一些微生物进化出一种从阳光中获取能量的新方式，被称为光合作用。由此产生的废物之一是此前地球上很罕见的一种毒性很大、反应剧烈的气体——氧气。

最初进行光合作用的生物并未将这种有毒废物直接排入空气，而是将它安全地封存在铁化合物中。结果产生了被称为“条带状铁矿”的铁氧化物层，在世界各地约15亿到30亿岁的岩石中可以看到。

但随后进化出了能够忍受游离的氧气的光合生物。它们将有毒废物直接释放到空气中，而不再费力将其封存起来，这样做的一个附加好处是消灭了许多竞争者。氧气开始在大气中积聚，从大约1%上升到了10%或更多。

大氧化事件也被称为氧气大灾难，因为它几乎毒死了所有生命。好在一种被称为呼吸的利用氧气的方法被演化出来，使局面化险为夷。

大氧化事件还导致了另一场灾难。光合作用吸收了大气中的温室气体二氧化碳，并最终将其封存在沉积岩内。与此同时，氧气与威力更大的温室气体甲烷发生反应。这些因素共同使世界进入了被称为“雪球地球”的全球冰河时代，历时约4亿年，直到一次火山活动产生的巨大脉冲作用使大气重新充满温室气体。也许是由于光合作用几乎停止，雪球似乎又把氧气含量拉回到很低的水平。但随着冰的融化和生命的反弹，大氧化事件再次发生。

其他星球的空气

如果你想要一颗拥有大气的岩石星球，地球可谓尽善尽美。火星几乎没有大气——只有一点二氧化碳，气压不到地球上的百分之一。这在很大程度上是因为火星比地球小，它的引力不足以保有大气层。水星更小，也更缺少大气。而金星则走到了另一个极端：它被包裹在炽热而稠密的火山气体云和硫酸中，那里的气压几乎是地球上的100倍。但在金星表面70公里以上，大气十分温和——有着充足的阳光和水，同地球类似的气压和温度——也许正好适合生命。

生命的呼吸

不过，这也不全是坏消息。大约10亿年前，通过形成臭氧保护层，大氧化事件最终使这个星球变得宜居。随着这场大戏的展开，不活泼的氮气不断从火山中喷发出来，由于无所事事，无处可去，逐渐成为大气中占比最大的气体。到了大约6亿年前，大气组成已经与我们今天所熟知的大致相同。

受到生物、地质和化学过程复杂的相互作用的影响，大气的组成和密度会随时间而变化。例如，大约3亿年前，大气中的氧气含量达到30%的峰值，飞虫甚至能长到一米长。但在过去5亿年里，空气的成分基本上与我们现在呼吸的一样。

你的每一次呼吸

每一次呼吸大约包含2.6×1022 个气体分子，其中大多数分子曾被吸入和呼出过数十亿次。

地球是如何充满石油的？

你下次乘坐轿车、公共汽车或火车旅行时，可以想一想：为你的旅行提供燃料的东西其实是成为化石的阳光，它们已经有数千万年甚至上亿年不见天日了。石油是现代文明的命脉，对于我们的繁荣和安全至关重要。人们一直为争夺石油而战，一旦石油被用光，人类将如何生存，对此我们并没有什么清晰的方案。我们每一天都要用掉近9000万桶这种东西，足以装满伦敦的5个O2体育馆。

浮游生物的力量

世界上绝大多数石油都始于漂浮在古老海洋上的浮游生物，它们通过光合作用静静地将阳光转化为有机分子，这一切真是宏伟非凡。浮游生物死后，其尸体沉到海底，那里氧气过于稀少，尸体无法分解。它们富含能量的遗骸积聚成一层厚厚的有机油泥，混杂着粉砂土、砂土和其他无机物，逐渐被一层层沉积物所掩埋。

过了数百万年，随着更多的沉积物堆积其上，油泥被埋得越来越深。一旦深度达到3千米，来自下面的热量和来自上面的压力就开始联手压迫有机分子，将它们分解成更为简单的烃链。最早的产物是一种被称为油母岩的蜡状固体。它被进一步分解或“裂解”，形成一种被称为石油的液态烃混合物，此外还有甲烷或天然气。有时温度过高，所有有机物都被分解成了甲烷。如果沉积物深度超过5千米，通常就会发生“烘烤过度”的情况。

但如果条件刚刚好，就会形成石油。最终产物的组成取决于初始材料及其受到的热和压力。低温石油厚而黑，像焦油；更高温度的石油薄而清，像汽油。颜色从黑色到棕色、绿色，甚至还有黄色。真正有价值的化合物——可以加工为燃料的煤油所占的比例从15%到60%不等。

这还不是故事的结局。石油很少淤积在地下水库中，而是常常和水一起，与岩石合为一体，我们必须将其分离出来。不仅如此，它只有在特定条件下才能形成可开采的油池。含有石油的岩石必须是多孔的，这样液体和气体才能穿过它向表面进发。含油岩上方还必须有一个储油圈闭——可能是一层致密、少孔的岩石或者是地质断层——以阻止石油渗到表面。盖岩的形状也必须正确，以便石油和天然气能在其下方积聚。然后，石油和天然气才会形成我们称之为油田的大型矿床。

矿井，矿井，矿井

幸运的是——也可能是不幸，这取决于你如何看待它——石油储量丰富，地球很大，可开采的石油和天然气矿床很常见。地球上已知的油田和气田大约有65000个，而地质学家们还在不断发现新的油气田。从这些矿井中开采出来的东西被称为原油，它是一系列产品的起点，从你加入油箱的汽油到现代世界所特有的塑料，不一而足。

确定石油的确切起源相当困难，因为石油常常在地下做远距离迁徙，无法根据它所处的岩石来确定其形成年代。但知道石油的形成年代可以帮助石油地质学家了解地下有什么东西，从而判断应当在何处集中开采。

一般是用不同生命时期所特有的生物标志物、有机化合物来确定石油的形成年代。例如，一种名为齐墩果烷的化合物只有开花植物才能产生，因此，含有这种化合物的石油的形成年代不会早于白垩纪（对于最终变成石油的有机物来说，花粉是一种虽小但并非无足轻重的东西）。

对生物标志物的分析表明，某些石油的形成年代的确极为久远，可以追溯到5亿4000万年前复杂生命演化出来之前。另一些石油则比较年轻，只有500万年左右的历史。一般认为，石油需要几百万年才能形成，但近来发现了一些很新的矿床，表明情况并非总是如此。加利福尼亚湾发现了仅有5000年历史的成熟石油，俄罗斯地质学家声称在堪察加半岛发现了只有50年历史的石油。

有些石油的起源可能是非生物，由地球形成时就已存在的碳或彗星带来的碳转化而成，但即便存在这样的石油，在我们的石油储量中所占的比例也可以忽略不计。

来自消失的大洋底部

如果说石油的形成有一个黄金时代，那很可能是侏罗纪时代，即距今约2亿年到1.45亿年之间。曾将冈瓦纳古陆和劳亚古陆隔开的特提斯海底部形成了大量石油。特提斯海最后由于大陆漂移而消失了，但还留有部分遗迹——地中海、黑海、里海和咸海都是特提斯海的一部分。但它遗留下来的最重要的东西是在大约六个中东国家地下发现的巨大能储，全世界石油供应的三分之二都来自那里。

侏罗纪时代还形成了北海石油。因此，驱动你汽车的能量有可能是一个2亿年前死去的浮游生物从阳光中提取的。

从油泥到石油

世界上第一口油井是1859年在宾夕法尼亚州泰特斯维尔附近的一个被称为油溪的地方钻探的，因为这里有含沥青的物质从地下汩汩冒出。居民们拿它当药用，但宾夕法尼亚岩油公司有更好的主意：他们打算发展一项全新的产业。

其产品是光。公司意识到，“岩油”含有煤油，而煤油是一种可用于油灯的极好的燃料。煤油很快就成了大买卖。

当时汽油是一种几乎无用的副产品，往往直接被扔掉。但是在世纪之交，托马斯·爱迪生的灯泡扼杀了煤油生意之际，石油商发现了新的有利可图的东西。亨利·福特开始制造作为现代生活典型特征的内燃机，汽油骤然获得了一个巨大的、不断扩张的市场。

文明的命脉

化石燃料使我们消耗的能量可以达到一名狩猎-采集者的100倍。换句话说，拥有这些燃料就相当于拥有100名奴隶。

CHAPTER 3　生命

生命从何时开始？

四十亿年前，地球表面开始冷却。陨石撞击、火山喷发，以及有毒大气的笼罩，使地球上一片狼藉。尽管环境恶劣，还是有一些不寻常的事情发生了。出现了一个或一组具有自我复制能力的分子。在我们这颗年轻的星球上发生的所有令人惊叹的事件中，这是最让人惊叹的。

这些自我复制者一出现，自然选择便开始了。有些后代发生的变异更有利于它们自我复制，这些后代受到偏爱。很快，最早的一批简单细胞出现了。生命开始了。

达尔文是最早思索生命如何开始的人之一。他设想有一个“温暖的小池塘，其中充满氨和磷酸盐、光、热、电等各种东西”。

如今这个温暖的池塘已不再被视为可能孕育生命的摇篮。但也有关于远海带、深海裂口、放射性海滩和黏土块的起源假说被提出。最重要的是，我们不知道生命从哪里开始以及如何开始。但我们凭借已知的东西足以给出一个合理的猜想。

大事件开启

最早的无可争议的细菌化石可以追溯到大约30亿年前，但大家倾向于认为，生命在更早之前就已经开始了，至少是35亿年前，但具体时间很难确定。许多古岩石都包含着据说是生命证据的物理结构和化学特征。其中最早的可以追溯到41亿年前，考虑到当时地球正在经历“后期重轰炸”，这个年代似乎太早了点。对生命起源时间最合理的猜测也许是38亿年前。

如果说何时开始很难确定，那么如何开始就更难确定了。任何关于生命起源的理论都需要解释三件事：基本构件是如何组装成复杂分子的；这些复杂分子是如何被包进一个类似细胞的封闭空间里的；驱动这一过程的能量源自哪里。海床上那些被称为碱性热液喷口的地方最能帮助我们针对这三点形成理论。它们与众所周知的火山热液喷口或“黑烟囱——即热水从火山裂缝涌出的地方——迥然不同。

我们今天在地球上发现的并且假定在早期地球上普遍存在的碱性喷口远没有那么动荡，它们其实是缓慢渗出温热碱液的海床裂缝，是在海水渗入海床并与一种被称为橄榄石的矿物发生反应时形成的。上述反应从氢中富集水并产生热，使热液升回海床。当热液遇到冷海水时，矿物析出，逐渐形成高达60米的精致易碎的石烟囱。这种结构为孕育生命提供了一切所需。

生命来自外太空

关于地球上生命的起源，泛种论是一种极富思辨性的想法。它提出生命起源于银河系的其他某个地方，可能是火星，然后被某颗彗星或流星带到地球。如果是这样，我们都是天外来客，生命必定比地球上存在生命的大约40亿年更古老。然而，泛种论并没有回答“生命是如何开始以及何时开始”这个基本问题，而只是将问题移到了别的地方。

基本构件

首先得有化学物质。烟囱壁上富含的矿物质能够催化喷口热液中含量很高的二氧化碳和氢，合成复杂的有机物。这使作为生命基本构件（包括氨基酸、糖，尤其是RNA）的分子能够自发形成。

作为DNA的近亲，RNA对于我们思考生命的起源至关重要。当生物学家们刚开始思考这个问题时，它似乎令人困惑。所有生命有机体都依靠蛋白质来完成各种生命活动。蛋白质可以折叠成各种形状，因此几乎可以做任何事情，包括对生命的化学反应起催化作用。然而，制造蛋白质所需的信息存储在DNA中。没有DNA就不能制造新的蛋白质，同样，没有蛋白质就不能制造新的DNA。那么，它们哪一个先出现？

RNA既能像蛋白质那样折叠，又能对反应起催化作用，这项发现解决了“先有鸡还是先有蛋”的问题。大约25年前，它引出了一个想法，即第一个生命体是由可催化自我复制的RNA分子构成的。而碱性喷口似乎是这个RNA世界发生演化的一个理想场所。

接下来要阻止分子到处扩散，这一点喷口本身就能做到。其多孔结构内部是微小而相互连接的细胞一样的空间，被轻薄的矿壁所包围。这些矿壁可以容纳并聚集RNA以及在矿壁表面形成的其他复杂分子。

RNA的世界还需要能量，以便在热液与海水相遇的地方形成天然“电池”，而热液喷口就能提供这种能量。海水是酸性的（质子富集），而喷口的热液是碱性的（质子贫乏），两者相遇处存在极大的质子浓度差。由于质子带一个正电荷，这种梯度差异在整个界面产生了一种电势。

这种能量将进一步驱动二氧化碳与氢之间的反应，加速复杂分子和更长的RNA链的形成。在某一时刻，原细胞演化出了一种利用梯度的方法。演化中这关键一步的最佳证据之一是，活细胞仍然被整个细胞膜上的质子梯度赋予动力。

简易处方

有许多步骤需要填补，但碱性热液喷口对RNA世界来说是一个绝佳的地方。碱性热液喷口并非唯一的选项，但却是我们关于生命摇篮的最佳猜想。

此外还有许多问题。生命是如何摆脱这些喷口的束缚的？从RNA向DNA和蛋白质的转变又是如何发生的？

我们可能永远无法知晓。但如果热液理论站得住脚，那么它揭示了某种相当深刻的东西。生命的出现远非深不可测的奥秘，而是一个拥有岩石、海水和二氧化碳这三种基本成分的行星系统近乎必然的结果。

生命的三种成分

复杂生命是如何演化出来的？

正如达尔文在《物种起源》中所说，我们生活的这个星球是“无数最美丽形态”之一。但如果回到几十亿年前，事情看起来就会非常不同。尽管那时地球已经存在了20多亿年，但生命仍然极为原始——只有细菌以及与之表面相似实则非常不同的古生菌。当时最复杂的生命体是诸如叠层石和微生物席这样的微生物群落。没有植物，没有动物，只有由岩石、河流和海洋组成的贫瘠景象。

那无数最美丽形态的出现可谓是自生命出现以来地球上发生的最重大的事件。它肯定是看起来最不可能发生的事情之一。

多年以来，生物学家们一直假定复杂生命的出现是演化的必然结果。简单的生命一旦出现，就会逐渐演化成更复杂的形态，最终导致动物和植物的出现。实际情况似乎并非如此。从简单细胞首次出现到演化出复杂细胞，其间存在着一个极其漫长的间断——接近地球年龄的一半。事实上，在40亿年的演化过程中，简单细胞演化出复杂细胞似乎只发生了一次，这暗示生命的出现是一个不寻常的偶然事件。

缺失的环节

如果简单细胞经过数十亿年才逐渐演化成更为复杂的细胞，那么应该存在各种中间形态的细胞，并且其中一些存留至今。但实际上一个也没有，而是存在着一道巨大的鸿沟。一边是微小的细菌和古生菌，统称为原核生物；另一边则是庞大笨重的真核生物，这是第三个大的生命域。一个典型的单细胞真核生物，如变形虫，其基因组要比细菌的大15000倍。

原核生物只不过是微小的化学材料包——此包固然复杂，但与拥有细胞器、内膜、骨架和运输系统等微型器官的真核细胞无法相提并论。真核细胞之于原核细胞就如同人之于变形虫。

细菌永远不会形成比相同细胞链或菌落更复杂的东西，真核细胞却可以聚集起来，形成从海藻到红杉、从土豚到斑马的一切事物。所有复杂的多细胞生命形态，或者说你在你周围所能看到的几乎所有生物，都是真核生物。

乏味的地球

如果生命有时显得单调乏味，不妨想一想距今17亿至7亿年间生活在地球上的居民。这段极为漫长的时间太平无事，以至于生物学家称之为“乏味的10亿年”。其原因似乎是地质的，而非生物的。那时，虽然地壳已经凝固了，但板块构造并没有开始，由此导致了一段漫长的地质停滞期，没有发生裂陷、火山活动、造山运动、大陆漂移等往往会驱动演化的剧变。

所有真核生物都是从同一个祖先演化而来的。如果没有那起“一次性事件”，生命将仍然囿于其单调乏味的微生物形态。细菌和古生菌的细胞只是不具备演化成更复杂形态的能力罢了。

那么到底发生了什么？这个决定性的事件似乎发生在大约20亿年前，那时一个简单细胞不知怎的进到了另一个里面。宿主细胞的身份并不明确，但我们知道它吞噬了一个细菌，该细菌便鸠占鹊巢，开始在其内部生活。两者渐渐找到了和平共处的方式，最终形成一种被称为“内共生”的共生关系。

通过无数代的协同演化，这些内共生体最终变成了一种被称为“线粒体”的细胞器。之前细菌解体后留下的这些遗迹逐渐演化出了一项重要功能：为细胞提供能量。这是使生命摆脱其微生物枷锁并且演化出无数最美丽形态的关键一步。

快速增大

一旦有了线粒体，细胞就可以克服阻止细菌和古生菌长大的一个基本障碍。简而言之，微生物所能产生的能量是有限的。细胞的通用能量货币三磷酸腺苷是在细胞膜上制造的。随着细胞越长越大，它们的表面积与体积之比开始下降，膜相对来说不够用了，其能量需求很快超过了供给。含有线粒体的细胞自身有用来制造三磷酸腺苷的膜，只需增加线粒体就能解决能量问题——做到这一点并不难，因为线粒体保有其细菌祖先自我克隆的能力。

早期的真核生物富含生产能量的线粒体，因此可以不受约束地长大，逐渐形成更大更复杂的基因组。得到扩展的基因组则提供了遗传的原材料，允许演化出更复杂的生命。

由太阳提供能量

故事并没有到此结束。新一轮内共生被认为创造了叶绿体，这种细胞器使植物和海藻能通过光合作用把太阳光转化为糖。这里的内共生体是一种光合细菌，它大约在28亿年前第一次出现在地球上。细胞核是另一项关键发明，真核生物将其大部分DNA储存在这里。它可能是通过又一次内共生（也许是一个病毒）创造的。真核细胞还获得了其他细胞器，比如合成蛋白质的内质网，以及可能是通过细胞膜的折叠将蛋白质配送到目的地的高尔基体。

所有这一切都为复杂的多细胞生命形态的出现做好了准备。不可否认，这花了不少时间。最早的大型多细胞生物是埃迪卡拉动物群，它们是在大约7亿年前出现的海洋生命形态，最后消失于大约5亿4000万年前那场所谓的寒武纪生命大爆发，我们熟知的大多数动物形态都是在这个时候第一次出现。

不过，埃迪卡拉动物群的起源可以追溯到线粒体的演化。这似乎取决于当初的一个偶然事件，即一个简单细胞吞噬了另一个。关键在于，简单生命看起来近乎必然，而演化出你我这样的复杂生命却让人难以置信。这正是地球上真正的生命奇迹。

生命的攀升

复杂细胞的出现使生命从微观的池塘泡沫演变成我们今天看到的千姿百态。

为什么我们要有性（除了很明显的原因）？

鸟类、蜜蜂和跳蚤都有性，植物、真菌和变形虫也是如此。性似乎无处不在。但如果从生物学的角度来看，它只是少数物种的追求。生命在地球上出现后的头20亿年，性并不存在。即使是现在，主宰地球的生物——细菌和古生菌——依然是无性生殖。

有些家伙的生殖器比其他物种的大

大猩猩的阴茎3.8厘米

人的阴茎13厘米

马的阴茎45厘米

犀牛的阴茎61厘米

犀牛的阴茎61厘米

马的阴茎45厘米

因此，性的起源有点神秘。如果说性的起源难以理解，那性的功能就更令人困惑了。

乍一看这似乎有些可笑。可以肯定的是，性有一个明显的功能：它可以造成变异，为演化提供原材料。遗传信息的排列重组有助于物种适应自然环境，促进有益基因在种群中的传播，消除有害基因。

但这种常识性的观点有很大问题。首先，性是非常低效的。相比而言，克隆自己的效率要高得多。比起性，克隆能产生更多后代，这意味着无性生殖的物种能凭借生产更多的后代来争夺相同的资源，从而迅速推动有性物种的灭绝。

不仅如此，每一个无性生殖的物种都有一套能够适应环境的基因组合。而性则创造出新的、未经检验的、可能较为低劣的基因组合。事实上，性所导致的重新组合往往会破坏而非产生有利的基因组合。

当然，长期来看，比如在千百万年的时间里，性是一个优势。无性的物种最终会积累无法消除的突变，导致该物种灭绝。但演化并不像那样起作用。它事先没有计划，它所关心的只是此时此地。

考验和磨难并未到此为止。有性生殖的物种必须找到配偶，击退竞争对手，还要冒着染上性传播疾病的风险。

最后，如果性的好处那么突出，为什么细菌和古生菌不停地交换DNA，也没有演化出性呢？反过来，如果无性生殖这么了不起，为什么几乎所有真核生物都会至少在某些时候进行有性生殖？所有这些疑问都使性成为生物学中最让人头疼的问题之一。

多年以来，这个问题的最佳答案是“红皇后假说”，它是“性意味着变异”这种观点的一个微妙的变体。它设想寄生者与其宿主之间在进行一场军备竞赛。寄生者的传代时间是如此之短，以至于能够淘汰宿主。通过使基因与每一代产生新的混合，性至少能使一些个体存活下来。它之所以被命名为“红皇后”，是因为就像《镜中世界》里的爱丽丝一样，我们只有不停地奔跑，才能待在原地不动。

不幸的是，这个假说并没有解决问题。只有当寄生者的基因传递非常迅速、效果非常显著时，寄生者才会赐予性以决定性的优势。在正常情况下，无性生殖仍然占据优势。

纠缠的三角恋

从人类的视角来看，有性生殖是一对一的事情：既有男性，又有女性，才能生出孩子。其他许多动物和植物也是如此，但这绝非普遍适用。一些蠕虫、海绵动物、软体动物和植物是雌雄同体，这意味着任何个体都可以与另一个个体或它自身进行交配。人们发现，有一类蚂蚁有三种性别——蚁后和两种雄蚁。蚁后与一种雄蚁交配生出工蚁，与另一种雄蚁交配生出蚁后。所以整个蚁群是三种性别的产物。

近年来，一种新的解释开始引起关注。它主要基于一项发现，即所有真核生物都是（或至少过去是）有性生殖（虽然有大量物种是无性生殖，但它们演化出孤雌生殖是最近的事情）。逻辑结论是，性很早就在真核生物的谱系中，在大约20亿年前所有真核生物的共同祖先那里演化出来了。

除了性，将所有真核生物联合在一起的另一点是它们都拥有为细胞供应能量的线粒体。新的解释声称这绝非巧合：线粒体使性的演化变得不可避免。为什么会这样？关键是线粒体有自己的基因组。这是在真核生物演化之初被吞噬的完整细菌基因组的残余。我们知道，随着二者的共同演化，大部分基因被转移到宿主的基因组中。共生体也用寄生的跳跃基因轰击宿主。

爱战胜了一切

换句话说，线粒体的出现释放了一次动荡的遗传分裂。在这么高的突变压力下，平衡被打破，有性生殖变得比无性生殖更有利。任何演化出线粒体的早期真核生物都会淘汰其无性生殖的竞争对手。

线粒体也能解释为什么性在今天仍然有优势。线粒体基因组可以编码重要的基因，但却不能对自己的基因做任何事情。例如，它依赖于核基因组来合成蛋白质和复制其DNA。因此，细胞的两个基因组的密切合作对于细胞的功能至关重要，特别是在生产能量这项关键任务中。

这种合作是性所保证的。由于线粒体基因组的突变率比核基因组的高（在哺乳动物中大约高10倍），两个基因组之间的一致性渐渐被瓦解了。我们和我们的线粒体日益疏远，虽然这是线粒体之过，但受苦的却是我们。性通过产生更符合线粒体需求的新的核基因组合来解决这种不和谐。

这就是为什么要有性。但性是如何发生的，我们仍然知之甚少。最简单的真核生物变形虫的有性生殖是通过把基因组分成两半，然后把自身一分为二，每一部分包含一半基因组；随后，这些半变形虫再彼此结合，形成新的个体。第一次有性生殖也许是这样发生的。

以上叙述虽然粗略，但有性生殖大体上就是这样。性仅仅意味着把一个基因组分成两半，使它与来自他者的另一个半基因组相结合，产生一个新的完整的基因组。人和其他大多数动物是通过两性交配使其半基因组与另一个半基因组相结合而做到这一点的。谁说浪漫已死？

精子邂逅卵子

生命发展出了各种怪异而奇妙的方式来完成性的基本目标：配子相遇，从而创造出新的个体。

为什么会有这么多种令人头皮发麻的小爬虫？

如果你想通过发现一个新的动物物种而名留青史，那你实际上只能从一个地方起步：沙发底下，或者布满灰尘的窗台。如果仔细观察，你可能真会发现一种以前没人知道的昆虫。

科学家们每年大约会对2万个新的物种做出描述——大多数是无脊椎动物，其中有大约1万个是昆虫。

不管你喜欢还是讨厌，昆虫都是动物王国的成功传奇。在已知的动物中，有四分之三是昆虫，达到100万种的惊人数目，此外还有四五百万种尚未被发现。而脊椎动物的种类只有不到7万种。当今地球上活着的昆虫数量可能有1000亿亿之多，也就是说，地球上每一个人都能分到10亿多只。它们是第一批征服陆地的动物，大量分布在包括南极洲在内的每一片大陆上，似乎根本不会灭绝。简而言之，昆虫是地球上最成功的动物，无论是在陆上还是在空中。

石化的迷你森林

已发现的最古老的昆虫化石距今有4亿1000万年，那时生命正第一次尝试登陆。

这些化石埋藏在苏格兰莱尼村附近一片田野下面。莱尼燧石层是受到特殊保护的矿床或化石沉积层。当灼热而富含矿物质的水从火山泉中涌出并将途经的一切瞬间石化时，地层中包裹的那些东西便成了化石。

莱尼燧石层中充满了变成化石的生命，大多是微小的植物，但也有一些长着坚硬外甲的早期节肢动物，包括甲壳类、蜘蛛、螨、跳虫等。人们曾认为其中没有昆虫，但在2004年，古生物学家们在显微镜下发现了一些保存完好的口器，它们只可能来自昆虫。

而且不是随便哪种昆虫；这些口器看起来极为现代，这意味着当莱尼燧石层形成时，这些昆虫已经相当先进了。这将它们的起源回推到更早的时候。

至于它们是从什么东西演化而来，最初的猜测是多足纲节肢动物——该群体包括千足虫、蜈蚣等。如今则认为是多足甲壳类动物，即今天只生活在海岸洞穴中的水生盲眼甲壳动物。它们在大脑、神经系统和蛋白质等方面的相似之处表明，它们拥有一个古老的共同祖先。这暗示昆虫是在海陆的交界处演化出来的。

这里有怪物

大约3亿年前，昆虫的体型突然激增。例如，捕食动物的巨脉蜻蜓双翅张开可达70厘米。触发这一变化的是氧气。树木已经出现，由于没有什么生物能分解木材，所以它们不会腐烂。氧含量因此上升到31%，是当今世界的一半。昆虫通过微型气管呼吸，将氧气运送到它们的组织中，这决定了它们所能达到的体型。有了更多氧气，它们就能长得更大。

巨型昆虫一直延续到大约1亿5000万年前，当时它们的翼展突然缩小到一半。原因可能是一种新的捕食昆虫的飞行物种——鸟类出现了。

爬上陆地

这种想法得到了一项关于昆虫和其他节肢动物的大型基因研究的支持，该研究将昆虫纲的位置确定为紧挨着甲壳纲，并把它们的起源时间定于大约4亿8000万年前。这使它们成为最早在陆地上行走的生物之一。

登陆是一项艰巨的挑战，需要应对包括脱水、重力效应、呼吸、每日温度骤变和阳光等问题。尽管有坚韧的外甲，它们仍然花费了数百万年才演化成真正的陆生昆虫。当今一些最原始的物种，比如石目，仍然需要在潮湿的土壤中生存。

但陆地也提供了巨大的机遇。陆地上比海里食物更多，天敌更少。昆虫的演化实际上开始于大约4亿4000万年前的物种大爆炸。

随后的发展将它们带到了另一个层次：飞行。最古老的昆虫翅膀化石距今已有3亿2400万年，但在莱尼燧石层中发现的口器几乎可以肯定来自一类会飞的昆虫，由此可知，飞行很早就演化出来了。

在长达2亿年的时间里，昆虫一直统治着天空，直到翼龙出现。翅膀给了它们极大的推动，帮助它们寻找食物和配偶，拓殖新的栖息地，躲避天敌，调节体温。

昆虫正在酝酿一次更彻底的转变——也许是最重要的一次。大约3亿年前覆盖地球的沼泽森林的化石遗迹中有目前已知最早的经历完全变态的昆虫——正是经由这个过程，现代的毛虫变成了飞蛾和蝴蝶，蛆变成了丽蝇。

昆虫从根本上受制于它们坚韧的外甲。在完全变态之前，昆虫已经经历了一系列成长阶段，每个阶段都伴随着一次蜕皮，使类似于成体的幼虫能够逐渐变大。完全变态使昆虫的生命周期可以划分为不同阶段，幼虫专注于进食，成虫则专注于繁殖。这种革新卓有成效，如今超过八成的昆虫种类都是如此，包括某些极为成功的物种，比如甲虫、跳蚤、黄蜂、蜜蜂和蚂蚁等。

顽强的家伙

昆虫似乎也因为变态而不致灭绝。与其他东西一样，在毁灭了所有已知物种的90%的二叠纪生物大灭绝期间，昆虫也遭到重创。约有一半昆虫科消失了，但大都是非变态昆虫。变态昆虫几乎未受影响。二者的差异也许在于幼虫与成虫之间的过渡阶段，那时昆虫变成了蛹。蛹能忍受结冰、干燥等各种环境侵袭，面对环境压力非常坚强。

6500万年前，小行星撞击地球导致恐龙灭绝，而昆虫却轻松地度过了这一劫。或许，即使我们这些脆弱的人都消失了，顽强的昆虫也能安然度过我们所遭遇的任何事情，作为世界上最成功的动物继续其统治。

虫子星球

昆虫种类约占现存所有生物种类的一半，这使它们成为世界上已知最成功的生命形态。

恐龙时代始于何时？

末日是突然降临的。一颗直径10公里的小行星或彗星猛烈撞击墨西哥湾，砸出一个直径约180公里的陨石坑，引发了全球范围的大火、火山喷发和巨型海啸，产生的余烬遮天蔽日长达数年。恐龙——以及同它们一起灭绝的另外75%的生命——气数已尽。

6500万年前恐龙灭绝的故事众所周知，但了解恐龙起源的人就没那么多了。在至少1亿3500万年的时间里，恐龙一直是陆地上的霸主，其统治时间是所有物种中最长的。倘若碰撞没有发生，它们也许仍然统治着地球。这些高大威猛的野兽是从哪里来的呢？

多年以来，古生物学家一直认为恐龙是凭借演化上的优势在2亿年前迅速崛起的。恐龙开始出现的三叠纪时期被认为仅仅是真正的恐龙时代的一次彩排——“简化版侏罗纪”。

如今我们知道事实并非如此。恐龙成功靠的是运气：它们在正确的时间出现在正确的地方。同其灭亡一样，它们的起源和全盛时期也是由灾难性的大灭绝所引发的。

在2亿5100万年前，二叠纪结束的时候，超过90%的生命突然消失了。灭绝的原因仍存在很大争议，但其灾难性的影响却毋庸置疑。生命几乎完全灭绝，只留下荒凉空旷的盘古大陆。少数植物和大型陆地动物不知以何种方式幸存下来，在接下来的5000万年里，逐渐用生命重新填满了这颗空旷的星球。

第一批是现在被称为“下孔类”的似哺乳类爬行动物。它们主导着三叠纪早期，并演化出了哺乳动物。第二批是从二叠纪幸存下来的“双孔类”爬行动物，到了三叠纪中期，它们开始占据统治地位。从此以后，动物就开始变得巨大而可怕了。

占统治地位的爬行动物

其中一些动物向水生发展，演化成少儿恐龙图书中常见的鱼龙、蛇颈龙以及其他各种海洋爬行动物（虽然它们并不是恐龙），另一些则演化成蛇和蜥蜴。但最有趣的演化行为发生在被称为主龙类的陆生动物身上。

走出阴影

恐龙在三叠纪末期的崛起类似于哺乳动物在白垩纪末期的崛起。在阴影中生活了数百万年之后，它们忽然发现自己占据了优势，这个世界已经基本上为它们所独享。化石表明，虽然恐龙在三叠纪晚期为数稀少，但在侏罗纪早期却占据了统治地位。在短短3万年间，最大的恐龙足迹就从25厘米跃升至35厘米。这意味着有某种东西使这些足迹的尺寸在此期间增加了一倍。这的确是恐龙时代真正的黎明。

经典的看法是，主龙类出现于三叠纪中期，并迅速演化出了鳄鱼、恐龙和会飞的翼龙。它们也演化出了少数其他类别，但都不太重要。恐龙几乎是刚一出现就摆出一副气势汹汹的姿态。得益于优越的演化适应性，它们很快便成为陆上动物的霸主，使三叠纪成为“恐龙时代的发端”。

事实真是如此吗？最早的恐龙化石的确可见于三叠纪中期的岩石，最古老的来自于安第斯山脉阿根廷段的丘陵地带的一个有2亿3000万年历史的岩层。

最早的鸟类

首先得到确认的是埃雷拉龙，一种非常原始的两足肉食动物。埃雷拉龙于1959年被发现，之后被归入所谓的兽脚亚目，从兽脚亚目最终演化出了霸王龙、伶盗龙和现代鸟类。

几年以后，始盗龙被确认，它所属的谱系最终演化出了巨大的长颈蜥脚草食恐龙，比如梁龙和迷惑龙等。

皮萨诺龙的发现补全了恐龙演化的图景。它是鸭嘴龙的前身，这表明甚至在这个早期阶段，恐龙就已经分成了两大家族：包括兽脚类、蜥脚类在内的“蜥臀目”恐龙，和像鸭嘴龙和剑龙这样的“鸟臀目”恐龙。

然而，近年来的发现挑战了这一观点，即恐龙的统治地位是一个既成事实。其他各种生物远非配角，实际上是这场表演的明星。直到三叠纪结束时另一场灭绝来临，恐龙才开始走到舞台中央。无论出于何种原因，这场大灾难给别的生物造成了毁灭性的打击。各种奇形怪状的巨型爬行动物永远消失了。一如恐龙灭绝为哺乳动物的崛起扫清了道路，三叠纪爬行动物的灭绝也预示了恐龙时代的到来。三叠纪晚期是恐龙的鼎盛时期。有关恐龙统治的错误观念源于这样一个事实，即三叠纪陆生动物的化石很罕见，而且通常是不完整的。当科学家们发现三叠纪化石看起来像恐龙时，便在逻辑上假定它们就是恐龙。

这些化石包括劳氏鳄目，它们是体型像熊和狮子的长腿食肉动物，最大的身长可达7米。其中一些形态很奇特，比如长有背帆的亚利桑那龙。另一组占统治地位的食肉动物是植龙目，这些大型爬行动物长着鳄鱼那样狭长的嘴，看起来有点像现代恒河鳄。

最常见的草食性主龙是坚蜥目，这些低矮的动物身躯长达5米，头很小，像恐龙时代的甲龙一样浑身覆盖着鳞甲。

在接下来的1000万年里，世界属于这些鲜为人知的动物，恐龙的角色毫不起眼。之后发生了2亿年前的三叠纪-侏罗纪大灭绝，这是过去5亿年间地球上发生的五次最具破坏性的灭绝之一，但很少受到关注。这既因为没有明显的触发原因，也因为被它夺去生命的受害者缺乏魅力。

由于一些尚不清楚的原因，主龙类遭遇了灭顶之灾，剩下恐龙继承了地球的统治权。

恐龙，或是……

恐龙时代并不仅仅属于恐龙，还有许多爬行动物漫游在大地、海洋和天空中，包括揭示恐龙如何演化为鸟类的长着羽毛的爬行动物。

眼睛是如何演化出来的？

眼睛的出现在生物演化过程中只是一瞬间，却永远改变了生命的规则。在眼睛出现之前，生命更为温顺，行动迟缓的软体动物懒洋洋地待在海里，统治着生命世界。眼睛的出现引出了一个更加凶残和充满竞争的世界。视觉使动物得以变成活跃的猎食者，它所引发的演化上的“军备竞赛”改变了整个地球。

第一双眼睛出现在大约5亿4100万年前，那时寒武纪刚刚开始，复杂的多细胞生命纷纷出现。这种拥有眼睛的动物被称为三叶虫，现已灭绝，看起来有点像大个的海潮虫。它们的眼睛是复眼，与现在的昆虫相似。从化石记录看，眼睛是突然出现的。5亿4400万年前的三叶虫祖先根本没有眼睛。

那么，在这神奇的几百万年间究竟发生了什么？眼睛将视网膜、晶状体、瞳孔和视神经巧妙地组合在一起，这样复杂的器官怎么突然就出现了呢？

自然的设计

长期以来，眼睛的复杂性一直是演化论中的争议焦点。自从1802年威廉·佩利提出了钟表匠类比，声称像钟表这样复杂的东西背后一定有一个设计者，神创论者就常常套用它来提出自己的“设计论证”。他们说，眼睛是如此精致和复杂，让人难以相信它们是通过自然选择和随机突变的积累演化而来的。

达尔文很熟悉这个论证。他在《物种起源》中承认，认为如此复杂的眼睛是演化出来的，这似乎“荒谬至极”。但他进而令人信服地论证说，这只是看起来荒谬罢了。只要每一次渐变都有用，复杂的眼睛是能够通过自然选择从非常简单的眼睛演化而来的。达尔文说，问题的关键在于，要在动物王国中找到复杂性处于中间阶段的眼睛，以展示一条从简单到复杂的可能的路径。

如今，这些中间形态已经被发现。根据演化生物学家的说法，从最原始的眼睛演化成像我们这样复杂的“相机”眼睛需要不到50万年的时间。

第一步是演化出感光细胞。这似乎是一件无足轻重的事情。许多单细胞生物都有由光敏色素组成的眼点，有些甚至可以游向光或远离光。这种基本的光感应能力赋予了它们明显的生存优势。

对于多细胞生物而言，接下来的一步是把它们的感光细胞集中到一起。感光细胞构成的斑块也许远在寒武纪之前就已经普遍存在，它们能让早期动物探测到光，感知到光来自什么方向。这种发展不完全的视觉器官现在仍然被水母、扁形虫和其他原始物种所使用，显然总比没有好。

走出黑暗

带有感光斑块的最简单的有机体是与水母有关的淡水生物——水螅。它们没有眼睛，但如果暴露在亮光之下则会缩成一个球。从演化的角度来看，水螅很有趣，它们基本的感光设备很像我们在包括哺乳动物在内的其他演化谱系中看到的。它基于两种类型的蛋白质：光照射时会改变形状的视蛋白，以及通过产生电信号来响应形状变化的离子通道蛋白。遗传研究表明，所有视蛋白/离子通道蛋白系统都是从一个类似于水螅的共同祖先演化而来的，所有视觉系统共有一个演化开端。

下一步是演化出一个包含感光细胞的小凹陷，这使它更容易辨别光的方向，从而感知到运动。凹陷越深，辨别力就越敏锐。

要想做进一步的改进，可以缩窄凹陷的口径，使光经由一个小孔进入，就像针孔照相机那样。有了这种设备，视网膜就能分辨图像——这是对之前模式的巨大改进。缺少晶状体和角膜的针孔成像眼如今可见于鹦鹉螺。

最后一个大的变化是演化出了晶状体。起初它可能是覆盖开口的皮肤保护层，后来却演化成一种能把光聚焦到视网膜上的光学仪器。这件事情一旦发生，眼睛作为成像系统的效率便会暴涨，从大约1%跃升到100%。

这种类型的眼睛依然可见于方水母，这是一种快速移动的、有毒性的、类似于水母的海洋食肉动物。它的24只眼睛排列成四簇；其中16只仅仅是感光凹陷，但每一簇中有一对眼睛包含复杂的晶状体、视网膜、虹膜和角膜。

追踪与捕食

三叶虫走了一条略微不同的路线，演化出了带有多个晶状体的复眼。但基本的事件序列是相同的。

并非只有三叶虫偶然演化出了眼睛，尽管它们是最早的。生物学家们相信，眼睛是在许多（可能有数百个）情境下独立演化出来的。

眼睛带来的变化多大啊！在寒武纪早期的黑暗世界里，视觉就等同于一种超级力量。三叶虫成为最早的主动捕食者，第一次能够追踪并找到猎物。当然，它们的猎物也在反抗中演化。仅仅过了几百万年，眼睛就随处可见了。动物们变得更加积极主动，并且穿上了厚厚的盔甲。这次集中发生的演化革新就是我们现在所知的寒武纪生命大爆发。

然而，视觉并非普遍的东西。在多细胞动物的37个门中，只有6个门演化出了视觉。但这6个门——包括我们人类、脊索动物、节肢动物和软体动物等——是地球上数量最多、分布最广和最为成功的动物。

浮游生物的眼睛

眼睛是不同寻常的器官，但最不同寻常的眼睛也许为一种被称为Erythropsidinium的单细胞动物所拥有。这种动物微小的身体有三分之一左右被所谓的单眼状结构占据，此结构虽然十分微小，却与脊椎动物复杂的照相机似的眼睛极为相似。单眼状结构的前方是一个很像角膜的透明球体，背后则是一个可以探测到光的黑暗的半球结构。Erythropsidinium虽然没有神经系统，却似乎能用眼睛定位猎物。至于它究竟“看到”了什么，我们就只能猜测了。

我用我的小眼睛侦察，一只Erythropsidinium

开始看到光

眼睛是极为复杂的器官，但只花了大约一百万年的时间就演化出来了：从感光细胞开始，经过一系列越来越有用的阶段，一步步演化成今天的眼睛。所有这些中间阶段仍然可以在现存的动物中找到。

我们为什么要睡觉？

阅读本书几小时之后，你会意识涣散，思维迟滞。接下来的几小时，你的大脑会在深度睡眠和快速眼动睡眠这两种完全不同的状态之间循环。其中大部分时间，你并非全无意识，而是处于一种被称为“做梦”的古怪的睡眠状态中。

我们的生命差不多有三分之一在睡眠中度过，睡眠显然非常重要。如果太长时间不睡觉，我们就会生病；如果让老鼠一直不睡觉，它们三周之内就会死亡。但尽管认真研究了60多年，我们实际上仍然不清楚睡眠的作用。

这并非因为不够努力。研究睡眠的科学家们已经提出了数十个关于睡眠功能的假说，从使我们不受伤害到节约能量、修复身体和大脑、调整免疫系统、处理信息、调节情绪以及加强记忆，不一而足。每种假说都各有优劣。大多数研究者都认为睡眠有许多功能，所有这些假说在某种程度上都可能是真的。

然而，缺乏一种公认的解释不仅让睡眠研究者感到沮丧，也使睡眠的演化起源难以辨别。它必定非常古老：所有具有复杂神经系统的动物，包括哺乳动物、鸟类、爬行动物和鱼类，都会睡觉。我们知道恐龙也会睡觉：2004年，古生物学家在中国发现了一具1亿2500万年前的恐龙骨架，头掩在前肢之下，就像一只沉睡的鸟将头掩在翅膀下。在不具有复杂神经系统的动物比如昆虫、蝎子、蠕虫和一些甲壳类动物那里，也可以看到类似睡眠的状态。

睡眠甚至可能是神经元的一种固有特性。在陪替氏培养皿中生长的一组组神经元会自发进入一种类似睡眠的状态。如果“睡眠”被剥夺，它们就会失去控制，很快陷入癫痫发作般的狂乱。

即使是没有神经系统的微生物，也有由内在生物钟驱动的每日“活动与休息”周期。这样说来，睡眠的起源也许可以追溯到大约40亿年前生命开始的时候。

另一个障碍在于，睡眠不止一种，而是两种。第一种被称为深度睡眠或慢波睡眠，因其脑电图呈现为同步化的、长而缓的慢波。第二种是快速眼动睡眠，与前者截然不同。其特征是大脑活动剧烈，很像清醒的时候。它也有明显的身体迹象：眼球快速颤动，几乎全部肌肉都陷入麻痹状态，这样可以阻止梦游。

夜间的旅行

快速眼动睡眠常被称为“有梦睡眠”，大多数梦都出现在这个时段。但在其他睡眠阶段，我们也会做梦。研究者在监测睡着的人的大脑时发现，人在非快速眼动睡眠阶段也会做梦，但这些梦要比快速眼动睡眠阶段的梦短，且没有那么生动和复杂。

另一种梦出现在沉睡与清醒的交界处。这些转瞬即逝、让人昏昏沉沉的梦有点像幻觉，有时可能会通向另一种梦，即清醒的梦。这是一种激动人心、令人向往的意识状态，这时你会意识到自己正在做梦，并且对梦境有一定的控制力，即所谓白日梦。

我们每天晚上花大约2个小时做梦，但几乎立刻就忘得一干二净。

快速眼动睡眠仅见于哺乳动物和鸟类。它们共同的祖先生活在大约3亿年前，这可能意味着快速眼动睡眠在此之前就已经出现了。然而，这个共同祖先也演化出了不具有快速眼动睡眠的爬行动物，这暗示鸟类和哺乳动物独立演化出了快速眼动睡眠。

夜晚你的心灵去了哪里？

做梦大都发生在快速眼动睡眠阶段，如今睡眠科学家们对梦的功能和来源的了解深入了许多。

西格蒙德·弗洛伊德最先提出梦的内容会受到醒时经验的影响，他把梦称为“日间残余”。弗洛伊德关于梦的理论如今已经没多少人关注了，但这个现在被称为连续性假说的观点仍然很有影响。

梦似乎是我们醒时生活的写照。它们往往会反映我们近来的经历，特别是最新的体验。例如，第一次玩俄罗斯方块的人可能会梦见长方形图块从天上掉落。

醒时与梦境之间的联系也曾被大脑扫描仪直接观测到，结果表明，正在做梦的大脑会重演早先醒时大脑的活动模式。

醒时的经历似乎会分两个阶段进入我们的梦境：首先在事件发生的当晚重现，接着在五到七天之后。这支持了一种观点，即睡眠的功能之一是处理记忆，并将其长期储存。

然而，梦并不是现实事件的简单重演。梦支离破碎，混杂着之前的记忆，将不可能的事件、地点和人物编织成虚妄离奇、充满感情的叙事。梦可能单纯缘于处理记忆所需的大脑活动。做梦时，大脑的视觉区非常活跃，位于杏仁核、丘脑和脑干中的情感中心也是如此。与此同时，处理理性思维和注意力的区域却很平静。

但记忆处理并非事情的全部。天生残疾者的梦境记录就包含着他们从未实际经验过的东西。许多聋人都曾梦到自己能听到并听懂口语，那些在现实中说不了话的人在梦中能发出声音，天生瘫痪的人往往会梦到走路、奔跑或游泳。这暗示，出于某种原因，大脑天生就会编排、生产我们预期会在生活中遭遇的经历。

类似的理论也能解释噩梦的形成。约有三分之二的梦涉及身陷险境，往往是一场令人神经紧绷的遭遇，比如躲避攻击或陷入争斗。这样的遭遇在孩童的梦境中更为常见，他们常会梦到凶恶的动物。对此有一种解释是，大脑通过做梦来模拟我们在现实生活中可能遇到的或我们遥远的祖先经历过的困境，以便我们练习如何应对。

所以，当你今晚沉入梦乡时，请务必当心。那个朦胧的梦中世界充满了神秘和危险。

动物的睡眠

不同动物的睡眠时间和模式大相径庭，这使睡眠的作用更添神秘。

猿是怎么变成人的？

当孩子问父母自己是从哪里来的，大多数父母都会显得手足无措。达尔文也觉得这个话题很棘手：在《物种起源》一书中，他几乎没有提到人类的演化。

达尔文当时表现得很谨慎。在19世纪中叶，任何形式的演化思想都会引起很大争议。他在1871年出版了一本书，详细阐述人类是演化的产物，随即掀起了轩然大波。

这在科学上也存在障碍。达尔文几乎没有看到任何化石证据表明人类是如何、何时甚至从何地演化而来的。

达尔文之后，人类，或者严格地说，古人类的化石证据已经得到了极大的扩充。虽然还有许多记录有待发现，但人类演化的大致图景已经基本确定下来。我们知道人类的演化树最初萌芽于非洲。我们确信与人类亲缘关系最近的物种是黑猩猩。大约700万年前，人类的世系与黑猩猩的世系分离开来。

但人类的演化之路依然漫长。又过了近400万年，我们的祖先仍然非常像猿。露西是在埃塞俄比亚发现的一个距今320万年的著名的人类祖先。她的大脑很小，与黑猩猩的大脑尺寸相近；手臂很长，表明她所属的人种仍然长时间在树上活动，可能和今天的黑猩猩一样，夜晚回到树上休息。但她的确有一项明显的人类特征：双足直立行走。

露西属于南方古猿。自她的部分骨骼被发现以来，人们在40年间又发现了更加古老的化石遗存，其中一些可以追溯到700万年前。这些化石有着相同的特点：相貌像猿，大脑很小，但也许用双足直立行走。

我们还知道，南方古猿可能会制作一些简单的石器。除去这些进步，南方古猿与其他猿类并没有太大区别。

只有真正的人——人属——出现之后，古人类的相貌和行为才开始更像现代人类了。如今很少有人怀疑人属是从南方古猿的一支演化而来的，但具体是哪一支还有争议：有可能是露西那一支，即南方古猿阿法种，也可能是南非的南方古猿源泉种。该转变可能发生在200至300万年前，这一时段的古人类化石记录非常稀少，几乎起不到什么作用。

最早的人种仅有少量骨头碎片可供了解，对他们的研究因此极为困难。有人怀疑是否可以把他们归入人属，更倾向于将其称为南方古猿。第一个为大家所接受的人种，也是我们认为长得有点像自己的第一个人种，出现在大约190万年前。我们称之为直立人。

两条腿的好处

两足行走是我们这个物种最明显的特征之一。我们的祖先究竟是从什么时候开始两足行走的，仍然是一个谜，但两足行走有很多好处，它促使人类走向世界各地。长途跋涉时，两条腿行走效率更高；采用直立的姿势视野更佳，有助于躲避天敌，还可以减少在正午太阳底下的曝晒。也许最重要的是，它解放了我们的双手，使之成为多用途的、对生拇指的工具。拇指能与其他手指相对放置，这对于我们在演化上的成功同样至关重要。

直立人不像更早的古人类。他们完全放弃了树栖生活，和我们一样喜欢四处漫游。目前已知的所有更早的古人类都来自非洲，但直立人的化石也曾在欧洲和亚洲被发现。

工具制造者

直立人也是创新者，他们制造出了比他们祖先使用的复杂得多的工具，他们可能也是最早使用火的人。一些研究者认为直立人发明了烹饪，提高了饮食质量，由此获得多余的能量，演化出了更大的大脑。可以肯定的是，直立人的脑容量在该物种存在的150万年间急剧增长。最早的一些直立人脑容量不到600立方厘米，比南方古猿的大不了多少。但晚期的一些直立人的脑容量已达到900立方厘米。

直立人虽然取得了成功，但仍然缺乏某些关键的人类特征。例如，其解剖结构表明他们可能无法说话。

接下来出现的是海德堡人，他们在距今60万年前从非洲的直立人演化而来。海德堡人的舌骨——在我们的发音器官中起重要作用的一小块骨头——与我们的几乎没有区别，其耳部的解剖结构表明他们对语音已经很敏感了。

依据某些解释，非洲的海德堡人大约在距今20万年前演化成了现代人类——智人。生活在欧亚大陆的海德堡人的不同种群也演化成为西方的尼安德特人和至今仍然神秘的东方丹尼索瓦人。

坚持到最后的人

在过去10万年左右，人类的演化开启了最新的一章。现代人类遍布世界各地，而尼安德特人和丹尼索瓦人却灭绝了。他们究竟因何而灭绝，这是一个巨大的谜，但智人似乎对此起了一定作用。不过，他们相互之间并非完全敌对：DNA证据显示，现代人类曾与尼安德特人和丹尼索瓦人杂交。

还有许多东西尚待查明，只能期待用新的化石证据来完善整个故事。在过去十年左右，有三种已灭绝的古人类被发现，包括南方古猿源泉种以及同在南非、尚未完全确定年代的神秘的纳莱迪人。最奇特的是矮小的“霍比特人”——佛罗勒斯人。直到大约12000年前，他们都生活在印度尼西亚，似乎是一个独立的人种。

有700万年的时间，我们这一世系至少与一个其他人种在地球上共存。随着佛罗勒斯人的灭绝，地球上就只剩智人了。

人类的足迹

65000年前，我们的祖先开始走出非洲，走向世界各地。化石、文物和遗传学向我们讲述了一个故事，关于两条可能的路线和一次史诗般的旅程。

最初的语词是什么？

如果你随机碰到另一个人，那么除了发出哼哼声和使用一些手势，你可能无法与他交流。根据最新的统计，全世界有将近7000种语言。最常用的普通话也只有14%的人在说。使用最罕见语言的人屈指可数。

纵然有此差异，各种语言之间仍然存在着共性。所有文化都有语言，语言学家们认为，究其深处，它们本质上都是相同的。人的大脑天生就为语言做好了准备，它里面有一个内置的程序，能够学习人出生时碰巧接触到的任何母语。

这种特殊技能的起源显然是一个重大事件，但它极难确定。语言不会成为化石，最古老的书面语言仅有6000年的历史。但这并不意味着语言的起源是一个无法解开的谜。

说出你的想法

语言学家将语言定义为能将思想自由地表达为符号且能将符号重新转换成思想的任何系统。这使人类的语言区别于其他所有动物的交流系统。虽然许多动物都拥有语言的某些要素，但只有人才拥有全部要素：使用符号和学习新符号的能力，把作为语词的符号清楚地读出来的能力，以及根据句法和语法规则将语词串在一起传递关于世间万物的想法的能力。

许多理论家认为，早期人类获得这些能力并非一蹴而就，而是经由多个阶段才发展出了现代语言。在人类史前时期的很长一段时间里，我们的祖先拥有语言的一些要素，但并非全部。这样一个系统被称为原始母语。

一种显而易见的可能是：原始母语是由语词构成的。这种“词汇原始语言”的模型表明，早期人类虽然使用语词，但并未把它们排列成句子。这类似于儿童的语言发展，即从单词语句开始，发展到双词语句阶段，而后开始组织更复杂的句子。

但这样一来，最初的语词是从哪里来的呢？两个说不同语言的人很快就会发现，语词只有在拥有共同的含义时才是有用的。

与动物交流

许多动物都有和语言不无相似的交流系统。例如，黑长尾猴面对不同的捕食者会用不同的声音来报警，如“鹰”（让同伴躲藏起来）和“豹”（让同伴爬上最近的树）。但黑长尾猴并没有发明新的报警声，因此其交流系统不能被视为一种语言。

同样，许多物种也能发出一连串复杂的声音。但这并不等于拥有语言。会说话的鹦鹉不懂自己在说什么，也不理解我们的应答。尽管鸟儿和鲸的发声在复杂程度上堪比人的言语，但它们通常只能传达一种非常简单的信息：“我在这里，我唱歌很好听，我在寻找伴侣。”

另一种假说聚焦于语词学习的起源——产生一连串复杂声音的能力。包括鲸鱼和燕雀在内的许多动物都能做到这一点，但它们的发声并不交流具体信息。相反，它们展示精湛技艺旨在求偶或宣示地盘。语言学家们基于这些提出，原始母语就像鲸鱼或鸟的鸣叫，演化出来是为了性选择或宣示领土权。直到后来，音符和音节才有了意义。这种理论有一个优点，它也解释了音乐的起源，这是我们人类的另一个普遍特征。

第三种可能是，语言是从手势开始的。这方面的证据来自猿类。它们用手势来传递信息，可以把人类的符号语言学习到相当高的水平。但手势模型难以解释我们后来为什么会转向语言。也许是因为需要在黑暗中交流，或者是因为手被工具占住了。

关于语言是什么时候出现的，我们同样无法确知，但可以做一些合理的猜测。比较确定的是，我们的近亲尼安德特人已经有成熟的语言。在他们身上，连接舌头、隔膜和胸部的神经与我们的相同，这些神经关联使我们得以控制呼吸，清晰地发出复杂的声音。他们也有与我们一样的FOXP2基因，该基因对于形成语言所需的复杂动作记忆至关重要。假定这个基因变异只出现了一次，那么语言的出现必定早于大约50万年前智人与尼安德特人的分离。

对于年代更久远的祖先而言，化石记录不是很充分。60万年前，当海德堡人出现在欧洲时，我们的祖先可能就会说话了。化石遗骸表明，海德堡人已经失去了一个连接到喉的球状器官——该器官使其他灵长类能够发出吼声来恐吓对手。这应该为语言的产生扫除了一个重大障碍。

像真正的人那样说话

语言甚至可能更古老。你必须回到160万年前才能找到一个缺乏与人类相似的神经连接的祖先，这表明即便是很早期的人类也有语言能力。但原始母语假说把水搅浑了。如果语言始于手势，那么人类应该从更早的时候就开始使用符号语言了。相反，如果语言始于音乐，那么“言语”适应就应该是为了发出像鲸鱼的歌声那样几乎不传递任何具体信息的东西。

即便如此，海德堡人和尼安德特人都能制造复杂的工具和追捕危险的动物——如果没有某种语言，这样的活动是很难协调进行的。

对直立人而言大概也是如此，他们的大脑并不比我们小多少，这暗示他们也有智力和文化。他们的石器远比他们祖先的精致复杂。但很明显，他们的工具制作陷入了停滞状态——多用途手斧在一百万年的时间里没有任何变化。这表明，他们没有成熟的语言来加速文化和技术变迁。因此，他们可能拥有现代人的一部分语言能力，而非全部，换句话说，一种原始母语。

用某种语言说话

今天人们使用的语言大约有6900种，其中20多种是世界上绝大多数人的母语。以下是世界上使用人数最多的几十种语言。*

*其中一些是彼此之间并不能完全理解的密切相关的语族。

我们为什么要交朋友？

你的朋友圈有多大？普通人的朋友圈有1500人左右。

这就是你社交网络的规模，顺便说一句，这也是对你来说不是陌生人的总人数。这包括你的家人、同事、熟人、你认识但并不了解的人，当然，还有朋友。在这1500个非陌生人当中，只有大约50个算是你真正的朋友，其中较亲近的大概有10个，十分亲密的大概5个。

在我们所有的社会关系中，朋友关系是最独特的。你无法选择家人或同事，泛泛之交无足轻重，但朋友却不一样。大多数动物都只与近亲合作，我们人为什么要花这么多时间和精力去跟与自己不相干的人培养亲密关系呢？我们又是如何决定和谁交朋友的呢？

友谊似乎为人类所独有，但实际上却有深刻的演化根源。其他许多种类的哺乳动物也会跟和自己不相干的个体建立密切的关系，比如巨猿和其他许多灵长类动物，还有大象、马、鲸、骆驼和海豚等。

这些动物的共同点是，它们都生活在具有复杂等级结构的大型社会群体中。生活在这样的群体中有很多好处，但也会造成紧张，这时就需要朋友了。说得坦率一点，朋友是一支个人护卫队，在我们需要帮助时会伸出援手。一个大的群体当中相互重叠的朋友圈结成联盟，有助于维护整个群体的稳定。

对于人类和生活在大的社会群体中的其他动物而言，朋友并非可有可无，锦上添花，而是本能的需要。良好的社交生活有助于维持我们的身心健康，而与社会隔绝则会让我们感受更多压力，容易生病。

因此，毫不奇怪，我们天生就有强烈的意愿想要去结交朋友和保持友谊。这种本能就像食欲和性欲一样，都由大脑的奖励中枢控制，在对友好的行为做出反应时，该中枢会释放各种令人愉悦的化学物质。

其中一种是催产素，即所谓的“抱抱化学物质”，对加强母婴亲情很关键。在回应与他人的有益的社会交往时，身体也会释放催产素。由此产生的温暖感觉是一种奖励，鼓励你再次去见那个人。

此外，还有一类被称为内啡肽的神经递质。在对温和的压力（如运动）做出反应时，大脑会分泌这类东西，以缓解疼痛，产生愉悦感。而社交，尤其是与人协作，也会刺激内啡肽的释放。

如果让某个人上船从A划到B，他的大脑将会释放内啡肽来回应体力消耗。但如果让两个人一起划，即便体力消耗更少，他们大脑释放的内啡肽也会更多。

我为你挠背……

许多动物都会通过互相梳理毛发来建立和维持友谊。例如，狒狒每天会花大量时间爬梳彼此的皮毛找出寄生虫和污垢，这会刺激对方大脑释放催产素和内啡肽等引起愉悦和信任感的化学物质。

但梳理毛发需要时间，这限制了个体能够维持的社会关系的数量。在猴子和猿中间，此上限约为50。这一数值也受脑容量的限制。应对错综复杂、不断变化的关系需要脑力，尤其是理解别人精神状态的能力。

猿在一定程度上可以做到这一点，它们能够产生类似“我知道她和她是朋友”这样的想法，即所谓的“三阶意向性”。人要聪明得多，能够应对五阶甚至六阶意向性：“我知道你在想，他想知道她是不是怕他在生我的气。”

这种读心的能力使我们得以超越猴子的上限，维持150人左右的社交圈，即著名的“邓巴数”，由牛津大学的进化生物学家罗宾・邓巴计算得出。凭借智力，我们逐渐获得了新的技能以替代实际梳理毛发和捉虱子，能够一次“梳理”不止一个朋友。这些替代品包括大笑、唱歌和讲笑话，最关键的是，八卦闲谈。

消失的朋友

交朋友是一回事，维持友谊是另一回事。如果不好好维护，友谊极易衰退。一个朋友一年不见，友谊的质量就会下降约三分之一，亲密度也会随之下降。而家庭关系则更有弹性。因此，我们社交网络的家庭部分基本上终生保持不变，而友情这部分则会经历相当大的变动，每过几年就会有大约20%的调整。

聪明的社交家

脑容量与社交圈大小之间的这种关联有时被称为“社会脑假说”，也适用于个体。拥有更大脑容量的猕猴和人都倾向于交更多的朋友。对单个人来说，社交圈的绝对上限约为250人。

你社交圈里具体有谁在很大程度上是偶然的，取决于你在哪里生活，在哪里上学，在哪里工作。但我们最终是如何从这150个人里挑选出少数几个作为至交好友的呢？

从表面上看，答案非常简单。我们与那些同我们相似的人建立起亲密的友谊，比如相似的性格、兴趣、信仰、品味、幽默感等。但这种简单解释掩盖了更深层的联系。事实证明，与任意一个陌生人相比，人们与亲密好友之间的基因联系要更紧密。一般来说，你和你的一个亲密好友的基因联系近似于你和你一个四级表亲（也就是说，你和他拥有同一个太祖父/母）之间的基因联系。

没有人知道我们是如何识别与我们基因相似的人并与之成为朋友的。也许是由于相貌、声音、气味或个性方面的相似性。但“朋友也是我们的远亲”这一事实有助于回答一个重要问题，即我们为什么要花费那么多时间在他们身上。演化应当优先考虑与亲人的合作，因为这有助于我们完成生命的基本指令：将我们的基因传给下一代，即使只是通过代理。但如果我们和我们的朋友是远亲，这就证明了朋友的意义所在。

拥有对的朋友圈

你的社交关系和洋葱一样是分层的：最好的朋友在核心，接下来各层的人同你的亲密程度逐渐降低。

脐毛是从哪里来的？

作为一项无实际意义的科学空想，格奥尔格·施泰因豪泽的实验是难以超越的。2005年，当时还是维也纳技术大学化学家的施泰因豪泽开始收集自己的脐毛，并且按照颜色和重量做了记录。在接下来的三年里，他收集了503根脐毛，总重量将近1克。他一度剃光了自己的肚脐。他向他的男性朋友、同事和家庭成员询问他们的脐毛数量以及肚脐的总体状况。

他对自己的一些脐毛做了化学分析，并最终在一家科学杂志上发表了他的发现。所有这一切都是为了回答一个问题：为什么有些人肚脐那儿会有那么多绒毛？

模糊的想法

施泰因豪泽20岁出头就注意到了自己这个多产的部位。他查阅了科学文献，只在《自然》杂志上找到了一篇令人费解的文章，其标题是《另一种东西：脐毛》。它提供了三幅黑白图片，看起来像是标记有“水手（在海上）”“农民”和“建筑师”的药棉，而没有进一步的解释。两周以后，它发布了一个修正版：同样的图片，同样的标签，但来自水手和建筑师的绒毛被调换了。

施泰因豪泽读了一本名为《男人为什么有乳头》的书，在这本书的激励下，他行动起来，着手研究脐毛问题。那本书说，脐毛问题——为什么有的肚脐聚集脐毛而有的不会——不可能找到答案。

快速看一眼你自己的肚脐。有没有脐毛？有的话，是什么颜色的？你会怎样描述你的肚脐：多毛的，还是光滑的？

施泰因豪泽的第一个发现是，在一般情况下，他的脐毛颜色与他那天所穿上衣的颜色是一样的，这使他猜测这些绒毛源于他的衣服。化学分析也指向了这一方向。有一天，他穿了一件白色的棉T恤，结果发现积累的东西主要是纤维素——构成棉的蛋白质，以及少量氮和硫的化合物。他的结论是，这些脏东西可能是死皮、灰尘、脂肪、蛋白质和汗。

接下来，施泰因豪泽探讨了脐毛的作用。根据对其他男人肚脐内容的调查，他得出结论：“腹毛的存在是脐毛得以聚集的一个重要前提。”刮掉腹毛能使脐毛不再聚集，直到腹毛再次生长出来为止。他还注意到，一小撮绒毛先是在毛发间出现，当天结束时便聚集到肚脐处。

施泰因豪泽最终得出了他关于脐毛的大一统理论。毛发表面是鳞状的，因此会磨损织物中的纤维。这些鳞状物如同刺钩，拖动纤维朝着肚脐聚集。腹毛似乎往往会沿着以肚脐为圆心的同心圆生长，这加强了朝向肚脐的运动，就像物质沿着螺旋线落入黑洞一样。一旦越过事界，纤维就被“压成一种毛毡一样的物质”。施泰因豪泽还计算出，一件穿过一百次的T恤大约会有0.1%的质量变成脐毛。

腹痛

施泰因豪泽真正从事的是放射性元素的化学和物理学方面的研究。对脐毛的研究只是他本职工作中的一点轻松调剂罢了。但有时候脐毛的堆积并不是开玩笑的事情。施泰因豪泽发表其研究之后不久，内布拉斯加州的医生们就报告了一个罕见病例：一名55岁的肥胖妇女患了脐炎，她的肚脐已经持续流血四个月。医生们检查时看到了一个“黑色的圆块”，他们怀疑那东西是一个肿瘤，结果发现是直径近一厘米的一团绒毛。把它扯出来之后，她的病就好了。

人体的其他一些小垃圾也有同样清楚但更有趣的起源。耳垢或者医生所说的耵聍主要是死皮加上一种被称为皮脂的油性分泌物，以及来自汗腺的潮湿分泌物。人的耳垢分为干、湿两种。湿耳垢呈棕黄色，黏糊糊的；干耳垢则像死皮一样是半透明的，呈鳞状。那是因为它就是死皮。干耳垢的人耳中不会产生油腻的皮脂，他们的耳垢中只有角质和污垢。

收拾你的鼻子

几年前，遗传学家们发现干耳垢是由单基因ABCC11的隐性突变造成的。因此，耳垢的一致性和人类的其他几个非此即彼的性状（比如是否卷舌，耳垂是连生还是离生，以及能否闻出小苍兰的气味）一样，都是由单基因控制的。

鼻屎是鼻涕的有硬皮的残留物，鼻涕不断产生出来是为了保护鼻腔黏膜。大部分鼻涕都被纤毛扫进咽喉并被吞了下去（所以无论你喜不喜欢，你都是一个吃鼻涕的人），但有些鼻涕被卡在鼻孔中干透了。鼻屎是绿色的，因为鼻涕中有一种抗微生物酶，被称为髓过氧化物酶，一种含铁的血红素使之变成了绿色。根据一项非正式调查，几乎有一半的成年人承认吃过自己的鼻屎，且感觉享受。

你吃自己的鼻屎吗？

继续，你可以接受这一点。在美食作家斯特凡·盖茨进行的一次非正式调查中，有44%的成年人承认吃过自己的干鼻涕且有享受之感。这无疑是人类诸多古怪行为中的一种。为什么要这样做？没有人会吃他们的耳垢、眼屎或脐毛。一种观点认为，吃鼻涕可能对免疫系统有好处。据报道，一位名叫弗里德里希·毕兴格的奥地利医生说，父母应该鼓励孩子这样做。

睡眠或感冒时的情况与之类似，你醒来时会在你眼中和眼睛周围发现一些东西。这些东西是眼屎，即你闭上眼睛时在眼角积聚的干掉的淡黄色黏液。

基本上，只要你身上有一个舒适的小角落，那里没有什么特别的事情发生，一些令人作呕的东西就可能在那里积聚。

你的耳朵里有什么？

耳垢分为两种：湿的和干的。

耳垢类型由基因决定。

CHAPTER 4　文明

我们是从什么时候开始在城市生活的？

人类在2014年正式成为城市物种，城市居民首次超过农村居民。考虑到1960年只有三分之一的人口居住在城市，这种变化实在快得令人难以置信。

大约5500年前，还没有人生活在城市。当时乡村已经出现了数千年，但在规模和复杂性上尚不足以成为城市。这种典型的文明进程是如何发生的呢？又为何会发生？

城市化的开端

要回答这个问题，我们需要跨越历史记载，上溯到6000多年前，那时文字尚未发明，铁器还未完全取代石器。

根据正统观点，世界上第一批城市出现在美索不达米亚，这是幼发拉底河和底格里斯河之间的一大片沃土。其中第一座城市是苏美尔人的乌鲁克城，它坐落在幼发拉底河岸边，可能是最早的永久居住区之一，于公元前8000年左右出现在肥沃新月地带。到了公元前3500年，它已经发展成一座真正的城市，占地约6平方公里，拥有居民50000人左右，大多数居民原本不会认识彼此。

如果穿越回乌鲁克，我们会把它看成一座城市。大型建筑的确是最明显的城市特征之一。不过，那里不仅有古老的大型建筑，还有预示着政府体制和财务制度的非宗教性公共建筑。

我们还会看到功能性“分区”的证据——行政中心、住宅区、市场和垃圾场等区域都有明确的划分。防御工事的规模应该也不小，暗示着值得护卫的财富。更早的大型居住区，比如公元前7000年的恰塔霍裕克（位于今土耳其境内），并没有这些城市特征。

然而，乌鲁克显然没有复杂的运输网络。驴子已被驯化，但轮子的出现尚需时日。

乌鲁克是一个长期过程的最终产物，该过程始于早期农民定居于村庄，以便就近照料自己的庄稼和牲畜。这些居住区渐渐变得很大，就像在恰塔霍裕克那样。最终，农业上的盈余使一些人放弃种地，转而从事其他职业，比如锻造。在劳动分工的驱策下，专业工匠聚集在其他技能与之互补的人附近，真正的城市分区最终不可避免地形成了。

乌鲁克不仅被视为第一个真正的城市，而且被看成约于公元前3400年至公元前3100年间席卷整个美索不达米亚的城市化浪潮的发源地。当时从南方来的人占领了整个区域，并且仿照乌鲁克建造了若干城市。

北方的强大城市

但在过去几十年间，人们在原本被认为更落后的北方地区发现的一些东西挑战了乌鲁克的首要地位。至少有两个地点给出的明确的城市化证据要早于乌鲁克最古老的证据。这些发现已经促使一些考古学家进行认真的反思。

其中一个地点是位于叙利亚东部的哈姆卡尔遗址。自20世纪20年代，西方考古学家就知道这个地方，但他们把它标记为一个“次生”城市，即从乌鲁克向北蔓延的城市化浪潮的产物。但更多新近的发掘表明，在乌鲁克开始辐射周边之前，该地的城市化程度已经很高了。

早在公元前3700年，哈姆卡尔便占地约12公顷，周围建有防御墙。墙内现存一座大型世俗公共建筑的遗迹，也许是个类似食堂的地方。考古学家还发现了多种“印章”，被用来在潮湿的黏土或沥青上印制标记以登记商品。这些印章在乌鲁克很常见，因暗示了财务制度而被广泛视为城市化的可靠证据。

石器时代的城市郊区

因此，早在公元前3700年，哈姆卡尔就已经显示出很多早期城市生活的特征，但没有受到南方影响的迹象：乌鲁克风格的陶器直到公元前3200年左右才开始出现。哈姆卡尔人似乎生活在一个独立于乌鲁克的城市中，甚至可能不知道乌鲁克的存在，至少在那个地区据信有城市出现之前500年是这样。

1958年出土时，恰塔霍裕克吸引了全世界的目光。这片13公顷的遗址上密密麻麻排列着数百座建筑，估计当时有居民10000人。它看起来像是一座城市，但古老程度令人难以置信：最早的遗迹有9000年左右的历史。然而，它缺少真正城市的一个关键特征：各区域之间的功能划分。恰塔霍裕克只是一堆堆的房子和垃圾场，宛如古代的城市郊区。居民的所有活动似乎都在家里进行，甚至会把死去的人埋葬在屋子下面。需要再过1500年，真正的城市才会出现。

尘封于时间中

一座更古老的候选城市是同样位于叙利亚的布拉克遗址。它也有壮观的大型古代建筑遗存——墙有一米半厚，一扇巨门背后是通向庭院的道路。考古学家发现它有6000多年的历史。印章也出现了，当时的许多陶器都表明有某种财务管理制度存在，这暗示布拉克人早在乌鲁克之前就在运用复杂的管理技术了。

然而，大多数考古学家都认为目前尚不可盖棺定论。同一时期南方的情况还不是很清楚。美索不达米亚南部可能在公元前4000年之前就有发展成熟的城市，只不过现在的挖掘深度还不足以找到它们。多年来，由于战争和动荡，整个地区都禁止进入，考古工作很可能在未来若干年无法继续。与此同时，考古学家们希望该遗址所受的劫掠在可修复的范围之内，不至于使文明起源的证据永远从地球上消失。

城市物种，农村星球

全世界70亿人当中有超过一半的人生活在城市。但因为人口非常稠密，城市面积占地球表面积还不到1%。

我们为什么会视纸片如黄金？

把硬币、纸币和银行卡从你的钱包中清空：它们也许代表了你的财富（或贫困），让你可以买东西，但实际上只是你想象力的虚构。钱并没有内在的价值。钱就像童话故事《彼得·潘》中的奇妙仙子（当孩子们的信念动摇时，她就会死去），钱的生死就系于我们对它的集体信念。

要想理解是什么支撑着这种信念，不妨了解一下人类是如何发明钱的，以及为什么要发明这种东西。

这始于物物交换。对于它开始的确切时间和地点，历史学家们莫衷一是，但在公元前8000年的美索不达米亚，物物交换似乎就已经很兴盛了。

同争夺资源相比，物物交换更为方便，但也有自身的缺点。首先，它依赖盈余。更糟糕的是，它取决于需求一致：比如说，你有两只多余的羊，同时需要一头牛。你得找到一个人，他有一头多余的牛，同时需要两只羊。解决方案是建立一个链条：用羊换取谷物，然后用这些谷物换牛。

这种链条可以筛选出最具普遍价值的东西。由于可以用它们来交换几乎所有物品，它们成为早期的“货”币。盐便是其中一种，像金属这样有用的材料也是。既然每个人都承认它们的价值，这些物品便逐渐成为一切价值的基准，并且主要充当价值储藏和交换的媒介。换言之，就是钱。

王国的钱币

接下来的一步很明显是创立标准货币单位。最早这样做的是中国人，他们在公元前1000年左右铸造了金属钱币。钱币易携带、耐用，因此流行起来，但它有一个严重的设计缺陷。早期的钱币由贵金属铸成，容易磨损，导致面值缩水。这就是黄金的价值最终被转移到纸币上的原因。

到13世纪，中国商人开始将自己多余的钱币交与其他商人保管，换取写有承诺的收据，其上写明这张纸对应着特定数量的金币。如果有需要，他们随时可以赎回这些“期票”。中国官方很快便开始发行纸币。到1274年，中国已经有了一种全国性的纸质货币。

17世纪，英格兰的金匠们偶然重复了这条道路，他们将黄金储藏在金库中，发放保证黄金数量和纯度的收据，并承诺如数归还储存的黄金。这些收据不可避免地拥有了自己的生命。它们被用来还债、购物，并开始以纸质货币的形式流通。

奇怪的货币

许多奇怪的事物都曾被用作货币。最常见的是黄金和其他贵金属。但货币并不都有内在价值，羽毛、珠子和贝壳都曾被用作货币。关于货币形式的随意和离奇，最著名的例子是rai，这是一些面包圈形状的巨大石头，直至很晚近的时候还是密克罗尼西亚雅浦岛的货币。所有权可以在交易中转让，但这些石头本身很少被移动。每个人都知道它们在哪里，为谁所有，即使它们掉下船，沉到海底。

最大的rai石头……

亦非借款人……

没过多久，金匠们就发现他们还可以发放贷款，并印制超出现有黄金储存量的期票。最早的银行就这样出现了。

英格兰银行于1694年成立，为的是向无钱的政府贷款。17世纪末，英格兰银行开始印制期票，由中央银行发行货币的时代拉开了帷幕。银行通过印制钞票凭空造钱，其结果是难以遏制的通货膨胀。为了终止这种疯狂，1816年英国成为第一个将货币供应量同实际黄金储备挂钩的政府。

在第一次世界大战之前，这种金本位制一直运作良好。接下来的大萧条导致大量银行倒闭，公众陷入恐慌，进而开始囤积黄金，金本位制崩溃。1931年，英国正式放弃金本位制。1933年，美国也紧随其后。

与黄金脱钩后，纸币之所以有价值，仅仅源于它是政府的承诺。所有现代货币都承载着这种法令，因此被称为法定货币。整个体系都建立在信任的基础上，一种货币的所有使用者不得不相信政府会确保那些本身没有价值的纸币的价值。

这行得通，但无疑会让一些人紧张不安。其中有一个人（或若干人）化名中本聪，至今仍然身份不明。2008年，中本聪发明了比特币，这是一种数字货币，旨在规避政府发行的法定货币的问题。比特币不需要信任，也不为中央银行所有。电脑通过计算来核对和记录早先的交易，对比特币进行“挖掘”：比特币就是对这项工作的某种报酬。任何人都可以挖掘比特币，但计算和所需的软件并不简单。

戏法？

比特币的核心是区块链，它是每笔交易的防伪分类账。它确保比特币不会被重复使用、伪造和窃取。它不断同时升级，任何人都可以对其进行检查。然而，在某种程度上，比特币仍然依赖信任，因为比特币没有内在价值，除非其他人愿意兑换它。

你可能很难理解比特币，但法定货币也是如此。比特币（或者类似的事物）在未来很可能胜出。由于区块链提供了严密的安全性，一些中央银行正在探索用数字货币来取代现有货币。

因此，如果你拥有比特币，那么祝贺你：你正在协助消灭奇妙仙子。我们一开始会想念她，但许多人认为她罪有应得。

追踪货币

我们复杂的货币体系和银行体系是从一种基本的自给自足的经济发展而来的，当时的人只消费自己能种植、猎捕和采集的东西。

我们是从什么时候开始埋葬死者的？

生命中唯一确定的事情就是总有一天生命会结束。这个可怕的认识也许是人类境况的关键特征。据我们所知，人类是唯一能对自己终有一死这件事进行思考的物种。

如果说有什么值得欣慰的地方，那就是我们至少可能得到一次体面的告别。人类也是唯一会举行葬礼这种精心设计的死亡仪式的物种。证据表明，我们举行这种仪式已经有至少10万年的历史了。人类演化的研究者对葬礼的起源有一种病态的迷恋。

同艺术、讲故事、宗教和其他人类文化装饰一样，葬礼显然属于“象征活动”的范畴。仪式、慎重的下葬和陪葬品的摆放都明显需要对生死及其意义进行抽象的思考。与大多数其他形式的象征活动不同，葬礼留下了许多物证。

逝者不可追

就大多数动物而言，尸体仅仅是一个无生命的东西。另一些动物与死亡则明显有一种更复杂的关系。大象似乎着迷于死象的骨头，海豚则被观察到长时间陪伴在同伴的尸体旁。

黑猩猩同样着迷于同伴的尸体，据说会表现出类似悲伤、警觉、尊重和哀悼等行为特征。人类学家说，也许黑猩猩保留了早期原人的一些原始行为，我们则将这些行为用心地编排成庄重的仪式。当然，我们永远无法确定这一点。但化石和考古学证据提供了诱人的线索，暗示这种行为是如何演变成现代葬礼的。

事实上，最早的迹象距今非常久远。1975年，古生物学家们在埃塞俄比亚一个长满草的陡坡上发现了我们320万年前的古老祖先南方古猿的13具不完全骨架：九个成年人、两个少年和两个婴儿。他们彼此之间触手可及，明显是几乎同时被安置于此。他们出现在这里的原因是一个谜。没有证据表明有山洪或类似的灾难将他们一并杀死，也没有迹象表明他们的骨头被食肉动物啃过。正如发现者唐纳德·约翰松后来所写，他们“只是被遗弃在山坡上的人科动物”。

死去的人通常被土葬或火葬，但有些人采用了更不寻常的方式。

太空葬：将部分或全部骨灰送入太空。

冻干：尸体在液态氮中冷冻，然后通过振动化作尘埃，形成可生物降解的粉末，用于埋葬。

生者的土地

一个可能的解释是，这些尸体是通过“有组织的遗弃”被有意放置在那里。这并不意味着葬礼，也没有任何象征意义或精神意义。即便如此，与黑猩猩的情况相比，它也代表一种认知上的重大进步——黑猩猩只会把死者留在其倒下的地方。这也许是某种属于人的东西的第一次觉醒；生者与死者之间的一种概念性的区分。

除非有新的发现，否则无法证实南方古猿会把死者安置在特定的地方。不过，50万年前的证据要清楚得多。20世纪80年代，人们在西班牙阿塔普埃尔卡山的一个洞穴中的井里发现了“骨坑”，其中至少有28具原始人的遗骸，他们极有可能是现代人和尼安德特人的共同祖先——海德堡人。

他们是怎么来到这里的？或许是意外落进了井里，但从骨折情况以及骨架大多属于年轻男性这一事实来看，这似乎不大可能。最好的解释是，他们死后被有意放置在井口，然后慢慢滑入井中。如果是这样，这便是“埋葬地点”或为死者指定特定地点的最早证据。

天葬：在西藏和喜马拉雅其他地区，人们将尸体放在山顶，待其自然分解或被食腐动物吃掉。

低温冷冻：将全身和头部冷冻贮藏，等待未来的科学家发现起死回生的方法。

动物的仪式

我们无法知晓黑猩猩是如何理解死亡的。但是在2010年，灵长类动物学家们获得了一次难得的机会，坦桑尼亚贡贝国家公园的管理人员在一棵树下发现了雌性黑猩猩马莱卡的尸体，一群黑猩猩聚集在这具尸体周围。在接下来的三个半小时当中，不断有黑猩猩靠近它，有些黑猩猩则在树上观看。一些黑猩猩会嗅或清洁尸体，另一些则摇晃、拖动和击打尸体。领头的雄性黑猩猩将尸体抛入河中，许多黑猩猩发出悲鸣。当管理人员将尸体移走之后，几只黑猩猩冲到之前放置尸体的地方，仔细嗅摸地面。它们停留了大约40分钟，离开之前集体发出哀嚎。最后走过来的是黑猩猩马莱卡的女儿芒博。

最近在南非有类似的发现：一个山洞里有1500块人骨和牙齿化石，它们属于此前未知的一个原始人种——纳勒迪人。遗憾的是，我们不知道他们有多古老（介于300万年到10万年之间）以及该人种与现代人的关系如何。

我们也不清楚这些人如何理解死亡（如果有的话）。但我们的确知道埋葬点变得越来越常见。从50万年前开始，发现尸体的地方很难用其他理由解释：它们被塞入裂缝，安置在难以触及的突出的岩石上或洞穴深处。

只需一次小小的观念革新，就可以从埋葬发展到墓葬，即人为建造洞穴和裂隙来存放死者。在这方面，已知最早的证据来自以色列的斯虎尔洞和卡夫扎洞：在那里，人们发现了被放置在人造洞穴中的10万年前的智人遗骸。墓葬中可能包括兽骨、海贝壳和赭石之类的随葬品，大约同一时期的尼安德特人墓葬的证据也已被发现。

这些墓葬还不能代表文化上的转折点。我们只知道少数几个墓葬地点；与死亡人数相比，它们很罕见。火葬可能也出现了，但还缺乏证据。

直到大约14000年前，大多数死者才被葬在我们所谓的墓地中。大约在同一时期，人们开始定居在一处，农业和宗教出现，这恐怕不是巧合。我们的猿类祖先已经死去并且被埋葬，象征文化却生生不息。

火葬钻石：你的爱人可以将你骨灰中的碳压缩成一块宝石。

沉默之塔：一些琐罗亚斯德教教徒将尸体置于高耸的建筑顶部，等着秃鹫来吃。

死人比活人多

我们常常听说，世界人口过多，活人要多于死人。这种城市神话可以休矣。

烹饪的第一餐是什么？

早餐：富含纤维、味道发苦的树叶、水果。午餐：树皮、水果、生猴肉和生猴脑。晚餐：蛆虫、树叶、水果。

这可不是好莱坞最近流行的食物，而是跟我们血缘最近的亲戚黑猩猩的食谱。它并不怎么美味和丰盛。而我们则有数千种可供选择的食材，通过加热以及其他多种多样的技术改变它们的化学组成。换言之，这就是烹饪。

烹饪在人类生活中普遍存在。火使食物发生了物理或化学变化，从北极的因纽特人到撒哈拉以南非洲地区的狩猎-采集者，所有文化中的人都被这样烹饪的食物所维系。这是一项令人难以置信的发明。烹饪让食物更容易消化，并且杀死了导致食物中毒的细菌。但烹饪究竟是在什么时间、什么地点出现的？对此，学者们进行了激烈的争论。我们或可称之为一场食物大战。

没有火就没有食物

没有火就无法烹饪，因此，我们也许可以通过寻找控制火的证据来获得答案。这是一个棘手的问题，因为火在考古学记录中难以得到确认。证据已经随青烟消散，而人为点火的遗迹同雷电引发的火的遗迹也很难区分。这就是为什么考古学家要在洞穴中寻找火的印迹。

在南非奇迹洞中发现的灰烬痕迹表明，人类至少在100万年前，即我们的直系祖先直立人的时代，就已经掌握了使用火的技术。此地发现的火烧过的骨头碎片还表明，直立人当时烹饪过肉食。然而，最早的灶台遗迹只有40万年的历史。尼安德特人在大约25万年前由直立人演化而来。他们肯定会生火，因为在很多尼安德特人的遗址都可以看到灶台，还有一些烧过的骨头。通过分析他们的牙菌斑可知，尼安德特人会用药草为食物调味。但我们不知道他们是否经常烹饪食物。

人类烹饪食物的最早的确凿证据可以追溯到2万年前，当时中国出现了最早的锅。外表面的焦痕和烟灰表明它们曾被用作炊具。但总的来说，考古学证据尚未给出一幅清晰的画面。我们还需要到别处寻找。

烤焦

烹饪中最重要的过程之一是美拉德反应，该名称源于1912年对它进行描述的法国化学家。美拉德反应是糖和氨基酸之间的反应，正是它创造了使肉、面包、饼干和油炸食品变得美味的棕色化合物。人类通常会更喜欢发生过美拉德反应的食物。

这很难从进化的角度来解释。美拉德反应使食物（尤其是肉）变得更难消化，破坏了营养物质，并且产生出致癌的化学物质。可能是由于烹饪食物的好处比这些坏处更重要，因此我们变得更喜欢烤焦的食物。但这没有解释为什么不会烹饪也不想烹饪的巨猿也更喜欢这样的食物。

为美拉德反应干杯！

大约190万年前，人类的生理发生了一些重大变化。与其祖先相比，直立人的牙齿和身体很小，而大脑则要大得多。根据灵长类动物学家理查德·兰厄姆的一个富有争议的假说，这种变化是由烹饪过的食物带来的。事实上，兰厄姆认为烹饪促使现代人偏离了他们更像猿的祖先，如果没有烹饪过的食物，智人的身体就不可能存在。

为了理解个中原因，我们可以设想自己与黑猩猩吃同样的食物。为了给耗费能量的大脑提供足够的热量，我们几乎得把整个白天都用来寻找食物。黑猩猩几乎一直在觅食，大猩猩和猩猩每天进食9个小时。

功能不佳的下巴

我们吃东西甚至需要更长时间。我们的大脑大了两倍多，肠道则太短，低质量的生食无法在其中停留足够长的时间以得到充分消化。事实上，如果我们是一只同等身材的巨猿，那么我们的内脏将只有预期重量的60%。

我们的小牙齿和小下巴也有类似的问题。我们的牙齿太小了，无法胜任咀嚼大量坚韧的生食的任务。与能人这样较早的古人类相比，现代人、尼安德特人和直立人的牙齿相对于其体型都较小。在兰厄姆看来，这些形态特征都是对约190万年前出现的烹饪的适应。

烹饪的确改善了我们祖先的生活。加热使食物变得更加松软，咀嚼所需的时间缩短了，还释放了更多热量。用熟食喂养的老鼠要比用相同分量的生食喂养的老鼠更胖。经过热处理的食物也更安全。腐肉有大量病原体，用炭火烤炙可以杀死导致食物中毒的细菌。烹饪的另一个好处在于，它可以使本来不可食用的东西变得可食用，比如植物的块茎。除了觅食和进食，我们可以腾出时间做更有趣的事情。

食物在烹饪之后通常会更美味。我们的祖先是否认识到了其中的不同，我们无从知晓。但是对猿的研究表明，它们更倾向于选择烹饪过的食物，大多数时候会选择烤过的土豆、胡萝卜和红薯，而不是生的。

不要一次吃完

烹饪所需的认知技能不只是用火，还有比如，能够忍住不去吃掉食材，要有耐心、记忆力以及对转变过程的认识。最近的黑猩猩实验表明，它们拥有烹饪所需的许多认知和行为技能——因此直立人可能也有这些技能。

但烹饪假说有一些缺陷。很多事情被归因于对烹饪食物的适应，比如，增加脑容量可以通过增加生肉消耗来实现。生物学证据和使用火的技能在时间上的脱节是另一块绊脚石。

不过，无论烹饪何时被发明出来，它已经成为最丰富和最具创造性的人类文化要素之一。我们运用五花八门的技能烹饪数千种动物、植物、菌类和藻类。我们用于计划和准备食物的时间远远多于我们实际进食的时间，然后我们会坐下来观看由家喻户晓的主持人主持的烹饪节目。我们烹饪，故我们存在。

吃饱

熟食更容易消化，更便于我们从中获取热量，这可能是一百万年前我们的祖先发明烹饪之后人类演化的一个重要因素。

我们是如何驯化动物的？

参观法国拉斯科洞窟壁画，你仿佛置身于一部史前动物寓言集中。在近两千个形象中，有一半左右是马、鹿、野牛、猫、熊、鸟和犀牛等动物。在17300年前，画这些壁画的人明显是被他们周围的动物迷住了：画里没有风景和植物，其余是一些人物形象和抽象符号。但他们可能完全没有驯服或拥有一头动物的想法。拉斯科的动物都是野生的。

时至今日，我们与动物的关系已经完全不同。在过去15000年间，从低级的果蝇到伟岸的大象，我们驯化了数百种野生动物，它们对我们而言各有用处：食用、劳力、运输、护卫、原材料、肥料、灭虫、放牧、陪伴、取乐、研究。

如果只算牲畜，地球上共有大约320亿只家养动物。狗大概有10亿条，猫有20亿只。除此之外，其他动物的数量难以确定。但考虑一下所有老鼠、豚鼠、鱼、蜜蜂、蚕、蜗牛、青蛙、蛇、医用水蛭和果蝇，你就能猜到大致情况。它们都是从哪儿来的呢？

人类自出现以来，约95%的时间像这些洞穴画家一样生活。接着，在距今大约3万年至1.5万年前，我们开始与动物交朋友。首先加入的是一种我们本应害怕和厌恶的动物，它最后被完全驯化，我们现在仍然视其为人类最好的朋友：家犬。

美好友谊的开始

这件事发生的地点、时间和方式尚无定论。带有和狗近似的特征的最早的狼化石出自3万多年前的欧洲和西伯利亚，但DNA证据指向大约1.5万年前一个更偏东方的起源。

不论它出现的地点和方式如何，还有一个问题：为什么？一种可能是，它是自然出现的。野狼会翻捡狩猎-采集者留下的猎物尸体，一些狼学会了跟随人，最终形成了一种互惠关系。它们帮助跟踪和杀死猎物，并提供保护。跟随人群也使狼群远离了它们更为野性的同胞，这意味着它们只能跟其他与人友好的狼繁衍后代，结果就选择了有利于与人共处的那些特征，比如顺从。

另一种可能是，人有意领养狼崽，并饲养它们——但考虑到一匹狼每天要吃5千克肉，这似乎不大可能。

松软的耳朵和可爱的模样

查尔斯·达尔文认为家畜的选择育种类似于野生条件下的自然选择。他还第一次注意到一件奇怪的事情：与其野生亲属相比，所有家养的哺乳动物都有一组类似的生物差异，即所谓的驯化综合征，包括温驯的性格、松软的耳朵、卷曲的尾巴、幼稚的模样和改变的毛色。其中许多特点明显对人类有用（或者至少是人类希望的），可能是在驯化和进一步的育种过程中被选择出来的；另外一些特点似乎是伴随性的，也许因为它们受相同基因的控制。

狗和人类一起生活的历史至少有15000年了。

这里有猪叫

狗非常适合冰川时代狩猎-采集者的生活方式。直到大约11500年前，当人们开始在村庄定居时，驯化才真正开始。

首先被驯化的是猪，然后很快是绵羊、山羊和牛。驯化这些动物几乎肯定是为了得到它们的肉、奶、毛、角和皮，不过，在完全驯化之前，人们大概已经花了几千年对它们的野生亲戚进行越来越实际的管理。也有人提出，牛是巫师出于举行仪式的目的而驯化的，只是后来才被用作负重牲畜。

猫似乎也是在这个时候被驯化的，但细节难以确定。它们的野生祖先是一种近东野猫——非洲野猫，它们很可能是被聚集在粮仓附近的啮齿动物吸引到了人类居住区。人们应该意识到了可以用它们来防鼠患以及它们的伶俐可爱，由此开始了一段持续至今的略为冷淡的关系。猫仍被认为没有完全驯化——它们保留了大部分野性，喜欢我行我素，很少有家养动物像它们这样。

肥沃新月地带是这方面的开拓者，但至少还有五个地方在史前时代就开始对动物进行驯化。每一个地方都为我们的“动物园”做出了独特的贡献：中国贡献了马、鸭子和蚕；印度贡献了水牛；非洲贡献了驴子和单峰骆驼；中美洲贡献了火鸡；南美洲贡献了豚鼠和美洲驼。

鸡是如何走遍世界的？

在肥沃新月地带之外，也许最重要的驯化对象是红原鸡。大约7000年前，它们在整个东亚和南亚被驯化。由此产生的物种是普通鸡，这是现今世界上数量最多的家禽。家禽养殖业每年出产大约400亿只鸡。

鉴于红原鸡是不迁徙的家禽，飞行能力差，活动范围小，上述事实就更加引人注目。它们遍布于除南极洲以外的所有大洲，这完全归功于人类。事实上，鸡与人类的关系极为密切，它们的DNA曾作为替代品被用来重现人类是如何逐渐占领广阔的太平洋地区的。

DNA表明，至少在3000年前鸡就开始迁徒了，一面向中亚西进，一面向波利尼西亚及更远的地方东进。公元前1200年左右，鸡经由埃及进入非洲。数百年后，罗马人将其带到他们的欧洲帝国周围。这一全球性的钳形突击最后在美洲汇合，在那里，波利尼西亚人、欧洲人和非洲人先后将鸡引入。

人类出于各种目的一直在征服动物。最近的几个例子：雪貂，公元前1500年左右驯化自欧洲臭鼬；金鱼，公元300年左右驯化自中国银鲫；常见的黑腹果蝇，1910年左右作为典型生物被用于基因研究。

役畜

在过去15000年里，人类出于各种目的驯化了数十种动物。

我们是从什么时候开始崇拜神灵的？

坦桑尼亚的哈扎人不太关心神灵。他们也有起源神话和超自然的传说，但他们的信仰体系不合常规，其神灵冷漠无情，不关心日常道德。

哈扎人及其他狩猎-采集者群体常常被视为我们的远祖如何生活的活标本。如果是这样，他们缺乏可见于大量历史记载的人类生活的一个核心部分：有组织的宗教。

即便在今天这样日益世俗化的时代，大多数人仍会认同某个世界主要宗教：基督教、伊斯兰教、印度教和佛教等。与哈扎人不拘形式的民间宗教不同，这些宗教的典型特征是存在教义、规定的仪式和有等级的权力结构。无论是好是坏，它们都是人类历史最强大的推动力之一。那么，它们从何而来？

天生的信仰者

为了回答这个问题，我们先问一个不同的问题：人为什么会信神？对于很多人来说，答案显而易见：因为神存在。无论神是否真的存在，这反映了关于宗教信仰本性的某种有趣的东西。对于大多数人来说，信神就像呼吸一样容易。近年来，科学家们给出了一种解释。该解释被称为认知副产品理论，它认为人类是“天生的信仰者”。我们的大脑天然倾向于寻找富有吸引力和可信的宗教解释。

例如，演化使我们天生持有一个默认的假定，即我们周围的一切都是由一个有感知能力的东西造成的。这在演化意义上说得通：我们早期的祖先经常受到捕食者的袭击，草丛中的任何动静都可能是个威胁，此时宁可过分谨慎。但这也鼓励我们在本不存在施动者的地方看到施动者，以为我们周围的世界是由某人或某物创造的，凡事都有目的，有果必有因。这形成了大多数宗教的核心信条：有一个无形的施动者创造了世间万物，并对发生的事情负责。

此种内置的认知倾向使人们像哈扎人那样，被超自然信仰所吸引，但这并没有完全解释各大有组织的宗教的起源。其答案也许在土耳其境内的一座山上，那里有一处遗址被普遍视为世界上最古老的神庙。哥贝克力石阵于20世纪90年代被发现，它是一座由若干石砌圆环组成的迷宫，圆环直径可达30米。其中心是一对6米高的柱子，被较小的T形雕塑环绕。有些雕塑刻有腰带和长袍，有些则刻有形状怪异的蛇、蝎子和鬣狗。

来生之门

我们永远也不会知道建造和崇拜哥贝克力石阵的人到底信仰什么，但考古学家们有自己的想法。该遗址最显著的一个特点是长得像门的“门石”，常饰以猛兽和猎物的形象。门洞大小足以让人爬过去，暗示来访者也许会这样做来象征出生或死亡。此外，考古学家在遗址废墟中发现了大量骨头，包括人类遗骸，还有很多以食腐尸而闻名的白嘴鸦和乌鸦的骨头。这是另一个理由，使我们相信，举行死亡仪式是该建筑的功能之一，而这正是现代宗教的一个普遍特征。

很容易理解为什么发掘哥贝克力石阵的考古学家们将其解释为一处宗教场所。但要坚持这种想法，他们必须挑战一种关于有组织宗教的起源的正统说法：这是新石器革命的产物之一。

村民

总而言之，这个观点认为，大约10000年前，人类开始放弃游牧生活，定居在稳定的农业地区。到了大约8300年前，生活在地中海东部地区的人们已经掌握了新石器时代的各种技术：农业、家畜驯养、制陶和建立村庄。他们还被认为建立了有组织的宗教。事实上，这些宗教的发明被视为他们成功的关键。在生活方式发生转变之前，人们生活在亲密的家庭小团体中。转变之后，他们基本上生活在互无关联的陌生人中间，这需要前所未有的信任和合作水平。

在进化生物学中，通常有两种方式来解释信任和合作：亲人之间的互助，以及互惠的利他主义，或者说“你帮我挠后背，我也帮你挠后背”。但这两种方式都难以解释许多不相关的人之间的合作。随着遇到陌生人的机会越来越多，亲人之间的合作逐渐减少。互惠的利他主义也不再行得通。

这便是宗教的起源。今天很多宗教都鼓励合作和利他主义，一些早期的宗教变种大概也在做相同的事情。

带有这些特征的宗教可以帮助互不相关的人结合成社群，作为社会黏合剂把一个个脆弱的新社群联系在一起。这样的群体会比临近的群体发展得更壮大，并且在争夺资源的竞争中胜出。随着这些群体的发展，它们的宗教会一同发展。今天，我们中的大多数人至少模糊地与一种非常成功的宗教关联在一起。

哥贝克力石阵的问题在于它过于古老，无法被纳入这个故事。其最古老的建筑可以追溯到11500年前，那时人类还处在狩猎和采集阶段。该遗址中没有农业出现的证据，也没有任何定居的痕迹。但哥贝克力石阵明显是由一个能够动员大量劳动力的复杂社会创造的。现有证据也强烈暗示，该社会有一个共同的信仰和仪式体系。他们聚集在哥贝克力石阵前，一起举行这些仪式。换言之，这就是有组织宗教的外部标志。

因此，随着哥贝克力石阵以及附近其他有类似石碑的场所（有些历史甚至更悠久）被发现，正统观点被完全颠覆。不是农业为有组织的宗教的确立创造了丰厚的条件，事实似乎正好相反。最初将人们纳入一个更大社会的不是农业，而是仪式性的集会。人们在这些集会上的食物需要可能促进了农业的发展。引人注目的是，最近的基因研究表明，最早的小麦种植地点离哥贝克力石阵非常近。

难以置信！

宗教故事中充斥着“最低限度地违反直觉的超自然事物”——那些人、动物、植物、人造物和自然物违反了我们对这些事物行为的直觉预期。它们非常令人难忘，有一种奇妙的合理性。

这些例子来自《旧约》和《新约》，但其他宗教、民间传说，甚至像《指环王》和《哈利·波特》之类的小说，也充斥着最低限度地违反直觉的事物。

我们是从什么时候开始喝醉的？

你的毒品是什么？如果你是一个具有代表性的人，那么这个问题只有一个答案：乙醇。不论好坏，这种有毒、醉人的液体已经在人类文化中存在了数千年。古老的文化无意中发现了酒精的配方，然后在醉意中踉跄。只有北极、火地岛和澳大利亚的土著未能发现发酵。对于能够发酵成乙醇的东西，我们差不多都已经试过了：葡萄、谷物、苹果、梨、蜂蜜、大米、牛奶、树汁、荨麻、土豆皮。我们只需要一些糖、一些酵母和一点耐心就能换来一段好时光。

我们对酒精的钟爱由来已久。已知最早的酒精饮料大约与农业一样古老。但我们与酒精的关系要远比农业悠久。

并非只有人类喜欢饮酒。果蝇也吃发酵过的水果，但看起来没有让它影响自己的行为。其他动物则有明显醉酒的情况：人们发现海雀吃了发酵过的浆果后会在树上乱蹦乱跳或者撞向建筑物。大象则因其醉酒后的横冲直撞而声名狼藉。在印度阿萨姆邦的一次悲剧事件中，一群大象偶然发现了若干桶啤酒，狂饮过后踩死了至少六个人。

在我们的灵长类亲戚中，加勒比海圣基茨岛上的长尾猴因偷鸡尾酒而臭名昭著，马来西亚丛林中的树鼩则是老酒鬼，每天都啜饮玻淡棕榈树上发酵的花蜜。几内亚的野生黑猩猩曾被发现因喝了棕榈酒而醉醺醺的。

这种行为可以追溯到大约1亿3000万年前结果植物的演化，当时，在恐龙的阴影下，我们人类的祖先与树鼩并无多大不同。早期的哺乳动物利用了这种新的食物来源，微生物也是如此。有一类被称为saccharomyces（希腊语字面含义为“糖菌”）的喜爱水果的酵母菌出现了，并迅速演化出一种微妙的适应。它们并不完全分解水果中的糖分，而是演化出了一种能力，部分分解糖分，从而产生乙醇。这在释放能量方面不够有效，但可以影响其他喜食水果的微生物。

水果的香味

“糖菌”会把成熟的水果作为养料，所以，水果散发出乙醇的气味就暗示它可以食用了。自然选择会青睐那些能循着乙醇气味去寻觅有营养的食物的哺乳动物。喜欢发酵水果味道的动物将在竞争中胜出。所以喜爱酒精的味道及其对神经的作用成为我们灵长类祖先生物组成的一部分。这叫一饮钟情。

数百万年以后，当我们的祖先开始耕种时，对酒精的喜爱可能也提供了好处。大约10000年前，在农业出现之初，小聚落的人们开始对食物进行发酵。这使他们得以保存剩余的粮食，其实就是用酵母来代替使食物变质的细菌。它甚至可以使谷物变得更有营养，因为发酵可以产生营养物质，包括维生素B。

不知姓名的嗜巧克力者

即便是滴酒不沾的人也有理由庆祝酒的发明：巧克力。西班牙人来到中美洲之前，中美洲人在酿酒过程中发现了它的副产品——巧克力。

只有当生可可的果实和种子的稀浆一起发酵时，巧克力的味道才能出来。除非当时的中美洲人出于另一种理由对这种果实进行发酵（的确，他们在酿造一种名叫吉开酒的饮料），否则难以解释他们是怎么发现这个过程的。关键的一步也许在于，吉开酒的酿造者碾碎了发酵后的可可种子，为了提味将其添入酒中，然后发现它们产生了怡人的巧克力味。

发酵还可以给液体灭菌。早期聚居区的卫生条件恶劣，发酵饮品比水更安全。饮用酒精饮料还可能使社会交往变得更加顺利，随着聚居区的发展，社会交往变得更复杂了。

也许是因为储存的小麦和大麦感染了酵母菌，最早的农民偶然发现了造酒的方法。一些人类学家怀疑，我们起初种植谷物不是为了食用，而是为了发酵。啤酒的出现似乎早于面包。

葡萄后来变得可以种植。葡萄皮上生长的真菌使葡萄在阳光下可以自然发酵。最古老的真正的酒精饮料的遗存证明了它悠久的历史。在中国黄河附近的贾湖遗址，人们在有9000年历史的陶罐中发现了酒的残留物，化学检测表明其中包含着由大米、山楂、葡萄和蜂蜜组成的混合发酵物。

旧瓶装旧酒

陶器碎片上也发现了最早的葡萄酒的残留物，它们是发酵的葡萄和树脂的混合物，来自有7000年历史的考古遗址——伊朗的哈吉菲鲁兹。啤酒的最早化学证据来自大约1500年后的同一地区。鸡尾酒也在菜单上：3000年前，青铜时代的希腊人将葡萄酒、啤酒和蜂蜜酒混在一起喝。这些古代饮料中有很多都被研究生物分子的考古学家们重新酿造过，有些据说相当可口。

无论发酵是怎么被发现的，人们很快就意识到这是一项不竭的馈赠。只需从现有的成品中取出一份样品混入新的原料中，就可以不断重复下去。

随着农业的传播和不同文化的出现，酿酒者的酵母发生了多次变化。由于不同地区酿酒方式的差异，出现了新的酵母。有的被用作面包酵母。

然而，发酵只能把我们带这么远了。最终，酵母会因自己的废物而中毒。最烈的发酵饮料的乙醇浓度也只有15度。不过，中国在大约1000年前发明的蒸馏技术解决了这个问题，能使发酵饮料变成烈性酒。干杯！

奇特的酿造物

古代人利用他们能够找到的任何东西酿造酒精饮料，调配出了一些奇特的东西。

我们为什么需要这么多东西？

英国歌手约翰·列侬在某个比较理想主义的时刻曾让我们想象一下一无所有的生活。

尝试一下：这并不容易，对吧？事实上，这几乎无法想象。没有衣服、栖身之处、烹饪工具和干净的饮用水，我们很难活下去。试想一下没有床、淋浴、毛巾、电灯泡和肥皂的生活，更不用说失去爱好、享受以及其他所有具有情感价值的东西了。我们所拥有的东西界定了我们这个物种，没有它们的生活很难被视为人的生活。

人类的近亲没有财产也能生存。黑猩猩会用粗糙的工具搭建巢穴，但这些工具用过就扔。其他大多数动物没有任何财产也能过活。

我们是如何从身无长物的猿猴演化成喜欢囤积的人类的？回答这个问题并不容易。一方面，“所有物”和“非所有物”之间的界限并不明显：比如说，你是否拥有自家后院的土壤或者水龙头里的水？当你丢弃某物时，它何时不再是你的了？此外，我们祖先所拥有的许多东西（动物皮毛或木制工具）不大可能幸存于考古记录中。

尽管如此，关于人类最早的所有物仍有一些线索可循。显然，我们可以从大约330万年前制造的最早的石器开始。它们旨在完成某项工作，而且必定曾由某个人保管。但它们极为简单且容易消耗，就像黑猩猩的工具一样。

那是我的！

但随着工具变得越来越复杂和难以制作，所有权的意识必定会出现。工具成了第一批真正的所有物——这些东西被其拥有者所珍视和保有一段时间，并且被其他人（也许带着嫉妒）看成属于某个人的东西。所有权概念实际上随着矛和箭头的出现而兴起，这些东西至少在30万年前首次出现在非洲。猎人们在狩猎后会将其取回并反复使用。

狗主人

1776年，哲学家亚当·斯密指出了一个关于动物的奇特事实：它们似乎没有属于自己的东西。“没有人见过狗与狗之间有意公平交换骨头。”在许多方面，他都是正确的。只有人才有复杂的财产制度。不过，有些动物被认为也拥有属于自己的东西：鸟有巢，河狸有堤坝，松鼠和灌丛鸦会储藏食物，园丁鸟会收集闪亮多彩的东西以吸引伴侣。许多动物都会捍卫领地。

但这些行为远远不像人的所有权那样复杂。原因很简单：语言。如果没有语词，为实施所有权而制定的彼此都理解的规则和体制就不可能存在。界定所有权是法律最重要的功能，而法律是由语词组成的。

人类早期另一个重要的所有物可能是火。当时的一些狩猎-采集者群体会随身携带余烬，因此可以被认为“拥有”火。我们的祖先也许做过同样的事情。掌握火的最早的确凿证据可以追溯到大约80万年前。

衣服也出现得很早。体虱的基因证据暗示，我们大约在7万年前就开始穿衣服了。

一旦拥有了火、衣服和复杂的工具，我们就会渐渐依赖它们而生存，尤其是在进入寒冷地区之后。我们的所有物开始成为我们“延伸的表型”的一部分，它们之于生存就像堤坝之于河狸一样重要。

炫耀性消费

随着时间的推移，又出现了一次飞跃。物品之所以有价值，不仅因为它有用，还因为它可以作为名牌商品显示其拥有者的能力或社会地位。最终，某些物品只因这些理由而变得有价值，比如珠宝。这方面最早的证据是在以色列和阿尔及利亚发现的10万年前的一些贝珠。

很明显，在数万年前，人与物品的关系已经超出了用途和生存价值的范围。

游牧的生活方式限制了人们所能积累的物品的数量，一些考古学家由此推测，袋子或育婴袋可能是人类最早、变化最多的所有物之一。袋子让人们能比徒手时积累更多的东西，而且可以随身携带。不幸的是，袋子是由可降解的材料做的，所以我们不知道它们是何时被发明出来的。我们已知最早的袋子大约有4000年的历史。

随着人类转向定居的生活方式，这种情况改变了。一旦人们选择在一个地方生活，他们就开始积累财产。这种生活方式也预示了一种新的社会经济形态。群体变得越来越大，等级制度发展起来，像华服和珠宝这样的贵重财产支撑着重要人物的地位。事实上，一些考古学家认为，如果没有相应的“物质文化”，社会就不可能复杂起来并产生等级制度。

贿赂我

从游牧到定居的这种转变改变了物质主义的方向。人们定居下来后，会变得更容易受到环境灾难的影响。这鼓励人们积累财产，将其作为一种保障。另一种保障是发展与邻近群体的关系，交换一些非必需的物品会促进这些关系。最终，当社会变得越来越庞大和复杂时，物品就成了财富的储藏所。这些物品的交易最终导致了钱的出现。

当今世界，有一些群体并未生活在庞大复杂的社会中，拥有的财产也很少。例如，坦桑尼亚的哈扎人几乎没有私人物品，而且崇尚强制分享。但绝大多数人不会这样生活，结果他们被各种东西包围，怀着似乎永远不会满足的欲望，想要得到更多。

那么，人类拥有过多东西的习惯有可能被打破吗？考虑到我们要依赖各种东西才能生存及显示社会地位，这似乎是不可能的。继续做梦吧。

你就等于你所拥有的。

财产是定义我们的东西之一：黑猩猩没有财产一样过得很好。但你是否想过你一生中会用掉多少东西？

我们是从何时开始穿衣服的？

人类在很多方面都与其他巨猿不同，其中最明显的一个方面是我们裸身的样子。黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩和猩猩几乎全身都是毛，而我们则几乎没有毛。

当然，我们很少看到对方的裸体，因此往往注意不到我们的毛很少。这是因为我们习惯了穿衣服，就好像失去了覆盖在我们祖先身上的毛是一个巨大的错误似的。

在某些方面的确如此。在人类发生演化的非洲，保持凉爽要比保温更难。无毛在这种环境下是一种优势，特别是因为我们的冷却系统靠的是出汗，这在全身长毛时不太管用。而一旦褪了毛，我们的活动范围就变窄了。到过北或过南的地方，环境都会非常不利于生存。

这显然不再是一个问题。现代人分布在世界各地。使这一征服得以实现的技术之一是衣服（火和棚屋也很有帮助，但没有衣服易于携带）。衣服不仅可以保持温暖和干燥，而且是一种重要的社会标志，可以体现我们的身份。

穿得暖和

因此，衣服的出现是人类史前史的一个重大事件。不幸的是，其详细情况仍然笼罩在迷雾之中。衣服是由羊毛、皮毛、皮革和植物纤维等可生物降解的材料做成的，难以经受住时间的摧残。已知最早的衣物只有数千年之久，但我们知道，人类开始穿衣服的时间必定要早得多：15000年前（上一个冰期的高峰时期）穿越白令陆桥进入阿拉斯加的西伯利亚人肯定穿了衣服。再往前追溯，很难想象40000年前进入欧洲的人没有衣服保暖。

有间接的考古学证据表明，衣服可能是很古老的发明。法国的洞穴壁画显示，人类穿衣服的时间可以追溯到15000年前，但其可靠性令人怀疑。最早的缝纫针有40000年左右的历史，磨制兽皮的刮刀可以追溯到50万年前，但两者的目标可能并不是做衣服。至于我们的祖先何时变得无毛，就更没有确凿的证据了。

穿戴整齐

最早的完整的鞋子可以追溯到大约5500年前。它是在亚美尼亚的一个洞穴中被发现的，由一块牛皮制成，并用一条皮绳系牢。不过，鞋的发明肯定要早于这个时间，这点有间接证据支持。在中国一个洞穴中发现的4万年前的脚趾骨表明，其主人经常穿鞋。

考古学家们测量了这些骨头的形状和密度，并将它们与20世纪的美洲人、史前晚期的因纽特人以及其他史前晚期的美洲土著的脚趾骨做了比较。鞋子改变了我们走路的方式。脚趾的蜷曲度明显变小，所以骨头受力更少，这导致解剖上的明显差异。穿鞋的现代人脚趾弱小，光脚的美洲土著脚趾粗大，穿鞋的因纽特人则介于两者之间。在中国发现的脚趾骨最像因纽特人，这表明它们的主人经常穿鞋。

一双旧的棕色鞋子，制作于5500年前

幸运的是，我们并不需要依赖考古学。褪毛和穿衣服的时间都可以追溯到一个意想不到的源头：虱子。对于大多数哺乳动物来说，这都是一个恼人的事实。大多数灵长类动物都会遭到一个不寻常的物种的骚扰，尽管猩猩和长臂猿出于某种原因得以幸免。由于不均匀的毛发和衣服，我们人身上有三种虱子：头虱、阴虱和衣虱，它们都会吸血。我们实在是猿类当中最容易生虱子的。好处是，它们可以讲述我们的过去。

首先与无毛有关。我们过去可能只会滋生一种遍布全身毛发的虱子。事实证明，这乃是现代头虱的祖先——体虱。随着我们失去大部分体毛，它的栖息地萎缩了。但一个新的栖息地出现了：阴毛。它比头发粗糙，对于纤弱的头虱来说过于浓密，无法附着。处于有利地位的是阴虱，它们比头虱大得多，也强壮得多，它们还喜欢生活在面毛、眉毛、腋毛和胸毛中，偶尔也出现在头发上。

你也许以为阴虱是从头虱演化而来的，但事实并非如此：距离它们最近的亲戚是大猩猩身上的虱子。在过去的某个时候，它们从大猩猩身上跳到了人身上。至于究竟是怎么跳过去的，是一个太过细致的主题：我们无须费力讨论。但遗传学告诉我们，这两个物种大约在330万年前分道扬镳，这暗示我们的祖先在当时就已经有了分离的头发和阴毛。这时间早得令人难以置信，远在智人出现之前。我们一直以来都是无毛的。

证据线索

衣服的情况怎样？当史前人类开始为赤裸的身体穿上衣服时，他们也为虱子创造了一个新的温床。这一次头虱首先入住，衣虱就像更大、更强壮的头虱，两者无疑关系密切。

不过它们差异很大，足以用遗传学来确定其分化的时间。最近的分析表明，两者的共同祖先生活在至少83000年前，甚至170000年前。我们的祖先似乎在走出非洲之前就已经开始穿衣服了。如果是这样，我们不由得猜测，衣服是使人类能够走出非洲的技术突破之一。

关于最早的衣服究竟是什么样或者由什么材料制成，专家们莫衷一是。但衣服的发明与象征文化的萌生在时间上吻合，因此，可以合理地推测，功能性很快就与炫耀和时尚结合在一起。光鲜的皮草——只可惜上面有虱子。

虱子与人

虱子的演化史向我们讲述了人类自己的演化史，包括我们何时失去体毛，何时开始穿衣服——也许与大猩猩的关系过于亲密了。

最初的音乐听起来什么样？

在刚果雨林深处居住着地球上最具音乐天赋的一群人。梅邦泽勒人是一些狩猎-采集者，他们很少走出雨林，也没有收音机或电视。他们与外界的接触极少，但其音乐作品（声乐、拍手和鼓乐）堪比最复杂的交响乐，而且带有特别的和声和复节奏。

梅邦泽勒人清楚地表明，音乐是人类天性的一部分。和语言、宗教一样，所有文化都包含音乐，它是使人成为人的东西之一，也是最难解释的事物之一。

达尔文对大多数人类特征的起源都很有洞察力，他说音乐是我们最神秘的能力之一。他认为音乐始于一种“音乐性的原始母语”——一种类似于鸟鸣的求偶展示，最终分化成两种不同的东西：音乐和言语。

另一些人则认为，音乐是一种大脑训练，可以提高记忆和情感等各种心智能力。音乐也被称为“听觉的奶酪蛋糕”，这种愉悦的体验之所以吸引我们，是因为像模式识别这样的其他心智特性。不幸的是，几乎没有任何证据能够证明这些说法。

发现我们的声音

一个理由是，音乐的起源已经淹没在时间当中。最古老的乐器是在饰有壁画的欧洲洞穴中发现的残破的骨笛，其年代大约在距今42000年至15000年之间，这正是创造力勃发的时段。

迪维·巴贝长笛是最古老的乐器之一，发现于今天斯洛文尼亚的尼安德特人遗迹中。有人认为它是尼安德特人制作和使用的笛子，那会非常有意思——如果尼安德特人精于音乐，那意味着我们共同的祖先也是如此，这至少会将音乐的起源提早50万年左右。但我们没有物质证据，这并不奇怪，因为最早的音乐大概是唱出来的。

探索音乐更深层的起源的一条有前途的路径是动物。总体说来，没有太多东西可以探索：大多数动物都对音乐无动于衷。如果要在音乐和无声之间做出选择，猴子每次都会选无声。它们似乎也不会辨别谐和声和不谐和声。在这方面，它们类似于患有失歌症的人。失歌症是一种罕见的神经病学缺乏症，使人无法对音乐有本能的欣赏。

跟着节奏舞动的动物

许多动物都会跟着节奏舞动。其中最著名的也许是一只葵花凤头鹦鹉“雪球”，它在2009年因为一条YouTube视频而走红。视频里，它跟着一首“后街男孩”的歌曲忘情地跳着舞，节奏非常准确。

研究者们在互联网上搜索更多信息时，又发现了14种节奏感发达的动物，其中包括金刚鹦鹉、长尾小鹦鹉、亚洲象和一只名叫罗南的小海狮。另外500条视频展示了狗、鸭子和猫头鹰等动物在随着音乐移动，虽然跟不上节奏。很多人也有这个特征，即所谓的“老爹舞”。

对这些不幸的人而言，音乐是乏味的噪声，曲子与曲子之间没有什么区别；有少数人甚至无法区分音乐和用扳手敲打排水管的声音。这也许是因为他们缺乏一种易于接受音乐的大脑系统，这暗示了音乐是人类所独有的。

鸟鸣

然而，动物王国并不全是音盲。很多鸟都会唱复杂的歌曲，还会学习新曲。爪哇禾雀能够区分不同风格的音乐：它们更喜欢巴赫的旋律而不是舍恩伯格的无调性音乐，会选择聆听巴赫而不是寂静无声。

但这并不意味着它们精于音乐。鸟鸣服务于一种特殊的功能：它基本上仅限于雄性，目的在于求偶和保护领地。而我们作曲和听音乐的理由却五花八门，比如性、联络感情和保护领地等，或者是为了提高或改变情绪、祭拜神灵、激励自己、集中精力，或仅仅是出于纯粹的乐趣。

人类还会有意写出新音乐，发明新风格，寻求新的音乐体验。即便最多才多艺的鸟类歌唱家也会固守一份核心曲目。主流观点认为，音乐是人类独有的——但这对于理解音乐的起源无甚帮助。

不过，音乐有一个特征似乎更为悠久，那就是节奏。与音高和和声不同，节奏在所有音乐文化中普遍存在。婴儿对节奏做出反应要远早于学会欣赏和声。人以外的许多动物也会受到节奏的感染。

距离我们最近的亲戚就有节奏感。野生黑猩猩会连续敲打树桩等能激起回响的物体。研究者给了杰克逊维尔公园的倭黑猩猩一套架子鼓，它们很快就学会了如何演奏。

这些动物中有许多是社会物种，有人视之为一条线索。节奏感与社会行为之间可能存在着一种关联，尤其是出于协调行为的需要。节奏充当了一种社会黏合剂。倭黑猩猩和黑猩猩所在的群体都要求个体对他者的行为进行评价和回应。预测群体活动的时间，与他者的行为同步，也许强化了节奏感所涉及的神经回路。

跟着节奏吃

对于像制作工具、狩猎和准备食物这样的活动，我们的祖先也需要社会协作。随着时间的推移，这些行为可能会变得极富节奏感，因为跟着节奏工作有助于人们协调自己的行动——想想劳动歌曲和船工号子吧。

有节奏的重复运动还有助于将群体联系在一起，深化对人类生存至关重要的社会联系。

如果这个模型是正确的，那么我们的乐感就始于节奏感。在过去几千年里，我们的乐感已经变得远比其他任何动物都复杂。我们也许永远不会知道其中的详细情况或原因，但这并不妨碍我们享受音乐给予我们的独特乐趣。大脑扫描显示，对音乐有反应的大脑部位也会对食物、性和药物起反应。摇滚乐！

完美的和谐

如果其频率（产生声音的振动弦的长度）之比为简单的整数，那么两个音听起来就是悦耳的。这些数学关系可以用利萨如曲线来描述：图案越复杂，声音就越不和谐。

谁发明了卫生纸？

19世纪50年代是家庭卫生的黄金十年，其间诞生了洗碗机和洗衣机。但这两项发明都不如纽约的约瑟夫·C.盖耶提的发明具有革命性。在《科学美国人》的一则广告中，他称自己的发明是一项“无与伦比的伟大发现”和“现时代最大的幸运”，这就是盖耶提医用纸，美国最早的商用卫生纸。

盖耶提的广告掀起了轩然大波。现在卫生纸也许被视为一种必不可少的家用品，但在19世纪50年代，花钱买卫生纸这种想法遭到了众人的嘲笑。玉米皮、撕下来的报纸、杂志和目录册用着很好，而且成本很低，这有什么问题呢？美国的一些目录出版商甚至在目录边角处打孔，仿佛默认自己的产品注定要被挂在厕所当卫生纸。

失望

盖耶提的纸尤其令医生们恼怒。根据《卫生纸趣史》的作者理查德·史密斯的说法，他们特别关心这样一则断言，即这种新纸可以治疗痔疮。没过多久，几份重要的医学杂志都对此提出批评。

尽管说得堂皇浮夸，但盖耶提并不是第一个发明卫生纸的人。中国人早在几百年前就开始用卫生纸了。中国人自公元2世纪就开始使用纸，不久便将其用于擦拭。即便是14世纪的暴君洪武皇帝也展示了其感性的一面，为皇宫订制了15000张极为柔软且带有香味的卫生纸。

至于另一种必不可少的个人卫生用品——牙刷，似乎也是中国人最早使用的。在很多古代文化中，人们都用磨牙棒来保持牙齿清洁。事实上，几乎所有文明的民族都曾将某种工具用于口腔卫生，但直到15世纪的明朝，才出现了真正的牙刷。人们将粗猪鬃固定在木柄或骨柄上制成牙刷。造访中国的欧洲游客将牙刷带回了家乡，这项技术遂传到西方。

牙膏的发明甚至更早。古代埃及人、罗马人和希腊人会用各种东西保持牙齿清洁，不过其成分相当原始和粗糙：灰烬、蛋壳、浮石、木炭粉、树皮、盐、碾碎的骨头和牡蛎壳等都曾被发现。另一种常见的成分是肥皂，这是巴比伦人在大约2800年前发明的。罗马人添加了香料来缓解口臭。中国人似乎在牙刷出现之前很久就发明了薄荷牙膏。

一把叶子

然而，中国人对卫生纸的偏好并没有普及开来。有一把羊毛或叶子，英国人就心满意足了。贵族们会使用小块的亚麻布。或者，他们有其他人代劳：14世纪的一本仆人手册建议“贴身侍臣”要准备好在关键时刻为主人“擦屁股”。

随着印刷机的出现，人们很快转向了废弃的小册子和书籍。17世纪的作家托马斯·布朗写道：“著作等身、儿孙满堂的人在某种意义上也可以说是在造福公众，因为他提供了卫生纸和士兵。”

并非只有盖耶提试图把卫生纸商业化，但他的产品影响力最大。他声称，这些纸“像钞票一般柔软，像大页纸一般结实”。真正激怒医疗机构的是，他声称印刷油墨有毒，会导致痔疮，而他的纸可以“治疗和预防痔疮”。这种说法并无根据，但直到20世纪30年代仍有许多公司在宣传，卫生纸是一种治疗手段。

医学杂志很快就进行了反击。《新奥尔良医学新闻和医院公报》宣称，“纽约的盖耶提先生已经发现，公众愿意接受任何形式的欺骗”。《医学与外科学报道》也指控盖耶提利用公众，并幽默地说，他正试图“抓住脱下裤子的他们”。相比于普通公众，《柳叶刀》杂志更忧虑靠治疗痔疮谋生的外科医生的命运——“他们已经走投无路。现在只需一张印有‘盖耶提’的纸片即可。”

要挣钱就别怕脏

即便无法治疗痔疮，公众也认识到了卫生纸的舒适。它很快就催生出一系列跟风产品。然而，消费者的期望似乎并不太高。20世纪30年代，北方纸巾公司把它的纸巾“没有刺！”当作卖点。今天，仅美国卫生纸产业的年产值就高达35亿美元，平均每人每年消费20000多张。加上花在牙膏和漱口水上的30亿美元，消化道两端的个人卫生显然是笔大生意。

除体臭的清爽剂

解剖学家把人的腋下称为腋窝，它被设计出来似乎只是为了散发恶臭。其他地方的皮肤状态可以分为干燥、湿润和油腻，而腋下因为高密度的汗腺和皮脂腺显得既湿润又油腻。那儿还分布着许多顶泌腺或臭腺，会分泌出一种蛋白质和脂类的混合物。这种潮湿油腻的环境极易滋生细菌，细菌在皮肤上繁殖，吸收皮脂和其他营养物，并排出有恶臭的废物，即所谓的狐臭。

擦掉过去

卫生纸首先出现在中古时代的中国，但并没有传播到世界其他地方。几乎任何手边的东西都曾被用作卫生纸。

CHAPTER 5　知识

文字始于何时？

如果你想记录人类已有的全部思想，你只需要这样一些东西：26种抽象的形状、一些点、波形曲线和破折号，还有一些空间。这就是全部。

文字是人类历史上最伟大的发明之一——也许是最伟大的发明，因为它使历史得以可能。在文字出现之前，所有思想都转瞬即逝，要么靠口头传承，要么注定会消亡。文字使思想能够独立于可朽的人类大脑而被储存和积累。正如语言学家彼得·丹尼尔斯在1996年的著作《世界文字系统》中所说：“语言定义了人类，但文字定义了文明。”

相对于人类存在的时间尺度，文字是一种晚近的发明。人类至少在10万年前就有了语言，但直到大约35000年前，文字的雏形才开始出现。

这些早期符号可见于旧石器时代欧洲的著名洞穴壁画。动物当中夹杂着26种抽象符号，包括几何图形、锯齿形、箭头和点簇，画风很一致。这些可以追溯到一万年前的符号于法国的146个洞穴中被发现，世界上其他地方也发现了类似的符号。

墙上的文字

这些符号的含义（如果有含义的话）已经无从知晓，但对其研究者而言，它们包含着诱人的文字萌芽。某些符号经常成对出现，这是早期文字系统的典型特征，符号组合代表一个新的概念。其他符号则可能代表一个更大形象的一部分。肖韦洞穴中出现的W形状似乎是没有身体的猛犸象的獠牙。这种被称为提喻法的特征在原始文字系统中很常见，它们用图像来代表事物和观念。

除了这些洞穴符号，已知最早的象形文字可以追溯到新石器时代，那是文化发生爆炸性革新的时代。例如，人们在中国贾湖的墓穴中发现龟甲上刻有16种符号，距今大约8500年。此外还有温查文字，这数十个符号在欧洲东南部出土的上百件文物上反复出现。两种符号看起来都像是文字，但尚未被破解，所以没有人知道确切的情况。

能够记录口头语言的全部复杂性的最早的真正的文字出现在5300年前的苏美尔城市。用钝芦苇刻在泥板上的楔形文字起初是一种记账系统，用来记录诸如供给工人的啤酒数量之类的事情，对于日益复杂的社会而言，这是必需的发明。这些符号起初由象形文字组成（比如，一个罐子代表一份啤酒），到了约4600年前已经变得可以代表音节，因此可以用来书写语言。例如，表示箭的词是ti，所以，箭的象形文字开始代表音节ti，比如在意为“生命”的til一词中。这种文字被称为音节文字。日语等一些现代语言就是以这种方式书写的。

识字的大脑

阅读是我们做的最了不起的事情之一。人脑天生就会学习口头语言，但学习阅读却需要多年的刻意努力。大脑需要接受训练才能运用出于其他原因（比如模式识别）而发展出来的认知模块，从而将一串串抽象符号转变成语言。书写也同样困难和违反直觉。扫盲教育之所以是非常晚近的现象，正是因为需要时间和努力。

直到现在，世界上仍有15%的人不会读写。

认识你的字母表

大约在同一时期还出现了另外两种文字系统：埃及的象形文字及今天印度和巴基斯坦的印度河文字。象形文字基本上是语标文字，即每一个符号都代表一个完整的词。但它们也包含着字母文字最早的要素，字母文字的符号都有单独的发音。

以上仅仅是随着诸文明的兴衰而出现和消亡的数百种文字系统中的少数几种。文字的种类多得惊人。除了音节文字、语标文字和字母文字，还有没有元音的辅音文字，比如阿拉伯语。

一些文字需要从左往右读，另一些则需要从右往左读，还有一些两者兼有：有少数文字在每一行的末尾沿相反方向开始下一行，这种书写方式有一个古怪的名字boustrophedon，这个词的意思是“像牛转身那样”。

我们的拉丁字母源于大约4000年前的一种用于记录古埃及语言的文字。它从一种象形文字系统中演化而来。例如，字母A源于倒置的牛头图案，念作alf。

后来，地中海沿岸的各个城邦采用并调整了这种文字，腓尼基商人使之在这一地区周围传播。腓尼基文字共有22个字母，可能是第一个纯字母文字系统。

大约3000年前，希腊人借用并调整了这种文字。后来罗马人又把它借回去，并对字母做了增减。今天有大约50亿人在使用罗马字母，它是全世界被广泛使用的大约35种文字中最常用的。借助罗马字母和其他文字，我们得以了解生活在数百年前的人的思想和经历。

但令人沮丧的是，古代留传下来的许多文字仍然无人能懂，因为它们尚未被破解，其中包括印度河文字、来自伊朗的原始埃兰文、来自克里特岛米诺斯文明的线形文字A以及来自复活节岛的朗格朗格文等。不仅如此，许多口头语言从未被书写下来。今天，口头语言约有7000种，但其中只有很少一部分有书写传统。

消失的和发明的

有些文字被发明出来是为了填补空白。朝鲜文发明于15世纪40年代，切罗基文发明于19世纪20年代。最近加入的是科达瓦语，在印度有20万人说这种语言（现在有越来越多人开始书写这种文字）。科达瓦文发明于2005年。

维持一种文字系统需要巨大的投入，业已消失的文字系统数不胜数。不过，总的来说，随着人们越来越多地通过手机和电脑来交流，现在实际上出现了使用文字的热潮。未来的历史学家会接触到更多我们的思想，至于值不值得读就是另一回事了。OMG！RBTL [3] ！

最早的文字？

法国洞穴以其史前岩画而闻名。但距今35000年到10000年间的146处遗址墙壁上还出现了26种类似字母的符号。我们不知道这些符号是什么意思，它们也许是代表事物的象形文字。

其中一些符号还出现在世界上其他地方，这让人怀疑初民是否发展出了一种符号交流系统。

我们是如何发现零的？

一个人原本有七只羊，他用三只换了玉米，三只分别给了三个女儿做嫁妆，一只不知道丢哪儿了。他还剩多少只羊？

这个问题不难回答。但奇怪的是，在历史上很长一段时间，人类并无相应的数学方法来回答这个问题。有证据表明，计数活动可以追溯到5000年前。但即使根据最宽泛的定义，关于无的数学概念“零”存在的时间也不超过2500年。

零的故事也是计数和数学的故事。但这是个纠结的故事，涉及两个不同的零：一个是代表无的符号；另一个则是可用于计算的数，有自己的数学性质。认为两者等同是很自然的。但它们并不等同。

最先出现的是作为符号的零，即像2016这样的数字当中的零。要想知道2016是什么意思，就必须理解“位值制”的概念。幸运的是，这并不难。任何掌握了百位、十位和个位的小学生都懂。2016中的6指的是六，1指的是十，2指的是两千。零的作用很关键：它告诉我们，这个数当中不需要百位数。如果没有它，我们很容易把2016误当成216或2160。

最早出现的位值制被用来计算自公元前约1800年以来巴比伦地区季节和年份的流逝，它的基数是60，而不是我们所熟悉的10。因此，在我们的想象中，一位巴比伦小学生需要学习3600位、60位和个位。这种位值制很好用，但有一个明显的缺点：如果某一列没有可填的内容，巴比伦人会径直留下一处空白。这可能导致数值上的混乱。

到了公元前300年左右，也许是为了消除这种错误，巴比伦人引入了一个新符号↗↗来指代空列。这是世界上最早的零。700年后，在世界另一端，玛雅的祭司-天文学家们再次发明了零。

作为计数系统中的一个占位符，零显然是个有用的概念。但巴比伦人和玛雅人都没有充分意识到，零本身作为一个数是多么有用。

当然，在数的神殿中，零并不怎么受欢迎。接受它会招来各种概念上的新奇事物，如果不妥善处理，会导致整个系统的崩溃。与其他数不同，给某个数加上零或减去零不会让它产生任何变化。但用零乘以任何数，都会使这个数归于零。我们还是不要去探讨用零除某个数时会发生什么了吧。

避免虚空

下一个拿这个概念进行试验的文明是古希腊，它对此并不热心。希腊人坚持认为，数表达了几何形状。什么形状会对应某种不存在的东西呢？他们的世界观还认为行星和恒星镶嵌在一系列同心天球上，这些天球均以地球为中心，由一个“不动的推动者”推动。虚空在这种宇宙论中没有位置，因此，零是一个渎神的概念。后来基督教哲学热情采纳了这幅图景。

基于永恒轮回观念的东方哲学没有这种不安。零的旅途中下一个大的驿站是《婆罗摩修正体系》，这是一部讨论数学与物理世界的关系的著作，成书于公元628年左右，作者是天文学家婆罗摩笈多。

婆罗摩笈多第一次把数当成与物理实在或几何实在相分离的抽象的量来处理。这使他可以思考新的问题，比如，从一个数中减去比它更大的数会怎样。在几何上，这是荒谬的：从一个面积中减去比它更大的面积，还剩下多少面积？然而，一旦数成了抽象的东西，便出现了一种新的可能性，这就是负数的世界。

从零到英雄

结果便出现了可以沿两个方向无限延伸的连续数轴的概念，既包括正数也包括负数。零位于这条线的中点，是正数与负数的分界。这个新的数很快就与作为符号的零统一起来。这标志着如今全世界都在使用的纯抽象数制的诞生，并且很快就催生了一种新的做数学的方式：代数。

又过了很长时间，欧洲才得知这个消息。直到1202年，意大利数学家斐波那契才介绍了这种新的计数系统的细节，展示了它在进行复杂计算方面相比于算盘的优点。商人和银行家很快就被说服了，但当局却没有。1299年，佛罗伦萨市禁用数字零。他们认为，仅仅在后面加一个零就能使数值翻为十倍是赤裸裸的欺骗。

从16世纪开始，哥白尼革命（主张地球围绕太阳旋转，粉碎了水晶天球）使欧洲数学逐渐挣脱了亚里士多德宇宙论的桎梏。

于是，对零的更进一步的认识成为随后科学革命的导火索。接下来的事件证明了零及其推论对于数学的重要性。看着零现在静静地待在数的行列中，很难想象它之前为何会造成那么多混乱和忧虑。这无疑是一个无事生非的例子。

零的符号化

1400年前，印度人发明了零的概念，但当时的数学家在没有0这个符号的情况下似乎也能应付。公元前662年，叙利亚学者塞维鲁斯·塞博赫特写道，伟大的印度数学家们“用9个符号”进行计算，很可能是1到9。又过了214年，我们才有了关于零这个数的最早记载，在印度北部瓜里尔的一座寺庙的铭文中出现了扁蛋状的符号，同我们现在使用的阿拉伯数字的零近似。

这处铭文涉及一块长270阿斯达的土地，1阿斯达在印度等于1肘尺。

零的英雄们

我们何时开始对事物进行测量？

可测量，才可管理。从超市到科学，这句谚语贯穿于我们的社会。一直都是如此：所有古代文化似乎都发明了测量距离、重量、体积、面积和时间的单位体系。历史上充满了现已过时的测量单位：蒲式耳、肘尺、链、路得、英担，等等。

毫不奇怪，测量是一门精密科学。任何单位体系都必须基于人人都可接受并且易于掌握的标准单位。因此，它们经常以人体为基础，比如1肘尺就是从肘部到中指指尖的距离。我们仍然在使用这样得来的单位，比如英尺（foot）和手宽（hand）。

另一种办法是使用相对齐一的自然现象。例如，角豆被用来称宝石，最终演变成了克拉。 [4]

这些单位在一定程度上是有用的，但终究还是太易变。因此，标准渐渐被写在石头或金属上，并且储藏在像雅典卫城那样的政府建筑中。在那里你可以看到对一指或一匙等单位的标准定义。

革命性的计量单位

现代计量学诞生于法国大革命的风暴中。革命领袖们渴望建立一种新的民族认同，扫除旧制度的所有遗迹，包括不合理的度量衡。于是便出现了简洁有序的公制。

最早的公制只包括两个单位：千克和米。千克被定义为1升水在融冰温度时的质量，这立刻与米联系起来（1升是边长为10厘米的立方体的体积）。

米被定义为从北极到赤道距离的一千万分之一。显然，确定这段距离的实际长度绝非易事。攀爬从敦刻尔克到巴塞罗那的教堂塔楼，对它们之间的距离进行三角测量，观测北极星的位置，从而算出北极到赤道的距离，总共花了七年时间。

这两个单位后来都以金属的形式被珍藏：一个1千克重的铂质圆柱体和一根1米长的铂棒。

这是当时设计最为精确和科学的单位体系，但它仍然依赖于可变的量。在1875年米被接受为国际标准之前，有人曾抱怨这个单位过于模糊。例如，物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦就提出，根据地球尺寸定义的单位有内在的不稳定性，因为地球表面在不断变化。

19世纪70年代，美国数学家查尔斯·桑德斯·皮尔士提出了一个重要洞见：米可以用光的波长来定义。这启发人们把测量建立在基本自然常数的基础之上。由这粒小小的种子衍生出了今天的科学测量体系——国际单位制，即通常所说的SI。

手指、肘和杆

一肘尺是从肘部到中指指尖的距离。

杆是一个5.5码长，用来测量面积的单位。一英亩等于160平方杆。

但这要花时间。直到1960年，计量单位的守护者们才最终采取行动。他们放弃了铂棒，代之以基于氪-86原子的发射谱所确定的米。到了1983年，它又被一种新的定义所取代：米被定义为光在1/299792458秒内走过的距离。

1960年还诞生了国际单位制。除米以外，它还为千克、秒、开尔文、安培、摩尔和坎德拉（发光强度单位）等六种“基本单位”定义了国际标准。这些基本单位可以组合产生所有其他测量单位，比如焦耳、赫兹、瓦特和欧姆。如此命名的“导出单位”共有20种。

但测量学的问题并未就此结束。在七种基本单位中，有五种的定义仍然不能令人满意。例如，“秒”与地球的旋转相关联，而后者会有轻微变化。这个问题在1967年得到解决，但其他四种单位仍然成问题。如果国际单位制是一个人，你会说他有体重问题，长了一颗令人尴尬的痣（mole，指摩尔），体温不健康，明显缺乏活力。

这是一个严重的问题。测量单位必须对任何人都是一样的，无论你是谁，身在哪里，在买菜还是在研究粒子。没有一种普遍的单位制会导致灾难，比如，1999年美国航空航天局就曾因为混淆了英制和公制而损失了一颗价值1.25亿美元的火星气象卫星。

问题最严重的是千克，它现在仍然由一个物体来定义——19世纪70年代铸造的一个铂铱合金圆柱体。

同时铸造的还有大约40件复制品。其中一些保存在巴黎附近赛夫勒的国际计量局总部，其余则存放在世界各地的标准实验室。它们偶尔会被相互比较一下。1949年，计量学家们发现，原件与它的复制品们已经有了50微克左右的偏差，这个数值大得令人尴尬。1989年他们又检查了一遍，问题依然存在。

无法完成的测量

国际单位制中定义最不精确的是电流的单位——安培。“真空中相距1米的两根无限长且圆截面可忽略的平行直导线内通过一恒定电流，当每米导线上所承受的作用力等于2×10-7 牛顿时，各导线中通过的电流为1安培。”看懂了吗？看不懂也没关系：反正这种测量也无法完成。到哪里去找无限长的导线呢？

永远不变

千克问题波及了摩尔，这是化学家们用来测量物质的量的单位。它被定义为0.012千克碳12中的原子数。唉！

温度的单位开尔文也有问题。它被定义为0.01摄氏度的1/273.16，0.01摄氏度是净化后的海水的三相点，水的气、液、固三态在那一点可以共存。在大多数情况下这都是可行的，但出于技术原因，非常高或非常低的温度难以测量。安培甚至有更严重的问题。

计量学家们很清楚这些问题，他们忙着把所有基本单位同不变的自然常数联系在一起。如果改组最终完成，有史以来测量单位将第一次拥有严格的基础。

万物的单位

所有物理实在都可以通过七种基本测量单位被量化。基本单位也可以相互组合，产生导出单位。

谁开始留意时间？

注视着时钟的秒针，你也许会看到一种奇特的现象。秒针并没有一直向前走，有时它仿佛停顿了一下……然后滴答滴答继续向前。这种“时间停止”的幻觉是视觉系统的设计造成的：当你快速移动眼睛时，它就不会发生了，因为大脑会回填自以为错过的东西。但它很好地总结了我们测量时间的问题。

时间至少是一种难以捉摸的现象。它有时飞逝，有时拖延，有时似乎停滞不动。时间给我们的印象是一条传送“当下”的不可阻挡的传送带，从过去延伸至未来。但我们并不确定时间是否真的存在：它也许和空间或质量一样，是宇宙的一个基本性质，或者只是我们大脑制造出来的一种幻觉。

但这种难以捉摸并不能阻止我们试图把它搞清楚。人类发明了越来越精确的方法来确定和测量时间。

我们的祖先肯定注意到了关于“当下”的体验，以及可以预测的日、季和年的轮回。但对于人类的早期发展阶段而言，自然计时器（黎明、黄昏、月相等）已经足够精确。像巨石阵那样的古迹也许是某种日历，用于预测四季的更替，但我们在这里只能猜测。

记录时间

已知最早的创建正式计时体系的尝试要追溯到大约4000年前，当时的古埃及人已经想到把一天划分成更小的单元。在埃及国王谷发现的早期日晷表明，白天被分成了12等份，也许是为了记录工人建造陵墓的工时。如果是这样，工人们也许会觉得时间过得很慢，尤其是在盛夏时节。这种“原小时”会随着白天的长度变化而变化，盛夏的一小时会比隆冬的一小时长（现代的）16分钟。也许是为了解决这个问题，古埃及人发明了水钟，这种计时方法不依赖于太阳，并且将一天划分成24等份。

下一项重大革新是创造更精细的划分。公元前300年左右的巴比伦人第一个越过障碍，将一天的时长连续除以三次60，形成的单位分别对应24分钟、24秒和0.4秒。

秒出现

我们现在使用的时间体系是在公元1000年左右发明的，当时的波斯博学者比鲁尼借用埃及的一天24小时的概念，将小时两次除以60，创造了分和秒——秒的名称源于第二次（second）划分。

秒仍然是基本的时间单位。数个世纪以来，它一直保持着与太阳活动周期的联系，被定义为一天的1/86400。但科学家们渐渐认识到，这种定义再次遇到了古埃及人遇到的问题。每一天的长度并不完全一样。太阳和月亮的引力正在使地球的自转逐渐减慢，因此，100年前的一天要比现在短一些，100年后的一天要比现在长一些。大气和沸腾的地核所导致的不稳定性也意味着，地球的自转可能以不可预测的方式变慢或变快。

对于日常生活来说，这不是问题。但还有许多测量单位依赖于秒，所以秒的变化是不可接受的。科学家们最终找到了一个与埃及人类似的解决方案，不过要比滴水更为精致复杂。

1967年，经过多年（往往晦涩难懂的）争论，国际计量委员会给出了秒的新定义。从此有了“原子秒”，由铯原子的特定振动次数来定义。这个定义决定性地打破了天文学与时间的历史关联。

但每隔几年，天文学仍然会不定期地现身。我们尽可以用原子钟来测量时间的流逝，但一天仍然在不知不觉地变长，从而导致原子时间和地球时间逐渐分离。

跃入未知

从人类的角度看，二者每个世纪有两三分钟的差异可以忽略不计。但对科学来说，这就太不精确了。因此，1972年又出现了闰秒制。天文学家们用他们所能找到的最严苛的固定参考点（数十亿光年以外的类星体）来追踪地球的自转。每当地球的自转变化可能导致地球时间与原子时间偏离超过0.9秒时，天文学家们就会建议增加或减少1闰秒。到目前为止一直在增加闰秒，结果便是世界标准时间（UTC）。

与此同时，对越来越精细的时间划分进行测量的努力仍在继续。原子钟精确得令人吃惊：1955年发明的第一座可靠的原子钟可以精确到每300年只有1秒误差。

自那以后又有多次改进。2013年，美国科学家制造了一座原子钟，即使从5.42亿年前寒武纪生命大爆发时就开始运行，到现在也只会有0.5秒左右的误差。最新的技术承诺了更多。被称为光钟的新一代时钟很快就会做到，即使从138亿年前宇宙大爆炸时开始运行，到现在仍然会准点。

深时

在测量时间这件事上，最困难的概念突破之一是认识到时间有多么深广。从人生的角度来看，一千年勉强可以想象。但138亿年是不可思议的。“深时”与常识如此相悖，从发明计时到发现深时用了4000年左右。

在18世纪中叶之前，宇宙的年龄被认为只有几千年。后来地质学家们逐渐发现，这与实际情况差了若干个数量级。他们研究的石头看上去是永恒不变的，但这不过是幻觉罢了。事实上，地层、化石和断层线都在诉说着在长得令人难以置信的时间中展开的极其缓慢的变化。

埃及水钟是第一件与天文学无关的计时装置。

12的力量

古代的许多计量体系都以12这个数为基础。十二进制已经基本被十进制所取代，但在计时方面还继续发挥着作用。

埃及人的方案

埃及文明也许是最早使用十二进制计时的文明。在国王谷发现的日晷显示，白天被分成了12等份。

他们选择12的原因不得而知，也许跟天界有关：埃及天文学家将夜空分成12等份。

我们何时开始讨论政治？

如果你曾看到敌对的政客们争得你死我活，并认为“他们好像生活在不同的世界”，那么你差不多说对了。他们的分歧不仅是意识形态上的，更是生物学上的。

人是政治动物。虽然现代政治与职业政客和政府有关，但政治其实只是关于如何组织社会以及分配权力和资源的永恒争论罢了。这种争论已经持续了数千年。和我们一样，由狩猎-采集者组成的游牧部落也需要做这类决定。

在前现代社会中，政治在很大程度上是军阀之间的权力斗争。但随着社会变得越来越开化，斗争也变得更为民主。18世纪90年代的法国最先出现了这种迹象。在革命年代，法国社会发生了明显的撕裂。教会等旧政权机构支持君主制，另一方支持革命。保守派坐在议会右侧，革命派则坐在左侧。

权力斗争

古往今来，所有政治都或多或少反映了这条基本的分界线。可以把政治理解为保持现状和推翻现状这两种力量之间的斗争。现代政治制度基本上由左与右、保守派与改革派之间的斗争所定义。那么，这种似乎普遍存在的人类分歧从何而来？

传统观点认为，政治倾向是我们基于证据和论点所做的自觉而理性的选择。如果我们有分歧，那只是因为我们得出了不同的结论。然而最近的研究表明，事实远非如此。政治融入了血液，政治分歧深植于生物学基础之中。不仅如此，政治分歧在很大程度上超出了意识的控制。

20世纪50年代，全世界力图理解极权主义，人们开始对政治信念的生物学基础进行研究。研究成果主要是确认了所谓的权威型人格。然而，认为这种人格只适用于一小部分人的观点引发了争议，人们的兴趣消退了。

但研究者们抓住了一些东西。现代研究发现，人格的确会影响政治理念。心理学家在研究办公室和宿舍时发现，保守派和改革派对空间的管理往往不同。保守派喜欢整洁和因袭惯例，拥有更多关乎秩序的东西。改革派的房间则更为凌乱，探索性的东西更多。

我们的伙伴

我们的政治理念并非有意识的决定，测量无意识态度（即下意识的偏好）的心理学测试对此提供了一些最清楚的证据。它们表明，意识形态不同的人在社会偏好方面也会不同。一般来说，保守派比革命派更有可能偏爱地位高的人，以及像白人和异性恋这样占支配地位的社会群体。革命派则比保守派更容易接受少数族群和性少数——但需要注意的是，革命派也会无意识地偏爱地位高的人群，只是不像保守派那么明显。

政治辩论会使人头脑发昏。这样看来，“左翼”“右翼”等标签源自法国大革命毫不奇怪。

道德迷宫

研究人员得出结论，这些外在差异显示了内在的人格特征：经验开放性和责任心，这是已知有强大遗传基础的五大人格基本维度中的两个。

几项相关研究表明，保守派对于“认知闭合”有更高的需求，即想把不确定变成确定，把模糊变成清楚。

二者的生物学差异还见于道德判断领域。改革派认为受苦和不平等在道德上不可接受，而保守派则更在意对权威和传统的不尊重，以及性和精神方面的“不洁”迹象。再说一次，这些差异有令人惊讶的生物学根源：它们与人们产生厌恶感的难易程度有关。

一般来说，保守派对屁味之类的刺激更容易产生厌恶。各种政治倾向的人都会因为厌恶而难以容忍道德上可疑的行为，但保守派的反应更为强烈。这也许可以解释关于同性恋婚姻和非法移民的观点分歧。保守派对改变现状的行为往往极为反感，因此认为这些事情在道德上是不可接受的。自由派则较少对此类情况感到厌恶，因此不大会这么严厉地对其进行批评。

这些差异也体现在人们看待世界的方式上，比如对惊吓的反应。保守派对突发巨响的惊吓反射更明显，眼睛眨得更厉害，出汗更多。他们对于危险图像的反应也更强烈，看得更快，时间更长。保守派更容易把世界看成一个危险的地方。

最富争议的是，科学家们已经开始寻找这些差异的遗传基础。25年来，我们已经知道政治态度具有高度的可遗传性。同卵双胞胎远比异卵双胞胎更容易有相同的政治观点，这表明起作用的不只是他们共同的生活环境，还有共同的基因。

右、左、中

最近，遗传学家们已经开始研究可能影响意识形态的特定基因。没有人提出存在“支持”改革主义或保守主义的基因，但有一个基因很有意思，即多巴胺受体基因DRD4-7R的变异体，被认为与猎奇行为和左翼政治有关。

批评的意见认为，这种研究将政治观点的细微差异还原为一种简单的二元论，把保守主义看成一种类似于人格障碍的东西。真实的世界更为复杂，宽泛的左派和右派包含着许多有程度差异和观念分歧的小派别。还有一些政治传统并不符合这个模型，尤其是自由主义。

尽管如此，有重要证据表明，相比不同的观点，政治选择更多地受到基本生物差异的驱动。因此，与其对你的政治对手义愤填膺，不如为他们感到遗憾：他们如此完全、彻底、愚蠢地犯错实在是不由自主。

左脑，右脑

你也许认为是你选择了自己的政治理念，但其实是它们选择了你。生物倾向导致大部分人本能地左倾或右倾。

炼金术何时变成了科学？

奶酪制造商们也许没有意识到，但全世界其他人都应当永远心存感激。

那是1869年2月17日，俄国化学家门捷列夫本来预定要去圣彼得堡一家奶酪厂做些咨询工作，但他取消了行程，在家里兴奋地写着什么。到了晚上，他已经勾勒出了历史上最成功的科学理论之一“元素周期表”的框架。

门捷列夫的灵光一现是数个世纪以来试图理解和控制物质变化过程的努力的顶点。蜡烛燃烧时发生了什么？为什么一撮盐放入水中搅拌之后会消失？铅可以变成黄金吗？我们现在认为这些问题属于化学领域，化学通常被看作一门相当乏味和严肃的科学。但它的前身并非如此。

最早的几步是古希腊哲学家迈出的。亚里士多德断言，万物都由四种元素组成：土、火、气和水。物质的特性取决于其所含元素的比例。比如，金属由水和土组成，但如果对其加热，其中一些土会转化为火。

金属和染料

亚里士多德于公元前322年逝世，十年之前，亚历山大大帝征服了埃及，建立了新的首都亚历山大里亚。沉浸在亚里士多德哲学中的工匠们开始涉足冶金和染料制作。他们称自己的技艺为khymeia，意为“铸在一起”。这个传统后来传到了伊斯兰学者那里，他们称之为al-khimya。这些知识最终传到了中世纪的欧洲，当时修习魔法的人用神秘主义思想将其包裹起来，称其为炼金术（alchemy）或化学（chymie）。

炼金术士的主要目标是哲人石，这种物质可以将贱金属转变为金和银，还能包治百病，使人长生不老。炼金术士们同时也是工匠，擅长操纵和转化物质，生产药物、玻璃和炸药。

但炼金术并不是一门科学。转折点出现在1661年。当时，哲学家罗伯特·波义耳出版了一部开创性的著作——《怀疑的化学家》，将新的科学方法应用于化学。波义耳认为，不能仅仅断言物质由四种元素组成，而要用可重复的实验来证明这一点。

驯化元素

法国贵族安托万·拉瓦锡完成了这项任务。他接受了波义耳的挑战，开始寻找元素，并将其定义为任何不可再分的东西。1789年，拉瓦锡发表了一份包含33种“元素”的清单，其中许多正是我们现在所理解的元素。没过多久，又有许多元素被发现。每种元素都有自己独一无二的原子，元素相互结合形成化合物，这样的观点渐渐流行起来。

到了门捷列夫的时代，已经有63种元素为人所知。门捷列夫的突破在于按照原子量对这些元素进行分组，从而揭示出元素性质的一些样式。例如，第一主族都是遇水会发生剧烈反应的软金属。第七主族包括氟、氯和溴等气体，都是由两个原子组成的分子。这并不是唯一的样式。在每一主族内部，随着原子量的增加，元素的活性也会发生变化。在第一主族中，活性随着原子量的增加而升高。第七主族的情况则相反。

元素周期表是化学的统一理论。它不仅可以解释观察结果，还可以做出预测。如果尚未发现具有恰当性质的元素，门捷列夫就大胆留出空位，并声称会发现新的元素来填充它。他是正确的。例如，硅后面有一处空白，门捷列夫称之为“准硅”。15年后，德国化学家克莱门斯·温克勒发现了它，将其命名为“锗”。

牛顿的魔法

欧洲中世纪的炼金术士队伍中不仅有神秘主义者，还有受人尊敬的学者。其中最受尊敬的便是艾萨克·牛顿。17世纪80年代，牛顿写了一本名为《化学索引》的炼金术术语词典。

我们心目中的伟大科学家竟然会受胡言乱语的蛊惑，这似乎很奇怪。但在当时，科学与魔法之间并无明确区分。不过，到1727年牛顿去世时，炼金术已经成为一种黑魔法。牛顿留下了大量尚未发表的笔记和文稿，其中许多都是关于炼金术的。皇家学会会员托马斯·佩雷特整理牛顿的遗著时，决定隐瞒这些东西，将其标注为“不宜发表”。

现代炼金术

人们很快就发现，电子是这些样式背后的原因。电子于1896年被发现，10年之后，汉斯·盖革和恩斯特·马斯登做了那个判决性的实验。他们朝一片金箔发射了一束氦原子核。出人意料的是，很多原子核直接穿透了金箔，由此可以推论，金原子基本上是空的。他们解释说，电子围绕原子核旋转，两者之间是大片的空无。这个解释后来被证明本质上是正确的。

电子轨道解释了元素的化学和物理性质。例如，原子活性取决于原子获得或失去电子的难易程度。

但电子是一把双刃剑。它引入的规律性，或者说化学家用来理解其效应的权宜之计，只是一种近似的东西。事实上，电子是性质古怪的量子对象：它们可以同时处在两个位置，或者“隧”穿空间。

随着量子革命的进一步发展，科学家们开始探究原子核的内部细节。他们的一项关键发现是，元素可以通过核反应相互“转化”，这似乎有悖于化学定律。没人提到炼金术，不过，1951年，化学家格伦·西博格将一块贱金属铋变成了金。

元素……

……我亲爱的门捷列夫。这位俄国化学家于1869年“尝试建立的元素体系”被证明非常准确。

我们是如何发现世界是如此奇怪的？

1874年，17岁的科学天才马克斯·普朗克告诉他的大学教授，他想投身于物理学。这位长者建议：“在这个领域，几乎一切东西都已被发现，只剩下一些填补漏洞的工作了。”

结果证明，他说的不能算错，但这些漏洞是连刘易斯·卡罗尔 [5] 也会感到惊奇的兔子洞。数年间填补漏洞的尝试引出了一种对宇宙的新认识，它颇具革命性，但却离奇古怪、令人费解。第一个探入兔子洞的人便是普朗克，尽管他有些不情愿。

今天，量子力学是我们对世界最成功的描述。它可以解释从原子到天体的一切事物。它还教导我们，世界从根本上说是极其神秘的，甚至是我们无法理解的。

灵光闪现

恰当地说，这场革命始于电灯泡。1894年，时任柏林大学教授的普朗克被委派对爱迪生的新发明做一些技术研究。电力公司想知道如何用最少的能量发出最多的白光，于是普朗克开始研究灯丝温度与光的颜色之间的关系。

事实证明，这是对令人头痛的黑体辐射问题的重新表述，此问题描述了物体（比如一块金属）的温度与它发出的光的颜色之间的关系（黑体是一个理论上的东西，它既可以完全吸收电磁辐射，又可以发射电磁辐射）。实验测量已经发现，有一个重大的反常情况是物理学无法解决的：黑体无论多热，都几乎发射不出紫外光。这后来被称为紫外灾难。

1900年12月，42岁的普朗克面对德国物理学会的成员提出了一个解决方案：能量并不是一种能以任意大小的量存在的连续现象，而只能以离散的小块的形式存在。他将这些单元中的每一个称为一个量子。普朗克当时并没有意识到自己正在下到一个无法逃脱的洞里。但他的结论（他称其为“绝望之举”）却启发了渴望深入下去的年轻一代的物理学家。

其中一位就是阿尔伯特·爱因斯坦，当时他还是个25岁的无名小卒，正试图理解光电效应。所谓光电效应指的是这样一种现象：沐浴在特定频率的光之中，许多金属都会发射电子，无论光的强度如何。普朗克的量子正是他所需要的概念。爱因斯坦意识到，只有光也被量子化，光电效应才能得到解释。如果是这样，我们就不能再按照古典的思路把光看成在空间中传播的波。相反，光必须由一束粒子构成，每一个粒子都携带着单独的能量子。

非此非彼

物理学家很难接受这个观点，因为有清楚的证据表明光是一种波。特别是，光通过两个狭缝所产生的干涉图样就像水面上的一对涟漪。唯一的解决办法就是抛弃常规观念，接受光既是粒子又是波的想法。

到了20世纪20年代，波粒二象性已经被普遍接受。这让老派物理学家们满腔郁闷无处发泄。但更糟的还在后面。

箱子里的猫

20世纪20年代，量子力学的哥本哈根诠释成了应对离奇的量子世界的最流行的方式，但并非所有人都对它感到满意。薛定谔用了一个著名但备受误解的思想实验来提醒人们注意其荒谬之处。想象箱子里锁着一只猫和一瓶毒药，毒药瓶有一半的可能性碎掉。根据量子力学的说法，在箱子打开前，两种结果发生的概率相同。在被窥见之前，猫既是活的又是死的。

1927年，德国理论物理学家维尔纳·海森堡认识到，波粒二象性的结论从根本上限制了我们对世界的认识。例如，我们对一个粒子的位置测量得越准确，我们对它的动量知道得就越少。在量子世界中，粒子不像斯诺克台球；粒子并不拥有位置和动量这两种分离的性质，这二者在粒子这里无法强行分开。

海森堡的不确定性原理始终是量子理论最违反直觉的预测之一。他的思想后来变得越来越脱离日常世界。

荒诞戏剧

很多人认为，海森堡的奥地利竞争者埃尔温·薛定谔的工作更如人意。薛定谔同样认为，不可能把粒子描述成占据着空间中一个固定的点。相反，我们最多只能为它可能存在的所有位置指定一组概率。按照这个逻辑，一旦某人对粒子进行观测，这个粒子就只能处于一个特定的位置。叠加态只有在观测时才会坍缩，这种观念成了海森堡和尼尔斯·玻尔提出的量子力学哥本哈根诠释的一个重要信条。它还导致了另一个重要但又无比怪异的概念——量子纠缠，即两个相距遥远的粒子的叠加。

这些荒谬的想法使量子力学的先驱们心情沉重。正如玻尔所说：“初次碰到量子理论却不感到震惊的人不可能理解它。”

但这些想法被成功地证实了。新时代的实验甚至证实了最令人难以置信的预言。但是，虽然认识飞速提高，我们的困惑却和以前一样多。漏洞的确存在，可能永远也填不满。

深入兔子洞

20世纪初的量子力学先驱改变了对实在的定义，但实际上都没能接受他们所发现的不可思议的东西。

CHAPTER 6　发明

为什么发明轮子要那么久？

乌鲁克，5500年前。这座苏美尔城市壮丽辉煌，是到那时为止世界上最大、最富有的人类定居点。它无疑是一座城市，拥有上万居民、大型建筑、城墙、市场和外围居住区。

从这座城市的废墟中，我们可以得知这一切。但它明显缺少现代城市必不可少的一个外部标志：轮子。

很难想象一个运转中的现代城市没有小汽车、出租车、公共汽车、卡车、自行车和人力车来运送人和货物。但乌鲁克并不像是一个轮子上的城市。我们仅有的证据是刻在年代不明的泥板上的几幅蚀刻画，画上的东西看起来勉强像是四轮马车。而许多古代石壁画上有一些奇妙的装置，看起来像是雪橇，这暗示乌鲁克的城市交通工具是设计成在地面上拉着前进的。

如果轮子在苏美尔地区的确很罕见，甚至说根本没有，那么问题就变得有点棘手了。轮子这项技术看起来如此显而易见、简单易制，又如此有用，发明的时机也已臻于成熟。陶工旋轮当时已经出现。城市街道也足够平坦，能够拉动雪橇，这对于轮子来说也很理想。驴子、牛等可以拉车的牲畜已经被驯化，复杂的贸易网络已经在该地区形成。金属加工正变得司空见惯。天哪！这不是石器时代。

也许我们只是尚未发现乌鲁克的车辆遗迹。早期的交通工具很可能是由木头和绳子制成的，无法很好地保存下来，被记入考古笔记中。然而，苏美尔对轮式交通工具的最早的明确描述出现在1000年以后，一个有装饰的木箱上描绘了由驴子拉的四轮战车。结论显而易见：使乌鲁克的世界得以运转的绝不是轮子。

更奇怪的是，当思想精致复杂的苏美尔人似乎在努力发明显而易见的事物时，文化相对落后的地区的人们却在到处旅行。在德国弗林特贝克的一座有5500年历史的坟墓中，考古学家们发现了一对平行的波浪形车辙，那肯定是一辆轮子不稳的大车留下的。同一种文明（漏斗颈陶文化）制作的陶罐上也饰有非常像是四轮马车的图案。

真正的轮子的最早遗迹同样来自落后的欧洲。2002年，在位于今天斯洛文尼亚共和国境内的一片沼泽中出土了卢布尔雅那沼泽轮，这是一套有5150年左右历史的木质轮轴组合。它附于什么东西之上尚不得而知，也许是一辆手推车。再往东，在位于今天乌克兰境内的大草原上，考古学家们在有5000年历史的坟墓中发现了轮子和完整的车体。

一场革命

我们不知道，在欧洲古代的造车技术中，轮子是从别处传入的，还是独立发明的。不过，还有一条证据是，轮子很早就在欧洲出现了。语言就像骨头和DNA一样保存着远古的痕迹。生物学家可以通过考察两个物种共有的基因和物理特征来重构这两个物种共同的祖先，语言学家也可以用同样的方式来重构已经消失的语言。例如，name一词源于拉丁语词nomen，后者也是法语词nom和西班牙语词nombre的来源。

现代欧洲语言的谱系表明，其中大部分语言和一些非欧语言都有一个共同的起源：一种被称为原始印欧语的现已灭绝的语言。它可能源自西亚的某个地方，新来的移民将其传到欧洲。

为什么动物没有轮子？

演化为运动问题提供了各种优雅的解决方案：鸟可以飞，乌贼有喷射推进，壁虎可以攀墙，跳蚤有弹簧腿。但从来没有动物演化出轮子。为什么没有呢？原因在于，演化是逐渐完成的，并没有远见支持：它只能给出在此时此地有用的设计。朝着飞行或喷射推进迈出的每一小步都比以前更好，但并没有哪一个朝着轮子迈出的步骤本身就是有用的，更不要说演化出一种可以自由旋转、同时仍然拥有血管和神经的附属物。

语言学家重构的原始词汇中包含五个与轮子相关的词。其中有两个字面含义就是“轮子”，一个含义是“轴”，一个意指把牲畜套在车上所用的杆子，还有一个动词意指用交通工具进行运输。频繁谈到轮子意味着它是谈话者生活中的重要组成部分。

原始印欧人可以追溯到大约5500年前，这意味着在制作卢布尔雅那沼泽轮的时候，轮子已经是一项古老的技术。此外，造出乌克兰坟墓车的颜那亚人也是讲原始印欧语的。

基因证据表明，大约4500年前，颜那亚人向西扩张到欧洲中部，进而发现了在欧洲大陆占统治地位的一些新石器时代晚期和青铜时代的文化，包括从北海延伸至俄罗斯中部的绳纹器文化（因其独特的陶器而得名）。

在车上

颜那亚人是牧牛的民族。直到大约5500年前，他们的定居点一直紧挨着其发祥地的河谷，因为只有在这里，他们才比较容易为自己和牲畜取水。不过，他们进入欧洲意味着他们已经掌握了造车的技术。有了车辆，他们就可以随意获取水和食物，考古记录表明，他们开始占据大片领土。

轮子得以迅速传播。到了大约4500年前，轻便的双轮战车首次出现，很快就被用于战争。轮子还启发了诸如水轮、齿轮和纺轮等更为和平的发明。虽然发明花了些时间，但轮子一旦出现，技术文明便滚滚向前。

有轮子就能旅行

但是能走多远？对历史上各种突破性的轮式交通工具进行一小时的试验，看看各自的情况如何。

我们何时开始通过电波交谈？

1895年12月，意大利蓬切西奥的一位年轻贵族一早就唤醒了他的母亲，向她展示了自己的新发明。这位贵族就是古列尔莫·马可尼，他在博洛尼亚附近的别墅阁楼里秘密制造了一台装置，并在这台装置上用莫尔斯电码发出了一条信息。在房间另一头，一个铃铛以这条信息的节奏响了起来。无线通讯成功了。

对于熟悉电视、手机和无线网络的现代人来说，这一成就似乎算不了什么。但马可尼发明的机器能通过电波而不是电缆来传递信号，这是20世纪最具影响力的技术突破之一。事实上，它的影响力实在太大，以至于其他许多发明家都试图将其据为己有，而且往往不无理由。

收到，明白

马可尼成功的关键在于将两种现有的发明结合起来，创造出一个新的发明。第一个发明是发射器，它基于德国物理学家海因里希·赫兹为了证明电磁波可以生成而使用的实验设备。另一个发明是检波器，这是法国物理学家爱德华·布朗利发明的一种接收装置，用于检测比如雷电引发的电磁环境。

阁楼实验之后，马可尼肩负使命，开始在户外长距离发送信号。1896年，他移居伦敦，并为自己的发明申请了专利；一年以后，他创建了无线电报与信号公司，建立了最早的国际无线电通信线路，为商业化的无线电广播打下了基础。1909年，马可尼被授予诺贝尔奖，以表彰他“对于无线电报的发展所做的贡献”。

马可尼被公认为无线电的发明者，但他实际上只是搭了创新浪潮的便车，最终抢先获得了荣誉。他既不是第一个意识到无线传播可行的工程师，也不是唯一对此进行研究的人。若不是命运几番捉弄，历史书会讲述一个不同的故事。

德国物理学家卡尔·费迪南德·布劳恩显然更值得认可，他与马可尼分享了诺贝尔奖，虽然两人并没有合作过。布劳恩发明了马可尼后来依赖的很多技术，马可尼本人也承认“借用”了他的一些想法。

另一位实力对手是绝世天才尼古拉·特斯拉。1893年，即马可尼进行阁楼实验的两年前，特斯拉在费城的富兰克林研究所做了一场被广泛报道的演讲，从理论上描述了如何制作无线发射器和接收器。但在当时，他没有任何设备。他说，这是“电气工程有朝一日必须要解决的一个严重问题”。特斯拉尝试自行解决，并于1897年提交了一项专利，但已经被马可尼抢了先。

我们在直播吗？

没过多久，企业家们就意识到，马可尼实现无线传输莫尔斯电码的发明有可能成为一项面向大众的技术。1920年11月2日，世界上第一个商业电台——美国宾夕法尼亚州东匹兹堡的KDKA电台开始广播。它播送了当天总统选举的结果，然后哀求听众给出反馈：“任何听到这则广播的人如与我们联系，我们将非常感激，因为我们急于知道广播的范围有多远，接收情况如何。”

西门子D-Zug，1924年发布的早期商业无线电接收机

身边有一个真正的天才死死地盯着你是一回事，有两个天才则是另一回事。几乎就在马可尼在阁楼里捣鼓的同时，才华横溢的新西兰人欧内斯特·卢瑟福正在克赖斯特彻奇的坎特伯雷大学勇往直前。但马可尼很走运：1895年，卢瑟福前往剑桥继续自己的工作，但遭遇了阻碍，因为他的实验室突然决定将全部注意力集中于新发现的X-射线。

超越时代

特斯拉和卢瑟福因另外的原因而名垂青史，但马可尼的其他竞争者已经基本被遗忘。英国物理学家奥利弗·洛奇便是其中之一，他也许是最有资格战胜马可尼的人。1894年8月，洛奇将一些莫尔斯电码从牛津的克拉伦登实验室无线传送到了60米开外的牛津博物馆。他的装置与马可尼“发明”的装置非常类似，尽管马可尼声称对此一无所知。

洛奇很可能是自谦的牺牲品：他称自己的工作是“非常初级的无线电报”，而且直到1897年才试图申请专利，而当时马可尼已将知识产权收入囊中。

对发明权最布尔什维克的反诉也许出现在马可尼去世8年后。1945年5月7日，聚集在莫斯科大剧院的贵宾们得知，为了纪念圣彼得堡海军工程学院的亚历山大·波波夫，今后每年5月7日都会庆祝“无线电日”。听众们被告知，50年前，波波夫在俄国物理化学学会的某次会议上实现了第一次无线传输。

宣传机器

根据苏联科学家维克多·加贝尔1925年在《无线世界》上发表的对该事件的解释，波波夫曾经用莫尔斯电码无线传送过“海因里希·赫兹”一词。这次传输在马可尼取得专利之前，波波夫因此成为无线电的正式发明者。

前提是确有此事。加贝尔是唯一提到这次会议的人；杂志编辑对此有所怀疑，但还是将它发表了。波波夫本人从未声称先于马可尼发明了无线电，甚至未将他视为对手。两人曾于1902年会面，并成为忠实的朋友。

但由于苏联的虚张声势（也许是受到马可尼加入意大利法西斯政党的刺激），波波夫的谦虚得到了充分补偿。《无线世界》上这篇文章于1925年发表后，苏联的宣传机器开始运转。当时苏联的科学技术远远落后于西方，斯大林想向公众隐瞒这个事实。不仅发明无线电的功劳被归于波波夫，据说苏联科学家还发明了电视和飞机。宣传起了作用：1963年出版的苏联教科书《无线电基础》压根没有提到马可尼。

无论谁配得上这项荣誉，无线电报的发明都可以说创造了现代世界。1928年有了电视广播，雷达帮助我们赢得了第二次世界大战，今天最具代表性的技术——智能手机也始于双向无线电。

向星星广播

从地球发出的无线电信号以光速向外传播。即使是2004年才播出的节目也已经到达潜在可居住的行星。

第一个飞起来的人是谁？

如果你碰巧路过查德（英格兰萨默赛特郡的一个小镇），你也许会惊奇地看到“动力飞行的诞生地”的欢迎牌。如果你不相信自己的眼睛，那么请前往镇中心。在主干道上，你会看到纪念世界上第一架飞机的一座青铜雕像。

每个城镇都想拥有名声，但这个名声不是属于北卡罗莱纳的基蒂霍克吗？因为莱特兄弟在那里最终实现了人类多少个世纪以来的飞天梦。

既是又不是。基蒂霍克在航空史上固然有自己的一席之地，但查德也一样。1848年6月，发明家约翰·斯特林菲洛做到了看似不可能做到的事情，当时他的蒸汽动力飞机飞过了城市中心一座废弃的针织厂。

斯特林菲洛差点就能名垂青史，只可惜他本人没有飞行。他的飞机是我们所谓的无人驾驶飞机。直到1903年，奥维尔·莱特在基蒂霍克完成了里程37米、时长12秒的飞行，人类才最终模仿鸟类实现了比空气重的飞行器的动力飞行。

飞行的历史中充满了九死一生和几乎被遗忘的先驱。不过，正如莱特兄弟坦然承认的，所有这些人为他们最终的成功铺平了道路。英国绅士科学家乔治·凯利是最具影响力的人之一，可以说，他比同时代的斯特林菲洛更胜一筹，比莱特兄弟提前整整50年完成了载人动力飞行——要是当时的引擎技术能够胜任就好了。

凯利年轻的时候，科学家和公众都相信，像鸟一样飞翔不仅不可能，连尝试一下都是愚蠢的。凯利并没有气馁，即便同时代的人都认为他疯了。1799年，他发表了一个飞机设计方案，其中首次描述了能够使机翼飞起来的空气动力。他发表于1809年和1810年的三部分论文《论空中航行》遭到了质疑。

凯利毫不在乎。他已经完成了一系列实验来支持自己的计算，并坚信自己已经解决了动力飞行问题。凯利造的飞行器越来越复杂，1853年，他的孙子乔治终于驾驶一架真正的滑翔机飞越了约克郡斯卡伯勒附近的一个浅谷。

我们已经飘离！

人类一直渴望飞翔。1783年10月，他们最终成功了。我们无法完全确定究竟谁是第一个——雅克-艾蒂安·孟格菲抑或他的合作者皮拉特尔·德罗齐耶——反正他是在巴黎附近爬进热气球的篮子并升上天空的。

这是一项轰动的成就，但又有些令人扫兴。的确，人类一直渴望飞翔，但要像鸟一样才行。乘坐热气球（一种没有引擎的轻于空气的飞行器）飘浮并不真的算数。一个月后，德罗齐耶进行了首次无缆气球飞行，在巴黎上空静静地飘浮了25分钟。1785年，他又成就了航空史上另一项第一：他成为第一个在空难中丧生的人，当时他的气球在空中爆炸，在加来附近坠落。

第一次致命空难发生在1785年，皮拉特尔・德罗齐耶的热气球在加来附近坠落。

像鸟一样飞翔

这架飞行器有固定的机翼和一个初级的机尾，后面还有一个方向舵。凯利意识到，鸟的尾巴对其飞行能力至关重要，因此，机尾对飞行器必定也是非常关键的。它缺少的是一个引擎——他曾花费多年进行研制，但徒劳无功。于是，生性乐观的他选择了滑翔机。

莱特兄弟还提到两位对他们的成就有重要影响的先驱。德国的奥托·李林塔尔是其中之一，他造的滑翔机的机翼像鸟的翅膀一样，顶部表面高度弯曲。这种机翼能将机身提升到其他实验者不敢想象的高度。李林塔尔从不同的起飞地点进行了多次试飞，包括在柏林郊区他家附近专门建造的15米斜坡上。然而，他最终为自己的实验付出了生命的代价，1896年，他驾驶的一架滑翔机熄火坠毁，让他摔断了脖子。

另一位是美国天文学家塞缪尔·兰利。1896年，他造了一架由小型蒸汽机驱动的飞机模型。它在燃料耗尽前飞行了超过一公里的距离。但兰利造的飞机太小，装不下飞行员，因为正常大小的蒸汽机太重了。靠着以汽油做燃料的内燃机，汽车技术的发展为未来的飞行员解决了这个问题。

到了1903年10月，兰利已经放弃了蒸汽机，他试图在华盛顿特区波多马克河上一艘游艇的顶部发动一架汽油动力的飞机。他的尝试以惨败告终，这主要是因为他没有充分注意到飞机升空后的控制问题。没过多久，莱特兄弟的汽油引擎飞机上了天。和兰利不同，莱特兄弟从别人（当然还有鸟类）那里吸取经验，对控制问题做了充分研究。

莱特兄弟最聪明的贡献之一在于设计出一种控制飞机摇摆的方式——飞机围绕一个纵向贯穿机身的轴运动。不像李林塔尔在其有致命缺陷的滑翔机上让飞行员左右移动身体，莱特兄弟的设计是让飞行员控制机翼的翘曲，在很短时间内让机身某一侧抬升。

带我上月球

这一步很重要，因为能在操纵飞机的同时不灾难性地失去上升力，一直是个重大问题。此外，这架飞机有一个被称为升降舵的前置可移动机舵，用来控制俯仰或机头的上下运动，还有一个控制偏航的后置方向舵。所有这些设计使莱特兄弟的飞机能够沿三个维度来控制自身的运动，之前那些有影响力的先驱都没能正确理解这一关键因素。

时至今日，奥维尔的短暂飞行仍然是技术史上最伟大的成就之一。仅仅过了66年，NASA就将人类带到了月球上，旅客们已经习惯于乘坐大型客机飞向世界的另一端。现在飞行是如此平常、辛苦和乏味，以至于我们很容易忘记前人对此是多么渴望。对他们来说，乘坐廉价航空公司的经济舱旅行几乎是一个奇迹。

缩小的世界

一百年前，乘坐船或火车到达目的地需要几天甚至几个月，现在乘坐飞机几小时就能到达。

为什么我们使用的是QWERTY键盘？

技术常常为英语贡献新词，如电视、吸尘器和iPod等。但QWERTY一词的来源和它们很不一样。

计算机键盘是世界上最普及的技术之一，每天有数十亿人在使用，我们很少会专门想到它。然而在键盘的平常和熟悉背后有一件非常奇怪的事情：为什么字母是这样排列的？

世界与QWERTY键盘的爱恨情仇开始于1866年美国威斯康星州密尔沃基的一个小车间。一位名叫克里斯托弗·莱瑟姆·肖尔斯的出版商开始在这里研究一项他希望可以凭其致富的发明：能自动为书籍编页码的机器。

他的发明家朋友卡洛斯·格利登加入进来。1867年7月，他偶然在《科学美国人》杂志上读到一则关于“打字机器”的简短说明。这似乎给了他们启发，他们决定改变方向，创造“一种机器……使人能以书写的两倍速度打印出自己的思想”。

钢琴还是打字机？

一年后，他们拥有了三项专利。不过，你很难把他们创造出来的东西看成打字机。它更像是一架黑白键的钢琴，每个键对应一个字母。

这架机器很容易发生故障，字行也容易偏斜。但肖尔斯还是用它来给潜在的投资者写信。其中一位投资者詹姆斯·登斯莫尔立刻买下了四分之一的专利，此时他还没有亲眼见过投资对象。然而，在前往密尔沃基考察过后，登斯莫尔又有些失望，称这种东西“没什么用处”。即便如此，登斯莫尔还是相信大方向没有错，并敦促肖尔斯继续研制。

接下来发生的事情有些模糊不清。肖尔斯在1872年提交了另一项专利，表明钢琴式键盘被换成了一排排圆形键，但并没有说明字母的具体位置。

然后，QWERTY键盘几乎毫无征兆地出现了。1872年8月，《科学美国人》发表了一篇讨论“肖尔斯打字机”的热情洋溢的文章，并配有一幅版画，显示这种打字机有四排键，第二排键以QWE.TY开头。

QWERTY被组合在一起

登斯莫尔向雷明顿父子公司的工程师们展示了这种打字机，该公司是总部设在纽约的一家军火制造商，但已将业务扩展到家用器具领域。雷明顿签署了制造这种机器的合同，并且生产了一台键盘稍有不同的样机：QWERTUIOPY。

肖尔斯明显不乐意，要求把Y重新放到T和U之间。雷明顿同意了，QWERTY第一次被组合在一起。1874年，雷明顿向市场推出一号打字机，它很快成为世界上第一款获得商业成功的书写机器。

到了1890年，美国有超过10万个QWERTY键盘投入使用。QWERTY显然是从19世纪70年代的最初设计中逐渐演变而来的。但这种排列是从何而来的呢？

一个常见的解释是，它旨在“让打字者慢下来”，以防机器发生故障，这是困扰早期设计的一个漏洞。据说这个问题是通过把常见的成对字母分开而得到解决的。

但这个说法不可能是真的。英语中第二常用的字母组合ER就紧挨着，而最常见的字母组合TH也离得很近。1949年的一次统计分析表明，QWERTY键盘实际上比随机排列的键盘有更多彼此靠近的字母组合。

西方最快的手指

打字机的发明者打算创造“一台打字速度比书写速度快一倍的机器”。在一定程度上，他们成功了。手写很少能超过每分钟30个词，即便是蹩脚的打字员也会胜出。但从另一个角度来说，他们失败了，因为即便最快的打字员也赶不上速记。

另一种传言认为，它可以让销售人员在首行迅速打出“TYPE WRITER QUOTE”，给顾客留下深刻印象。这是个不错的想法，这些字母的确不像是偶然凑在一起的，然而并没有什么历史证据支持它。

一个更加令人信服但索然无味的解释是，这种键盘只是对原先钢琴式键盘半随机的重新排列。

我们可能永远也无法知道事情的真相。在肖尔斯最终确定键盘排布一个世纪之后，拉夫堡大学的历史学家扬·诺伊斯发表了一篇很长的分析文章，最后的结论是：“QWERTY键盘上的字母位置排布似乎……并无明显理由。”

最糟糕的设计

有一件事是清楚的：该键盘不是为盲打而设计的。正如诺伊斯所指出的：“最初的QWERTY键盘设计是为了看着键盘打字，而不是为了盲打。”盲打是后来的发明。

这也许可以解释QWERTY键盘人所共知的使用缺陷。20世纪30年代，随着打字员和打字变得越来越常见，研究者们开始质疑它的实用性。教育心理学家奥古斯特·德沃夏克（作曲家安东尼·德沃夏克的远亲）对它持激烈的批评态度，他组织了一个工程师团队测试了250种键盘布局，最后得出结论，QWERTY设计是最糟糕的布局之一。

德沃夏克有隐藏的动机。1936年，他已经注册了另一项键盘专利——德沃夏克简化键盘。他声称这种键盘更容易掌握，打字速度更快，手指更省力。但它没有成功。事实上，自从成为事实上的标准，QWERTY键盘已经淘汰了数十个甚至上百个据说更优秀的竞争者。从机械打字机到计算机，再到现在的触摸屏，它实现了无缝衔接。只要是以拉丁字母为标准的地方，它都普遍存在。

尽管声誉不怎么样，但它并没有那么糟糕。1975年的一项研究表明，一个熟练的打字员可以达到理论上最快的速度的90%以上。

它屹立不倒的真正原因是惯性：想象一下设计、测试和制造一个替代品的成本——然后还得重新训练数十亿人来使用它。只要还需要将字母键入机器，QWERTY就会一直存在下去。

字母形花片汤

QWERTY键盘上字母的神秘排列是多年实验的产物。

我们如何利用电子设备解决数学问题？

如果你在70年前对某人说起computer一词，他不会想到一台摆在桌子上的机器，而会想到一个手拿纸和笔的人。在当时，computer都是人，通常是女人，他们进行大量复杂的计算来满足世界对于预先处理好的数字的需要。

他们的劳动成果是数学用表手册，这在当时是不可或缺的工具。每当数学家、工程师、航海家、银行家或精算师需要进行复杂的计算时，他们就会诉诸数学用表。

这些可能是业已出版的最单调乏味的书籍，与之相比，电话簿都会显得引人入胜。然而，一位名叫查尔斯·巴贝奇的数学家却读得津津有味。他衣食无忧，对很多科学领域都有所涉猎。除此之外，他还收集已出版的数学用表，并且毫不留情地挑出其中的错误。

这些用表虽然很有用，但却充斥着错误。与巴贝奇同时代的一个人发现，随机选出的40册数学用表中就包含着3700个已知错误。鉴于这些表格对新兴工业革命的重要性，这让巴贝奇很头疼。

1821年，巴贝奇和他的朋友约翰·赫舍尔聚在一起，通过清除错误来打发夜晚的时光。他们找到了很多错误。巴贝奇后来写道：“这些错误一度如此之多，我不禁惊呼：‘我真希望上帝用蒸汽来进行这些计算。’”正是在这个时候，巴贝奇萌生了发明自动计算机的想法。

他很快就设计出一台机器，即所谓的差分机。它能像人一样自动执行计算，但不会把事情弄糟。

差分机因其基于的数学原理“有限差分法”而得名。简单说来，这是一种技巧，用来解带有两个或两个以上未知数的数学表达式，比如x=y2 +yz-1。运用这种技巧只需重复做加法。

1837年，巴贝奇在造差分机的样机时开始思考一种更加通用的计算机。差分机只能做加法，但巴贝奇意识到应当可以制造一种多用途的机器，它能做加法、减法、乘法和除法，操作者可以按照任何顺序进行编程。他称之为分析机。

随便问我什么

分析机往往被称为世界上第一台计算机。这并无夸张：它具有现代计算机的许多核心特征，包括一个中央处理器和一个存储器。更重要的是，它能计算任何在理论上可计算的数学函数。用计算机科学的术语来说，它是“图灵完备的”。

或者说，如果巴贝奇真的造出了它，情况就是如此。他将余生都用于设计这台机器，但直到1871年他去世时，只有一部分造出来了。也许这并不奇怪：一台完整的分析机有火车头那么大。

将这些想法变成现实的是另一位有远见的数学家阿兰·图灵。1936年，24岁的研究生图灵写了一篇论文，为现代计算奠定了基础。

图灵并不打算也没有兴趣造一台实际的机器。相反，他着手解决的乃是大卫·希尔伯特于1928年提出的一项棘手而又神秘的数学挑战，即所谓的“判定问题”。

希尔伯特想知道，是否每个数学陈述（比如2+2=4）都是可解的，是否有些是“不可判定的”。对于像2+2=4这样的陈述，这个问题没什么价值，但对于更为复杂的陈述，事情就比较棘手了。

如果数学是可判定的，就可以造一台对任何数学陈述都可以给出明确的“是或否”回答的机器。数学领域的一切重要问题都是可以解决的。

为了回答这个问题，图灵首先需要构思什么样的机器可以做这件事。在历史上极具影响力的一个思想实验中，图灵设想有一台机器可以读取印在一条无限长的纸带上的符号。读完符号后，这台机器会根据一套预先编好的规则来决定下一步做什么：擦除符号，并/或写入一个新符号；将纸带左移或右移一个空格；或者停止。基于这些规则，这样一台“图灵机”将能解决数学问题。然而，由于每一台机器都有固定的内部规则，所以无法用它来检验希尔伯特那个一般性问题。

计算机说不

图灵表明，计算机永远也无法解决的数学问题之一是所谓的“自指停机问题”。它问：“这个程序会停止吗？”在实际运行程序之前，任何计算机都不可能提前判断。即便它计算了一万亿年而没有得出结论，它仍然不能给出肯定的回答。根据这一结果，图灵证明，没有程序可以确定任何给定的数学陈述的真假。于是，所有数学问题都能得到解决的前景被逻辑否定了。

1871年造的巴贝奇机械计算机的一部分。

通用机

随后，图灵灵光一现：他意识到可以在纸带上制定内部规则。可以对这样一个装置进行编程，来执行任何可设想的图灵机的指令。这是一台能够执行任何数学或逻辑运算序列的“通用图灵机”。换言之，是一台计算机。

由此很容易查明什么是“可计算的”，什么是“不可计算的”。希尔伯特的问题因此得到了解决。图灵表明，有些问题甚至连通用图灵机也无法解决。

这并不完全是坏消息。不到5年，图灵设想的机器变成了现实；1941年，第一台具有图灵完备性的计算机Z3在柏林被造出来。德国政府不知何故未能发现这台计算机的军事潜力，但英国人没有重蹈覆辙。图灵继续在布莱切利园研制巨型计算机，它们在破解纳粹密码方面发挥了至关重要的作用。

如今，计算机早已不再是占据整个房间的庞然大物，但从本质上来说，它们只是对巴贝奇和图灵所提出的想法的物理实现。

愈来愈快

如果其他技术也遵循摩尔定律，那么汽车的时速将会达到每小时5亿公里，每加仑汽油能跑321万公里，花费不到1美分。飞机每小时能飞20亿公里，花费2美元。一张黑胶唱片可以存储时长44年的音乐。

1971年的奔驰281E最高时速200公里|燃油消耗27公里/加仑|售价6485美元

1971年的波音727时速870公里|售价425万美元

1971年的一张12英寸的黑胶唱片可以存储90分钟的音乐

谁第一个发现了X-射线？

对于像威廉·伦琴那样清醒和不喜抛头露面的人而言，1895年的冬天必定是一段令人不知所措的时光。起初他怀疑自己是否发疯了，最后他却成了世界上最著名的科学家。

11年来，伦琴一直在德国维尔茨堡的一所地方大学工作。在同事眼里，他是一个勤奋的物理学家，但算不上伟大。他肯定不想站在镁光灯下。1895年11月的一个夜晚，伦琴在他的实验室里看到了一种与众不同的神秘的光，他不情愿地被推到了镁光灯下。

奇异的光

当时伦琴正在用一种叫克鲁克斯管的装置做实验。这是一种早期的阴极射线管，能将图像投射到老式的电视屏幕上。

克鲁克斯管是一根被部分抽空的玻璃管，两端置有电极。将足够高的电压施于电极，负电极对面的玻璃会发出荧光。我们现在知道，这种效应缘于被电场（阴极射线）加速的高能电子撞击玻璃原子。

但伦琴看到的光距离他的克鲁克斯管很远。它出现在几米外的实验室另一侧，一小块涂有荧光材料的纸板上。这对阴极射线来说太远了。

伦琴开始做实验。他用一块黑色的纸板遮住真空管以阻挡可见光，但屏幕仍然会发光。接下来的几周，伦琴几乎没有离开过实验室，他试图确认光的来源。他后来写道：“我没有跟任何人提起我的工作，只告诉了我妻子。别人要是听说这件事，会说伦琴疯了。”

到了圣诞节的时候，伦琴确信自己是清醒的。真空管内正在产生某种之前不为人知的辐射。那究竟是什么还不清楚，因此伦琴称之为X-射线。已经清楚的是，它不仅可以穿透纸板，还可以穿透木头和人的皮肉，但穿不过骨头：有一次，伦琴把手放在真空管与屏幕之间，瞥见了自己的骨骼。

1895年12月28日，伦琴将自己的发现低调地发表在当地科学学会的杂志上。但他知道这是一个重大发现。1896年元旦，他将那篇文章的复印件寄给了全欧洲的物理学家们。其中12份包含的一张附加页也许暴露了伦琴隐秘的自我宣传能力：他的妻子安娜·贝尔塔的手的X-射线照片，她的骨头和结婚戒指清晰可见。

此后事情发展得很快。伦琴学生时代的一个朋友弗朗茨·艾克斯纳是收到世界上最早的X光照片的人之一，他当时是维也纳大学的物理教授。他爱好交际，朋友圈里有维也纳畅销报纸《新闻报》的编辑。

头条新闻

1896年1月5日，《新闻报》的头版标题是“一项激动人心的发现”。这可能是圣诞节过后一则滞后的新闻，不过他们抢先报道了，尽管情急之下把伦琴的名字拼错了。

“伦琴教授在维尔茨堡的发现在维也纳学界引起了轰动，”文章开篇说，“如果这项发现被证明是真的……我们将面对精确科学一项具有划时代意义的发现，它将给物理学和医学领域带来引人注目的成果。”全世界的报纸都转载了《新闻报》的独家新闻，X-射线成了第一个与科学相关的引发国际媒体热烈关注的新闻。

待售的X-射线

这篇文章正确指出了X-射线日后最重要的应用：能够看到人体内部。不用多久，X-射线就会履行承诺。这在很大程度上要归功于伦琴的谦逊：他拒绝用自己的发现赚钱，说它“属于全世界，不应通过专利、许可以及诸如此类的东西为某些企业所专有”。初始报道问世20天后，柏林一家公司就开始向医生销售“伦琴管”。

弄清楚X-射线究竟是什么尚需时日。直到1910年，人们才发现X-射线可以极化，1912年发现X-射线可以折射。这两项发现都暗示，X-射线像光一样，仅仅是另一种形式的电磁辐射——不过X-射线波长很短，能量极高，因此可以不受阻碍地穿透很多材料。

在此之前，伦琴已于1901年获得了诺贝尔物理学奖，不过他没有出席颁奖仪式，并把奖金捐献给了他的大学，这是典型的伦琴作风。

1923年，伦琴死于癌症，但他不大可能是自己的研究工作的殉道者，因为他一般会小心地不让自己在X-射线中暴露过长时间。他去世后，根据他在遗嘱中表达的意愿，他的科学论文被销毁了。

今天，很少有人没有接触过X-射线，无论在医院、牙医的椅子上还是机场的安检扫描仪前。特殊的望远镜会收集X-射线，拍摄出关于宇宙中剧烈活动的照片，比如星系的碰撞、黑洞的毁灭。这些射线使我们看得更远。

不情愿的X先生

伦琴是一位不愿出名的科学家，但他所在的当地学术团体——维尔茨堡物理-医学学会决定推销他和他的X-射线。发现X-射线一个月后，该学会举行了盛大的庆祝活动。在庆祝会上，学会主席建议将X-射线重新命名为伦琴射线，该建议受到了热烈欢迎。伦琴以其特有的谦逊，坚持使用原来的名称，英语世界遵循了他的意愿。然而，德语和其他大多数欧洲语言却采用了学会的建议。谷歌现在将德语“Herr Röntgen”（伦琴先生）恰当地翻译成英文“Mr.X”（X先生）。

第一张X-射线照片，X夫人的手。

内部信息

X-射线可以让机场工作人员看到行李内部，但大多数机场系统都不会显示所有东西。

第二种检测手段——后向散射X-射线可以提供更多安全。这种技术将反射回发射源的X-射线收集起来，能够显示被常规技术漏掉的东西。

这是运气吗？

人们常说，需求是发明之母。但有时情况正好相反。

1968年，美国化工企业3M的斯宾塞·西尔沃试图研制一种强力胶，但没有成功，胶的黏性很小。但西尔沃注意到它有一些有趣的性质：它的黏性足以将东西黏在一起，但又弱到可以在东西分开时不留痕迹，同时仍然保持黏性。

西尔沃称之为“缺问题的解决方案”，因为他没能确定那个问题。他在3M公司到处宣传，希望有人能找到一个合适的问题。1974年，一位叫阿瑟·弗莱的同事参加了西尔沃的一次研讨会。弗莱在一个教堂唱诗班唱歌，经常碰到纸质书签从赞美诗歌本中掉落的情况。他意识到，可以用西尔沃的胶来暂时固定书签而不损坏纸张，由此产生了可重复使用的便利贴的想法。

黏性状态

3M在1977年推出了“压与撕”，起初到处受到冷落。然而到了1980年，3M将其重新包装成“便利贴”，立即大获成功。独特的颜色也源于偶然。弗莱的实验室有成吨的黄色废纸可以用于实验。

便利贴有时被当作歪打正着的发明的典型例子。但它远不是唯一的。强力胶也是意外的幸运，它是伊斯曼-柯达在纽约罗切斯特的化学分部的化学家们在1942年偶然发现的。他们当时正在寻找可以制造瞄准器的透明塑料。一天，他们正在测试一类叫氰基丙烯酸酯的化学物质，这类物质遇水会自动聚合。他们开始进行检测，发现这些化学物质会紧紧粘上其所接触的一切东西，便很快放弃了。

团队放弃了氰基丙烯酸酯，但在1951年又重新发现了它，意识到它作为一种胶的潜力。当时的胶一般需要某种事后处理——加压、加热和时间——来让它们黏合，但氰基丙烯酸酯只需要接触空气中（或手指上）的湿气就可以了。伊斯曼-柯达在1958年开始出售它，但因名字“伊斯曼#910”不好记而错过了机会。伊斯曼-柯达将这一品牌卖给了乐泰，后者起的名字“乐泰快凝404”稍好一点。“强力胶”则是后来新造的词。

另一种歪打正着出名的化学物质是四氟乙烯。1938年4月一个星期六的早上，化学家罗伊·普伦凯特正在新泽西的杜邦实验室工作，想要研制一种新的制冷剂。起初他拿一种名叫四氟乙烯的由碳和氟组成的不常见的气体做实验。他有一罐这样的气体，但怎么也弄不出来。他检查发现阀门是开着的，但仍然没有气体出来。于是他把储气罐锯成两半，发现了一块蜡状的白色固体。他意识到，由于储气罐钢铁涂层的催化，气体分子彼此发生反应，形成了聚合物。

意外会发生

在歪打正着的发现中，便利贴、强力胶、微波炉和特氟龙是最著名的例子，但除此之外还有许多。以色列阿里森商学院的创新研究员雅各布·戈登堡在分析200种重要发明的起源时发现，大约有一半的情况，事物是在有需求之前被发现的。多半时候，发明是需求之母。

凡士林是从石油钻井产生的废料蜡垢中提取的。

蔗糖素是作为一种可能的杀虫剂被研制出来的。

伟哥最初是作为心脏药物被研制出来的，但有些意想不到的副作用。

不粘煎锅

事实证明，聚四氟乙烯有一些有用的性质：一方面，碳氟键稳定得令人难以置信，使得这种聚合物极难发生反应，这引出了它的第一项应用。氟可以用来浓缩铀，参与“曼哈顿计划”的科学家们需要找到一种储存氟的办法。氟非常活跃，而聚四氟乙烯却有很强的惰性，连氟都无法与之发生反应，因此管道和阀门上都涂有这种聚合物。

化学家们很快就发现，聚四氟乙烯（当时的注册商标是特氟龙）还排斥水和油，这使之成为煎锅完美的不粘涂层。它还能保护宇航员的太空服，如今则被用来覆盖心脏瓣膜，因为免疫系统不排斥它。

战时的意外还促成了另一种厨房神器微波炉的出现。1945年，美国防务公司“雷神”的工程师珀西·斯宾塞正在研制雷达（这是继“曼哈顿计划”之后第二重要的军事设施计划），当时他注意到自己口袋里的巧克力在包装纸里融化了。

斯宾塞猜测原因在于，雷达的核心元件，即产生微波的空腔谐振磁控管，产生了电磁场。于是他装配了一座实验炉，开始做饭。他先做了一些爆米花，然后煮了一个鸡蛋，鸡蛋在他的同事面前炸了。

原来，雷达的空腔谐振磁控管所产生的微波的波长正好能使水分子剧烈振动，从而加热它们。两年后，雷神公司开始出售微波炉，配备的正是用于其雷达发射装置的同一种空腔谐振磁控管。这款微波炉被称为“雷达炉”，比现代微波炉强劲得多，能在两分钟之内烤熟一个土豆。斯宾塞的孙子罗德后来解释说：“多年以后我们才意识到，加热食物并不需要一个雷达品质的磁控管。”

塑料时代

也许最受命运眷顾的是生活在纽约的比利时裔化学家利奥·贝克兰。1907年，世界各地虫胶（昆虫分泌的一种树脂，被用作木材防腐剂）短缺。他试图结合苯酚和甲醛来制造人工树脂，最后却得到一团柔软的、棕色的东西。一向乐观的贝克兰发现它可以被塑造成形，然后通过加热制成一种耐久材料。他发明了世界上第一块热固性塑料。他谨慎地称之为电木，并用它发了财。需求或许不是发明之母，但命运偏爱有准备的头脑。

砰！

微波炉是二战期间雷达研制过程中的偶然产物。

我们如何成了摧毁世界的人？

利奥·西拉德产生这个想法的时候正在伦敦罗素广场旁边等着过马路，那是1933年9月12日。差不多12年后，美国在广岛投下一枚原子弹，大约135000人因此丧生。

从西拉德的想法到其可怕的实现是科技史上最引人注目的章节之一，一系列非凡的人物参与其中。他们当中有很多是逃离法西斯主义的难民，在道德上反对原子弹，但又担心纳粹德国先发制人。

西拉德本人是匈牙利裔犹太人，希特勒当上德国总理两个月后，他从德国逃到了英国。当时英国正处于核物理学的前沿。詹姆斯·查德威克刚发现中子，剑桥的物理学家们很快就“劈开了原子”。他们用质子将一个锂原子核轰击成两半，证实了爱因斯坦的洞见，即质量与能量是同一的，一如方程E=mc2 所表达的。

西拉德的灵光一现正是基于这一突破性的实验。他推理说，如果一个原子被中子分开，并且在此过程中释放出两个或两个以上的中子，那么，许多这种元素将在一次自我维持的链式反应中释放出大量能量。

西拉德的想法收效甚微。直到1938年，突破才出现——具有讽刺意味的是，这发生在柏林，当时德国物理学家奥托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼正在那里用中子轰击铀原子。他们在对碎片进行分析时，惊讶地发现了轻得多的元素钡的痕迹。

链式反应

幸运的是，哈恩和施特拉斯曼都是纳粹政权的反对者。哈恩写信给奥地利化学家莉泽·迈特纳，她曾与哈恩在柏林共事，后于1938年在纳粹占领维也纳之后逃到瑞典。迈特纳回信解释说，铀原子核会分裂成大致相等的两个部分。她把这个过程称为“裂变”。

接下来，逃离法西斯后在纽约哥伦比亚大学工作的意大利物理学家恩里科·费米发现，铀裂变会释放出发生链式反应所需的次级中子。西拉德很快就来到纽约与费米合作。

令人震惊的一刻

对纳粹有可能抢先制造出原子弹的担心促进了“曼哈顿计划”的实施。我们现在知道，纳粹永远也造不出原子弹。1945年德国投降后，10名最主要的德国核科学家被拘禁于剑桥附近的一座乡间别墅中。屋内安装了窃听器，录音记录清楚地表明，德国人距离造出原子弹还远得很，而且他们并不相信原子弹是可能的。

整件事我一个字都不信。

当德国核物理学家维尔纳·海森堡得知广岛被摧毁时，他断然拒绝相信这是核武器所致。

他们一同计算出，一千克铀可以产生的能量相当于20000吨TNT炸药。西拉德已经看到了发生核战争的可能性。他后来回忆说：“我认为世界无疑正在走向悲伤。”

但其他人的确有怀疑。1939年，当时正积极帮助德国科学家经由哥本哈根逃走的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔给这种想法泼了冷水。他指出，铀-238（铀同位素，占天然铀的99.3%）不会释放次级中子。只有一种非常罕见的铀同位素铀-235会以这种方式发生裂变。

然而，西拉德仍然确信链式反应是可能的，他担心纳粹也知道这一点。他咨询了同样流亡美国的匈牙利同胞尤金·魏格纳和爱德华·泰勒，他们一致认为，爱因斯坦是提醒罗斯福总统注意危险的最佳人选。爱因斯坦那封著名的信在欧洲战争爆发之后不久便寄出了，但几乎没有什么影响。

到了1940年，有一个消息慢慢传开了，在英国工作的两位德国物理学家证明玻尔是错误的，事情发生了戏剧性的变化。鲁道夫·派尔斯和奥托·弗里施弄清楚了如何大量生产铀-235，如何用它来制造原子弹，以及投下原子弹之后的骇人后果。派尔斯和弗里施（玻尔曾帮助他们逃跑）也担心纳粹会造出原子弹。是年3月，他们给英国政府写信，敦促其迅速采取行动。他们的《关于一种放射性“超级炸弹”性质的备忘录》要比爱因斯坦写给罗斯福的信更成功，英国由此开始了代号“合金管”的原子弹发展计划。

这封信也促使美国采取了行动。1940年4月，政府任命资深物理学家阿瑟·康普顿领导一个核武器项目，它最终变成了“曼哈顿计划”。康普顿先是把各个链式反应研究小组聚集到芝加哥。那年夏天，该团队开始进行一系列实现链式反应的实验。

1941年12月日本偷袭珍珠港为这一计划提供了进一步的动力。一年后，“曼哈顿计划”的团队准备尝试用铀和石墨来实现链式反应，他们将这些材料堆在芝加哥大学足球场看台下方的一个壁球场上。星期三，1942年12月2日，他们做到了。

不幸的一天

庆祝活动悄无声息。反应被证实后，西拉德握着费米的手说：“这将是人类历史上不幸的一天。”

在接下来的4年里，美国、英国和加拿大为“曼哈顿计划”投入了大量资源。“合金管”持续了一段时间，最终被并入了美国的计划。纳粹发起了一项核武器计划，但进展不大。

1945年7月16日，美国在新墨西哥州的沙漠上引爆了世界上第一颗原子弹。这次测试最终可怕地证明，核能可被用作战争武器。这让奥本海默回想起印度教经典《薄伽梵歌》中的一句话：“我成为了死神，世界的毁灭者。”

对日本的攻击开启了全球范围的军备竞赛。1945年以后，美国研制出了大规模杀伤性氢弹，它利用的是核聚变，而不是裂变。苏联在1949年研制并测试了自己的核弹。全球核弹总数目前已达27000颗。

距午夜只剩3分钟

1947年，由“曼哈顿计划”的资深科学家们创办的《原子科学家公报》的科学与安全委员会造了一个象征性的钟，以示世界距离核灾难有多近。距午夜越近，威胁就越近。

我们是如何（暂时）战胜病菌的？

“1928年9月28日早上，我醒来时肯定没打算在整个医学界掀起一场革命……但我认为那恰恰是我做的。”亚历山大·弗莱明如此描述他发现青霉素这件事，这是生物医学领域最伟大的突破之一。

事情的标准版本众所周知。弗莱明是伦敦圣玛丽医院的一名微生物学家，当时正在研究一组叫葡萄球菌的致病细菌。提早结束度假归来后，他发现一个被霉菌污染的培养皿中的葡萄球菌停止了生长。他后来猜测，这种霉菌的孢子是风从窗户吹进来的。

霉菌汤

弗莱明在肉汤中培养这种霉菌，发现一种提取物可以杀死若干致病细菌，尤其是那些会引起白喉的细菌，但它对包括伤寒和霍乱在内的其他许多细菌不起作用。起初，他将这种液体霉菌称为肉汤滤液，但后来根据该霉菌的拉丁名Penicillium将其重新命名为青霉素。他还表明，即使是大剂量的青霉素对动物也是无毒的。

弗莱明在1929年的一篇论文中发表了自己的成果。在这篇论文中，他还指出，青霉素也许可以用来治疗细菌感染。在接下来的十年中，他孜孜不倦地探索如何实现青霉素的潜力。最重要的是，他试图让化学家来大剂量地提纯青霉素，在这一点上，他本人从未成功过。

最终，由澳大利亚人霍华德·弗洛里领衔的一个牛津大学的团队攻克了这个问题。到了1944年，青霉素开始大规模投产。它对诺曼底登陆伤员的治疗巩固了它在医学史上的地位。

青霉素无疑是20世纪的医学突破。以前，葡萄球菌感染所引起的血液中毒有80%的致死率，之后则几乎降到零。它挽救的生命不计其数，保守统计有1000万人。它所开启的抗生素时代则拯救了更多的人。然而，发现青霉素的真实故事并不像它看起来那样成功。

无聊，无聊

一方面，在弗莱明之前，青霉菌的抑菌效果已经广为人知。虽然他在利用这种性质的道路上走得比谁都远，但他差点就彻底失败了。

感染葡萄球菌的死亡率

数据来源：美国疾病控制和预防中心

弗莱明1929年发表的那篇论文并没有多少人重视。他还做了若干次演讲，也没有激起多大反响，因为他的演讲实在无聊。他继续研究青霉素，但这已不是他的优先方向，而且研究并不顺利。一项实验表明，青霉素一旦注入老鼠体内，30分钟内就会从血液中消失，而它在培养皿中需要4小时才能杀死细菌。这似乎使弗莱明确信，青霉素可能并不管用。

如果说发现是1%的灵感加上99%的汗水，那么弗洛里的团队最当之无愧。它是众多独立继续弗莱明工作的团队之一，这些团队都试图将青霉素用于治疗。然而，除了为其提供霉菌培养以外，弗莱明对他们并不关心。直到1942年他们取得了成功，弗莱明才开始感兴趣。

哦，可爱的战争

弗洛里有他自己的挣扎。他从1938年就开始研究，但一直缺少资金。他的团队最后成功分离出了青霉素，并证明可以用它来治疗感染。然而，他们虽然试遍了所有能够找到的容器（包括垃圾箱和便盆），却一直无法制造出足够的青霉素来说服政府或私人企业开始大规模生产。

在阵痛中他们迎来了运气：第二次世界大战爆发。美国和英国政府向该项目注入资金，最终在美国实现了青霉素的大规模生产。

那么，弗莱明最后是如何获得这么多荣誉的呢？答案是，他有更好的公关。圣玛丽医院的赞助人之一、报业大亨比弗布鲁克勋爵发起了宣传，为弗莱明的发现安排了热情洋溢的新闻报道。弗莱明在圣玛丽医院的老板阿尔姆罗思·赖特加了一把劲儿，他写信给《泰晤士报》，将首要荣誉归于弗莱明。赖特的动机是公关价值：和英国当时所有教学医院一样，圣玛丽也依赖于慈善捐赠。

放荡的50年代

性革命常常被归因于避孕药的发明，1960年的美国已经可以买到这种药。不过另一种药物有可能把这场革命的开始时间推得更早，那就是青霉素。1939年，梅毒在美国导致20000人死亡，淋病也相当流行。到了20世纪50年代中期，青霉素几乎把它们全都消灭了——这与公众对滥交的态度的迅速转变在时间上非常吻合。

顺便说一句，弗洛里后来收到圣玛丽医院的一封募捐信，开头如下：“您可能已经听说了亚历山大·弗莱明博士发现的青霉素。”弗洛里将这封信装框挂到了墙上。英国信息部出于宣传的目的延续了弗莱明神话。

1945年，弗莱明、弗洛里以及弗洛里的得力助手恩斯特·钱恩共同被授予诺贝尔奖，但弗莱明最出风头。从获得诺贝尔奖到1955年去世，弗莱明又获得了另外140个重要奖项。他去世后，他那乱得出了名的实验室成了一家博物馆。

公平地说，在与记者交谈时，弗莱明总是让他们去牛津了解弗洛里是怎么说的。但弗洛里拒绝同媒体交谈，也禁止他的团队这样做。记者们也更倾心于弗莱明无心发现的桥段（尽管也会提到垃圾桶和便盆），而不是弗洛里有条不紊的努力。

就这样，青霉素神话获得了自己的生命。

这就是战争！

抗生素如何攻击病菌，病菌又如何进行反击。

极客们果真统治了地球？

想象一下互联网出现之前的生活。没有智能手机，没有社交网络，没有Google，没有Netflix、Spotify、Amazon、Uber和Airbnb，甚至没有电子邮件。你想了解新闻，就得买份报纸。想听音乐，就得买张CD。想联系不在身边的人，就得给他们打电话。

回到1990年，回到黑暗时代，那些年我们是怎么熬过来的？

今天互联网是如此普及，我们很容易忘记它还是个新生事物。20年前，只有大约一半的美国人听说过它；那时它甚至只是一个晦涩难懂的、专业的计算科学项目，其早期开发者可能并不知道它最后会被用来做什么，也不知道它的改造力量会有多么惊人。

更好的连接方式

如果有互联网元年，那可能是1961年。那个时候，通信系统是两个地点之间的直接通道。打电话需要两个电话之间有一条物理线路。无线电通讯是从一个点到另一个点的广播。但直接的连接是非常低效的。可以以一种更好的方式将计算机连接在一起，这是使互联网得以可能的关键认知。而这正是麻省理工学院的工程师伦纳德·克兰罗克的工作成果，他在1961年已经开始思考，在大型计算机网络中，数据怎样才能最好地流通。

克兰罗克的思路不是在两点之间直接传输整条信息，而是将信息分成小块或小数据包，让它们沿着各自的道路通过网络。一旦所有数据包全部到达，目标计算机就会将信息重新装配起来。

事实证明，“包交换”要比专用线路高效和灵活得多。如果两台计算机之间的连接失效，数据包会寻找另一条路线。但这需要重新思考通信网络的运作方式。需要网络上的设备来读取每一个数据包，并且朝着目的地发送它们。每一个数据包都需要附有一段特殊的代码，以告知路由器此信息的内容以及如何重新对它进行装配。这种代码后来演变成一套规则，即所谓的互联网协议，包括网络上每一台计算机都有的专用地址——IP地址。

1966年，这项工作得到了军事研发组织美国国防部高级研究计划署的注意，克兰罗克被要求创建一个大型计算机网络，将其研究人员连接在一起。当时克兰罗克已经去了加州大学洛杉矶分校。他在那里的实验室设置了第一个节点，然后在旧金山附近的斯坦福研究所设置了第二个节点。更多节点加入进来，这个不断生长的网络后来被称为“阿帕网”（ARPANET）。

崩溃与重燃

第一次传输并不理想。在发送login一词时，克兰罗克的计算机崩溃了，因此，第一条信息仅仅是lo。整个词在约一小时之后发送成功。那天是1969年10月29日。

到了1973年，阿帕网从夏威夷穿过美国到达伦敦。随着它的生长，情况已经很清楚，它的控制软件无法胜任工作。两位计算机科学家温特·瑟夫和罗伯特·汗制作了更好的版本。他们升级了互联网协议，创建了一套被称为TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）的规则。从计算机如何相互确认到传输错误的检测，这套规则详细规定了一切。

1975年，他们成功地在斯坦福大学与伦敦大学学院之间的一条连线上试验了TCP/IP。这是互联网历史上的一个重大时刻，但也暗藏着麻烦。计算机网络已经在世界各地涌现，但大都使用自己的通信规则。这些网络无法相互交流，互联网有成为巴别塔的危险，每一个人都说着不同的语言。

情况在慢慢发生变化。1982年，美国国防部在它的所有网络中都采用了TCP/IP，次年阿帕网紧随其后。与此同时，电话公司AT&T开始研发一种以UNIX计算机语言写成的TCP/IP版本。重要的是，它将这一代码放在公共领域，让每个人都可以使用。

这种开明的慷慨之举对互联网的传播产生了重要影响，因为任何运行UNIX的计算机都可以连上网。当时是1989年，没过多久，互联网就出现了惊人的爆炸式发展，这绝不是巧合。

同一年还出现了另一项重要进展。当时，欧洲最大的互联网节点在日内瓦附近的粒子物理实验室CERN。那里有一位叫提姆·伯纳斯-李的年轻的计算机科学家，令他感到沮丧的是，互联网缺少一种浏览、分享和链接到文件的系统。为了解决这些问题，伯纳斯-李创建了一个叫万维网的软件系统，其中就有首款网络浏览器。它的特点还包括创建了名为超文本传输协议或HTTP的超链接。伯纳斯-李用它创建了第一个网站，并将其放在了网上，域名为info.cern.ch。

信息革命

互联网（硬件）正需要万维网这种软件来冲出实验室。凭借着基础设施的扩张，它如野火一般迅速传播开来。1993年，网络只承载了世界信息流的1%，而现在则几近100%，这项技术革命在规模和速度上都是前所未有的。如果你还记得互联网出现之前的日子，你是幸运的：你见证了历史的过程。

互联网，1968年的风格

在互联网的演进过程中，另一个里程碑式的事件是所谓的“展示之母”（The Mother of all Demos）。1968年12月8日，来自加州斯坦福研究所的一群工程师聚集在旧金山的一次计算机技术大会上展示计算的未来。在众多创新中，他们推出了视频会议、协同编辑、超文本和计算机鼠标。这次富有远见的展示瞥见了大约30年后的日常生活方式，但只有在一种被称为互联网的全新的通信系统爆炸式发展之后才有可能。

世界上第一个鼠标，1968年手工制作。

网络的历史

我们是怎样征服太空的？

1944年9月8日，世界见识了一种可怕的新武器。巴黎和伦敦先后遭到从天而降的巨大飞弹的袭击。V-2弹道导弹是纳粹德国的最后一搏。希特勒相信它能扭转战争颓势。他错了，但V-2的确改变了历史的进程。

V-2并不是第一款火箭武器：拿破仑战争期间，以火药为燃料的导弹就被发明出来了。但V-2火箭第一次冲进大气层，接近太空边缘。

为此我们要感谢1882年出生的一位美国工程师罗伯特·戈达德。他童年时在病中自学了空气动力学，后来确信太空飞行是可能的。

1912年，戈达德申请了两项专利，他认为只有多级液体燃料火箭技术才足以挣脱地球引力。1919年，他在《一种达到极限高度的方法》这部开创性的著作中详细阐述了自己的观点。

火箭科学家

戈达德并不是唯一的太空设计工程师。1922年，一个叫赫尔曼·奥伯特的德国人在海德堡大学提交了一份关于火箭科学的博士论文，但被拒绝了。不过，奥伯特在第二年自费出版了一本名叫《通过火箭进入行星空间》的书，该书激励了一群志同道合的德国人组建了太空旅行学会。

与此同时，苏联也组建了星际旅行研究学会，这是从莫斯科军事学院分出来的一个官方机构。1924年10月，该学会就向月球发射火箭的可行性举行了一次公开辩论。制造第一枚液体燃料火箭并最终挣脱地球引力束缚的竞赛开始了。

美国人拔得头筹。1926年3月16日，戈达德在马萨诸塞州的奥本监督了第一枚液体燃料火箭的发射。它并未射向月球：它飞行了2.5秒，到达了12米的高度，然后在一片菜地里坠毁了。戈达德意识到，他需要某种手段来操纵飞行器，于是增加了可动轮叶和螺旋控制。

此时，戈达德在比赛中遥遥领先，但他的对手正在赶上来。1929年，奥伯特在一次稳定测试中成功展示了一款火箭引擎。奥伯特的团队中有一名18岁的学生，他叫沃纳·冯·布劳恩，他很快就取代了奥伯特，成为德国火箭事业的实际领导者。

1933年，在另一位未来火箭科学巨匠谢尔盖·科罗廖夫的指导下，苏联进行了自己的发射试验。科罗廖夫将成为苏联太空项目的指路明灯，直到1961年尤里·加加林被送入太空时，他仍然是苏联太空项目的负责人。

现实效仿科幻

太空一直强烈地激发着人们的想象力。不过，直到儒勒·凡尔纳于19世纪60年代出版了《从地球到月球》和《环绕月球》这两部小说，人们才开始认真设想前往太空。无论是美国火箭科学之父戈达德，还是其德国同行奥伯特，年轻时都曾从这些科幻小说中汲取灵感。在这些小说出版一个世纪后，他们在广受怀疑的情况下帮助人类实现了梦想。

早期的火箭科学家受到儒勒・凡尔纳小说的启发。

随着世界开始为战争的到来做准备，各国政府及其军队对火箭越来越感兴趣。试想，只须轻轻按下按钮，就可以把炸弹发射到另一个国家！更崇高的太空旅行理想则被搁置起来。

发射完毕

德国很快便占得先机。1933年开始研发V-2的原型，1934年成功进行了第一批发射试验。不过，经历了早期的成功之后，冯·布劳恩及其团队遭遇了一系列障碍，尤其希特勒对此并不热心。不过，随着盟军在战争中得势，火箭项目加快了速度。

从某些方面来看，V-2是一项巨大的成功。在1944年6月20日的一次飞行试验中，它成为世界上第一款弹道导弹，更确切地说，是第一个到达太空的人造物体。当时的工程师坚信，液体推动的大型火箭引擎可将人类送入太空。

纳粹的战败使德国退出了太空竞赛，但德国的火箭科学家们在被以前的敌人美国和苏联挖走后继续研究这个问题。起初，双方都想要未投入使用的V-2火箭及其制造技术，后来都积极建造用来发射核弹头的洲际弹道导弹，最后则开始了登月竞赛。所有这些都基于德国的火箭技术。

竞争很激烈，进步也很快。1946年，从新墨西哥州白沙导弹试验场发射的V-2弹头照相机捕捉到了弯曲的地球以及地球之外虚空的图像，这是第一幅太空照片。大约就是在这个时候，it's not rocket science [6] 进入了日常话语。

美苏双方都对V-2做了改进，造出了更大更好的火箭。其中一方将物体送入地球轨道只是时间问题。1957年10月4日，这一天终于到了。

现在很难理解苏联发射世界上第一颗人造卫星所造成的恐慌。看到斯普特尼克一号将微弱的无线电信号传到地球，西方大为震动。这颗小金属球在地球轨道上运行了10周，后来在重新进入地球大气层时被烧毁。考虑到它的直径只有58厘米，内部只有一台无线电发射机，这种关切似乎太过了。不过，美国已经一败涂地。4年后，科罗廖夫将加加林送入地球轨道，苏联的优势似乎又增加了一倍。

漫步月球

但美国笑到了最后。1969年8月，NASA用一枚土星五号运载火箭将人送上月球。起初德国为赢得战争进行的背水一战最终使美国获得了宣传上的胜利——并且帮助推进了一项太空研究计划，该计划对于研究我们从哪里来、到哪里去具有莫大的价值。

这是火箭科学……

……但它并没有那么复杂。1969年至1972年间将24个人送上月球的火箭在工程学上是里程碑式的壮举，但其背后的原理与我们平日燃放的烟火无异。

延伸阅读

Chapter 1　宇宙

物质、空间和时间

《时间简史：从大爆炸到黑洞》史蒂芬·霍金著湖南科学技术出版社，2010年。

星星和星系

Galaxies：A Very Short Introduction by John Gribbin（Oxford University Press，2008）

化学元素

《视觉之旅：神奇的化学元素》西奥多·格雷著人民邮电出版社，2011年。

陨石

Atlas of Meteorites by Monica M. Grady, Giovanni Pratesi and Vanni Moggi Cecchi（Cambridge University Press，2013）

暗物质和暗能量

《4%的宇宙——暗物质、暗能量与发现隐蔽世界的比赛》理查德·潘内克著上海教育出版社，2015年。

黑洞

Black Holes：The Reith Lectures by Stephen Hawking（Bantam，2016）

Chapter 2　地球

太阳系

《太阳系的奇迹》布赖恩·考克斯著人民邮电出版社，2014年。

月亮

The Moon, a Biography by David Whitehouse（Orion，2002）

陆地和海洋

Ocean Worlds：The Story of Seas on Earth and Other Planets by Jan Zalasiewicz and Mark Williams（Oxford University Press，2014）

天气

《宇宙的答案云知道》加文·普雷特-平尼著南海出版公司，2012年。

土壤

Earth Matters：How Soil Underlies Civilization by Richard Bardgett（OxfordUniversity Press，2016）

空气

Out of Thin Air：Dinosaurs, Birds, and Earth's Ancient Atmosphere by Peter Ward（National Academies Press，2006）

石油

《石油金钱权力》丹尼尔·耶金著新华出版社，1996年。

Chapter 3　生命

生命

Creation：The Origin of Life/The Future of Life by Adam Rutherford（Penguin，2014）

复杂细胞

The Vital Question：Why is Life The Way It Is？by Nick Lane（Profile Books，2015）

性

Power, Sex, Suicide：Mitochondria and the Meaning of Life by Nick Lane（Oxford University Press，2005）

昆虫

Planet of the Bugs：Evolution and the Rise of Insects by Scott Shaw（University of Chicago Press，2014）

恐龙

Dinosaurs by Michael Benton and Steve Brusatte（Quercus，2008）

眼睛

Climbing Mount Improbable by Richard Dawkins（W. W.Norton，1996）

睡眠

Sleep：A Very Short Introduction by Steven W. Lockley and Russell G.Foster（Oxford University Press，2012）

人类

The Strange Case of the Rickety Cossack and Other Cautionary Tales from Human Evolution by Ian Tattersall（Palgrave Macmillan，2015）

语言

The Evolution of Language by W. Tecumseh Fitch（Cambridge University Press，2010）

友谊

《你需要多少朋友：神秘的邓巴数字与遗传密码》罗宾·邓巴著中信出版社，2011年。

脐毛

Elephants on Acid：And Other Bizarre Experiments by Alex Boese（Mariner Books，2007）

Chapter 4　文明

城市

Mesopotamia：The Invention of the City by Gwendolyn Leick（Penguin，2002）

钱

MoneyChanges Everything：How Finance Made Civilization Possible by William N. Goetzmann（Princeton University Press，2016）

葬礼

The Palaeolithic Origins of Human Burial by Paul Pettitt（Routledge，2010）

烹饪

Catching Fire：How Cooking Made us Human by Richard Wrangham（Profile Books，2010）

家养动物

The Covenant of the Wild：Why Animals Chose Domestication by Stephen Budiansky（Orion，1994）

有组织的宗教

Big Gods：How Religion Transformed Cooperation and Conflict by Ara Norenzayan（Princeton University Press，2015）

酒

Uncorking the Past：The Quest for Wine, Beer, and Other Alcoholic Beverages by Patrick E. McGovern（University of California Press，2009）

财产

Paraphernalia：The Curious Lives of Magical Things by Steven Connor（Profile Books，2011）

衣服

The Wild Life of our Bodies：Predators, Parasites, and Partners that Shape Who We Are Today by Rob Dunn（HarperCollins，2011）

音乐

The Singing Neanderthals：The Origins of Music, Language, Mind and Body by Steven Mithen（Harvard University Press，2006）

个人卫生

Bum Fodder：An Absorbing History of Toilet Paper by Richard Smyth（Souvenir Press，2012）

Chapter 5　知识

文字

Lost Languages：The Enigma of the World's Undeciphered Scripts by Andrew Robinson（McGraw-Hill，2002）

零

Nothing：From Absolute Zero to Cosmic Oblivion-Amazing Insights into Nothingness by New Scientist（Profile Books，2013）

度量

《万物的尺度》肯·亚尔德著猫头鹰出版社，2005年。

计时

The Mastery of Time：A History of Timekeeping, from the Sundial to the Wristwatch. Discoveries, Inventions, and Advances in Master Watchmaking by Dominique Flechon and Franco Cologni（Flammarion，2011）

政治

《好人总是自以为是：政治与宗教如何将我们四分五裂》强纳森·海德特著大块文化，2015年。

化学

The Disappearing Spoon：And Other True Tales of Madness, Love, and the History of the World from the Periodic Table of Elements by Sam Kean（Little, Brown，2010）

量子力学

Quantum Theory Cannot Hurt You：Understanding the Mind-Blowing Building Blocks of the Universe by Marcus Chown（Faber&Faber，2014）

Chapter 6　发明

轮子

The Wheel：Inventions and Reinventions by Richard W. Bulliet（Columbia University Press，2016）

无线电

Marconi：The Man who Networked the World by Marc Raboy（Oxford University Press，2016）

飞行

First Flight：The Wright Brothers and the Invention of the Airplane by T. A.Heppenheimer（John Wiley，2003）

Qwerty键盘

Quirky Qwerty：A Biography of the Typewriter&its Many Characters by Torbjorn Lundmark（Penguin，2003）

计算机

Alan Turing：The Enigma by Andrew Hodges（Princeton University Press，2014）

X-射线

Rontgen Rays：Memoirs by Wilhelm Conrad Rontgen, Sir George Gabriel Stokes and Sir Joseph John Thomson（Sagwan Press，2015）

偶然的发现

Chance：The Science and Secrets of Luck, Randomness and Probability by New Scientist（Profile Books，2015）

核武器

Inside the Centre：The Life of J. Robert Oppenheimer by Ray Monk（Jonathan Cape，2012）

抗生素

Alexander Fleming：The Man and the Myth by Gwyn Macfarlane（Chatto&Windus，1984）

互联网

Tubes：Behind the Scenes at the Internet by Andrew Blum（Ecco Press，2012）

火箭科学

Rockets into Space by Frank H. Winter（Harvard University Press，1993）

致谢

如果没有《新科学家》诸位同仁的支持，就不会有这本书。我要特别感谢素密·保罗-乔杜里和约翰·麦克法兰。感谢凯瑟琳·布拉西克、丹尼尔·考辛斯、利兹·埃尔斯、戴夫·约翰斯顿、威尔·希文、瓦莱丽·贾米森、弗兰克·斯温和杰里米·韦布提供的点子和建议，感谢其他所有人的热心帮助。

同样感谢约翰·莫里出版社出色的工作团队：负责编辑的尼克·戴维斯、乔治娜·莱科克和凯特·迈尔斯，负责印制的阿曼达·琼斯，负责宣传的罗西·盖勒尔，负责市场推广的罗斯·弗雷泽，负责装帧的阿尔·奥利弗和负责销售的本·古彻。

同时，在旧金山，我还要感谢艾伦·麦克莱恩的批评指正，德里克·沃特金斯的制图经验和布莱恩・X.陈的耳垢。如果没有JavaScript可视化资料图书馆（D3），本书中的许多插图是不可能完成的。

本书中的一些材料来自以前在《新科学家》发表的文章。

我们已经尽了最大努力找寻相关版权持有人，如果有任何错误或遗漏，约翰·莫里出版社很乐意在加印或再版时将其加入我们的致谢名单。

图片使用许可：

©Education Images/UIG via Getty：Page 27.

©The New York Times/Redux/eyevine：Page 35.

©John Chumack/Science Photo Library：Page 36.

©NASA, ESA, J. Hester and A.Loll, Arizona State University：Page 37.

©NASA/Goddard/Lunar Reconnaissance Orbiter：Pages 48-9.

©John Valley, University of Wisconsin：Pages 52-3.

©Science Stock Photography/Science Photo Library：Pages 60-1（Soil）.

©Natural History Museum, London/Science Photo Library：Pages 60-1（Woodlice）.

©Phil Degginger/Science Photo Library：Page 76.

©Leonello Calvetti/Science Photo Library：Page 77（top）.

©Photo Researchers, Inc/Science Photo Library：Page 77（bottom）.

Pages 92-3（from left to right）：

Postosuchus©Dr. Jeff Martz/NPS；Tapejara©Deagostini/UIG/Science Photo Library；Eudimorphodon©Leonello Calvetti/Science Photo Library；Sarchosucus©Walter Myers/Science Photo Library；Sinornithosaurus©Nobumichi Tamura/Stocktrek Images/Getty.Anchiornis©Julius T.Csotonyi/Science Photo Library；Ornithosuchus©Natural History Museum, London/Science Photo Library；Scansoriopteryx©IVPP, China；Desmatosuchus©Friedrich Saurer/Science Photo Library；Microraptor©Natural History Museum, London/Science Photo Library；Pterodactyl©Friedrich Saurer/Science Photo Library；Liopleurodon©Friedrich Saurer/Science Photo Library；Gigantoraptor©Friedrich Saurer/Science Photo Library；Mosasaurus©Jacopin/BSIP/Science Photo Library；Archaeopteryx©Leonello Calvetti/Science Photo Library；Poposaurus©Dr.Jeff Martz/NPS.

©Fernando Gómez：Page 95.

©Nicolas Primola/E. Panagopoulos/Craig Mackie：Page 96-7.

©Jennifer Daniel：Pages 116-7.

©Stuart Bur/Getty：Page 135.

©FLPA/REX/Shutterstock：Page 139.

©Shutterstock. com：Page 149（hazelnut）.

©Davit Hakobyan/AFP/Getty：Page 155.

©CDC/Phanie/REX/Shutterstock：Page 156（clothes louse）.

©Biophoto Associates/Science Photo Library：Page 156（head louse）.

©CDC-Who/Phanie/REX/Shutterstock：Page 156（pubic louse）.

©Natural History Museum, London/Science Photo Library：

Pages 156-7（gorilla louse and chimp louse）.

©Jennifer Daniel：Pages 184-5.

©Schmidt-Luchs/ullstein bild via Getty：Page 207.

©The United States Patent and Trademark Offce：Page 216（right）.

©The United States Patent and Trademark Offce：Page 216（left）.

©Mansell/Time&Life Pictures/Getty：Page 217（right）.

©Universal History Archive/UIG via Getty：Page 217（left）.

©SSPL/Getty：Page 219.

©Courtesy of Intel：Page 220（left）.

©Courtesy of Intel：Page 220（right）.

©Car Culture Collection/Getty：Page 221（top）.

©Granger, NYC/Alamy：Page 221（middle）.

©Plainview/Getty：Page 221（bottom）.

©Science Photo Library：Page 223.

©American Science and Engineering, Inc.：Pages 224-5.

©Apic/Getty：Page 239.

©Detlev Van Ravenswaay/Science Photo Library：Page 243.

The Origin of（almost）Everything

Copyright New Scientist 2016

Illustrations Jennifer Daniel 2016

First published in Great Britain in 2016 by John Murray（Publishers），an Hachette UK company

Simplified Chinese characters Translation copyright 2017 by Hachette-Phoenix Cultural

Development（Beijing）Co.，Ltd.

Published in cooperation between Hachette-Phoenix Cultural Development（Beijing）Co.，Ltd.

and China South Booky Culture Media Co.，Ltd.，2017.

All rights reserved.

[1] 已灭绝的海生无脊椎动物，生存于泥盆纪至晚白垩纪，因身体表面常有类似菊花的线纹而得名。

[2] 无脊椎古生物，外形类似乌贼，因有一个箭头状的鞘而得名。

[3] Read Between The Lines的缩写，意为：体会言外之意。

[4] “克拉”一词源自希腊语，原指角豆树的种子，其每一粒的重量近乎一致，多在200毫克左右，一克拉即等于一粒角豆树种子的重量。直到20世纪初克拉的重量才被标准化。

[5] 刘易斯·卡罗尔（1832—1898），英国数学家、童话作家，《爱丽丝梦游奇境》的作者。

[6] 意思是“这不难理解”，字面意思是“这不是火箭科学”。

版权信息

现在有多长

编者：英国《新科学家》杂志

译者：何玲燕

责任编辑：林澧波

选题策划：许韩茹

装帧设计：梁秋晨

引言
Preface

“最后的话”的宗旨是，追随你的好奇心，不管它将指引你去哪儿。十多年来，这一专栏在《新科学家》杂志的最后一页找到了归宿，它致力于对答案永无止境的探求。每个星期，《新科学家》的收件箱里都装满了令读者困惑的问题，我们会挑选并刊登来自其他读者的最佳回答。我们从多年累积的问题中精心挑选出一部分，将其打磨、包装成册，最终成为你手上的这本书。

大多数时候，困扰读者的奥秘来自日常经验：为什么风力发电机有三个叶片？为什么晾衣绳上的毛巾干了会变硬？为什么肚子饿了会咕咕叫？而其他时候，好奇心会集中在更奇特的问题上：为什么斑马有条纹？太阳会熄灭吗？如果一个黑洞吞噬另一个黑洞，会发生什么？偶尔，我们也会收到跟哲学有关的问题：天空有边界吗？大海有鱼的气味还是鱼身上有大海的气味？

我们的读者并不是孤身一人在寻找答案。在这本书中，你还会看到《新科学家》杂志的工作人员在工作中遇到的问题，它们涉及既深刻又平凡的话题。你是否想过：冰为什么那么滑？为什么花粉只会让一些人的鼻子过敏？地球上的生命如何开始，以及人类的生命是怎么开始的？在这本书中你将找到我们给出的最好的解释。事实上，这种对生活中最发人深思的问题的探求正是《新科学家》杂志立身的基石。

毫无疑问，这里面一定有一些问题曾经在你的脑海中浮现。有的问题可能会让你大吃一惊。但不管是大问题还是小问题，都可以在这里找到答案，有的甚至有好几个答案。请始终保持你的好奇心。

弗兰克·斯温

2016年6月

目 录

引言Preface

CHAPTER　01　动物王国

条纹毛衣

水下的光影世界

美酒巡视员

远走高飞？

发出嗡嗡声

冒牌昆虫？

臭山羊胆子大？

海豹大餐

抵御黄蜂

独行侠

梅林的魔法

玫粉色犬鼻

猫眼

挖掘真相

粪便成瘾者

掉色

咯咯叫

完美的栖息

站着睡觉

蜘蛛女

全新世公园

恐龙DNA

CHAPTER　02　宇宙探索

阴云蔽日

天空的谎言

月亮消失

溺水的太阳

彗星的形状

数星星

来自月亮的升力

长波

带我飞向月球

黑洞数

旋转的银河系

CHAPTER　03　身边的小秘密

我的旧瓷杯

陶片焊接

沸腾

盖上锅盖

美味的米饭？

变灰的鸡蛋

嘶嘶声

疯狂的泡泡

皮革和铁

马桶

恐怖的蜡

液体中的黄金

洗出裂痕

卷曲

钢丝球

晾硬的衣服

质量太好

测量的奥秘

CHAPTER　04　人体

心心相印

夜间视觉

阿嚏……

哐啷，砰，嚓……

事有轻重缓急

鞋带松了

头部准线

意识落后于身体

抗病

失去的能力

抗性有用吗？

螺旋分类

牙齿永存

头部空间

可疑的咕噜声

抗性和繁殖

恶心的鱼腥味

嗜血

再来份阳光

蠢问题

像空气一样轻

能说话真好

嗅觉指纹

抠出来的干净

我认识那张脸

不寻常的祖先

哭泣的宝宝

选择

绿色基因组

CHAPTER　05　地球上的生命

毛茸茸的浆果

锋利的味道

树的日历

关于梧桐树的真相

她闻到了海的气味

藻华

池塘撇渣器

关于浮油的聪明想法

家禽问题

感冒来袭

顺时针

陷下去的木堆

木材朝上的一端

在桌面上

飞来飞去的豹纹蝶

自给自足

八头雏菊

松木的清香

CHAPTER　06　偌大的世界

反曙暮辉

朦胧的火焰

色彩能走多远？

阳光普照

极地贸易

离开地面

地图滞后

闷热的机场

关于色彩的困惑

压力巨大？

磁极逆转

冲浪

CHAPTER　07　物理学

原子键

彩色小点

磁感线

吸引力法则

泡泡游戏

不可思议的光

发球时间

透过滤镜看水

中间不长毛

肥皂泡

摇摇晃晃

咖啡奶昔

沐浴在热气中

完蛋了

消散的波

寒风

黏脚的冰面

CHAPTER　08　飞机、火车和汽车

碎石道床

翘曲的小翼

取消航班

脱轨

磨损的轮胎

感受压力

盲飞

旋转的风扇

有轨还是无轨？

“看见”天线杆

吹风

空气打鼓

浅浅的胎面

颠倒的无人机

无人机

令人困惑的圆环

CHAPTER　09　技术

毛球

重金属

咄咄逼人的高音

斜体

起风了

胆小的猫

云量

电台听众

耳内调音

棉质衣服

爆炸的威力

干燥的窘境

巡回法规

浪涌保护器

在你身后

海洋居民

不再合适的宇航服

就是字母q

CHAPTER　10　这到底是什么

鸡蛋的壳外壳

泡沫

小沙球

畸形的蛋壳

神秘的痕迹

果冻球

奇怪的小球

CHAPTER　11　我们自己的疑问

游离的思想

搁浅的鲸鱼

车轮的奥秘

天文学错误

大脑意识开关

登月计划

终极祖先

消失的语言

私语

银河工程

打喷嚏的季节

另类历史

比人类“更有意识”

点击打盹按钮

遇到外星人

太空殖民者

麻烦的肿瘤

冰上滑跤

未来的方向

了解玻璃

微不足道的拉力

死期未到

活在现在

致谢

图片来源

CHAPTER
01
动物王国

条纹毛衣

多年前我听过一个说法，斑马身上的黑色条纹会因吸收热量而升温，白色条纹则相对不会。黑白条纹之间因此产生了一定的温度差，形成空气对流，使得斑马在炎热的气候中也能保持凉爽。关于这些家伙的“条纹毛衣”，还有人了解得更多吗？

——来自澳大利亚新南威尔士州塔姆沃思南的雷切尔·奥·布赖恩

这些黑白条纹的作用可能远不止一个。依据最新的科学假说，它们最主要的功能是驱赶蚊虫。

瑞典隆德大学的苏珊·奥克松与其同事认为，马蝇会被线性偏振光吸引。体色均一的动物反射线性偏振光，这使得它们很容易成为马蝇的目标。而斑马的黑白条纹会扰乱反射光的极化特性，从而降低斑马被马蝇骚扰的概率。雌性马蝇靠吸食动物血液来维持虫卵的发育，不少致命疾病通过这种叮咬得到传播。所以，对斑马来说，能够规避虫蝇的叮咬无疑是它的一个优势。

为了验证这个假说，研究人员制作了不同颜色及条纹的马、斑马和驴子的模型，并在模型上涂抹了昆虫胶，将它们放置在野外。一段时间后，通过计算粘在不同模型上的昆虫数量，他们发现斑马纹模型吸引的蚊虫数量是最少的。

其他研究人员也支持这个观点。其中一个理论是，一片区域的蝇虫数量越多，那里的斑马越容易有条纹。这暗示了，在蝇虫栖息地生活的动物进化出了条纹。

还有一种假说认为（除了之前假设的黑白纹冷却效应），斑马的条纹就像一种独特的条形码。凭借这些条纹，斑马可以辨认出彼此。

艾尔弗雷德·拉塞尔·华莱士等生物学家认为，黑白纹可以起到伪装的作用。斑马在喝水时最容易遭受攻击，但如果是在暮色降临时，黑白条纹会显示为不太显眼的灰色，与周围环境融为一体。伪装术的另一种应用——狮子是半色盲，不能像人类一样察觉斑马和大草原之间的色彩对比。尤其在斑马聚集成群时，这种伪装术对狮子的迷惑效果更加明显。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

水下的光影世界

不戴泳镜，人在水下就看不清东西，那么水生动物是怎么解决这一问题的？

——来自英国伦敦的埃玛·杰克逊

物体反射的光必须聚焦到眼睛后部对光敏感的视网膜上，我们才能看清物体，不然就只能看到模糊不清的影像。因此，射入眼睛前部的发散光，必须弯曲（折射）到一定程度才能在视网膜上成像。

光从一种介质斜射入另一种介质时，会发生折射现象。对陆生脊椎动物来说，光的折射主要发生在角膜的弯曲面上，其折射率远大于空气的折射率。人眼晶状体的折射率和眼周的折射率相近，它掌握着人眼近三分之一的屈光力，主要负责调节物像的细焦距。

由于角膜和水的折射率非常接近，在水下时，角膜的有效折射率会降低。光聚焦到视网膜后方较远处，我们变成了远视眼，水下的世界于是变得非常模糊。我们可以戴上游泳面罩或泳镜（在角膜前保留一些空气）来矫正水下视力。

显然，对于水生动物来说，情况就不是这样了，否则它们的眼睛就成了摆设。和人眼的晶状体不同，头足类动物和水生动物拥有更强大的球形晶状体，以此来抵消在水下时角膜折射率的损失。下次你吃鱼的时候，可以取出它的晶状体，你会看到其形状和玻璃球一样。真正的问题是，有些动物，例如潜鸟，是如何既能看清空气中的物体也能看清水中的物体的。

——来自英国埃塞克斯郡萨夫伦沃尔登小镇的罗恩·道格拉斯

美酒巡视员

有天晚上，我和朋友们在外面喝东西。有人喝伏特加，有人喝波旁威士忌。我们注意到威士忌酒杯边上围着一些缓缓飞舞的小苍蝇，而伏特加酒杯边上却一只都没有。有人知道这是为什么吗？

——来自美国得克萨斯州奥斯汀的扎克·弗里德曼

这些苍蝇很可能是常见的果蝇，它们会被成熟或腐烂的水果和植物吸引。招来果蝇的是成熟的果子散发的由酯、醇和羧酸等物质组成的复合香味。其中，酯类化合物是一种会散发独特甜美果香的有机化合物。

在波旁酒于木桶内酿熟的过程中，酯类化合物浓度增加，尤其是乙酯，于是波旁威士忌醇洌的酒香中夹杂着花果香。果蝇正是被波旁酒的果香味吸引。也有人喜欢伏特加，不过对果蝇和威士忌爱好者而言，伏特加缺少波旁威士忌的香韵。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

那些慢条斯理的小家伙无疑是我们常见的果蝇。有一年夏天，我在厨房窗台上发现了一群果蝇。起初，我试着一个一个碾死它们。后来的某天早上，我在装有剩红酒的玻璃杯里发现了几只果蝇。于是，我找了一个瓶子，在里面装上几毫升红酒，成功将它们俘获，最后摇摇瓶子将它们送回了老家。

吸引果蝇的不是酒香，是花果香，这种气味与成熟的水果散发出来的气味非常相似。这就是果蝇更喜欢芳香的波旁威士忌的原因。

——来自德国基尔大学的克彭

远走高飞？

为什么有些小动物不怕人？像蜜蜂、瓢虫或螳螂落到我手上，似乎都不愿意离开。但我还从来没有遇到过赶不走的蝴蝶、小爬虫或者小鸟。

——来自南非约翰内斯堡的珍妮特·勒佩吉

别说怕人了，很多动物，主要是昆虫，还会吸食我们的血液。蚊子、跳蚤、蜱和水蛭就属于这一类，而我们常常不以为意。有些人甚至很不幸地成了马蝇幼虫的宿主。有时，蝴蝶也会落在我们身上，吸食我们的汗水，为的是其中的钠离子。

通常，动物都会与它的潜在捕食者保持逃出距离——逃亡所需的最短距离。这意味着动作更敏捷的动物往往离我们更近。当苍蝇落在人身上时，它可能还是一副扬扬得意、悠然自得的样子。当我们试图去拍它时，我们手掌的动作在苍蝇眼里就像慢镜头一般，它可以轻而易举地躲开。

这一规律也同样适用于体形更大的动物。例如，海豹的逃出距离就取决于它们是身处水底还是海滩。在海里，它们悠然自得地摆动着鱼鳍，深知自己可以轻松地游过我们。而在陆地上，一旦感受到危机，它们会第一时间冲向海里。

在加拉帕戈斯群岛和其他地方生活着这样一些动物，它们允许人类接近，因为它们对人类很陌生，不会把人类视为威胁。可悲的是，正是这种行为导致了渡渡鸟灭绝。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

我觉得把昆虫人格化是错误的。它们不太可能对恐惧有概念。它们的行为都是进化的结果，也是特定属性的延续。对于昆虫而言，人类的手掌本身并不具有吸引力，真正吸引它们的是手上的汗液或香味。

我不经常与蜜蜂打交道，但我碰到过的那几只似乎并不特别黏人。我敢肯定它们没有躲避挥打的经历。有一回，我经过一片薰衣草花丛，不经意间摆手，碰到一只蜜蜂。它没有蜇我，大概是因为它并不觉得我危险。瓢虫无法快速起飞，它们依靠身体的警告色、恶心的味道和气味来抵御捕食者。所以，它们不会匆忙飞走。

更何况，飞行消耗的能量可比步行要多得多。我曾经遇到过因饿极了而咬我手的瓢虫，但它们通常会四处打转，搜寻食物。当一无所获时，它们便爬到最高点飞走。螳螂比瓢虫更不情愿飞走。它们依靠奇特的移动方式，事实上是不移动，来躲避捕食者。要是被抓住了，它们会明显地表现出不适，并努力慢慢挣脱。不同的昆虫反应不一。

——来自法国布拉尼亚克的特伦斯·霍林沃思

发出嗡嗡声

如果人类不再取走蜂箱里的蜂蜜，蜜蜂王国将受到什么样的影响？

——来自英国亨廷登的拉里·屈勒

作为一个蜂农，我觉得蜜蜂几乎不会受到什么影响。蜜蜂天生就会采食花蜜，只要蜜源植物的流蜜期还在继续，它们就会不停地填充蜂巢的每一处剩余空间来存贮蜂蜜。大的蜂蜜储存量足以帮助蜂群度过一两个荒年。

野生蜜蜂会在大树洞里或是阁楼上筑巢，那里有足够的空间来存贮大量的蜂蜜——重到足以压塌天花板。

——来自英国肯特郡切尔斯菲尔德的彼得·甘多尔菲

蜜蜂储藏蜂蜜有两个原因：第一，为无花的时节储备食物，如北方的冬季或热带地区的旱季；第二，分群，这是蜂群唯一的繁殖方式。

如果工蜂认为这是分群的好时机，它们会筑一个蜂王台，以便现任蜂王产卵。幼虫会被喂食特殊的食物，以保证其发育成能产卵的蜂王。接着，老蜂王会率领一半的工蜂和雄蜂迁移。在离巢前，它们会取走约一半储量的蜂蜜。蜂农知道分群会转移走多少蜂蜜——这太不可思议了，它们居然可以带着那么多蜂蜜飞行。为了防止蜜蜂分群，蜂农每星期都得检查每个蜂箱，摧毁蜂王台。否则，分群的情况就会发生。

如果人类不再收集蜂蜜，那么人工养殖的蜜蜂最终会消失，只剩下野生蜂群。这会大大降低那些通过蜜蜂来授粉的庄稼的产量。

——来自加拿大魁北克省比肯斯菲尔德的安德鲁·卡拉瑟斯

冒牌昆虫？

一个聪明的孩子告诉我，蝴蝶不属于昆虫科，因为当它还是一只毛虫时，它的腿超过了六条。我知道他这种看法是错的，但我不知道原因。我该怎么跟他说呢？

——来自美国俄勒冈州奥尔巴尼的林恩·泰尔扎克

如果你的这位小朋友把毛虫翻过来，他会看到，它前端长着六条有关节的腿，恰好就在它头后面，这些腿会发育成蝴蝶或飞蛾的腿。其余的“腿”没有关节，只是从皮肤里长出来的腹足，毛虫有多达四对腹足，在尾端还有一对尾足。

尺蠖的毛虫没有腹足，只有真正的腿和尾足。尺蠖在爬行时总是拱成半个环，带动尾足接近前面的腿，然后身体前伸，看上去就像在地上测量自己的身长。这就是它们名字的由来——它们用这种缓慢的步态“测量地球”：英国人叫它们“环形使者”，美国人则叫它们“英寸虫”。观察尺蠖爬行，你会发现毛虫的腹足多么有用。

——来自英国米德尔塞克斯郡哈罗的黑兹尔·鲁斯曼

臭山羊胆子大？

我家住在托斯卡纳，附近的森林里有一群野山羊。对于这些山羊，我可以不见其“羊”，先闻其“味”。为什么山羊这么臭？如果嗅觉相对弱的我都能从那么远的地方闻到它们身上的味道，那么像狼、山猫或其他捕食者岂不是在几公里外就能闻到？

——来自意大利特拉诺瓦的亚历山德罗·萨拉戈萨

散发臭味的是雄山羊，它们借此向雌性山羊显示自己强壮的体魄以及优良的基因。恶臭来源于山羊的尿液和羊角附近的气味腺。这种浓烈的气味会让雌山羊发情，产生交配的欲望。日本科学家给雄山羊戴上帽子，获取并分析发臭的挥发物，成功地分离出了其中最活跃的成分——4-乙基辛酸。雌山羊闻到这种信息素，会引发排卵行为。

对于雄山羊而言，繁衍后代比躲避捕食者更重要。事实上，臭山羊有办法躲避捕食者。它们会成群地在陡峭的岩石边觅食。同时有许多双眼睛在警惕地张望，山羊视觉敏锐，因为它们的瞳孔是水平的狭长切口，增强了其外围视觉。一旦有山羊发现危险，整个山羊群会迅速爬到更崎岖却更安全的斜坡上。

考古学和DNA证据表明，家山羊是由一万年前新石器时代的中东农民从羱羊（野山羊）驯化而来的。如果圈养的山羊逃跑了，它们很快就会恢复野性，展现出祖先的行为和本能。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

海豹大餐

由于气候变暖，全球冰层融化，北极熊将会面临饥荒的威胁。因为对它们来说，冒险到薄薄的海冰上找它们爱吃的食物海豹太困难了。但是假设海豹仍然会在某个地方繁殖，那会是在什么地方，北极熊去得了吗？

——来自澳大利亚昆士兰州汤斯维尔的克莱夫·威尔金森

海豹仍然会在某个地方繁殖，这更像是一个空想。北极熊主要以生活在厚海冰上的海豹为食。环斑海豹可能是这些海豹中最主要的一种，只在海冰洞里繁殖。我没听说过环斑海豹在其他地方繁殖。所以，如果海洋冰层融化，这对它们来说可能是个严峻的问题——相应地，对北极熊也是个威胁。

北极熊的食谱不限于海豹，它们也吃别的食物，从螃蟹到海象都被纳入其中。然而，它们的饮食结构依赖于特定的时节。春季，它们主要以生活在海冰上的海洋生物为食，这些动物体内含有丰富的脂肪。其他时候，它们只能随机选择一些不太可口的食物，比如鱼或驯鹿，有时甚至是腐肉或垃圾，来挨过季节性饥荒。少量的这些食物可以提高它们的生存机会，但光吃这些食物难以维生。如果北极熊可以捕到不依赖海冰生活的海豹，或待在海滩上的海狮，毫无疑问，它们可以生存下来，但这种机会毕竟罕见，无法为北极熊提供充足的食物。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

北极熊面临的最大问题是如何抓住它们的猎物。在水中，北极熊根本无法猎取海豹，尽管它们在陆地上行动敏捷。海豹在水边活动，这样北极熊的优势就无用武之地了。于是，北极熊采取了特定的狩猎战略。海豹在冰下游泳、捕鱼，但必须时不时游到水面上来换气。北极熊则固守在冰洞旁，在海豹浮出水面时迅速把它抓住。如果没有足够结实的冰层来承受北极熊的体重，即使海豹数量巨大，北极熊也无法猎食。

——来自澳大利亚新南威尔士州圣奥尔本斯的盖伊·考克斯

抵御黄蜂

獾在攻击蜂巢时如何抵御黄蜂的叮咬？

——来自英国西萨塞克斯郡海沃兹希思的一位园丁

獾拥有强壮锋利的爪子，是挖掘能手。它们动作敏捷，且是夜行动物。黄蜂不愿在夜间离开蜂巢，我听说有人利用这一点成功地挖走蜂巢，并且全身而退。

显然，我们可以把整个蜂巢取走，而不惊动里面的黄蜂。对于亚洲黄蜂来说，确实如此。我们可以在夜间靠近蜂巢，以避免遭到黄蜂反击。但我必须强调，对欧洲黄蜂来说，就不是那么回事了。

——来自法国布拉尼亚克的特伦斯·霍林沃思

1955年，我参加学校组织的生物之旅，在英国雷克瑟姆附近，我曾目睹一只獾挖走黄蜂巢的整个过程。獾的袭击速度很快——一脚踢走蜂巢顶上的土壤，舔食蜂房里的蜂蜜，随后便离开了。数以百计被惊扰的黄蜂袭击了獾，但獾的皮很厚实，显然不怕蜇。不过，我猜獾暴露在外的鼻子肯定被蜇得不轻。然而蜂蜜的营养价值很高，即使遭受被蜇的痛苦也非常值得。

——来自澳大利亚堪培拉的菲利普·斯普拉德贝里

独行侠

许多哺乳动物会协作狩猎，比如狼和狮子。许多鱼类和鲸类也会协作捕食，它们把鱼群赶到一处，形成鱼群风暴，然后把它们吃掉。可为什么没有协作捕猎的鸟类呢？

——来自英国威尔特郡福克斯汉姆的阿德里安·鲍耶

实际上，群体协作狩猎现象在哺乳动物中非常罕见，它似乎只出现在社群关系复杂的智慧生物中，这些动物群体成员之间的亲缘关系会持续到成年期。因此，母亲和未成年幼崽一起狩猎的现象更为常见。狼、狮子和虎鲸是我们最熟悉的群体协作狩猎型动物。只有当群体征战的成果比单个个体行动的成果更具诱惑时，这种狩猎方式的优势才能凸显出来。

鸟类不像陆地动物那么健壮，它们通常不会捕食比自己体形更大的动物，所以为分享猎物付出的代价往往大于群体狩猎带来的好处。我们可以想象这样的场景——合作捕食在某种鸟类中间行得通。然而演化不是想象，也无法预先计划。

——来自英国北约克郡欣德韦尔的克里斯蒂娜·沃曼

在浅水区，美洲白鹈鹕会成群结对地捕鱼。而在深水区，它们通常会独自狩猎。

——来自美国纽约鲍尔斯顿湖的戴维·鲁宾

根据我多年来对农场的观察，猛禽会合作捕食，分享猎物。在开放的围场里，成对的楔尾鹰会尾随在雏鸭身后。即使雏鸭有父母的照看和保护，它们也完全不是鹰的对手。

我们经常会看到成群的乌鸦一起捕食，尤其是在放羊时。成群的乌鸦会与带着小羊羔的母羊保持一定距离，耐心地等待小羊羔离开母羊或是母羊独自走开去喝水或进食的时机。一旦有机会，它们会迅速行动，攻击羊羔。在空旷的围场里，我看到过几十只乌鸦追捕母羊与羊羔，它们会试图把羊群分开，然后攻击落单的羔羊。这就是乌鸦群被称为“夺命乌鸦”的原因吗？

——来自澳大利亚西澳大利亚州布鲁克顿的安娜·布彻

几年前，我曾去英国珀斯附近的猎鹰基地参观，在那里我认识了奥斯卡，它是一只哈里斯鹰，非常擅长与新手猎鹰训练员合作。一位猎鹰训练员告诉我，这些哈里斯鹰非比寻常，它们成群狩猎，而这可能是它们在与人类的合作中展现出的灵活性以及社交智慧的根源所在。记得有一回我去爬山，惊讶地发现奥斯卡一直陪在我身边。有人告诉我，它大概只是想要搭“电梯”到山顶，于是我让它站在我的手套上。当我爬到了山顶，它又飞走了。显然，它和我一样疲惫。

——来自英国萨里郡东克罗伊登的罗伯特·威廉斯

题主误认为鸟类不会协作狩猎。哈里斯鹰以家庭成员结伴捕猎出名，有时多达十四只，但通常只有五六只。这种捕猎方式和陆地哺乳动物大致相似，适合于在沙漠和干旱的灌木地带狩猎的鸟类，而这些地方正是鹰类的典型栖息地。

哈里斯鹰通过伏击候鸟群来猎食。在追逐过程中，当领头鹰疲劳或掉队的时候，任何一只鹰都可以顶上去。就猎杀次数与发动攻击次数的比例而言，哈里斯鹰是地球上最成功的捕食者，它们会与同伴分享食物。由于它们的群居特性，哈里斯鹰已经被广泛驯养成猎鹰——它们相对容易圈养，加以训练后可以攻击各种目标。有时，猎鹰训练员会放飞两三只鸟，诱发猎鹰捕猎的本能。

——来自英国格洛斯特郡德赖布鲁克的戴维·里德帕思

梅林的魔法

我家四岁的小灵犬梅林，有时好像会吃一些长在矮树篱中的鹅草（拉拉藤），它会小心翼翼地把草茎拔出来，对周围其他植物却视而不见。它这是在自我治疗吗？如果真是这样，它怎么知道该吃哪种植物呢？

——来自英国威尔特郡索尔兹伯里的安迪·马斯伦

对这种明显的动物自疗行为的研究被称为动物生药学，你家的狗吃鹅草，很可能是为了催吐，以缓解胃不适。我家的猫也经常会吃某种特定的草。不管是原来住在英国，还是现在住在香港，它都会这样做，所以草种的选择似乎和个体偏好没什么关系。鹅草之所以叫鹅草，是因为鹅很喜欢吃这种草。据说这是因为它有助于将蠕虫从消化道排出体外——民间的说法是，叶缘上的钩毛能钩住蠕虫，将它们从体内带出。

——来自中国香港的彼得·西姆斯

我也养了一只四岁的小灵犬，可它对鹅草不感兴趣。我很好奇，究竟是什么激发了梅林对鹅草的这种偏好。鹅草含有许多具有生物效应的化学物质，如车叶草苷、咖啡因和酚类化合物等。草药商把鹅草当作一种茶品，据说它还可以做利尿剂和“淋巴液”使用。

在线“猎犬培训论坛”上提到了鹅草对狗的吸引力，很多人说他们的狗会主动去找鹅草。鹅草到底有什么作用，这显然是一个开放性问题。有个未经验证的说法，它可以降低狗的血压而不伤害心脏，也不会产生副作用。但我对此表示怀疑，狗会意识到自己的血压，或是主动想办法降低血压吗？鹅草和咖啡属同一个科，狗吃鹅草会不会就像它的主人上午喝咖啡提神？

至于你的狗是如何找到鹅草的，我们都知道，狗的嗅觉远比我们想象的要敏锐。酚类具有很强烈的气味，人都可以闻到，所以，即使只有少量酚类，狗也能很容易找到。不过，正如“猎犬培训论坛”所指出的，要想确定是否该鼓励狗吃这种草，只有找兽医检查过才能知道。吃某个东西没有明显的害处并不意味着它对你就有好处。一位兽医告诉我，巧克力现在被广泛认为对狗有害，可是你见过拒绝吃巧克力的狗吗？

——来自英国安格尔西岛的吉利恩·科茨

玫粉色犬鼻

我家的金毛猎犬有个“达德利鼻”，它的鼻子是粉色的，而不是黑色。这种犬鼻首次在英国伍斯特郡的达德利斗牛犬身上被发现，也因此而得名。如果这是基因突变，那它怎么能遗传到其他纯种狗身上呢？

——来自澳大利亚南澳大利亚州乔斯林的艾伦·莫斯克瓦

达德利鼻由TYRP1基因突变引起，这种突变会影响黑色素的合成。虽然这种犬鼻首先在斗牛犬身上被发现，但它也会在其他品种的狗身上出现。

达德利鼻只会出现在拥有隐性纯合子基因的狗身上。这就意味着，一对公狗和母狗都长着黑色鼻子，同时也是这种突变基因的携带者，它们生出的小狗就可能有个达德利鼻。

养狗者不被鼓励养育长达德利鼻的狗，除非进行DNA测试，否则无法阻止变异基因在繁殖中发挥作用。这就是达德利犬鼻传播给纯种狗后代的方式。

——来自英国汉普郡沃尔瑟姆蔡斯的尼基·鲁德林

猫眼

猫的瞳孔是卵形的，而像狮、豹这些大型猫科动物的瞳孔却和人类一样，是圆形的。为什么会这样？这种差异具有什么优势？

——来自英国多塞特郡韦茅斯的约翰·奈默尔

为了高效聚光，夜行脊椎动物（如猫）具有相对于眼睛的焦距而言较大的瞳孔。这导致了一个狭窄的景深。此外，晶状体对不同的颜色聚焦程度不一，这会导致色差和视物模糊。劣质光学设备生成的图像边缘的彩色条纹也是由这个问题引起的。

为了克服这些困难，一些动物进化出了由焦距不同的同心环组成的多焦点晶状体。每个圆环聚焦光谱的不同部分，从而形成更清晰的图像。狭缝瞳孔是为了适应后来的环境进化出来的，当卵形虹膜在明亮的光线下收缩时，仍然可以使用整个晶状体。收缩的卵形虹膜将覆盖晶状体的外缘。

为什么像狮子这种白天活跃的动物，拥有和我们人类一样的单焦点晶状体和圆形瞳孔？人眼具有的小瞳孔导致了大景深，更长焦距的晶状体则可以将色差的影响最小化。一个合理的解释是，多焦点晶状体对昼行脊椎动物几乎没有任何好处，所以这些动物没有进化出这种结构。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

几乎所有脊柱动物的瞳孔在昏暗的光线下都是又大又圆的，当光线变强时，瞳孔便会缩小。大部分动物的瞳孔缩小后呈圆形，但是有些动物的瞳孔可缩小成水平或垂直的狭长切口，壁虎的瞳孔甚至由很多小孔组成。也许乌贼具有最奇异的瞳孔形状：在强光下，它的瞳孔会变成W形。

要想在弱光环境下看见物体，眼睛要收集尽可能多的光线，这就需要较大的瞳孔。然而，这样的结构有一个缺点——成像质量会降低。这主要是因为，当瞳孔睁到最大时，位于瞳孔后面的整个晶状体都会用来成像。

通过晶状体边缘部分进入的光线比通过晶状体中央部分进入的光线更容易聚焦，这个效应被称为球面像差。光线不会全部聚焦于一点，从而导致图像模糊。然而，在昏暗的光线下，这份代价是值得的。在强光下，瞳孔收缩，只使用部分晶状体，眼睛便能获得更高品质的物像。

在人类和其他具有圆形瞳孔的动物中，虹膜顶端的括约肌收缩形成瞳孔。圆形括约肌的缺点，是瞳孔超过一定大小就无法闭合。在具有狭缝瞳孔的动物中，相应的肌肉可沿狭缝的任意一侧延伸。因此，人类的瞳孔收缩和扩张之后的面积相差可达到约16倍，而猫的瞳孔变化面积相差至少是135倍，在强光下它的瞳孔面积接近于零。狭缝瞳孔广泛存在于夜行动物中，它们的视网膜适用于弱光环境，在强光下可能会受损。

——来自英国埃塞克斯郡萨夫伦沃尔登的罗恩·道格拉斯

挖掘真相

最近，在经过牛津郡泰晤士路旁的田野和树林时，我们看到了很多鼹鼠丘。它们大多分布在小路边上，而不是在野地里。为什么会这样？

——来自英国伦敦的凯瑟琳·肯内利

我曾经在野外发现一只鼹鼠，鉴于它们的生活习性，这不足为奇。在林地和茂密的植被中，它们可以隐蔽其中，搜寻叶子下面的食物，而无须浪费力气挖掘隧道。然而，在开阔的野外，试图在地面上进食会使它们暴露在外，更何况地面上也没有什么可吃的。尤其是像小路这类区域，是它们地下活动最好的屏障。挖掘一个隧道网络——鼹鼠丘的成因——它们便可以在地下自由活动，因为它们可以因此收获大量误入陷阱的蠕虫或昆虫。

——来自法国布拉尼亚克的特伦斯·霍林沃思

鼹鼠活跃在泰晤士河边，因为善于躲避洪水，喜欢沿着这条小路的高地和斜坡活动。人类选择走这些小路部分原因是为了不弄湿自己的脚。《新科学家》杂志上说，受到洪水威胁时，鼹鼠会挖隧道钻到地面上，它们会游泳，尽管视力很差，但总能找到邻近的干燥地方。

——来自英国爱丁堡的约翰·福里斯特

粪便成瘾者

我们一天清理两次马场。在夏末和秋季，我们经常可以看到三两只深蓝色、发光的甲虫待在马粪下面的洞穴中。它们是如何在这么短的时间内到达那里的（可能最多也就十二小时）？这些甲虫是穿过土壤（夏天时常又干又硬）还是从地上爬过去的？

——来自德国卡佩伦多夫的伊尔卡·弗莱格尔

几年前，在新南威尔士州南部的农场里，我放生了五只屎壳郎。这种甲虫起源于南非，经过多年测试后与其他物种一起被引进澳大利亚。屎壳郎之所以能如此迅速地到达马粪那里是因为它们是飞行能手，有些飞起来还会发出响亮的嗡嗡声。它们在马粪上产卵，孵化幼虫大约需要三天，挖掘隧道会导致粪便掉落。这会杀死粪便上的所有苍蝇幼虫，这些虫卵需要五天时间来孵化。一只苍蝇可以在一团粪便上产下约3000颗卵，使用这种方法后，我的农场里苍蝇数量急剧减少，改善惊人。

——来自澳大利亚悉尼的戴维·汉密尔顿

在马粪中挖洞的甲虫肯定是被气味吸引而飞过去的。它们很可能是金龟科的屎壳郎。屎壳郎大概分为推屎工、挖掘工和居民。推屎工会将粪便滚成一个粪球，然后掩埋起来当作食物或在粪球上产卵。挖掘工会潜入粪便，在里面进食和繁殖。居民则栖息在粪便顶部。

你看到的甲虫似乎是挖掘工。多数屎壳郎具有非常敏锐的嗅觉，也是飞行能手。为了避免同类竞争，同时减少粪便硬化后难以开采的风险，屎壳郎会迅速赶到。我在赞比亚工作了二十年，经常去灌木丛解手。有一次，我独自开车经过一条偏僻的道路上，途中靠边停车解手。我一蹲下，便听到一阵响亮的嗡嗡声，当我起身时，一只屎壳郎已经赶到了，并不辞辛劳地精心制作起了粪球。随后，它便滚着粪球火速离开了。当我被这一幕迷住时，越来越多的屎壳郎飞来了。我当时太震惊了，都忘了数究竟有多少只。但在三十分钟后，我的粪便已消失得无影无踪。还有更多的屎壳郎陆续飞来，它们大概是被残留的气味吸引，正四处搜寻。这真是一次令人难忘的野外体验。

——来自瑞士格朗的阿利斯泰尔·斯科特

掉色

我在花园里发现了一只乌鸫，它全身是浅灰色的，并非黑色，但它的眼睛不是粉色的，所以我猜这不是白化病引起的。它在阳光下舒展翅膀，过了一会儿便飞走了。我从未见过这种颜色的乌鸫。还有人了解得更多吗？

——来自英国诺丁汉郡绍斯韦尔的埃里克·比格内尔

我是英国自然历史博物馆鸟类展厅的负责人，鸟类色差遗传是我过去十五年主要的研究领域。在此期间，我了解到鸟类颜色畸变的识别和命名仍然是一个难题。

其主要原因可能是，由基因突变引起的相似畸变，根据原始毛色的不同，会在不同鸟类之间呈现出很大的差异。它也会随性别和年龄的不同而不同。再加上我们离鸟太远或是鸟飞得太快，区分色差往往很困难。

各种名称被随意用来区分突变。白化病和部分白化病这样的术语是最常用的，但经常被误用。题主根据这只鸟没有粉色的眼睛推断出它未患白化病，这是正确的。然而，即便没有看到它眼睛的颜色，你也可以确定这只鸟没有患白化病，因为它是灰色的，因此它身上仍有一部分黑色素。

患上因基因突变导致的白化病的动物不会生成任何黑色素，因为它的色素细胞中不存在酪氨酸酶。所以，实际上根本不存在部分白化病患者。这只乌鸫的灰色羽毛是所谓的稀释的结果。该词从拉丁文“稀释剂”演变过来，意为更淡或更弱，可以被定义为黑色素减少。颜色颗粒的数量减少，但颜色本身不改变。较低浓度的颗粒形成较弱或稀释的颜色。这就好比报纸上刊登的黑白照片：密集的黑色墨水点聚在一起形成黑色，而在差不多大小的区域中较少的黑点则显现为灰色。

——来自英国赫特福德郡特灵的海恩·范格鲁

接着楼上的回答进一步阐述，掉色的乌鸫似乎在“喂蚂蚁”。有些鸟故意躺在蚂蚁巢顶上，展开翅膀，蚂蚁释放的甲酸可以杀死鸟羽毛上的寄生虫。这种现象很不寻常，许多读者可能从来没有见过，即使见过也不知道发生了什么。鸟类经常会保持这种姿势待一会儿，人们于是有机会观察和拍摄。

——来自加拿大魁北克的安德鲁·卡拉瑟斯

楼上那位加拿大的朋友对掉色乌鸫的这种行为的解释似乎有些问题。在英格兰南部的花园里，鸟类经常表现出这种行为，包括乌鸫、知更鸟、麻雀和鸽子，都会这么干：展开翅膀，翘起尾巴，背对着太阳。它们会分布在花园的各个角落，而且似乎只在阳光灿烂的日子才这样做。

我没有见过任何证据显示蚂蚁可以杀死鸟类羽毛上的寄生虫。鸟类的这种行为在春季很常见，在花园的各个角落里可以看到不止一只鸟。它们会不会只是单纯地在享受温暖的阳光？展翅、闭上双眼以及它们的朝向都肯定了这一点。我没有亲眼见过像他说的加拿大蚂蚁的行为，但也许它们只是暂时利用乌鸫的翅膀来乘凉而已。

——来自英国萨里郡沃金的迈克·加勒特

接着上面的讨论，我认为这只鸟正在晒日光浴，而不是“喂蚂蚁”。阳光中的紫外线B促进了维生素D合成过程中的关键一步。对人类来说，这一过程直接在皮肤上发生，而鸟类的皮肤被羽毛覆盖。为了解决这个问题，鸟类尾巴根部附近的尾脂腺会分泌一种油脂。这种油脂含有前体类固醇，在阳光照射下会转化为维生素D。这只鸟用喙将这种油脂分散在羽毛上，然后如前所述，晒会儿日光浴，或是边飞边晒太阳，光合产物会在它下一次整理羽毛时被消耗掉。春季，日光浴时间会有所延长，因为经历了黑暗的冬季之后，鸟类会患上维生素D缺乏症。

——来自澳大利亚新南威尔士州拜伦贝的查尔斯·索耶

咯咯叫

为什么母鸡下完蛋要大声叫唤？

——来自英国布里斯托尔的詹姆斯·特顿

在英国布里斯托尔，我散养家禽近六十年，包括矮脚鸡和怀恩多特鸡。我发现：母鸡会在下蛋前十分钟到二十分钟走进鸡窝卧下。它站着产下软壳的蛋，蛋壳在与空气接触的瞬间硬化。然后，它会会静静地卧几分钟，啄羽毛、咕咕叫和休息。接下来，母鸡从鸡窝里跳起来，发出一阵响亮的咯咯声，如果地方足够宽敞，它会冲出一段不短的距离。占主导地位的公鸡听到咯咯声，煽动着翅膀跑向母鸡，立即与之交配。然后，它会上演“踩蛋”的戏码，最终公鸡和母鸡都满意而去。

所以，这叫声似乎是为了在产蛋后吸引公鸡来交配。如果有竞争对手，公鸡会像任何准爸爸一样在窝外巡逻，然后在母鸡下完蛋后与其交配。在这种情况下，母鸡的叫声可能很小或几乎没有。公鸡在其他时间与母鸡进行交配时，会先上演“踩蛋”的戏码，母鸡不会咯咯大叫。

——来自澳大利亚维多利亚州马尔姆斯伯里的尼娜·杜格尔

完美的栖息

鸟类站着休息，蝙蝠则是倒挂着休息。有没有鸟或蝙蝠是例外呢？为什么它们的休息方式不同？

——戴维·汉布林，通过电子邮件

有一种错误的观念认为，为了使飞行效率更高，蝙蝠的小腿骨骼和肌肉已经退化，因而无法站着起飞。然而，蝙蝠拍打尾膜就可以向上起飞。要是蝙蝠在地上筑巢，以这种笨拙的方式起飞，它们会很容易被捕食，所以，从高处向下坠落起飞是一个更好的策略。

然而，栖息方式的差异并不仅仅是为了躲避被捕食的风险。蝙蝠也具有优秀的飞行能力。这种动物可以在飞行中倒悬并进入几乎静止的状态，这使它们能够从下面抓住合适的栖息点。这意味着蝙蝠可以垄断洞穴顶部和其他难以到达的栖息地点。它们更灵活，因为与鸟类相比，它们的翅膀比躯干大得多。此外，尽管这两种动物的翅膀都是从手臂演变而来，但鸟类的骨骼仅存在于鸟翼的前缘，而蝙蝠的指骨则延伸至羽翼的后缘，因而能更好地控制翅膀。

相反，鸟类缺乏灵活性，这可能会将它们的栖息地限制在更易接近的地方。也许这有助于解释为什么鸟不睡觉，正如我们所知道的——它们轮流休息大脑一侧，以便对捕食者保持警惕，也有可能是为了避免从鸟巢掉落。

然而，有一些鸟，比如短尾鹦鹉，春季时会倒挂在树上。蝙蝠和鸟脚上的肌腱在它们放松时依旧会闭合，紧紧锁住栖息点，保证消耗最少的能量。即使在睡眠中死掉，蝙蝠也不会落到地上，必须有人把它从栖木上敲下来。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

站着睡觉

为什么有一些动物，比如人类，要躺下来睡觉，而像大象和长颈鹿这些动物，却可以站着睡觉？

——来自南非比勒陀利亚的马尔蒂耶·范德沃尔特

影响动物睡眠风格的因素有以下几方面：它站起和躺下的容易程度，躺着睡觉的舒适程度，以及它在环境中面临何种威胁。一般来说，体形越大的陆地动物，越不喜欢站起或躺下，像大象这样笨重的动物不会经常躺下。对于躺着的大象来说，呼吸或突然站起来太困难了。它们的腿已经适应了垂直支撑自身重量，健康的大象可以一直站立，也会靠着某个物体浅睡。它们只有在感觉够安全时才会躺下睡觉。

长颈鹿睡得更少，因为它们面对掠食者更弱势。猫、猪或山羊可以迅速从睡眠状态中起身，所以它们可以自由地蜷缩着身体睡觉。牛和马处于分界点附近。它们一直站着，但如果非常疲惫，也会躺下睡觉。然而，在野外，它们对捕食者感到紧张时，几乎不躺下。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

作为一名对大象的野外生活具有丰富经验的向导，我可以向读者保证，它们躺着睡觉，与人们的认知恰恰相反。

——来自南非豪滕省派恩高里的罗德·墨菲

蜘蛛女

我的妻子经常被蜘蛛咬伤。谁能解释她对蜘蛛的这种吸引力，并且能给些建议——如何避免被蜘蛛叮咬？

——来自加拿大不列颠哥伦比亚省怀特罗克的史蒂夫·约克

我很同情你的妻子，但如果她经常抱怨自己被蜘蛛叮咬，那可能是个误诊。蜘蛛几乎不会主动咬人，除非它感觉到人类的威胁。不幸的是，人们通常对此不接受，不管他们身上的症状有多真实，其实都与蜘蛛无关。加上医务人员缺乏对蜘蛛的了解或跟病人解释的耐心，问题就更加复杂了。有时反倒纵容了杜撰，加强了人们将病因不明的局部皮肤状况归因于蜘蛛叮咬的惯性。

人们误认为是由蜘蛛咬伤引发的感染和伤害范围令人吃惊：链球菌脓疱、复发性抗甲氧西林金黄色葡萄球菌感染、分枝杆菌脓肿、病毒性水疱、化学灼伤、过敏性皮疹，当然还包括其他动物——蚊子、黑蝇、臭虫、跳蚤、虱子、蜱或吸血螨——叮咬造成的后果。

最近，我的邻居抱怨他总是被蜘蛛叮咬。等他准确地描述了叮咬，很明显可以确定，他是被我们当地的吸血蠓咬伤的。

人们对叮咬的反应差异很大，而吸血蠓很可能是叮咬你妻子的嫌犯。如果真的是叮咬引发的症状，她可能压根不会有反应。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

全新世公园

大约6500万年前，恐龙走向灭绝，哺乳动物占领了地球。如果恐龙没有灭绝，哪些恐龙可能会进化成为统治地球的最聪明的生物？

——来自英国马尔岛托伯莫里的杰克·哈里森

鸟类由侏罗纪时期的兽脚类恐龙进化而来，从6500万年前的生物大灭绝事件中幸存的物种是我们今天看到的动物的祖先。巧的是，最近我看到鱼塘里的一群鹅，突然想到，它们可能会被误认为是一群迅猛龙。

如果没有发生灭绝事件，那么“可怕的蜥蜴”可能仍然统治着地球。如果环境没有发生变化，几乎没有选择的压力来推动新物种的进化。

与白垩纪末期有关的气候变化开启了种族进化的新纪元，一些物种经历了巨大的适应性变化以填补新出现的生态位。

这就像洗牌一样。我们无法预测什么样的物种可能会统治地球，也无法预测新物种会是什么样。因为我们不知道什么样的特性结合在一起会更有利于生存。而且，能成为第一个占领某个生态位的物种已经足够了。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

早在20世纪80年代初，古生物学家戴尔·罗素认为，伤齿龙是最有可能进化出智力的恐龙。据说，这种恐龙是一种双腿中等大小的食肉动物，被认为与鸟类是近亲。当时，我在《奥秘》杂志上发表了一篇关于伤齿龙是如何进化的文章。从那以后，我们学到了很多关于恐龙及其演化的知识，而罗素原先认为存在直立行走、和人类长相差不多的“类恐龙人”的观点也因此变得荒谬了。

从类人动物到几乎是科幻小说主角的生化迅龙，古生物学家达伦·奈什给我们提供了很多选择，他将故事更新在scienceblogs.com（bit.ly/CleverDinos）上。我们已经知道有关恐龙进化的另一个事实——鸟类确实是从恐龙进化而来的，正如托马斯·亨利·赫胥黎在看到始祖鸟之后所怀疑的那样。

对所有动物按照其进化关系进行分类的现代体系叫作支序分类学，因此鸟类和恐龙被视为同类。所以，严格说来，恐龙并没有灭绝，而是以鸟类恐龙的形式幸存下来，也就是我们今天所认识的鸟类。乌鸦和渡鸦也进化出了一定程度的智慧。

——来自美国马萨诸塞州奥本代尔的杰夫·赫克特

恐龙DNA

最近，我看了电影《侏罗纪公园》及其续集。在电影中，琥珀中蚊子腹部的DNA可以用来复活恐龙。这在现实生活中能实现吗？

4.8亿年前，昆虫和植物一同出现在地球上，但吸血昆虫出现的最早记录要近得多。人们在蒙大拿州的岩石中发现了一只生活在4600万年前的蚊子，在中国发现了另一只早于这只蚊子3000万年的吸血昆虫。这在时间范畴上属于距今1.42亿年至6400万年的白垩纪的早期，也就是暴龙雷克斯和其他大多数我们熟知的恐龙生活的时期，这使得它们与吸血昆虫共存的可能性更大了。

这些昆虫靠吸食其他动物的血液为生，这一结论是通过对其腹部提取物进行分析得出的。这些被识别出的含铁血红素是血液的主要成分，它携带氧气，并使红细胞呈现红色。血浆主要成分是红细胞，此外还有一些白细胞。哺乳动物的红细胞中没有含DNA的细胞核。而其他所有脊椎动物都具有含核红细胞，每个细胞核都携带全部基因组。因此，恐龙血浆中的DNA含量要高于哺乳动物。

然而，高水平的分解意味着无法识别在化石中获取的全血细胞。血液的消化吸收和昆虫化石化几乎肯定会破坏任何DNA。此外，DNA的半衰期约为500年，150万年后它将无法保留任何信息。因此，要想在恐龙化石或吸食恐龙血液的昆虫中发现完整的基因组几乎不可能。

不过，让我们想象一下，一只刚刚吸完恐龙血的昆虫不知怎的就被嵌入琥珀中，并且在超级理想的条件下被保存下来。只有对提取的DNA进行测序，并将其与参考基因组匹配，才能确定该DNA的所有者。然而，我们没有恐龙的参考基因组，所以别无选择，只能尝试一下，看看结果是什么。

为此，我们需要一个完整的、未经损坏的细胞核，将其移植到已去核的未受精的蛙卵中。蛙卵将提供其发育所需的一切物质，移植的细胞核将为新的生物体提供基因指导。

那接下来会怎么样呢？青蛙是两栖动物，无法产下硬壳的蛋，所以移植的恐龙细胞核会发育吗？谁知道呢？电影《侏罗纪公园》也许为我们复活了曾经生活在地球上的最惊人的动物，但我不建议大家在家里模仿。

——来自英国剑桥基因科学园维康信托基金会桑格研究所的阿莱娜·潘采

CHAPTER
02
宇宙探索

阴云蔽日

当天空布满阴云时，太阳还会投下哪些波长的阴影？我可以发明一种在阴天工作的日晷吗？

——来自英国伦敦的斯蒂芬·帕里什

天阴的时候，我们可以通过检测光的偏振特性来推断太阳的位置，从而推断出时间。昆虫和鸟类正是利用偏振光进行导航的。

一般来说，散射光与太阳呈直角偏振。所以当太阳处于最高点时，光线将沿着整个地平线方向，近似水平偏振。当太阳西下时，天空中的光线将沿着南北方向，呈垂直偏振。

1848年，英国发明家查尔斯·惠斯通斯发明了“极钟”，这是一种类似日晷的装置，可以在多云时使用。通过让管指向北极方向，转动目镜中的棱镜直到光消失为止，可以推导出日光的相对偏振角，给出太阳的位置，从而推算出大概的时间。还有人说，当太阳被云遮蔽或者刚出现在地平线上时，维京人使用水晶日长石来确定太阳的位置。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

一些无线电波可以穿透云层，太阳确实会发射无线电波，所以制造一种在阴天工作的日晷是有可能的。但是，你需要一个尺寸大于无线电波波长的日晷，否则电波将会被折射到它周围，而无法产生阴影。阴影必须由用于接收太阳无线电波的巨大的天线阵列来检测。这并不简单。人们花了很长时间来研究能够探测到太阳发出的无线电波的装置，直到1942年，英国物理学家詹姆斯·斯坦利·海伊才成功探测到来自太阳的无线电波。

不过，还有一种方法。太阳也会辐射出X射线，这些射线也能穿透云层。基于X射线设计日晷会更容易些，因为它不存在衍射问题，你可以使用荧光镜观察X射线落下的位置。

——来自法国莱塞萨尔勒鲁瓦的埃里克·克瓦朗

天空的谎言

在澳大利亚度假时，我发现那里的满月看起来似乎与英国的不太一样。我在网上发现许多评论称在南半球看到的月亮似乎是“颠倒”的。

回国以后，我对比了在北爱尔兰和澳大利亚凯恩斯拍摄的照片，发现似乎只存在大约70°而非180°的差异。就面向地球的角度而言，世界上存在这样两个地方，从那儿看到的月亮有180°的差异吗？

——来自英国的格雷厄姆·芬尼

这引发了若干有趣的问题。首先，假设观察员位于北纬54°的北爱尔兰，在午夜时分仰望满月，此时月亮到达南半球天空最高点。月亮的南极将与南地平线对齐。

现在假设你可以在几分钟内将观察员运送到南半球。接近赤道时，他们会看到月亮在天空中升得越来越高，但是它的方位不变。

当他们进入南半球时，月亮将在天顶点，即观察者头顶正上方的位置。此后，他们将不得不向后弯腰才能看到方位不变的月亮——“颠倒的”。

最后，为了避免向后跌倒，他们不得不站起来。现在他们转过头来看月亮，它出现在天空北部，它的北极对着北半球的地平线。从这个意义上来说，现在月亮看起来是颠倒的，但事实上真正“颠倒”过来的是观察者。

现在，把月球在天空中的路径也考虑进去。月亮（或多或少）沿着黄道的弧线运动，黄道是我们眼中太阳在天空中移动的路径，月面（或多或少）与黄道面保持恒定的方向。黄道面与地平线的角度取决于观察者所在的纬度和时节。

在春分或秋分时，黄道在赤道上空垂直上升，通过天顶。对于在北爱尔兰的观察员来说，黄道面与垂直方向呈54°角，对着南地平线；对于位于凯恩斯的观察员（南纬17°）来说，它与垂直方向呈17°角，对着北地平线。

这意味着在月球面相对于地平线的方位上，两地拍摄的月出时的照片将显示出71°的差异。我认为这可以很好地解释题主观察到的明显的旋转现象。这是因为照片是在月亮处于天空较低的位置时拍摄的，而凯恩斯位于北爱尔兰南纬大约71°角处。

我刚才提到，月球的轨道面或多或少与黄道面一致。这是因为月球并不总以同一面对着地球，它会晃动，这个过程被称为“天平动”。

部分原因是月球的轨道不是圆形。月球围绕地球运转时，会慢慢减速或加速，所以它的轨道速度不会与其自转保持同步。在某些地方，我们可以观察到月面的东西侧。

此外，还有一个周日天平动。我们将观察者从地月中心连线的西侧转至东侧，由于地球自转，他在这个过程中会先多看见一些月球的东侧，然后多看见一些月球的西侧。同理，位于北爱尔兰的观察员会多看到一些月球的北极，而凯恩斯的观察员会多看到一些月球的南极。

最后，考虑到月球轨道面与黄道面稍微错开（夹角约1°），这使得我们可以看到更多的月球北部或南部。这些效应结合在一起，才使得我们有可能看到约60%的月面，而不是像很多人认为的只有一半。

当然这意味着，在不同的地方同时拍摄的两张月亮的照片，不管月亮的方位如何，都不会展现出完全相同的月面。

——来自英国伯克郡沃金厄姆的戴维·沃姆斯利

月亮消失

如果月亮消失，潮汐过多久会停止？

——来自英国伍斯特的马丁·麦卡恩

如果月亮突然消失，产生潮汐的主要力量将立即（也许正好是引力从月亮作用到地球的时间，约1.5秒）消失。但是，由于海洋将在地球的两端汇聚，中间带的海平面相对较低，水将开始振荡。最初，它会从海洋的两个“山丘”流向低潮区，在这里再次汇聚起来。然后水流静止，流向相反方向。理论上，这种振荡将永远持续下去，但实际上随着时间的推移，由于摩擦力和陆地的干扰，振荡会变得更加混乱，同时，由于海床的阻力，振幅也会越来越小。

——来自法国莱塞萨尔勒鲁瓦的埃里克·克瓦朗

好消息是，潮汐停止需要很长的时间——直到地球停止自转，只有一面朝向太阳，或者海洋蒸腾。这是因为潮汐是在月亮和太阳的共同作用下产生的。太阳引力对潮汐的影响略小于月亮引力的一半。月亮和太阳的共同作用会随着月亮轨道位置的变化而变化。

当太阳和月亮连成一条直线时，会产生大潮现象，出现不同寻常的涨潮和退潮。小潮——涨落潮水位差异最小时——发生在太阳与月亮对潮汐的作用力反向的时候。如果月亮消失，地球上海域产生的潮汐只会略微小于当前强度最弱的小潮而已。

——来自英国贝德福德的彼得·斯凯利

溺水的太阳

倾全宇宙之水能浇灭太阳吗？

——来自美国加利福尼亚州圣马特奥的玛雅（六岁）

燃烧是一种化学反应，需要三个关键条件来维持：热量（如点燃蜡烛的火柴）、燃料（蜡烛）和氧气（大量存在于空气中）。拿走其中任何一个，火焰就会熄灭。

用水灭火很有效，因为水可以很好地消除热量并隔绝氧气。然而，太阳实际上不同于一个巨型蜡烛燃烧时形成的火球。它是一个巨大的等离子体球。太阳的能量并非来自燃烧的过程，而是来自核聚变的过程，太阳核心的热量和压力如此巨大，使得像氢那样轻的原子核被迫聚合成像氦那样重的原子核，同时释放出巨大的能量，维持着地球上的舒适温度。

如果你想熄灭太阳，用一层厚厚的水毯裹住它并不会起什么作用。虽然水可以瞬间消除部分热量，但它同时也会增加太阳的质量，导致太阳内部的压力增加，继而加快核聚变的速度。此外，水分子（由氢和氧组成）受热到一定程度可能会分解成其组成元素，从而提供更多的核聚变燃料。所以，太阳实际上会燃烧得比之前更加剧烈和迅速。

但是，如果把整个宇宙的水全部倒在太阳上会怎么样呢？这只能口头上说说而已。严格说来，你倾倒的是冰而不是水，因为太空温度很低，几乎所有的水都以固态形式存在。理论上，你可以在太阳的质量上加上这么多冰块的质量，这些冰将快速耗完所有的燃料。然后，太阳将像超新星一样发生大爆炸，摧毁地球，留下一颗非常致密的中子星，甚至是一个黑洞。我想这也算是熄灭了太阳。总之，熄灭太阳可能会将太阳系搞得乱七八槽。

——来自英国赫特福德郡的山姆·巴克顿

彗星的形状

67P/丘留莫瓦-格拉西梅彗星形状不规则。彗星或小行星需要达到多大尺寸才能变成类球形，这中间的过程是什么样的？

——来自英国英格兰珀斯郡的马尔维娜·莫里

计算表明，任何直径超过700千米的岩体都应接近球形。体积这么大的岩石天体才有足够的质量来克服流体静力。谷神星是小行星带中最大的天体，直径约945千米，接近球形。由于它由冰水组成，不及岩石刚硬，所以，直径达到约320千米就可以变成球体。

假设所有行星具有相同的成分和密度，这些计算也表明，一个天体上任何突起（例如山）的最大高度应与该天体的直径成反比。这就解释了为什么直径大约是地球一半的火星上存在比珠穆朗玛峰的两倍还高的奥林帕斯山。此外，体积较大的行星可以保留更多的原始热量——这种能量可以追溯到崩塌成行星的星云的重力势能。这进一步降低了大行星上山脉的高度，因为山下的岩石更加温暖而且没那么坚硬。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

数星星

当系外行星围绕着它们的恒星运行时，只有当行星绕行到恒星前面使恒星的光变得暗淡时，人们才能从地球上观测到这些系外行星。天文学家有没有计算过多大比例的行星系符合这个标准？如果有的话，是怎么测的呢？

——来自英国德文郡埃克塞特的保罗·利

目前只有很少系外行星被我们直接观测到。其他星体的存在通常需要通过观察其主恒星来推断。当一颗行星绕行到其主恒星前时，从地球上看，这颗恒星会稍微变暗。通过被称为“凌日法”的技术测量恒星降低的亮度可以获得大量信息，例如行星的轨道周期及其相对于主恒星的大小。也可以研究其大气层，从而推断是否有外星人居住。

以这种方式观测系外行星，需要保证行星、其围绕的恒星和地球落在同一平面上。而能够检测到这种对准时刻的概率取决于恒星的大小和行星运行轨道的直径。

如果这颗行星围绕着太阳大小的恒星运行，并且与这颗恒星的距离和我们与太阳的距离一样，那么，我们能够通过“凌日法”探测到它的概率是1/200。

然而，还有许多其他技术可以用于寻找太阳系外行星。其中最成功的要数径向速度观测法。行星在绕轨道运动时会拖拽恒星，我们可以观测到恒星在一个小半径的圆内移动。当它朝地球移动时，发出的光会发生蓝移，远离地球时则发生红移，这种现象可以使用多普勒光谱仪进行探测。在本文撰写之际，人们已经发现了近2000个系外行星，其中有90%是通过上述两种方法发现的。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

来自月亮的升力

潮汐会受月球引力的影响，那么你的体重是否会随你的位置不同而变化呢？

——普里亚-卢安·麦克尼，通过电子邮件

当然会。宇宙中任何物体的重量都是其自身与宇宙中其他物体之间的引力的总和。这使得各种测量变得非常复杂。例如，在18世纪，法国天文学家尼古拉·路易·德·拉卡耶来到南非，对地球南半球的形状进行了精密的测量，最后得出结论：南半球是平的。当时他并没有意识到他应该在广阔的平原上进行这些测量。他的各种数据被桌山和皮凯特贝赫山脉的引力严重扭曲，过了很长一段时间，才有人修正了他计算出的形状。

随着月亮从我们头顶爬到西面，然后下降，再爬到东面，我们会变轻，并向一边倾斜，接着变重，并向另一边倾斜。然而，月亮离我们如此遥远，摆动丝线上的一根针对我们体重的影响都远比月亮的影响要大。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

长波

如果一条水位与海平面持平的运河从东到西穿过亚洲，月球是否会对水位产生潮汐效应，同时伴随着每天的涌潮呢？

——来自澳大利亚昆士兰州佛尼丘陵的林德尔·史密斯

地球上的潮汐现象在月球引力以及较弱的太阳引力的共同作用下产生。即使浴缸里的水也会随着月球经过我们头顶而发生运动，尽管量级微不足道。运河的水也是如此。但潮差——涨潮和退潮时的水位差异——只有在像海洋这样大的水体中才能清晰地显现出来，而且只有在水面与陆地相遇的时候才会被注意到。

涌潮发生在一些河流中，在流向大海的湖泊中较为罕见，但也可以看到，比如著名的挪威峡湾或苏格兰的一些海湾。涌潮的形成需要显著的潮差，通常超过6米。进入宽阔的海湾时，涌入的潮水流向河流或湖泊的狭窄开口处，水激荡堆积，形成在河上滚动的波浪。涌潮可以细分为水跃型和波型，前者会使水位突然发生变化。英国的塞文潮就属于波型涌潮，其特征是波前 ⁽¹⁾ 后面跟着一系列孤波，即孤立波。

1834年，约翰·斯科特·罗素首次提出了孤波的概念，当时他正在苏格兰勘察联合运河的河道。一艘马拉的窄船突然停下来，船底推开的水波以每小时13公里的速度向前继续传播了几公里。然而，即使没有船闸，由于涌潮与运河底部和四周产生摩擦，在沿着宽阔的欧亚运河运行时，其能量也会逐渐消失。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

带我飞向月球

是否有可能让国际空间站脱离目前的轨道，降落到月球上？

——来自新西兰克赖斯特彻奇的戴维·安德森

理论上说，这是可行的，但实际上没法实现。物体从地球低轨道移动到月球轨道，速度需要每秒增加约3.2公里。当空间站接近月球时，它相对于月球的行进速度将大于每秒2公里，必须将这个速度减到零才可能实现软着陆。这种加速和减速所需的常规燃料的数量将超过国际空间站本身的质量，而且这些燃料必须从地球或宇宙中获取。

但令这个计划实际上无法实现的是，你必须让整个国际空间站软着陆。月球上的重力远小于地球，但仍然需要在空间站四周安装火箭，并且保证所有火箭同时点燃。即使国际空间站有可能毫发无损地登陆月球，其设计也使它在低重力下未必能正面朝上“坐”在月球表面。

——来自法国莱塞萨尔勒鲁瓦的埃里克·克瓦朗

黑洞数

当一个黑洞被另一个黑洞吞噬时会发生什么？

——来自英国伦敦的杰米·马隆

这并不像你想象的那么激动人心。两个黑洞合为一体将创造出一个质量等于这两个黑洞之和的新黑洞。黑洞的表面积与其质量有关，所以合并后表面积会按比例增加。因为黑洞周围通常伴随着吸积盘，在围绕黑洞旋转的过程中，吸积盘向内旋转的速度越来越快，我们可以假定，在两个黑洞相遇之前，两个吸积盘将彼此碰撞，最终形成一个更大的吸积盘。但是，当两个非常热的吸积盘相互碰撞时，辐射将会增加，直到新系统稳定下来。

——来自波兰华沙的约翰·安德森

当两个黑洞相互接近时，它们通常会沿着具有共同焦点的双曲线轨道运行，所以最终会朝不同的方向飞驰而去。如果周围存在恒星，情况会变得更加复杂，黑洞可能会在抛离一些恒星之后围绕彼此运动。这样的轨道运动将永远持续下去，除非附近还有更多的恒星可以被抛离，消耗掉部分能量，使得黑洞可以逐渐相互靠近。一个黑洞也可能直接朝另一个黑洞前进，这样它就会撞到另一个黑洞的视界上。在这种情况下，观察者会看到两个黑洞越来越近（假设它们是可见的），但永远不会看到它们合并。相反，它们会放慢速度，变得更暗，它们发出的光变得更红。这是因为它们的时间慢了下来，以至于我们可能永远都看不到它们侵入彼此的视界，即使这一现象最终会在某个时刻发生。

——来自法国莱塞萨尔勒鲁瓦的埃里克·克瓦朗

旋转的银河系

银河系的旋臂是否是引力波存在的证据？如果不是，那是什么创造了这些旋臂呢？

——来自英国柴郡波因顿的史蒂夫·迈阿尔

旋臂并非引力波存在的证据。根据密度波理论，旋臂区域内气体和恒星的密度要高得多，物质移动的速度比旋臂间区域慢。这个理论解释了旋臂的成因，而一旦产生，它们将自行维持。

靠近旋臂的物质因旋臂区域内的额外质量而加速，然后在穿入旋臂区域时减慢速度。这导致了恒星的大量诞生。与太阳（数十亿年）相比，这些巨大而明亮的恒星寿命（数百万年）相对较短。

这类恒星还没来得及离开旋臂便在超新星爆发中毁灭。只有像太阳这样低质量的恒星，才能离开旋臂并绕着其星系的中心运行，直至最终回到它诞生的地方。

——来自英国康沃尔郡博德明的克里斯·布林德尔

(1) 　波阵面最前方的曲面。波阵面指某一时刻波动所达到的各点连成的曲面。

CHAPTER
03
身边的小秘密

我的旧瓷杯

我的陶瓷杯上出现了一条笔直的裂纹。当我用它喝冷饮时，它不会漏水，但是喝热饮时却会漏水。我想这应该与陶瓷遇热膨胀的特性有关，但除了裂缝处，别处肯定也会膨胀。那么这究竟是怎么发生的呢？

——来自英国萨里郡班斯特德的玛丽昂·曼德斯

如果是夹在两个表面之间的平坦壁面上出现了裂缝，那么加热壁面将导致裂纹扩展。然而，陶瓷杯的壁面裂纹可以朝各个方向随意扩展。因此，尽管壁面可能沿切线方向扩展，它们也可能呈放射状向外扩展。

假设受热和膨胀是均匀的，则所有长度的相对比例保持不变。物体的形状——包括任何裂纹在内——保持不变，只是相应地放大而已。这种放大意味着裂缝现在变得更大了，液体就会更容易泄漏。

在高温下，水具有较低的黏滞性，因此更容易渗出裂缝。同时，水也具有较低的表面张力，这意味着它可以轻易润湿表面。这些因素都有助于液体流出。

——来自澳大利亚新南威尔士州的西蒙·伊弗森

如果杯子的温度缓慢上升，整个杯子的体积会随之变大，但比例不变。这会使现有的裂缝也略微变大。但是，也许用杯子内部快速受热时发生的“胀差”现象可以更好地对此做出解释。

如果从凹面加热，弯曲的壁面将会被慢慢拉直。这是由内表面先膨胀引起的。所以破裂的杯子的杯壁会尽力扩展，裂缝也随之变大。当然，杯子的底座限制了这种效果——尤其是底座相对较厚，升温较慢。然而，裂缝依然存在，它的顶部将会变宽，基本上呈窄V形。

——来自英国坎布里亚郡肯德尔的马丁·威尔逊

陶片焊接

我在红糖里放了一块潮湿的赤陶，以保持红糖的松脆。为什么同样的做法却使冰糖变得像砖块那么坚硬？

——来自澳大利亚首都辖区弗洛里的凯丽·格拉夫

红糖是结晶糖和10%糖蜜的混合物，糖蜜是在炼糖过程中生成的一种棕色糖浆。由于糖浆的吸湿性（吸水性），软红糖会有微潮现象。如果里面的水分蒸发，糖就会变硬。为了防止这种情况出现，你可以放一块潮湿的赤陶、一片面包或几块棉花糖来补充水分。

冰糖是另一种完全不同的物质。它是一种细磨糖，由于颗粒小，一旦受潮就很容易发生结块。这种高度精制的颗粒状的糖含水量约为0.05%，并且含有抗结块剂，例如磷酸钙，以吸收水分，防止结块。你放的潮湿的赤陶使得抗结块剂失效，所以冰糖颗粒结成了一块。

有经验的面包师都知道，蛋糕和饼干的成功烘焙在于每一步都使用正确的糖。这就是饼干松脆的秘诀。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

沸腾

我用微波炉重新加热一杯速溶咖啡，但是加热时间太久了，当我拿出来时，它在沸腾。我兑了一点冷水，它居然又沸腾起来。当我轻轻地倒入自来水时，咖啡表面出现了大量气泡。这是怎么发生的呢？

——来自英国兰开斯特的约翰·戴维斯

这可能并不是咖啡在沸腾，而是溶解于其中的空气在逸出。接一锅自来水，放在炉上开始加热。很快，水面上就会形成微小的气泡，即使水还很凉。你可以用手指来测试（需谨慎）。自来水中溶解的氧常常接近饱和。大多数气体在水中的溶解度随着温度的升高而降低，水被加热时溶解的空气便会逸出。

气泡随着温度的升高而膨胀，并从锅壁近旁逃离，快速上升到水面，继而破裂。这与咖啡奇迹般地重新沸腾起来有什么关系呢？当冷的自来水加入杯中时，水中溶解的空气会在受热时从溶液中急速排出。结果就是，这些泡沫迅速膨胀和爆裂。视觉上很难区分气泡的形成、膨胀和爆裂与水蒸气之间的差别，它们看起来都是气泡，但只有后者才算沸腾。

——来自英国白金汉郡阿姆斯罕姆的彼得·博罗斯

沸腾有赖于加热液体中蒸发的气泡。该过程得益于成核位置，例如表面上的尖角、悬浮颗粒和既有的小气泡，所有这些都有助于新气泡的形成和膨胀。如果气泡内的压力小于液体表面的压力，则气泡会塌陷。这就是水沸腾之前，水壶会“唱歌”的原因。

一旦液体达到沸点，气泡内部的压力就足以使气泡持续上升至液体表面，从而将液体分子运送到空气中。这时，事情开始变得不那么简单。实际上，防止气泡塌陷所需的压力略高于液体表面的压力。令人惊讶的是，过量的压力与气泡的半径成反比。也就是说，气泡越小，所需的压力越大，而且，因为压力随着温度升高而变大，气泡就需要越高的温度来维持。这有助于理解在液体中不存在气泡或尖锐边缘的情况下，为什么液体可以被加热到高于沸点而不沸腾。

这样的液体被称为过热液体。微波炉加热咖啡不均匀。因此，尽管从微波炉中取出时，咖啡在沸腾，但是在现有气泡逸出之后，部分咖啡可能仍保持着过热的状态。的确，咖啡的平均温度可能高于沸点。加到杯子中的冷水会快速升温并释放出小气泡（空气在温水中的溶解度比在冷水中小）。这些气泡通过在过热区域形成新的气泡，使咖啡再次沸腾。

现在，咖啡可能会剧烈沸腾，这是很危险的，因为热液体可能会溅射和起泡。这就是为什么微波炉通常都有警告标识，经过微波炉加热之后，食物应静置一分钟左右才能移动或搅拌。

——来自英国柴郡奇德尔休姆的艾伦·古德温

盖上锅盖

我知道高压强可以帮助我们更快地煮熟蔬菜，盖紧锅盖时，效果显著。但是，我不明白为什么当锅盖半掩着留下一两厘米缝隙时，压力仍然会增加。在我看来，空气和蒸汽可以轻易地通过这个空隙，自由流通，然而半掩着的锅中的液体似乎沸腾得更快。为什么？

——来自爱尔兰都柏林的彼得·奥里甘

半掩着的锅盖破坏了沸水失去热量的关键机制——蒸发和对流。盖严实的锅盖则阻止了较冷的新鲜空气进入加热的液体，从而减少了对流。

蒸汽也是同样的原理。蒸汽几乎会立即在锅盖下冷凝，从而带走大部分热量，然后又返回锅内的液体中。然而，这个答案并不完整，因为有一句古老的谚语揭示了锅的量子特征：如果我们一直盯着，它将永远不会沸腾。

——尼尔·巴里，通过电子邮件

我一直认为，半掩着锅盖的锅中的水快速沸腾是热量滞留的结果，而非压强增大所致。

没有盖紧的锅盖留下的小缝意味着较少的热损失，因此部分封闭的系统中的热量会慢慢增加。这可能产生稳定的但比不盖锅盖时更活跃的沸腾液体。另一种说法是“太多”的热量被保留下来，炽热的液体受热过度，这将导致迅速且灾难性的损失：可怕的沸溢。

——来自英国约克郡的克莱夫·蒂内伊

盖上锅盖水沸得更快，但这不是因为压强增大。盖上锅盖导致蒸汽在锅盖内表面冷凝并将热量带回锅中。盖子完全盖上是最有效的，但半掩着锅盖也会起作用。逸出的蒸汽越多，损失的热量就越多。

——来自澳大利亚悉尼大学的盖伊·考克斯

美味的米饭？

经常听到这样的说法，吃二次加热的米饭不安全。为什么会这样？将米煮沸可以杀死生米中的任何东西。然后，你非常快速地把米饭冻上，这时它几乎可以说是无菌的，在需要时可以重新加热。我已经这样做了很多年，并没发现有什么不良后果。我在拿生命做赌注吗？

——来自英国阿伯丁的埃伦·芬南

蜡样芽孢杆菌是引起二次加热米饭中毒最常见的致病菌。该菌常见于土壤中，芽孢能耐受高温水煮，在米饭冷却时萌发。好在它几乎不会侵入你的器官，但它产生的大米毒素可能会在数小时内引发恶心和腹泻。正常人通过上厕所和补充水分，一般在一两天内得以恢复。然而，急性症状和危险的食物中毒症状很难区分。有些蜡样芽孢杆菌的菌株本身也可能很危险。如果有必要，不要拒绝看医生。

这些后果都可以避免。为了防止出现问题，煮完饭就该趁热吃。如果非要剩一些，你可以将米饭的温度保持在60℃或更高，或尽快将其冷却至冰箱温度（约4℃或更低），以防止细菌繁殖，这意味着你得趁着米饭热气腾腾的时候就放进冰箱或冰柜里。这种热度和快速冷却虽然无法杀死孢子，但会抑制它们发芽和产生毒素。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

变灰的鸡蛋

每次我做炒鸡蛋的时候，鸡蛋就会变灰。这是为什么呢？

——来自英国剑桥郡哈特福德的莱斯·穆尔

如果你还记得化学老师加热铁屑和硫黄粉来生成硫化铁时，空气中弥漫着鸡蛋味的硫化氢，那么你早就见识过灰色鸡蛋背后的化学反应。蛋黄中的铁与蛋清中的硫结合形成了灰色的硫化铁，在鸡蛋煮得过久时尤其会这样。如果你把一个煮熟了的鸡蛋切成两半，你会在蛋黄和蛋清的接触面上看到一些灰绿色的硫化铁。这种颜色是由灰色的硫化物和蛋黄混合造成的。

为了避免鸡蛋变灰，烹饪的时间不要太长。如果你坚持要吃全熟的鸡蛋，可以加一点黄色的食物为早餐增色。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

嘶嘶声

在放下一整瓶啤酒之后，我必须等多长时间拿给客人才能保证安全，如果系统处于平衡状态，其内部压力是如何建立起来的呢？

——来自澳大利亚维多利亚州哈顿的罗伯特·沃尔普

啤酒瓶中的压力在静置前后保持不变。变化的是分布在整个啤酒瓶中的微小气泡的数量。瓶子掉落或晃动会产生气泡。当瓶子打开时，这些气泡担任了成核点的角色，溶解于其中的二氧化碳会一涌而出，同时带出大量啤酒。这种浪费很可怕：不仅浪费了好啤酒，同时剩下的啤酒也没气了。题主认为，如果在打开瓶子之前静置一会儿，这种现象就不会发生。等待的时间取决于这些因素：气泡的大小、它们处于液体中的深度以及啤酒的黏度。安全起见，你必须等待足够长的时间，直到最后一个小气泡上升到表面并爆破，然后再开启瓶盖。根据我的经验，约十分钟就够了。然而，十分钟的等待对想喝啤酒的人来说未免太久了，所以你最好将这瓶酒放在冰箱里侧，然后小心翼翼地拿出另一瓶。

——来自加拿大魁北克的安德鲁·卡拉瑟斯

疯狂的泡泡

我有一个手持式起泡器，在做咖啡时用。我可以把刚从冰箱取出的牛奶发泡到原来的两倍大，但加热的牛奶几乎不会发泡。为什么会这样？

——来自加拿大新斯科舍省哈利法克斯的马克·阿尔贝斯塔

奶泡的产生在很大程度上取决于酪蛋白，它可以稳定牛奶中的气泡。这种蛋白质会形成一种叫作胶粒的颗粒，这些颗粒的结构越稳固，泡沫的体积越大，持久性越强。

牛奶还含有许多不同种类的脂肪，这些脂肪以长脂肪酸链与甘油主键连接的形式存在。加热会增加脂肪酶的活性，从而促进脂解作用，即脂肪分解成脂肪酸和甘油的过程。甘油和游离脂肪酸会削弱酪蛋白的结构，使得气泡更容易破裂。

如果是刚从冰箱中取出的牛奶，它的脂肪基本上是完整的，所以酪蛋白能够稳定泡沫。牛奶的新鲜度也对起泡有影响，因为牛奶放置的时间越长，就有越多脂肪被分解。为了打出好的奶泡，你可以使用脂肪含量低的牛奶，如脱脂牛奶，从而更少地产生会削弱酪蛋白的脂肪分解产物。这应该有助于制造出充盈的泡沫，但是口感可能会差一些。

——来自英国赫特福德郡的萨姆·巴克顿

皮革和铁

在孩提时代，我曾见过祖父用皮带磨他那把锋利的剃须刀。这是什么原因？

——来自英国伯克郡温莎的菲尔·韦尔斯

在皮带上来来回回磨刀片是为了去除刀片上的锈斑，这并不会磨掉金属材料。相比之下，在磨石上磨刀会磨去那些不整齐的部分。皮革通常用诸如珠宝商的红铁粉或绿色的三氧化二铬这种复合磨料浸泡过。要想避免皮带上出现切口，同时又要将刃口磨得非常锋利，正确的做法是：剃刀必须放平，并且沿着皮带中心移动。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

马桶

当外面起风时，我家抽水马桶里的水会动。这是为什么？

——来自英国艾尔郡基尔马诺克的托尼·桑迪

这种现象背后是全国的排水管道系统。抽水马桶与地底的下水道连接，但同时也与大气相连通。设置这种通风管的目的是给污水管道通风，污水管道将马桶冲下来的水和废物带到下水道。你家的马桶有一个U形管道，用来存储少量水以形成水封，防止污水管中的有害气体窜入浴室。冲厕所时，冲向管道的水会产生负压，水封本来会被从U形管道中带出去。而排气管因连通外界，能够吸入一些外部的空气来防止这种情况发生。

通风管的出口需要安装在远离窗户的地方，因为它直接与污水管相连，会有气体逸出。这就是为什么大多数通风管安装在屋顶。当风吹过通风管的末端时，会发生伯努利效应，在管道中产生吸力，将水从U形管中吸出。如果有风，马桶里的水就会上下晃动。

——来自英国白金汉郡艾尔斯伯里的马尔科姆·尼克尔斯

恐怖的蜡

六个月前，我把一盏杯烛装在一个透明的塑料盒子里，并把它放在窗台上。现在，它看起来很奇怪，蜡中长出了苍白的“根”。这是怎么发生的？

——罗斯·豪伊，通过电子邮件

我想这个图案是由石蜡分子结晶形成的，可能是由于窗台的温度升高引起的。石蜡会随温度升高而融化，随温度下降而结晶。这个过程被称为热循环再结晶，通常出现在糖、盐等的工业制备过程中。它还被用于生物蛋白质结晶，以便对蛋白质的分子结构进行X射线衍射分析。

线索就在于生长出来的“根”缺乏颜色。由于烛蜡中的染料分子与石蜡分子具有不同的形状和尺寸，因此，当晶体生长和收缩时，石蜡分子会取代染料分子。如果仔细观察，你可能会在晶体周围看到一圈色晕，这是排出的染料聚集后形成的。最终，石蜡分子将结合在一起形成大块的纯石蜡。

——来自加拿大安大略省多伦多的比尔·杰克逊

液体中的黄金

我最近在超市里看到了伏特加，里面有真正的金叶片。吸引我的是金片分散在整个瓶子里。黄金的密度比酒精大，它们为什么不会沉入瓶底呢？

——安德鲁·梅纳杜，通过电子邮件

静置足够长的时间，金片就会沉到瓶子底部。它们保持相对均匀的分布的原因是，它们细小且轻盈，可以保持漂浮的状态。金的可塑性很强，这意味着它可以很容易地被加工成厚度为千分之一毫米的薄片。

瓶子时不时地被挪动，或者人们走过引起地板振动，抑或是液体中的温度变化产生的热对流都足以影响金片，使它们漂浮不定。这也适用于空气中的灰尘、烟尘和烟雾颗粒。

——来自英国萨里郡坎伯利的伊恩·戈登

斯米诺的金肉桂味利口酒就会展现出这种现象。如果把这瓶酒顺时针轻轻旋转约45°，那么金片也会顺时针运动，然后在酒瓶停止转动时逆时针“反弹”。搅拌汤的时候，你常常会看到类似的反弹现象。这不是牛顿流体会有的表现，所以瓶子中可能包含通常成分以外的东西——也许有一些胶凝剂。

瓶子里的凝胶状运动让人联想到一种较弱的宾汉流体，在低应力下，它表现出刚性，直到作用其上的剪应力达到某个特定值时，它才会表现出黏性液体的状态（例如，蛋黄酱）。

这可以通过摇动瓶子和观察气泡的运动来确认：当它们上升时，你可以清楚地看到它们穿过隐形的固体基质，甚至还有一些气泡被困在其中。

——来自英国北约克郡哈罗盖特的特里·柯林斯

洗出裂痕

我发现用洗碗机刷碗时，玻璃底部会产生裂纹。为什么会这样？

——来自英国东艾尔郡基尔马诺克的托尼·桑迪

小时候我帮妈妈洗碗时，她会告诉我，不要用冷水冲洗热玻璃，它们可能会破裂。后来我了解到，玻璃的延展性差，不同厚度的材料收缩速度不同，从而导致破裂。

像许多物质一样，玻璃会随温度的变化膨胀或收缩。厚度不均匀的玻璃杯更容易因热冲击而破裂，因为薄的部分比厚的部分升温或冷却更快，从而膨胀或收缩得更快。洗碗机的工作温度（70～75℃）比手洗的温度（40～45℃）更高。当洗碗机里的热水碰到冷的厚底玻璃时，会引起不同程度的膨胀，继而产生裂纹。

有些人用热水给汽车挡风玻璃除霜。由于同样的原因，他们可能会发现这是一个令人“炸裂”的经历。较旧的挡风玻璃更容易破裂，因为碎屑和划痕为裂缝提供了成核位点。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

卷曲

我一直在为修改考卷做笔记，我发现笔记纸顶上的角会首先向内卷，接着是底部的角。这是为什么？我用的是黑色圆珠笔和白色A4打印纸。

——古尔林·考尔，通过电子邮件

我猜你的字肯定写得相当小，间距也很小，并且你比正常写字时更用力。这会压紧纸张的纤维并使其向旁边扩张，从而有效地将笔下的纸张拉伸开来。因为你没在纸张的顶部、底部和边缘写字，这些部分不受影响，因此卷了起来。

与这种效果类似但成因不同的一个例子是光照下的三明治。大多数人会注意到，光照下的三明治的边角很快开始卷曲，变得不好吃。这是由面包表面变干和收缩引起的。

由压力引起的拉伸效应被制造商用于生产汽车和飞机的弯曲面板。一种名为“英国轮”的机器正是为此目的而诞生的。它包含一个坚固的G形框架，可以支撑大的平面轮。下面有一个小轮子，边缘弯曲。金属片在两个轮子之间前后移动。熟练的操作者可以生产出相当复杂的形状。有许多在线视频展示了机器如何运作。在“英国轮”发明前，人们用锤子实现金属的拉伸。

——来自英国萨里郡戈德尔明的鲍勃·哈拉汉

钢丝球

我生活在硬水区，经常用不锈钢钢丝球来清洁水壶。钢丝球去除了杂质，否则它们会在水壶内形成水垢。钢丝球是如何产生作用的呢？

——来自英国西约克郡奥特利的克里特萨斯

如果想除去某些东西，你可以使用化学、物理或生物试剂，或者提供一种它偏爱的环境。一些园丁种植旱金莲来吸引蚜虫，从而保护他们珍贵的植物，而不是使用农药。然后，可以通过物理手法将蚜虫从旱金莲上去除，否则，植物感染最严重的部位可能会枯萎。

类似地，水垢优先沉积在钢丝球上，因为钢丝球具有比水壶更多的成核位点，比如微小划痕，为水垢（主要是碳酸钙）的结晶提供了生长点。钢丝球无法捕获沉积的所有水垢，但可以定期将其浸泡在醋中以溶解积聚物，然后重新使用。别用五金店买的廉价钢丝绒。它易受腐蚀，产生的锈会使煮出来的茶和咖啡的颜色变深。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

晾硬的衣服

我们一直把洗完的衣服挂在后花园的晾衣绳上晾干，而不用电动滚筒式烘干机，为保护我们的地球尽微薄之力。如浴巾和袜子这些较厚的材质晾干后，会变得又硬又粗糙，而用滚筒烘干机烘干后却变得柔软蓬松。为什么会这样？

——来自爱尔兰恩尼斯科西的罗南·蒂尔尼

在滚筒式烘干机中，较重的织物发生了“颤动”。这是干燥器施加的离心力以及纤维间的毛细吸力共同作用的结果。自然风干时，如果织物在硬水中洗涤过，其含有的矿物质将沉淀出来，这会促使纤维黏合在一起。

为了防止这一点，你必须模拟烘干机在烘干衣物之前分离纤维的动作。海獭是这个领域真正的专家（虽然它们不必用到甩干机或烘干机）。看看它们梳理自己和幼崽皮毛的视频可能会很有助益，至少很有趣，娱乐的同时也许会让你“顿悟”。

作为一个可以随时在户外晾干衣物的单身汉，我无法为烘干机代言。将每块毛巾挂出去晾干之前，我都会用力甩一甩。浴垫太重，但你可以把上面的短绒毛抖松。我感觉这很管用。

——来自英国伯克郡梅登黑德的迈克·库恩

质量太好

我家那张花园桌和四把椅子自买来已有十五年了，一直被放在户外，任凭风吹雨打，但它们现在看起来还和刚买来时一样新。我想知道它们是用什么做的，上面涂了什么油漆。

它们是金属材质，比较轻巧。只有几处油漆剥落的地方露出金属的颜色，是一种闪亮的银色，没有生锈。油漆本身是浅蓝色，不会剥落。只有狠狠敲击才有可能损坏漆面，然后露出一点金属。这套桌椅质量真棒，真希望我能想起是在哪里买的。

——来自英国牛津的戴安娜·史密斯

题主的花园家具很可能是铝制品，这是一种耐腐蚀的低密度金属。铁生锈时，产生的氧化铁会脱落，暴露在外的铁继续发生氧化。除非以某种恰当的方式保存，否则铁制品最终将被完全锈蚀，变得非常脆弱。这就是为什么英国交通运输部将锈蚀检查作为机动车辆道路适应性测试的一部分。相反，当铝的表面发生氧化时，产生的氧化物不会剥落，而会形成钝化保护层——锈被刮掉时闪光的金属会露出来。

铝制品需要先刷一层底漆，这样涂料才能黏附其上。坚韧的聚酯粉末涂料可能已被广泛应用，但如果要在室外使用，乳胶漆是目前最理想的选择，因为它良好的耐候性能适应户外家具必须经受的巨大温差。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

你的家具可能是铝制品，这种轻质金属暴露在空气中会形成氧化铝保护层。由于这种氧化物不透气、不透水，并且不会剥落，防止了进一步的腐蚀。

这层氧化物可以通过阳极氧化来加强。实际上，铝化物作为电解池中的阳极，氧与其发生反应可以使氧化层进一步增厚。氧化层的另一个优点是可以染色，因此色彩便成了家具表面结构必然的组成元素。你的花园家具可能就是这种情况。通过这种方式，铝制品表面可以被涂上各种迷人的色彩，以抵御天气的变化和孩子的破坏。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

测量的奥秘

为什么一些英制卷尺在16英寸、32英寸和48英寸的地方有明显的标记？

——来自英国布里斯托尔的约翰·贾维斯

间隔16英寸的标记是用来测量托梁和壁骨的标准间距的。托梁是支撑木地板的水平木梁，而壁骨则是为蒙着石膏板或类似板材的中空非承重墙搭建框架结构的木条。这样的间隔标记为木匠省去了计算16的倍数的麻烦。

在这个问题的启发下，我量了我家的维多利亚式房屋地板上的托梁间距，大约是18英寸。这或许是因为维多利亚时代的人买得起需要较少支撑力的厚地板。有趣的是，我有一把公制卷尺，上面41厘米（相当于16英寸）处没有任何标记。

——来自英国利物浦的戴维·杰克逊

CHAPTER
04
人体

心心相印

为什么动物要有器官？对我们来说，拥有一千颗分布在身体各处的小心脏难道不比一颗大心脏更加高效和强劲吗？

——来自英国威尔特郡福克斯汉姆的阿德里安·鲍耶

昆虫和其他小生物没有心脏，它们拥有背血管，通过分段收缩让血淋巴在全身循环。然而，这种液体并不携带氧气，因为借助周围空气的渗透便可实现呼吸所需要的气体交换。像我们这些大型生物需要密集排列的表皮组织（例如鱼类的鳃或其他动物的肺）来完成气体交换，需要血管网络来运输气体，以及一台泵来输送血液。

心脏可以被视作一台完美进化的高压泵，就功率重量比而言，它可能胜过分布式系统。然而，这种结构确实会引起血液和血管壁之间的摩擦。因此，闭合循环系统中的血压随着体重增加而增加。较高的动物必须克服重力将血液输送到高处。

拥有更多心脏的想法不错，但为了正常运转，每一颗小心脏都需要将瓣膜打开，哪怕它出了问题，血液仍然可以被输送过去。为了最大限度提高效率，当入口处的压力达到最大时，每个心脏都必须跳动，这远比管理一颗心脏复杂。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

夜间视觉

如果我在黑暗的房间里闭上眼睛，我会开始感受到光亮。它们以两种形式出现：第一种犹如夜空中的星星，过一段时间，不规则的蓝色或紫色斑块会形成环，它们逐渐变小，直到消失，并被另一种图案替代。随着时间的推移，图案变得越来越复杂。当我睁开眼睛时，亮光便消失了，只剩房间里微弱的光线。这种经历是否普遍，我们该如何解释？

——来自澳大利亚维多利亚州萨里山的克里斯·吉尔菲兰

这种现象被称为光幻视。出现这种现象是因为我们的视觉系统从不关闭。即使在没有光子的情况下，当我们的眼睛闭合或在我们睡着时，视觉系统中的神经元也在不停地工作。“看到星星”也可能是头部遭受打击或其他机械刺激造成的，比如疲劳时揉搓闭上的双眼。

艾萨克·牛顿冒着失明的危险对自己的视力做了进一步调查。他的笔记本记录了他在眼球和眼窝中间戳了一根粗针使眼球变形，并记录下了他观察到的图案。当我们起身太快或者吸食如麦角酸二乙基酰胺或赛洛西宾这样的迷幻药物时，血压骤降也会导致眼前出现这种图案。

也许我们应该反过来考虑这个问题。当我们闭上眼睛时，为什么应该是漆黑一片？毕竟，当我们睁开眼睛时，眼睛的红外辐射（热量）大约是透过我们瞳孔的可见光能量的100万倍。事实证明，闭上眼时红外光子缺乏足够的电磁能，无法在视网膜上被探测到。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

阿嚏……

为什么我们在睡觉时不打喷嚏？

——来自英国艾尔郡基尔马诺克的托尼·桑迪

这个问题具有引导性，“我们”意味着我们所有人。如果我感冒了，我经常会在睡觉时打喷嚏。这会把我妻子吵醒，然后她会叫醒我，告诉我打喷嚏影响了她的睡眠。

假如我独自睡觉，我就不会醒来。指明这一点的意义在于，夫妻一起睡觉，才知道对方是否会打喷嚏。于是这就成了一个博士课题。

——来自英国坎布里亚郡弗卢克堡的罗恩·珀塞尔

打喷嚏是反射反应——一种对内部或外部刺激的不自觉反应。在快速眼动睡眠期间，由于肌张力缺乏，运动信息无法从大脑传到肌肉，因此身体处于部分麻痹的状态，反射反应也随之关闭。这是为了防止睡眠者把梦中的场景表现出来，伤害自身或床伴。既然反射信号不起作用，睡觉时也就不会打喷嚏。如果非打喷嚏不可，快速眼动睡眠期间的肌肉迟缓会结束，你会在打喷嚏之前醒来。有过这样的案例：人在快速眼动睡眠期间出现睡眠行为障碍，将梦中场景演示出来，最后因伤害伴侣而被送交法庭。大概这些人会在睡眠中打喷嚏。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

哐啷，砰，嚓……

为什么大音量的噪声让人痛苦？这些声音并没有造成身体上的损害，却引起精神上的痛苦。我曾经听到卡车上装着一堆空玻璃瓶发出的声音，那种噪声太让人难受了。我不得不赶快离开。

——来自英国兰开斯特的艾伦·瓦特

卡车上玻璃瓶发出的噪声让你感到不适主要有两个原因：音量和杂乱的频率。人耳使用耳蜗中微小的毛细胞检测声音。声波引起这些细胞的机械变形，并通过听觉神经向大脑发送电信号。不同的毛细胞处理不同频率的声音，耳蜗螺旋一端的毛细胞探测低音，另一端则探测高音。高音会在细胞信号传导过程中消耗化学能量，破坏精细的听觉系统，引起机械损伤。

我们善于发现刺耳的、令人痛苦的噪声，进而设法避开这些声音。人们还发现相近的音符会令人感觉不适——钢琴上相邻的两个琴键发出的声音很不协调，而间隔较远的琴键却能奏出悦耳的琴声。

这可能是因为相近的频率意味着每个音调激活的毛细胞组会有重叠，这会过分刺激那些可以同时接收两种音频信号的毛细胞。卡车上的玻璃瓶相互碰撞，会同时产生许多不和谐的音调。玻璃破碎时发出的高音会使这种情况变得更糟。因为音调越高，相邻音调之间的差异越小，更多的毛细胞被同一个音调激活。因此，在较高的频率下，我们更可能感觉不适。

——来自英国伦敦的米利娅姆·阿什维尔

这里的问题不是损害耳朵，而是听觉过敏——对某一类型的声音过度敏感。有些人可能在宿醉期间有过这样的经历，甚至微小的噪声都让他觉得刺耳。听觉过敏可以自行发生或和别的疾病一起出现。作为一名医生，我经常在偏头痛患者中见到这种症状。话虽如此，题主可能不是真正的听觉过敏。他的描述听起来更像是厌恶这种特定的声音。现在我的孩子们正在慢慢长大，他们的哭泣声让我心烦意乱，忍不住想逃离。

——来自英国爱丁堡的罗伯特·尤因

事有轻重缓急

为什么我们更关心恢复视觉和听觉，而对味觉、嗅觉和触觉的恢复较少关注？

——来自英国伦敦的弗雷德·阿普尔比

我们最关心的自然是对我们生存至关重要的感官。可以说，视觉是最有用的感官。它使我们可以在环境中快速移动，同时避免了被低悬的树枝挂到或掉落悬崖的危险。此外，它也使我们能够发现找到食物的困难和机会，并对我们避开掠食者有极大的帮助。

虽然盲人可以通过和正常人一起学习来弥补视力缺陷，但如果所有人都突然失明了，那么我们的现代运输系统将会崩溃，我们的文明也将不复存在——正如约翰·温德姆的科幻小说《三尖树时代》里描述的那样。

听觉也非常有用。它促进了团队合作和知识交流，这些对我们的生存也很重要。聋哑人很容易被社会孤立。当然，手语和文字也可以用来沟通，但是这些只有在接收者看到的时候才能奏效。相反，我们可以听见来自任何方向的警告声，并做出回应。

与失明不同，如果全世界的人一夜之间都变成聋哑人，可以想象文明依旧存在，只不过电台或音乐行业将消亡。

触觉、味觉和嗅觉对日常生活来说就显得没那么重要。显然，味道和气味可以警告我们哪些食物不能吃，但是人体的这些感官发育并不完善——偶尔，我会因不小心吃了坏掉的食物而生病。同样，如果一个人失去了触觉，那么像按下按钮和打鸡蛋这样的精细动作就会变得困难，但并非不可能达成，只要我们看得见。

应该指出的是，失去味觉和嗅觉，就会失去大快朵颐的乐趣。有很多研究表明，从长远来看，失去这两种官感的人患抑郁症的概率更高。

失去触觉，无法感知碰撞、烧伤和划伤，这会导致严重的皮肤感染，就像麻风病人那样。

——来自澳大利亚新南威尔士州卡拉汉的西蒙·艾夫森

鞋带松了

有时，我会发现我的一只鞋的鞋带松了，而另一只没松。当我系上松了的那根鞋带时，另一只鞋子的鞋带又松了。对这个古怪的现象有什么解释吗？

——来自英国萨里郡萨顿的安德鲁·布里顿

我们的感觉服从于比较。将你的左手放在热水中，右手放在冰水中，然后再将两只手放入同一盆温水中。现在你的左手会感到凉爽，右手感到暖和，尽管是相同的温度。当我们从阳光照射的区域走进一间昏暗的房间时，最初我们几乎什么都看不到，而在几秒之后，我们的视觉恢复，可以辨别细小的装饰和不同灰度的阴影。响亮的音乐被关掉后，沉静片刻，我们才能听到远处的汽车声或鸟鸣声。一只鞋子的鞋带松了，我们重新系紧。然后我们会觉得另一根鞋带也松了，其实是相比之下它比较松而已。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

头部准线

我注意到，在大多数照片中，我的脑袋都向右倾斜，尽管拍照时我觉得我的脑袋是摆正的。如果我把脑袋摆正，我会觉得向左倾斜了。我是个右撇子。是什么原因造成了这种错觉？这常见吗？

——来自澳大利亚昆士兰州曼斯菲尔德的艾伦·巴特利特

也许可以从解剖学的角度来解释题主头部倾斜的原因。我儿子十三岁时被诊断出C1段椎骨异常，这是一种罕见的疾病：前端开口处有一块骨头是浮动的，而非固定在左侧。这个异常是在颈部X光照片中发现的，当时神经内科医生想查明他两次中风的原因。

他们怀疑问题出在他的脖子上，因为在拍片前，物理治疗师经常指导他把头摆正。他婴儿时期和孩提时代的照片加强了他们的这种预感：他一直把头向左倾斜。后来儿科颈椎专家证实，C1异常会导致他歪着头。这个问题重复伤害他脊椎左侧的动脉，间接导致他中风。为了保护受影响的动脉，医生在他身体里植入了钛微型螺丝圈，经过一段时间的恢复，他终于痊愈了。题主可能是“错觉”，但我建议最好还是去找脊柱专家检查一下。

——来自美国明尼苏达州拉姆西的南希·本兹

作为一名职业治疗师，我见过许多中风的人将头部甚至整个身体歪向他强壮的一边。很多没有中风的人也有头部倾向一侧的习惯。

这里有两个因素。第一，大脑会适应环境。在稍微倾斜一段时间后，大脑将这种状态接受为正常状态，并认为此时身体是直立的。第二，右撇子使用右臂比使用左臂更频繁，于是右侧身体更有力，肌肉更发达。连接肩胛带与头部的上斜方肌和肩胛提肌的力量及紧张度增强会导致头部向右倾斜，而大脑很快就会适应这个位置。

——来自美国佛罗里达州迈尔斯堡的邦尼·克兰西

意识落后于身体

我已经七十七岁了，和许多老人一样，我开始驼背，身体直不起来。几个月前，我正站在厨房门口优哉游哉地聊天。由于某种原因，我转过身来，脑袋正好重重地撞到了门框上。最近有一次，我妻子在电脑前工作，我越过她的肩膀看过去，并伸出手指着屏幕上的东西。当我缩回手时，手指碰到了桌子上的一个盒子，并把它带到地板上，里面的东西掉了一地。过了一会儿，我意识到两次我都弯着腰。在我的意识看来，我的脑袋根本不会碰到门框，我的手在桌子上方很高的地方，但是驼背影响了我的判断。我们的身体意象是否已不再适应现实？如果是的话，为什么？可以修复吗？

——来自英国多塞特郡阿伯茨伯里的彼得·劳里

对身体方向和动作的潜意识感知被称为本体感觉。这方面意识由内耳前庭系统以及肌肉和关节中的神经提供。当你被蒙住眼睛的时候，它可以让你知道手脚的位置。

本体感觉从经验中习得，但可能受到由青春期、受伤或衰老等因素引起的身体结构变化的影响。成长期的青少年可能会在运动时接不住他们以前能接住的球；现在，他们的手臂比他们记忆中的更长。青少年的本体感觉落后于他们正在生长的身体。

然而，神经肌肉通路可以通过具体实践进行再培训：证据表明，杂耍对板球运动员有帮助。题主的本体感觉是基于七十多年站着的高度。这与他目前的驼背冲突，引发了事故。好消息是，肢体运动和意识练习，如太极或瑜伽，不仅可以改善本体感觉，还可以减少老年人摔倒和骨折的概率。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

我饶有兴趣地读了之前的回答者关于本体感觉无法跟上身体形态变化的解释。四年前，我怀了一对双胞胎。即使我可以看到我的大肚子，感觉到双胞胎踢我的内脏，我却无法“从里面”感觉到我的腹部。当我闭上眼睛仰躺着，我可以感觉到毯子触碰我的肚子，但我的腹部似乎是平坦的，和以前许多年在同一个位置。我记得在关上车门时要特别小心：如果不刻意为之，车门就会撞到我的肚子。显然，九个月不足以让我对我的新身材形成相应的本体感觉。

——来自德国卡佩伦多夫的伊尔卡·弗莱格尔

抗病

如果你喝了几杯酒，血液中的酒精是否会像药物那样消灭身体里的微生物？

——来自英国埃塞克郡斯滨海利的亚当·威尔逊

只有当酒精浓度足够高时才有可能起到这种作用。《流行病学》期刊上发表了一项罕见的研究，确认了吃饭时饮酒的益处。研究表明，饮用酒精浓度超过10%的酒类饮料，确实能够减小因食用牡蛎而患上甲型肝炎的概率——不过这发生在胃部，而不是血液中。

我要说，为了你的健康，每天的饮酒须适量，最多来两杯佐餐葡萄酒。

——来自美国加利福尼亚州索诺马的刘易斯·佩德

失去的能力

今天晚上在读莎士比亚时，我突然想到是否有人可以准确记住莎士比亚的所有作品，哪怕靠死记硬背？在我们识字之前，惊人的记忆力是很常见的事，但不久之后我们便失去了一口气记住整个长篇故事的能力，当代那些训练有素而且经验老到的民谣歌手还有惊人的记忆力吗？

——来自新西兰奥克兰的道格·亨特

记忆一部巨作需要兴趣、练习以及时间。莎士比亚全集大约有88万个单词。这么说吧，《圣经》大约有75万个单词，并且最开始就是以口述的方式传播的。

16世纪的贵格会创始人乔治·福克斯曾说过，即使世界上所有《圣经》都消失了也没关系，因为他可以全文背诵。

我希望皇家莎士比亚公司的一些员工，即使背不出莎士比亚的全部著作，也至少会背许多篇章。然而，对大多数人来说，通过智能手机和电脑，我们就能接触云端存储的所有知识，这意味着我们只需要知道如何通过最新的操作系统找到我们最喜欢的搜索引擎。随着技术的进步，这种记忆的壮举将变得更少，也更不可思议。

——来自英国德比郡温斯特的约翰·伍德

抗性有用吗？

那些患过普通结核病的人对多重耐药结核病的免疫力更强吗？

——来自英国南约克郡唐克斯特的艾琳·凯格·格雷

令人惊讶的是，就世界上某些地区结核病的历史和发病率而言，真正的结核杆菌感染性不强。据说，只有10%的感染者会发展成开放性结核病。大多数接触过或感染过结核杆菌的人不会发展出任何临床症状。通常需要反复暴露在这种环境中，例如亲属感染或家庭住房条件不良，才有可能发展成开放性结核病，此外，营养不良和免疫力差等因素也会有一定影响。

在抗生素出现之前，相当一部分开放性结核病患者最终会痊愈。即使在今天，一小部分患有多重耐药性结核病的患者也有明显的临床康复迹象。如此看来，对结核病的先天抗性和获得性免疫似乎都存在。患过结核病的人对新的抗原（可能是多重耐药性的）是否具有更强的抵抗力？南非开普敦的一项研究表明，在600多名结核病患者中，有18%出现二次感染。其中14%感染了一种不同的菌株。在中国，试验也得出了类似结论。此外，重新感染的人比从未感染过的人的发病率更高。所以，感染过结核病似乎不会提高对这种疾病的抵抗力。

——来自英国安格尔西岛崔弗的吉莲·科茨

螺旋分类

我们的指纹会改变吗？当我还是个小孩时，就知道它们永远不会变。但当我申请签证，采集生物识别数据时，发现我的指纹与五年前的指纹不匹配。这可能吗？或者更有可能是记录或软件的错误？

——来自英国北约克郡的小林千里

专家把构成指纹的图案称为摩擦脊纹。这些图案大概在怀孕中期胎儿发育的过程中开始形成，甚至同卵双胞胎的指纹也是不同的，子宫内的环境也会导致指纹差异。除了个别例外，指纹是永久的。有些人生来就没有指纹。到2011年，世界上已知有五个家庭有人患皮纹病，该病由SMARCAD1蛋白错误表达引起。内格利氏色素细胞痣综合征或网状色素皮病是外胚层发育不良的两种形式，也会导致指纹缺失。

指纹可以通过物理磨损或药物作用暂时消除，此外，由于皮肤弹性随着年龄的增长而下降，老年人的指纹会比较难记录。有的犯罪分子试图通过烧掉指纹或用胶水和指甲油消除指纹来逃避追捕。20世纪30年代，美国臭名昭著的歹徒约翰·迪林格曾用酸性物质来抹除他自己和罗伯特·菲利普斯的指纹，将胸部皮肤移植到手指上，却因他手上其他部位的印记而被定罪。

最近的研究发现，曾经被人们当作法医学黄金准则的指纹分析容易出现误差。查尔斯·达尔文的表弟弗朗西斯·高尔顿在他的《指纹》一书中计算出“假阳性”（两个人具有相同的指纹）出现的概率大约是六百四十亿分之一。这可能是真的，但是他没有考虑到这种分析并不科学，而是依赖于那些易受到认知偏差影响的判断。指纹分析和我们小时候玩的“找不同”游戏差不多，只不过在这里你需要匹配多达五十个“地标”（例如，在隆起线分叉的地方），这种方法经常用在犯罪现场被污染或不完整的指纹上。

假设你没有刻意抹去自己的指纹，你近来得的疾病、选择的生活方式或从事的职业也可能会改变它们。更有可能的是，要用来对比的指纹中有一个被弄脏，或者由于办事人员失误，被认为属于你的那个指纹其实是别人的。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

我对军车很感兴趣，包括切割、焊接、用刀和打磨等。我的指纹严重受损，虽然我还没有失去手指，但是各种伤疤显示也快了。在这之前，我在埃及海岸的石油勘探钻井平台上工作。我的工作涉及分析钻井液导致的切口。做显微镜切片时需要用手指拿着样品在砂纸上不停地精细研磨。经过二十八天的钻机巡视，我的指纹不见了，而后我花了二十八天的假期才使它重新长出来。所以我会说指纹可以改变。虽然我的笔记本电脑有指纹识别器，但我还是坚持用密码登录。

——来自英国肯特郡莱纳姆的西蒙·马利特

牙齿永存

我的牙医说牙釉质不会再生，我们成年后都只能将就着使用这一副牙齿。我不相信经过八十多年的咀嚼和研磨，我的牙齿仍然是同样的形状，没有明显的磨损迹象。医生说得对吗？如果真是这样，为什么我的牙齿仍然完好无损呢？

——来自英国米德尔塞克斯平纳镇的约翰·埃弗里斯特

就算你的牙医使出浑身解数，也无法使失去的牙釉质再生。当牙齿从牙龈中冒出来后，牙釉质就停止了生长，不会再产生具有修复或改造能力的细胞。幸运的是，牙齿的外釉层实际上是人体内最坚硬的物质。其中96%为羟基磷灰石结晶，其余为有机物和水。

这种晶体结构的损耗主要有三种方式：自然磨损，研磨食物时牙齿接触产生的磨损；外部磨损，如硬毛牙刷；腐蚀，酸性物质对牙釉质的脱矿作用。

有的酸性物质来自食物，如气泡饮料或柑橘类水果，不过对那些胃液返流的人来说，胃酸也可能是一种来源。我们吃糖时，口腔中的细菌会产生酸性物质，继而破坏牙釉质。加以注意的话，牙釉质的损耗可被降到最低，但还是无法避免随着年龄的增长而磨损。

值得注意的是，在牙齿表面涂上氟化物可以保护牙釉质，使其更耐磨损，但目前还没有任何可以补救缺损的牙釉质的物质。

——来自英国伦敦巴尼特总医院口腔颌面外科的斯图尔特·伊敦

牙釉质永远不会再生，因为形成釉质的造釉细胞位于发育牙的表面。当牙齿从牙龈冒出来时，这些细胞就被破坏了。

牙釉质（羟基磷灰石）是我们体内最硬的物质。相比之下，西方饮食通常很软，很少含有需要研磨的物质。因此，不管需要咀嚼的是什么，它几乎不会磨损牙齿。此外，在正常情况下，当我们吞咽时，牙齿只接触到相对的颌骨上的牙齿。在咀嚼时，牙齿之间的食物可以减少牙齿的相互接触。

在饭后，当下颌处于休息状态时，牙齿之间通常有两到三毫米的间隙——非常大的空间——所以不会发生磨损。在我们一生中的大部分时间，牙齿相互不接触，所以磨损极小。

然而，在心理压力过大时，研磨和咬紧牙齿会导致严重磨损。导致牙齿严重磨损的一个常见原因是磨牙症，即入睡后无意识地研磨牙齿。

——来自英国马里郡金洛斯的退休牙医菲利普·泰勒

头部空间

我能感觉到我的思想好像就在我的脑海里。这有生理学依据吗？或者只是因为我知道我的大脑就在那里？

——来自英国伦敦的朱利安·理查兹

你的大脑是你通过视觉和听觉从环境中收集信息的中心。虽然思维建立在感观的基础上，但当你受到威胁时，二者会迅速结合。在人类进化的过程中，接收信息和处理信息的器官已经紧密结合在一起，以确保对剑齿虎和歹徒等危险迅速做出反应。

位于瑞典斯德哥尔摩市的卡罗琳学院的研究人员使用脑部扫描仪研究了离体幻觉。他们发现，大脑的后扣带回皮质结合了自我所在位置与身体所有权的感觉。这就是为什么你觉得思维源自你的脑海。感觉剥夺可以导致这些感受消失。当人们失去感官意识同时处于清醒状态时，他们会变得不知所措，可能会体验到离体感觉，就像他们的想法不再是从自己的脑袋里产生的一样。这可能发生在某些酷刑中，也可以在冥想或吸毒的状态下通过自我引导而产生。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

可疑的咕噜声

身体内的噪声，如肚子的咕噜声，是如何产生的？为什么我们可以听到这些声音？

——来自英国德文郡普利茅斯的杰里米·史密斯

人类的肠道中总有一些气体，主要是氢气、氮气、二氧化碳和甲烷。这些气体在半液体的基质中发出咕噜声。我们肠道中的振动会产生声音，就像鼓一样。中央供暖系统也会产生咕噜声，这是由困在管道里的气体引起的。暖气片“放气”之后，噪声便会消失。打嗝和放屁则能帮助我们排出胃及肠道中的气体。

——来自英国剑桥的休·亨特

抗性和繁殖

我们听说过很多关于虫子、苍蝇和真菌等获得对农药及其他化学药品的抗药性，从而让这些药物失效的例子。如果真的是这样，人类不应该对有害的化学物质和细菌等产生抗性吗？

——来自阿拉伯联合酋长国迪拜的尼梅什·南比亚尔

人类一直在积累基因的变化，经过全基因组测序研究之后，这一点已经变得显而易见了。这些变化小到替换一个碱基，这相当于改变你30亿对基因组中的一个“字母”，大到整个DNA片段的改变。但是，由于人类的基因组太过庞大复杂，许多突变并不会带来明显的生物学改变。

基因发生变异以应对环境威胁的一个著名的例子是，某些特定人群患有地中海贫血症和卵形红细胞症，因为这类遗传性血液疾病可以让他们对疟疾这种更严重的疾病具有一定的抗性。然而，如果出现了有利的突变，这些突变可能需要很长时间才能在人群中传播开来，因为人类寿命长，并且生育的后代相对较少。对于遗传变异能以何种速度在群体中表现出来，每代人的寿命起着关键作用，但基因组大小也至关重要。

处于进化树底端的生物体结构简单，基因组较小。目前已知，我们的遗传物质编码了约30000个基因。像能传播疟疾或黄热病的蚊子这类昆虫只有12000多个基因。寄生虫，如疟原虫，这类单细胞生物只有约5300个基因。细菌就更少了。

相对来说，基因组越少，越简单，越有可能表现出基因突变的生物学结果。这意味着随机的突变能产生更明显、差异更大的变化。但是这种变化能不能影响到整个种群，还要看它能否传播给后代。

基因变化的传播在很大程度上依赖于个体的寿命，以及他能将这种变化遗传给多少后代。一个人通常只能留下几个后代，而一只蚊子却能产下几百个卵。单细胞寄生虫，如疟原虫，在血液中的生命周期是48小时，在此期间，它会以指数方式繁殖。任何具有生存优势的基因变化都会传播得很快。

这就是为什么那些寄生虫，如臭名昭著的疟原虫，能发展出抗药性，蚊子对杀虫剂不再敏感，但是我们人类对那些威胁自身的生物因素却适应得很慢。

——来自英国剑桥郡威康信托桑格研究所的阿莱娜·潘采

恶心的鱼腥味

我不喜欢吃鱼，鱼腥味让我受不了。我的妻子说这都是我的心理作用，但我认为很多人跟我一样厌恶鱼腥味。对此是否可以从遗传学或进化论中找到解释？或者，这是否基于某种不愉快的童年经历，还是我不得不接受我妻子的理论？

——来自英国伦敦的阿尔·莫林

无法确定反感的缘由，这是一件很常见的事情。有些可能是由遗传决定的。例如，能够品尝出苯硫脲苦涩味的人无法品尝出中国桂花（五月茶）的苦味，反之亦然。

然而，大多数情况下，人们往往对自己成长过程中熟悉的味道和气味颇有好感，对那些勾起不愉快经历的味道表现出厌恶，尤其是幼儿时期的经历。我原来很喜欢腰子的味道，六岁那年，我得了猩红热，把刚吃的腰子都吐了出来，之后我花了几十年的时间重新爱上它。

至于鱼，理查德·费曼曾经提到过他小时候如何讨厌鱼类，但当他长大后在日本吃过一些鱼后，转而喜欢上了鱼。回到家后，他发现自己还是讨厌鱼。事实证明，他所讨厌的是鱼不够新鲜的味道，因为家里的鱼不如日本的鱼新鲜。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

至少对我来说，对鱼的厌恶似乎是一段令人不快的童年经历引起的。这是多年后我回到儿时的家，与邻居交谈后才意识到的。“我记得你。”她说，“你母亲经常让你的哥哥们照顾你，他们会给你买炸鱼和薯条当午饭。然后，你们三个人坐在水沟旁，他们吃了所有的薯条，强迫你吃炸鱼。”

之后，我再没吃过鱼，光是气味就让我觉得恶心，我现在知道使我恶心的是不新鲜的鱼散发的气味。后来在一次晚宴上，我不太好意思点别的菜，于是下决心点了一道鱼，发现它并没有我预想的那种气味。

此后，鱼对我来说成了一道美食。还包括牡蛎（曾经是我极其厌恶的东西）以及几乎没什么味道的生鱼。

所以我同意题主妻子的看法，题主对鱼的厌恶可能是后天造成的。

——来自澳大利亚新南威尔士州沃克卢斯的唐·罗斯

嗜血

人类爱吃肉是出自天性，还是文化使然？如果把吃肉从我们的文化中移除，我们还会那么想吃肉吗？

——来自瑞士日内瓦的理查德·布朗

与其说人们天生渴望吃肉，不如说是渴望一切富含脂肪和蛋白质等营养物质的食物。即使是吃素，我们也倾向于吃坚果、水果、谷物和块茎这种富含营养的食物。想想与莴苣或生菜相比，巧克力或牛轧糖是多么美味可口。

因为植物中含有大量纤维素和其他难以消化的物质，食草动物需要吃大量植物才能摄取足够的营养。植物大多会产生有害物质，因此，食草动物必须耐受、排出或者消解这些有害的化学物质，同时吸收植物中的维生素、蛋白质、脂肪和可消化的碳水化合物。

如果食草动物误食太多有毒的植物，以它们为食的食肉动物也会面临死亡的威胁。有益健康的植物饲料也可能杀死你的狗或猫，而这份饲料清单长到吓人。许多食草动物如果可以吃到肉的话也会吃一点，杂食动物通常更愿意努力获取动物食物而非植物食物。

人类亦是如此，大多数人喜欢肉食提供的浓缩脂肪、蛋白质、维生素和必不可少的脂肪酸，从中获取身体所需的营养。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

再来份阳光

我是素食主义者，所以当我晒日光浴时，身体会合成很多维生素D。我必须直接沐浴在阳光下，还是可以透过玻璃窗接受光照？我每天需要多少维生素D？

——来自英国爱丁堡的科林·布朗

不管是素食主义者还是杂食主义者，大多数人依靠日晒满足身体对维生素D的需求。严格来说，不是某一种维生素，因为足够的阳光可以满足你全部的维生素需求，而无须饮食摄入。不同国家关于维生素每日需求量的标准有所不同，英国对无法获得足够光照的成年人（如那些因文化原因必须遮住身体和脸部的成年人）以及只能在室内活动的老年人的建议摄入量为10微克。美国的标准与之相同。

富含脂肪的鱼、鸡蛋和肝脏是膳食维生素D的良好来源，但人们吃这些食物的频率无法确保较高的维生素D摄入量。尽管英国人的早餐桌上摆上了更多谷物和可涂油脂，膳食维生素D的平均摄入量还是很低，为每天2～3.5微克。白皮肤的年轻人可以通过将脸部暴露在阳光下20～30分钟来合成足够的维生素D，但老年人和黑皮肤的人则需要更长的时间。同样的日晒时间，年纪大的人合成的维生素D的量仅为年轻人的四分之一。

皮肤暴露的面积也是一个变量，所以裸体主义者对维生素D的日常需求更容易得到满足。晒太阳并不像看上去那样简单，因为只有紫外线B（波长在290～320纳米之间）适合皮肤中维生素D的合成。你住的地方离赤道越远，就越难获得有效剂量的光照，尤其是在冬天。冬季血液中维生素D的水平是夏季的一半。如果你的影子比你的身高长，你就无法合成维生素D（这被称为“影子法则”）。例如，苏格兰12月清晨的日照不起作用，10月至次年3月间人只能合成微量的维生素D。夏季，伦敦人必须比巴塞罗那人多晒约一倍的时间，才能获得等量的维生素D。

回到你的问题上来。到了夏季，你必须走到户外，除非你家是蓝宝石玻璃，否则UVB无法穿透玻璃。你也不可能从阳光中摄入过量的维生素D，因为维生素D分解时皮肤会出现红斑，所以夏天也没必要晒太长时间。在极少数情况下，摄入太多的膳食维生素D对身体有害，所以应该谨慎补充。显然，宇航员、潜水员和极地工作者都需要补充维生素D。

——来自英国阿伯丁罗伯特戈登大学的营养学名誉教授布赖恩·拉特克列夫

蠢问题

为什么阴囊上有如此多褶皱？

——尼尔·史密斯，通过电子邮件

阴囊在睾丸的温度调节中起着重要的作用，因为精子会在核心体温或更高温度时减少产量。男性读者一定会注意到，在寒冷的天气或者用冷水淋浴时，阴囊（及周围部分）会变小。相应地，在暖和的天气和洗热水澡的时候它又会变大。阴囊松弛时会非常光滑，只有向身体收紧的时候才会产生褶皱。

这是因为，在冷的环境中，阴囊壁中的肌肉会收缩，拉着睾丸靠近腹腔，而在温暖的环境中，肌肉会放松下来，以保持睾丸凉爽。在精索（蔓状静脉丛）中还有一个复杂的脉管系统，来自腹腔的温暖的血液要经过一个热交换系统把温度降下来，再进入睾丸。

刚开始把美利奴绵羊带到澳大利亚饲养时，农场主发现，如果不剪羊毛，公羊就会不育，所以公羊的阴囊处要定期剃毛。这种品种的绵羊起源于葡萄牙南部，那里的夏季温度没有澳大利亚高。因此，公羊的阴囊不太适应澳大利亚的气候。

——来自英国安格尔西岛兰戈伊德的退休兽医鲍勃·巴特勒

像空气一样轻

今天早上称体重时，我忽然想到，“排气”是否会影响海平面以上的人的体重。如果会，是变轻还是变重呢？

——来自澳大利亚维多利亚州萨里山的克里斯·吉尔菲兰

胃肠胀气的主要成分是甲烷，因此才会有小男孩用火柴去点燃屁的恶作剧。甲烷（分子质量为16）比空气轻，空气中约80%的成分为氮气（分子质量为28），剩下的20%为氧气（分子质量为32）。所以，当你“放气”时，秤上显示的体重会增加。有气味的气体密度一般都比较大（最轻的是硫化氢，分子质量为34），但它们的含量很低，不足以对结果产生多大影响。

而喝完气泡饮料以后打嗝会产生相反的效果，因为这时你排出的是二氧化碳（分子质量为44），它的密度比空气大，所以秤上显示的重量会减少。

——来自澳大利亚新南威尔士州悉尼大学医学科学院的盖伊·考克斯

能说话真好

人类最早的词汇有哪些？是谁说出的？

我们可以推测，世界上曾经存在一种原始母语，是所有现存的或已消亡的人类语言的祖先。证据是，不同于其他动物的交流形式，所有的人类语言都是将词语拼合成具有主语、动词和宾语的句子（如“我踢球”），并且任何人都可以学习任何一种语言。

比较语言学家搜寻一再出现在世界各地语言中的关于声音的词汇。他们认为，如果原始母语还有留存至今的痕迹，它们应该存在于那些声音中。例如，加利福尼亚州斯坦福大学的梅里特·鲁伦认为，像tok、tik、dik和tak这样的声音在不同的语言中被反复使用，意指手指或脚趾，或表示数字“一”。尽管鲁伦和其他人的研究有争议，但他们谈到的词汇列表全世界通用，其发音几乎相同，包括“谁”“什么”“两个”和“水”这些词。

另一种方法是搜寻那些在很长时期内演变得非常缓慢的词。我自己的团队的统计研究表明，表示数字1到5的单词可归入演变得最慢的那一类词汇。这个列表上还有与社交有关的词，如“谁”“什么”“在哪里”“为什么”“何时”“我”“你”“她”“他”和“它”。这个列表符合语言的演变与其社会功能息息相关这一预期。它与鲁伦的列表有一些重叠。

在更广泛的意义上，我们可以大胆地猜测，人类的第一句话可能只适用于几个类别。第一句话可能是个简单的名字，像我们的灵长类亲戚会使用的那种。长尾黑颌猴对豹子、猛雕和蟒蛇发出的警告声明显不同，幼年的长尾黑颌猴必须学会这些发音。对于人类来说，婴儿在咿呀学语中很自然地发出“妈妈”的声音，并且他们非常依赖母亲，所以“妈妈”很可能属于早期词汇。“m”的发音几乎存在于所有语言中。

像“看”或“听”这样的祈使动词很可能在很早的时候就有了，也许与“刺”或“交易”这种协同狩猎或促进交流的词一同出现。

即使只有这些简单的词汇，也可以组成像“快看，牛羚”或“买卖箭头”这样的句子。最后，简单的社交词汇，如“你”和“我”、“是”和“否”，可能也是我们早期词汇的一部分。

有趣的是，最近的一项研究表明“哈”是通用词汇，这迅速成了头条新闻，它很可能是人类说的第一句话中的一个词。也许是第二句。

——来自英国雷丁大学生物科学学院的马克·帕格尔

嗅觉指纹

我们家五口人生活在同一环境中，基本上吃同样的食物，但我们的粪便有各自独特的气味。这肯定与生活在我们肠子里的东西相关。那是什么呢？

——来自英国伯明翰的盖纳（十二岁）、亚当（九岁）、塞雷娜（七岁）和兰德尔

粪便独特的气味几乎完全来自微量的芳香族含氮化合物，如吡啶、吡嗪和吲哚。这些物质以不同比例存在于不同个体的粪便中，形成一种“嗅觉指纹”。如作家G. K.切斯特顿在《灵犬之歌》中所写的那样，与大多数哺乳动物相比，人类的鼻子非常不灵敏。

然而，我们的鼻子对这类特殊化合物非常敏感，这使得我们能够将含有自己身体已适应的微生物群的排泄物同可能携带危险病原体的其他人或动物的排泄物区分开来。这就是为什么我们觉得自己的粪便和肠胃气胀的气味相对没那么难闻，其他人的气味却恶心无比。有趣的是，香水工业正是利用了这种敏感性，通过添加微量此类化合物来增强产品的刺激性味道。

——来自英国西萨塞克斯郡滨海肖勒姆的罗杰·萨维奇

抠出来的干净

虽然抠鼻孔被当作一种不礼貌的行为，但保持鼻子的清洁和功能正常不是很有必要吗？没有人喜欢自己的鼻子变脏或不舒服，那么为什么在许多文化中会忌讳挖鼻孔呢？

——来自英国伦敦卡肖尔顿的加文·贝特

我不觉得有必要时刻保持鼻孔畅通。鼻子不通气带来的糟糕体验暗示了一个更深层次的问题。过去，我们的鼻腔里可能藏有寄生虫（成虫、幼虫或卵），我们会很明智地在它们还没有进一步侵入鼻窦的时候清除它们。在那时，干净的鼻腔代表着健康。

我们对他人挖鼻孔有一种很强烈的厌恶感，这可能是因为让隐藏的身体组织或排泄物被别人看到是一种禁忌。比方说，我们几乎无时无刻不在吞食自己的口水，但当唾液变成了痰或哈喇子时，我们会觉得恶心。耳垢和头皮屑也是如此。

“错误的东西出现在错误的地方”可能会导致传染，因为“错误的东西”上满是微生物，尽管它们不一定会致病。不过，只要你不是待在有可能感染埃博拉的地方，就不用特别担心体液和鼻屎会带来什么麻烦。

——路易丝·法比亚尼，通过电子邮件

我认识那张脸

我看过几个考古展，展览中有人利用颅骨模型还原了“现实生活中的面孔”。这在多大程度上有效？有没有人试过，利用一个完整的当代人颅骨重建人脸，然后将其与这个人生前的照片对比，看看效果如何？

——来自澳大利亚南澳大利亚州阿德莱德市霍顿的伊恩·沃德罗普

1973年至1980年，我在英国曼彻斯特大学开发了曼彻斯特法医面部重建技术，我可以确定这一技术完全有效。如果利用平均软组织测量的数据，用黏土或蜡塑出肌肉和面部结构，脸会自动从头骨模型里生长出来。

当我开始协助警察根据残骸辨认死者身份时，这项技术受到了检验。

我们利用这种重建方法可以识别出大约60%的人。在这些案例中，可以将重建的人脸和死者的照片进行比对。一旦知道了死者的名字，警方就可以采用更多的常规技术来确定其身份。

尽管这样的研究无法给出精准的肖像，但通常会得出一张类似的面孔，足以确定死者的身份。按照今天的标准，这种技术可能看起来太小儿科，但是请注意，这可是在DNA检测被发明之前。

在我的职业生涯中，我做过许多研究，有些使用的是用扫描技术重建的活人颅骨。我总是能够发现它们与受试者的相似之处。虽然这项研究在20世纪70年代刚出现时受到过一些质疑，但它如今可以用在学术研究上，也是一种法医和考古调查技术。

——来自英国东萨塞克斯郡拉伊的理查德·尼夫

不寻常的祖先

像其他欧洲白种人一样，我身上携带约2.5%的尼安德特人基因，多过非洲土著。如果我们在10万年前就集体离开了非洲，那么这个事实又该怎么解释呢？

——来自法国勒比索的布赖恩特

我们并不是简单地在某个时刻走出非洲。我们起源于那里，我们的祖先从那儿出发走向世界各地，但基因不同的人种选择了不同的路线，在数十万年的时间里，他们不断地分散和会合。

从古生物学角度来说，任何只持续了数千年的事件都只能算是意外。追溯到农业起源的史前史跨度可能不到15000年。我们是最近才出现的一群“乌合之众”。但对我们而言，1000年的家族史已经非常悠久了。

尼安德特人是欧洲的早期殖民者，与其他人属动物有明显差异，足以使遗传学家将它们区分开来。这让我们能比较好地了解尼安德特人的基因在什么时候以及多大程度上进入他们后代的基因。也许在尼安德特人到达之后的几十万年中，来自非洲的入侵者带来了新的遗传物质：那些在欧洲定居下来的人与尼安德特人交配，所以他们的后代携带这种DNA的比例大于其他人群。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

哭泣的宝宝

我们经常在电视或电影中看到婴儿哭泣的画面。他们是怎么哭起来的？导演是等着孩子正常地哭起来然后再拍摄，还是有一些科学的方法，可以让婴儿哭又不弄疼他们？

——来自澳大利亚昆士兰州赫维湾的肯·李

我是一名助产士，同时担任英国广播公司出品的电视剧《呼叫助产士》的顾问，所以我有很多在片场照顾婴儿的经验。电影布景不是一个让孩子感觉舒适的地方，如果孩子哭了，这通常不是导演要求的，而是孩子自己想哭。

对于影视作品中出现婴儿有非常严格的规定，这是可以理解的。每次布景需要花费很长时间，而宝宝一般只需要出现几分钟，这意味着拍摄前宝宝会一直和他的父母或在场监护人在片场外的房间内等待。尽管大家尽力让宝宝在片场觉得舒服、安静和温暖，但还是有不尽如人意的时候。比如，服装可能会引发问题，因为大多数婴儿不喜欢被人强迫着穿衣脱衣。所以，应尽可能将换装放在最后一步，并且要让宝宝一直与父母待在一起，直到拍摄前最后一刻。这能让父母和宝宝都感到满意。

片场通常是父母不熟悉的环境。为了让他们安心，剧组可以让他们在监视器上观看宝宝，但他们还是相当紧张。在拍摄前，演员会进行初步了解和排练，这时他们可能会和宝宝接触，但有时候，他们在拍摄时才第一次抱起宝宝。婴儿能够迅速感受到成年人的感觉和情绪，所以紧张的演员通常会把婴儿弄哭。婴儿不会在需要时被弄哭，所以摄影机拍到的哭声都是偶然捕捉到的。

——来自英国威尔特郡索尔兹伯里的特里·科茨

选择

我们听到的都是人类遗传变异导致疾病的例子，例如囊性纤维化。有没有人在近几代人身上发现让人“更适应”当下环境的遗传变异呢？看到这些变异时，我们能认出它们吗？我们会认为它们对健康人来说是正常的吗？

——来自英国柴郡奥尔特灵厄姆的科林·班福思

镰状细胞贫血是最近一代人身上出现的积极遗传变异中最为人熟知的例子。在疟疾流行的地区，镰状细胞贫血似乎给其患者带来了优势。尽管我们不会把镰状细胞贫血当成一种健康的特性，但是这种“错误”基因赋予了人体某种程度的对疟疾的抗性，因此这种遗传变异是暴露于疟疾环境中的人自然选择的结果。在高中生物课程中，这通常会被当作人类自然选择的一个例子，同时老师也会传达这样的观念：从本质上讲，一个特征没有所谓的好与坏，它的价值取决于环境。

另一个使我们更适应当下环境的有利变异的例子是我们对高钠饮食的适应。日均盐摄入量较低的人种，如亚马孙土著，可以有效地保留身体内的盐分；相较于美国人，他们的汗水和尿液中含钠量较低。然而，一旦处于高钠饮食环境中，这种保留盐分的能力就会变成劣势，许多人将会患上高血压，年纪轻轻便死于心脏病。

——来自美国密歇根州利沃尼亚的马克·比尔格

绿色基因组

如果能以某种方式将植物合成叶绿素的基因移植到我们的基因中，我们可以通过光合作用来满足自身的一些能量需求吗？

——来自英国赫里福德郡布罗姆亚德的苏菲·霍尔罗伊德

这主要存在三个障碍。第一，你需要生产叶绿素，然后利用它驾驭光能，合成三磷酸腺苷（ATP）和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH），最后利用这些代谢物将二氧化碳转化为糖。令人惊讶的是，我们已经拥有了第一个和最后一个阶段所需的许多基因。植物利用16步代谢反应来生产叶绿素，其中9步与我们生产血红素（血红细胞的组成部分）的路径相同。因此，从原则上讲，植入控制另外7个步骤的基因，我们就可以生成叶绿素。不幸的是，叶绿素对人体有害，特别是在阳光下，除非我们能复制出植物中包围叶绿素分子的特殊蛋白质。

最后一个阶段被称为加尔文-本森循环，需要11种酶的基因参与，其中9种我们已经拥有。缺少的两种分别是二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCO）和磷酸核酮糖激酶。

中间阶段最棘手，因为尽管我们已经拥有制造ATP和NADPH所需的酶，但我们无法利用光能来驱动它们。而植物具有分布在叶绿体膜内的特殊蛋白质和脂质，能够实现光能的转化。

在你试图将这些植物性技能植入你自己的染色体之前，请注意，与你从比如一片面包中摄取的的碳水化合物相比，你只能利用光合作用合成极其微量的碳水化合物。问题是，相对于你的体积来说，你的身体需要巨大的表面积来吸收足量的阳光。显然叶绿素需要分布在你的皮肤中；肝脏、肺部和大脑因其所在位置都无法吸收太阳光。我体重85公斤，皮肤表面积不到2平方米。相比之下，由于拥有薄而宽的叶子，85公斤重的植物接收太阳光的面积通常大于200平方米。当我们拥有这样的面积体积比时，我们的行动将会变得很困难——事实上，我们将变成植物人。

——来自英国爱丁堡大学生物科学院的植物生化学教授斯蒂芬·C.弗里

CHAPTER
05
地球上的生命

毛茸茸的浆果

我六岁的女儿维克图瓦想知道，为什么覆盆子上会长小茸毛，而其他浆果没有。

——来自法国里昂的M.勃朗

覆盆子上附着的茸毛是雌花脱落后的残留。在覆盆子花中，茸毛状的雌性花柱分布在中心，雄性花药则围绕着边缘排列。每根花柱都以柱头为顶点，连接到子房，形成雌蕊。

授粉后，花瓣、花药及花朵的其他部分会枯萎，每个子房会隆起组成最终果实的裂片。用植物学术语来说，每个裂片都是一个小核果，与其说覆盆子是浆果，不如说它是一个核果（由小裂片组成的集合）。

在我的花园中，可以见到处于不同生长阶段的覆盆子，从花蕾到成熟的果实，所以我可以在同一株植物上看到其完整的生长周期。

事实上，覆盆子很容易种植，而且总是果实累累，你需要采取措施控制其生长。

——来自英国伦敦的迪伦·布鲁伊斯

锋利的味道

为什么结浆果的植物经常是长刺的？这些植物难道不是在向外发送自相矛盾的信号吗？它们为什么要赶走那些会吃掉浆果并帮它们传播种子的动物呢？

——来自加拿大温哥华的马里纳斯·卢茨

那些信号并没有自相矛盾：植物们说的是“吃我的果实，不要吃我的叶子”。大多数既吃它们的果实又帮它们传播种子的动物都足够灵巧，不会让刺伤到自己。而那些体形相对较大、行动较笨拙的食草动物也许不会花费精力将果实与叶子区分开，但如果叶子边上长满了刺的话，它们可能会三思而后行。

一个与此相似的问题是，为什么一些美味的水果有着让人难以下咽的果皮？橘子、香蕉和杧果都是很好的例子。要享用这些水果，食用者必须有足够大的体形和力量，才能剥开果皮，也有将整个去皮的水果吞下的能力。这么吃意味着会吞下果实中所有的种子，并将它们带到数英里之外，而不是仅仅啃食多汁的果肉，种子依然被留在果树附近。

相似的例子还有，未成熟的果实往往个头很小且颜色不显眼，富含酸涩的单宁。等到种子发育完全，可以从传播中受益时，情况才会改变。

——来自英国爱丁堡大学生物科学学院的植物生化学教授斯蒂芬·C.弗里

我发现部分大型动物，比如马，很喜欢吃浆果类植物的茎，从而破坏植物的结构。面对这类动物时，植物身上的刺便成了有效的威慑。

而那些喜欢浆果又不会破坏植物其余部分的生物，如鸟类和昆虫，都能够避开植物上的刺，同时享用美食，顺便帮助植物传播种子。

——来自英国西萨塞克斯郡阿什赫斯特伍德的科迪莉亚·穆尔

树的日历

人们通常认为，春天白昼延长是促使落叶树开始长叶子的原因。但树是怎么知道白天越来越长的？

——来自加拿大新斯科舍省布里奇敦的雷·谢尔登

早在1920年，植物学家怀特曼·韦尔斯·加纳和哈里·阿德尔·阿拉德认为，白昼的长度是光周期现象的关键。当人们发现黑夜持续的长度其实才是问题的关键时，植物们早已被贴上了“长日照植物”“短日照植物”或“中日照植物”的标签。菊花是短日照植物，只有在黑夜足够长的时候才会开花。菊花种植者过去会整晚开着温室里的灯，以延迟菊花的盛开，后来才发现，一束微光就够了。

这要归因于植物光敏素。它以两种形态存在，当暴露在阳光下时，两种形态的色素量几近相同。随着夜幕降临，更多的色素切换为活跃状态。

但只需一束光，便可重新调整色素的平衡，这足以推迟短日照植物的开花过程，或促使长日照植物尽早开花。甚至种子中也存在这种色素，它们通过感知光照的方向来分辨上与下（确保嫩芽和根部朝正确的方向生长）。它们可以通过光的强度来“计算”自己在土壤中的深度，甚至可以探测到悬在自己上方的叶子，并推迟发芽。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

人人都知道植物需要光照才能生长，大多数植物在一年的不同时期以不同的方式生长，中纬度地区的植物尤其如此。这种现象被称为光周期现象，它使得温带植物能够控制长新叶和落叶的时间。

然而，重要的其实并不是白昼的长短，而是黑暗延续的时间，即夜晚的长短。

在黑暗里，植物会产生一种被称为光敏素的感光蛋白质，其含量控制着植物秋季休眠和春季萌芽的时间。甚至黑暗中电灯发出的微光也会干扰到它，这种现象在一棵位于路灯边的树身上就可以看到。当秋天来临，树木准备进入休眠状态时，离路灯最近的树叶往往是最后掉落的。然而，月光却不会对树或其他植物产生影响。

——来自英国诺丁汉郡舍伍德的约翰·克罗夫特

关于梧桐树的真相

我经常被告知，伦敦的梧桐树可以妥善应对城市里的高污染，因为它们能将空气中的污染物吸进树皮，然后让树皮脱落。这是真的吗？

——来自英国萨里郡克罗伊登的麦克·格里菲思

伦敦种有大量梧桐树，因为它们能在严重污染的环境中健康生长。正是由于这个原因，伦敦才在工业革命期间被严重污染的城区种植了大量的梧桐树，其中许多树一直活到了今天。

所有树木都可以通过树干吸收气体，树皮上布满了被称为皮孔的细小孔隙，使空气能够进入，例如呼吸所必需的氧气。但在城市里，这些孔隙通常会被工厂和车辆所排放的污染物堵塞，变成肉眼可见的黑色斑点。梧桐树（以及桦树等其他树）之所以不同，是因为它可以在外层表皮下快速长出新鲜的树皮。这意味着带有污染物的外层树皮可以迅速脱落，正因如此，梧桐的树干看起来异常斑驳。

——来自英国威尔特郡索尔兹伯里的刘易斯·奥肖内西

她闻到了海的气味

究竟是海水闻起来像鱼还是鱼闻起来像海？是什么造就了海独特的气味，这种气味是否在第一条鱼诞生之前就存在于海洋的成分中？

——来自英国伦敦的汤姆·柯蒂斯

一条刚捞上来的鱼经过清水冲洗后，并没有明显的气味。海的气味是由各种化学物质混合而成的，其主要成分是二甲基硫（DMS）。这种物质，即使浓度低至0.02ppm，也依然能被人闻到。浮游植物是生活在海洋中的单细胞生物，它们利用来自阳光的能量生成二甲基巯基丙酸（DMSP）。这种化学物质被海洋微生物所吸收，一部分被转化成DMS。因为浮游植物的诞生早于鱼类，而且位于食物链的底层，所以在鱼类诞生之前很长时间，海洋独特的气味已经形成了。

DMS分子可作为云的凝结核。詹姆斯·拉夫洛克等人曾根据他提出的盖亚假说指出，DMS分子可能形成负反馈循环的一部分——帮助调节我们的气候。随着到达地球的阳光增多，不仅地表温度会升高，浮游植物的数量也会随之增加，从而生成更多DMS，使得更大范围的云层凝结。随后，这些云层会反射阳光，降低地表温度，同时也让浮游植物的数量下降。

越来越多的云还将使海面上的风速上升，进而导致表层海水混合，为浮游植物带来丰富的营养，使其为下一轮热情的阳光做好准备。所以，当你下一次漫步海边，呼吸着海洋空气时，你或许会想到其中蕴含的海洋生化循环，正是这个过程帮助地球维持着适宜生命繁衍的温度。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

藻华

如果地球上的生命突然全部消失，而其他一切都没有改变，此时若在海洋中放入一个单位的光合细菌或海藻，它需要多久才可以占领整个海洋？又需要多久才会占领整片陆地？

——来自英国伦敦的阿兰·威廉斯

藻类在拉丁语中意为“海中的杂草”，是一个多样化生物群的统称，从单细胞生物到50米长的巨藻都包括在内。像植物一样，藻类能够自给自足，它们利用阳光将二氧化碳合成糖，并将氧气作为废料排出。我们可以想象是一个大约10微米的短棘盘星藻。如果它只通过无性生殖来繁衍（一分为二），则需要繁衍85代来覆盖整个海洋。如果每一代藻类都能在24小时内达到性成熟的话，整个过程大约需要三个月。

藻类是天生水栖的，所以，对陆地的殖民，可能需要等待它与另外一个物种发展出共生关系后才能进行，就像地衣和真菌一样。在现实中，由于藻类无所不在，很快便可形成藻华，但直到其密度大到使水变得半透明，在短短10天内数量增加千倍，藻华才能被人注意到。当然，藻华形成所需要的密度取决于藻的种类，藻华的颜色也是如此。有些藻华，像所谓的赤潮，是有毒的，它们对当地的生态系统是一种威胁。

即使没有微型食草动物啃食，藻华的地理覆盖范围也会被削减，因为它对阳光、温度和营养的要求不能及时得到满足。确实，藻华往往与污染事件相关，特别是当化肥中的氮和磷不慎流入海洋的时候。而南纬30°与北纬30°之间的热带地区普遍缺乏营养物，这造就了潜水员们为之着迷的异常清澈的蓝色海水，但这些水域往往被称为海洋中的“沙漠”。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

我们先从一个简单的模型开始做一些假设，有些假设可以简化计算任务。例如，我们充分利用2这个数字，即只能乘以2或除以2。我们将地球表面积从约5.1亿平方公里向上扩层到5.12亿，并假设单位藻类的大小为1平方微米。最后，我们借鉴数学老师经常给出的“睡莲叶子每隔24小时就增加一倍”的例子，假设藻类也按此速度繁殖，从1平方微米到5.12亿平方公里，需要多少天呢？

90天之内，藻类可以轻易地覆盖模型地球表面，包括洞穴和其他地貌。假设海洋面积正好占地球总面积的75%，那么藻类全面占领海洋同样需要90天，因为按照我们的假设，第89天它将占领50%的地球总面积。然而，同其他任何模型一样，这个结论我们不能完全相信。有几种很可能发生的状况会导致这个模型失效，例如，藻类可能只能在盐水中生长，所以无法占领淡水和陆地；缺乏营养可能减缓其蔓延；一些区域不适合藻类的气候条件可能延缓其生长。最后，如果1平方微米对一个单位的藻类来说有些大，可以改为1平方纳米，那么整个过程所需的时间也只会增加10天。

——来自澳大利亚塔斯马尼亚州吉夫斯顿的戴维·莫顿

池塘撇渣器

我有一个被“豆汤藻”严重污染的花园池塘。最近，一场雷暴雨淹没了附近的道路，水冲进了我的花园和池塘。第二天早上，池塘中的藻类便消失了。积水中存在的何种物质帮助清除了我池塘中的藻类？

——来自英国威尔特郡莫尔伯勒的科林·卡特

“豆汤藻”通常是单细胞物种，也包括一些由两个或四个细胞组成的物种。当阳光和营养物质在温暖的气候下结合，藻类的数量便会激增——水蚤和类似水蚤的以藻类为食的生物几乎对水藻的数量构不成影响。豌豆汤似的藻华尽管看起来并不美观，但在显微镜下却往往显示为一个个迷人的健康群落。要想清洁池塘，必须降低磷酸盐等藻类的关键营养物质的含量。

雨后的积水之所以能够清理池塘，或清除藻华，是因为其中含有污染物。当死去的藻类下沉或聚集成浮渣时，池塘的其余部分则会恢复清澈。可能的有毒物质包括路边的除草剂、盐，或者近期修整过的道路上的沥青所含的焦油酚类物质。此外，车辆川流不息，还会在路面上留下废气和橡胶粉末。轮胎橡胶中含有有毒的有机化合物和金属，例如锌，而废气具有巨大的表面积-体积比，可以快速将毒素释放到水中。事实上，清除藻华的常见做法（尽管并不明智）之一便是将旧轮胎放入池塘。但事实上这种做法增加了养分供应，使得比“豆汤藻”更不受欢迎的蓝藻得以大肆繁衍。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

藻类适合在pH值为7或8的中性至轻微碱性环境中生存。在这种环境中，它们很容易吸收磷酸盐和硝酸盐等营养物质。

所有的雨都是酸性的。约占空气0.04%的二氧化碳会溶于云层和下落的雨水中，形成碳酸，这样一来，未受污染的雨水pH值约为5.5。而污染气体，如硫和氮的氧化物，则会进一步降低雨水的pH值。

正常的降雨量也会降低池塘水的pH值，但会被碳酸盐和碳酸氢盐中和掉，后面两个是天然存在于水中的碱性化学物。然而，泛滥的雨水会破坏池塘水的中和能力，使其pH值降低。

酸性pH的环境会破坏藻类细胞壁，导致藻类一夜之间全部死亡。池塘里的植物将在随后的光合作用下消耗大量的二氧化碳，池塘的pH值会逐渐恢复正常。但池塘主人不应该试图用酸来去除藻类，因为这种方法可能会对池塘里的动植物群落造成灾难性的后果。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

作为光合生物，藻类倾向于聚集在池塘表面，以获得最多光照（正如生长在茂密林地的树木大多数叶子都长在顶部）。所以，虽然池塘水看起来像“豆汤”，但很可能其底部非常清澈。

倾泻入池塘的大量雨水使池塘水溢出，而溢出的正是表层带有藻类的水。另外，雨水从高处倾泻下来，其温度比池塘水更低，下沉得很快，可能会增强上述效果。所以，也许雨水中并没有什么特殊物质。我打赌，不出一个星期，你的池塘又会变成一碗豆汤。

——来自瑞士格朗的阿利斯泰尔·斯科特

关于浮油的聪明想法

人们为什么使用分散剂来处理石油泄漏？凝聚剂难道不是在抑制扩散和清理方面更简便？

——来自美国俄勒冈州尼黑勒姆的霍华德·鲍勃里

凝聚剂有时会用于处理浑浊的污水。它会使污浊颗粒聚结或絮凝，因而更容易通过沉淀或过滤去除。但当水中有油时，水和油会形成胶体，在这种混合溶液中，在显微镜下能看到分散的不溶性颗粒物悬浮在另一种物质上。胶体颗粒通常不会自己絮凝，它们往往携带电荷，相互排斥。

凝聚剂携带的相反电荷可以中和胶体，使其絮凝。但构成漏油的烃分子是非极性的，不带电荷，因此无法与电极化的水分子或凝结剂混合。而分散剂，如洗涤剂等，同时具有两种截然不同的特性。它们的分子具有长长的非极性尾部和短的带电荷的头部。尾巴溶于油中，形成一种被称为胶束的微小液滴，其头部则伸入水中与之混合，所以很容易分散。这种胶束随后很可能被生物降解。

但油胶束可能会带来危害。看看2010年墨西哥湾漏油事故造成的经济和环境问题吧。当时耗费了约700万升分散剂来处理泄露的油。令人遗憾的是，分散剂可能比那些油危害更大。此外，它与油有协同增效的作用，产生的毒性比二者各自的毒性之和还大很多倍。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

家禽问题

我们杀死被感染的禽鸟是否让禽流感的威胁变得更严重了？隔离被感染的禽鸟，并使它们通过自然的方式获得免疫，这样是不是更合理？还是说，禽流感对它们来说是致命的，它们早晚都会死？

——来自英国约克的理查德·欣德

我们的初衷不是为了拯救鸟的生命，而是阻止病毒的扩散和进化。帮助几只鸟获得免疫力并不会阻止病毒继续进化，或传染给其他鸟类和我们自己。事实上，许多被感染的鸟本来有可能活下来。但我们的目的是杀死病毒，所以我们必须杀死所有被感染的鸟。

——来自法国莱塞萨尔勒鲁瓦的埃里克·克瓦伦

楼上的回复尽管没错，但并没有完全解决题主的疑问。大规模清除被感染的禽类与其说是为了消灭病毒，不如说是为了尽量降低它传染给人类的风险。饲养对病毒免疫的家禽可以彻底消灭病毒，比大规模扑杀更有效。然而，流感病毒变异非常快，因此育种计划可能会来不及实施。但在对待作物方面，我们采取了不同的方法。当小麦被锈菌感染时，我们不会放弃整片作物，而会在第二年种植抗菌品种。

——来自澳大利亚新南威尔士州圣奥尔本斯的盖伊·考克斯

感冒来袭

针对流感病毒的疫苗接种已经很成熟且相当成功，特别是在婴幼儿和老年人等高危人群身上。普通感冒也是由病毒引起的，虽然毒性较小，但发病率更高，导致更多人生病，造成大量旷工。为什么没有针对普通感冒的疫苗接种方案？

——来自英国爱丁堡的艾伦·邦迪

目前缺乏感冒疫苗不是因为人们不想研发。以预防和治疗为目的的研究表明，这一问题非常棘手，目前形势已变得更加紧迫，因为感冒已经被认定为引发哮喘的病因之一。目前通过接种疫苗已经被攻克的天花、脊髓灰质炎和流感均是由有限数量的病毒引起的。相反，普通感冒仅仅是上呼吸道随机性感染的一个笼统的称呼。

感冒通常被认为是由1956年发现的鼻病毒引发的。然而，卡迪夫大学（该学校拥有专门的感冒研究中心）的实验表明，可能只有30%的感冒是由该类病毒引发的。其他病因还包括冠状病毒和腺病毒，还有一些感冒实际上是轻度的流感。至于鼻病毒，通常认为它有99种菌株，但英国国家卫生署则指出存在138种已知的血清型，并且仍有大量血清型有待检测。

而每种血清型都需要与之对应的疫苗。此外，这些小的RNA片段会突变且交换遗传信息，所以研究人员总要应对全新的菌株。总的来说，感冒病毒是自然界的胜利者。聪明的病原体不会摧毁它的宿主，也不会让宿主无法行动以至阻碍病毒传播。感冒确实令人讨厌，也让感染者花费了一些医药费，但它们始终保持“低调”，不会像心脏病和癌症一样吸引大量为攻克它们而投入的研究经费，也没有可怕到让人们改变自身的行为方式。它们不会像埃博拉或H5N1等病毒那样被严肃对待，因而得以在自然界中发展壮大。

——来自英国北约克郡欣德韦尔的克里斯蒂娜·沃曼

顺时针

所有善于攀缘的植物，比如牵牛花，都是顺时针生长的吗？为什么？

——来自加拿大渥太华的罗杰·派瑟

幸亏题主没有在花园里养田旋花。观察一下便可发现，它和所有旋花植物一样，是逆时针生长的（从下面向上看）。而忍冬则相反，是顺时针生长的。

题主不幸不熟悉喜剧音乐二人组夫兰达斯与史旺的作品，尤其是不熟悉他们那首《错误姻缘》 ⁽¹⁾ 。

植物螺旋生长的方向并非取决于光线和太阳的位置，与其身处南半球还是北半球也毫无关系。由于攀爬的方向具有物种特异性，它很可能是遗传的。2002年，植物学家桥本贵史表明，拟南芥的基因组中发生了突变，导致其本该竖直生长的根毛变为顺时针生长。类似的突变可能也是造成部分植物逆时针生长的原因。最初的突变赋予了攀爬类植物向上攀爬的能力，无论是顺时针还是逆时针，使其可以附着在其他植物的茎上，向着太阳攀爬。要是有除草剂可以阻止这些植物螺旋生长就好了，我有一花园的田旋花等着用呢。

——来自英国德文郡牛顿阿伯特的诺曼·多伊奇

陷下去的木堆

有时候木柴堆最下面的木头会腐烂到只有原来干燥时质量的几分之一。为什么会这样？其原本含有的碳都去哪儿了？从减少温室气体排放的角度来看，木材被当作柴火烧掉好，还是在土里腐烂好？

——来自澳大利亚维多利亚州的彼得·塞利格曼

枯木首先会转化为活的有机物，这一过程主要由真菌、其他微生物和地鳖完成。它最终转化为二氧化碳、甲烷、水、氮，以及少量的固体矿物，其中大部分最终会被冲走或以肥料的形式留在土壤中。

然而，就温室气体排放而言，自然腐烂更有优势，尽管该过程会释放甲烷。燃烧几乎立刻将所有碳转化为二氧化碳，而食屑生物和腐化物质则会留下一些可燃材料，如充当碳的缓冲储存器的木质素和腐殖酸。这些东西可存在多年，在土壤中以固体形态不断累积，而非以二氧化碳的形式散发到空气中。

燃烧产生的二氧化碳需要很长时间才可以像木材腐烂产生的残留物一样落地。而这些碳的存储器是没有存储上限的。唯一可与之相提并论的是深海中不断累积的可溶解二氧化碳，以及白垩岩峭壁和丘陵地的碳酸盐矿物与碳质土壤。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

木材朝上的一端

一块从树干上切下来的木板，如何判断它哪一端原本在上？

——来自英国布里斯托尔的罗斯·吉尼尔

这事通常比想象的容易。切尔滕纳姆附近的舍伯恩庄园有个洛奇公园，里面的看台几年前用甜栗树木材重新铺设了，这种树被称为“穷人的橡树”。为了减少浪费，木板没有照相同宽度进行切割，而是遵循了树木原始的粗细，即从根部向上呈锥形，这些木板被交错铺设。

这样一来，我们很容易判断木板的哪一端曾经位于树木的上端。但即使木板是按照相同大小被切割的，木纹上的锥形印记仍然可以辨别，锥形收敛的方向便是树的顶部。

——来自英国白金汉郡艾尔斯伯里的马尔科姆·尼科尔斯

在宏观层面上，答案是肯定的，如果你有一块周正的云杉木板。这是因为云杉的树枝总是指向上方。首先观察木板的末端——木纹的曲线会告诉你哪面曾经朝向树干外侧。

把木板立起来，找到一个贯穿木板的节疤。节疤是树枝长出来留下的痕迹，因此是从树干内侧相对低的位置向着外侧相对高的位置生长，这样便可以判断了。

——来自英国格拉斯哥的阿德里安·富尔德

在桌面上

取自水平树枝上部的木材（受到张力）和取自其下部的木材（受到压力）是否具有不同的特征？木材的不同用途是否基于这种差异？

——来自英国布里斯托尔的罗斯·吉尼尔

在现代，大多数应用都避免使用树枝木材，因为它的性能不够好。过去，建筑商对木材的需求较小，蒸汽弯曲技术还没有被发明，通常整根树枝都会被拿来使用，这的确风行一时。造船商用弯的树枝做肋材，不够直的长树干则被用于建筑物的屋顶框架，比如大教堂。而紧贴树干的树枝经常被用于墙面支撑。

没有垂直生长的树干和枝条被称为应力木。这在软木和硬木中体现出不同的特性。

在软木材中，由于受到压力而弯曲的树枝下方存在结构差异。这种木材的年轮较宽，导致偏离中心的树枝髓心上移。应力木的管胞（构成树干中心部分的狭长细胞）胞壁很厚，木材密度比一般木材大。然而，它们含有较少纤维素，并且纤维素链的方向不像通常情况下那样与细胞平行。因此，软木材比一般木材脆弱。

在这种木材上钉钉子，容易发生劈裂，染色时颜色分布不均匀，可能会在毫无预兆的情况下断裂。干燥会使木材不均匀地收缩，导致翘曲。所以，锯切这种木材非常危险，因为张力可能会导致木材弹向操作人员，甚至发生爆炸。

在硬木材中，弯曲的树干上方会形成异常纹理，这种树干称为应拉木。这种木材含有更多的纤维素，所以比一般木材坚韧。然而，在加工时，纤维结构会在木材表面留下“茸毛”（粗糙的感觉）。钉木材时可能也会出现问题。由于木材太硬，钉子会弯曲，因此需要事先钻好所有的钉孔。染色时的收缩和斑点问题与软木材相同。

应力木的最佳用途是做薪柴。

——来自澳大利亚维多利亚州马尔姆斯伯里的尼娜·伯德特

传统的长弓就是利用了木材的张力和压缩特性——不过做弓的木材来自树干。边材 ⁽²⁾ 易于拉伸，因而可做弓的外侧或背部，而不含活细胞的心材则构成了弓的内侧或腹部，能抵抗压力。

传统的英式长弓由西班牙或意大利的紫杉木制成，它们比英国紫杉木含水量少。这可能就是“箭术”（toxophily）这个高级词的由来，因为用于制造弓箭的紫杉木（Taxus baccata）是有毒的。

——来自英国大曼彻斯特郡斯托克波特的戴夫·休姆

飞来飞去的豹纹蝶

蝴蝶为什么要忽上忽下地翩翩起舞？

——来自加拿大安大略省金斯顿的德莫特·巴雷特

除了用来飞行，蝴蝶的翅膀还可以控制温度，即释放或吸收热量。这些动作往往很显眼，造成了物种的选择压力，它们会尽可能生动地像同类展现自己，抑或向捕食者发出警告：我们不好吃。

扁平且异常醒目的翅膀会受到青睐，这反过来限制了飞行风格，决定了它们只能以幅度更大、节奏更慢的方式扇动翅膀，而不是像它们的祖先那样高频、小幅度地扇动翅膀。

蝴蝶的飞行方式传达的视觉印象很重要。它们在空中上下扇动自己的“广告牌”，并用富有个性的空中舞蹈来加深这种印象。这能展现出它们适合作为伴侣的品质，赢得同类的认同。长途迁徙的蝴蝶，如帝王斑蝶，其飞行方式既不同于滑翔于丛林空地的蝴蝶，又不同于在紫苜蓿丛中舞蹈以吸引伴侣的斑缘豆粉蝶，也不同于悠然自得的珍蝶（只有愚蠢的鸟类才会想尝第二口）。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

自给自足

如果英国不引进任何食物，依靠自己生产，可持续养活的人口数量是多少？淡水显然也是一个重要的考虑因素。

——来自英国阿伯丁郡的吉姆·沃茨

如果英国不再进口任何食物，直接的后果就是市场驱动农村经济格局发生巨大变革。英国绝大部分农业都致力于肉类生产，不管是直接生产还是通过种植作为动物饲料的谷物。但是，肉类生产极为低效，通常要产出相同数量的食物，肉类所需的农场面积要比蔬菜多九倍——所以肉类食品会变得更昂贵。

为了养活人口，我们必须以素食为主，可能会加大肉鸡的批量生产或鱼的人工养殖。农村将主要用来生产蔬菜，大片的农田将种上菜豆、豌豆和其他豆类植物。而东南部地区的蔬菜可能会种在塑料大棚里。

讽刺的是，如果英国人养成这种饮食习惯，人们会变得更加健康长寿，最终导致短期人口增长。如果考虑到进一步的机械化生产、集约化培育、交叉育种、基因工程，以及可能出现的创新，三十年内，我们也许可以养活现有规模十倍的人口——大约五亿。

蔬菜生产需要大量的水资源，而英国就其面积来说是降雨最多的国家之一。问题是，老化的基础设施无法从西北部运输足够的水到东南部，因而只能采用抽水的办法来满足东南部迅速增长的人口的需求。重组英国供水网络将会很昂贵，但如果不重组，其代价是有人挨饿。那么，这笔钱总会筹到的。

——来自英国伦敦的尼格尔·帕尔默

楼上又搬出了关于植物与动物食品的那些谣言。是时候正确审视英国不同年份有机物生产及使用系统的相对产能了。

我之前考察过新西兰（农业生态系统与英国类似），结果发现，尽管谷物有助于确保每公顷土地能养活的人数，但在满足蛋白质需求方面，它们的效率远不如乳制品。豆类没有什么帮助。在收获谷物和播种下一轮作物之间，生产肉类或乳制品是我们利用生物量的唯一途径。

考虑到满足个人每日能量需求的成本，面包和黄油是比较合适的选择。奶酪则是满足蛋白质（或更准确地说是氨基酸）需求的最佳选择。

——来自新西兰科尔盖特的格雷姆·科尔斯

八头雏菊

在一门户外学习课上，我们偶然发现了一朵小花，我们认为那是八头小雏菊。是什么造就了这朵不同寻常的花？

——来自英国肯特郡坎特伯雷巴顿法院文法学校的托比·斯金纳和乔纳森·查普尔

茎的顶端，又称顶端分生组织，由未分化的细胞组成，具有从单个生长点长出茎、叶和花的潜力。当生长模式被破坏时，生长点可以产生多个融合茎。这被称为簇生（来自拉丁语fasces，意为“一捆棍子”），你看到的八头雏菊就是一个典型的例子。

在这个例子中，似乎只有花茎扁化，但是其实整株植物都有可能受到影响，也许乔木和灌木会长出扁平的桨状树枝，并在其边缘和顶端形成密集的叶簇。

这种被扰乱的生长可能是由昆虫攻击、真菌、细菌及生长条件差等引起的物理损伤造成的，但主要原因似乎是遗传变异。最近，一张福岛核电站周围的双头大滨菊的照片引发了媒体的热议。核辐射可能会引起这种变异，但这种花并不罕见。

这种性状可以遗传。在英国，我看到过许多双头蒲公英生长在一起，它们可能是同一株植物的后代。确实，拥有花哨的褶皱花头的鸡冠花就是由另一种苋科植物突变而来，之后被选择性育种。另一个基因突变的例子是扇尾柳，它弯曲扁平的枝条甚至令日本插花师艳羡不已。

这种现象也发生在各种各样的维管植物中，包括蕨类植物和仙人掌。这也不代表什么凶兆。这样的植物随处可见。事实上，我非常珍惜我家那株岁数不小的桂竹香，它枝条扁平，花朵纠结在一起，在我花园里最干旱的角落里活了下来。

——来自英国北约克郡欣德韦尔的克里斯·沃曼

松木的清香

圣诞树散发的气味究竟是什么？

——来自英国伦敦的托马斯·托宾

圣诞树散发的气味是针叶树在进化过程中产生的。数百万年来，这些树给自己装备了各式各样的化学武器，包括各种可以用作杀真菌剂和杀菌剂的物质，它们可以抑制大大小小的食草害虫。

这些化学物质的组合随树种的不同而不同，但它们通常由芳香族化合物组成，包括萜烯，如α-和β-蒎烯、柠檬烯和莰烯；以及酯类，如乙酸冰片酯。幸运的是，我们正好觉得这些气味很有吸引力——甚至把它们加到香水和空气清新剂中。

如果你碰巧有一棵人造树，你会闻到不同种类的酯的气味，可能是邻苯二甲酸酯或类似的物质，用于使塑料叶片更柔软和有韧性。如果可以的话，不妨在松香消毒剂中浸泡一些圣诞树的装饰品，给你的假日增添一些针叶树的香味。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

(1) 　一首描述忍冬属植物和野生植物恋爱的政治讽喻歌。

(2) 　位于树干外侧靠近树皮的部位，具有输导树液和贮藏营养物质的功能，会逐渐向坚硬的心材转化。

CHAPTER
06
偌大的世界

反曙暮辉

我是澳大利亚一名负责海上货运的海军军官。在南部海域，我们经常会看到一些壮观的景象。但是在2014年6月22日的黄昏时分，我目睹了罕见的一幕。与落日呈180°角的光线从地平线上散射出来。有谁能解释这种自然奇观吗？

——来自澳大利亚新南威尔士州的马丁·斯基珀

你看到的不是从地平线上散射出来的光，恰恰相反，是阴影线明显汇聚于一点。这被称为反曙暮辉，是观察者背后的夕阳透过云层投射阴影的结果。我们都熟悉这样的场景：阳光穿过云层的缝隙散射出来。那些光柱是平行的，只是因为我们在地面上观察，它们看上去才像是发散开来。这与远方的平行铁轨看似相交是一个道理。

黄昏时分，光线和云影几乎与地球表面平行，所以可以连绵几英里。空气中的灰尘或雾气可以将消失在我们背后的光线和阴影显现出来，并将它们汇聚于与太阳方向呈180°的对日点上。在海平面上，这种现象只发生在黎明或黄昏时分。然而，如果你站得足够高，这时候对日点将出现在可见的地平线之上，这样你就有更长的时间来观赏这种效果。所以登山者和像我这样的飞行员将有更多的机会看到它们。太阳西沉时分，登山者有时也可以看到他们身后的山脉投下的阴影。

——来自英国肯特郡海上西门的马丁·鲍威尔

朦胧的火焰

在威尔士的一个沙滩上，我经历了这辈子最严重的一次晒伤。那天天气阴沉，天空布满薄雾。我经常在盛夏去希腊的岛上度假，但是从来没有被晒成这样。这是什么原因？

——来自英国爱丁堡的尼尔·麦克诺坦

我猜，题主在威尔士的海滩上时错误地以为这种程度的光照很安全，因而没涂防晒霜。毕竟，看不到太阳，加上气温又低，晒伤的可能性很小。而在希腊的岛屿上，我猜人们会时不时涂点防晒霜，如果觉得太热，人们会躲到阴凉处。

不幸的是，导致皮肤晒伤的紫外线（UV）可以穿透云层。而薄雾正好起到扩散的作用，使你的皮肤被均匀地晒伤。更糟糕的是，沙滩和大海犹如镜子般反射了部分紫外线——可能会反射到未被太阳直射的皮肤上。这是我在瑞士阿尔卑斯山少女峰游玩时的经历：在户外待了不到一小时之后，我靴子以上的部位均被灼伤，因为雪地反射的日光穿过了我的裤腿下摆。

紫外辐射分为三个波段。UVA是最低频段，UVC是最高频段，同时也最危险，但幸运的是后者被臭氧层阻隔。造成晒伤的是UVB光。2004年，澳大利亚的研究报告称，透过云层缝隙的UVB辐射强度增加了40%。与人们的直觉相悖，一些研究结果显示：云层会增强紫外线辐射的强度。尽管其背后的发生机制尚不明确，但当紫外线被高空卷云折射，并被低空积云反射时，其增强效果似乎达到了最大。阴天强化了这种效果。紫外线对DNA造成损伤，会触发黑色素的生成，黑色素是一种光保护性色素，一种天然防晒剂，能减少进一步的损伤。

过多暴露于紫外线下会导致晒伤。UVB辐射强度取决于几个因素：一年中的时节（夏季较高）、一天中的时段（正午太阳最高时最强）、海拔高度（每上升1000米，紫外线强度增加约10%）、户外时间以及纬度。如果其他所有条件一致，你在希腊遭受的紫外线辐射强度更大，而威尔士的紫外线指数只有它的三分之二。令人惊讶的是，夏至时，希腊的阳光只比威尔士强烈约20%，但是，在云层对紫外线的增强作用下，或者你误认为仅在阳光灿烂的日子才会被晒伤，在较凉爽的天气无须涂抹防晒霜，威尔士的紫外线辐射反倒会更强。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿克尔德菲尔德的迈克·福洛斯

色彩能走多远？

彩虹的光能够从可见光谱向外延伸至多远？

——来自英国爱丁堡的格雷格·帕克

要形成彩虹，需要光以及能折射光的透明物质。然而，水只能被电磁波谱中以可见光为中心的少量电磁波穿透。来自太阳的红外线和紫外线只有部分可以到达地球。也许在土星的卫星泰坦上可以形成红外彩虹，这些波段能够穿透那里的大气层。

泰坦上气温太低，其表面无法形成液态水。地球上有水循环，泰坦上则有甲烷循环，由于液态甲烷也是透明的，所以甲烷雨可能会产生彩虹。这些彩虹的半径（弧度约49°）会比地球上（弧度约42.5°）的稍大一些，穿过泰坦的大气时会带出一丝橙色。但是，我们很难用肉眼发现它们，毕竟只有很少可见光可以穿透朦胧的天空到达地面。相比之下，彩虹的红外部分会很明亮，不过你需要戴特殊设备才能看到。它的弧度将超过50°。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

可见光的波长范围为400纳米（紫色光）至700纳米（远红外光）。彩虹的光谱取决于两个因素：水的吸收，主要以水蒸气（因为光必须穿过水滴才能形成彩虹）的形式吸收；光源，这里指的是太阳直射光。水中最适合传播波长为400纳米的光。这就是在水下一切看起来都呈蓝色的原因——长一些的波长被吸收了。波长不超过200纳米的紫外线可以在水中很好地传播，因此彩虹的紫色端的强度取决于光源。当彩虹形成时，来自太阳的紫外光被臭氧层吸收，然后通过所谓的瑞利散射分散在大气中。因此，到达地球的太阳直射光中的紫外线很弱，波长在300纳米以下的紫外线基本上无法通过大气层。它形成了彩虹光谱中较短的一端。彩虹的红外端与它颜色变淡更为相关。随着光的波长从700纳米增加到1000纳米，它在水中的透射率下降了90%。来自太阳的自然光也下降到峰值的一半，所以我们可以将1000纳米作为实际的上限。在波长增加到1000纳米之前，彩虹的颜色已经开始变淡呈现为暗淡的虹带。这是被大气中的氧气（762纳米）和水蒸气（约900纳米）吸收的结果。实际上，这向我们展示了300纳米到1000纳米的彩虹光谱，尽管红外端看上去十分模糊。

——来自澳大利亚新南威尔士州圣奥尔本斯的盖伊·考克斯

虽然这与你的问题没有直接关系，但大气对光的影响的一些已知细节值得我们去了解。我们经常听到天空呈现蔚蓝色是水蒸气对光的瑞利散射的结果。但实际上，臭氧才是主要原因，它吸收了以橙色为中心的“查普斯带”（Chappuis band）。黄昏时分，天空呈现清澈的蓝色主要是由于臭氧层。没有它，天穹将是灰暗的淡黄色，而不是我们看到的深蓝色。

——来自德国加兴欧洲南方天文台的退休天文学家罗伯特·福斯伯里

阳光普照

我在《新科学家》上读到，冬季在纬度高于约35°的地方晒太阳，人身上产生的维生素D几乎可以忽略不计。我在塔斯马尼亚（南纬40°）生活多年，一直在午后赤身晒日光浴，以促进维生素D的合成。难道一直以来我都是在白费工夫吗？

——来自澳大利亚塔斯马尼亚州德文波特的盖伊·伯恩斯

我住在俄勒冈州（北纬45°），多年来一直在测量紫外线辐射。在冬季的晴天，海平面上每平方厘米的UVB辐射强度可达100微瓦。这是盛夏时节UVB强度的25%～30%，是热带地区的五分之一。对于白皮肤的人来说，夏季每天晒15分钟，或在仲冬晒1小时，便可以获得足量的维生素D。皮肤较黑的人则需要更多光照。

题主应该确保在正午晒日光浴，因为无论在最高日照角的哪边，UVB的辐射水平都会在两小时内下降。当然，多云和雨雪都会减弱甚至消除UVB的作用，但在这种天气你也不会赤身裸体。

——来自美国俄勒冈州尤金的史蒂芬·约翰逊

极地贸易

如果我在南极买了1000吨金条，并以相同的价格在墨西哥出售，那我是不是亏本了？金条在赤道上的重量肯定比在南极轻，因为赤道的转速更快？

——来自英国汉普郡斯旺摩尔村的理查德·伯恩

地球表面各处的重力加速度确实略有不同，这部分是由于地球是椭圆形的，以及问题中暗示的引力变化。岩石的不同密度和大规模的地形特征则造成了更多局部地貌差异。例如，因冰川中含有大量水分，格陵兰岛周围的海平面就比没有冰川时高。此外，由于太阳和月亮的相对运动，地球表面重力加速度会在短期内发生轻微波动。

由于受到地球自转的影响，赤道比极地的加速度少了约0.3%。此外，赤道上突起的地方意味着此处的物体与极地的物体相比离地心更远，因此其加速度比极地又少了0.2%。物体的重量将比在两极多0.5%。墨西哥城海拔2000多米，远离地心。然而，墨西哥距离赤道还有一段距离，这就抵消了其他因素造成的影响。因此，我们可以估计，极地重1000吨的黄金在赤道上将减少至995吨。

所以，从理论上讲，如果你在赤道上买进，在两极卖出，可以大赚一笔。然而实际上，运输和安全成本令人望而却步。供求法则表明，当企鹅或北极熊是你仅有的客户时，你卖不出一个好价钱。此外，黄金通常会被铸造为标准质量的金锭——除非你可以说服客户用你自己的秤来称重，不然你就麻烦了。

——来自澳大利亚威尔士州纽卡斯尔大学工程学院的西蒙·艾弗森

离开地面

是什么阻碍了地热能的发展？地底下肯定藏着大量能源。

——来自英国布里斯托尔的罗伯特·沃茨

在寒冷的气候中，将地热能用于供暖意义非凡，局部“地区供暖”系统已经存在了几个世纪。如果你想利用它来发电，你需要尽可能找到最烫的水。在火山地区能轻易找到热水，但在其他地区，则需利用钻井和水力压裂技术才能获得地壳深处的热量。这使成本变得非常高，尤其是当你需要将水加热转化为600℃高温的蒸汽，以驱动目前最先进的发电设施时。通常，地表的水温比煤、油或天然气燃烧产生的蒸汽温度要低得多。因此，与化石燃料相比，地热能总是比较昂贵，但化石能源或许会因排放二氧化碳的问题被摒弃。

——来自英国剑桥大学三一学院的休·亨特

地图滞后

在古代的地图上，印度的版图通常比现在小得多。有时大概只有现在的一半大。显然，当时的水手可以判断距离，特别是沿着相对平坦的海岸线航行时。那么为什么会产生这种地图与版图不相符的情况？

——来自英国埃塞克斯的T. L.恩雷福尔

造成印度版图变化的根本原因是你无法将球面从球体上剥下来铺平且不变形。想象一下剥橘子皮的过程。你只能选择如何扭曲它：是保留区域、距离，还是方向，不可能面面俱到。任何为地球表面制作地图的方案都要面对这种妥协。

三维的球面无法用二维平面完美地呈现，只能根据制作地图的目的做出适当选择。16世纪的墨卡托投影保留了罗盘方向：经线和纬线呈直线（所有其他直线行程看起来都弯曲了，就像你在飞机上看到的飞行路线图）。罗盘方向的保留以及沿海地形的准确绘制正是水手关心的——毕竟他们是当时地图最重要的消费者。但是墨卡托投影有个很大的缺点：它将40千米的北极圈拉伸到与4000千米的赤道一样长。地图上，非洲看起来比格陵兰岛小得多，但实际上非洲的面积是格陵兰岛的14倍，而印度看起来也很小。

（墨卡托投影）

（高尔投影）

（莫尔韦德地图）

（温克尔三重投影）

所以在1855年出现了高尔投影，并于1973年以彼得斯投影之名重新流行起来。它压缩了极点附近的垂直距离，以弥补固有的水平方向的膨胀，结果导致北部国家（以及澳大利亚）难以辨认，但保留了每个国家的相对面积。如果你准备放弃矩形地图，半椭圆形的地图不失为一种好的选择，尽管边缘部分依然会失真：1805年出现的莫尔韦德地图是常见的等面积投影地图；美国国家地理协会采用了1921年问世的温克尔三重投影。

在线地图（如谷歌地图）仍然使用简化的墨卡托投影，因为其主要目的是在矩形地图上保留罗盘方向。

——来自美国加利福尼亚州圣地亚哥的罗恩·迪波尔德

闷热的机场

我注意到，希思罗机场常常是英国夏季气温最高的地方。为什么？

——来自英国伦敦的卡特里奥娜·休厄尔

希思罗机场位于英国东南部，而英国最温暖的地方绝对在东南部。这不仅因为这里是南方，在炎热的夏季，来自南方或东南方的温暖陆风也会最先抵达这里。

此外，还有一个因素：城市热岛效应。大多数城市的气温高于周边农村地区，因为密集的技术应用会产生余热，柏油路也比植被更易吸收太阳能。所以，伦敦的温度比其他地方都高也就不足为奇了。

但是，我不认为希思罗机场的气温一定比伦敦其他机场高。只是在它温度高时我们更容易关注到而已。事实上，迄今为止英国历史上最高温度的记录（2003年8月10日，38.5℃）并非诞生于伦敦，而是肯特郡的法弗舍姆镇。

——来自英国达勒姆郡达勒姆的威廉·托格森

关于色彩的困惑

如果可以用肉眼观察到亚原子粒子，它们会是什么颜色？

——来自英国怀特岛锡维尤的迈克尔·格林

大多数常见物体都可以反射光。当我们看东西时，看到的是它表面发散出来的光线。这些光线有两个来源。

如果投射在物体上的光是白光，那么我们看到的颜色源于未被物体表面吸收的可见光。所以物体呈现蓝色是因为它吸收了其他颜色的光，只剩下蓝色光被反射回来。如果光源中没有蓝色成分，则物体表面将呈现为黑色。

但光也可以来自物体本身。温度高于绝对零度的所有物体都在不断发射电磁波。在室温下，这些光的波长低于可见光谱，所以我们无法用肉眼看到（但可以借助红外护目镜看到）。但是，当物体变得足够热时，其电磁辐射就会进入可见光谱。它从较下方的红光开始（例如，发热的煤），随着物体升温而呈现出更多颜色，直到最终发出“白热”光。

如果你有一个孤立的亚原子粒子，例如孤立的电子、质子或中子，可见光谱中的光波经过它时不会发生相互作用，因为粒子太小。所以，不存在某种反射光可以让粒子呈现出你能看见的任何颜色。你看不到它，就像你看着本书这一页，却对漂浮在你和书之间的空气中的氧原子和氮原子视而不见。

用肉眼观察到这样的亚原子粒子的唯一途径是，把它加热到可以发射可见光谱波段的电磁波——它的颜色将取决于粒子的温度。

举一个日常的例子。我们的太阳是一个主要由发白光的自由质子和电子组成的等离子球。一些恒星的表面温度较低，因此其质子和电子看起来是红色，而其他恒星的表面温度较高，所以呈现为蓝色。

——来自澳大利亚新南威尔士州卡拉汉的西蒙·伊弗森

为了看到原子，我们需要光处于伽马射线范围内，伽马射线比可见光的波长短几百万倍，这意味着可怕的高能光子。

这样的光子去撞击粒子，或由粒子放射出来，就像用锤子击打它，使其发生偏转。这就是为什么伽马辐射对活细胞如此危险——它会使电子脱离原子。在这种光线中，原子呈现出伽马射线的颜色，但肉眼依然看不见，因为它的波长比可见光短得多。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

我可以自信地断言电子是绿色的，光子是蓝色的，如果我没记错的话，质子是黄色的。我记得在一家大型电子公司的食堂和同事讨论过这个问题，当时一位著名的物理学家愤然走到我们桌前，斥责我们胡说八道。我们花了一些时间向他解释，我们讨论的不过是一个培训视频中用动画形式呈现的粒子的颜色。

——来自英国康威郡阿贝尔格莱的詹姆斯·李

压力巨大？

我在《新科学家》上读到，地核所受的压力是360万个大气压。我原以为地核所受的压力为零，因为它是由引力引起的，由于其周围各个方向的拉力大小相等，所以核心处的压力应该为零。谁能讲清楚这其中的缘由？

——来自加拿大安大略省渥太华的肖恩·查兰

不要把任意点所受的压力与那一点所受的引力混淆。当然，引力在质量中心抵消，重量减为零。但地球内部其他任意一点的引力均指向其质量中心，这会增加所有更深处的点受到的压力。

想象一下鼓胀的气球：就算只对其外部施压，位于中心的气体也会倍感压力。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

太平洋马里亚纳海沟底部的压力超过一千个大气压。如果其他地方存在一个比它深一倍的海沟，那里的压力将是它的两倍以上。

地表以下越深的地方，压力越大。地心所受的压力源自约6400千米深的液态铁和其上的岩石层。

地心的引力为零，并不意味着地心以上的一切会突然失重。想象一下，当新加坡地下沉重的熔岩柱倒向地心时，地球另一端的厄瓜多尔地下的熔岩柱正朝相反的方向运动。

一个位于地心的物体可能会失重，但它就像是一粒被你用手指挤压的橙子籽。

——来自英国剑桥大学的休·亨特

磁极逆转

我经常在书上读到地球南北磁极偶尔“逆转”的消息。这种现象每隔多久出现一次？片刻之间？还是好几年一次？当这种变化发生时，磁层会“关闭”吗？还是就像一块磁铁反转180°那样，两极从地球表面滑过并经过赤道？

——来自马恩岛道格拉斯的杰弗里·克拉克

平均每30万年发生一次磁极逆转的现象，两极转换的过程要花几千年才能完成。磁场会弱化，但绝不会降到零。最近一次磁极逆转发生在78万年前，所以这之后的一次磁极逆转已经过了它本应该发生的时间。

（磁偏角）

地球会产生磁场是因为它的运行机制就像一台自动发电机。当熔融的外核冷却为固体内核的一部分时，潜热得到释放，催动了外核中的对流。地核中有金属元素，因而含有离域电子。对流和地球自转会导致这些电子移动，产生电流，从而形成磁场。

地磁仪是一种测量磁场强度和方向的装置，由卡尔·弗里德里希·高斯于1832年发明。为了测量更久远的地球磁场，英国利兹大学的戴维·格宾斯翻阅了早期远洋探险家的航海日志。那些海员利用指南针和六分仪进行导航，测量并记录磁偏角——正北方向和磁北方向之间的夹角。他们重构了地球的磁场强度，发现它比1860年弱了10%，这预示着磁极可能正在逆转。不过，磁场变弱也可能是因为其他因素的影响。

为了进一步了解这一过程，马里兰大学的丹尼尔·莱思罗普及其团队制作了一个由熔融钠构成的旋转球体，名为“三米发电机实验”。他们希望通过实验证明，旋转球作为发电机，会产生自己的磁场。这延续了威廉·吉尔伯特开创的传统。后者造了一个磁石球，取名为“小地球”，用来模拟地球磁场。他于1600年出版了《论磁》，其论证的先进性在两个世纪内未被超越。尽管近来已被许多人遗忘，但他开创了实验科学，深刻地影响了伽利略以及后来的科学家。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

我们听说有一个休眠了数百年甚至数千年的地下火山侵入体，其结构中的不同部分保留了明显不同的磁性定向。这印证了逆转现象确实会持续数千年之久。

这与我们研究这些事件的理论模型（诚然不够精确）大体上是一致的。这就是地质学家不太相信地球会上演“磁极逆转厄运”剧情的原因。在一个动物个体的一生中，磁场的变化不可能凌驾于其先前经验之上。

换个角度看，那些仅依靠磁场进行迁徙的动物将在每次磁极逆转时灭绝。利用多个判断方式比依赖一个显然可变的方式更可靠。例如，动物在夏季向北迁徙时，当它们对磁场的感应与“太阳从右眼方向升起”的经验法则不符时，只依赖其中一种线索的动物迁徙效率更差，后代的生存率更低。而结合这两种判断方式的动物将会幸存下来，更好地繁衍。

——来自英国阿伯丁郡的艾丹·卡利

冲浪

在无浪的日子里，冲浪者经常说要等待涨潮，因为有潮水推动时波浪会更大。波浪会随着潮水的到来而变高，这种说法有没有根据呢？

——来自英国康沃尔郡圣奥斯特尔的科林·里斯纳

一个字：有。激浪可能来自数千公里外的涌浪。涌浪在路过较深的区域时会加速，向外延伸的同时波高降低。相应地，越靠近海滩水越浅，浅水使每波涌浪最前端区域的速度降低。海水一浪叠一浪，直到最后卷曲成碎波。波浪移动越快，携带的能量就越大，成为碎波时声势就越惊人。

退潮时，潮水离开海滩。这降低了随后到来的涌浪涌向海滩的速度，从而削弱了激浪的能量。涨潮则会提高波浪冲向海滩的速度，从而增加激浪的能量。你可能会反驳，退潮和涨潮太慢，根本难以察觉，对于疾波来说确实如此。但是举个例子吧，北海的波浪较小，因此速度较慢，相对差异就比较明显。动能与速度的平方成正比，所以每小时2千米的速度差足以将细流变成巨浪。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

CHAPTER
07
物理学

原子键

如何从原子层面解释便利贴是怎么黏住东西的？

——来自英国伦敦的费利克斯·巴尔布尔

便利贴是高分子化学的经典应用。便利贴的发现过程十分有趣。1968年，斯潘塞·西尔弗试图制造出具有超强黏性的胶，结果却得到了一种黏性超弱的胶。但大多数发现都是意外，所以谁会对此不满呢？也许只有像我这样的学生才会抱怨，因为我们需要便利贴来提醒我们考试日期和作业。

便利贴使用的胶水是一种压敏黏合剂。这意味着你只需要施加轻微的压力，就可以将便签粘上。通过流动和阻力之间的平衡，便利贴和被粘物表面黏在了一起。黏合剂可以流动，正好填补表面的微小缝隙，但其流动性不强，因而只能留在原处。这导致了便利贴和物体表面的黏合。

如果进一步放大到分子层面，我们可以看到，对黏合强度贡献最大的是范德瓦耳斯力。当分子一侧的电子数多于另一侧时，产生偶极子（就像一个极小的磁铁）。这使得附近的另一个分子产生相反的偶极子，两者彼此黏合。范德瓦耳斯力通常很弱，但分子越大，它会越强。

——来自英国东萨塞克斯郡布赖顿的布拉德利·克拉克

便利贴的黏合剂与其他压敏接触黏合剂的物理机制大致相同：通过范德瓦耳斯力的结合，内聚力（黏胶分子彼此黏附）和黏附力（黏附到一切表面）达到恰到好处的平衡，与目标表面的微观形貌保持良好接触，从而实现黏合。

更有趣的问题是，便利贴是如何做到撕下来不破的。在使用时，揭下便利贴会在物体表面留下便利贴胶的细微痕迹，但这些痕迹小到不足以损害物体表面。其中的秘诀在于聚合物的分子结构，它将较大的团块连在一起，形成一个精密的网络。想象一下网球网的空隙大半被有黏性的球填满的样子。便利贴纸牢固地贴合在黏合剂（网球）的一侧，但是每个球体（或网球）只有一面朝外，正好碰到相邻球体的表面。

这会产生两个重要的效果：内聚力一定会大大超过黏附力，剥离物体表面的纸张时只能一个连着一个地扯下这些“小球”，任何一点，都只需要在一个集中点上施加一个很小的力，就像拉开拉链上的一个个链齿一样。强接触黏合剂的不同之处在于，它们将剥离力扩展到尽可能广的面积。这使得你很难只扯住任意一个点，而不同时带起相邻的黏性物质。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

彩色小点

我注意到，白天从远处看一个物体时，它的颜色会发生变化。例如，我看到我妻子在瑞士的一个湖边散步，我和她隔着600米或更远，她的粉色上衣看起来是白色的，而她的蓝色长裤看起来是粉色的。只有我们视线范围内的物体足够大，我们才能正确地辨别它们的颜色吗？

——来自英国德比的尼尔·克罗尔

在你的视野中心，存在一块很小的区域无法辨识蓝色。这种“视网膜中心蓝色盲”意味着，当蓝色色度不同的物体非常小时，就像从网球场另一头看一个网球，你会无法区分其色度。在这种情况下，白色和黄色、红色和洋红色、蓝色和黑色看起来都是一样的。

这种现象早就为人所知。海军信号旗的设计就考虑到了这一点，即使人们站在容易产生这种效应的距离看海军信号旗，也不会混淆它的颜色。同理，纹章的配色通常禁止白色背景上出现黄色图案，或黑色背景上出现蓝色图案，反之亦然。

——来自英国剑桥大学的动眼神经生理学教授罗杰·卡彭特

这种效应称为空间透视，它是风景画创作中的一项重要技巧。将一种颜料与白色颜料混合来稀释其亮度，以此模拟大气对远方物体的影响。这就是远方山丘呈现蓝色或紫色，以及你妻子衣服颜色变淡的原因。在风景画中，红色和黄色等明亮的颜色最好在前景中使用，而淡蓝色和其他被稀释的颜色则会给人深邃的幻觉。当然，野兽派打破了这些规则，他们偏爱超现实的强烈色彩，效果也非常好。

——来自澳大利亚新南威尔士州悉尼的英格丽德·班韦尔

磁感线

用铁屑显示条形磁铁的磁场时，铁屑会形成磁感线。但是磁场不应该是连续的吗？是什么产生了磁感线？为什么它们分布在磁铁的两侧，又在磁极汇聚？

——来自英国肯特郡的R.米尔顿

磁场能够透过其周围的材料，穿越空间。它是三维连续场，但我们经常用二维的磁感线展示它。磁感线并非物理存在，但却是一种揭示磁场方向和强度的简便方法。当铁屑分散在纸上，用条形磁铁在下面吸引，每片铁屑都会变成一个临时的小磁体，并与磁场对齐。所有铁屑形成的线会产生与磁铁相反的感应磁场，所以这些线相互排斥，彼此分离。

磁铁两侧的磁场较弱，相互排斥的现象比磁极处更明显。在磁极处，磁铁压制住了铁屑相互间的斥力，磁感线间距变小。将两枚5厘米长的钉子尖端靠近竖起的条形磁铁底部，就可以很好地展示这种相互间的斥力。轻轻地晃动磁铁，尝试让两枚钉子彼此碰触。这一运动令人着迷。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

磁场确实很平滑——直到你在其中放入铁屑。这些铁屑成了微型条形磁铁，它们的磁极与磁场相反。这会扭转它们的方向，让它们与磁场对齐，然后首尾相接。但是，由于条形磁铁不喜欢被并排摆放，所以它们彼此排斥，而且每条铁屑线都相互分开。

另一种说法是，通过抵抗磁化它们的磁场，铁屑削弱了所处环境的磁场，最终被推到剩余磁场最强的区域。你在边缘位置看到的逐渐减弱的磁感线是偶极场的天然形状。沿着磁轴，所有区域的磁场——我们可以想象构成条形磁铁的小磁铁——聚集起来，形成强大的磁场。当你偏离磁轴时，远离其中一个磁极，磁场会变弱，沿着磁铁逐渐减至最弱。当你接近另一个磁极时，磁场会再次增强。

——来自英国伯克希尔郡纽伯里的亚历克·考利

吸引力法则

我的工作会用到稀土磁体，大约32毫米宽，8毫米厚。四个这种磁体可以将一台1公斤重的设备牢牢地吸附在启动的推土机上。但是当装满1000个这种磁体的包裹抵达时，包裹周围却几乎没有磁场。这是为什么？

——来自澳大利亚昆士兰州洛塔的克里斯·西摩

当1000个磁体打包装船时，磁体被排列成圆柱状。每个圆柱体都是由一些32毫米宽、8毫米厚的磁体组成，上一个磁体的北极朝着下一个磁体的南极，因为不可能有别的堆叠方式。一堆磁体并不比一个磁体磁性更强。接下来，圆柱体将以极性交替的方式装箱。因此，封装完毕的包裹，其末端的北极和南极是交替排列的，犹如棋盘上交替的黑白格。

这样做是为了尽可能让交替堆叠的圆柱体的磁场彼此抵消。否则，运送磁铁将会很危险。包裹的末端仍然会有一定的磁性，但只要裹上一定厚度的包装材料，包裹外面便只会有一个非常微弱的磁场。

——来自美国俄克拉何马州塔尔萨的戴维·伊曼纽尔

泡泡游戏

为什么在水中释放的气泡上升时呈蘑菇状？

——来自英国伦敦的帕特里克·凯斯门特

气泡可以呈现许多不同的形状，这取决于它们的大小速度和水的纯度。空气和水的边界具有表面张力，因此静态气泡呈球形，以使表面积最小化。但在水中运动时，拖曳力会发挥作用。

你可能觉得气泡会呈现流线型的机翼形状。情况恰恰相反。根据伯努利定律，周围液体在经过气泡时会加速，导致气泡“赤道”周围压力下降。然后气泡膨胀，那些直径大于一毫米的在上升时呈圆盘状。

随着气泡变大，湍流会使它们发生振荡，从而产生额外的拖曳力，使其减速。气泡直径大于20毫米，不断增加的湍流将导致气泡进入所谓的球冠体系，即题主说的蘑菇状。气泡的上半部是半球形，但紧随其后的湍流会使气泡下方变成杂乱的细小气泡，它们不断破裂、聚合，直到被上升的球冠形气泡的尾波捕获。

气泡所受的压力在接近水面的过程中会变小，因此它在上升时会膨胀，更有可能进入球冠体系。距离水面越远，上升的气泡就有越长的时间可以碰撞和聚合，快速上升的大气泡往往会赶上并吞噬小气泡。该过程将持续到气泡达到形成球冠的临界大小。

——来自澳大利亚新南威尔士州卡拉汉的西蒙·伊弗森

不可思议的光

我有一块夜光手表。白天我把它放在朝南的窗台上充电，但表盘总是非常暗淡。一天晚上，手表暗到根本看不清时间，我用LED自行车灯照了一秒。手表立刻变得非常明亮。一秒钟的自行车灯光照怎么会比一整天的太阳光照更有效呢？

——来自英国牛津的P. J.斯图尔特

大部分会发光的手表表盘都涂有铝酸锶盐等荧光基质。当电磁辐射击中基质材料时，一些入射光子的能量正好可以使基质原子的电子跃迁到高能级。随后，这些被激发的电子恢复平静，同时释放出一个新的光子。

而荧光材料中的能量交换几乎会在瞬间完成，荧光材料可以将光子的能量束缚在三重态中，三重态的衰减可能需要几分钟甚至几小时。结果便是，荧光材料在初始辐射充电之后在一段不短的时间里持续发出低强度的光。

地球上太阳辐射的平均强度约为每平方米1.37千瓦，即太阳常数。所以在持续光照下，每秒钟有大约1焦耳的能量会击中7平方厘米的夜光表表盘。

但是，如果是在北半球整日朝南，它将无法持续受到阳光直射，接收到的能量将会少得多。

假设题主是在日落后不久观察表盘，由于西下的太阳只能斜斜投来微弱的光线，故表盘只能发出微弱的光。不管是哪种情况，随着电子跌落到低能级，表盘的能量不断泄漏。

相比之下，LED自行车灯的额定功率为3瓦。如果近距离对着手表闪烁一秒，3焦耳能量将全部投射到手表上，所以表盘会发出亮光。

白光的LED灯不仅比直射的阳光携带更多能量，还有可能发生蓝移，所以它会释放更高能量的光子，因而更有可能激发表盘中的电子。相比之下，阳光主要由能量较低的黄光和红外光组成。

不过，经过三小时的午后阳光照射后，表盘亮的时间肯定会比用LED灯闪射一秒后亮的时间更长。这是因为，增加照射时间也就增加了荧光材料中每个电子被光子击中的可能，因而可能引出更多三重态。

——来自英国赫特福德郡奇珀菲尔德的山姆·巴克顿

过去，夜光表上的涂层含有放射性物质和荧光基质。辐射持续激发荧光基质，使其在夜晚发出相同强度的亮光。当我还是个小学生时，我把盖格计数器 ⁽¹⁾ 放在我的手表上，惊讶地发现计数器反应强烈。

如今，夜光表涂有效果持久的荧光材料，这些荧光材料暴露在光下时会被激发。这个过程会持续一段时间，但激发出的能量很快会呈指数下降，而且手表只在荧光涂层被激发后的那一段时间显得很亮。所以白天一整天的暴晒几乎没什么用——只有最后几分钟有意义。

午后的大部分时间我都在户外，（澳大利亚的冬季）日落后半小时，我就看不清手表上的字了。但LED灯闪射在表盘上时，表盘会再次变亮。大功率白光LED灯可以放射出大量紫外线，有效激发荧光基质。白炽灯也可以，但效果较差。

——来自澳大利亚悉尼大学澳大利亚显微镜和微量分析中心的盖伊·考克斯

手表制造商在发光表盘上使用了不同的荧光材料。有些暴露在光下会发出明亮的光，但在几小时或更短的时间内便看不到了。还有一些材料不会发出那么明亮的光，但持续时间更长。我有一块手表，14天后表盘仍然清晰可辨。

将手表放在朝南的窗台上晒一整天可能会适得其反：在荧光材料饱和后，继续晒对其性能没有任何贡献，反而会使材料老化。

与其让手表在阳光下老化，不如在睡觉时用LED灯照射，可能会让它持续亮一晚。斜眼看向表的一侧可能会有用。视杆细胞集中于视网膜上离中心凹较远的区域，在弱光下比较活跃。

——来自英国北约克郡哈罗盖特的特伦斯·科林斯

发球时间

当高尔夫球手从球座上击球时，球座通常会卡在地面上，或者向前跃出几英尺。但有时，球座也会出现在玩家身后几米。这个奇怪的现象在力学上有什么解释？

——来自英国邓弗里斯郡莫弗特的彼得·鲍尔

这种情况偶尔会在使用球棒时出现。球座本身长约9厘米，通常由木头或塑料制成，顶部中空呈圆锥形，底部逐渐变细。球放置在球座顶部，底部2～3厘米垂直插入草皮。

当玩家正确击球时，球从球座顶部被扫走，球杆末端会擦过球座顶部几毫米。击球时，如果球座后倾放置，棒头将接近其弧线底部，但它的运行方向仍是略微向下的。

冲击力将球困在球座的锥顶，同时向球座施加向前和向下的作用力。高尔夫球手经常会夸草坪富有弹性。根据牛顿第三运动定律，球座放置在富含纤维的、潮湿的、有弹性的草坪上时，草皮将对球座产生方向相反、大小相等的推力，使球座向上和向后运动。

一旦球和球杆离开，这个反作用力就会占据主导。所以，如果草坪条件、球座的插入深度、冲击力的角度与方向都正好合适——即高尔夫球手所熟知的“古迪洛克带” ⁽²⁾ ——瞧，球座向后跑了。更多时候，球座会卡在地面上，向前倾斜，无法脱离草皮，或者向上旋转，离开地面，然后垂直掉落或掉落在稍微向前一点的位置。

据说只有完美的击球才能使球座向后飞，这点有许多例证，但也许我们应该将这归功于历史上最伟大的高尔夫球员“金熊”杰克·尼克劳斯。

——来自英国汉普郡朴次茅斯高尔夫中心的美国职业高尔夫球手特里·希利

几年前，当我还是一个充满激情的高尔夫球手时，我想到了这个问题，做了一些实验。

我得出结论，这种变化的主要原因在于露出草坪的球座高度，或者说它插入地面的深度。大多数高尔夫球手击球时都会击中球座顶部。如果球座比较高，一旦离开地面，球座就会向前移动。当它在地面上插得很松时，会跟着球杆运动。

但是，如果球座低，它就可能往回撤。现在，球座的大部分会被插入地面，它在发球时获得的动力不足以使它被拽出，但仍然会将它向前推。这会扩大它的洞，削弱它的抓地力。球座通常由柔韧的塑料制成，可以向后反弹，球座松动时，它将朝这个方向跃出地面。这可能不适用于旧式的木制球座，后者可能会断裂。

球的运动则毫无规律可言。有一次，我在第一个球座上把球打歪了。它撞到我面前的一个混凝土标记上，从我头顶飞过，在俱乐部的屋顶弹起，最终落入第18号果岭。我还有两杆……

——来自法国圣梅曼的戴夫·比肯森

透过滤镜看水

作为一名摄影师，我一直在想，为什么水、叶子和玻璃反射的光会受到偏光滤镜的影响，金属表面反射的光却不会。

——乔·马丁内斯，通过电子邮件

金属中的自由电子与光波的相互作用方式是产生这种差异的根本原因。菲涅耳方程是理解这一点的关键，它根据不同材料的折射率，描述了它们对光的反射能力。这些计算取决于光在两个平面中的偏振：垂直于入射平面的s偏振和平行于入射平面的p偏振。

从方程得知，当入射角为所谓的布儒斯特角时，p偏振光的量将降至最低。玻璃、透明塑料和水的折射率在1.33到1.6之间。这导致布儒斯特角在50°～60°之间，p偏振光的反射率降为零。

所以，如果你的滤镜阻挡了s波，你将看不到任何反射光。对于金属来说，情况更复杂。金属的折射率是“复数”，具有实部和虚部。虚部的数值非常大，它描述了金属吸收光的强度。将其代入菲涅耳方程，布儒斯特角变大，达到约85°。p偏振光的反射率只降低了一点，可能会下降到74%，因此滤镜不会产生强烈的对比。

当然，树叶是复杂的材料组合。它含有大量的水，没有自由电子，但会吸收太阳光。其折射率不容易计算，但介于水和金属之间。它具有较大的虚部，但比金属小得多。所以可想而知，滤镜对叶片的影响较弱。

——来自英国南安普敦的哈维·拉特

中间不长毛

上七年级的课程时，我们把盐水倒入蒸发皿，放在采光良好的窗户边上。最后，几个学生的蒸发皿底部出现了盐结晶，边缘覆盖着厚厚的盐层，但介于两者之间的区域却什么都没有。为什么会这样？

——来自英国柴郡克鲁圣托马斯摩尔学校的霍尔登先生和7Y2

实际上蒸发皿底部和边缘中间沉积了薄薄一层盐。真正的问题是，为什么离液体更远的区域形成的晶体层更厚。这是毛细吸力和蒸发的综合结果。在液体边缘，表面张力使溶液贴着内壁微微上移。这层溶液很薄且表面积-体积比高，因此具有较高的蒸发速率，导致盐晶体在蒸发皿边缘附近沉淀。

这将进一步使溶液表面变得高底不平，毛细吸力继续向上吸收贴着皿壁的溶液。溶液向上移动得越远，蒸发得越快，析出的高浓度盐回到溶液的可能性就越小。因此，蒸发皿边缘处的溶液会以更快的速度饱和，沉积的过程也会加速。

最终，液体被吸到足够远的地方，以至蒸发的速率等于毛细管的最大流速，此时大部分盐结晶出来，形成你看到的那层厚厚的沉积物。我见过在蒸发速率非常低的情况下，沉积的盐一直堆积到了蒸发皿外，甚至工作台上。

——来自澳大利亚新南威尔士州卡拉汉的西蒙·伊弗森

有些蒸发皿有细微的孔洞，溶解的盐可以透过陶土转移。最高处的水分会优先蒸发，使盐沉淀在蒸发皿边缘。中段的溶液太稀，浓度太低，以至无法形成晶体。

作为一个陶匠，我在多孔的碗中回收陶土泥时，看到了这一现象：陶土中溶解的盐只会沉积在顶部。埃及人利用盐分的迁移来使陶罐自动上釉。盐分将转移到陶器外部，然后在煅烧时与陶土中的二氧化硅结合，形成釉料。

现在，陶匠将可溶的钠盐加到志野釉中以捕获碳元素，从而获得炭灰色斑点图案。钠跟随釉料中的水转移到陶罐的外部和顶部。钠化合物在烧制初期融化，如果窑膛中含有大量烟灰，且温度合适，烟灰将被纳入釉料，形成成品陶罐上的黑色区域。

——来自加拿大安大略省纽马基特的珍妮弗·阿辛克

肥皂泡

我女儿吹泡泡时，我们惊讶地发现，气泡的颜色不尽相同，有些呈蓝色，有些呈绿色，有些则是红色、粉色或橙色。有时气泡的外部是一种颜色，内部却是另一种颜色。起初我们以为这和气泡大小或阳光照射的角度有关。但并不是。大小不一的气泡颜色可以相同，并且不管向哪边飘移，它的颜色都保持不变。

不同颜色的气泡都是用相同的肥皂水吹出来的，所以我们认为这肯定跟肥皂的化学成分有关。有人可以进一步解释吗？

——来自英国萨塞克斯郡黑斯廷斯的基思和乔安娜·哈姆利

肥皂泡的物理学原理是一个引人入胜的课题。颜色最有可能是由泡沫内外表面反射的光线之间的薄膜干涉引起的。某些波长的光会产生建设性的干涉，形成亮丽的颜色，这取决于气泡壁的厚度。当气泡蒸发时，气泡壁的厚度会发生变化，颜色也会跟着变化。

由于肥皂水在重力作用下向下流动，气泡壁的厚度也会上下不均，故而会形成横向的颜色带。这种现象可以通过增加肥皂溶液浓度来克服，例如加入甘油。当气泡壁变得非常薄时——比可见光的波长更短——颜色将消失。这些区域是透明的，但由于它们通常被有色区域包围，因此可能看起来颜色很深。这些色斑出现几秒后，气泡就会爆裂。

你也可以向皂液中加入染料来制造颜色。然而，大多数水溶性染料将不起作用，因为气泡壁很薄，并且水都聚集在气泡底部。染料需要与用于制备溶液的肥皂结合。我们本地的一个溜冰场定期为幼儿举办“小家伙俱乐部”活动，他们经常为孩子们制作肥皂泡。冷空气和高湿度的环境可以使气泡的持续时间长达一分钟，展现出色彩斑斓的奇异景象。

——来自澳大利亚新南威尔士州曼利的比尔·坦戈

摇摇晃晃

许多人看过英格兰北部M62高速公路上的电线杆摇摆的视频。这些电线杆在大风天无规律地摇摆，新闻报道说涡旋是罪魁祸首。这是什么意思？

——来自英国西约克郡克莱克希顿的乔伊斯·奥黑尔

当气流经过诸如电线杆或烟囱等垂直障碍物时，障碍物的一侧将形成涡旋。然后这个涡旋挣脱，紧接着在另一侧形成方向相反的涡旋，这个过程有规律地交替出现。

涡流或涡旋的脱离会在障碍物的每一侧产生有规律的压力变化，如果这与障碍物固有的振荡频率一致，则引起共振，比如视频中的电线杆。如果晃动持续下去，使得振荡加强，障碍物可能会倒塌。在20世纪60年代初期，英国赫尔附近的塞尔坦德有一家蒸馏酒厂，那里有一个30米高的钢铁铸造的焚烧烟囱。当时风速仅为每小时35千米，尽管有拉索固定，烟囱仍剧烈晃动。

烟囱毁坏得很严重，所以公司把这个问题交给了国家物理实验室。他们的解决方案是在烟囱上加焊螺旋翅片——破风圈，这使得处于烟囱不同高度的涡旋在不同时间脱离烟囱，从而防止了自振的出现。现在，世界各地的金属烟囱上都可以看到这种螺旋设计。每次看到这样的烟囱，我就会回想起我工作过的那家酿酒厂的烟囱，那可是它们的前辈。

涡旋脱落也会导致悬索桥的纵索出现问题。在桥上安装螺旋翅片不切实际，但在缆索上特定的地方加装哑铃似的重物可以解决这个问题，这样可以控制其固有振动，从而降低缆索因疲劳而断裂的风险。

——来自英国东约克郡赫登的托尼·芬恩

日常生活中有很多涡旋，只不过我们很少注意到。风吹过松树发出的呼啸声，树叶摆动，旗帜飘扬，这些都是涡旋引起的。帆船船员可以在未系紧的飞舞的船帆中发现它们，在绳索的嗡嗡声中听到它们，晚上还会被绳索撞击桅杆的声音惊扰。当风吹过时，我们可以听到架在空中的电缆或电话线甚至铁丝网在“唱歌”。显然，在嘈杂的城市中很难听到这些，但在僻静的乡村小径上能听到。

有时，当溪水流过岩石或空气中有烟尘飘荡时，我们可以看见涡旋。流体所到之处几乎都可以形成涡旋，特别是在低黏滞性流体中，如空气和水。任何非流线型的物体都会在其下游或下风侧造成或大或小的涡流或涡旋。

你有没有想过，为什么直升机拖着的旗子不会像微风中旗杆上的旗子一样啪啪作响。当涡旋脱离时，系在旗杆上或直升机下方的旗子开始飘扬。大直径的杆会产生大的涡旋，最终可能会导致旗子破碎，任何看过破旧的旗子在大风中疯狂舞动的人都可以做证。而直升机下方系旗帜的细线产生的涡旋更小更快，只会让旗子荡起细细的波纹。

通常，涡旋在物体的左侧和右侧交替形成，同时流体的每个涡旋都会对涡旋的来源施加一个很小的力。它们交替出现的频率取决于物体的大小和流速。当涡旋同步或同相 ⁽³⁾ 时，合力会越来越大，变得具有破坏性——不受控制的涡旋可能会造成严重的破坏。

涡旋也可以很有用，它在工业上被用于流体流量的简易测量。在一个管道内放置一个物体就能产生涡旋。压力传感器将涡旋检测为交流脉冲，且脉冲速率与流速成正比。

——来自澳大利亚西澳大利亚州斯特林的马丁·格林伍德

咖啡奶昔

我住在苏格兰岛，经常往返于苏格兰岛和大陆之间。渡轮上的振动会在咖啡表面形成有趣的干涉图案。图案在杯子放下后瞬间形成，然后保持不变。我推测，波在杯壁间不断反射，随后的波会加强之前的波。咖啡越喝越少，波纹仍然保持不变。为了更好地研究，也许下次我应该调查一下啤酒是否也会产生同样的效应！谁能解释一下这种现象是如何产生的？不胜感激！

——来自英国马尔岛托伯莫里的杰克·哈里森

当反射波与出射波以相同的相位返回到起点时，杯中将形成驻波。这些反射波又会叠加到下一个出射波上。在渡轮上，如果你拿起杯子，波纹就会消失。这看起来好像是你吸收了渡轮的振动，但是因为你身体里含有大量水，你只会吸收部分振动。实际上，振动在传入咖啡之前，已经被坚硬的杯壁反射回你的手中。

可以做这样一个实验：下次旅行时，把你的前臂放在正在振动的桌子上，然后端起咖啡。振动的图案将会消失。这时把同一只手的一根手指伸进咖啡，你可能会看到图案再次出现（最好等到咖啡冷却）。桌子的振动通过你的手指传递给了咖啡。

对于看到这个问题又不打算坐渡轮的人来说，我建议你看看我拍的关于煮熟的意大利面的声学特性的视频。

——杰里米·霍克斯，通过电子邮件

你不必为了看咖啡中的圆形波纹而登上去托伯莫里的渡轮。一个很棒的小实验就可以制造出这个效果。找到可变直流电源、玩具马达和一个能装在马达轴上的轮子，然后将一个小螺母粘在轮子上，使其晃动着旋转起来。

将马达贴在杯子的侧面，应该可以制造出问题中所描述的驻波图案。这种看似固定的波纹被称为毛细波，主要受到表面张力的影响。它们也被称为法拉第波，因为迈克尔·法拉第于1831年首次描述了它们。波的图案取决于振动的频率，所以渡轮上的咖啡波纹可以用来估算船的发动机转数。在更高的频率下，毛细波会形成更复杂的图案，这时可能会出现更棘手的案例。

——尼尔·A.唐尼，通过电子邮件

沐浴在热气中

一天晚上，我洗了一个热水澡，为了不让热量浪费掉，我一直没有拔浴缸的塞子，直到水把热量全部释放到屋子里。但什么时候才是拔出塞子的最佳时机？我应该等到水与室内空气的温度相同时，还是应该将水留在浴缸里，然后在室外温度处于最低时拔出塞子？

——来自英国伯克郡雷丁的马特·拉特

水有两个作用。在冷却到环境温度之前，它会释放热量，同时它也是蓄热体。假设浴缸中的水的温度与你家周围环境的温度相当，而且热量只能以固定的速度离开房屋，满满一浴缸水将导致房屋以较慢的速度冷却，但房子内部的温度也需要更长时间才会升起来。

最有效的做法是，在室内温度降到最低时，将浴缸里所有的水排出——你可能需要一个温度计。此时排出浴缸里的水将降低热质量，随着室外温度再次升高，房屋内部会更快地暖和起来，因为热量不会被浪费在提高水温上。

——来自澳大利亚西澳大利亚州卡尔古利的尼尔·艾尔

完蛋了

大型强子对撞机中加速的粒子如果撞到人体会发生什么？如果若干粒子以彼此为目标在你身体内部碰撞，或与你身体内的粒子碰撞，会发生什么？

——来自英国利兹的米克·约翰逊

至少有一个不幸的家伙——阿纳托利·布戈尔斯基——曾被高能粒子束击中过。1978年，他的头被粒子加速器（苏联U-70同步加速器）的质子束击中。他说他看到比一千个太阳还要亮的光一闪而过，但没有立刻感到疼痛。在接下来的几天里，他受伤的程度变得愈来愈明显——质子束贯穿他的脸部，导致他脸上一半的皮肤被烧伤，还带来了各种并发症。

令医生惊奇的是，他居然幸存了下来，尽管伴随着终生的症状。目前还不清楚事故发生时，光束是否以70千兆电子伏的最高能量运行。如果具有6.5万亿电子伏能量的“大型强子对撞机”（其能量大近100倍并且在撞击处还会加倍）也发生了同样的事故，后果将不堪设想。

20世纪80年代中期，雷·考克斯成为臭名昭著的Therac-25放射治疗机在北美的受害者之一。由于硬件和软件设计上的漏洞，他被电子束击中，所受辐射的强度超出预期辐射量一百倍以上。用他自己的话来说，像是经历了“一场激烈的电击”，他痛得尖叫着逃离了治疗室。还有一些受害者，则是死于有缺陷的设备导致的辐射中毒。而这台机器的光束能量仅为25兆电子伏。

——来自英国伦敦的理查德·米勒

消散的波

声波会随着距离的增加逐渐衰减。然而，我们可以看到从数十亿光年外传来的光波。为什么入射光波没有在被我们看到之前就耗散？

——来自新西兰奥克兰的安东尼·特纳

答案在于，光在真空中传播时不会消耗能量，而声音不能在真空中传播，必须通过介质。

当声波或光波通过介质时，会被吸收掉一部分能量。即使在透明介质中传播，光波也会被吸收，损失能量的多少通常取决于光的波长。例如，在海洋中，可见光谱中的大部分红光在水下约10米内耗散，即使在非常清澈的水中，也几乎没有哪种波长的光可以到达水下50多米的地方。相比之下，在水中传播时，声音通常比光线衰减更少。当然，即使潜水员看不到船只，也可以听到发动机和螺旋桨的声音。

除非被阻挡物吸收，否则来自点源的声音或光线会向四面八方传播，其能量会沿着一个虚拟球体的表面扩散，这个球体随着时间越变越大。因此，声音（或光）会在远离点源时逐步耗散，其中部分原因是它的能量分布在了更大的表面上。当然，如果恒星和银河系没有辐射出如此多的光能，我们也无法看到远在数十亿光年外的它们。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

寒风

进入地球大气层的物体受到空气的摩擦，极易产生巨大的热量，所以返回地球的航天器必须具有良好的绝热性，而陨石和小行星则会燃烧起来。我必须走多快才能感受到空气摩擦产生的热量？当我骑着自行车快速下坡时，我只感觉到越来越凉快。

——来自英国伦敦的本·科德尔

我怀疑，当你骑自行车下坡时，你感觉到的是从你身边经过的冷空气，或汇集在山谷里的冷空气：逆温现象。在我还是一个小男孩时，在安静的冬天早上，寒冷的空气经常让我喘不上气。

为了感受到空气摩擦产生的热量，你必须打破很多纪录，骑坏很多辆自行车。即使是速度为每小时900千米的长途客机，其表面温度也只比对流层上层空气高了约30℃——仍然远低于冰点。

在超声速下，飞机确实会变热很多。协和式客机常常烫到无法触摸：机头温度高于120℃，机尾高于80℃。事实上，发动机功率对飞机的最大航速的影响不如飞机的铝合金表面可承受的最高温度。这样的温度会使机身扭曲，但不会像美国洛克希德公司的马赫3高空战略侦察机“黑鸟”那般严重，它的机身表面可承受的最高温度超过了300℃，需要特殊的工程和建筑材料来应对飞机在飞行过程中因温度升高而发生的膨胀。

由于缺乏可以承受其运行温度的密封胶，直到起飞后热起来之前，“黑鸟”一直在漏油。幸运的是，要感受到空气摩擦产生的热量，你需要达到一个骑行速度，在这个速度下，气流会让你皮肤脱落。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

进入大气的物体温度升高跟直接的摩擦关系不大，主要因为其周围空气的快速压缩。空气中的分子相互摩擦（即碰撞）产生热量，并将其传递给从中穿过的物体。这与你给轮胎打气时打气筒发热的情况类似。然而，这种效果只在超声速下比较显著，在这种情况下受到压缩的空气无法逃离。

——来自英国埃塞克斯郡哈洛的彼得·梅比

黏脚的冰面

最近，我观看了冬季奥运会上的雪橇比赛，现场雾气蒙蒙。评论员说，雾气产生的额外水汽会“沾在滑道上”，从而减慢选手的速度。怎么会减慢？我认为空气中额外的水分会使滑道更滑，选手可以滑得更快。

——来自英国伦敦的阿雷梅尼斯·潘久

雪橇比赛成功的本质在于速度。先在水泥道上一层层铺设几毫米厚的冰，几天后达到约5厘米。水泥道配有管道系统，这样氨制冷剂能在其中流动，使冰面温度保持在零下6℃左右。负责监控滑道的高手会在滑道及其周围安装传感器，实时掌握滑道的各方面情况，及时进行优化，以免影响滑行速度。

而大自然却很难掌控，湿度可能会造成麻烦。如果温度下降到露点，水汽会在空气中凝结，冰上会结霜。这层霜会成为雪橇的制动器。比赛前，滑道将被刮平，以确保滑道上没有拖缓雪橇速度的霜或凸起。

晚上在冰面上行走，你可能无法感受到霜冻的摩擦力，等第二天早晨冰面结霜后再走一次，你会发现，冰面的阻力大大提升了。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

(1) 　一种用于检测电离辐射（放射性）的仪器。

(2) 　源于童话《金发姑娘和三只熊》。意为不多不少，恰到好处。

(3) 　若两波的波峰（或波谷）同时抵达同一地点，则称两波在该点同相。

CHAPTER
08
飞机、火车和汽车

碎石道床

铁路枕木经常铺在一层碎石床上，这些碎石被称为道砟。道砟铺开的范围明显超过了枕木的宽度，并且铺得相当厚。为什么道砟必须是石头呢？从物理学或经济学的角度看，可以使用其他材料吗？

——来自澳大利亚昆士兰州的彼得·布里格

道砟为铁路轨道提供了坚实的表面，并分散了地基承受的压力。要实现这一点，需确保道砟排水良好。铺得足够多的道砟可以分散压力。为了限制轨道横向移动，道砟沿着轨道两侧向外铺开。

道砟技术在应用于铁路之前，已用于普通道路修建，至今已经发展了数百年。人们很难再找出一种能够像石头那样经济实惠的材料。合适的硬石块会比较耐磨。碎石的不规则特性意味着它们可以形成互相咬合的坚实结构，而这是球形颗粒办不到的。当然了，石头之间的罅隙可迅速排去积水。

然而，道砟也存在问题。道砟需要品质合适的碎石，并且必须小心谨慎地铺设。即便如此，碎石的品质也会随着时间的推移而降低。人们必须添加更多的道砟，并将其轧实（或填满）。土壤、路过的火车留下的污染物，甚至道砟磨损后产生的石碴等，都会损害排水效果。

以前，人们必须使用新的材料替换旧的道砟，但是现在有专门的火车可以运走道砟，将其清理干净并铺回原处。然而，铺设道砟并不是实现轨道坚固、平稳的唯一途径。在轨道下铺设混凝土道床越来越普遍。利用现代化机械，人们可以快速、轻松地铺设轨道，而且这种轨道非常耐磨损。它比道砟轨道更昂贵，但它的特性使它更适应特殊情形。一个常见的例子是，在隧道中，为了确保空中的电气化线路正常工作，轨道高度必须更低。由于混凝土道床比道砟浅，因而不必往下挖掘隧道的地基，可以直接铺设。

——来自英国德比市的格林·威廉斯

格林·威廉斯谈到了道砟，却没有提到所使用的岩石的性质，这是个重要因素。理想的岩石应该兼具坚韧性和稳定性。矿物学家使用岩相显微镜检查有可能用作道砟的样品石剖面。他们在寻找矿物质暴露于空气、水以及压力等因素之下时会损坏的证据。

在澳大利亚的一些地区，理想的石块必须远程输送，地表能找到的大部分古老岩石都已经风化。这意味着，出于经济因素，使用的道砟材料通常不太理想。矿场很有用，因为被带出地面的矿山废料还没怎么风化。但是，这种材料可能会引发其他问题。

比如，从镍矿挖采的道砟导致金属轨枕严重退化，因为它含有大量的磁黄铁矿，这是一种非常不稳定的硫化铁。被氧化的磁黄铁矿会产生硫酸，从而迅速腐蚀金属轨枕。

混凝土道床也不是万无一失的解决方案。无处不在的“混凝土癌症”——水泥浆与岩石集料发生反应，导致混凝土开裂和剥落——直接导致岩石不再适用。

——来自澳大利亚西澳大利亚州马拉加汤恩德矿物实验室的罗杰·汤恩德

翘曲的小翼

许多飞机的翼尖会向上折起，以减少大气涡流。风力发电机叶片上却没有相同的结构——它们不会遇到同样的问题吗？

——来自百慕大哈密尔顿教区的安德鲁·R.多布尔

飞机机翼上折起的翼尖被称为翼梢小翼，用来减少阻力，而非涡流。机翼由于上下表面的压强差产生升力，但是在翼尖附近，这两个压力场相遇，导致气流从高压区流向低压区。这种流动形成了翼尖涡流，它将气流拽向机翼尾部，形成下洗流。升力与下洗流方向垂直，因此，如果气流在机翼后缘产生一个下洗速度，则升力的一个分力会向后作用，与机翼的运动方向相反。这被称为诱导阻力。

可以通过改变机翼的形状使诱导阻力最小化，例如，第二次世界大战期间，喷火战机的机翼被设计成了优美的椭圆形。另一方面，翼梢小翼给上下表面之间的气流设置了一道物理屏障，以减少这种阻力，代价是摩擦力加大，重量增加。

机翼越长越薄，受到翼尖涡流的影响就越小。由于风力涡轮机的薄叶片非常长，所以在尖端添加小翼带来的结构弊端大于减小诱导阻力带来的好处。

——来自英国剑桥的丹尼尔·萨默贝尔

楼上在解释翼梢小翼（翼梢上折起的小翼面）的工作原理时对机翼产生升力的方式存在误解。他说升力是因机翼上下表面之间的压强差产生的。

机翼上下确实存在压力差，这完美地解答了小翼的问题，楼上的回答解释得很好。但是假设这种差异会产生升力就不对了。

牛顿力学可以更好、更简单地解释这一点：简而言之，尖端轻微上翘的机翼会使气流向下偏转。这种气流将产生大小相等、方向相反的升力。

——来自加拿大安大略省温索尔的私人飞行员保罗·哈格里夫斯

取消航班

11月初，英国机场因大雾天气大面积取消航班。为什么雾会干扰飞机的起飞和降落？我敢肯定技术可以消灭这种干扰。

——来自英国北安普敦的艾伦·彭罗斯

在正常着陆期间，当飞行高度临近“决断高度”（通常高于跑道200英尺）时，飞行员开始手动驾驶飞机。当云底低于此高度，或大雾降低了地表能见度时，如今的飞机确实能够自动着陆。

然而，空中交通管制员无法用肉眼辨别前一架飞机是否已经腾空跑道，因此会加大飞机着陆的间隔。同样，为了避免对着陆系统的无线电信号造成干扰，管制员不允许即将起飞的飞机在跑道末端排队，因此离港率也会受到影响。

这减少了每小时可以起降的飞机数。客流量大的机场，其起降容量已接近跑道的最大容量，要让起降过程慢下来，唯一方法是延迟或取消其他航班。

因此，相对冷清的机场在可见度不佳的时候反倒不太可能出现航班延迟或取消的情况。在希思罗和盖特威克这种每条跑道平均每小时起降航班数比其他任何机场都要多的地方，大雾的影响尤为严重。

——来自英国牛津郡卡特顿的史蒂夫·布罗德本特

1972年，我第一次乘坐大型商用客机（一架VC10）。作为滑翔机飞行员，我非常想了解客机飞行员如何在华盛顿特区附近的杜勒斯机场着陆。

那是一个晴天，我坐在窗边，看着飞机犹疑地缓缓降落，最终在跑道的最远端停了下来。奇怪，我心想。接着，飞行员宣布：“女士们，先生们，这架飞机配备了可以在大雾天自动着陆的设备，所以我想尝试下。但失败了！”

——来自英国德比郡马特洛克的布赖恩·科登

脱轨

有一次下大暴雨，我正坐在行驶的车厢里，望着窗外的导电轨。我想知道湿陶瓷支架会造成多少电力损耗。降雨时，这是否足以使局部地区产生显著的电压降？

——来自英国布赖顿的杰夫·布莱思

我对电力供应系统有些了解，但暴雨中高压电力的传输原理与电气化铁路系统的原理相似。

与其说电力“损耗”，不如说是电流通过陶瓷支架或绝缘子时发生了泄漏。应当指出的是，与电视节目中表现的恰恰相反，雨水的导电能力很差。轨道绝缘子也被设计成了特殊的形状，以确保带电导体和土壤之间没有连续的潮湿表面。和火车启动时所需的电流相比，因这些因素泄漏的电流微乎其微。

——来自英国萨默塞特郡朗阿什顿的彼得·史密斯

磨损的轮胎

站在繁忙的高速公路旁，你可以听到大部分噪声来自汽车轮胎。有什么办法可以减少这种噪声，同时保留较为理想的轮胎性能，如抓地力？

——来自美国加利福尼亚州米尔瓦利斯的唐·朱伊特

过去二十年，欧盟对这个议题进行了大量研究。我在英国公路局研究交通噪声期间，一系列更安静的路面被研发出来。我对路面进行了长期的测试，监测其耐磨性和防滑性，以及它在标准路边测试中释放的噪声量。

轮胎与刻意粗糙化以提高防滑性的路面在相互作用时会产生一些问题。由于长路段使用混凝土路面既耐用又经济，混凝土在美国已经被广泛使用，但它很难兼具平滑的滚动面和良好的防滑性。

美国已经对一些旧的混凝土路面进行了改造：使用金刚石锯切割路面上的纵向槽，以利于排水。结果，轮胎的噪声降低，可能比经过横向刷洗（提供防滑力）的英国混凝土高速公路上的噪声要低。然而，混凝土的切割和重新打磨是一个缓慢而昂贵的过程。

——来自英国蒙茅斯郡兰加比的彼得·金西

噪声来自轮胎与路面的相互作用。因此，路面的特征会对噪声产生很大影响。在我的祖国荷兰，许多高速公路表面涂有ZOAB，这是荷兰语中“开放的沥青混凝土”的首字母缩写。高孔隙率的路面可以使声音向下、向上以及向外扩散，从而大幅降低噪声。无论是在车内还是车外，噪声抑制效果都很显著。

这种路面还有一个优势：在湿润条件下能减少喷溅现象。与一般路面产生的摩擦力相比，这种路面产生的摩擦力较小，尤其是ZOAB刚铺上时，但仍在可接受的范围。这就是为什么你会在新修整过的高速公路上看到“新路面，请增加制动距离”的标志。另一个不利之处在于，冬季ZOAB路面对盐的需求会增加，因为它的每个潮湿的角落和缝隙都是冰的完美藏匿之处。这些路面也更容易裂开，比起沥青路面，需要填铺的频率更高。

——来自英国彭布罗克郡哈弗福德韦斯特的简·梅伦迪克

感受压力

最近，我们坐飞机的时候发现一包未开封的薯条膨胀起来，这是因为机舱内的气压随海拔升高而下降。同时，我的家人觉得肚子发胀。难道他们的肠道也产生了类似的效果？

——来自英国爱丁堡的邓肯·格思里

当飞机升到一万米高，也就是现代客机的巡航高度时，机舱内的气压大约是正常海平面气压的三分之二。由于气压差的存在，任何充气的弹性容器内的填充物都会膨胀。重感冒或鼻塞的人都会受到影响，当飞机上升或下降时，人脑袋里的气体膨胀，会引发剧烈的疼痛。至于肠道，其中大部分气体位于大肠中，如果气体扩散，它只有一条出路。有些人会发现放屁是喷气式飞机旅途中令人意想不到的乐趣。也许知道了这些以后，读者再也不能冷静地看待同行的旅伴了。当然，这无疑是虚伪的。

——来自英国爱丁堡的菲利普·韦尔斯比

盲飞

大型现代喷气式客机需要为飞行员安装窗户吗？从理论上讲，飞行员是否不必用肉眼观察窗外就能把一架波音747飞机从伦敦开往悉尼？

——来自英国伦敦的彼得·马斯顿

根据目前民用飞机的设计和认证规定，答案是肯定的——安装前视窗很有必要。所有的起飞过程都是飞行员通过肉眼观察和手动操作完成的。飞行员从前视窗向外观察跑道，确保飞机直线行驶，这么做最重要的目的是检测和纠正由发动机故障引起的侧向摆动。一般来说，这一操作要求水平方向的可视距离不低于125米，当飞机以每小时260公里的速度行驶时，这一距离并不算远。

飞机的着陆方式各不相同。只要辅以适当的地面指导，大多数现代飞机都能自动着陆。自动着陆的最小可视距离通常为75米。这个距离不是飞行员的可视距离，而是与地面车辆的安全距离。在低能见度下自动降落时，飞行员的跑道视程没有最低要求。

飞行员在起落之间的飞行过程中不需要外部视野，机外情况可以（有时也确实如此）通过仪器判断。然而，要探测并避免雷暴天气以及与之相伴的大气湍流、冰雹和闪电等气象现象，最好是通过雷达和视觉扫描两者配合来完成。合成视觉系统因为正好符合这些要求，已经越来越普及，将来飞机的所有外部视图都会显示在屏幕上，不再安装窗户。但请不要遮蔽飞行员的视野，我们在高空才能有幸看到超出人类想象力的美景。我可以花几个小时鸟瞰这个世界，画面十分壮丽。

——来自英国沃里克郡皇家利明顿矿泉市的空中客车320的机长史蒂夫·穆迪

简而言之，飞行员不需要窗户来驾驶飞机。但是飞机安装窗户并不是为了驾驶。虽然爬升、巡航、下降，有时也包括着陆，都可以凭借复杂的陆空监测设备来完成，但起飞（尤其是飞机尚未离开跑道时）和滑行都需要目测，大多数着陆也需要人眼观测来辅助完成。

所谓的盲降——其前方可视距离可以低至75米——需要特殊的地面设备来辅助完成。其中还涉及重要的操作程序，以确保地面车辆不会干挠到着陆系统发出的无线电信号。所有这一切极大地限制了飞机在地面上的运行速度，所以只在必要时才这么做。这就解释了为什么在大雾天，像伦敦希思罗机场这样的大型机场会限制航班量，甚至取消航班。

此外，虽然所有现代商用飞机都拥有内置的“盲降”功能，但许多机场没有这样的能力，如前所述，有这种能力的机场也只在必要时才使用。然而，正如题主所暗示的，飞机一旦远离地面，便不再需要前视窗。天气雷达可以探测到暴风雨，并指导飞机绕过它。在高空飞行时，通常不会有厚厚的云层遮挡住高山，飞机不会迎面撞上突然出现的山峰。

我从来没有驾驶过协和式超声速客机，不过我相信，一旦下降的机头（一种在着陆过程中允许飞行员获得前置视野的工程部件）升到巡航位置，会有一块挡板升起来挡住前窗。这改善了空气动力学特性，却遮挡了视野。然而，即使在这个高科技时代，依靠人的视觉来飞行仍有必要，况且无法欣赏地球上某些最美的景色是一件多么令人遗憾的事。

——君主航空的机长马丁·鲍威尔，来自英国肯特郡滨海的韦斯特盖特

大型客机确实需要窗户，自动驾驶仪不具备这样的功能：使飞机从其支架滑行到跑道上，然后起飞。引导飞机起飞是一项对视力有严格要求的任务，飞行员最初需要一直盯着跑道中心线。原则上，会有实现自动化起飞的那天，但是除了要对飞机的自动化系统提供指导外，人们还需处理更多突发情况。例如，起飞过程中可能会遇到需要避开的鸟群或迷航的轻型飞机。的确，正如全美航空公司1549号航班在哈得孙河上迫降那样，我想我们距离开发出如此灵活的自动应急系统还有很长的路要走。

起飞后不久，飞行员通常会切换为自动驾驶模式，原则上一切都会很顺利（实际上常常不会），所以飞行员可以在没有目视参考的情况下飞大部分航线。然而，今天大多数航班都不严格按照计划的路线飞行。在飞行过程中，空中交通管制员可以要求变更航线，飞行员也可以根据外部视野所见，如其他飞机、火山灰云等，来更改航线。

重要的是要了解，飞机的飞行环境并不总是可控的，因此，为避免与其他飞机发生碰撞，有时需要依靠飞行员的视觉判断。在飞行过程中，控制参数超出限制时，飞机系统可能发生故障。这种情况下，飞行员需要接管控制职能，而这可能需要外部视野的辅助。

最近，新闻一直在报道极端太空天气事件（如大规模太阳耀斑）的影响，这可能会对跨地区的航空产业，如配电、雷达、电信、全球定位系统、计算机、飞行控制系统和健康效应等产生一些影响。地面基础设施的电子导航和通讯的电力供应也许会受到更大的影响。在这种情况下，如果飞行员可以手动操纵，知晓时间、飞机位置，拥有一张机场分布地图，通晓老式的导航技术，还有一扇窗户可以向外观察，情况就还在控制中。

——英国航空公司飞行员协会的飞行安全负责人罗布·亨特，通过网页

旋转的风扇

最近，在伦敦地铁站，我看到一个戴着工作人员徽章的男子拿着一个像是旋转的小风扇的东西。我意识到，这个小风扇是由列车进入隧道时带起的风驱动的。他显然是在测风速。他为什么这么做？

——来自英国伦敦的贾斯廷·戴维斯

这个旋转的风扇是一个风速仪，那人正在测量火车通过时空气流动的速度。这对保持隧道空气清新起着很重要的作用，尽管隧道里还安装了其他的通风设备。我从已故的叔叔那里继承了一款相同的仪器。他生前是一位矿井安全主管，他用这套仪器来测量煤矿的通风情况。奇怪的是，它不是直接测量风速，而是测量“风的长度”。该装置标有英尺刻度，用来计算一分钟内通过的空气柱的长度。一旦风扇开始加速旋转，顶部的杆会扣住离合器，测量便开始了。

——来自英国东约克郡赫尔的托尼·芬恩

有轨还是无轨？

爱丁堡去年终于开通了有轨电车系统，但超出了预算，并且落后于预定工期。大部分问题是由必须在路面上铺设轨道引起的。爱丁堡以及英国其他城市为什么没有无轨电车（由架空接触网供电的电动公共汽车）而只有有轨电车？

——来自英国邓弗里斯-加洛韦区道格拉斯堡的吉姆·洛根

我曾经在预算内交付一条市内有轨电车轨道，根据经验，我可以列出无轨电车不是首选的几个原因。无轨电车与有轨电车的载客量相同，但是需要更多的空间。无轨电车司机难以应付轨道交通的精确度，需要更多的空间作为安全缓冲区。无轨电车的导航系统确实存在，但它们对空间的利用率不如有轨电车高。这样的导航系统也会导致其他车辆无法使用公交专用道，从而引起交通拥堵。

这两种系统分别适用于不同的情况。例如，有轨电车可能是在有限的空间内运输大量乘客的正确解决方案。出于预算考虑，几乎不会每年都新建有轨电车或无轨电车，因此在确定关键性的成本问题时，没有多少经验可以借鉴。确定一个系统的成本需要详细的调查，本身就非常昂贵，且可能造成干扰。有时，调查和建设需要齐头并进，并接受成本的不确定性。但显然，这是出于政治考虑，而非工程学原理。

——来自英国康沃尔郡戈兰特的J.H.M.罗素

“看见”天线杆

高耸的天线杆和塔架都有警示灯，飞行员因此可以看到它们。但是，自动驾驶系统如何知道那里有根又高又细的天线杆？我觉得自动驾驶仪“看”不到这些灯。

——来自英国诺丁汉郡的佩里·贝宾顿

简言之，自动驾驶仪无法看到高高的天线杆。那么为什么飞机很少撞到它们呢？原因在于有两种类型的飞行协议：目视飞行规则（VFR）和仪表飞行规则（IFR）。

在目视飞行规则中，飞行员有责任查看和规避障碍物，但这种飞行规则只有在可见度良好的条件下才适用。然而商业航空公司的飞机必须应对所有气象条件，在这种情况下，飞行员总是在仪表飞行规则下飞行。他们给所有使用IFR的飞机预留了一条航线：这些航线上不存在如高高的天线杆和山峰等障碍物。自动驾驶仪仅用于保证飞机沿其航线安全飞行。地面上的管制员通过无线电通信提醒飞行员，使在IFR下飞行的飞机保持距离，一次只允许一架飞机出现在某段航线。这套系统的运行非常顺畅。

法律规定，不允许在仪表飞行规则（IFR）下的航线内建新的塔架。如果必须建在航线内，只能在航线调整以后建造。因此，在IFR下避开塔架，其实是将飞机的航线控制在许可空域内。如果飞行员命令自动驾驶仪在安全空域以外指导飞行，飞机就有可能撞上塔架，甚至是山峰。

当流氓飞机忽视规则，入侵预留航线所在的空域时，会进一步引发问题。在这种情况下，只能指望地面上的管制员能在雷达上监测到这一行为，通知IFR飞行员立即改变航线，避免相撞。

——来自美国科罗拉多州倪渥特的丛林飞行员埃德·高斯

吹风

户外拍摄结束后，我发现，虽然在拍摄时我没有注意到有风，但是录音回放时有非常明显的风噪声。为什么风声在回放时会放大？

——来自英国谢菲尔德的汉娜·爱德华兹

风噪声的频谱明显向低频段倾斜。相比之下，我们的耳朵对低八度的声音很不敏感。因此，在日常生活中，我们不会觉得风噪声非常大。作为麦克风风挡的设计师，我知道麦克风的——尤其是现代麦克风的——频率响应几乎是均衡的，即使是在低频段。如果没有合适的风挡，风噪声的低频部分可以轻易地使麦克风和其他音频设备过载，即使它们听起来不是很大声。

过载频率太低，以至于我们无法听到，这导致录音中出现短暂的空白，在此期间放大器会抑制所有进入的声音。结果便出现了一小段一小段的静音效果或呜咽声。这比狂风呼啸的气流声更具侵扰性，也就是题主提到的“风噪声”。

——来自英国康沃尔郡的克里斯·伍尔夫

闲暇时，我担任一群业余视频制作者的音响工程师。我们发现，拍摄外景时，清除风噪声是一个难题。你听到的声音性质取决于你耳朵的形状，以及你相对于风的方向。摄像机上安装的麦克风结构不同于人耳，这会导致回放时你听到的声音和你的耳朵选择接收的声音不同。此外，大脑习惯了处理背景噪声，会将其控制在几乎不被察觉的程度。

当你的大脑处理录音中的声音时，风噪声突然变得很明显。音响工程师会在户外用的麦克风上裹一层毛茸茸的“防风罩”。有时，这些麦克风也被称为“杜格尔”，因为它们酷似儿童电视节目《神奇的旋转木马》中的长毛狗杜格尔。它们具有降低空气速度的作用，同时允许携带声音信息的不同压力渗入。外景拍摄时，音响工程师会始终戴着耳机监听录音，因此，他们会比其他人更容易发现杂音，如风噪声和过往车辆的隆隆声。

——来自英国东约克郡贝弗利的克里斯·芬恩

空气打鼓

如果在开车时打开车窗，车内的每个人都可以听到像直升机发出的那种巨大声响。如果打开后窗，并且以更高的速度行驶时，声音会更大。这种现象是由什么引起的？

——来自英国赫里福德郡的奥斯卡·霍尔罗伊德

打开的天窗或车窗实际上发生了所谓的亥姆霍兹共振现象。最常见的例子是你对着空瓶瓶口吹气时会听到的声音。

汽车内部压力产生的共振与窗子开口的横截面、空气流速及汽车内部容积有关。这些压力上的变化会表现为类似击鼓的声音。想象一下，汽车内外的空气被一层不可见的薄膜隔开。如果用力将某物压向薄膜然后松开，薄膜会上下振荡，振幅会逐渐变小，就像橡皮筋一样。

但是，如果在薄膜正要向下振动时，对它施加一个向下的力，会发生什么呢？这时会产生涡流。它们会发生共振，并通过按压和增加汽车内部压力来最大化振幅，就像假想的薄膜在向下运动一样。这与人们推小孩荡秋千的方式类似。当秋千再次开始向下运动时，你用力一推，秋千将获得最大的推力。开口的横截面越大，容积越小，共振频率越高，反之亦然。所以，对半空的瓶子吹气所产生的振动频率应该比吹完全空的瓶子更高。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

浅浅的胎面

英国法律规定，汽车轮胎胎面的厚度至少得有1.6毫米。我的新轮胎胎面厚度约9毫米。在什么情况下，胎面越厚，对地面的抓力越小？为什么？

——来自英国南约克郡巴恩斯利的杰克·肖

新车的最大轮胎胎面厚度取决于你行驶的路面以及车子的悬架。自行车轮胎就是一个很好的例子——厚厚的多节点轮胎在泥土和松软的地面上抓地力很强，但在碎石柏油路上就显得笨重而且噪声很大。厚胎面意味着它无法对路上较小的石头做出快速的反弹，所以它的抓地力很差。

现代用于比赛的自行车的轮胎都很轻薄。胎面层质量小，方便它随小道起伏，同时拥有良好的抓地力。因为轮胎的内部压力很大，它可以驶过水面，即使光头胎在潮湿的地面也能保持良好的抓地力。在路面状况良好的情况下，你可以惬意地以超过每小时40英里的速度骑行。但当路面泥泞时，旋转的轮胎的抓地力为零。

——来自英国牛津的西蒙·戴尔斯

在天气干燥时，轮胎无须沟槽来提高抓地力。这一点可以在赛车比赛中得到证明，比赛规定轮胎必须是“光滑”的，除非是下雨天，这时轮胎才需要增加凹槽，以便于排水，否则水会使轮胎打滑，降低抓地力。雨下得越大，需要的凹槽越多越深。

新轮胎上的凹槽可以应对所有的天气变化，除了暴雨天气。但是，随着轮胎的磨损，沟槽变浅，它们的排水能力下降，直到它们连小雨天气都无法应对——这是法律规定轮胎厚度的临界点（再加上一些安全误差）。

凹槽越深，轮胎的抓地力越小，这是因为只有较少的橡胶会接触路面，并且凹槽之间的橡胶会侧移。所以，在干燥的路面上，任何凹槽都会使轮胎的抓地力减弱。但是，除非一下雨你就能进维修站换胎，不然在路上时你最好还是使用带槽的轮胎，这纯粹是为了确保你在各种天气下都敢开车。

——来自英国兰开夏郡哈弗布雷克斯的约翰·戴维斯

颠倒的无人机

为什么军用无人机与军用飞机看起来如此不同？例如，军用无人机的尾翼朝下。

——来自英国伍斯特的马丁·麦卡恩

亚伯拉罕·卡雷姆设计了早期的“信天翁”无人机，后来的“捕食者”无人机就是在此基础上发展而来的。后者可能就是电视新闻报道中我们最熟悉的那种无人机。卡雷姆指出，无人机设计师无须考虑飞行员的适应性或生命补给的问题，这是一个显著的优势。

为了追求耐久性，卡雷姆为他的无人机设计了长翼，以最大限度地提高升力和稳定性，其次才考虑高速敏捷。他选择了螺旋桨驱动式发动机，因为它比喷气式发动机更省油，而且通常更容易维护。他将推进器安置在无人机的尾部，以尽量减少对安装在机头中的传感器的干扰。“捕食者”特有的分叉向下的尾翼可以在起飞和着陆时保护螺旋桨。如果飞行员试图以过陡的角度进来，外尾则相当于一对起落橇，可以防止螺旋桨撞击地面。机头呈球茎状，用来调节远程操纵无人机时所需的卫星通信设备。

“捕食者”并非用作武装设备，而是监视系统。此外还有很多其他设计风格的无人机。并不是所有的无人机都使用螺旋桨推进，有些无人机的设计获益于现代隐形技术。还有一些研究人员正在开发遥控飞行的作战无人机。这些可能看起来更像是有人机，因为它们的敏捷度远远不够。

——来自英国贝里克郡艾茅斯的托马斯·伍兹

无人机

为什么采用活塞式发动机的轻型飞机会产生如此大的噪声，即使它们在很远的地方，我们也听得到？它们非常扰人，尤其是在像达特穆尔国家公园这样僻静的环境里。它们是否可以像道路上的车辆那样配备消声器？如果没有，是为什么？

——来自英国德文郡牛顿阿伯特的邓肯·哈钦森

一般来说，设计师在设计小型飞机时不会考虑降噪的问题，而是将设计重点放在轻便、简单、装载量和性能上。研究表明，发动机和螺旋桨贡献了大部分噪声。在越南战争期间，飞机消声被证实在军事侦察中非常有效——洛克希德YO-3飞到海拔300米的空中时，地上的人几乎听不见。然而，给发动机降噪，特别是在排气和进气部位，就重量和性能而言，费用高昂，因为这些飞机的“呼吸”状况与内燃机的效率紧密相关。

而给螺旋桨降噪要比给发动机降噪还要难，因为需要考虑桨叶的宽度、长度、形状、转速、材质（木材、金属，还是合成材料）及数量等相关因素。这些都会影响飞机的成本、重量、性能及安全性。可想而知，在竞争激烈的小型飞机制造业中，成本和现有的设计才是优先考虑的因素，而非降噪或精细程度。

然而，随着位于人口中心区域的机场和轻型飞机数量的增加，人们对降噪的需求也在增加，因此新的设计可能会加入静音发动机以及便宜且高效的弯曲桨叶等。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

我推测，小型飞机产生如此大噪音的原因有很多。第一，驾驶小型飞机只是一种业余爱好，所以成本是首先考虑的因素。因此，小型飞机必须变得很轻。小型飞机越重，机翼和发动机就越大，在其他方面相同的情况下，运行成本就越高。

第二，添加大多数小型飞机没有的消声器会产生不必要的成本，同时增加复杂程度和重量。此外，它们降低了发动机功率，由于小型飞机使用的是小型发动机，所以任何降低其功率的部件都是不受欢迎的。

最后一点，小型飞机往往飞行速度慢，相对靠近地面和云层下方。这意味着在地面上的人听来，它发出的噪声要比飞得更高的飞机的噪声大得多。

——来自英国东萨塞克斯郡刘易斯的马内克·迪巴什

令人困惑的圆环

今年6月22日，我在彭布罗克郡北部的天空发现了一片薄薄的圆形云彩，只有其中一点厚些。周围有飞机尾迹，但都呈直线状。这是什么呢？

——鲍勃·霍姆斯，通过电子邮件

这无疑是飞机的凝结尾迹。云较厚的那点是飞机以近乎垂直的角度上升（或下降）时将尾迹集中在一点形成的。在形成这个圆环之前，飞机先是水平飞行，然后突然转弯。一回到节点，它便通过骤降（或猛然上升）来结束这个圆环。在那个凸起的点上，可以非常明显地看到垂直和水平绕行之间的过渡。

我的一个老朋友是双座战机的领航员。他告诉我，飞行条件理想的某天，他通过一系列复杂的操作引领飞行员在空中画出了男性身体解剖图。英格兰南部一大片地区的人都可以看到（但不一定会赞赏）他的空中涂鸦。

——来自英国马尔岛托伯莫里的杰克·哈里森

CHAPTER
09
技术

毛球

为什么有些羊毛衫或针织衫会起球，而有些不会？怎样才能提前知道羊毛服装是否容易起球？

——加比·西蒙，通过电子邮件

起球是短纤维在织物表面逐渐累积造成的。受到外物摩擦的织物，每根纤维表面的鳞片都会钩住其他纤维上的鳞片，并慢慢结成球。造成起球的因素有以下几个：

首先是羊毛的性质。一些品种的绵羊，如英国南丘羊，其羊毛纤维较短，长度通常为4～6厘米，而长羊毛如温斯利代尔则可达30厘米。短纤维比长纤维更易游移到织物表面。而且有些羊毛摸起来更柔软；雷兰羊毛的长度大多为5～6厘米，手感不太好，而长度相似的美利奴羊毛则手感很好。

第二个因素是羊毛梳理和纺织的方式。手工纺纱工人通常将短纤维羊毛梳成卷筒状，然后以“粗纺”的方式纺织。纤维随机排列，形成的纱线质轻且蓬松，导致纤维更容易滑到纱线的表面。长纤维羊毛通常需要梳理，以清走短纤维，然后以“精纺”的方式纺织，使长纤维平行排列并保持顺直，因此难以从纱线中滑出而导致起球。

纱线的捻度也会影响其起球程度；捻度越大，纤维越牢固，从而无法向外移动。许多便宜的针织纱线，几乎没有捻度，而用于纺织的纱线（通常由长羊毛纺织成）通常具有较大的捻度。

最后一点，纱线纺成织物的方式也会影响起球程度。结构紧密的织物可以将纤维牢牢固定住，不易起球，松散的织物中的纤维则容易跑出来。题主提到了羊毛织物，我就描述了羊毛的特点。其他纤维，例如羊驼毛，或合成纤维，如丙烯酸，不叫羊毛，不过原理一样。要弄清羊毛服装是否容易起球，可以检查织物的密度，以及纱线捻度系数——越松散，起球的可能性就越大。

——来自英国坎布里亚郡的手工纺丝者朱迪思·爱德华兹

重金属

当全新的MP3播放器存上音乐文件，它的重量会增加吗？

——来自英国伦敦的葆拉·马克斯韦尔

存储在MP3播放器中的音乐表现为由1和0组成的特定序列。向设备传输音乐文件时，这些数据被保存在播放器的内存中。在大多数MP3播放器中，存储器是由晶体管阵列组成的固态芯片。当电流通过阵列时，若晶体管中存在电子则编码1，若缺少电子则编码0。

我们可能会认为全新的固态存储设备的初始值为0，任何有意义的数据编码将增加电子数。这样一来，由于电子有质量，存储了音乐文件的播放器重量就会超过崭新的播放器。事实上，新的内存设备初始值通常为1，所以很容易认为播放器在添加歌曲之前更重。

但是由于电流来自播放器的电池，与播放器其余部分形成一个封闭系统。整体而言，电子没有增益或损失，重量也保持不变。这只是简单的电子再分配过程。

即使个人MP3播放器是开放系统，一堆播放器的总质量也不会增加，因为一些音乐文件含0较多，而其他文件则含1较多，所以它们的总质量应该是稳定的。

但是，当用户将播放器带在身上时，接触过程中留下的汗水或油腻的沉积物，以及黏附在这些沉积物上的灰尘和碎屑，会导致播放器质量显著增加。或者，粗暴地对待播放器会使其表面掉漆或出现小裂纹，这种脱落的碎屑会使播放器变轻。

所以，不管播放器里面存储的是重金属风格的音乐还是轻柔的赞美诗，都不会影响其重量，但是你白天如何对待它肯定会影响它晚上的质量。

——来自英国利兹的莱恩·威诺克

我同意楼上关于MP3播放器重量的结论，但是他的回答具有误导性。他暗示数据位的存储是通过增加或移除存储单元中的电子来实现，并且这些电子由电池提供。事实上，数据位的存储是通过将电子从存储单元的一个部分转移到另一个部分来实现，因此在存储芯片中没有电子的净增益或损失。芯片包含的电子总数不变，因此重量不变，无论是全0，全1，还是装满数据。

同样，当电池的一个极提供电子时，另一个则消耗电子。当电池没电时，其电荷含量与充满电时正好一样多。没有电子设备会积聚电子；流进设备的电子总与流出的保持平衡。

——来自英国怀特岛赖德镇的道格·芬娜

咄咄逼人的高音

为什么麦克风和扬声器之间的反馈会产生尖锐的噪声，而不是低沉的声音？

——来自加拿大安大略省阿尔蒙特的托尼·夏普

声音可以看成是由不同频率的正弦波复合而成。巴克豪森稳定性准则表明，任何完美符合系统“距离”（从麦克风到扬声器再回到麦克风）并沿途放大的频率将会持续下去且会被进一步放大。

这个距离难以确定，因为它取决于电子设备的延迟、房间的声学特性、麦克风的位置以及仪器和扬声器的共振频率等因素。然而，由于波长较短，较高频率的波更有可能进入反馈回路。许多短波完美适应一定距离的可能性比长波更高。因此，尽管你会发现跳动的低频反馈，但高频反馈更常见。由于现场的演讲者永远不会真正安静下来，麦克风朝扬声器移动将导致反馈，你可以听到混合频率的嗡嗡声。当你移动麦克风时，你正在改变距离并扫过可能产生反馈的频率范围，从而产生尖锐的噪声。

——来自美国加利福尼亚州圣迭戈的罗恩·迪波尔德

作为一名音乐家，我一直是频谱范围内各个频率反馈的受害者。高频之所以更容易引起共振有两个主要原因。首先，大多数麦克风和扬声器被设计得对较低频率的人声和吉他声不够敏感。

第二，较低频率的波需要更多的空间才能达到“同相”并使其波形前后流动。在较小的场地上，麦克风和扬声器之间的距离不足以满足这种条件。一旦舞台足够大，贝斯的频率共振现象将更常见（而乐队其他成员则会抱怨）。

——来自德国柏林的康纳·菲茨杰拉德

斜体

我在坐火车去上班的路上看到一个点阵标志，其中“途经站”是罗马字体，下面的站名则是斜体。但是，如果你拍下这个标志，照片上所有的字都将显示为罗马字体。如果拍摄的时机恰当，你会看到这些斜体字是由标志上的点组成的，这些点随巧妙的开关时机亮灭，从而欺骗了我们的眼睛。所有的点都是垂直和水平排列。那这种斜体的效果是如何呈现的？更有趣的是，为什么要这么做？

——来自英国北安普敦郡伊斯顿小镇的克雷格·麦凯

题主描述的斜体效果不是有意为之，它是点阵显示器通过一种叫作多路复用的技术呈现的意外效果。该显示器中的LED数量庞大（很可能是以千万计），如果单独使用电子驱动器来控制每个LED，费用将会很昂贵。相反，LED灯是以列和行为单位来控制的。只有当其所在的行与列的驱动器同时充能时，一个LED才能被点亮，这有点像游戏《海战棋》。虽然显示器的亮度看起来很稳定，但实际上它在高速闪烁，每次只有一排灯亮起。

不过，这种技术在显示移动的文本时会出现问题。为了避免文字失真——在这种情况下，显示器必须在字母变换位置之前让所有行都亮起来，也许是其中的25行灯。通过这种方法，文本看起来移动得很缓慢。如果文字加速移动，在字母的位置发生改变之前，显示器只有点亮几行（甚至只有一行）的时间。当下一行闪烁时，文本已经向左或向右移动了一点，于是导致字体明显倾斜。

另一种方法是显示屏一次刷新一列LED，但这会导致更加严重的失真。字符不再是可以被接受的斜体字，而是被压扁或抻开，变得不再清晰。列车座位上方的预留座位显示屏就存在这个问题，文字的移动慢得令人发指。这可能有多方面的原因，但其中一个原因可能是显示器采用了整列驱动而非整行，这意味着它根本无法应对快速移动的文本。

——来自英国西约克郡利兹的戴维·吉布森

起风了

我们当地社区的涡轮机以每分钟39转的恒定速度旋转。强风能发更多电的机制是什么？请用我孙子能理解的词汇来阐述。

——来自英国彭布罗克郡菲什加德的格林·希克斯

出于非常必要的理由，我们的供电设备提供的电流不是单一、稳定的，其方向会来回变化。这种电流称为交流电，简写为AC。风力涡轮机产生的电必须与它保持相同的步调，因此所有涡轮机都以相同的速度旋转。当风力更强时，涡轮机内部自动调整，使转子更难转动，于是每转一圈就产生更多的电力。

这就好像你试图以匀速踩自行车的情况。当你驶离公寓，开始上坡时，要保持相同的速度变得更加困难了。

——来自英国白金汉郡大米森登的蒂姆·史蒂文森

传统的风力涡轮机起初被设计出来旨在使叶片以恒定的速度旋转，因为这是动能转换为用于国家电网的电能的最优方式。若转得太慢，涡轮机无法捕获足够的风能；转得太快，叶片和其他部件会受到额外的应力。如果任其自由旋转，随着风力的增加，涡轮机会越转越快，就像我们在海边买的塑料风车一样。

通过让涡轮机自由旋转，然后对其进行“制动”，以获取尽可能多的能量，我们可以将风能转化为电能。但是，与汽车或自行车在转动的车轮上做文章的机械制动器不同，我们使用的是电“制动器”。这种制动器不会让能量以热量的形式浪费掉，而是会将其转换成电能。我们不想让涡轮机完全停止转动，但是希望不管风多大，它都能以恒定的速度转动。

如果想以稳定的速度在平缓的山坡上骑自行车，我们可以轻握刹车，到达坡底时我们会感到刹车变得微热。如果山坡变陡峭了，而我们仍要保持相同的速度，则需更加用力地捏紧刹车，它会变得更热，因为它将更多能量转化为热量了（不要用手去摸刹车来验证这一点）。

同样，当我们想让涡轮机在微风中以每分钟39转的速度转动时，我们只需要施加轻微的电力制动，然后获得微弱的能量。在强风中，我们可以真正充分利用“制动器”，以获得更多能量，尽管叶片仍以相同的速度旋转着。

——来自英国诺森伯兰郡赫克瑟姆的史蒂夫·阿加

胆小的猫

用来吓唬猫这类动物的超声波装置是如何工作的？是通过模仿一种高频的声音，还是通过响度来吓唬它们？又或许只是这种声音惹怒了动物，就像它让我感到不适一样？

——来自英国威尔特郡索尔兹伯里的刘易斯·奥肖内西

问题中提到的超声波驱猫器听起来很像在澳大利亚售卖的用来驱逐老鼠、蜘蛛和爬虫的设备。我发现，这些设备很管用。推销员说，这些设备会发出一种使害虫不适但对其无害的声音。他还建议购买者花上十天等它们离开屋子。我们办公室安装了几个之后，第四天，所有的蜘蛛都从厕所隔间里爬了出来。

偶尔到访的蜘蛛待了不到一天就爬走了。新鲜的老鼠粪也看不见了。几年后，一间工作室里传出一阵无法辨认的令人不适的尖锐声响。它随机发出，每隔几分钟便发出长达十秒的尖叫。我本打算在那里工作，但四十分钟后就落荒而逃。四天后，我根本无法进入房间。我已经对那声音产生条件反射了，一听到就感到不适。我们最终在书柜后面发现了出故障的驱虫装置。要想驱赶“人类”这种害虫，声音频率应在4000～6000赫兹之间。

——来自澳大利亚维多利亚州圣基尔达的彼得·托内

这些设备最多可以产生一定的威慑作用。猫的天性以及任何能够刺激它远离花园的因素都能成功防止它进入花园。郊区花园的一次试验表明，这些小玩意可以将猫闯入花园的频率降低五分之一，逗留的时间缩短三分之一。综合效果是猫的到访率减半。

另外一次试验是在实验室里进行的。猫被带到设备有效范围以外的试验区，每隔1米放置一些食物。在能听到设备发出的频率的区域内，猫进食的积极性较差，但是逗留的时间更久。猫对此唯一明显的不适迹象是耳朵抽搐次数增加。

还有旨在阻止青少年闲逛的类似的高频设备，其应用前提是成年人受到的影响较小，因为他们可能已经失去了捕获高频声音的能力。另有一些设备会播放古典音乐或制作者认为不太可能吸引青少年的音乐类型。有一个都市神话称“布朗音符”可以用来驱散人群。原理是，人暴露在5～10赫兹频率的声音下，会失去对肠道的控制，这一频率范围无法被人听到，但可以在人体内引起共鸣。

这个神话似乎源于美国太空计划中的一项研究。有人担心宇航员在航天器发射时会遭受巨大的压力，因此追踪了他们在感受到驾驶座的机械振动时产生的生理反应。由于振动可以通过座椅传到宇航员的身体，他们的肠道和身体其他部位都产生了严重的不适感。相比之下，空气传播低频振动如声音的能力较差。

在牛仔电影中，演员可能会将耳朵贴在铁轨上，通过轨道的振动“听”到驶来的火车。事实上，好莱坞得为它的过度“诗意”负责，因为振动无法被听到，只能被感觉到。无论铁路是否通电，都不要亲自尝试。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

云量

万维网储有多少数据？

——来自英国谢菲尔德的科林·辛格尔顿

无论某一刻这个数据量有多少，下一刻它都只会变得更多。一个合理的估计是，1尧字节或1万亿太字节。然而，这是2014年的数据，由于网络呈指数级增长，所以我们可以合理假设，它现在已经翻倍甚至更多。

我们还应该考虑到所谓的深网，包含主流搜索引擎无法搜索到的内容，其中包括许多用于旅行预订服务的大型数据库、在线购物的商品数据、未在公共领域公开的社交媒体网络等。数据表明，80%的网络处于黑暗地带，如果这是真的，2014年有5尧字节数据的网络，现在可能拥有两倍甚至更多的数据。

同样重要的是，我们还应该算上许多网站未显示的存储数据。托管网站在不同类型媒体的多个位置拥有几乎每一个数据的多个冗余副本。我们应该将其视为网络的一部分吗？类似地，网络上的许多的信息都是重复的。几年前，我搜索了一个笑话清单，发现了一堆相似版本，相互之间只有微小差别，这是因为每个修订版本都被放在新的网页上。谁能猜得出那些热门内容共有多少副本？可以肯定的是数据一定很大。

——来自澳大利亚塔斯马尼亚岛吉夫斯顿的戴维·莫顿

电台听众

汽车无线电需要外部天线来屏蔽车辆本身的干扰信号。然而，汽车的遥控钥匙也是利用无线电原理，即使我在钢车库门附近拿着它，而车在门的另一边，也依然有效。它的工作原理是什么？

——来自爱尔兰都柏林的阿德里安·萨默菲尔德

除了最有能量的电磁辐射，金属对任何辐射都是不透明的。所以大部分的车辆都相当于一个法拉第笼，辐射都分布在车子外表面上。然而，有一些电磁波可以穿透车窗——最显著的就是可见光。

欧洲制造的汽车遥控系统的发射频率为433.92兆赫。这相当于约0.7米的光波，这意味着来自遥控钥匙的信号可以透过窗户到达车内的无线电收发器。有些波长太长，无法穿透窗户，对于这些信号来说，汽车相当于一个坚实的金属盒子。FM无线电信号可以短至3米，而AM信号的范围从100米到半公里不等。这就是为什么汽车要安装外部天线。理想情况下，它们的长度应是信号波长的四分之一，但这对于许多波长来说显然不切实际。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

耳内调音

助听器接收空气中的声音信号，同时也可以切换为从电磁感应回路中接收信号。为什么它们没有被设计成直接接收电视和无线电的信号？

——来自英国西约克郡黑丁利的阿德里安·史密斯

助听器不直接接收电视或无线电信号主要是因为尺寸。电视天线需要很大才能捕获信号，而这不适用于助听器。即使信号强烈，但助听器使用的氧化锌电池很小，容量有限，限制了其执行必要任务的能力。

但是，业界正在努力解决这些问题。助听器技术公司正在与蓝牙标准小组合作，通过低能耗蓝牙来传输并接收声频信号。你的助听器不会直接接收电视或无线电信号；相反，声频信号将通过无线的方式从你的电视或手机传输到你的助听器上。该技术正在成形中，有望取代目前应用于公共场合的电磁线圈感应回路，提供更高质量的立体声效果。

——来自英国伦敦的尼克·胡恩

棉质衣服

为什么我们更喜欢穿棉质衣服——一种吸水性很强的材质，而不是合成纤维？这是因为合成材料不具备某些特征吗？

——来自法国昂热的让·埃斯诺

我们喜欢棉质衣服，因为它舒适、柔软，易于清洁。棉布很舒适，因为它具有很高的回潮率，一般在7%～7.5%之间。回潮率是指处于极度干燥状态的纤维在有着标准温度和湿度的环境中会吸收的水分的重量占比。这意味着棉花可以吸收我们身上的水分，给我们凉爽的感觉。

聚酯纤维是一种合成纤维，是当下许多织物的原材料，只有0.4%的回潮率，因此会让人感到又热又黏，或又冷又黏，在湿度相当高的时候尤其如此。棉花手感柔软，因为棉纤维具有带状横截面，被施加压力时容易弯曲。大多数合成纤维具有圆形的横截面，由于其弹性低，更容易变硬。在过去二十年中，人们已经开发出制造细纤维的方法，因此现在许多合成材料摸起来也非常柔软。

棉织物也更容易清洁。当我们的衣服变脏时，大多数人用肥皂和水就可以清洗干净。棉质材料耐碱，因此肥皂不会损伤纤维。此外，在潮湿的环境中，棉花更有韧性，因此棉质服装可以抵抗洗衣机搅动产生的损害。最重要的是棉布很容易洗干净。聚酯纤维和烯烃纤维容易吸收我们身体分泌的油脂以及其他难以清洗的油性污渍。棉花不容易沾染我们身上的油脂，因此容易保持清洁的状态。

——来自美国宾夕法尼亚州普利茅斯米廷的J.罗伯特·瓦格纳

说了那么多合成纤维的缺点，我觉得我应该提一些它们的好处。与尼龙和聚酯等合成材料相比，棉的耐磨性较差，在洗涤时也更容易收缩。尽管人们在解决这些问题上有所进展，但大部分商店仍在销售容易缩水的棉制产品。

棉花的吸水性是优点，但也是缺点，因为烘干需要更多的能量。在夏季这可能不是一个问题，因为衣服可以在外面晒干。但在冬天，提供额外的能量就变得很重要了。制造合成纱线显然是一种能源密集型产业。然而，在一件棉布衣服的使用寿命内，制造衣服耗费的能量可能还低于烘干它所需的额外能量。显然，在设计衣服时，应考虑这种额外的隐形能耗。不幸的是，制造商经常忽视这些，他们往往会做出最容易的选择，这会对气候产生长期的影响。

我认为，将传统纤维和新型纤维混合可以生产出质量更好的衣服，同时减少能源消耗。

——来自英国兰开夏郡莱瑟姆的布赖恩·贝内特

爆炸的威力

昨天晚上，我和妻子被两声很大的爆裂声吵醒了。原来是我从火灾报警器中拆下来的9伏电池爆炸了。是什么使耗尽电量的电池爆炸？为什么会响两声呢？

——来自英国伍斯特郡马尔文的戴维·克罗斯

这是一个真正意义上的“电池”，由6个1.5伏电池组件串联而成。有些电池是由平叠的电池组件构成，另一些则是由圆柱形电池组件按3×2排列组合而成。因为电池的端子处于同一侧，一旦它们与金属物体接触，可以轻易地形成闭合回路——比如存储在金属盒中。电池有内部电阻，电流通过时会发热。这使得电解质中的水蒸发，导致其内部压力增加……然后，砰！

第一声爆裂声是电池组件发射电子收集针造成的，如同手枪发射子弹一样。第二声则可能是相邻电池组件的外壳出了故障，导致其从电池中弹出。即使是部分耗尽的电池也可以提供足够的电流来加热金属触点、内部组件以及电池端子可能触及的任何金属——甚至可能起火。当一个9伏电池与裤袋中的硬币接触，形成短路，将导致敏感部位受到严重伤害。

——来自英国爱丁堡波托贝洛高中科学部的戴维·缪尔

干燥的窘境

用哪种方法弄干手使用的能量更少：电动烘干机还是干木浆制成的纸巾？

——来自澳大利亚维多利亚州的伊恩·卡特

这取决于能量成本的计算方法。拿纸擦拭比在几百瓦的热风下耐心地摩擦手指消耗的能量更少。然而，生产和回收纸张的能源消耗比较难计算。必须先种植树木，然后砍伐、运输、切碎、制浆、压片、干燥、裁切成可销售的大小，最后包装。使用后，回收厂必须重新制浆，重复以上大部分过程，只有在理想情况下，回收的成本比生产新纸的成本低。

那么，生产烘干机和最终回收它需要消耗多少能量呢？烘干机必须抵得上多少张纸，才能起到保护环境的作用？也许最好的方法是带上你自己的手巾或直接在裤腿上擦干。缝在衣服上的毛巾可能会成为一种环保时尚，足以与胸前口袋里的手帕相媲美。

——来自南非西萨默塞特的约恩·里奇菲尔德

巡回法规

在停电期间，电流是否会从手机电池向充电器或电源插座回流？

——来自菲律宾圣路易斯的罗克

电源电流是交流电，这意味着电流方向在一秒内会反转多次。这种电流更便于发电，对大多数发电机和变压器的正常运行来说是必要的。整流器是所有充电器的核心元件。它阻止了其中一个方向的电流。除了阻止电源电流反向流动，它还可以防止电池向电源放电。现代手机装有管理电池的硬件和软件，以防止电池过度充电或充电过快。如果电池开始放电或整流器出现故障，软件会将其关闭。

——来自英国莱斯特郡科尔维尔的菲利普·贝尔本

浪涌保护器

你可能经常听到，流行的电视节目插播广告期间，额外的电站将被启用，因为这时人人都要起身泡杯茶，因而会产生额外的电力消耗。这是真的吗？如果是这样，英国的电力使用与其他类似国家相比更加多变吗？

——来自英国格温特郡纽波特的西蒙·斯卡尔

随着电力需求上升，电力公司确实需要启动额外的发电机。这些公司希望能够为广告时间、咖啡时间和晚餐时间蓄电，但目前还没有有效的方法存储交流电，由于电站产生的交流电需转换为直流电才能存储。

电力需求由中央控制站实时监控。成熟的预测软件积累了多年的有价值数据，有助于保证监控系统尽可能高效地运行。即使这样，不寻常的天气也会影响人们对发电站的管控。例如，天气寒冷的时候需要开暖气。风很弱时，风力发电机将无法工作，需启用更多发电站。

与英国类似的国家都面临同样的问题，1986年，英国和法国在两国之间建立了一条2000兆瓦的高压线路。这使得两国在用电高峰期能够共享电力。由于法国的需求峰值与英国的几乎不会同时到来——除了六国橄榄球赛期间，这样就无须再建更多发电站。

现在，英国与荷兰以及爱尔兰共和国也建立了类似的电力线路。

——来自英国登比郡兰戈伦的保罗·凯迪

在你身后

许多年前，我在听广播时，听到一种哔哔声，这个声音似乎总是来自我身后。播音员说，这个声音具有这种属性，确实是这样，即使我转过身去。这是一种普通的哔哔声，而且收音机只有一个扬声器。这对当时的我来说完全是一个谜，至今仍是，有人可以解释吗？

——来自英国伦敦的马丁·哈维

许多人认为外耳的形状仅仅有助于收集声音并将其引入耳道。但耳朵的形状也能细微改变声音的质量，以便我们辨识声源。

当声音从你身后传来时，它以特殊的角度进入耳道，因而会通过外耳的特定部位。我们无法察觉外耳改变声音的方式，但我们的听觉皮层可以检测到它。结合每只耳朵接收到的音量信息，我们可以判断声音发出的方位。

为了创造出似乎是持续从你身后发出的声音，他们使用了一种被称为仿真头录音的技术。这种技术是将麦克风放置在有仿真外耳的假人头的耳道内。声音在到达麦克风之前会发生改变，这意味着声音相对于头部的空间位置会保留在录音中。播放时，无论你的收音机位于何处，你都可以听到似乎是来自背后的声音。

——来自英国康沃尔郡特鲁罗的托比·贝特森

海洋居民

有没有人想过在海上建立城市？现有的技术肯定可以帮助我们实现这个想法，而且不必摧毁更多的耕地，甚至可以使我们从海平面的上升中受益。

——来自英国诺福克郡阿什威肯的彼得·霍尔

至少从20世纪60年代初开始，建立海上城市的想法就已存在。巴克敏斯特·富勒设计了一个面向东京湾漂浮着的四面体城市。直到现在它才有可能实现。

贝宝联合创始人彼得·蒂尔是海上家园研究所的赞助人之一，该研究所计划在2020年之前斥资1.7亿美元建造一座模块化的浮动城市。还有法国建筑师雅克·鲁热里设计的长900米、可容纳7000人的蝠鲼形浮动城市。另一个概念是文森特·卡勒博的睡莲叶形城市，可以容纳5万人。

缺乏建造这些城市所需的资金是这些计划的主要障碍。在筹到这笔资金之前，我们只能满足于另一种“流动城市”——巨大的邮轮。

——来自新西兰惠灵顿的彼得·哈索尔

不再合适的宇航服

我了解到，尼尔·阿姆斯特朗登陆月球时穿的宇航服正在朽坏。显然，制作这套宇航服的材料只适合短期使用。为什么会这样？这是什么材料？如何保存宇航服？另一名阿波罗号宇航员戴维·斯科特的宇航服正在华盛顿特区的史密森国家航空航天博物馆展出，这套宇航服看起来完好无损。这两套宇航服是由不同的材料制成的吗？

——来自美国华盛顿特区的艾伦·布鲁尔

人类进入太空时必须穿宇航服。即使是莱卡（第一只绕地飞行的狗）也得穿上定制的宇航服。它的宇航服复制品陈列在博物馆，真品却无法展出。

所有使用过的美国宇航服，包括原件、备用服和那些染上月球尘埃的宇航服，都由史密森学会保管。它们多数放在贮藏库，部分用于展览。所有的宇航服都在朽坏——那些用于展览的朽坏得更快，其中一部分朽坏的速度更是快得惊人。

我的专业是维护博物馆环境，使其适合物品的存放和展示。因此，我很荣幸可以维护史密森学会收藏的许多手工艺品和宇航服。这意味着我回答得出以上问题，至少某些问题。

宇航服由最实用的特殊材料制作而成。在宇航服的设计制作阶段，制作者需要对强度、重量、不透性、弹性和其他变量进行评估和平衡。如果它可以让穿戴者避开太空中的危险，方便运动，而且穿着舒适，它便完成了自己的使命。便于长期保存这点不太可能引起关注：制作宇航服是为了应对太空的严酷环境，而不是为了在博物馆长期展览。

宇航服通常由黏合或熔合在一起的多层塑料布和屏障组成。它的其余部分是金属、塑料、电线、绝缘体、导管、锚、胶、垫片、润滑剂、涂料和油墨的组合。这些材料不仅会自动降解，而且随着时间的推移，它们可能会以令人意想不到的方式发生相互作用。热量和湿度的变化以及空气中的污染物和光都会加速其老化。较差的存储条件对其造成的影响在数年内可能不会很明显。

在不展出的时候，史密森博物馆中的宇航服会被存放在阴凉干燥的暗室中。展出时，工作人员须尽力保护它们免受光、灰尘和不适环境的影响。为此，在华盛顿特区的国家航空航天博物馆举办的新一期“飞行里程碑”展览引入了适用于存放包括宇航服在内的任何敏感物品的正压微气候环境控制系统。微气候发生器会为这些密闭的玻璃展柜提供恒定纯净的湿润空气。然而这依旧不能阻挡其朽坏的脚步，只会减慢这一进程而已。

——来自加拿大多伦多安全维护微气候系统的杰里·夏纳

就是字母q

我在手机上使用的是智能输入法。当我输入字母q时，我得到的提示词都是以qu开头的。当我接着输入字母u时，又得到不同的提示词。这是为什么？我知道这个问题微不足道，但我仍然很想知道答案。

——来自澳大利亚维多利亚州切尔滕纳姆的安德鲁·巴尼特

当你输入字母q时，手机会显示一些提示词。如果这些词中有你想要输入的词，手机会希望你从列表中选择该词，而不是继续输入。所以，当你接着按下字母u时，手机默认之前的列表中没有出现你正想输入的词，所以它又给出了一些不同的词。

——来自英国珀斯郡邓布兰的卡特利奥娜·奎因

CHAPTER
10
这到底是什么

鸡蛋的壳外壳

昨天我在购物时，发现一颗鸡蛋的表面有一些小块沉积物。它们看起来像多长出的一层壳或聚积的钙，但如果是这样，它们是怎么形成的？如果它们是多长出的一层壳，为什么是奇怪的小块沉积物，而不是均匀地分布在蛋壳上以增加蛋壳的整体厚度呢？

——来自英国汉普郡朴次茅斯的查伦·廷伯莱克

这些沉积物确实由钙组成，当卵被卵壳腺裹住时，卵的外围会形成一层硬壳。钙的沉积有很多原因，其中最普遍的解释是卵被卵壳腺裹住的时间过长。这通常是由应力造成的，光照、栖息环境或饮食的变化，以及捕食者或外来物种的出现都会诱发应力。

缺水也会产生应力并导致卵壳沉积不均匀，这是因为沉积物无法被适当稀释。形成不规则卵壳的另一个原因可能是疾病感染，例如支气管炎或脑脊髓炎。显然，这些疾病可以改变鸡的新陈代谢和生物活性，包括卵的形成。

——来自英国威尔特郡索尔兹伯里的刘易斯·奥肖内西

这是一个很好的问题。当卵在母鸡的生殖道中形成后，它大部分时间都在子宫内。鸡的子宫内有卵壳腺，卵壳腺会在发育中的卵的外膜周围释放碳酸钙。然而在子宫内，卵会发生旋转，并且碳酸钙并不总是以统一的方式释放或沉积。所以你在鸡蛋外壳上看到的小凸起是卵壳腺分泌的多余的碳酸钙。随着母鸡年龄的增长，它们的卵壳腺也可能无法正常工作，所以有时你会发现问题中描述的那些稍显异常的现象。这可能是由年龄、细胞脱落或病毒感染等因素引起的。如果把鸡蛋拿到明亮的灯光下，你可以看到正常鸡蛋的蛋壳上碳酸钙的分布也不均匀。这种不平整是空气同以不均匀的方式裹上的蛋壳共同作用的结果。

——来自美国加利福尼亚大学戴维斯动物医学学院的莫里斯·皮特斯基和罗德里戈·加拉尔多

泡沫

我在冬天去了西威尔士的陶因。海滩和海滨步行大道上都覆盖着从海里吹来的大量泡沫。狂风卷起巨浪，海面上漂浮着许多泡沫。第二天，情况类似，但泡沫没有了。是什么带来了泡沫，又是什么让它们在一夜之间都消失了？

——来自英国邓弗里斯-加洛韦区的吉姆·洛根

当海浪冲击海岸时，海水会发生搅动，从而形成泡沫。当海水中含有可溶解的有机物时，例如当藻类分解时，就更可能产生这种现象。这些化合物如同发泡剂或表面活性剂那样捕获空气，并在水被搅动时产生较为持久的气泡。

类似地，海风也会带来顶上带泡沫的浪。如果海浪以海平面平均风速前进，那么被白浪覆盖的海洋面积应该在2%～3%之间——这大概等于美国国土的面积。

据气候科学家介绍，全球变暖会导致飓风频繁，这会增加白色泡沫的覆盖面。白色表面会将更多太阳光反射回太空，所以这可能会抑制全球变暖。事实上，当风速从每秒7米增加到每秒9米时，泡沫覆盖海面的比例会变成原来的三倍。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

小沙球

沙滩上软软的小沙球是怎么形成的？在奥克兰以北约100公里的海滩上，我看到小沙球散布的范围长达七百米。

——来自新西兰奥克兰的戴维·戈德科恩

它们可能是一种叫海蚯蚓的沙虫的杰作。那些看起来像微型电缆线圈的小沙球通常高1～3厘米。在退潮时，大片的沙滩会被这些沙球覆盖。海蚯蚓是各种鱼类和螃蟹的绝佳诱饵。这些沙球对渔民们来说是非常有用的指示标，这说明海蚯蚓就潜伏在沙下10～30厘米处。

我小时候曾住在英国南海岸的怀特岛，那时我经常陪父亲去赖德的码头挖海蚯蚓，那里是寻找海蚯蚓的绝佳地点。在某些潮汐条件下，当潮水不断地朝浅水区缓慢涌动时，海蚯蚓筑的盘绕的沙丘可能会从海床上脱落。在退潮时，它们不会简单地瓦解，而是留下小沙球或沙珠。在有少量油污的沙子上，例如海滩被海岸线附近冲上来的污染物覆盖时，这种现象尤其明显。

——来自英国西约克郡索厄比布里奇的安东尼·威尔金斯

“头号嫌疑犯”是沙泡蟹，这一名称涵盖了股窗蟹属和毛带蟹属中的所有动物。这些螃蟹过滤完沙子中可食用的微生物后，会将它们团成半厘米左右的球，然后丢弃掉。我本以为这些沙球会更密集地分布在螃蟹的洞穴周围，但题主的照片显示沙球的分布相当均匀。此外，螃蟹广泛分布于印度洋-太平洋海域，新西兰可能超出了这一范围。

——来自英国西米德兰兹郡萨顿科尔德菲尔德的迈克·福洛斯

畸形的蛋壳

在我的杂货店，我发现某个鸡蛋的壳上有类似静脉或动脉的脊状图案，脊之间的表面密集地分布着微小的丘疹状的突起。鸡蛋较窄一端的畸变更加明显。这怎么解释？这样的鸡蛋还能吃吗？或者还好吃吗？我反正不太敢吃。

——来自英国南安普敦的布赖恩·邦尼

卵膨胀的过程被打断最有可能引发畸变。当卵黄从母鸡的卵巢中被释放出来时，鸡蛋开始形成。然后由漏斗状的输卵管纳入，向下通过生殖道，获得蛋白层。壳膜形成后，膨胀过程开始，液体流过壳膜，使蛋白膨胀，填充壳膜内部。一旦填充满，壳膜就会硬化。如果这一过程发生的时机出现问题，壳膜可能会在整个过程结束之前就硬化。在这种情况下，你就会看到一个变形的鸡蛋。令人惊讶的是，这样奇怪的鸡蛋居然会流入消费市场，因为通常在分级时它们就会被拒收。

——来自澳大利亚南澳大利亚州克拉伦斯公园的基姆·克里奇利

神秘的痕迹

我每天早上都会在祖母家暖房的垫子上看到一条类似蜗牛爬过留下的痕迹。屋里没有蜗牛存在的明显迹象，而且夜间门会上锁。是否有别的昆虫或动物会留下这种痕迹？

——来自爱尔兰都柏林的沙恩·达菲（十二岁）

这种类似蜗牛留下的痕迹的物质确实是由长得很像蜗牛的动物留下的，它看起来像是没壳的蜗牛——蛞蝓。自从最近参加了威尔士国家博物馆开设的课程，我开始欣赏蛞蝓生命的微妙之处。这只蛞蝓很可能就住在你祖母家的碗柜下或踢脚板下，可能是黏在某人的鞋子上被带进去的。在亮光下，它会迅速躲进暗处，因此通常只在晚上出现。

如果周围有一盘狗粮或猫粮，这些蛞蝓会很高兴。蛞蝓留下黏液的行为是一种很好的防御手段，因为包括人类在内的大部分动物都不喜欢触碰这些黏液，因此就不会去打扰这些小家伙了。然而，这同时也是一个弱点，因为它暴露了蛞蝓的行踪。英国有许多不同种类的蛞蝓，或许2014年出版的《不列颠和爱尔兰的蛞蝓》一书可以帮助你识别蛞蝓，看看它们究竟是花园害虫还是可以在堆肥时派上用场的益虫。我自己留了一册，等我孙子下次来时，我和他可以一起寻找蛞蝓，看看我的花园或房子里到底有多少种。

——来自英国安格尔西岛特雷弗的吉莉恩·科茨

果冻球

9月初，我在明尼阿波利斯的密西西比河的沙滩上发现了一个奇怪的东西。它很紧实，质地与海蜇类似，但它似乎是沿着中心的一根芦苇形成的。有人知道这是什么吗？

——来自美国明尼苏达州明尼阿波利斯的安德鲁·科布里克

这听起来像苔藓虫，是苔藓虫门——一般被称为“苔藓动物”——的一员。这种胶状物实际上是数十种动物或游动细胞的集群。它有个通俗的名字，叫果冻球。

大多数集群都是细长的，它们将自己调整成最好的形状，以黏附在物体上。自由浮游的集群往往是球形的。它们存在于静止或缓慢流动的水域，所以它一定是从密西西比河的一条支流或河边的池塘里漂过来的。我曾经遇到过像足球那么大的一团。有时，它们甚至有一米多长，像一条巨大的变形虫。

——来自美国纽约州诺威奇市的唐纳德·A.温莎

奇怪的小球

最近，我在家附近的三个地方都看到了一些奇怪的东西——两次是在乡村道路旁，还有一次是在马厩的马粪堆附近。它们是直径为2～4厘米的坚硬小球，表面呈赤褐色，里面近乎黑色。这三个地方的小球分别有几百个，摞起来约一米高。制作它们的目的是什么？为什么又丢弃它们？还是说，它们是天然形成的？那又是怎么来的？

——来自英国柴郡达斯伯里的约翰·塞克尔

这些是膨胀的黏土颗粒或集料。为了使生产出表面呈赤陶土色的球状颗粒，天然黏土需在回转窑中高温煅烧。在窑中燃烧有机材料可形成黑色多孔的芯。

集料的用途很多，包括用作建筑材料，如块板和混凝土。它能应用于此，是因为黏土颗粒很轻，是优质的隔音和隔热材料，并且它耐腐蚀，能防化学降解。它也经常被用于建筑中承载量必须最小化的地方，例如隧道上方的基板，黏土颗粒还能使其变得稳固，同时具有良好的排水效率。

另外，粘土颗粒较大的表面积有助于吸收污染物，故可用于水处理。你看到的那些小球很可能曾被用作栽培介质，之后被丢弃了。黏土可以吸收和保留水分，还能排出植物根部附近多余的水分。这能保证空气在介质中循环，并且多孔颗粒能使氧气的吸收最大化。它们通常用在恒定或常规的供水系统中，例如滴灌或潮汐水流系统。这些颗粒不仅可以使水的pH值保持中性，还能提供强大的阳离子交换能力，来保留和供应添加到水中的植物营养物质。

它们薄薄地堆积在路边，因此很可能曾被用作大麻的栽培介质，用完后被倾倒在郊外，以免被人怀疑。

——来自英国布赖顿的帕特里克·梅利亚

CHAPTER
11
我们自己的疑问

《新科学家》收件箱为读者搜罗了无穷无尽的问题，他们对世界的好奇心极强，而我们的也不遑多让。下面收集的二十三个问题是我们自己的疑问。有些是关于时事的，有些不知道是从哪儿冒出来的，还有些我们被问过很多次，我们必须找出答案，一劳永逸。于是便有了这些问题。希望你们会喜欢。如果你觉得我们的回答有遗漏，请把你的答案寄给我们——你的答案可能会入选《最后的话》哦。

游离的思想

你能提高专注力吗？能集中多久呢？

大多数人会为自己容易走神感到内疚。加州大学圣巴巴拉分校的乔纳森·斯库勒说：“我们有大量证据表明，大多数人认为他们走神的时长高于平均水平。”学者们试图在实验室评估走神的“正常”水平，例如，让人们阅读列夫·托尔斯泰的《战争与和平》的片段，其间随机打断他们，询问他们思维的专注度。这些研究表明，不论我们在做什么，其中15%～50%的时间思维都处于游离状态。

这种情况可能看起来很低效，但事实也许并非如此。“就你目前正在做的事情而言，效率确实很低，”斯库勒说。“但是，就你正在思考的事情而言，这可能很高效。你可能正在阅读一本书，但同时脑子里却在盘算着要举办一场聚会，这影响了你阅读的效率，但你在筹划聚会这件事上取得了进展。”有充分的证据表明，漫游的思想是一种进化而来的特质，有助于我们思考和计划未来——这也培养了一种人类独有的创造力。

即便如此，情况是不是有点过头了呢？人们常常忧虑，随着技术的发展，我们更加容易分心，专注力将逐渐减弱。微软最近发表的一份报告声称，加拿大人平均的注意力持续时间从2000年的12秒下降到2013年的8秒，比金鱼还少了一秒。

加拿大安大略省伦敦市西部大学的J.布鲁斯·莫顿对此持怀疑态度。一方面，没有衡量注意力的标准方法，他说，人们想听到的是，你可以集中注意力多长时间？孩子们集中注意力的时间应该有多长？但这些通常不是研究这个问题的科学家使用的概念。

测量对一个任务保持专注的能力，又称为选择性注意——这可能是最接近的概念——涉及毫秒量级的注意力转移，比如要求人们说出屏幕上弹出的形状颜色，但忽略同时弹出的其他颜色。这种实验表明个体之间的选择性注意力存在很大差异。孩子难以集中注意力，这也许是因为发育中的大脑尚未学会控制处理感官信息的区域。到了二十岁时，这种能力会得到改善，到中年达到峰值，之后再次衰退。

但是，莫顿说，没有什么证据表明技术使我们难以集中注意力。相反，它的设计如此巧妙、直观，正好利用了我们天生的同时思考几件事情的能力。

如果你还是担心，你可以尝试一下这些事。斯库勒说，不要喝酒——酒精会使我们思维飘荡而不自知。“喝酒的时候，你的思维会变得涣散，注意力难以集中。”促进思维控制的技术可以提供帮助，比如冥想。“练习正念的人走神的情况得到显著改善。”斯库勒说。

——凯瑟琳·德·兰格

搁浅的鲸鱼

为什么鲸鱼会搁浅，接下来会发生什么？

搁浅比你想象的更常见：仅在英国，每年就有近600头鲸类被冲到海滩上。大多是海豚和鼠海豚，其中约有50头是活鲸。有时，搁浅与人类活动有明显的关系：鲸鱼遭遇船只撞击或是被鱼线渔网缠住，之后被冲上岸。污染和海洋噪声也会引发大规模搁浅事故。但很多时候原因并不清楚。

抹香鲸通常生活在深海区域，那里有充足的鱿鱼可供它们捕食。如果它们进入浅水区，比如北海，就会被困在那里。由于食物很难到这个区域来，它们会挨饿、脱水，因为它们体内所有的水都来自食物。浅水区也会损害鲸鱼用于导航的声呐，使它们晕头转向，游向海滩。

如果发生这种情况，结局会很惨烈。鲸鱼的巨额体重平时由水支撑。搁浅后，它们的体重会伤害器官和肌肉。肌肉中的肌红蛋白被释放到血液中并进入肾脏，其毒性很高。脱水和肾损害是最常见的死亡原因。

一旦鲸鱼被困达一小时，它们肾脏受到的伤害将是不可逆的。将它们送回水中并不能保证它们的安全，相反，由于血液循环加快，更多肌红蛋白随着血液流到肾脏。2002年，志愿者设法放生了在马萨诸塞州科德角搁浅的45头领航鲸。但是第二天，它们又一次搁浅了，那些存活者只能被安乐死。

海洋动物救援联盟的一些专家说，试图拯救搁浅的鲸鱼通常徒劳无功，安乐死反倒对它们更好。但是对体形这么大的动物来说，这并不简单。在英国，我们无法提供足够的药物来做这些事情，只能顺其自然。

鲸鱼死后，尸体开始分解，散发出吸引食腐动物的恶臭，气体在绝热的鲸脂内部积累。有时压力会变得相当大，最终发生爆炸。根据英国法律，在海岸上搁浅的鲸鱼属于皇家财产；头部属于国王，尾巴属于女王。事实上，为英国鲸类搁浅调查计划工作的科学家将得到优先权，他们可以决定是否验尸。一旦完成验尸，由地方议会处理尸体。通常，它们会被切割开来，然后被带到垃圾场填埋、焚烧。林肯郡的东林赛区议会估计，在2012年处理一只搁浅鲸鱼需花费约10 000英镑。在一些国家，搁浅的鲸鱼会被拖到海上或炸毁。

可以找到更好的用途吗？如果你想吃剩下的肉，那可不推荐。鲸鱼肉和鲸脂已被发现含有高浓度的汞、肉毒杆菌毒素甚至农药。这并不适合女王——或其他任何人食用。

——萨姆·王

车轮的奥秘

自行车如何保持直立？

2011年，一个国际自行车爱好者团队放出了一则爆炸性消息，历经150年的研究，至今无人知道自行车如何保持直立。世界各地的车手从自行车上下来，难以置信地盯着它。多年来，他们一直在做的居然是用科学难以解释的壮举。

好吧，是有那么一点。美国纽约州伊萨卡康奈尔大学的工程师安迪·鲁伊纳表示：“我们不知道自行车保持自我稳定的必要或充分条件。我们依靠反复尝试来构建稳定的自行车结构，确保它们在骑行过程中不容易倒掉。从数学上解释它们的工作原理，需要大约25个变量，例如前叉相对于路面的倾角、重量分布和车轮大小等。

到了2011年，研究人员将这巨大的工作量减少到两件。一个是“小径”的大小，前轮与道路相切的点和前叉延伸线与地面相交的点之间的距离。另一个是作用于旋转的车轮以保持其直立的陀螺恢复力。

鲁伊纳和他的同事们，包括来自荷兰代尔夫特理工大学的阿伦·施瓦布和来自梅诺莫尼市威斯康星大学斯托特分校的吉姆·帕帕佐普洛斯，重新审视了这个数学模型，改变了“小径”和陀螺力，从技术上保证自行车无法骑行。令人惊讶的是，自行车仍然很稳。

从那以后，研究人员一直在努力钻研。去年，鲁伊纳公布了一辆“三轮车”，这是自行车和三轮车的混合体，后轮两侧各加装了一个辅助轮，由弹簧控制，可以改变骑手与地面接触的感觉。他们希望，通过研究这种改造对于骑手转向以及保持平衡的影响，研制出更易于操控的自行车。

这仍然是很复杂的问题。帕帕佐普洛斯说：“我认为要彻底了解自行车，还需要加上一些脑科学知识。”人类能通过极其复杂的直觉来保持骑行的稳定。例如，在速度非常低时，我们认识到，车把手已无法控制转向，于是通过摇晃膝盖来操控自行车。

为什么？“我们也不知道。”施瓦布说。又一个关于自行车的谜团，可能在我们解决了宇宙起源的问题之后，它还没有答案。

——迈克尔·布鲁克斯

天文学错误

为什么冥王星不是行星？

2015年7月14日，美国国家航空航天局的“新视野号”探测器传回了冥王星的标志性照片，图像上显示的崎岖山脉、深谷和心形冰原前所未有地清晰。“给这个美丽的星球一阵掌声怎么样？”任务领导人阿兰·斯特恩向观众介绍照片时说道。

问题是，冥王星不是真正的行星。如果当时房间里有任何怀疑者的话，他们也不会在斯特恩的荣耀时刻提出异议，但自2006年以来，这个遥远的世界已经被国际天文学联合会（IAU）列为矮行星，这意味着它将退出太阳系的“正式”行星行列。

这令人困惑。“新视野号”清楚地表明，冥王星看起来像一颗行星——它通过了斯特恩喜欢的“星际迷航”测试；你可以想象，“企业号”上的船员从桥上望出去，然后决定着陆。那么，为什么冥王星会被除名呢？要理解这一点，我们需要回到天文学的起点。

“行星”这个词来自古希腊语“流浪星”。甚至在望远镜发明之前，早期的文明就指出，宇宙中存在七个运动的天体：太阳、月亮、水星、金星、火星、木星和土星。随着哥白尼革命，天文学家们意识到是我们围绕着太阳旋转，而不是反过来，于是将太阳和月亮剔除，加上地球只剩下六颗行星。

1781年，天王星成为第一颗使用望远镜发现的行星，接着谷神星、智神星、婚神星和灶神星相继被发现。如果你不熟悉这些星球，那是因为现在我们称它们为小行星——它们都很小，集中在火星与木星轨道之间的小行星带——但在19世纪上半叶，它们和一些较大的行星并列，总共有11个。海王星于1846年连同数十个更小的天体一起被发现，这使得天文学家们不得不重新思考，因为这些小行星各不相同。

接着，在1930年，冥王星被发现。当时，天文学家就发现这是一个古怪的世界，冥王星的轨道倾角较高，偶尔会进入海王星的轨道。但是，冥王星还是受到了热情的欢迎，加入了行星行列。太阳系完整了。

或者这只是我们的一厢情愿。在20世纪90年代，冥王星的地位摇摆不定，因为天文学家开始发现外海王星天体（TNOs），这是在海王星之外运行的一群小天体，那里被称为柯伊柏带。接着，在2005年出现了一个惊人的打击：厄里斯被发现，这是一个似乎比冥王星稍大些的外海王星天体。

天文学家面临危机。厄里斯应该被列为太阳系第十大行星吗？如果还有其他行星等待被发现，难道要在观察到的那一刻撕坏教科书吗？国际天文联合会（IAU）被迫做出反应，在2006年8月的一次会议上，冥王星被降级为矮行星——正是在“新视野号”开始探索任务之后数月。

行星和矮行星都是围绕太阳运行的圆形天体，但是，由于矮行星未能清除自己轨道附近的其他小天体，它们失去了正式排名。冥王星降级是由于其附近的小天体，但谷神星则从小行星升级为矮行星，因为它是小行星带中唯一的圆形天体。矮行星的定义也明确排除了卫星，否则我们的月亮以及太阳系中的其他许多卫星都将获得资格。

然而，当你看冥王星的照片时，你看到的是一颗行星。谷神星也是如此，2015年，这颗小行星迎来了它的第一个访问者——NASA的“黎明号”探测器，于是它有了自己的特写。如果“星际迷航”测试——天体大致是圆形，并且具有有趣特征——对柯克舰长来说已经足够好，那对我们来说为什么不够好呢？

一方面，这个测试会把太阳重新归入行星，就像古人认为的那样，所以我们最好学IAU，把围绕太阳旋转作为行星的一个条件。考虑到数十个小型TNO的存在——其中有些甚至拥有自己的卫星——认同那个测试意味着太阳系的行星数量将达到两位数。

但是，等等——卫星显然也通过了“星际迷航”测试，特别是我们的月亮是我们唯一登陆过的世界。而特里顿，作为海王星最大的卫星，直径比冥王星大了约三百公里，被认为是由气态巨行星捕获的前TNO。行星是否真的应该因它们位置的变化而降级为卫星？这是一个有待解决的棘手问题。

现在，我们需要担心的远不止太阳系。像NASA的开普勒航天器这样的望远镜现在已经发现了3000多颗太阳系外行星绕着各自的恒星运行，但除了那几颗非常大的恒星，其他大部分还没有拍到照片。所有已知的系外行星很有可能都是圆形的，因为它们似乎足够大，在自重作用下应该会形成球形，但未来的望远镜有望找到更小、更模糊的世界。在发射星际探测器之后，我们是否可以称它们为行星？

IAU对行星的定义实际上并没有提到系外行星，但是有一个单独的定义规定，它们的质量应该低于13个木星的质量，以此将它们与棕色矮星区分开来。这个定义具有争议性，而且排除了不绕任何恒星公转、自由漫游的“流浪”行星。形态和位置之间的紧张关系再次使得确认一个大家都认同的行星变得棘手。

讽刺的是，“新视野号”对冥王星半径的详细测量证实，实际上冥王星比厄里斯更大，所以，如果早点开始探索，就可以避免“第十个行星”被发现后爆发的那场争论。斯特恩现在喜欢将柯伊柏带称为太阳系的“第三区”，排在岩质行星和气态巨行星之后。在“新视野号”完成任务前夕的一次演讲中，他认为我们应该接纳那些小天体的行星身份，因为实际上它们在太阳系中占多数。“这真的是太阳系的第三行星区，”他说，“正如昆虫的数量远超人类，小人物总是获胜。”

——雅各布·阿伦

大脑意识开关

失去意识就像直接关灯，还是像调暗灯光？

意识感觉就像一个开关现象：要么你正在感受世界，要么没有。但是，找到我们大脑在这两个状态之间切换的开关是一件棘手的事。密歇根大学安娜堡分校意识科学中心主任乔治·马舒尔说：“意识不是我们看到的东西，我们通过意识来看到东西，这使得对意识的研究富有挑战性。”

意识的一个常见定义是：“在我们陷入无梦状态的睡眠时缺失，在我们醒来时又恢复的东西。”但是，假设我麻醉你：你可能会听到我的声音，但不会回应；你也可能在做梦，听不到我的声音；或者，你可能什么也听不到或根本没有感觉。哪些大脑活动模式与这些有意识的经验水平相关？

我们知道，大脑的某些区域如果受到损伤或刺激，会导致意识丧失。屏状核就是其中一个——深埋在大脑中的较薄的片状结构。但是，旨在描述意识的许多前沿理论脱离了解剖学。

全局工作空间理论认为，来自外部世界的信息通过互相竞争的方式博取关注。我们只会意识到某些东西，例如电话铃响了，如果它击败了大脑接收的其他所有信息的话。

然后是信息整合理论，这种理论认为意识是数据的组合结果而不是其各部分的总和。马舒尔说：“无意识不一定需要关闭大脑区域，更确切地说，只需各区域发生交流故障即可。”

最近一项关于缓慢麻醉过程中人类脑部活动的研究似乎印证了这一点。这也可能解释了像氯胺酮这些药物如何使人昏迷：这种有效的镇静剂可以在许多脑区加强促进觉醒的活动，同时抑制不同脑区间的沟通。

——琳达·格迪斯

登月计划

登月计划经常被认为是人类探险的最高成就，但最近一次登月已经是四十多年前的事了。为什么我们不再登月了？

你想听愚蠢的原因吗？政治原因？还是需要花更长时间解释的原因？第一个是阴谋论者的那一套：我们从来没有登上过月球，也没有能力这样做。当然，这是骗人的鬼话。第二个原因至少是真实的。苏联与终极胜利者美国之间的登月之战是由冷战思维所驱动的。双方在核弹头上相互对峙，试图证明自己在政治上占上风。在某种程度上，将人类送上月球可以明确证明这一点。一旦其中一个国家实现了登陆，另一个国家也就没有必要再次登陆，这就是为什么在“阿波罗17号”完成最后一次任务后，人们逐渐对登陆月球失去了兴趣。

但是，各国仍然渴望通过壮举和荣誉来证明自己的价值，在这个“用智能手机可以观看任何事件”的时代，登陆月球一定可以满足他们。登月不乏候选人——某个正在衰退的欧洲帝国，或者中国、印度、巴西，甚至朝鲜。那么，为什么他们不去呢？

现在来说说这个需要花更长时间解释的原因。如果我们有意愿，我们还能去月球吗？在某种程度上，我们失去了这样做的能力。想象一下，为了将尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林送入宁静之海所投入的大量的时间、金钱和技术。巨大的土星5号运载火箭发射升空，将他们送了出去，发射塔、设计超级复杂的月球着陆模块、宇航服、隔热罩、降落伞……一旦你不再登月，这些东西就用不着了。所以，你不会保留建造这些车辆和装备的工厂，你会将它们关闭。任务完成。

所以，如果你想再次登月，你将不得不从头开始。新设计师（老一代的设计师几乎都不在了）、新设计、航空和火箭的新发展、新材料、新工厂、新发射台，几乎所有一切都是新的，最重要的是新计算机。

当然，我们可以重走当年的步骤，正如我们可以像两千年前的罗马人那样重建一个罗马斗兽场。但是我们为什么要这么做？今天，我们的体育场结构已经完全不同。为什么我们不再使用“协和号”飞机或其后代穿越大西洋？进步不一定是线性的。为了再次登月，我们可以使用计算机、起重机、卡车、材料和激光器，这些在20世纪60年代并不存在。尽管效率会更高——沿用旧技术太愚蠢——但是我们得另起炉灶。

这一次的目标也会有所不同。这不是为了证明自己的政治制度更优越，公众也不会再为虚荣项目交税了。在冷战热潮中，“阿波罗计划”的诞生也许是合理的，但今天的月球计划必须要有严谨的科学、社会、商业和环境效益才能让民众买单。所以这不仅仅是造火箭——我们需要发起一项整体运动。

最后是航天器本身。要承担我们谈到的那些科学利益，航天器可能要做得非常非常大。在发射前，必须一次次对宇宙飞船进行测试。

只有投入足够的时间、精力和金钱，才能做到。即使没有政治目的，也有私营公司愿意参与——前提是登月计划需要给他们一些非常有益的回报。如果有合适的商业条件，也许他们会感兴趣。在那一天到来之前，尤金·塞尔南仍是最后一位登月人。

——米克·奥黑尔

终极祖先

地球上的第一个生命是什么？

起初是艾达，即我们最初的达尔文主义意义上的祖先——地球上第一种从惰性转变为非惰性的物质。艾达孕育了我们最后一个普遍意义上的共同祖先卢卡，一个将信息以遗传密码的形式存储起来并演变出地球上所有生命的分子。

艾达和卢卡生活在我们体内。我们的细胞都使用表现为DNA形式的遗传密码，这表明卢卡本身是由DNA构成的。不过没那么简单。所有生命都利用蛋白质合成DNA并执行其密码——但蛋白质的合成又需要DNA的指导。所以，究竟哪个先出现？

大概都不是。RNA和所有活细胞中的DNA关系亲密，同样携带遗传密码，至关重要的一点是，它本身具有催化化学反应的能力。RNA世界假说认为，卢卡诞生于RNA汤，最终产生DNA和第一个细胞。

但RNA来自哪里？20世纪50年代，美国化学家斯坦利·米勒和哈罗德·尤里将气体和水蒸气混合，通电引爆后，产生了少量生物分子。不过，如今，精微的想法较为盛行。例如，伦敦大学学院的尼克·莱恩认为，海底温暖的火山口提供了可以孕育RNA的由甲烷、矿物质和水组成的生物汤。与此同时，科罗拉多大学的迈克尔·雅鲁斯则支持一个持续冻结和解冻的泥泞池塘使化学物质以正确方式聚合在一起的猜想。

有趣的是，最近试图证明RNA存在的实验表明，当化学反应正好合适时，许多生命的构建模块几乎是自发形成的——这增加了生命在其他地方发生的可能性。

——凯瑟琳·布拉希克

消失的语言

技术和全球化的稳步推进意味着少数语言将占据主导地位，而其他许多语种将日益衰落。这个趋势会持续多久——会有那么一天，我们都说着同一种语言吗？

以汉语普通话为母语的人口数量超过十亿，汉语是世界上使用人数最多的语言。西班牙语第二，英语第三。但不同于普通话和西班牙语——两者都在三十多个国家使用——英语在一百多个国家使用。3.35亿人将英语作为第一语言，还有5.5亿人将其列为第二语言。它在国际关系、商业和科学研究中起着主导作用。所有这一切表明，英语正在成为地球通用语。它可能会变得不再像母语人士习惯的英语。

世界各地数以百万计把英语作为第二语言的人创造出了各种包含本国母语和文化元素的方言。这些被称为“英语方言”，例如，中式英语、巴西式英语、尼日利亚式英语。总而言之，它们——不再是美式或英式英语——将成为语言未来的发展方向。

英国南安普敦大学的珍妮弗·詹金斯说，语言专家曾经预言，未来的世界最终会出现两种可能。要么每个人都说美式英语，要么英语像拉丁语那样分裂，产生出新的语种。然而这些都没有发生。

相反，英语方言可能会长期存在。即使在未来，中国、印度和尼日利亚成为全球超级大国，英语也可能是国际交流的首选语言，这只是因为它已经被广泛使用了。奇怪的是，这对以英语为母语的人来说不是一个好消息。当世界上所有人都说英语时，这不再是一件特别的事情，他们失去了自己的优势。

他们甚至可能处于劣势。母语非英语的人可以适应彼此的语言怪癖。詹金斯说：“如果你让智利人、日本人和波兰人用英语进行讨论，他们可以相互理解。但如果把其中一个人和两个以英语为母语的人放在一起，可能会出现问题。”

我自己的英语——横跨大西洋的盎格鲁和爱尔兰乡村的混搭——帮助我渡过了许多磨难。我的父母亲永远听不懂蒂姆的英语，他是20世纪90年代初我们在科克的奶农邻居，所以由我担任翻译。无论是按照“口音”还是“英语方言”，都很难将我的英语归类。大多数人以为我来自加拿大。

随着时间的推移，英语方言可能会开始跨越国界。新的方言很可能在贸易区周围形成。这些共同目标将推动通用语言的发展，无论我们是否称之为英语。这并不是说其他语言都会消失。德国人将继续保留德国境内的语言选择权。即使爱沙尼亚语只有一百万人使用，也不会消亡。同样，直接继承自莎士比亚时期的“中古英语”的语言依然在英国和美国占据主导地位。但是，就像英式橄榄球一样，英语很快就会超出他们的控制范围，在地球上其他地方被改造成某种新的语言。

——哈尔·霍德森

私语

头脑里的声音从哪里来？你怎么知道它是否正常？

对于苏格拉底来说，当他要犯错误时，头脑里便会传来警告的声音。对于西格蒙德·弗洛伊德来说，当他独自旅行时，这声音会幻化成陪伴他的爱人。人们听见脑海里的声音已经有悠久的历史。

那些杰出名人的例子也许向我们证明了这并不总是疯狂的标志：我们的日常想法似乎经常以类似语言的方式呈现。2011年，英国达勒姆大学的查尔斯·费尼霍和西蒙·麦卡锡-琼斯发现，有60%的人体验过“来回对答”形式的“内在演说”。

那么，“内在演说”什么时候结束，我们可以再次听到“外界”的声音？其中一个答案是，内心的声音“感觉就像你自己一样”，费尼霍说，所以你感觉到更多的掌控感——但是，考虑到许多思想过程似乎是非自愿的，这个答案并不能令人满意。“这个问题是谜题的核心，为什么我们没能更好地理解它。”费尼霍说。

在他们迄今为止最大的研究之后，费尼霍和他的同事估计，有5%～15%的人会听到头脑中的声音，虽然只是短暂的或偶尔的。大约1%没有被诊断出精神疾病的人听到过更持久的、反复的声音。大约相同比例的人被诊断为精神分裂症，对两者相关的假设提出了挑战。

到目前为止，在没有被诊断出患有精神疾病的人中，听到头脑中的声音的人和没有听到的人的大脑似乎没有差别。费尼霍说，在谈论你头脑中的声音前，最好先问问自己：它们打扰到你了吗？

声音不是我们内心想法的唯一表现——我们的心灵也会讲故事。这种虚构能力是记忆障碍的症状之一，人们有错误的记忆。但没有记忆障碍的人也会这样做。实验表明，例如，当人们被迫随机做出决定时，他们随后会为此编造理由。

其中一个理论是，这有助于我们理解这个信息轰炸的世界，并为我们潜意识做出的决定提供有意义的显意识理由。新泽西州罗格斯大学的进化生物学家罗伯特·特里弗斯认为我们的谎言更加利己：通过对自己撒谎，我们可以更好地对别人撒谎。

这可能解释了所谓的“正向偏见”现象，人们往往会高估自己的美德。“我们把自己放在正向分布的上半部分，”特里弗斯说，“80%的美国高中学生认为他们的领导能力处于中上水平。”对于这些令人振奋的声音，你也许不必过于担心你所听到的——只要别完全相信。

——凯瑟琳·德·兰格

银河工程

我们可以利用技术来改变银河系吗？

人类已经开始改变地球。我们建立了城市、交通网络和发电站，并用卫星点缀了星空。如果我们利用这种能力来设计我们的环境——生活空间、旅游、能源和通信——它将指引我们去哪儿？我们能改变太空吗？

预测未来是一个愚蠢的游戏。所以，让我们采取惯用的伎俩：除非被目前已知的物理学知识否定，否则最终都会实现。在开始之前，我们先发明两样东西：可以自我修复的人工智能主管，它可以指导持续数千年的项目；和接近光速的汽车，也许骑在激光束上或由微型黑洞驱动，根据堪萨斯州立大学物理学家的最新计算，这有可能实现。

于是，我们可以从一个太阳系跃迁到另一个太阳系，在1000万年左右的时间内跨越银河系，然后进入我们银河系所在的超星系团。所以，潜在的建筑空间相当宽敞。这样的文明将消耗大量的能量，而那正是我们的工程引人注目的地方。其中一个选择是就地解决能源问题，例如，利用绕轨道而行的太阳能发电站获取太阳光。当电力需求增长，这些发电站可以完全包围一颗恒星，形成一个封闭的“戴森球”（以物理学家弗里曼·戴森命名），戴森认为，技术文明的能量需求会不断上升。

如果我们建造一个“戴森球”，我们会使太阳变暗，并在我们死后留下一个浩大的考古遗址。如今，地球上的天文学家正在寻找这种规模的外星工程投下的阴影。通过这种技术水平，我们甚至可以移动恒星，尽管速度缓慢。最简单的方法是在恒星的一侧放置一面镜子，将其部分光线反射成光束，从而产生反向推力。或者利用戴森球的能量为离子发动机提供动力，使恒星移动得快一点。我们可能会使用这样的恒星发动机远离预测到的超新星，或者让两个昏暗的小恒星相撞，建造一个更亮的发电厂。

如果仅仅操纵恒星显得有些单调，那么，利用超大质量的黑洞的能量怎么样？我们可以捕获其吸积盘中的辐射能量，或提取其旋转能量。在被称为“能层”的区域，旋转的黑洞会拖拽其周围的时空，我们至少有两种方式来利用它。牛津大学的罗杰·彭罗斯建议使用它来加速物质流，而剑桥大学物理学家罗杰·布兰福德和罗曼·兹纳杰克设计了一种将其变成电磁发电机的方法。这些可能是一个发电厂的基础，其能量输出是戴森球的十倍。至少，它的尺寸得和我们的太阳系差不多。

即使那样，依旧没有到达我们野心的边界。我们对宇宙真实面貌的探求可能会促使我们造出终极粒子加速器，能够产生足以让所有力量统一的巨大能量，最终揭开时空的本质。

新泽西州普林斯顿大学高级研究所的布赖恩·莱基已经发现了这台加速器的一些特性。其中一个是巨大的尺寸：为了能够将粒子加速到所需的能量，它必须被拉伸至太阳至冥王星距离的一百倍。这只是下限，但更大的尺寸应该有可能实现。这样一个长而薄的东西可以无限延伸，而不会产生巨大的自重应力，所以也许我们可以在猎户座甚至更远的地方建立一座塔。

在可想象的技术极限下，我们甚至可能会修正宇宙的命运。如果恒星和超大质量的黑洞无法满足我们对能量的渴望，那么我们可能得学着创造出微型黑洞，并给它们提供灰尘。这可以解开惰性物质的质能，将其转化为可用于驱动我们星际产业的霍金热辐射。

根据澳大利亚昆士兰大学的S.杰伊·奥尔森的计算，这可能会改变未来的一切。随着文明以光速在太空扩张，它将使宇宙充满废热，从而改变其物理特性。将物质转化为辐射，甚至会使太空的扩张速度减慢一些，这使我们对地球的小小干预不再显得那么短视。

——斯特芬·巴特斯比

打喷嚏的季节

是什么导致了花粉热，为什么只有一些人受到影响？

引起花粉过敏症状的反应几乎与身体破坏、驱赶寄生虫的机制一样。但我们还不清楚无害物质（如花粉）触发这些反应的机制。已知的是，敏化过程通常在你注意到任何症状之前几个月或几年就已经开始。最终的结果是，当再次遇到特定的过敏原时，免疫细胞网络已准备好要做出反应。

由于某些原因，过敏的人越来越多。过敏性鼻炎的影响遍及世界各地，但成年人发病率最高的是英国，达到30%，是20世纪70年代的三倍。美国、澳大利亚、新西兰等西方国家的发病率也有类似的增长。全球平均发病率约为16%，这意味着超过十亿人患有花粉热。

一些数据显示，花粉热在青少年中更常见，刚开始常常伴随着头痛。但症状也可能在任何时候突然开始，甚至在老年时。至于为什么要花这么长时间才发作，没人知道。帝国皇家学院过敏和呼吸专业的教授斯特芬·德拉姆说：“这可能是由于激素水平的变化，或者敏化过程需要时间。”喝酒和吸烟也会增加患上花粉热的风险，使症状恶化。这种流行病背后是什么？意识提高可能是一个原因，但肯定不是全部原因——近几十年来，各种过敏症似乎变得越来越普遍。

主流的解释是卫生假说——幼儿接触细菌感染和寄生虫的机会减少，扰乱了免疫系统的正常发育，导致免疫系统对无害物质进行攻击。在农场长大似乎可以保护儿童免受花粉热和哮喘的困扰，饮用未经巴氏消毒的牛奶也有这样的功效。

但卫生假说也不完备。在某些国家，例如极端西化的日本，过敏率就很低——这可能是由于其内在的遗传因素影响了敏感性。如果你有一位近亲患有花粉热，那么你有超过50%的机会染病。

最近的一种说法是，减少与自然环境的接触可能降低寄生在我们身上的微生物的多样性，这可能会使免疫系统变得容易过敏。最近，芬兰赫尔辛基大学的伊尔卡·汉斯基发现，与健康人相比，易过敏的人更有可能住在建筑密集的区域，生活在他们皮肤上的细菌种类较少。

有一类叫“不动杆菌”的细菌看起来特别有趣，它似乎鼓励免疫细胞产生白细胞介素-10，一种抗炎症物质。汉斯基说：“在森林和农田环绕的房子里长大的孩子，皮肤上分布的这类细菌往往更多，从而降低了过敏的概率。”

增加过敏概率的其他可能因素还包括在儿童期较多使用抗生素、维生素D水平低下或暴露于某些化学物质中。目前，还没人说得清楚。

——琳达·格迪斯

另类历史

尼安德特人很久以前就灭绝了，但他们的基因却在现代人身上延续。你身上有多少尼安德特人的血统呢？

2010年，一批遗传学家宣布他们破解了尼安德特码。他们从拥有38 000年历史的古老的骨头中提取微小的DNA碎片，最终他们排除万难，重建了一个尼安德特人基因组。如今，我们已习惯于听到古代基因组，但在当时这是革命性的。在那之前，我们只能通过骨头了解我们已经灭绝的表兄弟，而现在我们有了蓝图。

遗传学家决定将他们的尼安德特人基因组与现代人的基因对比，发现了令人惊奇的事情：居然有一些基因是匹配的。

这不同于人类与黑猩猩DNA的高度匹配——经过仔细观察，他们发现，在某种意义上，现代人类的某些DNA片段属于尼安德特人。唯一的解释是，数万年前，尼安德特人和现代人类交配，生下了一个混血小孩，那个孩子将尼安德特人的DNA片段移植到人类的家谱中。

现在我们知道，非非洲后裔的基因组成里有2%～4%源自尼安德特人。杂交发生在智人走出非洲之后，所以，有非常纯净的非洲血统的人不携带任何尼安德特人基因。而且我们知道，并非所有人都继承了相同的尼安德特人基因片段——总共有30%～40%的尼安德特人基因组仍然在四处游荡，分散在数以百万计的活人中。那些DNA并不空闲。遗传学家一直在仔细观察这些小东西，以了解我们可能从这不太幸运的物种继承的特征。如果你长有雀斑，皮肤苍白，还有一头红色的头发，那么有可能这些基因最初是从尼安德特人遗传而来的。你也可能继承了一些他们的免疫系统基因，而我们从尼安德特人身上获得的其中一个基因控制着我们视野中小盲点的大小。

当然，你也可以反过来问这个问题，你身上有多少“真正的人”的血统。哪些片段是我们特有而尼安德特人没有的？这样的基因当然有很多，但是，其中有一套基因非常有趣。它们被发现存在于人类自己的细胞以及狗和猫的细胞中，而尼安德特人的骨头中却没有。这套基因之所以有趣是因为，它们曾经与驯养有关：狗有，但狼没有，猫有，而野猫没有，甚至在已被驯化的西伯利亚狐狸群中被发现，但野生狐狸却没有。这些基因赋予宠物小头骨和狭窄的面孔，也使他们不那么凶猛。所以请记住：你身上确实有部分尼安德特人的基因。但真正让你有别于他们，或者所有人类祖先的是，我们是被驯化的物种。

——凯瑟琳·布拉希克

比人类“更有意识”

从蠕虫进化到鸟类到猴子再到人类，意识是否在连续增强？如果是，那么人类继续进化会变成什么样——比人类“更有意识”是什么意思？

常识告诉我们，随着动物变得更加复杂，它们的意识也日益觉醒。一方面，进化的脚步在我们这里驻足是令人高兴的事；另一方面，它有助于合理化我们对待其他动物的方式。如库尔特·科贝恩所说：“吃鱼没什么大不了的，因为它们没有任何感觉。”

但是（对不起，库尔特），常识在解释事情时往往是无望的。请关注意识本身。“意识”一词每个人都懂，但却无法用科学的方式解释清楚。我们已经谈了几千年，并花了几乎一样长的时间来研究，但我们仍然不知道意识现象是如何在大脑中的某个区域产生的。

关于意识的一个主流理论是整合信息理论（IIT），它没有直接作答，而是提出意识的经验是由来自大脑不同位置的数据整合而来的。他们发明了一种“意识指数”φ，它代表一个系统拥有的涌现信息数量。

如果IIT是正确的，这意味着所有的动物在某种程度上都有意识，确实存在一个从简单动物到复杂动物的意识连续体。但是，因为我们不知道到哪里寻找它，要如何测量，所以很难说某种动物在这个连续体的哪个位置。或者说，我们又在哪里。

我们并不认为，人类的意识是生物可以达到的“最有意识的”状态。比如，其他动物也有意识，只不过它们的大脑结构与我们不同。鸟类没有新皮质，我们曾经怀着哺乳动物的优越感认为它对于有意识地思考至关重要。相反，鸟类利用大脑的另一个部位设法做许多复杂的认知处理，比如思考。我总是会想起在剑桥的一家鸟舍里遇到的一群松鸦。那些鸟儿和我身边的科学家很熟，但不认识我。它们躲在箱子后面，似乎在大声喊道：“对不起，对不起。”仿佛它们在为自己的逃跑向它们的“朋友”道歉。

大多数研究大猩猩的生物学家都会告诉你，猩猩具有意识。有一次，在马来西亚婆罗洲的热带雨林中，一只年轻猩猩与我交朋友（这是一个很长的故事）。经历了与这只大猩猩和松鸦的邂逅之后，我坚定地相信动物是有意识的。但是，这不仅仅是我的个人经历和对其他动物的猜测——有很多证据表明动物具有意识行为。你甚至可以为植物辩护。它们非常擅长检测和处理大量信息，并采取行动。当然，我们称之为觉知，甚至是意识。

所以说，认为存在一种意识连续体，关于这种看法，并不存在多少争议。我们每个人也都经历了意识进化。在睡梦中，我们基本上仍然是自己，即使我们可能在天上飞行或是在水下呼吸。如果我们醉酒或是吸食毒品，我们的意识会有所不同。IIT创始人威斯康星大学麦迪逊分校的朱利奥·托诺尼表示，意识会随着我们年龄的变化而变化。

我们并没有达到意识的最高形态。下一步是什么？心灵感应？预言？来自英国苏塞克斯大学的神经科学家阿尼尔·塞斯说，意识的“更高层次”不一定会映射到宇宙一体化的通俗概念——但是我们可以对此抱有希望。也许，更高的意识可以让我们感知到另一个被造物的意识状态，并预测其行为。对我们来说，这种极度共情或超直觉能力有点像读心术，但这不需要超自然的解释，只需要更深入地了解神经处理过程。

让我们回到之前提到的鱼的问题。我们怎么知道它们没有任何感觉呢？我们连自己的痛苦是如何在大脑中呈现的都不知道，就更别说其他物种了，我们没有权力去主观地断定其他动物正在经历什么。吃鱼也许没问题，但这并不是因为我们知道它们没有任何感觉。

——罗恩·胡珀

点击打盹按钮

无论是因为白天长时间工作还是夜晚在某个地方久久徘徊——或者两者都有，我们中许多人会问：在周末补觉有效吗？

睡眠这种需要来自一个双层结构的系统。一方面存在睡眠驱动，也被称为睡眠压力：我们清醒的时间越长，睡眠驱动积累得越多，促使我们渴望睡眠。当你试图熬夜的时候，你可能会强烈地感觉到越来越想睡觉。一旦你睡着了，这个睡眠驱动便开始消散。

然而，从醒来的那一刻起，我们不会再感到越来越疲倦。例如，人们常常感到在晚上八点比下午四点更清醒。这是因为我们的睡眠/清醒模式也由大脑中的昼夜节律钟协调。这产生了所谓的警报信号，白天大部分时间它们会变得更强，以抑制睡眠驱动。随着睡觉时间临近，这些警报信号变弱，最终睡眠驱动控制了我们。

当我们睡觉时，睡眠驱动减弱，直到我们醒来，感觉到精力恢复。理想情况下，你早上不需要闹钟叫醒——如果你这样做，会积累睡眠债务。这会让你感到越来越累，因为你拖欠债务了。已经有很多证据表明，睡眠过少会产生负面影响，比如健忘、心脏病、体重增加和中风等。

所以，简单的解决办法就是尽快偿还这笔债务。在一项研究中，科研人员跟踪研究连续六个晚上只睡四个小时的学生。这些学生产生了胰岛素抵抗（Ⅱ型糖尿病的元凶），血压升高，应激激素皮质醇上升，并且只产生了正常数量一半的该激素抗体。但是，当学生们补了几个小时觉之后，所有这些结果都被逆转了。即便如此，并不是每个人都相信，这种短期恢复可以缓解由经常缺觉导致的长期健康问题。

还有一种情况可能让你晚上睡不着。我们知道，倒班和时差会破坏你的生物钟，损害健康。经常在错误的时间睡觉会导致糖尿病、肥胖和癌症等问题。看起来，在周末补觉，这种被称为社会性时差的现象，可能会引发与倒班相同的健康问题。

不幸的是，随着工作和上学的时间越来越早，晚睡晚起型人最遭罪，他们的生物钟已经让他们适应晚睡晚起的作息。传统观念认为这些人懒惰，现在看起来这更像是健康歧视。早起的鸟儿有虫吃，而夜猫子被迫早起却得了糖尿病。这种差距导致许多人开始倡导改变学校作息及办公时间——尤其是为了保护倾向于晚睡晚起的年轻人的健康。同时，最健康的解决方案是早睡。

——凯瑟琳·德·兰格

遇到外星人

如果我们找到了外星人，会怎样？

得益于开普勒太空望远镜，我们知道银河系可以容纳多达300亿个类似于我们地球的行星。下一代望远镜，如詹姆斯·韦伯空间望远镜，预计会在2018年升空，它将搜索系外行星大气层中的生命迹象。有些人认为，发现除我们以外的生命体只是时间问题。2017年4月，美国国家航空航天局首席科学家埃伦·斯托凡预测说，到2025年，我们将找到其他行星上存在“生命迹象”的有力证据。如果她是对的，我们将如何处理这个消息？

前美国国家航空航天局历史学家、现任美国华盛顿特区国会图书馆太空生物学馆馆长斯蒂文·J.迪克说，我们所发现的将会对我们的回应方式产生重大影响。如同世界杯决赛场上身着绿色球衣的球员一样不起眼的发现，都有可能需要接受多年的质疑和考验。马萨诸塞理工学院的行星科学家萨拉·西格正在寻找另一颗地球，她也同意这一说法。她说，任何初步调查结果都可能需要花一些时间来确认。“可能不会有‘啊哈’时刻。”

系外行星大气中的化学不平衡可能是由微生物活动引起的。但是，这样的间接结果可能只会产生短期影响，迪克说。1996年发现的火星陨石ALH84001获得了媒体的广泛关注，总统甚至对此发表了演讲，之后质疑声越来越强烈。现在，大多数人认为陨石中不存在古代外星生命的残骸。

来自智慧外星生物的解码广播则完全不同。科学家和政府将不得不评估这些信息是否具有威胁性，如果真的存在外星生物，我们又该如何回应。这对某些宗教来说也是一个挑战，迪克说。“耶稣必须是所有外星生物的救世主吗？”有些人可能会把有智慧的外星生物当作救世主，从而产生新的宗教信仰。另一些人则简单地为他们克服星际纠纷来探索宇宙而庆祝。

从更长远的角度来看，即使是外星生命的微小证据，也会激励人们了解生物学的普适原则，迪克说。我们可能会找到这些问题的答案：生命的出现必须有合适的条件，还是偶发事件？是否存在其他类型的遗传密码？生命必须依赖碳或水吗？达尔文的自然选择学说是普遍适用的，还是说也存在其他进化方式？

也许最重要的是，外星生物的存在将会给“人类是宇宙的中心或其存在的原因”这种观念带来决定性的打击。相反，我们将被迫承认我们只是一棵巨型星系生命树上的一根小树枝。“我希望人们能够找到一种新的和平意识，对于我们并不孤单这点有新的理解。”西格说。

——麦格雷戈·坎贝尔

太空殖民者

人类有责任在其他行星上繁衍生命吗？还是应该与宇宙保持隔离状态？

琢磨外星人是一件很有趣的事情。但假如根本不存在外星人呢？65年前，恩里科·弗米首次提出，我们在宇宙中是孤独的。弗米估计，一个先进的技术文明花费一千万年左右的时间，其种群才能填满银河系。我们的银河系比那大一万倍。大家都去哪了？

这似乎不是因为我们没有寻找，也不是因为找得不够久，不够努力，尽管有一种粗糙的观点认为，应该存在其他先进的文明能够发出可穿越星际的信号。然而，并没有。

那么，假如我们真的是孤独的呢？牛津大学未来人文研究院的安德斯·桑德伯格说：“如果我们认为我们是宇宙中唯一的生命，那么我们就有责任将生命传播到其他星球上。如果我们是唯一的智慧生物，我们就同样有责任传播人类文明。”

NASA天文学家戴维·格林斯布恩对此表示赞同，尽管他还没有放弃寻找外星人的念头。他说：“我们拥有别的物种从未拥有过的能力。如果我们是宇宙中唯一的生命，不妨把赌注加大些，如果我们是宇宙中唯一具有科学洞察力和技术知识的智慧生命，我们有责任保护我们的文明。”

这并不容易。首先，我们需要大胆决定“去哪里”。我们不知道人类可以在地球以外的什么地方生存下去。英国皇家天文学家马丁·里斯说：“我们在太阳系中甚至找不到像南极或珠穆朗玛峰一样温和的环境。”但是，一些先行者仍在努力寻找这样的环境。亿万富翁发明家埃隆·马斯克计划在未来五十年内在火星上建立一个自给自足的殖民地。里斯说：“到2100年，一些先行者可能已经建立了完全独立于地球的基地。”

第二，我们需要某种强劲的推进力，但我们还不知道那会是什么样。第三，我们必须想办法处理星际尘埃，当我们的飞行器达到一定的运行速度，这些尘埃可能会导致灾难性的碰撞。第四，我们需要在舱内造出某种人造重力，否则宇航员将面临巨大的、很可能致命的健康问题。

毫无疑问，前方障碍重重，有些是我们尚未面对甚至难以想象的。但桑德伯格和另外一些人都很乐观，认为我们可以克服这些困难。即使无法做到，我们还可以尝试通过“定向泛种论”在宇宙中繁衍生命，以延长时间线。其基本思想是将微生物发射到太空，希望它们在适合生命繁衍的行星或卫星上着陆，最终演变成具有自我意识的智慧物种。

科幻作家查利·施特罗斯建议选择可以在最恶劣的环境中长时间存活的能产生孢子的古生菌和光合细菌。“把它们放在火箭上，发射出太阳系，”他说，“几乎所有的孢子都会灭亡，但是如果你每年发射一百吨孢子，坚持一个世纪以后，迟早会有一些效果。”

对我们来说，没有什么真正的回报，除了一点善意。也许，地球上生命的起源正如定向泛种论所描述的那样。如果真是那样，我们的最终目的就是将生命传递下去，如同在宇宙中传递一封连锁信。

——迈克尔·布鲁克斯

麻烦的肿瘤

为什么我们还没有找到治愈癌症的办法？

“我们能把人类送到月球，为什么就不能治愈癌症呢？”我们经常可以听到这样的抱怨，这和我们大多数人对癌症的认识有关。这诚然只是一块多余的突起，将其切除，问题就解决了！通常情况下，如果肿块很小，可以接近，并且是唯一的肿块，那么切除手术确实有效。

难就难在这里。几乎没有人死于最初的癌症肿块，也称为原发肿瘤。能杀死人的是次生肿瘤，由原发肿瘤脱落产生的碎片，它们可以转移到身体的其他部位，并发展为新肿块，通常位于远离原发肿瘤的器官中。一旦发生转移，由于次生肿瘤会继续生长并入侵身体的其他部分，因此切除原发肿瘤没有用。

通常，次生肿瘤产生的时候，病人甚至都不知道他们长了原发肿瘤。当他们出现症状时，也许是因为肿块变得可见或开始压迫神经并引起疼痛，但是次生肿瘤数量太多，无法通过手术治疗。

但我们确实有一些自然防御手段。我们身体的免疫系统主要用于识别和杀死入侵者，如细菌和病毒，但作为其日常管理操作的一部分，它还可以发现并破坏异常细胞——可能引发癌症的那些细胞。同样地，如果发生任何危险的错误，我们的细胞也有自己的内部质检系统来促使细胞“自杀”。

异常细胞、肿块，甚至微小的癌症，都可能在我们身上频繁生长，但是我们的免疫系统能够发现并摧毁它们。然而，在极少数情况下，微小的肿瘤可以逃避检测。研究人员发现，肿瘤能进化出“不要杀我”的信号，使免疫系统失效。肿瘤也可能会被当作治愈伤口或修复组织的一次错误尝试。这可能会使免疫系统误认为正在进行的是治愈工作，而非致命谋杀。

驱动肿瘤生长的许多基因和程序仅仅活跃于胎儿时期。肿瘤似乎拼命想在你身上不同部位随机生长。胎儿的发育速度可能有助于解释为什么一些癌细胞生长和传播的速度如此之快，因而难以治疗。

在尝试开发新疗法时，另一个棘手的问题出现了，癌症的产生是随机的，随机的细胞，随机的器官，随机的人，所以它们完全不同。癌细胞的遗传和表现方式都是一团混乱。它们从正常工作中脱身，到处闲逛，把本应该关掉的基因打开，激活禁止的细胞程序，使自身无限繁殖，又或者在不同器官间转移。更糟糕的是，在转移时，甚至在单个肿瘤中，它们会与正常细胞混合。你要杀死的不再是异常的细胞或组织，而是不断进化的生态系统。

幸运的是，医学在逐渐进步。一旦癌症被诊断出来，最好的解决办法就是手术切除。通常患者也接受化疗药物——与外科医生的手术刀不同，药物可以在整个身体内循环，在次生肿瘤成为问题之前将其扼杀。大多数传统化疗药物会杀死积极繁殖的细胞。这是因为癌细胞不同于其他大多数成体细胞，繁殖迅速。然而，人体内还有许多部位的健康细胞在进行常规分裂，如肠道和口腔，更不用说毛囊了，这些地方的细胞就成了牺牲品。这导致了许多患者无法忍受的严重副作用。更糟糕的是，肿瘤包含这么多混乱的突变细胞，有一些可能对化疗药物具有抗药性。这些癌细胞可以在化疗中幸存下来，继续在患者体内进化。

另一种不同的策略是，找出癌细胞中的表观遗传标记，将这些异常细胞当作治疗靶标。用于治疗乳腺癌的药物曲妥珠单抗（赫赛汀）的工作原理就是这样，它显著增加了能正确标记药物靶标的患者的存活率。在过去十年中，情况比较乐观，但人们很快发现，某些癌症细胞学会了隐藏靶标，使其对药物隐形，发展出了对这些药物的抵抗力。

近年来，研究人员开始回归一个解决方案，目标是引导免疫系统对抗癌症。这样做的好处在于免疫系统也会进化，因此有可能与癌症保持同步。这些新药，如尼莫单抗和彭博罗珠单抗，可以撕毁肿瘤带有欺骗性的外衣，使得免疫系统可以对其发动攻击。最重要的是，即使癌细胞进化了，这种治疗方法也可以对其进行监督和破坏，这是服用单一的“银弹”药物无法做到的。这些药物对致命性皮肤癌和肺癌（全球最大的癌症杀手）患者的生存具有深远的影响，可以帮助他们延长几年的寿命，而非几个月。

所以，前景看似光明。可能永远不会有一种能“治愈癌症”的药物。但免疫系统的重新参与给我们带来了巨大的希望——它可能是第一个可以适应每一位患者，并在其体内发展，以其独特形式控制癌症的解决方案。这将是一段漫长而艰难的旅程，但我们的探测器已经起航。

——安迪·科格伦

冰上滑跤

冰为什么这么滑？

不管是对花样滑冰选手还是对物理学家来说，冰面都相当滑。有一种普遍的共识：由于冰面上有一层薄薄的液态水膜，所以冰面摩擦力很小。因此，滑冰运动员穿着冰刀可以自由地穿梭在溜冰场上，但是遇到木地板会停下来。问题是，这层水膜是如何形成的。一个多世纪以来的研究使我们离明确的答案更近了一些。

这一切始于1850年6月，在伦敦皇家研究院，迈克尔·法拉第告诉一位观众，如何将两块冰块压在一起形成一个大冰块。他认为这是由于冰块之间的水膜快速冻结引起的。多年来，人们一直认为是压力导致了这层水膜的出现。事实上，加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的安妮－玛丽·基耶茨格说，即使是体重超过平均值的人只穿一只滑冰鞋站在冰面上，也无法产生那么大的压力，使冰块融化。

相反，基蒂奇认为主要的原因是摩擦生热。例如，冰刀在冰面上滑行时可以轻易产生足够的热量，导致冰面融化。

也许你以为争论到这儿就结束了。然而，新加坡南洋理工大学的孙长青提出了不同的看法。他认为，即使你站在冰面上不动，冰面依旧很滑，所以不可能只是因为摩擦力的存在。他说：“摩擦生热或压力致使冰面融化的思路已被排除。”

根据孙的说法，假设冰面上那层滑溜溜的膜处于液态这一点本身就存在缺陷。他说，这层膜的形态应该被称为“超固态”，因为冰面的水分子之间的弱键被拉伸，但是与液态水不同，这些键并没有断裂。他还认为，这种拉伸最终会在冰面这层膜和与其接触的任何物质之间产生静电排斥力。

他将该效应与磁悬浮列车的电磁力以及气垫船船体下方产生的空气压力做对比。如果他的说法是对的，他的模型将有助于解释冰面的许多属性，包括轻微的摩擦力。“我相信这个问题已经完美解决了。”孙说。

这种解释无法让大多数活跃在冰场上的人信服。2013年，日本札幌北海道大学的佐崎元首次直接观察了这层水膜，他更愿意称其为准液体。他认为这是温度升高时固体和液体之间的一种过渡形态。

对佐崎元来说，要了解这层神秘的水分子是如何形成的还有一段距离。在谈到像冰上滑倒这样熟悉的事时，他说：“事实比我们预期的要复杂得多。

——吉利德·阿米特

未来的方向

我们许多人都曾希望时间可以倒流。为什么时间只能前进呢？

我们老说时间流逝是因为它似乎是流动的。即便在空间中纹丝不动地站着，我们仍会随着时间无情的流逝被“现在”拖曳着向前。与此类似，事件从过去通过现在到未来稳步前进。艾萨克·牛顿认为这是一个基本事实。他说：“所有的运动都可能被加速和延缓，但绝对时间的流逝不会发生变化。”所以时间是怎么流动的，为什么总是朝着一个方向？许多物理学家会告诉你，这是一个愚蠢的问题。剑桥大学的哲学家休·普赖斯说：“在某种意义上，可以说时间是流动的，但这种说法并没有多少价值。”

时间的流逝必须以某种速度进行。但速度被视为与时间有关的变量。那么时间流动有多快？南非开普敦大学的宇宙学家乔治·埃利斯的回答是：每秒一秒。普莱斯认为这毫无意义。即使时间静止不动，也可以说，每秒过去一秒。事实上，如果可以这样衡量流动速度，那么我们也可以说，空间流动的速度为：每米一米。

埃利斯反对最成功的物理学理论之一——狭义相对论。狭义相对论指出，不存在客观的同时性。你可能会看到三件事以特定的顺序发生——先是A，然后B，然后C。以不同速度移动的人看到的顺序可能完全不同——先是C，然后B，然后A。换句话说，如果不存在同时性，那么就无法说明什么事情“现在”正在发生。如果不是“现在”，那是什么在随着时间流逝？

拯救客观的“现在”是一项艰巨的任务。但是，加拿大滑铁卢市的普里美特理论物理研究所的李·斯莫林却通过调整相对性放过了它。他认为，如果我们愿意牺牲一些客观的空间概念，就可以把“现在”这个概念重新纳入物理学。

大多数物理学家不这么认为。普遍的共识是，时间就像空间一样——是一个不变的维度，由一个四维“封闭宇宙”延伸出来。

加州理工大学的肖恩·卡罗尔说：“宇宙中的每一刻都有过去、现在和未来。人被描述为由一个个时刻组成的历史，而那些时刻都让我们产生一种感觉，它们从过去到未来。”

但这并没有真正回答这个问题。如果时间不会流动，那是什么让我们认为它是流动的呢？

——迈克尔·斯莱扎克

了解玻璃

玻璃真的是液体吗？

在古老的欧洲教堂旅游时，有时你会看到中世纪的窗玻璃上薄下厚，忘记导游编的神话故事，这不是因为几个世纪以来玻璃的缓慢流动造成的。当初制作玻璃时，熔融的玻璃被卷成薄片的工艺导致了它们的不平整。

玻璃不是可以缓慢流动的液体。这是一种有点古怪的固态物质。它被称为无定形固体，因为它缺乏固体的有序分子结构，然而其不规则结构又太坚硬，不能算作液体。事实上，如果通过玻璃板中的原子运动来实现这种变形，需要花十亿年。

但我们并不了解玻璃的一切。一方面，如何实现从液体到无定形固体的转换，一直不为人所知。大多数材料从液态过渡到固态时，其分子会立即重新排列。在液体中，分子可以自由移动，然后，啪！——它们或多或少被固定成紧密排列的图案。

但是，从玻璃匠手中的红热液体变成装啤酒的透明玻璃瓶，玻璃却发生了不一样的变化。随着温度下降，分子的运动速度逐渐放缓，而非突然停止，这保留了液体不规则排列的结构特点，但同时又获得了固体独特的物理性质。换句话说，在所有形态的玻璃中，我们看到了一种不寻常的现象：液体分子那种杂乱的排列被神奇地固定了下来。

这个奇怪现象背后的过程仍然是一个悬而未决的问题。日本东京大学的田中肇说：“对此的解释版本几乎与研究人员的数量相当。有一种可能是，这全都是因为能量的使用。热力学定律主导着一个系统内的能量传递方式，根据该定律，每一个分子集合都会被驱使着找到能耗最低的排列方式。但是在任何特定系统中，一些分子的性能更好，这意味着不同的分子组会呈现不同的排列方式——就整体而言，形成了一种混乱的排列方式。

但是，即使可以从热力学角度解释，目前也还不清楚究竟是什么在驱动玻璃的这种古怪行为。驱使分子寻找能耗更低的排列方式的可能是原动力。反之，它也可能是一种指向最大的无序状态的无法抑制的倾向。这似乎是一种合理的解释，但它又提出了一个难题，即有序的固体物质是如何生存下来的。

田中还没有放弃。他说：“到目前为止，结晶和玻璃转变已经被单独拿出来研究了。”但他认为，玻璃的形成方式很可能与晶体类似，后者因为其重复的几何结构，被视为一个比较容易的分析目标。如果他是对的，也许玻璃的性质终将会变得像晶体那么明朗。

——吉利德·阿米特

微不足道的拉力

为什么整个地球的万有引力都不足以撕掉你冰箱门上贴的一块磁铁？

等等，你可能会说：万有引力足够强大，它可以让我站在地面上。将航天运载器送入轨道的航天局也不会认为万有引力很微弱。但是，物理学家要解开的谜题是，为什么这种力量与电磁力相比却微不足道，无法将磁铁从冰箱上撕下来——毕竟我们谈论的可是整个地球的拉力。

与自然界中其他基本力相比，万有引力非常微弱。万有引力是目前唯一无法用量子理论完美描述的作用力，这个问题的规模很难量化，不过可以通过普朗克质量来测量，万有引力越弱，它的数值越大。在我们的宇宙中，普朗克质量巨大。它比定义弱核力的W玻色子和Z玻色子的质量大万万亿倍。事实上，与标准模型中出现的所有质量相比，它都是巨大的。“问题不是为什么普朗克质量那么大；而是为什么它比已知的所有粒子质量都要大，”哈佛大学理论家马特·斯特拉斯勒说，“难题是，要么你说普朗克质量很大，要么说粒子质量很小。”

之后的解释通常会对最初的思路进行“微调”：我们碰巧生活在宇宙中一个特殊的位置，这里的万有引力大小正合适，所以原子、恒星、行星和人类出现了。或者他们提出更高的空间维度，在那里，万有引力“泄漏”，所以它看起来变弱了。

或者，我们可以把注意力放在产生粒子质量的希格斯场上。于2012年被发现的希格斯玻色子质量很小，表明其场强并不特别大，将所有的粒子质量保持在较低水平。超对称和人工色模型理论专注于尚未发现的粒子或作用力，其作用是将希格斯场限制在几乎为零的观测强度内。

现在还无法通过实验证明哪种理论正确。迄今为止，除了希格斯玻色子之外，超对称性或者其他任何新理论都未能在大型强子对撞机产生的粒子碰撞中被检验到。“一无所获让我们很茫然。”斯特拉斯勒说。

希望未来的大型强子对撞机（正以最大的能量运行并产生比以往更多的粒子碰撞）试验可以提供给我们更多的线索。这就是最近LHC数据中出现变化的原因，这表明存在质量为希格斯玻色子6倍的粒子，而它并没有被标准模型预测到，这使得许多物理学家异常兴奋。但是，现在就下定论说这种变化会持续出现，或者，它将支持万有引力问题的某个解决方案，还为时过早。

——迈克尔·布鲁克斯

死期未到

你从几时开始可能死于衰老？

泛泛地说，当衰老引起身体衰竭时，会造成人身死亡。然而，除非我们成功研发出更准确的方式来衡量衰老造成的损伤，否则无法判断某个人的死亡是否跟衰老有关。

随着年龄的增长，你可能患上并死于许多疾病的概率越来越高，这包括癌症、心脏病、神经退行性疾病和骨质疏松症等。虽然生活方式和遗传会增加这些疾病的发病率，但良好的生活方式和幸运的遗传基因也拯救不了你——即使不抽烟，每天锻炼身体，饮食健康，人们依然会变老，死亡。

这是因为我们无法逃脱衰老的过程；我们会慢慢失去干细胞组织修复和再生的能力，同时积累DNA损伤及老旧细胞。这些过程很早就开始了——甚至可能从你还在子宫内时——但年龄和死亡之间真正建立联系是在青春期。从13岁左右开始，一个人的死亡概率每年都会呈指数级增长。

但是，将青春期癌症死亡归入因衰老而死亡，并不合适，尽管DNA损伤起了部分作用。那么人是从什么时候开始变老的？这是一个动态的变化范围，专家开玩笑说，一般的规律是，无论你现在多大，往前倒数十五年。

但也有一些更实用的定义。其中之一是多重病症。七十岁左右，我们开始积累与年龄相关的慢性疾病，如心脏病、关节炎、老年痴呆及糖尿病。在2006年，“纽卡斯尔85+研究”发现，在1000多位85岁老人中，约四分之三患有4种以上的疾病。

所以，从某个角度讲，60多岁死于中风并不一定是由衰老引起的，除非你还同时患有其他严重疾病。当一个人患有多种疾病时，其死因可能不太容易弄清楚，死于衰老就成了一个有用的说辞。

明确的、直接导致死亡的原因更有可能被填写在死亡证明书上，例如心脏骤停或肺炎。但是，死于衰老可以这样定义，即使它今天不是死因，明天也一定是。

每个人都在以不同的速度老去，无法准确预测个体会从多大年龄开始死于衰老。但是，正如人口学可以帮助我们确定平均预期寿命（现居住在英国的65岁的男性和女性的平均寿命分别为84岁和86岁），统计方法可以帮助我们计算出，从多大年龄开始，我们死于衰老的可能性会变得越来越大。

用这种方式，英国埃克塞特大学的戴维·梅尔泽及其同事可以为特定的人群预测由衰老引起的死亡。使用统计模型，他们可以将生命分为长、中、短或过早结束。对1951年出生的人口数据进行分析之后，他们发现63岁之前死亡的女性以及58岁之前死亡的男性，从统计学的角度来说，都属于过早死亡，这为不同性别的人可能死于衰老的年龄提供了参考。但是，这其中存在很多变量，他们的计算表明，大部分由衰老引起的死亡会发生在81岁以上的女性和78岁以上的男性中。所以我们可以说，在80多岁死亡可以被认为是“寿终正寝”——但我猜许多八旬老人不会赞同。

——彭妮·萨尔切特

活在现在

现在有多长？

一段弦有多长？“现在有多长”这个问题也给人一种无法回答、近乎形而上的感觉。但科学可以给我们答案；我们刚收到了许多不同的答案，从“零长度”到“你喜欢多长就多长”，各种答案都有。正如弦的问题一样。

时间流逝，此刻永存的感觉是人类最重要的经验之一。它定义的“现在”是一个没有长度的时间点，只是联结过去和未来的接口。但是，那种“现在”甚至对物理学家来说都太抽象了。时间不会流动——它像空间一样，也是一种维度，它一直存在。

爱因斯坦的相对论使得“封闭宇宙”这种理论显得很必要，即现在是相对的。从宇宙微波背景中取出一个光子。它向我们揭示了138亿年前大爆炸刚刚发生之后的一幅画面。但从光子的角度来看，它从此之后的旅程不曾花费时间，我们的现在、大爆炸时的现在，以及二者之间所有的现在，同时发生。从宇宙的角度来看，你可以任意定义现在的长度——你的答案都是正确的（或者错误的）。

但是，即使“现在”只是我们大脑中的一个幻觉，我们还是可以问“现在”到底有多长。德国弗莱堡心理与精神健康领域前沿研究所的马克·维特曼是《感知时间：关于我们如何感知时间的心理学》的作者。他认为有三个答案。

首先是“功能时刻”。这是我们区分两个刺激——例如在右耳和左耳边响起的嘀嗒声——需要的时间。它随着感觉变化，但通常是几十毫秒。

我们的大脑需要一点时间才能将各种刺激缝合成一个有意识的“经验时刻”。各种实验表明，这会持续两到三秒。例如听节拍器，如果下一个节拍出现在这个时间范围内，你可以轻松地跟着节拍轻轻敲手指或踮脚尖。然而，如果时间再长一些，你可能会发现自己在轻声数数，同步你的节拍。

我们的个人经验时刻被我们的工作记忆 ⁽¹⁾ 进一步缝合，便产生了第三种“现在”——连续性和时间流逝的感觉。这个“现在”的长度是几十秒，但它的长短在很大程度上取决于我们大脑正在经受的刺激的密度。维特曼说：“时间变慢的感觉——比如你正在等公交车，你感冒了，你的智能手机坏了——非常真实。相反，如果我们正在探索新的领域或有新的经验，我们的大脑会加快处理速度。”

如果有的话，这就是“现在”的核心本质。维特曼说：“时间和自我的关联是错综复杂的。”所以，也许唯一有效的答案是活在现在——不管它有多长。

——理查德·韦布

(1) 　指的是当我们处理其他任务的时候，我们大脑中存储的信息量。

致谢

“最后的话”的成功应感谢许多人，尤其是麦克·奥黑尔、杰里米·韦伯、《新科学家》艺术团队、贝弗利·德瓦尔的共同努力，乔治娜·莱科克以及约翰·默里出版社，以及我们所有的投稿者，包括约恩·里奇菲尔德、迈克·福洛斯、戴维·缪尔、埃里克·克瓦朗、刘易斯·奥肖内西和其他一些人。

图片来源

格子工作室

全景视觉

海洛创意

wikimedia commons

版权信息

11次奇妙自然探索之旅

著　　者：[英]海伦·斯凯尔斯

译　　者：祖颖

出 版 人：曾赛丰

责任编辑：薛健　刘诗哲

监　　制：蔡明菲　邢越超

策划编辑：刘宁远

特约编辑：李乐娟

版权支持：文赛峰

营销支持：张锦涵　傅婷婷

版式设计：潘雪琴

封面设计：尚燕平

目录

版权信息

序言

引言

第一章 动物的童年 彼得·查理姆斯·米歇尔爵士（Sir Peter Chalmers Mitchell）1911

第二章 生物群落 约翰·亚瑟·汤姆逊爵士（Sir John Arthur Thomson）1920

第三章 论昆虫的习性 弗朗西斯·巴尔弗—布朗（Francis Balfour-Browne）1924

第四章 珍稀动物及野生生物的灭绝 朱利安·赫胥黎爵士（Sir Julian Huxley）1937

第五章 动物是如何移动的 詹姆斯·格雷爵士（Sir James Gray）1951

第六章 动物的行为 德斯蒙德·莫里斯（Desmond Morris）1964

第七章 动物的语言 戴维·阿滕伯勒（Sir David Attenborough）1973

第八章 在宇宙中成长 理查德·道金斯（Richard Dawkins）1991

第九章 骨骼中的历史 西蒙·康韦·莫里斯（Simon Conway Morris）1996

第十章 到地球的尽头：幸存的南极极地 劳埃德·派克（Lloyd Peck）2004

第十一章 3亿年战争 苏·哈特利（Sue Hartley）2009

纪实图集

示例图集

后记

作者手记

植物给了动物诸多好处，他说，包括提供树干让它们往上爬，树栖生活方式将“开启它们运动、给养或巢居等方面新的可能性”

各种各样的动物都在遵循这一法则，从绿色敏捷的树蛇，到螃蟹、昆虫、猴子和鸟类

树栖生活

蓬尾浣熊（并非所有属的浣熊都为树栖，如地栖的长鼻浣熊）

树栖生活

马来穿山甲（全世界共有8种穿山甲，4种主要生活在地上，4种主要生活在树上）

巴尔弗—布朗在探索昆虫复杂的生活形态时，也将我们带进了一个复杂而隐秘的国度。他分享了自己对蝴蝶、蜜蜂、甲虫和蜻蜓的着迷，向我们展示了昆虫如何度过截然不同的生命阶段

不会飞的鸬鹚

金翅雀，有着醒目的黑、白、红三色相间的脑袋和黄色的条纹翅膀

赫胥黎还向他年轻的听众讲述了深海中那些奇怪的“住户”，正如他所揭示的那样，那些鲜为人知的动物因为生活在人类难以接近的地方，所以很少被发现

格雷还向听众介绍了一条活蹦乱跳的鳗鱼，来说明：鱼类只有在有些什么东西可以推动、借力时，才能运动起来

当水平方向的风遇到障碍，比如一栋建筑、一座山或是一个悬崖时，气流就会向上偏转。这就是为什么海鸥会沿着一条条峭壁滑翔，为什么老鹰会在山的迎风面滑翔

鼬鼠，尾巴下有腺体，会喷出难闻气味的气体

在我们人类生死存亡的关键时刻，科学比任何时候都要重要。

——苏·哈特利

序言

戴维·阿滕伯勒（Sir David Attenborough）

在我的广播生涯中，只有那么一次，被邀请做电视节目，那是40多年前的事情了。早些年，我还是英国广播公司（BBC）第二频道的主管，负责安排皇家科学院（Royal Institution）圣诞讲座广播渠道的播出，但现在我辞去了那份工作，重新开始做电视节目，还毫不犹豫地应下了一年一度科学系列讲座的邀请，自己做一个系列演讲。

以前每次做广播调试的时候，我都规定：它们务必要在未经剪辑的情况下向观众现场直播，讲座现场是如何表现的，就如何呈现给电视机前的广大观众。我认为，观众应该认识到实验就是实验，没有人能准确预知接下来会发生些什么，这样肯定能够有效提升他们的兴奋值，现在轮到我自己来做这个系列讲座了，我必须遵守这个原则。更棘手的是，我选择了一个动物主题，还承诺我将会通过展示野生动物和大家意想不到的动物，来呈现这个讲座。

我开始了第一期节目的筹划工作，我很快便意识到这是一项几乎不可能完成的任务——我怎么能保证动物会按照我讲解的理论方式表现呢？我又怎么能保证它们不会咬我，或是挣脱束缚跑掉呢？我在第一次讲座脚本的组织上下了很大功夫，设法预先做好要讲解到位并防范实验事故的全部准备，同时还一直感到惴惴不安：我就只是勉强对第二场讲座要讲什么有点模糊的概念，剩下四场讲座的内容完全没有想法，除了已经定好的主题之外，其他一切均是未知，但这个系列讲座几周后就要开讲了。

于是，我给BBC的制片人打了个电话，告诉他我想跟他们解除合约。“不可能！”他一口回绝了我。我记得，当时我好像还提到了会如数支付违约金作为补偿，他用同样的语气拒绝了这一提议。正如我所料，任何一个称职的制片人在应付一个神经紧张的供稿人时都会这么做，本书的第七章中，你将会对这个结果有更为详尽的了解。

无独有偶，后来讲座并没有以现场直播的方式呈现。或许从演讲者的角度来看，这是万幸，但也同样很合那些电视节目策划者的心意。当然，如果他们能够事先确保在自己的档期内定期播出节目，就不必等到节目播出时再筹备录制了。不过，我敢说你会被跟我一起缔造圣诞讲座的所有人折服，正是他们精湛非凡的技巧、别出心裁的创意，才设计出了这样精彩纷呈、寓教于乐的实验讲座，从而激发出观众心中如此多有趣的想法。事实上，我也惊叹于他们的才华，但只有我——和他们一起——才知道我们为此到底付出了怎样的心血。

引言

离伦敦市中心繁华的街道只有几步之遥，那里有一栋全世界数百万人都熟知的建筑：一排排坡度较大的座位，光亮如新的木地板，还有一张大桌子。近200年来，每年都会有一位科学家走进这个大厅，感染和启发着涌入讲堂来听皇家科学院圣诞讲座的年轻听众。自1966年以来，人们就一直坐在电视机前观看他们演讲，现在、过去播出过的，以及最近放送的讲座视频都可以在线观看了，伦敦的系列讲座圆满成功之后，很多演讲者开始去南美洲和亚洲巡回演讲，回馈来自大洋彼岸听众的青睐。这个系列讲座的发起人，颇具影响力的英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday），如果得知今天系列讲座还在延续，并且广泛传播到世界各地的诸多国家和人群当中，无疑会感到非常震惊的。

这是纪念皇家科学院圣诞讲座的第二本书，第一本是《13次时空穿梭之旅》，带领我们踏上了天文学探索发现之旅，打开了我们凝视宇宙的新视角，不管是太阳系，还是更远的地方。现在，我们即将出发，去探索我们赖以生存的星球上，那些令人叹为观止的生命奇迹。

一大批享誉全球的演讲者汇聚在演讲大厅里，各种各样毛茸茸的哺乳动物、郁郁葱葱的植物、啁啾和鸣的鸟类、四处爬行的昆虫，此外还有很多说不出名字的珍稀动植物，挤满了大厅的每一个角落，它们即将开启隐匿在众多地球生命中最大的秘密。这本书的时间轴从20世纪初开始转动，那时候，关于生物世界的研究逐渐从描述性学科（主要集中于物种的发现和命名）中脱离了出来，开始走向现代生态科学。科学家们不再孤立地研究生物体本身，开始转向探究生物体之间相互交流的方式和它们生存的环境，以及由此形成的错综复杂的生态脉络。

迈克尔·法拉第本人也一定会对今天我们所涵盖的主题感到惊讶不已的，自从1825年他们最初组织这个系列讲座起，走过整个19世纪，皇家科学院圣诞讲座的演讲者们少有聚焦于我们生活的生物世界。1831年苏格兰博物学家詹姆斯·伦尼（James Rennie）做过一次被命名为《动物学》的主题演讲，还有1833年约翰·林德利（John Lindley）一次题为《植物学》的主题演讲（但是几乎没有什么档案材料可以为这两个讲座提供细节论证），除此之外，圣诞讲座几乎全都专注在物理科学上。即使是1859年查尔斯·达尔文（Charles Darwin）开创性提出的自然选择进化论——解释地球上的生物系统如何发展至今——也没有在19世纪的任何一次演讲中出现过。1991年，理查德·道金斯（Richard Dawkins）在他的圣诞讲座（见第八章）中，首次提到并讨论了进化论。也许这个话题在当时并不是很受认可，对维多利亚时代的年轻听众来说，这个学说观点还是太有争议了。

这本书涵盖的讲座代表了新一代“圣诞演讲者”的先进观点，它们反映了上世纪人们对生物世界如何运作与日俱增的好奇心和探索精神，以及人们对人类行为破坏我们赖以生存的生物系统，投入的越来越多的关注。

书中每一章都集中呈现了一个专题讲稿丛集，囊括了圣诞节期间的那几天，每天都会进行的3到6小时的原始讲稿内容。本书的成书目的，是让人们见识到每位讲师所讨论的最令人兴奋的发现和观点，为了向野外的探险世界运输更多读者。接下来，我们将逐步了解科学家如何揭开生物世界中这些神秘现象的真相，还会带领大家身临其境地探秘更大的奇迹，从热带雨林到地球上最冷的地方，再到生活在我们周围、每天都能看到的那些熟悉的动植物。

第一章　动物的童年　彼得·查理姆斯·米歇尔爵士（Sir Peter Chalmers Mitchell）1911

彼得·潘……一种永远也不会长大，或者说很难长大的爬行动物。

不可思议的自然探索之旅

1.什么类型的动物幼年时期与成年时期样子相差很大？

2.文中提到的世上繁衍最慢的物种是什么？

3.是不是所有动物的幼崽都本能地害怕食肉动物？

“复杂的机器部件，如手表或汽车，在许多方面都与动物有着相似之处，但这些东西，可能是新的或是旧的，却永远不会是年轻的。”查理姆斯·米歇尔以这样一段开场白开始了他的演讲，“青春时代是生物世界所独有的。”他选择不去刻板地定义“幼年”从何时开始，到何时结束——生物世界包罗万象——但为了让听众更直观地了解动物幼年时期的模样，他还真带来了几个不同物种的动物幼崽，他带来了一只1岁的美洲虎、一只松鼠猴、几条蛇，还有一只幼体鳄鱼。

美洲虎

松鼠猴

根据幼体时期的不同特征，他说，可以将动物分成三大类，第一类，包含没有青春期的生物，像单细胞变形虫这样的生物，通过简单分裂成两个完全相同的个体，让自己无限生长下去。第二类，也是人类所属的类别，和所有其他动物一样，年幼的个体或多或少会跟他们的父母有些类似。

幼年鳄鱼

讲座安排表（封面）

奇怪的是，第二类中，不同物种的幼体通常看起来也会很相似，一位来自《阿伯丁日报》的记者1911年12月29日写道：当我走进演讲大厅时，此起彼伏的笑声萦绕在我的耳边。这时，查理姆斯·米歇尔正好讲到幼年大猩猩看上去和人类的婴儿如何如何相像，并在幻灯片上展示了相应的图片来证明自己的观点。查理姆斯·米歇尔从他将非洲的幼体小河马带到伦敦动物园时开始，讲到了另外一个动物幼体长相类似的趣味事例，一名海关官员扣下了这只小河马，坚决要求给它做一系列传染性家畜疾病的排查，因为在他看来，这显然是一头猪。

第三类动物，它们的幼年时期跟成年时期差距非常大，以至于你几乎完全无法想象它们长大之后会变成什么样子。查理姆斯·米歇尔引入了一个画面，生动描绘了人类在经历这样的巨变之后，可能会变成何种模样。他让听众想象：一个人类婴儿开始像鱼一样，在水族馆里游泳、吃水蚤，他的皮肤会越长越紧，然后它们会裂开，与血肉分离，然后一只类似刺猬的生物爬到了陆地上。在公园里吃上一段时间蚯蚓之后，他的皮肤将会再一次变紧，经过第二次蜕皮分裂，他会完全长成一个成熟的男孩。

第三类动物中没有哺乳动物，主要是昆虫和海洋无脊椎动物，包括螃蟹、龙虾和小虾米，它们属于同一个系列：在不同的成长周期，幼体的样子是不同的。每一阶段的蜕变，它们都会蜕掉坚硬的外骨骼，展露出下面的那个全新的、更大的自己，看起来跟上一个阶段完全不一样，长出新的步足、游泳附肢和壳上的尖刺（1924至1925年度弗朗西斯·巴尔弗—布朗的圣诞讲座中，我们将会了解到更多关于昆虫不同生命阶段的蜕变）。

说到动物的童年，查理姆斯·米歇尔向我们具体描述了这一时期不同物种之间千变万化的差距。大象是世界上最大的，也是最长寿的哺乳动物之一，同时它们也拥有哺乳动物中最漫长的幼年时期。1921年成为皇家科学院秘书之前的20年里，查理姆斯·米歇尔一直在伦敦动物园做研究，那里住着一头名叫加姆博（Jumbo）的大象，身高3.35米，是当时世界上最大的圈养大象。和所有的非洲象一样，加姆博只有长到20岁到24岁才能真正成年，不过，体形巨大并不表示这种动物就一定有着漫长的童年期，像河马，仅仅5岁到6岁就基本成年了。

在昆虫类别中，很多物种的成虫时期非常短暂，蜉蝣蜕变后成虫仅成活几个小时，在此之前，它们的水生幼虫会在池塘中生活长达两年的时间。更不可思议的是蝉的幼虫，在蜕变到成虫之前，它们将在地底下深埋将近17年之久，成虫后大量攒聚在一起，所有的成年蝉将会在短短的两个月之内完成交配、产卵，然后死去。

对虾幼体的不同成长阶段。摘自查理姆斯·米歇尔书中演讲内容的附图

有些动物永远也无法长到成年体，查理姆斯·米歇尔在演讲时举起了一个装着一只动物的玻璃容器，1912年1月2日，《邓迪信使报》的一位记者曾这样描述它：“彼得·潘……一种永远也不会长大，或者说很难长大的爬行动物。”里面的动物看起来像一只巨型蝌蚪或是蝾螈，头部两侧分别有触角和羽毛状的腮体，它是一种蝾螈，实际上，它是一种两栖动物，不是爬行动物，来自墨西哥城周围的湖泊（因为城市化和水污染，在野外，它们正濒临灭绝）。查理姆斯·米歇尔详细讲述了科学家花了多么长的时间，才大胆地提出猜想：生活在这个国度的这些不寻常的蝾螈，能够“永葆青春”地度过它们的一生；它们达到性成熟的时候，也不会从幼虫变到成虫阶段。不过，他还提到，生活在巴黎蒙彼利埃植物园中的一些蝾螈，被养在仅有少量水的水槽里，当它们像大多数成年蝾螈那样，蜕掉腮体长出肺之后，模样的变化让所有人都感到震惊不已。《邓迪信使报》的那名记者报道称，听众中最年幼的一群人还抱着一丝希望：“下午可能就会发生蜕变。”但这只蝾螈，是不可能在皇家科学院演讲大厅里长大了。

一只蝾螈从幼体开始变形，从长着羽毛状腮体的水生阶段（上），到呼吸空气的陆栖成年体阶段（下）

像大多数为人父母者了解的那样，任何幼小动物的抚养过程中，食物的给养都是至关重要的一部分，查理姆斯·米歇尔分别从不同的角度探讨了这一话题。“一个让人深感奇妙的事实是，”他说，“几乎所有的幼鸟都是以它们父母喂给的昆虫、蠕虫和蛆虫为食的，尽管成年鸟类多以植物为食。”不过，鸵鸟是少数例外之一，幼年时期的它们也是以植物的根、茎、叶和种子为食的，算得上彻头彻尾的素食者了。他指出：“大多数鸟类的饮食变化记起来都非常有意思，听农民们经常抱怨他们的庄稼被鸟类祸害就知道了。”很显然，在他演讲的那个年代，农民们正鼓吹通过射杀鸟类来控制它们带来的农事灾害呢。对此，查理姆斯·米歇尔解释道，这么做是毫无意义的，因为漫长的夏季正是农作物生长的关键时期，成年鸟类忙于收集大量的昆虫和各种幼虫来喂养它们的孩子，“杀死这些鸟类所带来的恶果就是，昆虫的数量会急剧增加”。而这些昆虫对农作物和园里的花朵造成的损失将远超各种鸟类（见巴尔弗—布朗关于昆虫生命的讲座）。

谈到对幼小动物喂养方式的研究，曾在伦敦动物园工作过的查理姆斯·米歇尔有着丰富的第一手经验，他向皇家科学院的听众回忆了自己过去的经历，包括用一些相当奇怪的食物喂养动物。他说，一只拒绝进食一切食物的小猩猩，最后还是没能抵住水果味牛奶的诱惑。还有一次，他养了一只幼小的树蹄兔（一种个头很小的大象远亲，夜间活动的哺乳动物），只吃蘸过热咖啡的手指饼干或是浸在红葡萄酒里的面包，一段时间后，那只树蹄兔的饮食偏好开始转向浸在牛奶里的吐司面包，最后它居然爱上了纯天然的绿色树叶。

他建议大家，尽可能早地让那些幼小的动物自己选择食物，进食的时候，尽量不要去碰它们，让它们自己吃；如果你碰了它们，它们就有可能咆哮警告或撕咬你，在野外，动物知道它们必须捍卫自己的食物，防止被其他生物夺走，这是本能。有一次，查理姆斯·米歇尔为了给一只幼熊喂食一茶匙蓖麻油，费尽心思花了半个小时时间。“我和饲养员都被它又抓又咬，外套都撕破了。”他说。他们后来放弃了，直接在那只熊面前丢了一盘蓖麻油，然后，它很快便冲了过来，贪婪地把它们都喝光了。“耐心和不断实验是跟所有这些动物友好相处最成功的方法。”他说。

“如果你养了一只不爱进食的鳄鱼，”他说，“试试看把它泡在热水里。”当冷血的鳄鱼体温开始升高，它很快就会变得活跃起来，并且开始吃东西。如果那样还是不行的话，他建议，用牙刷小心翼翼地把一小块肉戳到它的喉咙里。台下有些听众闻声笑了起来，因为查理姆斯·米歇尔给他们的感觉是：喂养鳄鱼也没那么可怕。

即使有父母（或是领养的人）提供食物，动物的童年过得也很不容易，还有一个不争的事实，并非所有年幼的动物都能活到成年。查理姆斯·米歇尔选择了两个截然不同的物种来诠释这一点，重现了查尔斯·达尔文对这个结论的推算过程：如果所有的小象都存活了下来，局面可能很快就会失去控制。尽管它们的确是世界上繁殖最慢的物种之一，一对“大象夫妇”大约有100年的寿命，它们一生能生育6个孩子。如果所有这些后代，还有后代的后代都能幸存下来的话，那么在接下来超过500年的时间里，这对“大象夫妇”和它们后代的数量将超过1500万。“世界将很快被大象挤满，所有的生物，包括它们自己都将摩肩接踵，举步无席。”查理姆斯·米歇尔说。

另一个极端是多宝鱼，一种每年排卵量高达1500万的比目鱼，倘若它们全都能成活并长到成年，大海里将会有成群的、数不清的大多宝鱼，以至于“当人们穿越英吉利海峡的时候，就再也不会觉得晕船了”，他开玩笑道，“他们可以踩着多宝鱼直接走过去”。听众席上传来阵阵笑声。动物之所以无法自由繁殖，更别说成为地球的主宰，主要是因为它们的幼崽很好吃（而且很容易捕获），从而成为掠食者的目标。跟一只肉质干涩的老鸡比起来，查理姆斯·米歇尔说，年幼的小鸡肯定是美味多了。

在伦敦动物园工作时，查理姆斯·米歇尔一直在探索一个问题：是不是所有动物的幼崽都本能地害怕食肉动物，尤其是蛇。他在皇家科学院的听众面前，重新做了一次实验。他带来了一条很大的活蛇（无毒的品种），并把它逐一展示给各种不同的动物，以此观察它们会做出何种反应。它们的反应千奇百怪。一只小葵花凤头鹦鹉被一只豚鼠吓到后，夸张的本能反应逗笑了在场的所有听众：瞬间提高了音调，似乎很是惊慌失措，但当看到蜿蜒的大蛇向它扭动过来时，好像并没有做出任何反应。另一边的印度鹩哥，则被吓得魂飞魄散，大声尖叫着，胡乱向笼子后面飞扑过去。查理姆斯·米歇尔刚把蛇拿走，那只鸟就立刻飞到笼子的栅栏这边来，轻轻地啄他的手指。他由此断定：那只印度鹩哥知道蛇是它的天敌，并且对蛇感到非常恐惧。

彼得·查理姆斯·米歇尔爵士（1864—1945）

生于苏格兰的查理姆斯·米歇尔，曾就读于牛津大学比较解剖学专业，1903至1935年期间，他一直在伦敦动物学会做秘书，在他的指导下，伦敦动物园发生了很大的变化。1911年12月30日，他在《利兹信使报》发文称：“我们正在一点一点地取代那些旧的、不卫生的、阴暗或者被火烘烤得过热的动物棚圈，还有栅栏结构的建筑。不再把动物圈养在暗无天日的监狱里，有些可能还养在混凝土结构的露天棚圈中，周围设有一圈‘防护沟’。”查理姆斯·米歇尔是一个坚定的环保主义者，受到美国布朗克斯动物园之旅的启发，他在贝德福德郡创办了一个动物保护中心——惠普斯奈德动物园（Whipsnade Zoo）。

他测试的大多数哺乳动物都对蛇的威胁无动于衷，只有豚鼠和大老鼠明显被吓得仓皇逃窜。当那条蛇用它长长的、分叉的红芯去舔一只树蹄兔时，树蹄兔先是向后跳了一下，继而探出脑袋来，好奇地嗅着这只爬行动物，它似乎意识到这条蛇并不好吃，也就不再把它放在心上了。

接下来，查理姆斯·米歇尔拿着那条蛇先后向一只狐猴、一只年幼的僧帽猴和一只狒狒幼崽靠近。那只狐猴是出生在伦敦动物园的，在被带到皇家科学院演讲大厅之前，从没见过蛇，对那条蛇也是视而不见（狐猴的故乡——马达加斯加岛上没有毒蛇，这或许可以解释它为什么会对这条蛇无动于衷）。那只僧帽猴和狒狒，查理姆斯·米歇尔认为，很有可能它们非常小的时候，在来动物园之前，并没有过应对蛇的经历，它们对蛇的反应显然颇具戏剧意味。二者均表现得惊慌失措，马上就把蛇从自己身边拿走了（最新研究发现：一些灵长类动物天生对蛇有种恐惧感，并能够从神经基础的研究层面提供佐证。一只猕猴看到蛇的照片时，它的神经会立刻活跃起来，尽管它此前从未见过蛇）。

转而探讨动物幼崽的毛色和斑纹如何与成年动物区分开来时，查理姆斯·米歇尔讲解道，这可能有助于年幼的它们在生命最脆弱的阶段更好地伪装自己，从食肉动物捕食的罗网中逃出生天。为了进一步验证他的观点，他把一套鸟类标本带到了演讲大厅，其中包括一对来自澳大利亚的摄政园丁鸟，成年雄鸟有着黑金相间的华丽羽毛，而据《曼彻斯特卫报》1912年1月3日报道，幼年时期的它其实是个“衣衫褴褛的寒酸家伙”（幼鸟和雌鸟的毛色往往都不是很显眼，这是有理由的，因为只有在交配季节，成熟的雄鸟才需要鲜艳的羽毛来吸引雌鸟的注意，靓丽的外表使它能够在与其他雄鸟的竞争中脱颖而出）。

狮子一家，公狮子、母狮子，还有它们浑身斑点的幼崽。摘自查理姆斯·米歇尔书中演讲内容的附图

查理姆斯·米歇尔在屏幕上放映了各种其他小动物和它们父母一起入镜的照片，指出了动物幼崽和成年动物之间的区别。一只浑身斑点的小狮子（很像1937年朱利安·赫胥黎在皇家科学院所做演讲中出现的那个活体标本），而这些斑点在它的父母身上却消失不见了。这些斑点可以帮助小狮子安全地潜藏在一望无垠的非洲大草原上，在斑驳的草影之间成功地隐蔽自己。而一只貘幼崽身上则是黑白条纹状的，跟它那对浑身漆黑的父母完全不同；他认为这些条纹能够帮助貘幼崽很好地隐藏自己的轮廓，使得捕食者很难认出它来。总的来说，童年对年幼的动物来说，是一段非常危险的时期，它们需要获得尽可能多的帮助才能度过这一阶段，成功活到成年期。正如查理姆斯·米歇尔所言：“生命的游戏，就是一场藏身与猎捕的角逐。”

彼得·查理姆斯·米歇尔爵士

外敌入侵预警

1911年夏天，查理姆斯·米歇尔圣诞讲座的同年，数以百万计的昆虫席卷了纽约城，这一大群有着红眼睛和黄翅膀的虫子无孔不入，它们集体发出的噪声更是搅得人不得安宁。这些蝉正是那些在地底下深埋了17年的虫蛹，经历了漫长而悄无声息的童年，它们终于长大成蝉。讲座上，查理姆斯·米歇尔预测：纽约下一次遭受同样的蝉灾，将会是在17年后的1928年。事实上他的确是对的，那一年的《农业年鉴》所述与他发表的观点异曲同工。

这突如其来的虫灾激起了民众的恐慌，尽管《农业年鉴》的记者再三强调，蝉并非一种深具破坏力的害虫。事实上，到了1928年，人们关心的不是虫灾，而是这些蝉是否有灭绝的可能，因为它们的栖息地上新的大厦一栋栋地建起，大地被水泥或砖土封印，它们再也没有出头之日。“如果这个进程最终造成了蝉的绝迹，”报道称，“那么这一世界昆虫奇观，会步渡渡鸟和大海雀的后尘，彻底消失在我们这个时空里。”

第二章　生物群落　约翰·亚瑟·汤姆逊爵士（Sir John Arthur Thomson）1920

生命像一条河水不时会漫过堤岸的河流。没有任何东西会无故消失，万事万物都在流转中。

不可思议的自然探索之旅

1.春季的日照量和比林斯门鱼市上供应的马鲛鱼之间有什么样的联系呢？

2.世界上最美丽的摇篮是什么？

3.海洋深处的动物到底是从哪里来的呢？

4.最后一个要征服的生物群落是什么？

“生命像一条河水不时会漫过堤岸的河流。”汤姆逊在他的讲座中提到了这样一句话，用来描述生物是如何从深海之渊到高山之巅，从南极到北极，从地球的这一端向那一端蔓延扩张的。“有人可能会说，陆地上和海洋里，生命无处不在。”他说，“但了解地球上的六大生物群落是非常有意义的。”

讲座安排表（封面）

汤姆逊提到的第一个栖息着生物群落的地方，对很多人来说都很熟悉——海滨——但人们对此仍然有许多惊讶之处。北极熊在这里捕猎，海象在这里晒太阳，海蛇和海龟每年都会来此产卵，这里也是那些长相奇特的琵琶鱼的家园。它们在浅海海床灵活地摆动着自己的鱼鳍，额头前方挂着一个颇具诱惑力，且不断生长的诱饵，其看上去像一个蠕动的大肉虫，吸引着其他鱼类自投罗网地钻进它张开的血盆大口里（深海中还有类似的鱼类，通过在黑暗中发光诱惑不明所以的猎物）。提到它时，汤姆逊指出，这是一条“用自带钓竿捕鱼”的鱼。

但是，对生物的繁殖而言，海岸是一个环境恶劣的地方。“那一定是个奇妙而热闹的栖身之所，”他说，“但绝没人敢说在那里生活能有多惬意。”每天都要应付海浪和风暴的侵袭，必须时刻面对被水淹没的困顿，在汹涌的洪流中谋求生存，继而还要被暴露在干燥的空气中。同时，这儿还是一个拥挤的地方，挤满了各种各样的物种。“这儿几乎包罗了每一种生物。”汤姆逊说。

随着我们的主讲人逐渐深入这第一个生物群落，他那转换注意力和讲故事的极大天赋得到了充分的发挥。片刻之后，他又开始研究生物个体微妙迷人的细节特征——黑雁从水中过滤出食物时，总是优雅地踢一踢自己毛茸茸的细腿；而螃蟹呢，习惯用海绵碎片和海草来伪装自己坚硬的外壳。接着，他退后一步，画出了一幅很大的海岸众生图，进一步说明这些生物是如何相互影响、相互竞争的。

然后，他又投入到远海群落的讲解中，“新年第一天讲这样一个主题也还不赖”。1921年1月1日，他就这样开始了自己的第二场讲座。“我们可能会经常这样祝福彼此，可以遨游在更为广阔的海洋里，一个没有岩石、冰山困扰的宽广海域，扎入无边的自由之地。”比起拥挤无常的海岸，生活在开阔的海洋里，生存斗争的压力要小得多。

为了向他的听众介绍这一生物群落，汤姆逊在屏幕上放映了一组被他称为“浮动的海草场”的图片，大片海域内布满了微小的藻类（现今通常被称为浮游植物群落）。“这儿所有的其他生物都是依赖它们生存的，”他说，这帮他顺理成章地引出一个令人意想不到的关联，“春季三个月的日照量和比林斯门（Billingsgate）鱼市上供应的马鲛鱼之间有什么样的联系呢？”他问，继而解释道：马鲛鱼是以桡足类（微甲壳纲动物）为食的，桡足类又是以浮游植物为食的，这些浮游植物主要运用体内的叶绿素将阳光转化为自身所需的能量。因此，阳光越充沛，马鲛鱼生长所需的“海水汤汁”就越丰富。“世界就是这样运转起来的。”汤姆逊说，“没有任何东西会无故消失，万事万物都在流转中。”

远海中生存的动物，它们的一生不是自主游行，就是随波逐流，正如汤姆逊所言，这可不是一个休息场所。这些游泳健将中有海蛇、鲱鱼、鱿鱼，还有海洋哺乳动物，他用“具有非常强健的身体素质”来描述它们，这是他表明它们方方面面都能很好地适应海洋生活的说法。他显然很欣赏鲸鱼，“所有鲸鱼对自己的处境都十分了解，它们必须要跻身于远海的征服者之列。”他说。它们的身体是流线型的，能够高度适应水生生活，它们有厚厚的鲸脂保持体温，利用嘴里那些细密的须毛过滤出水中的小动物，就是人们常说的鲸须（通常用来制作女性的紧身胸衣）。“这对鲸鱼来说是不幸的，”汤姆逊说，“人类很早就发现鲸须和鲸脂对他们的价值了。”汤姆逊开设讲座那时，商业捕鲸仍然在如火如荼地进行着，他指出，由于现代化渔船和鱼叉，“这个有趣的动物正快速地从海洋中消失”。

讲到漂流生存的海洋生物时，汤姆逊详细描述了一种名为纸鹦鹉螺（或船蛸）的头足纲生物，一种不常见的小章鱼，这成功地引起了听众的兴趣。它们身上最令人称奇的事情是，他说，雌性有着“世界上最美丽的摇篮”，用来携带和保护自己的卵。他生动地描述了这只小章鱼从两只腕足端部的膜网中分泌出一层碳酸钙躯壳的过程（他说船蛸是缩进它们的壳里在海面上漂流的，但我们现在都很清楚，它们其实是利用身体向外吐出气体产生的冲力，灵活地在水下游动的）。另一种海洋软体动物是有着紫色外壳的蜗牛，它能分泌出一种泡状的浮球，从而让自己漂浮在海面上。

纸鹦鹉螺

从远海浅水区向下潜游，汤姆逊开始带领我们探索海洋深处的生命奇观，在他演讲前的几十年里，人们普遍认为深海中是没有生物的。不过，科学家们开始具体研究这一人迹罕至的生物群落时，如19世纪70年代挑战者号皇家海洋军舰进行的开创性的探险，他们用拖网和清淤器从深海中打捞出了很多非比寻常的野生生物。科学家们在平均深度约2.5英里（4千米）的深海海域，以及深度超过6英里（9.7千米）的“深渊”中进行取样研究，深渊探索研究是非常具有挑战性的。“没有人见过它。”汤姆逊说（那应该是人们进入深海海域进行生物探究前的又一个十年，我们将在朱利安·赫胥黎的圣诞讲座中了解到）。“最重要的是，对生物而言，没有什么深渊是深得无法存活的。”他说。

这个生物群落会给生物带来一系列独特的挑战，在汤姆逊看来，“这是一个暗黑深沉、寒冷平静，而又寂静单调的世界”。

缺乏阳光，意味着没有植物，食物很难供给，很多动物都习惯于彼此吞食，吞下出现在自己眼前的一切，不管多大。一些深海鱼类就只是“一张嘴和一个胃”而已。他解释道，唯一的其他食物来源就是动植物的尸体，包括浮游生物，从上面“像冬夜里的雪花一样平静坠落下来”的东西（20世纪晚期，深海生物的另一个重要的食物来源被发现，那就是无须通过太阳能转化，而是通过化学能转化获得能量的细菌，这一过程就是所谓的化学合成）。汤姆逊向他的听众描述了这些在地球上其他地方从来没有被发现过的深海海洋生物，比如海百合，海星的近亲，栖居在很大的海床上，“像湖边的水仙花”。虽然阳光无法到达海洋深处，但实际上，那儿并不是完全黑暗的。

约翰·亚瑟·汤姆逊爵士（1861—1933）

出生于东洛锡安区索尔顿的约翰·亚瑟·汤姆逊爵士，是一位博物学家和软珊瑚研究专家。1893至1899年期间，他在爱丁堡大学任教，后来，直到1930年退休，他都在格拉斯哥大学担任自然史学教授。他是一位杰出的科普作家，写过很多书，其中包括《性的进化》（1889）、《科学与宗教》（1925）和《科学概要：一个简单的故事》（1922）。

海百合（海百合类）生长于深海海域

通过化学反应，很多鱼类、珊瑚、甲壳纲动物和水母都能够发光，用它们自身发的光在海洋深处进行沟通、寻找猎物，警告并吓走敌人。汤姆逊将之想象成这样一幅景象：“在一片漆黑的海洋深处，它们如通体微蓝的幽灵般出现，像在一个没有月亮的夜晚，黑暗的浓雾中点亮的一盏电灯。”有一样在其他任何地方都很常见的东西，海洋深处却没有，汤姆逊告诉听众这个生物区域几乎没有细菌，“那就意味着那里也没有腐烂”（事实上，深海中到处爬满了细菌，只不过，要把这些细菌活体从海洋深处带到海面上来需要特殊的技术支持，现在科学家正在积极研究这些细菌，从而发现不寻常的分子，包括潜在的新型抗生素）。

“海洋深处的动物到底是从哪里来的呢？”汤姆逊问，在他看来，生命很有可能起源于海岸附近的浅海区，然后从那里蔓延开来。他提出，海岸生物群落的动物可能逐渐迁移到了海洋深处，同时还带来了漂浮的食物（虽然生命的确是首先在海洋中孕育进化的，但目前尚不清楚究竟起源于何处；最新理论表明生命起源于深海热液喷口，生态系统直到1977年才被发现）。

离开深海生命区域，汤姆逊接着把注意力转向了淡水区，从较深的湖泊到小池塘，到“大河和潺潺的溪流，湍急的洪流和流动缓慢的细流”。这些淡水河流对地球表面的覆盖率还不及1%，但却容纳了大量种类丰富的生命。

淡水区域的生物群落是动态且不断转移变化的，这个领域内的很多栖息者总是来了又走，淡水水域的生活只是它们生命的一部分。鳗鱼在大西洋中部的马尾藻海域产卵，这些卵将会随洋流迁移到众多河流和湖泊中，在那里汲取营养，并逐渐长大，鲑鱼们每年都会在海洋和淡水湖泊之间进行大规模的迁徙。汤姆逊将一只几英尺长的小海牛，也有可能是成年海牛的填充体标本带到了皇家科学院的讲堂。他对年轻的听众说，这是一种典型的沿海动物，但它却要溯游到很远很远的淡水河里，比如，如今我们在佛罗里达州的大沼泽地里发现了它。但是这一波动的生物领域同样也带来了危险，池塘和湖泊总有会干涸的风险，尤其是在气候温暖的国家。为了克服这一挑战，动物也进化出了能够避开干旱时间的策略，汤姆逊以一种来自非洲热带河流的奇怪“泥鱼”（现在我们将之称为肺鱼）为例对此进行详细讲述，当河流的水位变得很低时，它们会在变干变硬的泥浆中挖出一个洞，然后舒服地躺在里面，直到雨季的最终来临。裹在淤泥里的鱼被带到了英国，甚至可能几个月后才会醒来。“一条真正离开了水的鱼啊！”汤姆逊开玩笑道。另一个大风险——尤其在河流里——是洪水泛滥，一些淡水动物，如水蛭和昆虫的幼虫，有吸盘和夹持结构，能够防止自己在大暴雨后被洪水冲走。

汤姆逊继而深入思考：动物究竟是如何在淡水中生存的。他详述了沿岸生物可能会慢慢地向河流上方迁徙，远离潮汐的影响。也有些动物会从淡水迁徙到陆地，比如水蜘蛛，汤姆逊绘声绘色地描述了一只雌蜘蛛在池塘底部吐丝结网，并用丝线固定住它，从其表面填充空气，将其粘连在自己身体表面的绒毛上。然后，只要它的网充满了空气，它就能把卵安全放置在里面。“这只蜘蛛，”汤姆逊解释道，“发现了一个空荡的角落——一个充满机遇的、空洞的小角落——当然也充满了挑战，但却能为它们带来食物供给和护己周全的新机会。”

接下来，让我们把自己擦干，来探索汤姆逊所说的第五个生物群落，继续水生动物开始第三次大规模入侵陆地的故事，自此才有了我们今天所知道的地球上色彩纷呈的生命。

首先着陆的是蠕虫。“很长一段时间，它们拥有整个国度，没有任何天敌。”他说，这些蠕虫通过食用和分解同样迁徙到陆地上的简单植物，在形成肥沃土壤的过程中，有助于为其他生物创造更好的生存条件。蠕虫是节肢动物，是“脚足类”动物，汤姆逊向大家介绍了栉蚕（也被称为天鹅绒虫，它们生存的足迹遍布世界各地，特别是在热带雨林中，现在被普遍认为是节肢动物的近亲），“一个好看的五彩软体动物，形状像虫子，但有着简单粗短的四肢”，他说。从它们这里可以看到远古时代节肢动物长什么样子。参与第二次大入侵的节肢类动物包括：蜈蚣、千足虫、蜘蛛，以及很快和植物形成伙伴关系，在花丛中传播花粉的昆虫（苏·哈特利的圣诞讲座中，我们将会听到更多关于动植物之间关系的讲解）。

紧接着，在泥盆纪末期（大约3.5亿年前），两栖动物出现了，最终进化出了爬行动物、鸟类和哺乳动物（一系列引人注目的化石的发现，揭示了特定的鱼类如何进化到陆生生物，后来又如何逐渐进化成了陆地上现存的所有四足动物、有四肢的脊椎动物，包括人）。这次大规模的入侵仍在继续，汤姆逊说道，他展示了一条名为弹涂鱼的鱼标本，它花费了好一番力气离开水，爬到红树林的根和树干上去。植物给了动物诸多好处，他说，包括提供树干让它们往上爬，树栖生活方式将“开启它们运动、给养或巢居等方面新的可能性”，各种各样的动物都在遵循这一法则，从绿色敏捷的树蛇，到螃蟹、昆虫、猴子和鸟类。在他关于入侵的故事结尾，汤姆逊引导我们看到了他最后一场演讲完美的起点，而我们也会像在树梢上跳跃的动物一样，遵循这一法则。

一条天鹅绒虫（栉蚕）。摘自汤姆逊所撰之书

“最后一个要征服的生物群落，就是空中。”汤姆逊说。飞行是逃离猎食者捕食的一种手段，他解释道：想象一只猫，正在盯着空中飞行的一只它够不着的麻雀，但这也带来了，他说，“一个距离的消灭和季节性的淡化”。鸟类的栖居地和觅食地之间相去甚远，要长途跋涉才能到达，并且通常都在地球上比较遥远的地方，但夏威夷金鸻似乎不假思索就启程去阿拉斯加了。

汤姆逊介绍了四组飞行的动物：昆虫、鸟类、蝙蝠和“会飞的恐龙”——早已绝迹的翼龙（今称翼龙）。它们各有各的飞行方式、振翅方式、在空中盘旋的方式。“还有些动物努力地想要飞翔，但却，”他说，“只能堂而皇之地败北。”会飞的鱼其实并不会飞，但它能一跃升空，不通过拍打它们的“翅膀”，也能滑翔，它们的“翅膀”由宽阔的尾鳍替代。有一种脚趾之间有膜网的蹼树蛙，还有一种会飞的卷尾袋鼠（也被称为飞行狐猴），它们的前足和后足之间有一片可拉伸的皮膜；它们能从树上跳下来，沿着树干滑翔，并且内置降落伞辅助着陆（我们将在理查德·道金斯的讲座中了解到更多关于翅膀演化的知识）。

鼓肚蜘蛛的飞行之旅。摘自汤姆逊所撰之书

结束演讲时，汤姆逊又详细讲解了一种有着勤奋、尝试，或者说反叛、冒险品质的动物，自此，我们完成了对所有生物群落的探索。还有鼓肚蜘蛛，不用翅膀就能飞行的陆生生物，每当秋季来临，它们都会爬上门柱或是高大的植物茎秆，然后喷射出长长的丝线，适时地御风飞行，把自己带向远方，或许能去一个有更多空间和食物的地方。蜘蛛努力尝试显然无法完成的飞行梦想，并且最终实现了。汤姆逊总结道：“这让我们充满了在人生旅程中乘风破浪时，所激发出的合理的怀疑精神。”

摘自档案

1921年1月，随着汤姆逊讲座的放送，《伦敦新闻画报》出版了那些特别委托的插画，那些描绘了六大生物群落的美丽插画。

海岸群落图

图片1：日照量充沛、水草丰富的浅海海岸，以及通向海洋深处的陆地大斜坡；

图片2：圆锥藤壶；

图片3：海马在海草和悬吊的“人鱼钱包”间嬉戏；

图片4：大海螺卵堆中同类相食的画面；

图片5：海岸边正在伪装自己的螃蟹；

图片6：一个贝类捕食者正在一块岩石的坡面费尽气力地敲开一个帽贝；

图片7：无脑但却很能耗的海星和一个没有任何防备的小海胆之间的较量；

图片8：沙滩蟹自我修复的断螯；

图片9：浅海湾刺鱼巢穴中父母的关爱。

第三章　论昆虫的习性　弗朗西斯·巴尔弗—布朗（Francis Balfour-Browne）1924

每一个池塘平静的外表之下，都暗流涌动，为了生存而进行的无情斗争，无时无刻不在上演。

不可思议的自然探索之旅

1.两个不同的物种如何相安无事地共享一个池塘？

2.干涉自然法则的后果是什么？

3.如何恢复自然平衡？

“对很多人来说，收集昆虫这种爱好仅仅是一种‘发病概率’，就像麻疹一样。”于是，巴尔弗—布朗关于奇异的昆虫世界的第一次圣诞讲座，就这样开始了。“他们接到别人的投诉之后，通常会恢复正常。”他说。但是有些人，包括巴尔弗—布朗本人，永远也无法克服这种“疾病”。在演讲过程中，他希望他的一些听众能够屈从于昆虫和收集昆虫这件事情本身的魅力。

讲座安排表（封面）

《曼彻斯特卫报》的一位记者第二天报道说，在他第一场讲座期间，他面前的桌子上摆着一个水族箱，里面装着的水生甲虫“四处乱爬”。这些大而黑亮的甲虫，是巴尔弗—布朗最了解的昆虫，他在全英国范围内对它们进行了搜寻，总共找到了约莫350种。这一研究过程带给他的不仅仅是对甲虫生活习性的了解，也更为广泛地拓宽了他对生物世界的了解。

他向听众介绍了生态群落的概念，其重点在于：不同物种通过不同的生活习性从而互利共存。他详细描述了一个池塘的生态群落，在那里，吱吱虫（一种会发声的水生甲虫）生活在底部细腻的淤泥层，大型潜水甲虫则栖息在杂草中间，很少钻到淤泥里去——这样，两个物种就可以相安无事地共享一个池塘，不会妨碍到彼此了。

早在人为气候变化理论被公认之前，提前对社会大众进行概念的普及，有效促进了所谓“平民科学家”数据的收集，巴尔弗—布朗倡议利用业余昆虫收集来记录生态系统的变化。通过绘制出某些水生昆虫在特定时间会栖居的地点，以及它们所处的栖息地——从潮间带水塘到泥炭沼泽——他指出，自上个冰河期以来，欧洲大陆的生物物种一直在向北迁移，气温也在不断上升，与此同时，其他喜欢阴冷环境的物种也已经在向西和向北迁移了。昆虫收集不仅能够让我们了解未知的过去，他说，“它们在将来也会有用”。因为研究表明，记录昆虫物种的分布区域将有助于科学家跟踪了解随着气候持续变暖，生态系统是如何变化和反应的。

在他接下来的四场讲座中，巴尔弗—布朗每次分别重点讲解了一个特定的昆虫种群，首先是蜜蜂和黄蜂（它们属于被称为膜翅目的昆虫种群），很多蜂种都是群居的，一起生活在蜂巢里，但是巴尔弗—布朗将重点放在了那些独来独往的蜂种上。他告诉听众，他为了研究独居蜜蜂和生活在剑桥大学他那小花园里的黄蜂，专门搭建了“蜜蜂墙”，那是他用每一个洞孔中都嵌入的一截短玻璃管的通风砖（类似今天花园中央出售的“蜜蜂盒子”里使用的创意，不过那些盒子里并没有装玻璃管，这是巴尔弗—布朗特意加在里面的，这样他就可以小心地把它们拉出来，检查里面发生了什么）搭建的。

蜂巢

一个普通游客造访了巴尔弗—布朗的这面“蜜蜂墙”，它是一只红色壁蜂。“这只壁蜂让人想起了一只小型的蜜蜂。”他说（如今，“野蜂”更多是用来称呼大黄蜂的）。它有着浓密的红棕色茸毛，在春天，雌性红色壁蜂会独占砖洞内的玻璃管，然后开始在里面忙着建造蜂墙，一口一口含运土壤建造。接着它们会飞出去寻找花朵，带回花粉和花蜜，它们在产出一个蜂卵之前，会先将这些花粉和花蜜注入玻璃管中，然后再用更多的土壤把它们封存起来。母蜂不断重复着这个过程，在玻璃管里装满越来越多的土壤、花蜜和蜂卵，10天之后，蜜蜂幼虫就会孵化出来，开始吞食母蜂留下的食物。这些成长中的幼虫起初只是蠕动的小虫子，接着它们会把自己包裹在一个丝茧里，形成一个蜂蛹，继而，是一个开始有点成年蜜蜂模样的、长着细腿的白色生物。到了秋天，它们会做最后一次蜕变，咬破自己育幼室的泥墙，成为一只成年蜜蜂飞出来，在仔细观察这道蜜蜂墙长达几个月之后，巴尔弗—布朗了解了这全部的过程。

一种用玻璃管展示蜂巢（顶部）的“蜜蜂墙”，巴尔弗—布朗研究独居蜜蜂和黄蜂用的。一些造访他这面蜂墙（底部）的蜜蜂包括红色壁蜂（1）、苜蓿切叶蜂（2）、光条蜂（3）和布谷鸟蜂（4、5）

各种品类的独居黄蜂也造访了这道蜂墙，蜜蜂和黄蜂之间的主要区别在于幼虫的食物，雌性黄蜂不是用花粉和花蜜，而是用蜘蛛、毛毛虫和苍蝇来筑巢的。母蜂们叮咬猎物并使其麻痹，从而让它们一直活着且保持新鲜，同时保证它们不能爬行或飞走。“这是另一个例子，”巴尔弗—布朗说，“相似的物种在同一个封闭空间中共存。在这个案例中，蜜蜂和黄蜂能够和平共处，是因为它们没有竞争同样的食物：蜜蜂是素食者，而黄蜂是肉食者。”

毛毛虫，他第三场昆虫讲座的主题，一直被有些人描述为“软垫蠕虫”。“它们当然不是蠕虫，”巴尔弗—布朗指出，“它们是蝴蝶和蛾的幼虫阶段。”他并没有把注意力集中在五颜六色的成虫身上，而是把更多的精力都放到了这些年幼个体的研究上，尤其是它们的唾液。“毛毛虫制造出来的这些丝线，是唾液腺的一种产物，”他说，它是一种一旦接触空气就会凝结成固体的液体，毛毛虫能大量分泌这种液体，“所有这些产丝的毛毛虫都在不停地吐口水。”（苏·哈特利在她的演讲中探讨了毛毛虫吐口水的化学奇迹。）

弗朗西斯·巴尔弗—布朗（1874—1967）

就是人们所熟知的弗兰克，或是昵称B-B。弗朗西斯·巴尔弗—布朗出生于伦敦，在牛津大学修习植物学专业。在法学界短暂地工作了一段时间之后，他又回到牛津大学学修动物学，并且成为一名水生甲虫专家。1902年，他成为英国第一个淡水研究站——位于诺福克的萨顿·博德实验室的主任。巴尔弗—布朗在贝尔法斯特女王学院任教了几年，后来，1913年又搬到了剑桥大学，1925年，他开始在伦敦帝国学院担任昆虫学客座教授，直到1930年退休，他一直都在潜心研究他钟爱的水生甲虫。他至今仍被巴尔弗—布朗俱乐部——一个国际水生甲虫保护信托基金会铭记。

当它们向前运动的时候，丝线从位于它们下唇的喷丝板流出，形成一条细线。毛毛虫的丝线有很多种不同的用途。“当毛毛虫进食的时候，”巴尔弗—布朗说，“渗出的唾液会被它同食物一起吞食下去，并帮助其消化。”毛毛虫通常会用丝线网覆植物，以便它们在吃叶子的时候给自己一个立足点。他描述了小巢蛾的毛毛虫是如何在树篱之间缠网的，直到它看起来像细布条一样，被悬挂起来晾干为止。

“所有的毛毛虫都会面临从植物上掉下来的危险。”巴尔弗—布朗说，“它们可能需要漫长而疲惫的蠕行才能重新回到进食的地方。”这条丝线轨迹也就成了一条生命线，就像登山者使用的攀爬绳索一样，毛毛虫可以轻松地再爬回上面。它们的喷丝板上甚至还有一个制动系统，以防止它们坠落，毛毛虫在四处蠕行寻找食物后，丝线的轨迹也能帮助它们找到回家的路。

顺着这些丝线和网，巴尔弗—布朗追溯到了丝质“避难所”的发展历程，那是毛毛虫通过将一些小木棍、叶柄、地衣和草叶黏合在一起造出来的。他认出了随身携带着奇怪“避难所”的、来自巴西的吊床蛾，它们的避难所会随着它们的长大而逐渐变大。“这种结构是由毛毛虫的排泄物颗粒与丝线黏合在一起形成的。”他说。

正如《观察者》报刊1925年1月4日报道的一篇文章写到的，巴尔弗—布朗扮演了“蜻蜓若虫之家的养父母”这一极具耐心的角色。17年前，那时的他还住在诺福克—博德，演讲者向他年轻的听众讲述了自己是如何培养出175只蜻蜓若虫的（它们是水栖幼虫），他从沼泽地将这些虫卵收集回来，把它们每一个都单独放在一个装着水的玻璃管里，然后孵化成虫。

在他开展讲座的那个年代，蜻蜓的生命周期是鲜为人知的，巴尔弗—布朗煞费苦心地填补了很多重要细节。“每隔半个月，我都会抽出一天时间，来逐个测量这些若虫的生命体征。”他说，“一大早就开始观察，一直持续到深夜。”

巴尔弗—布朗从自己的诸多研究中，找到了一个可能的理论模型来解释这一显著的现象——数百万只蜻蜓成虫在空中飞舞，或是在树木之间装饰出了闪闪发光的帘幕——他将之称为“蜻蜓风暴”。“正是这些零星成群的蜻蜓，”他说，“也许在这个温和的冬天过后，就会侵袭南美洲和黑尔戈兰岛——北海（荷兰人命名的）的一个小群岛。”在他的居家实验中，巴尔弗—布朗用温暖的孵化器保育一些若虫度过寒冬，结果发现，仅仅10个月之后它们就成年了，至少比放在外面培育的若虫要早一年。暖冬里，自然环境下的野生若虫也能加速它们的成长进程，跟早两代或三代的成虫们同时出现，聚集在一起形成一大群蜻蜓。

《观察者》第二天刊出的一篇文章报道，听众很喜欢巴尔弗—布朗对蜻蜓若虫的那段描述，再现它们如何“撕开自己的壳，开始它们的‘处女航’，自由而骄傲地在空中飞行着”。

接下来，巴尔弗—布朗开始把注意力转向水生甲虫的研究上，这个他穷尽毕生心力探索研究的昆虫种群。《曼彻斯特卫报》的一位记者1925年1月7日说：“这次讲座的亮点是，其中没有任何内容是从书上搬运过来的二手货。如果布朗先生是在追踪拉普兰的小甲虫或银甲虫的生命史，那么他非常准确地描述了自己在一系列极其微妙而艰难的观察中发现的问题。”

巴尔弗—布朗对自己如何研究小池塘中的水生甲虫做出了详细的讲解，这些小池塘是他自己将木桶锯成两半做成的环境模型，他在里面放入了一种他从斯凯和埃格群岛上收集来的非常稀有的甲虫，那是苏格兰西海岸附近的一座群岛。

一个月后，没有任何生命迹象，他甚至觉得它们死了或是逃走了，但当他把“池塘”倒空之后，发现甲虫全都埋在底部的淤泥里，这才意识到它们实际上是在冬眠。3月份，当他的甲虫醒来时，他观察到雌性甲虫在水生植物上钻洞产卵，那卵迟早会孵化出贪婪的幼虫。幼虫用它们可怕的尖颚捕捉猎物，在这些猎物体内注入消化酶，并通过嘴里的管子将汁液吸取出来，最后只留下猎物空荡荡、皱巴巴的躯壳。

水生甲虫幼虫头部示意图

水生甲虫幼虫摄食习性图。吃一个池塘蜗牛（左）和吃另一个幼虫（右）

他给出了一个更大的银甲虫的进食示意图，它有一种特殊的下巴，能够充当撬壳器，撬开池塘蜗牛的壳。“大龙虱幼虫是互食的，”他说，“它们绝不会相互尊重，将四只幼虫放到一个大浴缸里，很快浴缸里就会只剩一只。”

巴尔弗—布朗用一部水生甲虫幼虫吃蝌蚪的影像资料，成功吸引了听众的注意。正如《曼彻斯特卫报》记者所报道的那样，“这给了人们一种生动直观的印象，即幼虫在一群无辜的蝌蚪中捕猎、嬉戏时的那种活力和凶猛。这幅图片揭示了，每一个池塘平静的外表之下，都暗流涌动，为了生存而进行的无情斗争，无时无刻不在上演”。

巴尔弗—布朗就昆虫对人类世界的影响，结束了他的系列讲座，它们提供了有用的产物——丝线、蜂蜜（尤其是在人们大量饮用蜂蜜水的年代）、胭脂染料和用来制作漆器和乙烯基唱片的紫胶（如今，甚至有人说，将来昆虫会是富含蛋白质的食物）。昆虫也会对人类的健康和农业产生影响，巴尔弗—布朗给出了几个对昆虫生命周期和栖居地的了解帮助解决实际问题的案例。

例如，到20世纪末，人类发现了吸血蚊子与疟疾和黄热病传播之间的联系，随后便采取措施，通过针对蚊子特定生命阶段来防治这些疾病，这些蚊子是一群有水生幼虫生命阶段的飞虫。在古巴的首都哈瓦那，一个声名狼藉的黄热病多发地区，1900年曾开展过一次旨在消灭能繁殖成蚊子的水生幼虫的运动，包括封闭排水沟和开放的“大型育虫容器”。水坑要么填满，要么覆上油，形成一层蚊子幼虫无法用它们的呼吸管刺穿的厚膜，有效地将它们扼杀在摇篮之中。正是这些措施的普及，才有效地控制了黄热病疫情的暴发。

对昆虫的了解也能帮助保护农作物免受害虫的侵害，早播或晚播可以避开昆虫数量最多的时段，特别是饥饿的食叶毛毛虫。巴尔弗—布朗说，“在埃及，棉花由于停止灌溉而提前成熟，因此就可以在蛾的幼虫来袭之前收获作物，就是人们所熟知的会造成严重损失的红色铃虫。对昆虫的研究还可以让我们了解害虫物种的‘饮食喜好’，通过在一种作物丛中间种植一排害虫喜欢吃的植物，即所谓的‘圈套作物’，来避免收成的损失”。

“只有当‘自然平衡’被打破时，昆虫比例才会失调，暴发严重的虫灾。”巴尔弗—布朗说，“问题是，现代人总是在干涉自然法则。”人们破坏野生生物栖息地，取而代之的是大片的农作物，这些作物为昆虫提供了大量的食物，从而造成它们数量的激增。“如果给大自然时间，她毋庸置疑是会恢复平衡的。”他说，“但是只要人们继续耕种土地，大自然就不会有恢复平衡的机会。”巴尔弗—布朗还跟他的听众说起了一项在法国果园进行的实验，目的是消灭毁坏花朵、减少收成的苹果花象鼻虫。受到感染的花朵被从树上摘下来，放进能够捕捉象鼻虫的网箱里，这些网箱同时允许寄生在害虫身上的、更小的昆虫飞进飞出。经过10年的防范，随着天然寄生虫数量的攀升，这些象鼻虫得到了可控范围内的遏制（我们将在苏·哈特利的讲座中了解到更多关于昆虫寄生虫的知识）。

看上去相当不满，但巴尔弗—布朗承认，越来越多的专家被雇用为“经济昆虫专家”，来帮助控制害虫。“我很遗憾有人会以昆虫学为生。”他说。在他的观念里，这种研究不应该由商业利益驱动。“对昆虫的研究能够自我供输，”他说，“不管它看起来有多么无用，光是对它的兴趣就能报答这个学者，这就是科学人的精神。”

第四章　珍稀动物及野生生物的灭绝　朱利安·赫胥黎爵士（Sir Julian Huxley）1937

一些勇敢无畏的动物长途跋涉，从大陆飞过来或漂游至此，最终在加拉帕戈斯群岛上与世隔绝。

不可思议的自然探索之旅

1.斑点狮身上一直有斑点吗？

2.当物种在岛屿上与世隔绝时，会发生变异吗？

3.有史以来最深的潜水纪录是多深？

4.最不同寻常的物种灭绝是什么？

赫胥黎第一场演讲的明星嘉宾无疑是一只8个月大的狮子幼崽，名叫麦克斯，全国各地的报刊均争相报道这位不同寻常的访客，它在聚光灯下明显感觉到非常不舒服。《每日电讯报》1937年12月29日的一篇报道这样写道：“孩子们就那样屏息静寂地端坐着……”赫胥黎提前交代过听众不要鼓掌，“它的脾气不太好”，他警告道。

小狮子造访演讲大厅的主要原因，是展示它腹部的斑点。赫胥黎向听众讲述了一些动物学家对这种斑点狮的看法，他们说这是肯尼亚山区罕见的变种，那些斑点能够帮助它们在山林中隐藏自己，年幼的狮子，像麦克斯这样，通常都有斑点，然后随着它们逐渐长大，这些斑点也会逐渐消失。可能也有狮子一直保留着自己的斑点，赫胥黎提出，但没有一只活体被发现过（至今还没有被目击证实）。小狮子就像一只淘气的小狗，屈起两条后腿蹲坐着，在光滑的地板上滑行，在饲养员的引导下向前滑动，一有机会，麦克斯就迅速逃向门口，想要溜之大吉。

赫胥黎继续介绍着各种各样令人称奇的珍稀动物，大厅里听众的情绪也越来越高亢，这些动物都是从伦敦动物园借来的。在笼子里拍打着翅膀的是一只大型的猛禽，听众中很多孩子可能从未在野外看到过这种鸟：那是一只来自埃及的红鸢。有人认为，在赫胥黎演讲的那个年代，英国只剩下4对繁殖个体了，但情况并不总是如此的，赫胥黎讲道，中世纪时期伦敦屠宰场外面，经常能看到红鸢在捡食动物内脏，可在最近这些年，它们几乎被消灭殆尽了，因为人们到处搜罗它们的蛋（在长期的放归计划进程中，英国现有数百对红鸢的繁殖个体）。

赫胥黎说，一些动物的稀有缘于它们在世界偏远地区的隔离状态，包括很多岛屿。为了证明这一观点，他从法罗群岛带来了一些比普通家鼠大、长着大耳朵和大后脚、样子奇怪的老鼠（最新基因研究表明，这些老鼠是几百年前被人从英国和斯堪的纳维亚引入的，后来进化成了不同的亚种）。他还带来了一对毛色蓝绿相间的鹦鹉，其中一只是地方特有品种，只生活在加勒比海的圣文森特岛上，头上长着一个明黄色的冠子。另一只来自大陆，没有独特的冠子，这说明当物种在岛屿上与世隔绝时，产生的变异是非常微妙的（如今学界认为，由于森林砍伐和非法捕猎，圣文森特鹦鹉已经濒临灭绝了）。

除了动物园的活体动物之外，赫胥黎用一盏神奇的灯笼（就是当时的投影仪）将其他罕见生物的图像投射到了银幕上，引领他的听众从图像上探索加拉帕戈斯群岛。

我们看到了海鬛蜥、不会飞的鸬鹚、几十只地雀，还有体形硕大的乌龟。所有这些不寻常的动物，其他地方均无分布，也让查尔斯·达尔文相信：当动物族群分化时，就会进化产生新的物种。这种情况下，一些勇敢无畏的动物长途跋涉，从大陆飞过来或漂游至此，最终在加拉帕戈斯群岛上与世隔绝。

赫胥黎还用幻灯片演绎了那些从未真正存在过，却有一定现实基础的罕见生物。他展示了海蛇的绘本图像，但他告诉听众，我们完全有理由相信那些目击报告，包括来自伦敦动物学会两名研究员的报告。赫胥黎认为，这些人所看到的，其实不是蛇，而是巨型乌贼（现在被称为大王乌贼的软体动物物种）。其他可能性为姥鲨、成群的海豚和细长的带状鱼类（亦称桨鱼），它们能长到36英尺（11米）长，很容易被误认为是一条神秘的海蛇。

他还提到了一个传说，从树上落下来的叶子，用它细微到看不清的腿跑来跑去，被踩踏的时候，还会渗出血来。《苏格兰人报》1937年12月31日报道称：“在场的每个人对这个故事都不以为然。”“但毫无疑问，”赫胥黎说，“它是以世界上最不寻常的一种生物为现实基础的。”他把一些看起来像树叶的东西放到了幻灯片上。“在火光之下，它们没有蜷曲，足以证明它们的的确确是活物。”《苏格兰人报》的记者这样写道。

这些叶虫善于伪装自己，这样很多动物就不会费心去吃它们了。

讲座安排表（封面）

赫胥黎认为，关于龙的传说起源于祖先记忆里已灭绝的冰河时代的野兽，如穴狮和鬣狗。最接近真龙形象的就是世界上最大的蜥蜴——科莫多巨蜥，赫胥黎没有能够从动物园里把它带过来。“它们非常凶猛，很难装进箱子。”他承认，不过，他还是打开了一个箱子，说里面装的是龙骨。事实上，它们是古代三趾马的骨头，在中国被当作“龙骨”出售，制成传统中药，1000万年前，这些马成群结队地穿越亚洲平原，但却灭绝了，可能是气候变化的原因。

赫胥黎还向他年轻的听众讲述了深海中那些奇怪的“住户”，正如他所揭示的那样，那些鲜为人知的动物因为生活在人类难以接近的地方，所以很少被发现。他展示了一些深海鱼类的图片，这些鱼身上有着一排排红色和蓝色的“前灯”，用来引诱小鱼，然后再将它们吞下去（现在大家都知道，这些深海鱼类利用生物发光原理达到多种目的，包括自我伪装、防御，以及吸引同伴）。

在40多年前的一个故事里，赫胥黎讲述了摩纳哥王子，一个敏锐的动物学家，乘坐自己的游艇出海时，正好碰见捕鲸船在捕杀一条抹香鲸，那条鲸鱼呕吐了，王子马上派了一只船过去收集来一些呕吐物，那里面有“乌贼”的残骸（可能又是大王乌贼），是鲸鱼在深海中吃下的，还未来得及消化，完好无损到可以把它们鉴定为科学界的两个新物种。

在赫胥黎做讲座的那个年代，深海探险还处于起步阶段，20世纪30年代初，威廉·毕比（William Beebe）和奥蒂斯·巴顿（Otis Barton）是第一批深入它们的自然栖息地，透过一个名为潜水球的狭小金属球体的舷窗，观察深海生物的人。1934年他们创造了有史以来最深的潜水纪录，深达3028英尺（923米），1949年奥蒂斯最终打破了这一纪录[现代潜水器通常能潜入数千米深的水下；1960年，唐·沃尔什（Don Walsh）和雅克·皮卡德（Jacques Piccard）是第一个抵达海洋最深处的人，深入到了马里亚纳海沟深处——35797英尺（10911米）深的挑战者深渊]。

深海探险暂且告一段落，赫胥黎接下来又带领我们开启了深入过去的旅程，来到一个巨型爬行动物横行地球的年代。他展示了各种恐龙的图片和模型，以此说明它们活在多么久远的过去。他拿着一沓打印纸，这沓纸厚1英寸（2.5厘米），有480张。赫胥黎说，如果每一张薄纸片代表1000年的话，那么这沓纸所对应的时间，恰恰是自上个冰河纪至今过去的全部时间。要是记录恐龙灭绝的时间（大约6550万年前），这沓纸会有10英尺（3米）高。回到更久远的时代，到那个三叶虫遍布海底的时代（5.2亿年前），如赫胥黎所说，我们可能需要一沓像埃菲尔铁塔那么高的纸。依照赫胥黎的说法，这么多万年以来，地球上的生命一直在“持续更迭”，众多物种都灭绝了。他介绍了有幸从数千万年前的物种大灭绝中秘密存活下来的珍稀动物实例，从水族箱里捞出了一只帝王蟹（就是今天我们所知的马蹄蟹），这是来自很久以前就灭绝的群体中罕有的一个幸存者。“过去人们认为它是一种另类的甲壳纲动物，”赫胥黎说，“但它与早已绝迹的海蝎子关系更为密切。”

帝王蟹

另一个幸存的珍稀物种实例，是来自澳大利亚的袋鼯（飞袋鼠），被带到演讲现场来证实其非凡的能力。1938年1月5日，一位《苏格兰人报》记者写道：“饲养员把它高高地抛向空中，它展开自己的薄翼——就好像它把外套拉得很宽，想要迎风飞翔似的——然后又优雅地滑落到他的手里，这一壮举引得听众席掌声雷动，经久不歇。”

只有一匹野马的洞穴画在欧洲是很常见的。来自赫胥黎的讲座内容

当赫胥黎放映出一幅具有12000年悠久历史的洞穴野马壁画时，听众席上又爆发出了热烈的掌声，《苏格兰人报》将之描述为“一个英武雄壮，甩着尾巴，栩栩如生的动物”。赫胥黎表明，这些野马现在仍然存在，不过都是被圈养的[现在，一些普尔热瓦尔斯基野马（普氏野马）——世界上唯一未驯化的马——被放回野外，包括切尔诺贝利周围的隔离区]。

在他的倒数第二场讲座中，赫胥黎将注意力转向了人类对生物世界的影响，虽然这些讲座是在80年前开设的，但他对濒危野生动物和迫切需要保护的野生生物，提出了一个彻彻底底的现代化观点。“一个物种一旦消失了，它就永远地消失了。”他提醒听众。“最不同寻常的物种灭绝案例，”赫胥黎说，“就是北美信鸽。”他如是描述那巨大的鸟群：1英里（1.6千米）宽，起码有20亿只鸟，从头顶上空经过需要好几个小时才能全部飞走。它们被当作食物宰杀屠戮，就在这个讲座之前的二三十年里，最后一只信鸽也死在了辛辛那提动物园（它的名字叫玛莎）。

在那些现存但已濒临灭绝的物种中，赫胥黎提到了为了迎合蝴蝶首饰（把整只蝴蝶或是它们翅膀的一部分装饰在吊坠或是胸针上）狂潮，而被大肆捕捉的亮蓝色蝴蝶。接下来介绍的一位动物嘉宾，是一对来自中国的1英尺长的短吻鳄，它们在水族箱里不安分地扭动着身体。“由于森林的砍伐、中国本土河流的污染和生态环境的破坏，”赫胥黎说，“这个物种在野外几乎灭绝了（扬子鳄至今仍然处于极度濒危的状态）。”动物园的饲养员还带来了一条8英尺（2.44米）长的巨蟒，对皮革领带和鞋包制造产业而言，它的蛇皮可是紧俏商品。讲座快结束的时候，孩子们被邀请到台前来，跟巨蟒进行零距离接触，《曼彻斯特卫报》第二天的一篇报道称：“当这个修长而健硕的身体绕上他们的脖子和手臂时，他们带着极大的勇气完成了表演，只是偶尔做做鬼脸，而巨蟒，对它来说，则是带着极大的幽默感忍受着这样的待遇。”

当然，还有一个更加令人不安的画面，在赫胥黎的最后一场演讲中等待着的听众，那是从一部海豹幼崽被击杀的短片开始的。“除非海豹受到保护，否则它们就没有活路了。”他哀叹道，接着他讲起了海豹新生幼崽白色皮毛的贸易（虽然受到了更为严苛的管制，但对海豹的非法猎杀至今仍在继续）。赫胥黎指出，同样的商业捕捞，甚至规模更大，鲸鱼的捕杀问题也是如此（商业捕鲸运动持续了很多年，但最终得以叫停，正如我们将在大卫·阿滕伯勒的圣诞讲座中了解到的）。

“我们能做些什么，”赫胥黎问道，“来制止这种因为人类的贪婪和无知而迫害动物和鸟类生命的趋势呢？”

朱利安·赫胥黎爵士（1887—1975）

生于著名的赫胥黎家族，朱利安·赫胥黎的祖父是生物学家托马斯·亨利·赫胥黎（T.H.Huxley），查尔斯·达尔文的一个坚定的支持者，他的兄弟是《美丽新世界》的作者，奥尔德斯·赫胥黎（Aldous Huxley）。他在牛津大学学习动物学，随后在北美、牛津大学和伦敦大学国王学院进行了进化和胚胎学的开创性研究。1927至1931年，他担任英国皇家科学院富勒生理学讲座的教授，1935至1942年，担任伦敦动物学会秘书，并于1951年与他人共同创立了世界野生动物基金会。他是一位伟大的科学传播者和野生动物保护的倡导者，他写了很多书，包括与赫伯特·乔治·威尔斯（H.G.Wells）合著的百科全书《生命之科学》。

他强烈支持的一个解决方案是，保留野生动物受到严密保护的特殊区域——一些小保护区、大些的保护区和大型国家公园。他通过影视资料向听众展示了非洲和加拿大国家公园里的大量野生动物：狮子、猎豹、狒狒、长颈鹿、灰熊和鹿。演讲大厅里还回响起了野生三趾鸥的叫声，这些海鸟被拍摄于不列颠群岛周围的一个鸟类保护区。“我们应该有更多的国家公园。”赫胥黎说（自从他开设讲座以来，我们对这个生命行星的保护力度已经有所增强，2014年，保护区覆盖了15.4%的陆地和淡水，3.4%的海洋，许多专家认为这两个领域至少有三分之一需要被保护）。

赫胥黎讲到了其他保护区的成功案例，演讲大厅里，一束聚光灯打到了笼子里的一只金翅雀身上，它有着醒目的黑、白、红三色相间的脑袋和黄色的条纹翅膀，非常好看。“当我还是一个小男孩的时候，”赫胥黎接着说道，“能看到一只金翅雀绝对是件稀罕事，但庆幸的是，我们现在去乡村想不碰到一只都难。”《野生鸟类保护法》将金翅雀从灭绝的边缘拯救了回来，该法案收紧了有关鸟毛和鸟蛋贸易的法律约束力。他提倡多开展一些有助于改变公众对环境问题认知的活动，尤其是，他提议：“对商业和娱乐利益链进行施压，说服或强迫他们不再猎杀这些‘会下金蛋的鹅’。这对鲸鱼、毛皮动物和迁徙的野鸟来说，是非常必要的。”他鼓励听众加入像国家信托和皇家学会这样的鸟类保护团体，自1889年起，羽毛联盟就开始同装饰女帽的羽毛交易做斗争了。

演讲结束的时候，他向人们展示了珍稀动物的奇迹，以及它们所面临的问题，还给听众留下了对未来的积极展望。正如《曼彻斯特卫报》一名记者1938年1月10日报道的：“‘已经做得很好了，’赫胥黎先生表示，‘但我们需要做的还有很多。’”80年后，这种情绪仍然和过去一样真切。

第五章　动物是如何移动的　詹姆斯·格雷爵士（Sir James Gray）1951

一直生活在我们身边的这些常见的动物，

实际上，是非常复杂也是非常美丽的。

不可思议的自然探索之旅

1.鱼类是如何运动的？

2.为什么马从来没有超过两只脚同时落地？

3.动物界的跳高冠军是谁？

格雷走进演讲大厅的时候，他的讲桌上摆满了各种从不列颠博物馆精选来的古董玩具车，他还向听众展示了一只非洲猎豹，这只特别的大猫移动速度不如以前快了（它是伦敦自然历史博物馆的标本）。“但是，”格雷解释道，“所有活着的动物都是以类似于汽车发动的方式运动的，它们需要一个引擎、转向和刹车。”他把动物的身体比作一辆汽车的底盘，把它的腿比作后轮（这就是推动力），跟汽车不同的是，大自然从来都不会真的使用轮子。

格雷告诉他的听众，动物也有类似杠杆和把手的东西，帮助其上下左右运动，但它们永远也不会绕着中心轴做一个完整的旋转动作。动物不可能有轮子，因为它们所有能运动的部分都跟血管和神经相连，不断扭曲会让它们缠在一起，甚至断裂。格雷解释说：“没有轮子帮助它们行走，也没有旋转的螺旋桨帮助它们飞行，动物进化出了三种截然不同的运动方式。”

“让我们来看看自然界最古老的动物种类，看看运动是如何形成的。”格雷说。他播放了一段微型变形虫的影像资料，那是一种只有针头大小的单细胞生物，它们不断改变形状，并通过凸起它们身上突出的部分不断运动，被称为假足类动物。格雷宣布，“这是大自然第一次尝试制造一个运动的动物”。但是它们移动得非常缓慢，每天移动1英尺（30厘米）左右。

纤毛虫

下一个影片放映的是一种叫纤毛虫的生物，它们看起来像是屏幕上飞舞着的透明稻谷，它们用数千根摇摆不定的细毛来推动自己，那些细毛被称为纤毛（它们的名字也由此而来）。这是动物的第二种运动方式，尽管只是非常小的物种，这些纤毛所施加的力量是微乎其微的，但纤毛虫一天可以飞行120英尺（36米）。

讲座安排表（封面）

所有稍微大一点的动物都依赖于肌肉——第三种运动方式。格雷认为，肌肉是“自然界所有引擎中最好、最强大的一种”。肌肉由一束纤维组成，每一根纤维都能在大脑发出的神经信号的指示下收缩变短，从而激发出巨大的力量。“这些纤维，”他说，“从一块软塌塌的橡胶变成拉伸的钢弹簧。”一旦神经冲动停止，肌肉纤维就会再次失去行动力。“但它们不能自主伸展，”他说，“它们需要被其他肌肉带动。”

大自然通过两种方式激发肌肉的力量：第一种，如蚯蚓一般，两侧的肌肉同时收缩，像手风琴那样缩短自己的身体。通过紧攀住前方的地面，这种缩短能够将动物向前拖曳，接着它会拉长自己的身体，再向前进，收缩另一组肌肉，这些肌肉围绕着它的身体，形成环状，就像挤压了一小撮油灰。肌肉作用的第二种方式，则是通过每次收缩身体（或肢体）的一侧，弓身从一边向另一边运动。

为了更好地说明运动的一个基本原理——要向前运动，动物必须向后产生推力，格雷在他的讲桌上放置了一座小桥，他要让一条蠕虫穿过这座特殊的桥，孩子们全都屏住了呼吸。蠕虫向前运动，弹簧承载的拱形桥体中段显示，蚯蚓以2到8克的力量在向后推（对一只小蠕虫来说，这样已经算不错了）。

演示水蛭向前移动产生后向力的桥式实验图（类似于他在讲座中使用的蠕虫桥）

《时代》周刊的一位记者1951年12月28日报道：“当它完成自己这段非自然的旅程，掉落回饲养员的手中时，这条蠕虫获得了一阵好评的掌声。”不管是步行的、爬行的、跳跃的还是游泳的，所有的这些动物本质上都在做相同的事情，向后推动自己，借力于它们周围的环境。

一个水族箱被带进了演讲大厅，里面装着一只小乌龟，它用它那像船桨一样的附肢划过水面，向后推动借力于它所处的环境（在这种情况下是水）。另一个水箱里装着的机械模型鸭也显示出了类似的特性，它用自己的脚掌划水推动自己向前。格雷解释说，大多数鱼都是通过不同的方式扭动脊骨，从而在水中穿行潜游的。强健有力的肌肉将硕大的尾鳍从一边摆向另一边，向侧面和后面对水施加压力，驱动自身向前运动，海豚也有类似的体式，不过它们只有尾巴上下运动。

格雷还向听众介绍了一条活蹦乱跳的鳗鱼，来说明：鱼类只有在有些什么东西可以推动、借力时，才能运动起来。首先，他把它放在一张光滑的桌子上，鳗鱼拼命地扭动着，但却寸步难移；然后，他把它放在一张布满短桩的桌子上，它迅速就抵着它们将自己撑了起来，就像游泳时推动水一样，鳗鱼瞬间就穿过桌子了。

鱼能游多快呢？这个答案，格雷解释道，或许会让我们感到惊讶。“当我们沿着河边走，看到一条鲑鱼在水里飞快地穿梭时，”他说，“我们的印象会是：那是相当高的速度。”垂钓者可能会猜想，鱼类每小时可以在水中穿行20英里（32千米）。鱼能够即时加速，这可能造成了我们对鱼全程超速游行的错误印象。当一条鲑鱼受到惊吓的时候，格雷说，它可以瞬间增速至每秒140英尺（每小时152.9千米），这样强大的力量只能维持很短的时间，不过应该长到足够保证自己从天敌的口中逃脱。他估计，长距离运动时，一条10英寸（25.4厘米）长的鲑鱼在水中游行的速度能够达到每小时4到5英里；一条大马哈鱼的速度可能是它的两倍。“真正矫健的快游选手，是海豚。”他说，它能以每小时25英里（每小时40千米）的速度在水中穿梭。

渔民们常常会夸大鱼线末端钩住的鱼的力量和重量，并且这通常也很合理，格雷邀请了一些听众上台来，让他们试着用固定有弹簧天平的鱼竿，从地板上举起不同重量的砝码，来测量提起这些重量所需要的力。要举起1磅重量（453克），志愿者们必须承受14磅（6.35千克）的拉力，这就意味着：感觉上，鱼线末端的鱼往往比实际上更重也更矫捷。

詹姆斯·格雷爵士（1891—1975）

格雷，出生于伦敦伍德格林，曾就读于剑桥大学国王学院自然科学专业，在第一次世界大战中服役之后，于1919年又回到剑桥的动物学系学习，最终成为那里的一名教授。专注于动物运动的研究之前，格雷的早期研究对细胞学领域的建立、细胞的研究都有着不可忽视的促进作用。1943至1947年，担任英国皇家科学院富勒生理学讲座的教授，他以有名的格雷矛盾理论著称于世，他的理论认为海豚在游得非常快的时候，它们的肌肉并没有足够的力量来克服水中的阻力。2008年的诸项研究表明，他的理论并非事实，他低估了海豚的肌肉力量，且低估了近10倍之多。

几页写在英国皇家科学院信纸上的格雷演讲笔记

接下来，听众有机会探索水下世界了，格雷放映了一些此前从未公布过的影视片段，是“蛙人”们[也称潜水员，在雅克·伊夫斯·库斯托（Jacques-Yves Cousteau）和艾米丽·加格南（ÉmileGagnan）发明水中呼吸器的前10年才出现的名词]在地中海拍摄的。屏幕上，种类繁多的鱼儿们聚集在一起，形成了一个巨大的鱼群风暴，令人叹为观止，一名潜水员就游在这风暴中间，他甚至还摸了一条跟他差不多长的鲨鱼的尾巴——对当时的听众而言，这所有的一切可能都是前所未有的景象[20世纪50年代水下摄影工作才刚刚起步；1956年，奥地利生物学家汉斯·哈斯（Hans Hass）拍摄了一部纪录片《潜水冒险》，同年，库斯托主演的第一部电影《静默的世界》上映]。

就像31年前，汤姆逊在他的圣诞讲座中那样，格雷也向他的听众展示了弹涂鱼，只是这次他们看到的不仅仅是保存下来的标本，还看到了一只活体弹涂鱼。它用力地扭动着自己的两个前鳍和尾鳍，在装着少量水的水箱里不安分地爬来爬去。“从这类生物身上，”格雷说，“大自然创造了用腿驱动自己前进的陆生动物，她没有再添加任何新的部件，就完成了这件事情，因为她早已为这些新的生命功能设计好了现有的部件。”格雷将之形象地比作工程师把潜艇改造成汽车，但他们无须把它抬到码头，也不需要增加新的部件。

脚一开始，可能是先进化成蹼状的，以分散动物的体重，防止它们抵达水的边缘时，陷入沼泽或是泥泞的淤泥地里，在那之后，动物开始进化出能够适应其他地形的足部。格雷带来了更多活体动物，以检查它们的足部。笼子里有一只树懒，它用大而有钩的爪子倒挂在一截树枝上；一只壁虎迅速爬上一面垂直的玻璃墙，然后倒挂在墙上（现在我们都已经知道了，壁虎是使用一种被称为刚毛的细毛来实现这一惊人的壮举的，这些刚毛覆盖着它们的脚趾，并与它们要攀爬的表面形成细微的胶结）。伦敦动物园的饲养员还带来了一只名叫亨利的小熊，他展示了它像人类一样平直的脚掌，这样的脚掌能够让它的两条后腿笔直地站立着。

一匹骏马疾驰的图解，该图表明了它为什么从来没有超过两只脚同时落地

格雷下一位要介绍的嘉宾是一只火蜥蜴，他把它放在投影仪上，向听众展示四条腿的动物通常如何按照对角线顺序移动四肢：右前腿先迈出，接着是左后腿，左前腿，最后是右后腿。“第四只脚悬空向前摆动的时候，其他三只脚始终是落在地面上的。”格雷说。“通过这种方式，”他解释道，“这个动物可以随时随地停下来，并且不会摔倒，因为最起码它还有三只脚稳稳地扎在地面上，形成一个稳定的三角形，但这只有在一个平缓的速度下才会起作用。如果要加速的话，动物就必须要牺牲它们随时随地停下来都不会摔倒的稳定性。”“如果一只动物在后脚落下来之前就抬起同侧的前脚，”他说，“身体就会倒向另一边，但是只要它悬空的时间不是太久，在感觉到后脚即将落下来之前，也不会真的翻倒。”当一匹马奔驰的时候，它一次只有一个马蹄是落地的，并且有些时段它的四蹄完全是脱离地面的。

接下来，格雷开始考虑：动物在跳和跃的时候，如何不断地重复所有脚都抬离地面的过程。“大多数动物一定程度上都能跳跃，”他说，“如果要我们从动物中选出一组跳跃高手，我们可能会选袋鼠、飞鼠、青蛙、蚱蜢或跳蚤。”而且跳蚤是无可争议的冠军，它们能够跃起超过它们体长100倍的高度（而人类跳高世界纪录保持者只跳了2.45米或8英尺，略高于他们自己的身高）。

格雷指出，所有跳跃的动物都有三个共同的特点：（1）它们有着非常长的后腿；（2）它们的腿能够紧紧地叠放在身体下面，并且可以迅速伸直；（3）它们的体形通常都非常小。体形小非常重要，因为动物能跳起的高度取决于它们弹起的速度，小型肌肉往往比大型肌肉行动起来更迅速。他向听众展示了行动中的活体蝗虫，还有一只刚被放出去，就在孩子们的脚底下到处蹿跳的飞鼠，还因此引发了短暂的骚乱。这是一只来自亚洲和非洲大沙漠的跳跃型啮齿动物，它看起来像一只老鼠，两只耳朵特别大，腿非常长。

最后，向听众介绍动物飞行的细节时，格雷在整个演讲大厅里放满了纸飞机。“飞行靠的是翅膀。”他说，与气流保持一个轻微的角度时，机翼的形状就是这样的，气流在上表面流动的速度比在下表面要快，这就产生了升力。同时，流动的空气往往会对机翼产生一个向后的阻力。“一只可以飞翔的动物，”格雷说，“如果它的翅膀能够坚持以这样的一种方式在空中飞行，从而确保这种升力和阻力……那么所有的力结合在一起，就会形成一个跟动物自身重力相等的浮力。”

在热带国家，鸟类都是在上升的气流中向上滑翔的

除了拍打翅膀飞行之外，很多鸟类还是技术高超的滑翔专家，它们通常会利用上升的气流保持自己一直在高空中。当水平方向的风遇到障碍，比如一栋建筑、一座山或是一个悬崖时，气流就会向上偏转。这就是为什么海鸥会沿着一条条峭壁滑翔，为什么老鹰会在山的迎风面滑翔。一只体形硕大的、毛茸茸的秃鹫悬吊在听众席上方的一根电线上，格雷向他们解说了，在热带国家，这些鸟类是如何在万里高空中盘旋，又是如何借助从地面升起的热气旋御风而行的。

关于动物如何移动的讲座临近尾声时，格雷对听众说，他希望他们能够发现，一直生活在我们身边的这些常见的动物，实际上，是非常复杂也是非常美丽的。“我希望你们能够亲自去观察身边的这些动物，”他总结道，“因为总会有一些新的东西等待我们去发现。”

一位带电的动物嘉宾

一阵热烈的掌声中，格雷在剑桥大学的同事汉斯·利斯曼（Hans Lissmann）走进了演讲大厅。他去年有了一个非凡的发现，在参观伦敦动物园的水族馆时，利斯曼注意到，展出的非洲小刀鱼通过它背上的长鳍甩出波纹，向前游向后游都能轻松自如。他很好奇这些鱼是如何避免撞到障碍物的，因为眼睛长在身体的另一端，它们根本不可能看到身后发生的一切，他猜想，它们有某种类似“第六感”的东西。

借助一条活体刀鱼，利斯曼演示了他发现这些鱼向水中发出微弱电脉冲的过程。他在水箱中放入了一个采集电场的探头，并且放大了它的声音，以便皇家科学院的听众能够从扬声器里听到那个“嗞嗞”声。他解释说：“这条鱼会利用电磁波，跟蝙蝠利用超声波的原理一样，通过发出的声波碰撞到障碍物后返回，辨别出自己的游行路线。”利斯曼是这一现象的第一个发现者：生活在西非地区泥泞的河流和沼泽里的鱼类中，至少有100种能够借此找到它们的游行路线、锁定食物，甚至可能还会用电磁脉冲彼此进行交流。

1951年12月14日，伦敦动物园的一位官员在写给詹姆斯·格雷（James Gray）的一封信中，列出了他作为圣诞讲座演示“嘉宾”可以借出的活体动物。这其中包括一只已驯化的喜马拉雅黑熊、一头驴子、一只壁虎和一只树蛙，他还可以借出一条弹涂鱼，不过前提是格雷能够保证它处于足够温暖的环境中。“我们可能还能争取到一只小乌龟。”信中陈述，继而又写道，“我很抱歉，我们的花园里目前只有一只蜂鸟，馆长认为我们不应该把它放出鸟舍，尤其是在冬天。”

摘自档案

给詹姆斯·格雷的一封信

詹姆斯·格雷教授，C.B.E.，F.R.S.唐宁街，剑桥大学动物学实验室

亲爱的格雷：

我了解了一下动物的情况，发现我们只能借出如下几种动物：

跖行动物，我们可以借出一只已驯化的喜马拉雅黑熊；

趾行动物，我们可以借出一头驴子和一匹设德兰矮种马；

壁虎、树蛙也可以，如果您能保证皇家科学院的条件足够温暖的话，我们还能借出一条弹涂鱼，并且还能再争取借出一只乌龟。

关于跳跃型动物，我不敢保证那只驯化过的沙袋鼠一定能借，但我们可以提供一只特别能跳的丛猴；我们还能借出一只很温顺的袋鼯，它比美洲飞鼠脾气好多了，您可以一只手托着它向上抛出，它能很轻松地重新落回到您张开的另一只手掌上。

我很抱歉，我们的花园里现在只有一只蜂鸟，馆长认为我们不能把它放出鸟舍，尤其是在冬天。

昨天我们收到了6只菊头蝠，现在它们被放在一个比较冷一点的地方，希望能活到1月8日。不过，要是您能在保证它们安全的情况下，尽快给它们做记录的话，您那边设备一准备好，我们就能带过去几只，这样，您就能得出科学的数据了。

我觉得您要是能在讲座开讲之前，亲自来这儿一趟就更好了，您可以提前看一看这些动物，让它们演练一下讲座中要展示的部分，这样您的讲座也能更顺利一些。当然，我们还会给像熊这样的动物带一名饲养员过去，这样既能好好照顾它们，也能帮您更好地呈现讲座内容。

此外，我还想简短地跟您交代一下我们要借出的水箱具体是什么样的。

×××谨上

第六章　动物的行为　德斯蒙德·莫里斯（Desmond Morris）1964

“没有什么比一个人自己的行为更让人着迷了，”莫里斯说，“人类对自己行为方式的评价，可以从丑闻、绯闻的深度跨越到诗意化表达的高度。”

不可思议的自然探索之旅

1.动物的行为有没有什么规律？

2.动物可以辨认出自己的孩子吗？

3.对野生动物来说，清洁行为有什么意义？

“没有什么比一个人自己的行为更让人着迷了，”莫里斯说，“人类对自己行为方式的评价，可以从丑闻、绯闻的深度跨越到诗意化表达的高度。”分析和理解人类的行为是心理学家和人类学家钻研的领域，“但人是一种复杂的动物”，他指出。有时候我们自己都不是很清楚，为什么要去做某些事情，不过，我们能够寻求其他动物的帮助。他说，“这样我们在研究行为模式和学习一些基本原理的时候，就能少走一些弯路”。如果我们能够从它们的视角看待世界，并能理解它们的问题和它们解决问题的方法，那么我们就能比较出它们和我们之间生存方式上的差异了。

讲座安排表（封面）

莫里斯首先解释了他说的行为是什么意思：“动物通过自己的一种感官，比如眼睛、耳朵或者鼻子，感受到一种来自外部环境的刺激，来自这些感官的信息再沿着神经传到大脑。”这些信息继而与其他内部信息——比如对过去经历的记忆——相结合，最终大脑做出反应，通过向身体不同部位——腿、手臂、肩膀和下巴等——发送信号，指示它们按照既定的方式做出反应。“行为是由一系列反应组成的，从动物出生到死亡一直在进行着。”莫里斯说。

行为的一个非常关键的方面是学习能力，有些动物已经进化出非常高的学习水平了。

一只名叫菲菲的小猩猩被带到了演讲大厅，莫里斯给它设置了一个学习能力测试，它坐在一张桌子上，那桌子下面是一个带门的大木柜子。在菲菲的注视之下，莫里斯打开了那扇门，在里面放入了一堆葡萄，然后关上并锁上了门，把钥匙放在桌子上。接着，他向后站了站，这时，菲菲想到自己要做什么了：没过多久，它就拿起钥匙，打开门，痛快地吃起了葡萄。观众对这只小猩猩的机敏和心智技能，报以一阵热烈的掌声。

莫里斯接着解释了行为在动物生命中不同关键阶段所扮演的角色，当动物在一起交配繁衍的时候，所有的行为种类都会涉及，从争夺领地的雄性之战，到交配伴侣之间精心准备的求爱仪式（我们将在大卫·阿滕伯勒的圣诞讲座中了解到这一方面）。幼体一旦出生，父母们就会发现自己开始变得非常忙碌，继而产生许多涉及孕育下一代的新的行为，父母的职责包括孵化到喂养，到保护幼崽免受天敌的伤害，再到给它们保暖、保洁等的很多方面。

同样重要的是，父母们要能够识别出自己的孩子，从其他同类的幼崽中辨别出它们来。为了更好地讲解这些能力，莫里斯带来了两只雌性的老鼠，一只有着黑色的皮毛，另一只则是白色的；每一只都有一群非常幼小的后代，毛色跟它们的相匹配。

德斯蒙德·莫里斯（1928—）

莫里斯出生于威尔特郡，在伯明翰大学研修动物学，接着又在牛津大学获得了关于棘鱼繁殖行为的博士学位。1956年，他成了伦敦动物园电视与电影部门的总监，1959至1967年间，担任动物园哺乳类动物的管理员。他因放映《动物世界中动物园时间和生命》而成名，1973年，又重新回到牛津大学继续进行动物行为学的研究。他写了几十本关于动物和自然界的书，包括1967年的畅销书《裸猿》和1969年的《人类动物园》。莫里斯还是一名画家，20世纪50年代，他和琼·米罗共同举办了画展，还曾担任过一段时间的伦敦当代艺术研究所负责人，并一直有绘画作品展出。

他把两个窝分别放到桌子上，轻轻拿出所有小老鼠，把它们掺杂在一起放在桌子中间——一群黑白相间的老鼠幼崽。在做这件事情的时候，莫里斯把它们的妈妈关在了它们各自的窝里，他预测：这两位妈妈只会去拣自己的孩子，并把它们带回窝，完全不管其他幼崽。莫里斯有一点紧张，不确定实验是否能够达到预期。他打开了鼠窝的入口，两只雌性老鼠立刻跑了出来，开始在桌子上搜寻、嗅气味，直到发现它们那窝幼崽，然后快速地冲了过去。他长长地松了一口气，老鼠们的的确确按照他预期的那么做了：两个妈妈分别拣出了自己的孩子，然后迅速把它们一个一个带回了自己的窝（像我们将要在阿滕伯勒的讲座中看到的那样，可能是幼崽高分贝的叫声提醒了它们的妈妈，使妈妈注意到了它们的存在和身份）。莫里斯将这两窝老鼠拿到观众席，让他们看清楚黑老鼠妈妈周围是它的一窝黑幼崽，而白老鼠宝宝们正和它们的妈妈在另一个窝里。

鸟妈妈喂养幼鸟

正如莫里斯的观点，年幼的动物必须知道“它们自己是谁”。“有些动物本能地认识自己的同类，”他说，“不过，也有一些动物要想融入团体当中去，就必须在婴儿时期就跟自己的同类待在一起。”他解释说，对一些鸟类和哺乳动物来说，在它们第一次睁开眼睛之后，极短的时间内，幼崽脑海里就会留下它们父母的“印记”。

这是动物被驯服的一种方式，如果它们第一眼看到的是一个人类，它们就会变得“人性化”；如果它们同时看到了人类和自己的同类，它们就会像家狗一样对二者都保持忠诚。

各种动物确保自己免受日常生存威胁的自我保护行为都在逐渐进化。“对野生动物来说，清洁行为似乎只不过是一种令它们愉快的奢侈享受，但这与事实相去甚远，”莫里斯说，“动物皮毛的状况很可能是它生存的通行证。”受损的皮肤会导致疾病，羽毛粗糙肮脏的鸟类可能会变得过冷或过热。“对鸟类和哺乳动物挠痒、抖动身体、舔舐嘴巴和爪子、梳理羽毛（鸟类）、整理毛发（哺乳动物）、摩擦身体等行为的仔细研究发现，这些都不是偶然的、随机的行为。”莫里斯说。事实上，这些都是精心组织好的行为，对动物保持自身的清洁和健康至关重要。为了避免极端温度，冬天，许多动物都会选择迁徙到气候温暖的地方去。“除此之外，它们还可以选择做好冬眠的准备，在特殊的洞穴或避难所里度过漫长而寒冷的几个月。”他说。动物也需要躲避猎食者：有些动物进化到跑得飞快或是飞起来的程度了，还有一些动物专注于通过挖洞或刨土栖于地下掩藏自己。“其他一些动物则会换上诡异的伪装，”他说，“这些伪装通常都有着令人难以置信的复杂性，因此能够跟它们赖以生存的背景完美融合。”（正如我们在朱利安·赫胥黎的讲座中看到的叶虫那样。）

“在防止成为别人腹中餐的同时，”莫里斯说，“所有的动物都必须要努力填饱自己的肚子，对很多生物来说，这涉及了一种从不间断的寻觅行为。”动物通过各种各样的途径获得食物，从采集水果、根茎和叶子，到互相捕食。根本而言，动物从自身所处的环境中选择食物，并需要从中区分出好的和不好的，它们可能会直接粗暴地咬上一口，并吞下食物，也有可能需要剥去果皮，砸碎贝壳或坚果坚硬的外壳。

莫里斯还请到了一位嘉宾，帮忙演示远古人类的祖先为获取食物而发展起来的一项重要技能，我们至今还跟最亲密的亲人分享着这项技能。莫里斯提前向观众说明任务的时候，黑猩猩布奇被带了进来，他特意给这个小猩猩组装了一个量身定做的掷球击椰子（一种传统的游乐场游戏）装置。一个木板上立着一排顶上放着葡萄的木桩，它们的上方挂着一条末端带球的长链子，要拿到这些葡萄，布奇就必须挥动球击倒木桩。观众兴高采烈地看着它，经过几次尝试之后，它逐渐提高了自己的目标，直到成功击倒一个木桩，葡萄滚到了它虚位以待的手里。

这不是早前人类创造的那种游乐场景点，但学会瞄准目标并能精准投掷武器是一项至关重要的狩猎技能。这是一种进化发展，莫里斯解释说，是一种锻造人类物种的特性，也是人们在小型部落狩猎采集生活方式中的关键一步。

摘自德斯蒙德·莫里斯访谈

“1964年，当我被邀请去皇家科学院，围绕动物行为这个主题做圣诞讲座时，就决定要接受这一挑战，不过与此同时，我对接下来不得不在观众面前现场展示活体动物的讲解方式，感到深深的担忧。现场产生失误的概率远远高于更寻常的圣诞讲座，如物理、化学、工程学和其他非生物学的科学学科中的实验。正如我从自己那档每周在伦敦动物园播出的《Zootime》（动物园时间）电视节目中所了解到的，动物具有相当高的不可预测性，我想到自己的现场演示可能会变得有点手忙脚乱。我凭什么期待动物园里的动物在伦敦市中心这样不熟悉的环境中，在一大群观众面前做出非常自然的表现呢？”

“我抛开了恐惧，着手准备各种不同的、我可以尝试的实验和测试，借助动物但又可以让它们不因为发现自己身处在这样一个非自然的环境中而受到太大干扰。我很幸运能够得到伦敦动物园饲养员们的协助，他们非常了解自己饲养的动物，也很愿意帮助我，就像他们在我每周的电视节目中所做的那样。时间到了，我带着比平时更大的恐惧走进演讲大厅，里面挤满了聪明并且求知欲很强的孩子，还有他们的父母。令我感到欣慰的是，我对动物行为模式的展示都非常成功。”

每当莫里斯带来的动物如他所想做出良好的表现时，他都确保不将之归功于自己：“在做皇家科学院圣诞讲座之前，演讲者需在一个小房间里等待，里面有一张桌子，你可以坐在那里好好想想接下来要做些什么。这是一个安静平和的房间，不过你也可以在那里放松一下，你注意到桌角有一张印有给演讲者指示的卡片，关于他们在皇家科学院演讲时，能做什么或不能做什么，尤其是做实验的时候。这张卡片，是由大科学家法拉第亲手写下的，他不厌其烦地告诉所有演讲者：实验进行得很顺利时，他们也绝不能表现出任何骄矜。我忘记了确切的措辞，但他的口吻是非常严厉的，坚持不该把测试、实验和演示看作演讲者自己做的高明的事情，并且他必须永远保持这种谦逊的姿态。我在所有的演示过程中，都仔细遵守这个指令，并且一直明确强调，是动物聪明，而不是我。”

摘自档案

1964年3月，莫里斯写信给劳伦斯·布拉格爵士，感谢他邀请自己来皇家科学院做圣诞学术讲座，并建议标题可以用“动物的信号”。同年9月，布拉格又给莫里斯写了一封信，问他能否确保演讲时用“单音节词”，以便他年轻的听众都能听得懂。

亲爱的劳伦斯爵士：

非常感谢您诚挚的邀请，能够收到皇家科学院圣诞讲座的主讲邀请，我感到万分荣幸，我真的很想为您完美呈现今年的科学六讲！不过，我能到5月再给您确切的回复吗？我还要进一步了解一下将来的行程安排，我刚好要休假了，等我想好了一定第一时间再跟您联系。如果这个时间对您来说太迟了，请您给我写信，我的助理会帮我接收，等我度假回来立马给您回信。

如果我能去做今年的圣诞讲座，我想把题目定为“动物的信号”，另外我可能还需要相对宽敞的场地做演示，说不定需要到演讲大厅的外面去。

德斯蒙德·莫里斯

敬上

亲爱的莫里斯：

很开心今早收到您的信，如果可以这样说的话，我想您每一场讲座的内容大概都已经确定了吧，并且一定非常有趣，我很期待您的系列讲座。我常常对别人提出的意见都有不同的想法，但是我认为，既然您的听众和读者都是青少年，如果您能多解释一些专业术语，语言上多添一些趣味性的话，就更好了。介绍部分对给大家的第一印象而言是非常重要的，具体我也给不出什么建议了，就是希望您在做讲座的时候，尽量多用单音节词，便于您的听众更好地理解讲座内容。

还有一个小点，我觉得您对讲座的构想非常棒，真的非常高兴您能来做今年的讲座。

劳伦斯

现场听众纪实

德斯蒙德·莫里斯讲座中的两名听众，是皇家科学院圣诞学术讲座后来的主讲人——大卫·阿滕伯勒，以及他年幼的儿子罗伯特。“我最大的感受就是，我真的非常喜欢它们，”罗伯特说，“它们也提醒了我注意到自己观察动物时的那种兴奋感，这无疑会给我留下深刻的印象，因为从此以后我会对动物的行为很感兴趣。”罗伯特后来成为一名生物人类学家。

因为对动物学和那档节目都有着浓厚的兴趣，阿滕伯勒一家跟莫里斯成了很要好的朋友。做圣诞演讲的时候，他是伦敦动物园哺乳类动物的管理员，罗伯特记得莫里斯还从缅甸带来一只白眉长臂猿交给他们一家人照顾。它被带到动物园跟一只雄性长臂猿做伴，那只雄猿袭击了这个新来的住户——因错将它当作一只雌性，而实际上这是只年幼的雄性。“他们没地方安置它，况且它还病了，”罗伯特解释道，“所以德斯蒙德把它安排给了我们，它跟我们一家人生活在了一起。”那之后的几年里，它就生活在他们家，除非被允许外出，平时都住在笼子里。

第七章　动物的语言　戴维·阿滕伯勒（Sir David Attenborough）1973

从深海之渊到高山之巅，生命如何蔓延？

不可思议的自然探索之旅

1.草蜢的“唧唧”声代表着什么？

2.动物如何通过声音表达自己的自我保护行为？

3.谁通过发现昆虫的通信方式而获得了诺贝尔奖？

今年的讲座开讲之前，演讲大厅里充满了各种声音，鹅的叫声、汽车鸣笛声、击鼓声、莫尔斯电码一样的“哔哔”声和草蜢的“唧唧”声。阿滕伯勒说：“这些声音里面全都包含着信息，它们是语言。”这不仅是动物用来相互交流的声音。“你可以通过视觉，用手势，”说着，他像鸟儿拍打翅膀那样挥了挥自己的胳膊，“或者你也可以改变你的一种语言模式，准确来说，你可以用嗅觉。”

阿滕伯勒从动物运用语言避免产生争端的方式开始讲起。“这似乎是一条法则：动物更喜欢通过宣扬威胁来表达提防，而不是实实在在地着手准备大干一场。”他说。他从黑色的幕布下放出了一条蜷曲的大蛇，用手指轻轻地敲了敲玻璃盒，接着，我们听到了一阵“嘎吱嘎吱”的声音，这是一条来自北美洲沙漠的钻石背响尾蛇，它尾巴上的空心鳞片警告入侵者：它是有毒牙的。

讲座安排表（封面）

戴维·阿滕伯勒（1926—）

阿滕伯勒生于伦敦，在莱斯特长大，他在剑桥大学研修动物学，并于1952年加入英国广播公司，成为一名实习制片人。1954年，他录制了《动物园探索》系列节目，节目中，他环游世界为伦敦动物园搜集异国珍奇动物。1965至1968年，他在英国广播公司第二频道担任频道总监，1969至1973年，他又回到了电影摄制领域，担任英国广播公司的节目总监。1979年，他撰写并录制了最具里程碑意义的地标系列节目——《地球生命》，接下来是几十个探索自然界诸多奇迹的系列节目。他拥有32个荣誉学位和至少15个以他的名字命名的物种，其中包括2016年发现的一种来自马达加斯加岛的亮蓝色蜻蜓——阿滕伯勒锥腹蜻属，那是他在90岁生日庆祝活动上，被授予的奖章。

当下一位动物嘉宾出现在演讲大厅的时候，听众席上传来了阵阵“咯咯咯”的笑声。“这是一只臭鼬。”有人小声咕哝道。这只毛茸茸的动物有着黑白相间的条纹，但是，阿滕伯勒说，这是一只非洲艾鼬——林鼬的一种。像臭鼬一样，这只非洲艾鼬身上鲜明的条纹警告捕食者的，并不是它有毒牙，而是它有着令人非常不愉快的东西。“它的尾巴下面有一个腺体，就像一只松鼠。”阿滕伯勒说，“它从那里面喷出最令人恶心的气体。”非洲艾鼬昂首阔步地在非洲平原上横行时，它很清楚这一点，“它走得非常大胆，站得笔直，有恃无恐地把它的毛发、黑白相间的条纹很好地展现出来，因为它知道它是老板”。

臭鼬

阿滕伯勒又拿出了一只体形小得多的动物，它是用肢体语言来表达“提防”的，这只螳螂像拳击手一样，抬起了自己有刺的前腿。“它只是体形小了点，”阿滕伯勒说，“但如果你是一只蚂蚁、蝗虫或苍蝇，它对我们来说就像大象一样可怕。”

其他一些动物假装自己很可怕，但实际上它们一点威胁性也没有。“有时候，动物实际上是在虚张声势。”阿滕伯勒说着，一只绿色的大变色龙爬到了他的手臂上。“当它们非常愤怒的时候，它们会因愤怒而变黑，并且还会发出‘嘶嘶’声。”他说，“即使它们不会对你我造成任何伤害，它看上去也是非常可怕的。”在马达加斯加，有种让当地人闻之惊恐的变色龙，“他们传说，要是被它咬一口，你肯定会死的”。

在一个短片中，观众看到了一只巨大的雄性大猩猩，它摆着一副十分可怕的姿势，一边捶打着自己的胸口，一边嘶吼着。探险家们在非洲低地森林中发现了它们，就在这些讲座开设之前的130年里，他们当时认为它是非常危险的。“这么多年来，那可怜的野兽一直在被猎杀。”阿滕伯勒说，“事实上，它是一种非常温顺且无害的动物。”（几年后，阿滕伯勒在卢旺达拍摄一部著名的纪录片时，被一支大猩猩群体友好接纳了，继而直观地发现了这一点。）

这些讲座都是实况转播的，阿滕伯勒非常清楚，要让动物按指令完成动作会有多困难。所以，当一只豪猪拒绝从笼子里走出来时，阿滕伯勒笑了笑，淡定自若地静立了一会儿，试着用香蕉把它哄出来。最后，它从演讲大厅一个入口处的小围栏里探出了脑袋，孩子们近前凑过去，好奇地观察起来。“它现在有点惊慌，你们看，它已经竖起了身上的刺。”阿滕伯勒说。这只动物不是虚张声势，豪猪会对入侵者进行反击，用数千根毛刺刺向入侵者，长达1英尺（30厘米）的刺，上面布满了倒刺，很容易刺进皮肤，但拔出来的时候会非常痛苦。“你们觉得，我们还让它回来吗？”阿滕伯勒说。比尔·科茨（Bill Coates），皇家科学院演讲助理，用一串香蕉将豪猪诱出了演讲大厅。

动物也有警告自己种族成员的方法。“有时候，动物之间也会发生分歧，”阿滕伯勒说，“它们有时会吵架。”他播放了一段影像资料，在加拉帕戈斯群岛海岸上缠斗的一群雄性海鬣蜥，它们并不互相撕咬，但却会颔首锁住对方头部，紧接着再推开，直到其中一只投降并离开属地。

阿滕伯勒的下一位动物嘉宾展示其威胁的方式，结合了颜色、肢体动作和气味。“这位是塔米（Tammy），来自布里斯托尔动物园，它是一只环尾狐猴，你是不是呀？”他学着它们的语言，“咕咕咕”地叫唤，显然被他怀中的这只可爱的生灵迷醉了。“你要来点葡萄吗？”塔米一边“啾啾啾”地叫着，一边缩成了一团，深得观众的喜爱。

这是皇家科学院院长乔治·波特（George Porter）爵士写给不列颠博物馆的一封感谢信，于讲座过后寄出

皇家科学院的圣诞讲座圆满落幕了，给您写这封信是想向您表达我的谢意，感谢您的慷慨和善意，答应从不列颠博物馆借出那么多种动物的标本，用以圣诞讲座的现场演示，这大大增加了圣诞讲座的趣味性，我们非常感激您的帮助。

讲座非常成功，您一定也很想了解其轰动程度吧，除了热情澎湃的现场观众之外，场外观众有四次越过了百万大关。

乔治·波特敬上

塔米正忙着吃东西，所以，阿滕伯勒费了好一番力气才指出了位于狐猴前臂的气味腺体。“如果塔米想要投入战斗的话，它就会用它那可爱的黑白条纹的尾巴擦过那些腺体，”阿滕伯勒说，“然后，它们就会开始一场所谓的‘臭战’。”这个观点甫一抛出，就引得听众“咯咯”笑起来。“它其实并不会真的扔臭气弹，但它要做的是抬起它的尾巴——请原谅……”（这时，塔米不安分地吱吱叫起来。）阿滕伯勒继续说，“然后它会在背上挥动它，这样就会产生一股气流，把这种讨厌的气味吹向它的敌人。”阿滕伯勒好不容易才把塔米还给了它的管理员，然后给他年轻的听众播放了一段狐猴在马达加斯加进行“臭战”的影视资料。

狐猴

阿滕伯勒接着探索动物如何利用语言来捍卫自己的领地，这时，另一种狐猴令人难忘的啸声在演讲大厅里回荡开来。这是一只马达加斯加大狐猴，是现存狐猴科中体形最大的一种，他用这段录音帮助完成了马达加斯加东部茂密森林中狐猴影像的拍摄。在银幕上，观众只看到了树木，直到最后，一只黑白相间、体形巨大的动物才从树影间露出真容，就像一只巨大的泰迪熊。“它似乎对这段录音非常感兴趣，”阿滕伯勒说，“我怀疑它从来没有想过会有另一只那么小的马达加斯加大狐猴入侵它的领土。”这只大狐猴立刻以一声响亮的长啸回应，阿滕伯勒解释了这两声宣示领地的长啸的意义，“第一声是我模仿的狐猴叫声，意思是：这是我的地盘，这是我的领地；狐猴的那一声长啸是对入侵者表达‘滚出去’的意思。”

有了自己的领地，对一只动物，尤其是雄性动物来说，下一步就该是吸引伴侣了。阿滕伯勒介绍了动物表达“属于我”的各种方式，一段雄性军舰鸟的影像资料显示，它们喉咙处的红色气囊，就是为了向路过的雌性展示。继而，观众听到了黑鹂筑巢的叫声，阿滕伯勒问观众雄性鸟类可能说些什么。“这只鸟是在哪里……这是种什么鸟……它是多么棒的一个歌手啊！”这些都是好答案，他还指出，每一只黑鹂都有自己与众不同的“拿手曲目”。“雌性黑鹂绝对有把握能认出它们的配偶，不仅如此，这个国家的黑鹂也都有着不同的口音。”听到这里，观众都笑了，“黑鹂很有可能唱出约克郡的口音哦。”

下一个动物登场时，观众立刻听出了它的叫声，几个孩子兴奋地喊着：“是鲸！”“你们可真是见多识广啊！”阿滕伯勒笑着说道。就在这些演讲开讲的几年前，1967年，一位名叫罗杰·佩恩（Roger Payne）的科学家已经证实座头鲸在唱歌。“我们尚不明白那是否是一首交配歌曲。”阿滕伯勒说，“或者事实上，这只50英尺长的巨型动物正躺在海洋深处唱着这首歌，或许是在召唤100英里以外的一只雌性座头鲸……当然，还是有一个遗憾，我们可能永远无法了解那首歌是什么了……座头鲸正变得越来越稀有，濒临灭绝，因为我们人类为了制造人造奶油和肥皂，捕杀了太多座头鲸，你们可能会觉得这是一种犯罪或是一桩丑闻。”（这些讲座结束5年后，“拯救鲸鱼”行动停止了商业捕鲸；佩恩的鲸鱼之歌对这场行动的成功有着至关重要的影响，通过揭示它们复杂而优美的歌曲，为保护鲸鱼赢得了更多公众舆论的支持。现在，许多种鲸鱼的数量都在增加，研究人员仍在努力破解它们的歌声；只有雄性会唱歌，所以这很可能是某种交配的叫声。）

即便是在求爱和交配结束后，语言在动物的生活中依旧扮演着非常重要的角色。阿滕伯勒向观众展示了一堆巨大的鸟蛋，这是一种叫“美洲鸵”的南美鸵鸟的蛋。他承认，“既然我们在皇家科学院，这里是科学性和准确性的大本营，我最好还是更坦诚一些”。只有一部分是真正的鸟蛋，剩下的是塑料复制品，总共有54个——这恰是一只雄性美洲鸵看护和孵化鸵鸟蛋的平均数（这些蛋来自多个雌性）。阿滕伯勒解释了同时孵化所有的蛋对雄性美洲鸵有多么重要，“如果说，今天孵化20个，然后离开自己的巢穴，开始四处乱窜，去找别的那些蛋，那将会是一件可怕的事情”。事实上，未出生的小鸟也能隔着蛋壳彼此交谈，协调它们的孵化时间，阿滕伯勒借助一堆小得多的鹌鹑蛋对此进行验证，他把装在孵化器里的鹌鹑蛋放到了一个特别的扬声器上，通过那个扬声器可以听到小鸟们轻击蛋壳的声音。他描述了剑桥大学的玛格丽特·文斯（Margaret Vince）最近的一个实验，发现一只小鸟轻击蛋壳，是要告诉其他小鸟赶紧孵化，早日破壳而出。

动物幼崽在出生的时候，就会跟它们的父母交流，阿滕伯勒想要证明：小老鼠发出高亢的尖叫声，是在召唤它们的母亲。一个有机玻璃箱里，他拨了拨这群蠕动的粉红色小老鼠，将它们从窝里挪到了一个透明的小室里，在那里，它们的妈妈能听到它们的召唤，但是它似乎并没什么兴趣去找它们。他又把这些幼崽送回窝里，却发现鼠妈妈立刻跑了过来，检查这个现在空无一物的小室，观众席上传来了一阵大笑。“你们知道的，我从来都不喜欢老鼠，”阿滕伯勒挠头说道，“尤其是这一种。”

除了父母跟后代之间的交流之外，一些动物还会学习其他物种的语言，包括光的语言。“关于物理发光和动物发光的方式，还有很多我们不知道的地方，”他说，“但是我们大概了解那是怎么一回事。”演讲大厅里灯光昏暗，阿滕伯勒在一个玻璃盘子里混合了两种液体，它们投射出了幽蓝的光，但很快便又暗淡了下去。“我觉得这太不可思议了，”他咧嘴笑着说，“我们在更大的范围内再做一遍这个实验。”他拿出了一个大的圆形玻璃烧瓶，满怀期待地搓着双手，准备大干一场，“这个会怎么样呢？”说着，那烧瓶里的液体慢慢形成了一个泛着亮光的旋涡。动物也有类似的东西，混合产生光的化学物质，阿滕伯勒做了其中一种动物的模型——一只棕色甲虫，俗称萤火虫。阿滕伯勒按下一个按钮后，那模型的底座闪烁起一束光来。黑暗中，雄性萤火虫和雌性萤火虫通过特定的闪光模式发现彼此，一个物种的雄性会发两次光，且间隔时间较长；雌性即发一次光以做回应。“这两只萤火虫在一起了。”阿滕伯勒解释说，“它们交配，一切都很美妙。”——除非，也就是说，另一种雌性萤火虫也参与到了其中，它学会了如何窃取到这些信号，然后发出同样的单次回应光，当一只雄性靠近的时候，它并不会跟它交配，而是将它吃掉。“只有当它从雄性身上获取一种完全不同的、同类的信号时，它才会跟它交配。”

很多动物的语言相对要简单一些，但某些情况下，信息也可能会非常复杂，其中最复杂的就是蜜蜂的摇摆舞。1973年，阿滕伯勒讲座的同一年，奥地利科学家卡尔·冯·弗里希（Karl von Frisch）因发现昆虫的这种复杂的通信方式获得了诺贝尔奖。他发现，当一只觅食的蜜蜂找到堆满了花粉的花朵时，就会飞回蜂巢去，以一种特定形式的舞蹈，告知其他蜜蜂在哪里可以找到它们。为了让观众对此有更为直观的了解，阿滕伯勒做了一个蜜蜂舞蹈的大模型，科茨先生推来了一个手推车，上面放着一个停在了轨道（看起来这是从一个火车模型上取下来的）上的蜜蜂大模型。阿滕伯勒按了一下开关，那只蜜蜂便开始四处乱动，颇具几分说服力的是，这个蜜蜂模型绕着一个“8”字形的轨迹转圈，继而又在轨迹中央左右摇摆着身体。“就是这个。”阿滕伯勒松了一口气说道。

他解释了蜜蜂舞蹈的方向如何向其他蜜蜂暗示满载花蜜的花朵方位，继而又按下了另一个开关，他的蜜蜂模型沿着那轨迹快速移动起来，并且在“8”字的中央更用力地摆动起自己的尾巴来。在真正的蜂巢中，蜜蜂舞蹈得越快，说明花朵的方位就越近，蜜蜂摇摆舞的其他一些细节，那些对阿滕伯勒的模型来说非常复杂的细节，暗示了花朵跟太阳之间的角度。“所以，”阿滕伯勒说，“你们看到的这个是昆虫王国中传递信息最为复杂的一个案例。”他表示这个摇摆舞在昆虫群体中是极其不同寻常的，“它非常少见，也十分特别。”

摘自档案

1973年1月5日，大卫·阿滕伯勒写信给皇家科学院院长乔治·波特爵士，感谢他向自己发出参加圣诞讲座的邀请。信中阿滕伯勒建议他，可以讨论动物的颜色和条纹，一个最终可以延伸到动物语言的话题。

事先，阿滕伯勒对开设动物专题的现场讲座还颇有几分疑虑，但事实证明，他的诸多疑虑都是没有根据的，这个系列讲座大获成功，之后，波特又写了封信给阿滕伯勒表达对他的感谢。

我写这封信，就是想再次向您致以十二分的谢意，感谢您对圣诞讲座所做的一切，让我们获得如此巨大的成功。

这第144个系列讲座，深谙长久以来的传统，你跟孩子们之间的互动，是我见过最好的，我希望你也与我一样，对自己的努力感到欣慰——你那些年轻的听众无疑是这样认为的。

皇家科学院严谨的圣诞讲座之后，你那趟非洲之旅一定也会是一次巨大的改变，希望一切顺利，并且我们很快就又要见面了。

你最亲爱的朋友

第二周，阿滕伯勒给波特回了信，透露出一个细节，自从讲座开讲以来他一直在做一个梦，梦到讲座的录音出了点问题，让他不得不全部重做。

1974年1月，卢顿区一所小学的校长也给皇家科学院写了封信：“最近，大卫·阿滕伯勒的圣诞讲座给我留下了深刻的印象，甚至几度让我放下一切防备，找回了柔软的自己……我只希望学校里有更多的孩子能看到这些讲座。”也是那年1月，来自伯明翰大学的玛丽·F.哈默（Marie F.Harmer）的一封信在《广播时报》上发表：“他有一种罕见的才华，能够始终对这个课题保持浓厚的兴趣，同时还是一个极富人情味且幽默风趣的人。”

第八章　在宇宙中成长　理查德·道金斯（Richard Dawkins）1991

在宇宙中成长，一定程度上意味着从简单到复杂，从低效到高效，从无知到智慧。

不可思议的自然探索之旅

1.生命的意义是什么？

2.类设计体是怎么进化出来的？

3.“不可能”之山是什么？

“生命从何而来？它是什么？我们为什么会在这里？我们要做些什么？生命的意义是什么？”第一次演讲最初，道金斯就抛出了这些大问题，“有一种传统观点认为，对于这样的问题，科学是没有发言权的。”当然，道金斯也很乐意了解各种不同的观点。

讲座安排表（封面）

贯穿始终，道金斯在他的演讲中批判了被他形容为“迷信、狭隘”的宇宙观，包括地球上生命的起源论。尤其是，他还对数个世纪以来奉为圭臬的理论——生命是神的作品，是由一个有意识的创造者，或是一个高智能的设计者创造的——提出了质疑。“在宇宙中成长，一定程度上意味着从简单到复杂，从低效到高效，从无知到智慧。”他说，通过“基于现实依据，公开辩论，而不是权威、传统或先知的启示，获得对宇宙科学合理的认知”，我们也在成长。

借助一个笨重的金属炮弹，一个系于绳子一端，从天花板上垂下的约莫柚子大的炮弹，他表明了自己对科学的信任。道金斯靠在远处的墙上，把炮弹举到自己的前额处，准备让金属球像钟摆那样在房间里来回摆动。“我全部的本能都告诉我，要跑，但我对科学方法有足够的信心，知道它会在离我的脑袋约1英寸，或是更近的地方停下来，”他说（空气阻力会减慢炮弹的速度，它不会再回到最初的那个位置），“那我们现在开始了。”他放手几秒钟后，炮弹又飞了回来，几乎要撞到他的鼻尖，观众席上爆发出热烈的掌声。

在深入探究进化理论的细节之前，道金斯对他年轻的观众说道：“我们的星球是多么壮丽而神奇啊！”他让他们想象一下，自己处于失重状态，乘坐一艘飞速行驶的宇宙飞船，在宇宙中寻找适宜居住的星球。这艘船简直不能再幸运了，他说，它降落在了一个能够维持生命的星球上，这里充满了五颜六色的植物和多姿多彩的动物。“你肯定会既新奇又茫然地四处探看，”他说，“完全无法相信那些出现在你眼前，在你耳中的奇迹。”

正因道金斯所谓的“对熟悉之物的麻木”，人们对地球上伟大的生命奇迹总是视而不见。他提出了一些我们可以尝试去唤醒自身感知力的方法，展示了一组如梦幻般的木星图片，这是由宇宙学家，也是皇家科学院圣诞讲座主讲人卡尔·萨根（Carl Sagan）想象出来的世界，在那个世界里，木星上居住着一群奇异的生物，他将之称为乔维亚人。道金斯发明了一个词——Bijovians——来形容那些看上去非常怪异，甚至极有可能来自另一个星球的动物。他给大家播放了一段浑身闪烁着复杂图案的乌贼的影视资料，还展示了一个满嘴獠牙、额前挂着发光诱饵的深海琵琶鱼模型，“这也是一个非常古怪的生物（Bijovian）”，他说。

我们还可以通过潜入微生物的世界，来一次短暂的旅行，从而甩掉我们的麻木。演讲大厅里有一台扫描电子显微镜（SEM），它是用电子代替光来呈现微小物体的详细图像的。他从观众席中请上了露易丝（Louise），让她用一根操纵杆在扫描电子显微镜发光的绿色屏幕和乍一看像热带雨林的东西之间来回探视。她将镜头拉长，一只长着绒毛触角的蚊子的头部显露了出来，接下来，我们继续研究电子显微镜本身的特性，很显然，这种复杂的器械是人设计出来的。道金斯把它跟类设计（designoid）体进行了比较，所谓“类设计体”就是指那种看上去像是设计出来的东西。这时，一个年轻的志愿者走上台来，他叫安德鲁（Andrew），脖子上还缠着一个类设计体的实例，那是一条博阿河大蟒蛇，它看起来就像是为鬼鬼祟祟和捕食者这个身份而设计的。“博阿河大蟒蛇最擅长的，”道金斯说道，“就是勒死猎物。”观众席上传来笑声，安德鲁紧张地走下台去，将蟒蛇从脖子上解了下来。

观众见到了更多类设计体的例子，有一棵猪笼草，它看上去就很适合捕捉昆虫，拥有保护色的动物似乎就是为了让自己看上去像别的东西而设计的；他还展示了状似一片海藻的叶海龙（“我最喜欢的类设计体之一”，道金斯说）和一些翅膀像干枯树叶的枯叶蝶的照片。所有这些类设计体是如何形成的，这个问题就在最近，在19世纪中叶得到了出人意料的解答。他说：“有史以来最伟大的发现之一，是历史上最伟大的科学家之一——查尔斯·罗伯特·达尔文发现的。”

道金斯拿起了一本首版《物种起源》，它主要表达的是达尔文的自然选择进化论，这本书以一个与众不同的过程，即所谓的人工选择，或选择性育种为论题开篇。为了直观展示人工选择的一些结果，道金斯请进了一只丹麦犬、一只德国牧羊犬和一只吉娃娃犬，就在道金斯向观众讲解，它们如何从狼祖先——看起来更接近现在的德国牧羊犬——进化而来的时候，这几个家伙在演讲大厅里狂吠不止，还互相扭打了起来。几代繁衍下来，狗饲养员会精选出带有特殊属性的小狗——比方说，大一点或是小一点的——把它们放在一起养，然后选育更大或是更小的狗，最终培育出像丹麦犬（大型犬）或吉娃娃（小型犬）这样的犬种。他还展示了一些选育出来的品种奇特的鸽子和一系列蔬菜——花椰菜、西蓝花、甘蓝，它们都是从野生的始祖品种中选育出来的。

而在自然选择中，不是人类在选择，是大自然。道金斯通过一个蛛网演化的计算机程序向大家解释了这个过程，电脑（扮演大自然的角色）通过从所有蛛网中挑选出最能捕捉苍蝇的网，然后一代代重复这个选育的过程，每次都会在网的形状上增加一些细微的变化。为了加速输出进程，道金斯展示了蛛网从刚开始光秃秃的辐射状线条，逐渐被越来越多螺旋线和飞钓线充满的全过程。他对类似这样的事情在自然界的发生进行了讲解：蜘蛛能够结出成功的网，就能捕到更多的苍蝇和飞虫，那么就更有可能繁育和传承这些结网的基因。“随着基因的代代相传，蜘蛛结的网也越来越好。”他说，“正是这样的生存法则，适用于每一个生物物种，达尔文的观点是，类设计体根本就不是设计出来的，它们是通过自然选择进化而来的。”

达尔文自然选择理论面临的一个挑战，就是如何对下面这个问题进行解释：在不需要大量运气的前提下，类设计体是怎么进化出来的？道金斯引用了著名天文学家弗雷德·霍伊尔的理论，这位爵士曾把一切复杂生物仅凭运气诞生的概率比作飓风横扫垃圾场，然后巧合地自动组装出一架波音747飞机。道金斯接着解释道，运气是通过自然选择传播出去的，“我们不需要把我们所有的运气都放在一个大得离谱的地方”，他说，相反，它可能是点滴积攒起来的，在下一个平淡期来临之前，每一点运气都叠加在那儿。

理查德·道金斯（1941—）

生于内罗毕的道金斯，在牛津大学巴里奥尔学院学习动物学，并一直在此攻读到博士学位。他曾在加州大学伯克利分校做了两年助理教授，此后，1970年，又回到了牛津大学，1976年他发表了自己的畅销书《自私的基因》，在其中探索了一种以基因为中心的进化论观点。他后来的著作包括《盲眼钟表匠》，这本书获得了1987年英国皇家文学学会奖；1996年出版的《攀登不可能山峰》；2006年出版的《上帝的错觉》。1995至2008年，他在牛津大学担任“查尔斯·西蒙尼”科普教授，此外，他还是英国皇家学会的会员。

他用两只虚拟化的猴子——霍伊尔和达尔文——进一步解释了这一点，它们的任务是输入莎士比亚的台词：“我比一只猴子还要反复无常。”（摘自莎士比亚的《皆大欢喜》）霍伊尔随意打字，每打一行字，电脑都会检查它写的是否是完整的短语。“如果它写的是完整的话，”道金斯解释道，“这将是世界历史上最不可能发生的事，我敢保证，否则我就把我的帽子吃了。”他戴着一个保龄球帽。

另一只猴子，达尔文，做的也是同样的事情，只不过有一个关键的区别：当它随意输入一个短语时，电脑就会复制50份带有微小异变的副本，零零散散地换几个字母。继而，不管差别有多么细微，计算机都会选出最接近目标的短语，用它再造出50个稍带异变的副本。然后它会一遍一遍地重复这个过程，两只虚拟猴子录入的短语在演讲大厅的荧屏上不停闪烁。达尔文很快就打出来了看上去很接近目标的句子，它只用了不到一分钟时间，且只更新了158代，就已经完成了短语的准确录入。与此同时，霍伊尔还在输入“gobbledygook”这样一串看似乱码的字母。“像异变得到眼睛和飓风组装出波音747飞机这样的事情，是不可能在一次幸运的摇骰子过程中出现的，”道金斯说，“但如果从很多细小的步骤中一点点攒出运气，然后再把它们汇聚到一起，这种不可能的事就会发生。”

紧接着，道金斯向观众展示了一个假山模型，他将之称为“不可能”之山，这座山的山峰就是我们发现类设计体的地方，比如一只眼睛或一头大象。最底层的，是不太能够适应环境的我们的远古始祖，二者之间隔着一座笔直的悬崖。他说：“从悬崖底部纵身一跃跳到山顶上，相当于飓风组装出一架波音747飞机，或者在一次突变中得到一只完整的眼睛，这是不可能实现的。”

但那并不是登上“不可能”之山山顶的唯一途径，他转动了这个模型，将山的背面通向山顶的一条条倾斜的路径展现出来——他将之称为“进化坡道”。单个动物是不可能爬上这座“不可能”之山的，他说，但是在漫长的进化过程中，一个物种或是某个同族血统的群体可以登上这座山。作为示例，他将一只老鹰和一只猫头鹰带到了演讲大厅，来展示它们优雅的翅膀。这些专业飞行家栖息在道金斯那座隐喻之山的山峰，但是它们是怎样到达那里的呢？如果它们的翅膀是不断进化的，那么半个翅膀会有用吗？

用圣诞节饰品做成的一些动物模型证明，它是有用的，它们有着锐利的眼睛，骨管中空的四肢，有些动物有一个如裙摆一般的片状襟翼，这代表着简易的翅根——翅膀的根部。道金斯从一个比较低的高度放出了一对，它们都完好无损地着陆了，第二对则是从更高一些的高度上俯身落下来的，这一次，有翅根的生物安全着陆，而无翼生物则被摔得粉身碎骨。“有所控制的滑翔已经经过很多次进化了。”道金斯说，继而他又给大家放映了一个鼯鼠、蛇和蜥蜴在树与树之间滑翔的影像短片。他放映的这些动物，全都有半个或是四分之一的翅膀，随着进化过程的演变，它们从更高的地方落下来或是更远距离地滑翔，也能安全着陆，始祖鸟（还有蝙蝠和昆虫）的翅膀随着进化演变，在滑翔和飞翔方面变得越来越好了。

道金斯还介绍了放屁甲虫，那是他最冒险的一次演示，当它们受到攻击时，这些甲虫会混合自己体内的化学物质，然后向敌人身上喷射出爆破形态的腐蚀性产物。“神创论者，”他说，“经常用这些甲虫来作为推翻进化论的例证，他们认为只有神圣的造物主才能设计出一只不会自爆的甲虫，它不可能是逐渐进化而来的。”明显逗乐观众的是，道金斯宣称他将会接受神创论者的说法，并努力成为一只这样的甲虫。他戴着一个锡制的军用头盔，拿起两个烧杯，里面装的就是甲虫用来防身的化学物质：过氧化氢和氢醌。“谁想离开这个房间的，现在就可以出去了。”他说，但是大家都像是被粘在座位上了似的，一动不动，看着道金斯将两种液体混合到一起。“这两样兑在一起甚至都没有发热。”他对失望的观众说。

这些甲虫的秘密其实是第三种化学物质，一种加速反应的催化剂，道金斯也带来了一些。他加了一点到那个微弱的化学反应中，里面发出了轻微的嗡嗡声。“这稍微有点吓退掠食者的可能，但它对甲虫来说也不是特别危险。”他说。

接下来，他又尝试了一种反应稍微强一些的混合物，这次有了微薄的蒸汽和气泡，“这次明显放热了”，他说。最后尝试了一种浓缩的混合物，它开始逐渐生热并沸腾，发出夸张的蒸汽“嘶嘶”声。以上的每一阶段都代表了甲虫防御战略的逐步演变，经过无数代进化，甲虫开始慢慢爬上这座“不可能”之山，直到它们从那山顶处喷射出致命的混合物。

紧接着，道金斯邀请他的一位观众走进一个想象中的紫外线花园，他放映了一部用紫外相机拍摄花朵的影像资料，让大家看到了通常情况下人眼不可见的画面。他还提出了一个问题：这些花有什么用？一个以人为中心的答案可能会是这样的：这些花长在那里是为了帮助蜜蜂产更多的蜂蜜给我们吃。“我们需要建立起一个全新的世界观。”道金斯说，“我们要尝试通过其他生物的眼睛去看待事物，而不是永远都从自己自私自利的眼中去看。”从蜜蜂的角度来看，鲜花是为了给它们提供食物（花蜜和花粉）；从花的角度来看，蜜蜂为它们工作，帮助花儿把花粉运到别的花朵那里，确保它们不会“近亲繁殖”。这些花儿鲜艳的颜色——包括在昆虫们可以看得见的紫外线环境下——是针对这些传粉者的广告。“花儿需要蜜蜂，蜜蜂也需要花儿。”道金斯解释道。

从另一个角度来看，他引入了“完全自我复制程序”这个概念，这是一个想象中的、可以自体复制并扩散的计算机程序，就像病毒那样。但是它并非用现有的计算机进行操作，而是内含收集原材料的额外指令，构建出更多的计算机。他想象着一个拥有胳膊和腿的智能机器人，以及一个从零开始自我复制的机载大脑，这样的机器从未有人造出来过！

或者难道有人造出来过吗？

DNA复制

一只大变色龙沿着一根树枝在道金斯的书桌上别扭地爬行着。“这些生物和所有其他生物，”他说，“它们都是由自身的‘完全自我复制程序’所操控的。”它不是被写出来的计算机程序，而是藏在DNA语言里的原生系统，“我们是由DNA制造出来的机器，而DNA的目的就是复制更多相同的DNA。”从这个角度来看，鲜花的目的是散发制造鲜花的指令，同样地，蜜蜂是为了制造更多的蜜蜂，鸟儿是为了制造出更多的鸟儿，等等。

一只鹦鹉走了进来。“金刚鹦鹉色彩斑斓的羽毛，是为了传递出制造更多彩色羽毛的复制指令。”道金斯说。鲜艳的羽毛为它们引来了配偶，因此色彩鲜艳的羽毛基因才能遗传给后代。

植物没有翅膀，他严正指出，但是它们借用了蜜蜂和鸟类的翅膀，利用它们传播花粉。所以，从植物DNA的角度来看，蜜蜂的翅膀也是植物的翅膀，它们传递植物的基因，就像金刚鹦鹉的翅膀携带着金刚鹦鹉的基因一样。“现在，这确实是看待事物的一种不同方式，”他说，“一种奇怪而又陌生的方式。”然而，他补充道，这是一种寻找“与紫外线花园里奇怪的另一个世界相匹配”的方式。

特邀嘉宾

在关于紫外线花园的演讲中，道金斯透露，道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）的《银河系漫游指南》是他最喜欢的书之一，他请一位志愿者上台来，读这个系列图书中另一本的选段（《宇宙尽头的餐馆》）。亚当斯本人正坐在听众席上，跃跃欲试地举起手来，想要亲自阅读摘自他书中的选段。20世纪80年代，道金斯给亚当斯写了一封偶像崇拜信，后来两人一直是好朋友，直到2001年亚当斯不幸英年早逝。亚当斯读了一篇摘录，其讲述了以人类为中心的概念，动物纯粹是为了人类的利益而存在的。类似道金斯的“紫外线花园”理论，蜜蜂为酿造我们抹在吐司上的蜂蜜而存在，亚当斯设想，真的有一种想要人们吃它们的动物存在。亚当斯身高6英尺5英寸（1.96米），在听众席中，远远高出孩子们一大截，他一边笑着，一边给孩子们读着摘录：

一头大乳牛走近萨弗·比伯尔布罗克斯（Zaphod Beeblebrox）的餐桌，一头肉牛也慢慢趋近，水汪汪的大眼睛，小巧的牛角，嘴角还露出了讨人喜欢的微笑。

“晚上好啊！”它垂着脑袋，重重地坐了下来，“我是今天的主菜，我能向你介绍一下我身体的各个部位吗？”

它的目光撞到了亚瑟不知所措的神色和萨弗·比伯尔布罗克斯眼里赤裸裸的饥饿感。

“要不从肩膀上取下一些东西，”这只牲畜建议道，“放在白葡萄酒酱里炖着？”

“哦，你的肩膀吗？”亚瑟惊恐地低声说道。

“自然是我的肩膀，先生，”那只动物骄傲而心满意足地说道，“除了我，没有别的谁提供给您了。”

“你的意思是这只动物真的想让我们吃了它？”亚瑟惊异地喊道，“那真的太可怕了，这是我听过最令人反胃的东西了。”

“出了什么问题，地球人？”萨弗说道。

“我只是不想吃站在我面前的这只邀请我享用它的动物，”亚瑟说道，“这太无情了。”

“总比吃一只不想被吃掉的动物好吧！”萨弗回答道。

“但这不是重点，”亚瑟抗议道，然后他思忖了片刻，“好吧！”他说，“也许这就是重点，无所谓啦，我现在不想思考这个问题，我只想……只想来一盘蔬菜沙拉。”

摘自媒体

道金斯的演讲引发了公众对进化论和神创论的激烈争论，来自布拉德福德的J.弗斯（Firth）夫人在写给《广播时报》（1992年1月2日）的一封信中提到，她觉得这些讲座很有趣，很有启发性，但她对这些讲座在基督教圣诞节期间开设提出了质疑。“我可以建议这个系列节目跟异教节日（如仲夏节）同时进行，并称之为皇家科学院夏至讲座吗？”道金斯回复道：“我很高兴，弗斯夫人像其他很多在宗教分歧问题上分站两边的人一样，喜欢这些讲座……圣诞节期间的这些科学讲座的传统可以追溯到很久以前了，打破这种传统将会是一件非常遗憾的事情，它们也没有明显比驯鹿、礼物和槲寄生非基督化多少。”

摘自理查德·道金斯访谈

在他2015年出版的回忆录《黑暗中的烛光》的第二期中，道金斯回忆了自己在皇家科学院的那段经历，他写道：

1991年春，电话铃响了，话筒的另一头传来了一位男士的声音，他操着优雅的威尔士口音轻快地说道：“这里是约翰·托马斯。”约翰·梅里格·托马斯·福尔斯爵士是一位杰出的科学家，同时也是伦敦皇家科学院的理事，他打电话给我是向我发出邀请，让我为孩子们做皇家科学院的圣诞讲座。他跟我说这件事情的时候，我感到受宠若惊，一股愉快而荣幸之至的暖流冲散了我对寒潮的恐惧，我当下就明白了，这个邀约不能拒绝，但是我对自己能否做到公正没有多少信心。

当然，他最终接受了邀请，后来才发现皇家科学院圣诞讲师头衔的影响力真的是不容小觑：

圣诞讲座一个令人欣慰且意想不到的特点是，这个名头就是一把金钥匙，无论我以哪种方式转动，都能解锁信誉。“你想借一只鹰？哦，这有点困难，坦白讲，我觉得借出去不太现实，我的意思是，你真的希望……啊！你是要做皇家科学院的圣诞讲座啊？你怎么不早说呢？没问题的，你需要借几只鹰？”

摘自档案

在这些已存档的讲座资料中，有一份皇家科学院发出的邀请函副本，这是道金斯最后一次演讲结束后的一个茶话会的邀请函。

此外，皇家科学院还保留着一份道金斯的讲稿，上面还有他手写的注解。

第九章　骨骼中的历史　西蒙·康韦·莫里斯（Simon Conway Morris）1996

我们拥有独一无二的特权，也有着无可替代的责任。

不可思议的自然探索之旅

1.恐龙的血液是如何传到脑部的？

2.恐龙灭绝是地球上的第几次物种大灭绝？

3.生命史上的伟大转折点是什么？

“地壳中有数以千万计的化石。”康韦·莫里斯说。演讲大厅里一众观众围着他，他选择了一个巨大的化石牙齿，那只牙齿来自15万年前生活在现今特拉法加广场的一只河马，这只牙齿告诉我们，伦敦曾经是一片酷热地带。然后他拿起了一个巨大的披毛犀头骨，头骨上还有它那令人叹为观止的犀角，那角比他张开的手臂还要长。大约6万年前，当时欧洲还处于冰河时期，这种动物就游走在伦敦周边。“科学家就是侦探。”康韦·莫里斯说，“我们一直在分析处理线索。”化石是他要寻找的主要线索，从而重现史前时代的生命印象。

为了演示化石发掘的过程，康韦·莫里斯带来了一块从英国南部海岸莱姆里吉斯挖出来的石头，他用锤子和凿子把它敲开，将之整齐地分成了两半。“由于种种原因，这是一个非常奇妙的过程。”他向观众展示了一组闪闪发光的螺旋物，随之讲解道，“这些是鹦鹉螺化石。”这是这些古老的软体动物，章鱼和蜗牛的近亲，自从几百万年前死去之后，第一次重见天日。

康韦·莫里斯解释了动物骨骼和类似鹦鹉螺这样的贝类生物，被掩埋在沉积物中逐渐转化成矿物，最终变成化石的过程。化石也可以通过其他方式形成，他拿起一块琥珀，里面凝结着一只4000万岁的蜘蛛，还有一些化石被保存在冰里，最著名的就是披毛犀。遗憾的是，康韦·莫里斯没有能够把一整只冻僵的猛犸象带进演讲大厅，不过他还是带来了它的一堆皮毛（要在被困于琥珀中的蚊子体内找到恐龙的DNA几乎是毫无可能的，像《侏罗纪公园》里面那样，但现在有科学家正在计划从保存在冰块中的猛犸象尸体上提取出猛犸象的DNA）。

除了尸体之外，动物还会留下别的东西，这些东西向我们讲述了远古世界的模样。“这里有一只动物在漫步。”康韦·莫里斯指着一块蜿蜒轨迹绕过石体的石灰岩说道，真相揭晓，这是一只马蹄蟹化石（类似于朱利安·赫胥黎在他的讲座里提到的那只活体马蹄蟹）。他如斯描述这只史前动物，它被卷入了一场风暴，接着又被冲进了一个礁湖，在那里它被有毒的湖水麻醉，跌跌撞撞地在软泥里转着圈，留下了它的脚印，直到最终死去。然后，死亡现场迅速被一层保护性的沉积物掩埋，使得脚印和死去的动物并没有被冲走，原始泥浆硬化，最终形成了石灰岩板。“我们看到的，是它最后的死亡之旅。”康韦·莫里斯说。他又拿起了已灭绝的海洋爬行动物的一些粪便，这个可以让我们了解这只动物吃了些什么（在这个例子中，它吃的是其他爬行动物的幼体）。

“古生物学正在拼一个拼图。”康韦·莫里斯说，最有趣的谜题之一是，恐龙到底是什么样的。“这些动物都是非常巨大的。”他说。

为了让观众更清楚地了解这些恐龙到底有多大，一只腕龙的全骨骼模型被带进了演讲大厅，那东西的脑袋高高地竖在上方，几乎快碰到天花板了。

如此庞大的动物，势必会引发一些特殊的问题：首先，它们是怎么把血液传送到脑部的？为了找到答案，康韦·莫里斯求助了观众席中的詹姆斯，他曾经尝试用一只手泵制成了腕龙的心脏。红色的液体通过软管慢慢上升到脑部，这显然是一项艰难的工作，但是当血液回流下来的时候会发生些什么呢？詹姆斯发现，当他按下开关，血液流进双肺——玻璃罐子里的两个气球——其很快就会膨胀，继而破裂。“太可怕了。”康韦·莫里斯悲叹道，对这件不幸的事情观众一笑置之。对此他解释道，这就启发我们：庞大的恐龙肯定有两部分复杂的心脏，一部分是供压的，从而把血液送到头部；另一部分就没有那么大压力了，它负责把血液输送到肺部，并且保证不会把它们弄破。

恐龙拼图的另一部分是它们移动的速度，一名志愿者在跑步机上以每秒2.5米的速度慢跑，他双脚落地的距离相隔4英尺（1.2米）。接下来，在一个影视短片中，林福德·克里斯蒂（Linford Christie）迈着比普通人长很多的步伐，以每秒10米的速度跑出了100米[1993年，克里斯蒂成为欧洲第一位在10秒钟内跑完100米的人，至今，他仍然保持着9.87秒的英国国家纪录；尤塞恩·博尔特（Usain Bolt）以9.58秒的成绩成为目前世界纪录的保持者，比他快了0.29秒]。对于各种行走和奔跑的动物——狗、猫、鸵鸟、马和其他动物——随着速度的增加，步长也是同步增加的，我们可以通过测量恐龙保存下来的脚印之间的距离，来计算它们移动的速度。这个计算结果表明，你可以以绝对优势轻而易举地超过霸王龙。“但还是要小心迅猛龙，”他警告道，“甚至连林福德·克里斯蒂都很难超越这些非常敏捷的小型恐龙，它们的速度如闪电一般迅疾。”

很长一段时间以来，关于恐龙最大的谜团就是它为什么会灭绝，直到1980年，美国物理学家路易斯·阿尔瓦雷斯（Luis Alvarez）和他的地质学家儿子沃尔特（Walter）才首次提出了恐龙灭绝的理论，现在已经被广泛接受。在大约6500万年前的岩石中，他们发现铱的含量高于正常水平的100倍；这种元素在地壳中是很少见的，但陨石中却非常丰富。他们还在同一时期的岩石中，发现了蚀刻成特殊细线的沙粒，这些晶体被称为冲击石英，地下核爆点附近也能发现它们。康韦·莫里斯说：“它们是某些重大撞击物存在过的确凿证据。”

霸王龙骨骼模型

路易斯和沃尔特·阿尔瓦雷斯推断，大约6500万年前，一颗直径6英里（10千米）的陨石撞击了墨西哥的尤卡坦半岛（2013年的一项研究又将这一日期往前推了100万年）。正是这次撞击引发了一场全球性的灾难，使得“超级海啸”席卷全球，淹没了海岸线，它爆炸后成了一个巨大的火球，绵延数千千米的森林因此陷入火海，种种灾难产生的浓烟和灰尘升腾到大气中，遮天蔽日长达一年之久。“光线无法到达地面，”康韦·莫里斯说，“陆地上的植物和海洋中的浮游植物都死光了，这些陨石气化形成的富硫矿石，释放出了含硫气体的滚滚浓烟，这些气体与水结合，以酸雨的形式再落回到地球上（最新研究表明，这使得海洋酸化，许多碳酸钙壳类的物种都被杀死，包括鹦鹉螺）。”现今，大部分科学家都已认同，这场大灾难灭绝了恐龙和地球上四分之三的生命。“数百万年后，地球才重新恢复健康。”康韦·莫里斯说。

这是地球遭遇的第五次物种大规模灭绝。“我们现在正处于第六次物种大灭绝，”康韦·莫里斯说，“这次并不是因为小行星撞击、冰河时期或是其他我们之前提到过的原因，这次物种大灭绝是我们自己造成的。”

早在我们人类出现之前的远古时代，地球上是没有任何生命迹象的。“30亿年前，”康韦·莫里斯说，“地球上除了细菌，什么也没有。”复杂的生命形式经历了漫长的演化，才开始慢慢形成，尤其是，5.4亿年前发生的一些变化，地球上瞬间充满了各种各样千奇百怪的生物——寒武纪物种大爆发，那也被认为是“生命史上的一个伟大的转折点”，他说，在此之前，地球上动物的生命形式一直非常简单，都是一些像海绵那样的静止生物。紧接着，无数奇形怪状的动物开始出现，它们长着眼睛和腿，还有可以游泳的附肢，几十年来，对于这场进化史上的狂欢，古生物学家们一直争论不休。有人说，可能是氧气量的增加造成了移动迅速的食肉动物的进化发展（这些动物需要大量的氧气），而其他动物，为了避免成为别人的食物则进化出了新的生命形式，研究人员仍在寻找这个古老谜团的答案。

西蒙·康韦·莫里斯（1951—）

古生物学家西蒙·康韦·莫里斯，生于萨里，自在剑桥大学攻读著名的布尔吉斯页岩化石研究博士学位起，他就一直在剑桥大学工作。他是英国皇家学会的会员。他的书籍包括《创造大熔炉》（是关于布尔吉斯页岩的），《生命的出路》，书中他提出，如果地球再次发生进化，最终仍会出现“有目的意识的物种”。康韦·莫里斯研究团队在他们的最新发现中，找到了身体如麻袋一般的寒武纪海洋生物微小化石，这种大口无肛门生物很有可能是脊椎动物有史以来最古老的祖先。

1909年，美国地质学家查尔斯·杜利特尔·沃尔科特（Charles Doolittle Walcott）在加拿大不列颠哥伦比亚省的洛基山脉发现了一批化石宝藏，寒武纪物种大爆发的证据才初露端倪。一层6英尺厚的岩石，覆盖面积大约相当于皇家科学院演讲大厅的规模，就是著名的布尔吉斯页岩化石。沃尔科特收集了数万件被康韦·莫里斯称为“可能是你想过要研究的最华丽、最神奇的化石标本”。

他展示了两块布尔吉斯页岩化石，其中一个看起来像龙虾的尾巴，另一个看起来像水母，事实上，这是康韦·莫里斯和其他古生物学家最初的想法，但是，他承认，这些想法“大错特错”。最新研究发现，这块布尔吉斯页岩化石里，包含的是将所有这些物种拼凑在一起的一整只动物——一只庞大的掠食性动物，足足1米长的奇虾。康韦·莫里斯展示了一个模型，重塑了这只动物的模样。它的前端有两条类似虾尾的东西，这实际上是它用来抓捕猎物的附属工具，那只“水母”则是它的嘴巴。这些奇怪的生物是早期的节肢动物，是康韦·莫里斯给观众展示的，包括蝎子、狼蛛和马达加斯加蟑螂等无数现代节肢动物的远古亲属。

布尔吉斯页岩上的另一个化石是一个蠕虫状的生物，1.6英寸（4厘米）长，乍一看上去并不是很明显，但当康韦·莫里斯指出了一条沿化石一侧蜿蜒的细线，才揭开这个生物神秘的面纱。“这是我们脊椎的前身。”他说，这只动物是皮卡虫。1911年，沃尔科特最初发现它的时候，他以为这是一种蠕虫病毒，但1979年康韦·莫里斯重新检验它之后发现，这实际上是一种脊索动物——包纳脊椎动物的动物群体，这就意味着皮卡虫可能是所有脊椎动物已知最古老的祖先之一。“这个其貌不扬的小小化石，”他说，“最终催生出了像鸸鹋、恐龙、骆驼这样的生物，当然，还有我们。”

寒武纪的海洋一片生机勃勃，可当时陆地上却什么也没有，大约4.5亿年前，植物首先从水中上岸，紧接着是早期的节肢动物。康韦·莫里斯展示了一只巨大的千足虫留在泥泞海岸边缘的化石脚印，那脚印在被冲走之前就迅速变硬了，这是第一批从海洋迁徙到陆地的无脊椎动物（没有脊骨）。

时间轴又向前推进了1亿年，他对古生物学家如何发现另一个巨大的进化谜团的答案，给出了解释。长久以来，人们一直以为鱼是靠鳍将自己拖到陆地上的，比如今天的弹涂鱼，从而加速了陆生脊椎动物、四足类的进化。但是，如康韦·莫里斯解释的那样，这个理论最终被证实是错误的，他展示了一种水生动物——棘螈的模型，它通过鱼鳃呼吸，但却有前肢和后腿，爪子和脚趾。1987年，由詹妮弗·克莱克（Jennifer Clack）领导的一个剑桥大学研究小组，在格陵兰岛发现了这种生物完整的化石。“我再怎么强调这件事情的革命性都不为过，”他说，“这里有一只动物，已经准备好登陆了。”可能是为了在水生植物上顺利爬行，棘螈和其他早期四足类动物在水中进化出了腿。接着，它们只花了几百万年就进化成了有着健硕前肢和后腿、能够承担身体重力的其他物种，它们最终进化成了两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物，包括人类。

我们骨骼中的故事还在继续，最近，康韦·莫里斯通过对各种进化关键步骤的仔细研究，揭开了现代人类的进化历程。从大约600万年前开始，气候变化导致非洲大森林逐渐被开阔的草原取代，大约也是在那个时候，我们的祖先开始用两只脚走路，而不是像我们的近亲黑猩猩那样“指节行走”。他展示了早期人类在非洲大草原上漫步时留下的两个脚印化石，这种直立姿势的一个好处可能就是保持凉爽。一名穿着“超色彩”（光敏纤维）T恤衫的志愿者走进了演讲大厅，这件T恤可以随着热感而变色（20世纪90年代英国的时尚风潮）。他站在一个酷热的太阳模型下方，他的T恤衫显示：相比直立姿势，他四肢着地躬身时身体更热。“指节行走”是非常适用于丛林生存的，森林里有树荫遮阳，但是在开阔的草原上，身体要承担的过热风险就大多了。“他必须喝一加仑的水，这么多水在森林中是很难找到的。”康韦·莫里斯说。

我们的祖先，早期人类的骨骼也向我们重现了直立行走后的生活景象，康韦·莫里斯展示了一个被什么东西刺出两个洞的早期人类头骨，那两个孔洞跟金钱豹头骨上的牙齿很吻合。不管他们是被活捉的，还是死后被吃掉的，这些早期人类都是生态系统的一部分，“你只能等着被一只大型猫科动物吃掉”，他说，但这是双向的。我们早期人类的近亲之一——直立人，一张直立人骨骼内细胞的照片显示，他是由于过量服食维生素A而出现的衰弱症状，可能是吃了太多狮子肝脏的结果。不过，这并不致命，并且这个生病的原始人还活了下来，大概是得到了朋友和家人的悉心照料。

接着，大约50000年前，我们的祖先开始制造越来越复杂的工具。作为示例，康韦·莫里斯展示了一柄装饰着复杂动物石刻的长矛。“这标志着一次变革，”他说，“并且延续至今。”从那时起，人们开始使用工具和技能，智人是唯一有能力观察到遥远的过去，明白我们从哪里来，以及地球是如何被生命充满的物种。“所以，我们拥有独一无二的特权，也有着无可替代的责任。”康韦·莫里斯对观众说。我们必须要照顾好这个星球，照顾好生活在这里的一切不可思议的生物，我们还要继续前进，继续探索它。“我们的骨骼里就有我们的历史，”他说，“但是未来，掌握在你们的手里。”

摘自康韦·莫里斯访谈

从微小的、未出生的恐龙到玛丽·安宁（Mary Anning）一个最负盛名的发现——莱姆里吉斯鱼龙，有那么多化石需要展示，为了确保讲座的顺利进行，大量的准备工作都需要做好。电视摄像机轻易移动不了，所以确保所展示的东西始终在镜头内是非常关键的。“它们会形成我们常说的那种‘错位’，”康韦·莫里斯说，“我们要把所有可能的位置都标出来，这样摄像机就知道你在哪里了。”这是每天讲座都要准备的，接下来还要对着少数人进行彩排，然后才能完整呈现这个讲座。

他表扬了皇家科学院的演讲工作人员——布莱森·戈尔（Bryson Gore）和比平·帕马儿（Bipin Parmar），还有制作人辛西娅·佩奇（Cynthia Page）。“是他们做了这一切，不是我，”他说，“他们非常棒！”他记得只有一次小小的失误，演示如何通过将一个模型浸入水中，来测量恐龙的体积时，他差点把演讲大厅给淹了。“地板不是平的，电轨也不是平的，”他说，“水开始流向各个地方，继而淹没了整个大厅，那完全就是一场灾难，我们不得不停止录制。”

摘自档案

康韦·莫里斯从不同的博物馆借来了许多化石标本，包括伦敦的自然历史博物馆，这张发票详细介绍了他在演讲过程中使用的树脂浇筑的化石模型，包括一个尼安德特人头骨和一个鱼叉尖儿。

第十章　到地球的尽头：幸存的南极极地　劳埃德·派克（Lloyd Peck）2004

冰封的岁月长河中，你可以随便穿越回哪个时间，看看那时候大气层是什么样的。

不可思议的自然探索之旅

1.世界上最寒冷的洋底潜游发生在哪儿？

2.为什么南极洲会由暖转寒呢？

3.如果南极冰原真的融化了的话，我们将要面临怎样的局面？

演讲大厅的地板上，一个巨大的、被冰雪覆盖的南极大陆模型几乎占满了全部空间，仅剩的那点地方刚好够放一台冰柜。冰柜的盖子打开了，派克从里面爬了出来。“这里深度冰冻的最低温度是-20℃，”派克说，“有谁会愚蠢到在那样的环境下生活呢？”

大屏幕上，观众看到了一个令人望而生畏的、白雪皑皑的冰原，冰雪覆盖的山峰，冰山和深色的海水黑白分明。派克身着潜水装备，从海水里探出头来，“我是一名南极海洋生物学家，”他说，“这是我的工作室。”像派克这样的生物学家们，之所以忍受着天寒地冻的考验去南极科考，是为了研究生活在那里的、不同寻常的野生动物。“这片冰封的疆土，是地球上最顽强、适应性最强的生物们的家园。”他说。

派克从南极洲带回了一批活体海洋动物，展示给皇家科学院的观众，并将它们与比较常见的动物进行了对比。一只寻常的花园木虱在派克的掌心悠闲地蠕动着，这是一种人们熟知的昆虫，学名地鳖，螃蟹和龙虾的近亲。“南极洲也有地鳖，”他说，“但它们之间有个很大的区别。”他拿起一堆体形巨大的地鳖，每一只都有他手掌那么大，长着坚硬的外壳和蠕动的多足。观众沸腾了起来，“让它们离我远一点”，一个男孩叫了出来。

“现在，我要给你们看一个更有趣的例子。”他说，派克指尖托起的那个小黑点，正是他要展示的示例，一只欧洲最大的海蜘蛛（朱利安·赫胥黎1937年带到他主讲的圣诞讲座上的那只马蹄蟹的近亲）。这时，派克又拿出了一只红色的南极海蜘蛛，捧在手心，观众席上立刻传来阵阵笑声和窃窃私语。“这种蜘蛛最大的能有一个餐盘那么大。”他说。

为了让大家看到更多南极的巨型生物，派克领着观众展开了一次世界上最寒冷的洋底潜游之旅。大屏幕上，派克跳进了一个冰窟。“我真的非常喜欢在这里潜水，”他说，“虽然的确特别冷。”那里的温度在-2℃左右。他从海胆群和一只巨大的海星旁边游过，这只海星有将近40只手臂那么长。所有冷血动物（也称外温动物）的体温都是随着外界温度变化而变化的，它们不会被冻僵，因为它们体内盐含量很高，这会降低它们自身的凝固点（这也是为什么这里的海水也不会结冰）。南极的鱼类都有自己的一套抗冻机制，能够防止自身被冻成冰块，它们体内有一种糖蛋白分子，这些分子在它们的血液内循环，能够有效抑制体内冰晶逐渐变大。

海胆群

回到演讲大厅，派克演示了冰水的一种非常重要的特性，他准备了两个带有盘式加热元件的烧杯，里面分别装了不同温度的水。其中一个烧杯里水温是-2℃，加热元件被从溶液中冒出的银色氧气泡所覆盖；另一个烧杯，水温约莫30℃，没有气泡，稍冷一些的水，含氧量更高，因为其中气体所占的空间更小，比在温水中跟水分子结合的能力更强。派克通过将气球放进液氮中来证明这一点，当里面的空气逐渐冷却时，气球会收缩；得益于低温富氧的海水，南极洲的动物才能长得这般巨大。像海蜘蛛和海星这样的生物，都是依赖遍布周身的氧气过活的，对大型动物而言，只有在氧气供给充足的情况下才能存活。

生活在南极海域的温血动物（恒温动物），一般都是通过肥硕的体形来保暖的。隔着大屏幕，观众看到派克漫步在南极洲北部马尔维纳斯群岛（英国称“福克兰群岛”）的海滩上，他的周围是成群的象海豹。“像这么大个儿的水牛，体重至少得有3.5吨。”他一边说着，一边小心地跟它们保持着距离。

“它们长成这样，并不单单是为了隔热保暖，更重要的是它们需要战斗。”两只雄性海豹对垒嘶吼，彼此缠斗。最大个儿的雄性海豹为雌性海豹和它们身下的幼崽守卫最大的领地，这些雌海豹和小崽子们也很肥硕，20天内，它们的体重还会增加3倍，然后举家向南迁徙到南极洲冰冷的海域。

在南极洲，陆上的条件甚至比水下还要极端，这片大陆99%的区域都被冰雪覆盖着，雄性帝企鹅会在-50℃的恶劣环境下，坚持10周时间，孵化它们的幼鸟。它们会聚集在一起，轮流抵御猎猎寒风的全力侵袭；它们体重的40%都是脂肪。

没有任何大型动物会长久栖居在南极大陆上，这里没有北极熊或狐狸，部分原因在于南极大陆完全是孤立的，除非它们能游泳或是长途飞行，否则当环境变得非常不宜生存的时候，没有任何动物能够逃离死亡之门。相比之下，在北极，亚洲和北美洲大陆靠得如此之近，只要它们需要，动物完全可以穿越海冰，走到气候更温暖的地方。永久栖居在南极大陆上最大的一些动物，当数一种叫跳虫的小昆虫了。

但情况并不总是如此，数百万年前的南极洲要暖和多了，并且遍布生命的足迹，包括茂密的丛林。派克向观众展示了一个恐龙的头骨，这是一只食草动物，漫游在7500万年前的南极大陆上，约莫3英尺高。“像生活在南极的其他恐龙一样，它也有一双很大的眼睛。”派克说，那是因为这片大陆位于南极之上，位置跟今天相差无几，那里有着漫长而黑暗的冬天。

为什么南极洲会由暖转寒呢？派克解释说，它过去是和南美洲连在一起的，并且还有一股暖流经过这里流向热带，这有效控制了南极大陆的冰冻化。再后来，到了3500万年前，南美洲逐渐向北漂移。“南极大陆被孤立了出来。”派克解释道，“没有了暖流的影响，冰雪开始在这片寒冷的大陆上聚集。”

今天，3000万立方千米的冰原坐落在南极洲之上，重达30000万亿吨，它的重量扭曲了地球，将这片大陆向地心推进了三分之二英里，冰块在庞大的冰川脉络下游移，至少有4000米深。大屏幕上，观众看着派克沿绳索滑向了一个冰蓝的冰川深处。在那个冰川内部，太大体量的冰凝结在一起产生了巨大的压力，从而导致最底层的那层薄冰趋于融化，整个南极大陆都在以每天至多10米的速度向前滑移。冰川是从南极大陆的中心向外滑移的，因为其下的土层状似一个翻过来的碗，要最终汇入大海，它们要么碎裂成冰山，要么像漂浮的冰架一样漂流到海，并且这些冰架始终跟土层相连。

“但是在南极洲的很多地区，”派克说，“这个冰雪世界都在变化，它正在快速变化着。”南极半岛气温上升的速度比地球上任何地方都要快。“近50年间，那里已经上升了3℃。”他说，“这对那些冰原有着非常大的影响。”派克展示了一张拉森B冰架的图片，这个冰架承载了约7200亿吨的冰，1992年这个冰架从南极大陆断裂出去，越漂越远，“拉森B冰架的塌裂，是迄今为止全球变暖最鲜明的迹象。”

劳埃德·派克（1957—）

派克，出生于西米德兰兹的沃尔索尔，曾在剑桥大学耶稣学院学习自然科学，后来回到家乡在钢铁厂工作了一年，之后又回归学术界，在朴次茅斯大学攻读了关于海蜗牛生长繁殖的博士学位。1984年，他在剑桥大学加入了英国国家南极考察队，他是教授，也是生物多样化、进化和适应性研究小组的领队科学家。此外，他还是桑德兰大学和朴次茅斯大学的客座教授，剑桥大学名誉讲师，伦敦动物学会的科学研究员。2004年的圣诞讲座之后，他又分别在日本、韩国和巴西做过相同的系列电视讲座。

气候变暖的证据正是来自南极冰川，冰川深处的冰芯被连年的积雪层层包裹，经过90万年的积累，形成了冰原。“冰封的岁月长河中，你可以随便穿越回哪个时间，看看那时候大气层是什么样的。”派克说，他向观众展示了一片深冰芯上采下的样本，里面充满了无数微小的气泡，这些气泡早在数千年前就形成了，攒集在冰块中。科学家们对冰块中的这些气泡进行了二氧化碳含量检测，他们也可以通过检测冰块中两种状态下的氧气含量（又称同位素追踪法），来估算当时的气温：氧16和氧18同位素，氧18是质量稍大并且比较罕见的一种氧同位素。在较为温暖的情况下，水中的能量会更高，更多氧18蒸发出来，升空后降落成雪。通过检测氧16和氧18同位素的比率，科学家们计算出了过去的温度，南极冰芯显示，在过去的漫长岁月中，随着二氧化碳含量的逐渐增加，气温也是逐渐升高的。“大气中的二氧化碳就像单向绝缘体。”派克说，“研究表明，它能够吸收太阳发出的热量，但却不会把吸收进来的热量全部释放出去，最让我们感到担心的是，如今，大气中二氧化碳的含量比我们已知的任何时候都要高，并且还在快速上升。”

派克放映了一段自己在德文郡拜访詹姆斯·拉夫洛克（James Lovelock）的短片，正是这位独立科学家提出了盖娅假说，该理论认为地球是有一个自我调节系统的。“本世纪以来，我们向外排放的二氧化碳，早已超过大气中二氧化碳的临界值——某些地方大约在百万分之五百。”拉夫洛克说道，“当我们越过临界阈值，系统就会自动发生改变，之后我们所做的任何补救措施都将无济于事，它会自动进入一个更温暖、更热的状态，比我们之前经历过的气候都要炎热。”到了2017年，地球大气层中的二氧化碳浓度，将于数百万年来首次达到410ppm（1958年它的量值是280ppm），并且在我们的有生之年里，都不可能有幸见证这一数值回落到那个水平了。“这是我经历过的最令人担忧的一次对话，”派克无力地说，“很显然，留给我们采取行动的时间何其短暂。”

为了充分了解观众对这件事情都有着怎样的态度，派克给大家每人发了一份问卷调查，让他们填写，衡量他们每个人对地球的个体化影响（这些数据给出了一个相对数值，综合评估了日常生活中消耗的资源和释放二氧化碳的比率）：

你平时都吃些什么？

新鲜食物（5），加工食品（10），即食食品（15）

你住在哪里？

公寓（5），联排别墅（15），独立式住宅（35）

去年你是在哪里度的假？

英国（10），欧洲（20），这个世界上的其他地方（150）

你每天都是如何出行的？

步行或骑行（3），公共交通（25），汽车（50）

你多久洗一次澡？

每天泡澡（40），每天淋浴（20），每两天淋浴一次（2）

欧洲人的平均分数是50～100分，而在美国，这个数值甚至超过了200分，如果现在每个活着的人都按照美国人的消耗水平生活，那么这个世界根本没有足够的资源运转；要让全球人口都保持在这个消耗水准上，我们现在需要大约5个地球资源的总量，而这显然是无法实现的。

不断攀升的气温已经对南极的生命产生了非常严重的影响，大屏幕上，派克在南极爬上一块露出地面的岩石，指着一簇青草说道：“50年前这里还寸草不生，现在植被已经开始在南极半岛蔓延了，从南美洲吹过来的种子在这里发芽，而且只在裸露的岩石上发芽，因此，随着半岛逐渐变暖，冰层开始融化，越来越多的石头裸露出来让这些植被栖居。”他说，“小型昆虫和甲虫们可能也准备进军这里了，它们将会给这个脆弱的陆地生态系统带来毁灭性的影响。”

在英国南极考察站，派克的探索小组对海洋生物，包括生活在南极海床上的蛤类，如何应对不断攀升的温度进行了研究。一段延时摄影视频中，我们在一个水族箱里看到了这些巨大的蛤蜊，在0℃左右，它们要花12小时才能深挖下去，把自己埋进淤泥里，5℃的时候，它们根本就动不了。“南极海域生活着大约5000种冷血动物，哪怕它们中有一小部分像蛤蜊一样敏感，都有可能对海洋生态系统产生灾难性的影响。”派克警告道。

除了对野生动物产生影响之外，南极洲不断上升的气温也可能给地球上的其他地区带来深远的影响。首先，因为一个叫“大洋传送带”的洋流系统，南极在世界气候系统中扮演了一个非常关键的角色。派克在演讲大厅现场通过一槽水展示了它的运作模式，他在水槽的一端加入了一个蓝色的冰块，这块蓝色的冰立刻沉到了底部，它代表着南极洲的海冰，海冰形成时，冰晶为纯水，盐分被挤出，排出的盐分使周围海水的盐度和密度增加，从而下沉。接着，派克又向其中加入了红色的温水，这种水密度偏小，漂浮在水面上，代表着赤道温暖的海水。这就建立起了一个循环，就像“大洋传送带”那样，让水在大洋之间形成一个闭合的环流，从而对气候变化产生影响。“暖流经过，将带来温暖潮湿的天气。”他说。“而寒流的经过，则会造成寒冷干燥的气候环境。”派克解释道。问题是南极洲的海冰在过去的50年间减少了20%，我们目前还不清楚这将会对“大洋传送带”造成怎样的影响，但毫无疑问的是，这对气候变化而言是至关重要的。

南极变暖可能还会造成海平面的上升。“世界上80%的淡水都在南极洲的冰层中。”派克说。随着温度的上升，那些冰架可能都会像拉森B冰架一样，从冰原脱落（事实上，2017年7月，有1万亿吨重的冰山从拉森C冰架上脱落了下来），而冰架，是支撑冰川的巨大塞子。“如果把它们全都搬走的话，这些巨大的冰川就会将冰盖直接排入海洋。”派克说。

他接着描绘了一个严酷的画面，如果南极冰原真的融化了的话，我们将要面临怎样的局面。“如果仅仅是南极西部的冰盖塌陷，全球海平面将会上升6米，”派克说，“包括纽约、东京和孟买这些大城市在内，所有低洼地区都将慢慢消失。”孟加拉国有一半的国土将会沉入水底。

“目前尚不明确有多少冰川会融化，也不清楚海平面会上升多少，”派克说，“但据估计，海平面只要上升80厘米，仅印度和巴基斯坦两个国家就会有2000万到3000万难民无家可归，因此，海平面上升，对我们的文明而言，是真正的威胁。”

讲座接近尾声时，派克给他的年轻观众留下了诸多需要思考的问题。“这片脆弱的大陆，即便发生再微小的变化，也会给人类，乃至整个地球带来难以承受的巨大后果。”显然，留给我们的行动时间不多，“我们需要思考我们的生活方式，改变我们的做法，我们需要一支可以把这个理念传递下去的队伍。”

摘自劳埃德·派克访谈

“南极的拍摄工作差点就完成不了了。”派克的圣诞讲座过后第13年，他在英国南极考察站（BAS）的茶室里说。拍摄工作需要选择一个合适的时机，要卡在南极的暮冬时节（此时完全无法出门，更别说考察之行了）和圣诞讲座彩排时间的中间空当上。拍摄团队的工作人员恰巧碰上了南极洲的极端环境，真的是要多极端有多极端，他们飞往马尔维纳斯群岛，因恶劣天气，没有继续南飞的航班，被困当地10天。那段时间里，他们竭尽全力拍摄，包括跟象海豹合影的那个海滩场景，最后，天气转晴了，他们不得不把拍摄工作缩减到几天内完成。“准确来说，我们最后一天还真的去到了南极。”派克解释道。

现在，派克已经去过南极洲17次了（只去过北极两次），我问他，在去那片冰天雪地的南极大陆考察访问时，是否有注意到气候变化的影响。“你可以看到巨大的生态变化。”他说。企鹅群体四处寻找合适的栖息地，蛇尾海星（海星的近亲）也已经不在温暖的夏季产卵了。他还目睹了冰川的消融。“罗瑟拉南极站附近最大的冰川，”他说的是英国南极考察站，“我从1996年就开始研究了，那座冰山已经萎缩了3000米，所以，现在我可以坐上汽艇，在开阔的水域上，欣赏250英尺（76.2米）高的冰崖了。”

第十一章　3亿年战争　苏·哈特利（Sue Hartley）2009

在我们人类生死存亡的关键时刻，科学比任何时候都要重要。

不可思议的自然探索之旅

1.动物以植物为食时，植物如何进行自我保护？

2.植物间是如何进行沟通的？

3.3亿年中，植物最后的秘密武器是什么？

演讲大厅的中央，立着一棵闪闪发光的圣诞树。“在这场历时3亿年的战争中，它已经充分磨砺好了自己。”哈特利说。她邀请一些观众到台上来体验，感受它锋利的树叶，嗅闻松树的气味。“正是像这样的气味武器使这种植物成为地球上最成功的有机体。”她说，比起动物，地球上植物的种类起码要翻上千倍，足够填满150万个伦敦O2竞技场。植物也是寿命最长、最庞大的生物群体，哈特利展示了一棵4500岁的狐尾松和一棵约有40只鲸鱼那么大的巨型红杉树的照片。

还有些植物以动物为食，哈特利向观众展示了一种以昆虫为食的猪笼草，这种植物用花蜜吸引昆虫，继而将其溺于自己的消化酶腔中。当然，大部分情况下，是完全相反的局面：动物以植物为食，以策应对，植物会进化出防御性的武器，来对抗这些食草动物的侵犯。有类似草叶的叶边长满锋利的尖刺（也就是植硅体），看上去像是微晶玻璃碎片，这样的物理性防御；植物也有自己的化学武器，哈特利拿起一根红色的阿纳海姆椒，“它有2500个斯高威尔（热单位），或称SHU，辣度指数的衡量单位”，她说。一位勇敢的志愿者，阿利斯泰尔（Alistair），从观众区走到台前，他没有吃那个辣椒，只是抿了一口混了几克辣椒素的水，看到他不由自主地喷出嘴里的辣椒水，嘴唇被辣得直哆嗦，观众不由得哈哈大笑。

接下来，哈特利向大家展示了一个魔鬼椒，世界上最辣的辣椒之一，辣度高达100万SHU。观众开始窃窃私语，大家毫不怀疑她是想要有人上台来试一下，事实上，她请来了一位特邀嘉宾——亚当·史黛西（Adam Stacey），他戴着一副太阳镜，穿着一件夏威夷度假衬衫。亚当嚼了几口后，吞下了一个小魔鬼椒，但很快他就说不出话来了，眼泪顺着脸颊汩汩流下来。

在亚当承受魔鬼椒的巨大洗礼时，哈特利就此讲解了充满辣椒果体的这种被称为辣椒素的化学物质，是如何跟口腔中的受体结合，从而产生辣感的。然后，她又介绍了她的另外一位特邀嘉宾——芭利（Barry），一只黄色的虎皮鹦鹉，“芭利是吃辣椒的一个冠军选手”，她说。亚当犯了一个错误，他嚼到并且咬碎了辣椒最辣的部分——种子，而芭利却完整地吞下了它们，没有释放出一丁点辣椒素。鸟类完好无损地吞下这些种子后，通过排便帮助植物播撒这些种子，“所以这个辣椒喜欢芭利，讨厌亚当”，她说。不过亚当明显更讨厌辣椒，还发誓他再也不吃辣椒了，说着他向热情的观众欠了欠身。“我想，植物的防御武器起作用了。”哈特利笑着说。

除了这些红辣椒之外，植物还能产生大约10万种不同的防御性化学物质，以抵御食草动物（帮忙播撒种子的动物除外）的采食。这些阻吓剂包括致命性化学物质氰化物、士的宁和蓖麻毒素，然而，毒物并不是食草动物面临的唯一问题，它们的食物也有可能缺乏重要的营养素。哈特利请进了一条圣伯纳德犬（食肉动物）约吉（Yogi）和一匹设德兰矮种马（食草动物）杰里（Jerry），来进一步讲解这些体形相似但饮食习惯却截然不同的动物。约吉在吃少量富含蛋白质的狗饼干，而杰里则咀嚼着一大堆蛋白质贫乏的干草。

接下来上场的，是一个致命的大块头食草机器，一头名叫贝西（Bessy）的奶牛模型。“奶牛对食草，有着最为复杂的一套适应机制。”哈特利说。在洛克兰（Lochlan）——从观众中挑选出的志愿者——的帮助下，她向观众完整呈现了奶牛用灵巧的舌头抓取干草，然后把它咽到喉咙里的全部过程。紧接着，6个装满水的大水罐被推了进来，用以直观显示奶牛每天要分泌多少唾液——110升——来帮助咽下每天进食的这70磅（超过30千克）干草。洛克兰接着打开了贝西的胃，露出了里面的4个胃室：第一个，瘤胃，里面藏着奶牛的秘密武器——数十亿能够消化纤维素，消化植物细胞壁上坚硬部分的细菌。第二个胃室里，细菌仍在继续分解纤维素，但是由于草的体积太大，所以并不能被完全分解，贝西需要把这些草再嚼一遍，“它得把它倒回来！”哈特利扮着鬼脸形象地演绎了一把，继而解释了反刍的重要性。第三个胃室是吸收水分的，而第四个则更像一个正常的胃（包括人类体内的胃），里面含有用来分解食物的盐酸和消化酶。

回到贝西体内，我们将看到它对阵植物这场战争的另一种武器：它有着非常长，且令人印象深刻的肠道。哈特利用一条粗绳形象化地比拟它，拿着它走到观众席，把它绕在房间内围，相比于人类仅仅6米的肠道，一条奶牛的肠道可以长达50米，完全可以更好地吸收营养。在这条冗长的肠道尽头，一位幸运观众——亚当，走向台前来，举着贝西的尾巴揭示一个不争的事实——所有难以消化的草最后都会变成一坨大大的牛粪。

在植物和动物之间的战争中，沟通起着至关重要的作用，尽管它们不会说话，或者看不到，但植物却无时无刻不在彼此沟通。

为了向大家说明，植物是如何沟通的，哈特利把观众“变成”了一棵棵树，每个座位下都有一锅冒着泡的混合物。“当你看见一个泡泡，或是看到泡泡落在自己身上的时候，就开始吹。”她指示大家，坐在后排的人们发出了一连串的信号，这些信号被吹向前方，很快演讲大厅里就充满了泡泡。“那就是植物彼此交流，彼此警报的方式。”她说。

为了更详细地解释这一点，哈特利讲起了自己在学生时代完成的一个实验，她那时就发现：当某种食草动物准备发起攻击时，植物是知道的。问题的关键就在毛毛虫的唾液里，她先用剪刀——模拟毛毛虫嘴巴的剪刀——剪下了一些植物叶子，发现这个举动并不足以触发植物的化学防御系统。然后她提取出了毛毛虫的唾液。“我发现如果你拿起毛毛虫仔细观察的话，它们看起来就像一大管牙膏。”她说。相反，当她把毛毛虫的唾液涂到被剪下来的叶片上，她得到了预期的相同反应，就好像一只真的毛毛虫在咀嚼植物那样：它开始释放毒素，毛毛虫唾液同样能让植物释放出它们的气体化学信号（这里用气泡代表信号），警告其他植物准备攻击，开始释放对抗食草动物的毒素。

除了彼此之间的沟通之外，植物还能跟动物进行沟通，黄蜂闻到植物的警告信号后，会飞过来查看。为了演示接下来会发生些什么，哈特利展示了一个毛毛虫模型肯尼（Kenny），并从观众中邀请一位志愿者——杰克（Jack），上台来取下肯尼的头部。“啊！”哈特利惊叫道，“你杀了肯尼！”杰克把手伸进肯尼断掉的脖子里，从里面掏出了一把黏糊糊的不明物体和一个巨大的幼虫模型。一只黄蜂用尖锐的产卵刺头（称为产卵管）刺穿毛毛虫的皮肤，把数百枚虫卵产在了这只毛毛虫的体内。继而，这些卵在里面孵化，开始从里向外蚕食肯尼。“植物信号可以传递给这些黄蜂。”哈特利说，“然后，它会阻止肯尼。”寄生蜂通常只会攻击一种特殊种类的毛毛虫，所以植物会定制它们的信息。“它们能够把信号准确发送给那种黄蜂。”她说。

到目前为止，动植物之间历时3亿年的拉锯战，已经达到了非常好的平衡。哈特利表示：“然而这种细致的平衡可能会被气候变化打破，气温和降雨的变化会改变这场战争的性质，现在，有很多例子能够证明这个可怕的事实已经在发生了。”她说，“虽然很罕见，但是我们的确看到过昆虫数量的突然增加，并且这似乎超出了植物的防御能力。”她展示了一些蝗虫吞噬庄稼带来蝗灾的图片。

“将来，我们还想看到更多虫灾的爆发吗？”哈特利问大家，有一种需要小心的昆虫，那就是蚜虫，它们有着锋利的口部，可以刺入植物，吸出它们的汁液，就像小型的吸血鬼。她又拿出一种被蚜虫攻陷的植物，叶片上布满了黑点，这些蚜虫，她警告道，是最危险的害虫之一，对粮食作物造成的损失每年可以达到1亿英镑。借助一只名叫安吉（Angie）的放大版蚜虫模型，她向我们展示了为什么它们会造成这么大的影响：如果安吉所有的后代都能成活的话，哈特利解释道，地球将会被150千米厚的蚜虫完整覆盖，相当于地球与空间站之间距离的一半，这是由于这些蚜虫的无性繁殖。

另一位志愿者——康纳（Conor），来到台前帮安吉接生，他发现在它的体内，有一个克隆版的安吉，叫爱丽丝（Alice），但也不完全相同。爱丽丝的体内还有一个一模一样的蚜虫，叫艾莉森（Alison），安吉怀孕的时候，它体内的爱丽丝也已经怀上了艾莉森，这是一种叫作套管式繁殖的系统。“这种不可思议的繁殖方式，”哈特利说，“能够让蚜虫非常迅速地扩充队伍。”目前，肉食性昆虫，包括瓢虫，还能有效控制蚜虫的扩张，但是随着全球气候变暖，蚜虫的繁殖速度也越来越快了，总有那么一天，连瓢虫都会沦陷，就像哈特利指出的那样，我们将会淹没在蚜虫的海洋里。

随着气温的不断攀升，有些植物可能会失去召唤昆虫捕食者帮助的能力，马栗树（又称琥珀树）就是一种深受气候变化影响的植物。每到夏末，整个英国到处都是这种棕色叶片上像是被谁泼了斑斑锈迹的马栗树。在哈特利的介绍下，罪魁祸首也粉墨登场了——一种有着“马栗树树叶矿工”诨名的蛾子，毛茸茸的银褐色条纹外衣，完美隐匿了它包藏的祸心。这些毛毛虫对马栗树的叶子有种不可思议的狂热，胃口也大得出奇，它们会从里向外把这些叶子吃个遍。“一片叶子上最多能有700名矿工‘不辞劳苦地耕耘’。”她说，所幸在它们的原生地——意大利，它们还有天敌，一种黄蜂（一种在蛾的体内产卵的寄生虫）能对它们有所抑制，只可惜它们还没有“移民”到英国。“这种矿工蛾在北方势如破竹地扩张着，没有任何天敌。”她说。

气候的变化可能会使这场3亿年的持久战好不容易建立起来的平衡，逐渐偏向昆虫的那一边，但植物还有最后一个秘密武器。“种子，”哈特利说，“就像一个个小的时间胶囊，能够保存植物，并将其护送到未来。”她请到了来自皇家植物园邱园的种子专家——沃夫冈·斯塔佩（Wolfgang Stuppy），向大家展示显微镜下错综复杂的种子图像，有些看起来像大脑和蜂巢，有些表面覆盖着一层齿锋和钩子。“显微镜下，它们看起来非常可怕。”他说，植物利用动物来传播它们的种子，要么通过动物的胃（就好像虎皮鹦鹉吃辣椒种子那样），要么挂在它们的皮毛上。有些种子飘散在风中，随处落地生根。“正是这些手段，让植物能够将种子传播到更远更广阔的世界去。”哈特利说。

种子里面还包含着惊人的遗传多样性，可以为人类世界的问题提供解决方案，包括随着气候的变化哪些作物会存活下来。哈特利播放了她最近造访邱园千禧种子库的一段录影，她将之描述为“植物的挪亚方舟”。她参观了一系列地下混凝土冷冻库，里面放着一排排巨大的玻璃罐，约20亿颗种子储藏于此，它们守护了世界上10%的植物物种（邱园的下一个目标是，到2020年，这里能够守护世界上25%的植物物种），很多种子保存在-20℃的环境中，可以存活数千年之久。

回到演讲大厅，哈特利介绍两位压轴的嘉宾，来自动植物相安无事生活数百万年的、某个与世隔绝的地方。“也就是说，它们最终变得非常奇怪，但也很美妙。”她说。第一位出场的，是一种看上去像细长的仙人掌，但实际上却完全不是同一科属的植物，只在一座岛屿上被发现过，它就是马达加斯加刺木。它的长刺之间生长着细小的绿叶，“要吃这些刺木叶一定是非常困难的”，哈特利说，但马达加斯加岛上有一群动物已经进化到可以征服它们了。最后登场的是柯蒂斯（Curtis），一只环尾狐猴，魔法般的“呦吼”和“啊哈”声在观众席间回荡。

“柯蒂斯有一双神奇的手。”哈特利说，像戴维·阿滕伯勒在1973年的那场演讲中一样，她显然是被这只狐猴给迷住了。现场出现了两位幸运观众——凯特（Kat）和苏西（Suzy），她们俩可以给柯蒂斯喂食，就像我们在阿滕伯勒爵士的讲座中看到的那样，这只狐猴非常喜欢吃葡萄。“柯蒂斯抓东西的时候手会握得特别牢。”哈特利说，这时狐猴伸手扒开了凯特的手，想要找到更多的食物。在马达加斯加南部，哈特利解释道，生活着另外一种狐猴（也就是人们熟知的马达加斯加德肯狐猴），它们的手部已经进化到刚好能卡在刺木的刺中间了，能够游刃有余地摘下树叶吃。“所以在马达加斯加，这场3亿年的战争催生了一些令人惊叹的植物，”她说，“还有一些不可思议的动物。”

在讲座的结尾，哈特利向她年轻的听众传达了一个强有力的心声，如果要更好地迎接未来的挑战，我们就必须要像植物一样巧于变通。她对他们说，从气候问题到粮食短缺，我们将来要面临的问题还多着呢，植物学和科学的比肩进步，是解决这些问题的关键所在。“在我们人类生死存亡的关键时刻，科学比任何时候都要重要，”她说，“你们这些孩子都是未来的科学家，你们的星球和这个星球上所有的一切都掌握在你们自己的手中。”

摘自媒体

在英国《每日电讯报》（2009年12月18日）的一篇采访报道中，英国皇家科学院科学示范技术人员安迪·马默里（Andy Marmery）透露了他在筹备哈特利的讲座时遇到的一些季节性问题：自19世纪30年代至今，我们从来没有开设过植物专题的讲座，现在我才知道原因：它们不喜欢圣诞节，它们中的大部分都死了或者叶子都掉光了，这给我的道具准备工作带来了一些挑战。

苏·哈特利（1962—）

哈特利曾就读于牛津大学生物化学系，后来获得了约克大学的博士学位，在搬到苏塞克斯大学之前，她一直在这里担任生态学教授，也是在那段时间，她受邀做了圣诞系列讲座。那次电视录播之后，她又分别在日本和2010年的曼彻斯特生命科学博览会上做过公开演讲。她现在是约克大学环境可持续性研究所主任，在这里继续她关于动植物之间互动作用的研究，包括寻找提高作物抵御气候变化能力的方法，以及使用天然植物化学物质来保护作物免受害虫的侵害。

科学作家艾德·勇（Ed Yong）当时也在听众席中聆听哈特利的讲座。“看到一群孩子这般热情饱满地听科学讲座，奔走相告，甚至都挤到了楼梯上，这的确让人觉得非常振奋，”2009年12月6日他在一篇名为《科学不难懂》的博文中写道，“这对哈特利的讲座是多么好的评价啊，他们全神贯注地听讲，把每一个关键词都圈起来，每当她要选几名志愿者上台的时候，孩子们都会兴奋得不能自已。”

摘自苏·哈特利访谈

“那真的是乐趣无穷，”回顾自己的圣诞讲座时，哈特利说道，“这完全是因为孩子们，他们的热情、兴趣和学习经历。”她的讲座上摆满了各种动植物模型，她把它们都带回家了吗？“毛毛虫肯尼，有条色彩斑斓的尾巴，身体里还有一团肮脏的虫子……”她说，“它现在在我的办公室里。”此外，她还带来了很多活体动物，但它们却总是表现不好，比如观众看到的一只食草动物——卡利普索（Calypso），一只两趾的树懒。一开始，它显得非常积极，但当摄像机开始工作时，它就爬到舞台的一边，一动不动地静静坐着。“这时，导演赶紧向大厅管理员反映，‘我能看到的就只有它那该死的屁股’。”哈特利回忆道。

她是圣诞讲座史上的第四位女性演讲者，也是仅有的两位植物学家之一。第一位给我们做演讲的植物学家——约翰·林德利，他是1833至1834年度圣诞讲座的讲师，伦敦邱园能够保存至今，其中也有他不小的贡献，19世纪初政府强行要求关闭邱园时，他费尽了心力。现在，哈特利是邱园董事会委任的受托人，她始终保有高亢的热情，倡导大家关注那些常常被忽略、亟待被保护的植物。

最后一场讲座的结尾，因为传达了自己对地球现状深沉的隐忧，哈特利的情绪似乎有些失控，禁不住泪流满面。“跟大家讨论这些非常有可能消失的东西……所有这些不可思议的生物多样性，我是毫无保留的。”她说，“所以，感觉上，这的确像一个非常情绪化的结尾，这是一次非常棒的体验，我觉得那可能也是这个体验的一部分……这是一件多么有力量的事情啊，让我们也用一条充满力量的信息结尾。”

纪实图集

一张由《伦敦新闻画报》专门为讲座制作的画报，描绘的是汤姆逊在展示一只毛茸茸的海牛时，被他年轻的听众围观的场面

一场演讲之后，巴尔弗—布朗向他的年轻听众展示他收集的昆虫

弗朗西斯（弗兰克）·巴尔弗—布朗

巴尔弗—布朗在他的一次演讲结束时，向观众展示了活体水生甲虫

赫胥黎向观众介绍这只叫麦克斯的斑点狮幼崽

赫胥黎（左）在向他的观众展示一只罕见的加勒比鹦鹉

格雷在向他的观众展示一个猎豹毛绒玩具

格雷向他的部分观众展示了一个机械鸭模型

莫里斯把布奇介绍给了观众，一些孩子正在用葡萄慰劳这只黑猩猩

菲菲协助莫里斯做了一次示范

该讲座开讲的几年前，这个打椰子游戏实验曾在伦敦动物园里上演过

阿滕伯勒向观众展示了一只活体变色龙

阿滕伯勒向观众介绍这只名叫塔米的环尾狐猴

阿滕伯勒跟他的一些听众坐在一起，他们在演示自己动耳朵的能力，像其他灵长类动物一样，以此互相交流

安德鲁跟一条博阿河大蟒蛇熟悉了起来，它就是一个类设计体的实例

道金斯和他的“不可能”之山假山模型

道金斯在演示放屁甲虫的防御喷射

康韦·莫里斯在向观众展示一个巨大的霸王龙头骨

康韦·莫里斯和观众在看一只头部悬在演讲大厅天花板下方的腕龙模型

康韦·莫里斯在展示一个棘螈的模型，这是一种介于鱼类和两栖动物之间进化阶段的生物

派克正在向他的观众展示一只活体南极巨蜘蛛

派克跟马尔维纳斯群岛上的象海豹们合影

一个巨大的南极洲模型铺满了演讲大厅的空地，派克正向他的观众介绍这块白雪皑皑、天寒地冻的大陆

科学家们在南极大陆采集深冰芯样本

派克通过一槽水、冰和有颜色水，演示了“大洋传送带”的运行模式

哈特利在介绍这场3亿年的战争时，一只巨大的毛毛虫正奋力穿越一片硕大而光滑的冬青树叶，它似乎遇到了一些麻烦

亚当嚼了世界上最辣的一种辣椒之后，被辣得难以承受

哈特利和她的助手带来了两头驴子，来演示食草动物吃植物的过程

哈特利在部分观众面前，展示毛毛虫模型肯尼，让大家向里面看，找出塞满毛毛虫身体的虫卵和黏糊糊的液体

哈特利在展示一个名叫安吉的蚜虫模型

哈特利和在她讲座上现身的两头驴子的合影

示例图集

美洲虎

松鼠猴

幼年鳄鱼

纸鹦鹉螺

蜂巢

红鸢

帝王蟹

纤毛虫

鸟妈妈喂养幼鸟

臭鼬

狐猴

DNA复制

霸王龙骨骼模型

海胆群

后记

如今，我们比以前任何时候都要了解自然世界的内在运作，在长达一个世纪的圣诞讲座中，我们见识到了生物学家们如何一步步揭开物种和生态系统越来越多的细节联系，从海洋深处到高山之巅，以及这两者之间的任一地方。同时，我们也比任何时候都要清楚，人类的活动是如何破坏生命脉络微妙的平衡的，某些问题才刚刚解决，新的问题就已经出现了。

圣诞讲座一路走来，某些关键信息贯穿了所有这些讲座，一个是，自然世界对人类的生存有多么重要，尽管我们常常意识不到这一点，直到大错最终铸成，自然失去平衡，昆虫和疾病将我们彻底淹没。另一个重要的信息是，这个世界上有许多令人叹为观止的奇观，等待我们每个人去发现——不管是古代螺旋形贝壳的化石，还是饕餮成性的食肉动物遗骸，或是生活在花园池塘里的肉食性甲虫，或是以创造更多花朵为目的、到处传播花粉的蜜蜂。

现在，全球超过一半的人口都居住在城市里，很多孩子从小到大几乎从没接触过大自然，我们从没有像现在这样迫切地想要让人类与自然重新建立起连接，去了解和关心外面的世界。皇家科学院圣诞讲座将大自然栩栩如生地带到这么多人面前，培养大家的一种好奇心，鼓励每个人以新的角度思考这个生命的世界，去探索和发现它吧，现在出发！

作者手记

我衷心地感谢对这本书的成书提供帮助的人们，特别是皇家科学院的盖尔·卡杜（Gail Cardew）、夏洛特·纽恩（Charlotte New）和莉娜·胡尔特格伦（Liina Hultgren），感谢他们帮忙联系如今还在世的科学讲座的讲师，提供讲座的档案资料和影视片段，给了我很多客观的指导。万分感谢剑桥大学动物学系的简·艾克德（Jane Acred），感谢她帮我找到了詹姆斯·格雷的手迹。还要感谢迈克尔·奥马拉图书公司的乔·斯坦索（Jo Stansall），他一直不遗余力地在帮助促成这本书。特别感谢德斯蒙德·莫里斯、罗伯特·阿滕伯勒、西蒙·康韦·莫里斯、劳埃德·派克和苏·哈特利，感谢你们与我分享你们对圣诞讲座的回忆；我真的非常高兴能够跟你们取得联系。感谢所有给我启发和思考的讲师，不仅是在我写这本书期间，还有一直做圣诞讲座粉丝的这么些年——谢谢大家。还有伊凡（Ivan），感谢你在我所有的努力过程中，从未懈怠的爱和支持。

以下是每一章中所使用的档案资料的简要说明：

第一章：动物的童年

彼得·查理姆斯·米歇尔将他的圣诞讲座编纂到了一本同名书中，1912年由剑桥大学出版社出版。文中对其的直接引用，摘自该书，以及当年讲座的一些新闻报道。

第二章：生物群落

直接引用约翰·亚瑟·汤姆逊1912年出版的书（同名），该书由A.麦洛斯有限公司出版，同时还引用了当年讲座的新闻报道。

第三章：论昆虫的习性

直接引用自当年讲座的媒体报道和弗朗西斯·巴尔弗—布朗1925年出版的书（同名），该书由剑桥大学出版社出版。

第四章：珍稀动物及野生生物的灭绝

引用自皇家科学院官方整理出来的关于朱利安·赫胥黎讲座的细节资料，还有各种新闻报道。

第五章：动物是如何移动的

直接引用自詹姆斯·格雷基于自己的讲座所写的一本书（剑桥大学出版社，1953年版），还有关于讲座的新闻报道，这些报道大多直接引用詹姆斯·格雷的原话。

第六章：动物的行为

没有找到关于这期讲座的任何影像资料，德斯蒙德·莫里斯通过邮件非常热心地给我提供了他对讲座的回忆，其他资料是皇家科学院整理出来的。

第七章：动物的语言

大卫·阿滕伯勒的讲座有完整的影像资料（第四场讲座除外；这部分笔记资料可在皇家科学院档案馆查阅），所有直接引述皆来自原纪录片。

第八至十一章：在宇宙中成长；骨骼中的历史；到地球的尽头：幸存的南极极地；3亿年战争

理查德·道金斯、西蒙·康韦·莫里斯、劳埃德·派克和苏·哈特利的原述摘录都是从这些系列讲座的视频资料中直接引用的。

版权信息

13次时空穿梭之旅

著者：[英]科林·斯图尔特

译者：孙亚飞

出版人：曾赛丰

责任编辑：薛健　刘诗哲

监制：蔡明菲　邢越超

策划编辑：马冬冬　刘宁远

特约编辑：汪璐

版权支持：文赛峰

版式设计：潘雪琴

封面设计：尚燕平

目录

版权信息

序

引言

第一章 太阳、月亮以及那些行星

第二章 一颗陨星的故事

第三章 太空遨游

第四章 穿越时间与空间

第五章 生活中的天文学

第六章 对宇宙的探索

第七章 时光机

第八章 行星

第九章 起源

第十章 宇宙洋葱

第十一章 时间之箭

第十二章 在空间与时间中漫游

第十三章 如何在太空中生存

后记

作者手记

星云

登月

铀原子裂变（左至右：中子，质子，氪，钡，铀）

大陆漂移模型

宇宙大爆炸至今宇宙的进化

时空旅行模拟图

太阳系模型

金星

虫洞模拟图

黑洞3D效果图

日冕

光谱[左：波长（纳米）；右从上至下：无线电波，微波，红外线，可见光，紫外线，X射线，伽马射线]

天狼星所属的大犬座

陨星

太阳耀斑

序

欧洲宇航局宇航员蒂姆·皮克（Tim Peake）

圣诞讲座是我一直向往的事情，因此凯文·方（Kevin Fong）博士的2015年度有关太空生存的圣诞讲座，我非常开心被邀请参加。能够在距离地球表面400千米的国际空间站中参加这场盛会，是我在此次活动中的亮点。

生活并工作在国际空间站中，是一项非凡的殊荣，也是一段特别的经历。在太空以及重返地球的这段时间里，也许最触动我的事，是我们的身体在调整适应颇为不同的环境时有多么出色。六个月的太空飞行，人的身体会感到吃力——对我们的前庭系统、心脑血管以及免疫系统都会造成改变，而不只是皮肤、肌肉重量、骨密度和视力。然而，落地后仅仅几星期，人类的身体就能几乎完全恢复，只有骨密度的恢复需要近一年。这些变化的发生也给科学家和科研团队提供了一个很好的机会，得以深入研究人的身体功能是怎么实现的。

自从人类在1961年第一次被送入地球轨道，我们已经学到了大量有关太空旅行的知识，但仍然有很多需要被发现，我们也一直在不断探索。我们需要用这些摆在我们面前的发现去激励下一代科学家和探险家，这非常重要。而要实现这一点，圣诞讲座正是非常理想的方式。“Principia”（原理）任务中非常重要的一部分，是成功地延伸教育项目，通过各类活动，覆盖了超过100万在校学生。如果我们打算解决未来的挑战，今天给年轻学生的投资就很关键。

在认识太空的路上我们究竟走了多远？又取得了多少令人惊叹的技术进步，让我们得以探索宇宙？这本书就是一个很好的见证。皇家科学院（Royal Institution）多年来持续向年轻的讲座听众传播前沿科学，这一切也令人感到陶醉。几十年前，对当时的听众而言，探访月球似乎还是非常遥远的梦，而如今我们不仅已经在那里着陆过，就连探索火星的路也在变得越来越现实。我希望这本书可以启发你进入科学的旅程。

引言

对很多人来说，皇家科学院的圣诞讲座不过是节假日安排中的一部分，就跟肉馅饼和火鸡差不多。这项世界闻名的活动自从1825年起几乎每年都会举行，只是在1939—1942年，因战争而被迫中断。自1966年起，该讲座便在电视上播放，从而惠及了全世界越来越多热爱科学的听众，如今他们还可以在皇家科学院网站上在线观看。这个点子出自维多利亚时代的著名科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）——他渴望能够用科学发现教育并激励大英帝国的年轻人——故而讲座总是会在阿尔伯马尔大街21号那座知名的“法拉第讲堂”举行，这也是皇家科学院自1799年成立以来的总部所在地。

每一年，来自全英国的年轻人都会蜂拥到皇家科学院，倾听科学界最新的发展，观看那些令人惊叹的实验演示。皇家科学院前院长劳伦斯·布喇格（Lawrence Bragg）爵士在给他的讲座助理比尔·科茨（Bill Coates）的一封信中，很好地总结了这一点：“不要谈论科学，要给听众展示科学。”每一年，讲座都充满了各种令人惊叹的发现与奇思妙想。

过去讲座的名人众多，从戴维·阿滕伯勒（David Attenborough）爵士到理查德·道金斯（Richard Dawkins），从南希·罗思韦尔（Nancy Rothwell）夫人到海因茨·沃尔夫（Heinz Wolff）。不过在本书中，我们主要聚焦于那些主题与太空和时间相关的讲座。天文学是最古老的科学之一，一代又一代人凝视着夜空，试图弄明白我们在宇宙中的位置。然而，随着认知的逐渐加深，我们也开始感激微型世界——原子世界在我们来到这里的故事中所扮演的重要角色。

本书挑选的每一个讲座系列在最初演讲时都有好几小时那么长，在圣诞与新年期间上演好几天。本书的目的并不是要像演讲时那样对每个讲座进行详细而深入的报告，而是突出一些穿插其中的迷人话题，带着读者行走一段天文发现的旅程。我们将看到我们对太阳、恒星、月球以及行星的了解在几个世纪中是如何发展的，以及当时的顶尖科学家在展示宇宙或更深远的奇观与复杂状态时所使用的技术。

第一章　太阳、月亮以及那些行星

罗伯特·斯塔威尔·鲍尔爵士

（Sir Robert Stawell Ball）

1881

对一艘大西洋轮船来说，船上的一点微光完全不足以给出其性能与容量的信息，同样，闪烁的星星也完全不足以展现无垠宇宙最绚烂的概念以及其中的各种关联。

不可思议的时空探索之旅

1.日冕是什么？

2.地球与太阳距离多远？

3.“最美丽的科学发现”是什么？

4.可以看到两次日落的地方在宇宙的什么地方？

在这个令人陶醉的系列讲座中，我们将会享受一场盛宴，看看我们位于太阳系中的这片地方，欣赏这幅如今仍在绘制中的画作。近来发现的一些行星，以及围绕这些行星的卫星，将会给生命灌注很多热忱与激情。我们随后将离开太阳系，去看看更遥远的恒星，尝试标记出它们究竟离地球有多远，弄清楚它们是否也有自己的行星。鲍尔有着利用成熟而诗意般的类比将复杂事物简单化的能力，而这个能力正在散发着它的光辉。

我们对太阳系的探索，开始于位居太阳系中间的这颗恒星。我们知道，太阳很热，可它究竟有多热？鲍尔让我们想象一下，“很多男孩都曾做过的一个取火镜实验”——利用放大镜给一些东西点火的古老把戏。他告诉我们，科学家也在利用类似的棱镜做着实验，只不过镜子足有一码（0.91米）那么宽。“钢材也会被太阳光束烤化……所以太阳的温度肯定比熔融的钢的温度还要高；实际上，比我们在地球上可以制造出的任何温度还要高。”他讲道。（如今我们知道太阳表面的实际温度在5500℃左右。）

日冕

日珥

随着鲍尔将一只足球放到讲堂的桌子上代表太阳，他的关注点便转到了比例上。对比之下，地球将会是多小？“一粒小口径子弹的尺寸正好合适。”他给出了答案。我们今天知道，大概100万个地球才可以填满一个太阳。他身后的大屏幕此时贴出几张太阳的照片，展现的是一些黑色斑点——太阳黑子。我们同时欣赏到了壮观的日食照片，这是因月亮挡住太阳而形成的现象；我们还得以一瞥令人眩晕的太阳大气——日冕，也只有当月亮用这种方式遮住太阳刺眼的光芒，我们才能肉眼看到日冕；我们还看到了日珥，也就是从太阳边缘爆发出的火焰般的构造。“其中一部分日珥以每小时20万英里（32.2万千米/小时）的速度喷出，也就是说，超过最快的步枪子弹200倍。”鲍尔解释道。

按大小排列，最左的足球代表太阳，最右的子弹代表地球

鲍尔在皇家科学院讲堂中进行演讲

遮挡阳光的精巧障碍——月亮是鲍尔第二场演讲中关注的核心。不过它与太阳之间存在根本的区别——它本身并不能发出一丝光线，全靠反射太阳光。随着它围绕地球的位置发生变化，我们会发现它反射的阳光总量也在改变，这就形成了不同的月相。鲍尔在一只亮着的电灯旁放了一颗小球，然后询问坐在讲堂不同方位的听众可以看到什么样的球体。这恰如其分地证明了上述事实。随后，他又让我们想象一下在月球上居住并回望地球的样子。我们这颗行星同样会有阴晴圆缺，只不过光泽更鲜亮些。

鲍尔对月相的证明

“如果有13颗月球……一起照耀的话，想象一下这光芒会怎样。这样的夜晚将会多么美妙！你都可以很轻松地读书了！”这是因为地球比月亮大得多，他对这个事实的描述让人想起遍燃蜡烛过节的情景。

“一个很美味的葡萄干小圆布丁，直径三英寸（7.6厘米）……一个身体结实的男孩可以将它全部吃下。”另一个被用来代表地球的布丁直径有一英尺（30.5厘米），也就是四倍于前者。不过，“如果一个小男生可以吃掉刚才那个小布丁，那么需要多少孩子才能干掉这个大的呢？”，鲍尔问道。答案不是4个，而是64个（或者说4×4×4个）。

因为没能成功预测在此之后不到一个世纪就实现了的阿波罗登月，鲍尔告诉我们：“没有探险家可以到达我们的卫星。”（然而，科幻小说中关于人类登月的桥段在1881年之前很久就出现了，而技术又一直在革新，所以他排除了未来所有时期登月的可能性，这还是挺奇怪的。）尽管如此，他说望远镜可以替我们完成这段旅程。这样做，我们能更近距离地看到我们“邻居”表面显眼的黑斑。他称它们是“曾经盛有大海的空盆地”。（我们现在知道它们并非“大海”，而是熔岩。）鲍尔解释说那些海洋布满了坑洞。他展示了它们的基本模型，并断定它们一定是由火山形成的。（实际上，我们现在知道它们是太空残骸撞击到月球表面形成的。）鲍尔还相信，并不存在所谓的月球居民，因为缺少空气和水，但他没有排除其他星球存在生命的可能。“想象一下，在所有的这些星球中，只有我们这一颗是独一无二适合生命的寓所，这似乎是挺可笑的。”

地球与月球的相对尺寸

现在，我们转到最内层的行星——水星。

我们所知道的水星，就是一颗个头很小、相对较重的行星，距离太阳最近。不过我们怎么才能在这么远的地方对它进行称重呢？根据鲍尔的描述，在这项努力之中，一颗名为“恩克”（Encke）的彗星充当了我们的助手。当彗星靠近水星时，它的轨道会被行星的引力改变。由于水星是质量最小的行星，所以它所具有的引力也最微弱。根据恩克轨道的轻微偏离，可以计算出水星大概只有地球质量的4%（接近现代最新计算的数值5.5%）。不过，“水星这颗星球到底什么样，对此我们几乎什么都不知道。它表面具有什么性质，我们知之甚少，甚至可以说一无所知。”鲍尔说道。[我们其实也是直到1974年NASA（美国国家航空航天局）“水手10号”飞行器抵达其表面之后才开始知道。]

通过观察下一颗行星——金星，天文学家可以获得一把丈量天空的尺子。就像月亮有时会从太阳前方经过一样，金星也会如此，只不过非常罕见。“金星凌日”现象会间隔八年出现两次，但这两次之后，下一轮两次再出现就要等上100多年了。1874年，发生了一次金星凌日，1882年是第二次。“（然后）一直到2004年才会再出现这样的天文现象。”鲍尔讲述道。（他说得对，而且我们在2012年看到了另一次。再下一次直到2117年才会发生。）如此罕见，也就意味着金星凌日在19世纪可谓是大事件。“我不敢想象还有其他什么值得庆祝的事情，会比这些事吸引更多人的兴趣。”它提供了“一种有价值的方法，用以研究地球与太阳的距离”。在地球的不同位置观察，你可以发现金星凌日现象起讫于略微不同的时间。与金星之间的绝对距离（比如以英里为单位）就可以利用这一差异进行计算。金星、地球与太阳之间以百分比为单位的相对距离早已被知晓，地球与太阳之间的绝对距离就是以此精确计算的，从而确定大约是9300万英里（1.5亿千米）。

说到火星的时候，一台望远镜揭示了这颗行星的一些特点，但也只是一些大致特征。“火星上的某个目标……至少要有圣保罗大教堂的100倍宽，才可能被天文学家识别出来。”鲍尔说道。这颗红色星球上只附着了一层薄薄的大气，但“对于大气中的成分，我们其实什么都不知道”。（如今我们知道它只有一层由二氧化碳构成的单调大气，还不足地球大气密度的1%。）鲍尔还提到两颗火星的卫星——火卫一与火卫二——1877年才被发现。“火卫一与火卫二的英文名字福波斯（Phobos）与得摩斯（Deimos）其实来自《荷马史诗》中的两个人物，他们的职责就是守卫战神马尔斯，在他的战马两侧共轭。”（译注：在《荷马史诗》的《伊利亚特》篇章中，马尔斯是战神，火星的英文名Mars来源于此。福波斯与得摩斯守护在战神两边，作为马尔斯的从神）

罗伯特·斯塔威尔·鲍尔（1840—1913）

鲍尔于1840年出生在都柏林，在成为爱尔兰人罗斯勋爵（Lord Rosse）的伙伴后，他开始了他的天文学职业生涯。罗斯勋爵捐出自己的财富建起了当时世界上最大的望远镜，被称为“帕森斯城的利维坦”。在维多利亚时代的英国，鲍尔继续作为一名勤奋的科普工作者在活动，也是一位杰出的天文学拥护者。据估计，他在1875—1910年间的一系列活动中共做了2500场演讲。他在1881年的首次圣诞讲座非常受欢迎，以至于他在1887、1892、1898和1900年四度被邀请担当圣诞讲座讲者。

鲍尔也告诉他的听众，火星“最引人注目”的观测成果来自美国天文学家珀西瓦尔·勒韦尔（Percival Lowell）。“勒韦尔先生特别注意到这颗行星表面上壮观的线条，这也是其‘运河’（canal）之名的由来，它们会呈现某种程度的周期性，这几乎令人确信，它们是在某种智能生物的引导下建造的。”这其中一部分误会其实是源于一次低级的误译。意大利天文学家乔瓦尼·斯基亚帕雷利（Giovanni Schiaparelli）称这些线条为“canali”——在意大利语中表示水道的意思。当这个单词被错误地译为“运河”之后——这也就暗示着它们是由某个智慧文明建造——公众对火星的兴趣也骤然上升。这些“运河”后来成为一些激烈辩论——也包括圣诞讲座——的主题。争论持续了几十年，而很多人都质疑它们是否真实存在。

鲍尔随后带我们参观了四颗气体行星：木星、土星、天王星和海王星。它们距离太阳很远，那里的光线也更暗。然而，“它们虽然处在昏暗的位置，看似会受到影响，但其实影响很有限，因为非常大的可能性是，不会有任何生命在那里定居”。

他解释道，自从伽利略在1609年第一次观察到木星的“四胞胎”卫星之后，其总数就再也没增加过，一直就是四颗（第五颗直到1892年才被发现，后来又陆续发现了62颗）。而它们相比“我们这颗迟钝的月球，可谓是非常活泼而富有生机，月球需要一个月才能绕地球一圈”。木卫一“伊奥”是最轻快的，绕木星轨道只需不到两天。这些卫星偶而从木星前方掠过，就像我们看到的金星凌日那般。然而这样的“木食”对我们来说发生在不同的时间，这取决于地球与木星在此时所处的位置。当这两颗行星远离之时，木星系统的光线需要更长的时间才能抵达地球。天文学家利用这一延迟的时间计算光速，这也是鲍尔所谓的“最美丽的科学发现之一”。

1900年鲍尔在皇家科学院进行讲座

我们的演讲者接着开始讲述土星，当然重点是说它的环。“想象一下你就站在土星的赤道上，然后抬头望着这圈壮观的环，而它的边缘一直延伸到天际线以外。你也许真的是站到了一扇跨度10万英里（16万千米）的拱门之下。”天王星是由威廉·赫歇尔（William Herschel）在1783年（一说1781年）发现的，对这颗行星的后续研究暗示着还有另外一颗行星的存在。就如同水星的引力会影响恩克彗星的轨道一样，海王星也拖着天王星——“对比理论计算出它本来应该待着的位置”，后者“有那么一丝误入歧途”。（1843年，天文学家开始寻找“嫌疑犯”，并且在1846年守株待兔，将海王星逮了个正着。）

在开始第五场演讲时，鲍尔宣布道：“现在，我们不得不讨论一下很多具有最不规则形状的以及描述最‘站不住脚’的天体。”他指的是大量彗星——比如恩克，它们就像鬼魅一样在太阳系中游荡。“我们几乎不知道它们是从哪儿来的，只知道它们是从外太空而来，而且饰以闪亮的华服，质地几近散发出圣洁之光。”彗星具有高椭圆轨道，这意味着它们在朝向太阳猛冲绕行之前，会将主要的时间都花费在太阳系“郊外”那漫漫长路上。很多轨道都非常长，以至于过去当彗星光顾地球之时，竟没有天文学家发现过。所以，你可以想象他们捕获彗星之时的兴奋程度了。

新彗星抵达的消息需要快速被传播。“彗星的移动速度通常比女王陛下的加急信还要快，所以这就需要用电报来传递消息。”鲍尔说道。但通过电报传递长信息充斥着差错与误解的风险。“这些困难通过天文学家之间的一个共识得以克服，这十分简单也十分有趣，所以我必须在这里介绍一下。”每一位天文学家都配有一部《韦氏词典》。比方说，新发现的彗星在天空中的坐标是123º45′，那么需要传递信息时，他们就会翻到词典的第123页，找到当页第45个单词（鲍尔用的词是“选民”），这个词便是他们通过电报传递的全部信息，告诉大家一个太阳系外层游客来访了。

在鲍尔的最后一场演讲中，他转而讲述超出太阳系的整个物质世界，也就是所有恒星。他在展示板上给我们画出了一幅很小的太阳系示意图。但我们应该在哪里摆上天狼星？这是距离地球最近的恒星之一，也是夜空中最亮的一颗恒星。“这张画板必须延伸到讲堂的墙壁以外，穿过伦敦……它大概得从我们现在聚在一起的这个地方，延伸出去约20英里（32千米）才够……你看我们这颗太阳和它的行星们在空中所占据的位置是多么孤独。”在夜空中我们看到的所有恒星都是一颗颗“太阳”。“或许也有些行星在围着这些‘太阳’旋转，但对我们来说，看见这些行星简直是毫无希望。”（当时或许是毫无希望，但如今天文学家已经发现数千颗在遥远恒星周围绕轨旋转的行星了。）

他让我们想象这些恒星像小船一样在广阔的大海中漂浮：

在这些船里有各种物体与生命：船长和船员、乘客、客舱、引擎、救生艇、绳索，还有储藏室。想象一下那儿储藏着各种珍宝，夜晚时分映照于大海之上，而能够表明这精巧结构存在的唯一标志，无非就是偶然从它那里发射出的几束光线。我们也许已经很确定地感受到，对一艘大西洋轮船来说，船上的一点微光完全不足以给出其性能与容量的信息，同样，闪烁的星星也完全不足以展现无垠宇宙最绚烂的概念以及其中的各种关联。

他说得多正确啊！我们如今还在构建有关这些系统的知识，就像环双星行星开普勒-16b——一个环绕两颗而非一颗恒星的世界——的发现那样，那里的任何居民都可以看到两次日落，也会有两个影子做伴。宇宙中这些浩瀚的复杂体，委实能让我们屏息凝神。

第二章　一颗陨星的故事

詹姆斯·杜瓦爵士

（Sir James Dewar）

1885

这些定期发生的流星雨，是地球通过散落于太阳系中的尘埃流时产生的现象，而这些尘埃流就如同某个曾在此处游荡的彗星撒落下来的一缕面包屑。

不可思议的时空探索之旅

1.陨石是什么？

2.流星划过天空时，光束是怎么产生的？

3.陨石的成分是什么？

4.流星雨是怎么产生的？

太空并不总是像它看上去的那样广阔得不可触摸。偶尔，外太空的一些“使者”会从天而降，摔落到地球上。在杜瓦爵士的讲座中，他将注意力集中在陨星这一令人迷醉的目标上，它们不仅会在撕开天际之时发出梦幻般的光芒，还会带来很多重要的信息，如它们曾经到过的地方。通过它们，我们不必离开地球，便可以获知很多有关太空的事。

根据1885年12月30日出版的《每日新闻》（Daily News）报道，这一年的系列讲座一如既往地受欢迎：“跟往常一样，这次讲座在开场前一小时就已经满座，由于放假在家，爱好科学的年轻学生对儿童预留专座提出了巨大需求……讲桌上的设备比过去很多次讲座摆的都要少，不过有很多陨石藏品，其中一些还是大颗的。”

除了这些珍品以外，讲座正式开始之前，我们还看到了一幅巨大的示意图。那是一张欧洲地图，显示的是陨星曾经掉落过的位置。杜瓦解释说，这些陨石其实都是从太空降落下来的石块或金属块。然而，它们只有掉落到地球上之后才会被称为陨石，当这些物体还在空中飞时，它们会被称作流星。听众此时可以看到一张讲解图，上面有很多运动物体的速度，其中重点标记出了陨石的惊人速度。一辆快速列车的速度可以达到每秒90英尺（27米），同样的时间里声音可以传播1100英尺（330米）；地球在轨道上运行的速度大约是每秒18英里（28.8千米），然而对比之下，陨石与彗星在太空中猛冲时可以达到每秒36英里（57.6千米）与每秒45英里（72千米）。

詹姆斯·杜瓦爵士（1842—1923）

1842年，杜瓦出生于苏格兰珀斯郡（Perthshire）。作为化学家与发明家的他，最为世人熟知的，莫过于他在1892年发明的真空容器。这是现代保温容器的开山鼻祖，无论瓶中物质的温度相比环境来说是过热还是过冷，它都可以使之保持。在使用钯元素进行实验时，他突发灵感，将一个黄铜腔置入另一个腔体，以调控内部的温度。他最初制成的容器如今仍在皇家科学院展出，彼时他正在皇家科学院担任富勒化学教授[译注：Fullerian Professor of Chemistry，由慈善家约翰·富勒（John Fuller）生前赞助创立，第一个获此基金赞助的是著名物理学家、化学家迈克尔·法拉第，而詹姆斯·杜瓦于1877年起担任这一职位]。对于退休的要求，他不管不顾，一直坚守在这一岗位，直到1923年在皇家科学院的住宅里离世。杜瓦一共开办了10场圣诞讲座，总数仅次于迈克尔·法拉第与约翰·廷德耳（译注：John Tyndall，著名物理学家，他所发现的“廷德耳现象”应用十分广泛），成为史上第三。

杜瓦特别提到了一件奇闻。1860年，一颗流星不幸撞入了地球的大气层。它划破天际，在印度旁遮普地区杜尔姆萨拉（Dhurmsala）的上空发生猛烈爆炸，炸成很多碎片，比大炮齐发的声音都要响亮。任何人如果想要捡起散落的碎片都不得不立即丢掉，因为它们实在是冷得出奇。这是由于，在外太空那样一个酷寒的世界里，石块被极度冷冻，而大气的热量很难穿透到冰冷的岩石内部。杜瓦还解释，巨大的响声其实在爆炸之前就出现了，因为太空岩石在飞快地旋转。他通过一只旋转的轮子证明了这一观点——那轮子的确发出了刺耳的声音（在皇家科学院档案保存的一本笔记本上，可以看到杜瓦勾勒出的这一装置，见第26页）。

这样的事件发生时，天空中通常会伴有一道炽热的光束，仿佛飞速的流星碾碎了空气中的粒子一般，摩擦力则导致它变得过热。借助那些捆扎在车床上被设计用于模拟流星的装置，我们得以发现线速度与温度之间的关系。当旋转的线速度达到每秒180英尺（54米）时，就足以让装置的温度上升了。

陨星

杜瓦给我们展示了在这样疾驰的状态之下，陨石上的物质，尤其是那些细小颗粒，会产生怎样显著的反应。使沙砾高速撞向玻璃，玻璃表面遍布的麻点就是它受损的证据。通过一台砂轮，杜瓦也给我们演示了，这样的细小颗粒相对来说更容易着火。他收集了一些火花，随后在他的显微镜下向我们揭开了它们的真面目。有一些颗粒呈现完美的球形，这是因为强烈受热导致它们彻底熔化并形成球状液滴，随后又冷却、再次固化——科学家们所称的“熔合”过程。很明显，坠落陨星的最外层就像杜瓦那台砂轮制造出的火花，经历了熔合过程。然而，这个过程在空气中持续的时间实在太短，所以熔合层还没有一张纸厚。通过一个令人兴奋但需要一定勇气的实验，杜瓦展示了物体中心的温度可以与其边缘的温度相差极大（杜尔姆萨拉陨星这个案例也一样）。他将熔融的玻璃倒入一盆冷水，玻璃随后便开始固化。突然，他将手伸入水中，将玻璃珠取出并放到讲台上砸个粉碎。很显然，玻璃珠的内部还是白热状态，并持续发光了一段时间。这与陨星的情况正好相反。尽管如此，这仍然是个令人记忆深刻的证明过程。

通过将一颗陨石放入一杯水中并观察排出的水量，杜瓦证明了它大约有多重。这些陨石主要由铁和镍构成，排出的水量多于地球表面你所能见到的大多数石块。

接下来，他开始证明陨石的成分与地球的熔岩类似。此时在展示板上出现一张高倍放大的陨石晶体结构照片，随后出现的则是熔岩的对比照片，两者的相似性十分引人注意。因此，令人确信的是，这些陨星是远古火山向太空中喷发出的石块，只是在后来某个时刻又落回地球上。（不过，如今我们已经知道事情并非如此，这些太空岩石比地球的年龄古老得多。）

杜瓦在其身后的屏幕上展示了一些壮观的火山照片，并特别关注了维苏威火山（译注：Vesuvius，位于意大利南部，著名的庞贝古城在公元79年因该火山的喷发而损毁）。火山喷出的蒸气云射向天空高处，同时他指出，这些物体所到达的高度，正是人类此时刚刚企及的。1886年1月8日出版的《每日新闻》报道称：“他说，还没有人到过大气层中比5英里（8千米）更高的高度。毫无疑问，终有一天会有人升空到10英里（16千米）处，但这需要的装备与现有的迥然不同，他们恐怕必须自己带上空气，也许还得把全身包裹起来。”杜瓦说得没错，2014年，谷歌公司的高级副总裁艾伦·尤斯塔斯（Alan Eustace），穿着定制的加压太空服，带着生命支持系统，从25.7英里（41千米）的平流层一跃而下，打破了此前由跳伞员费利克斯·鲍姆加特纳（Felix Baumgartner）在2012年创下的纪录。

讲座安排表封面

杜瓦指出，在如此高的位置，大气要稀薄得多，但仍然可以导电。为了阐明这一点，他用气泵将玻璃瓶中的大多数空气抽出，随后给置于其中的红宝石通以电流，制造出了色彩斑斓的壮观景象。

如果在一个晴朗的夜晚外出，或许还需要远离城市里的明亮灯光，那么你将很可能撞见偶尔划过天空的耀眼光带。它们就是流星（也被称作“飞星”）。当然，它们压根不是星体，但当它们冲进大气层时，细小的太空尘埃就会变得白热而明亮。杜瓦指出，每一年都有几次广为人知的流星雨——流星集中爆发，持续好几天。每年8月与11月的年度秀尤其引人入胜，此时地球带着我们来到了尘埃的路径上。就在此次讲座前不久，瑞典城市乌普萨拉（Uppsala）还报道了一次令人记忆深刻的流星雨，当地人肉眼可观测到多达4万颗流星。据估计，在此次流星雨期间，总共有15万颗流星闯入了大气层，但其中只有一部分被认了出来。

这些定期发生的流星雨，是地球通过散落于太阳系中的尘埃流时产生的现象，而这些尘埃流就如同某个曾在此处游荡的彗星撒落下来的一缕面包屑。然而，相比这条轨迹的尺度，我们这颗行星实在是太小了。《每日新闻》的另一篇文章提到了杜瓦此时打的比方：“这就好像是一个只有四分之一英寸（0.64厘米）厚的身体穿过一辆足有一英里（1.6千米）长的列车。当地球穿过这辆流星列车时，一些流星自然会被地球的强大引力吸引，这就造成了它们的大量坠落。”为了证明地球的引力究竟有多强，杜瓦制作了一块巨大的磁铁，那还是之前为迈克尔·法拉第特制的设备，重达2英担（大约100千克）。它将物体吸向自己，就如同地球吸引流星一般（虽然利用的是电磁力而非万有引力）。

流星发出的光芒可以用于确定它的成分，这就是光谱技术。流星产生的光线，穿过一台光谱仪（一种通过棱镜使光线变向的光学仪器），并发射出一系列彩色明线，即所谓的“发射光谱”。每一种元素都有专属于自己的一套发射光谱，因此我们只需要将流星光谱上所看到的线与已知线谱进行对比就可以了。杜瓦通过一只电坩埚和一台光谱仪对此进行证明。他先是投入了一小粒钠，后来还放了碳，于是我们可以看到当它们被加热时所产生的发射光谱。接着，他投入了一些磨碎的流星物质，非常肯定的是，我们看到了同样的线条。流星里肯定含有钠和碳。

杜瓦1904年在皇家科学院做讲座时的油画

在当时，科学家们开始思考，认为流星与地球之所以都由相同的物质构成，是因为它们具有相同的来源。1886年1月10日出版的《劳埃德画报》（Lloyd’s Illustrated Newspaper）对杜瓦的最后一场讲座进行了报道，“现代观点认为，在非常遥远的某个时期，我们所处的这整个系统，并不是以液体或固体的形态存在，而是一团气体，随后气体逐渐凝结，变得更明亮，并释放出大量热”。如今的天文学家应该会同意这一点。

好了，到了本年度系列讲座闭幕的时候了。根据《每日新闻》报道，“杜瓦教授向他的青少年听众致谢，感谢他们的关注；又向更年长的一些听众致谢，他们常常是台下的主力，杜瓦很感激他们耐心地听完了这些原本为初中生准备的讲座”。不过他还有最后一张王牌要展示。矿物学家詹姆斯·R.格雷戈里（James R.Gregory）从杜尔姆萨拉陨石上切出了很多小颗粒，然后将它们分给每一个孩子做礼物，并附送了一本小册子，其中包含了一段戏剧性的解释，也就是一颗太空岩石从天而降的那一天所发生的一切。

讲座手册封面

以下内容来自档案

虽然讲座是在130多年前举办的，但杜瓦在1885年圣诞讲座上留下的一些手工制品仍在皇家科学院的档案室里保存完好，包括一本随杜尔姆萨拉陨石一同送给参会孩子的小册子。其中，有一段于1860年7月28日送达旁遮普政府的报告，开头是这样写的：

1860年7月14日，星期六。当天下午2：00至2：30，杜尔姆萨拉观测站人员受到可怕的爆炸声惊吓，开始他们猜测这应该是一场巨大的爆破，或是站点上方某个地方的矿场发生了爆炸；其他人则猜测可能是发生了地震，或是发生了一场特别大规模的滑坡，因为坚信房子会倒塌，将他们掩埋，于是都从自己的房间里冲了出来。

档案资料里还有一本杜瓦手写的原始笔记（可以看到右图的封面，以及下一页中的一些手写内页），在本子上他潦草地记载着自己的一些想法，事关他可能在1885年讲座期间进行的示范。笔记本有轻微的放射性，那是他当时在实验室操作的其他实验导致的（放射性现象直到10年后才被发现，因此杜瓦并不知道自己暴露在危险之中）。在其中一页上，你可以很清晰地看到他勾勒的一些车床设备，他在第二场讲座中用这些设备演示了伴随流星出现的温度上升现象。在另一页上，有一幅用来解释镀锌这种化学过程的电路图，即采用薄薄的一层锌保护铁使其不生锈的方法。

第三章　太空遨游

赫伯特·霍尔·特纳

（Herbert Hall Turner）

1913

我们在夜空中看到的所有一闪一闪的恒星，都不过是距离我们更遥远的“太阳”……

不可思议的时空探索之旅

1.行星运动的规律是什么？

2.太阳光要花多长时间抵达地球？

3.空气可以被冻住吗？

我们现在准备开启一段壮阔的旅程。自地球的大气层向上飞行，随着我们开始打破地球引力的桎梏而变得更为自由，我们也将看到空气是如何变得更薄而气压是如何降低的。我们会一直往上飞，到达月球和别的行星，考虑一下太阳系中可能存在的其他生命。在通向更远的恒星以前，我们还将听到特纳有关太阳黑子形成的理论，而天文学家们已经对其观察了好几个世纪，并对太阳为何照耀的问题争执不休。

我们的旅程从地球开始，然而将它甩在身后的传说早就有了。特纳解释说，这些神话可以一直追溯到两千年前伊卡洛斯（Icarus）那次靠近太阳的不幸尝试（译注：伊卡洛斯是希腊神话中的人物，他与其父亲一同戴上蜡和羽毛制成的翅膀，飞到空中，在试着飞得更高的过程中，太阳的炙烤将蜡熔化，伊卡洛斯不幸落入大海）。只不过很久以来，我们都在很努力地去理解重力——一种将我们拽到地面上的神秘力量。

古希腊哲学家亚里士多德猜想，重力会让10磅物体的落地速度达到1磅物体的10倍，而他的这个想法在两千年里都没有遭到质疑。“好了，相信别人告诉你的，或者试着自己去发现真相，到底哪种更好呢？”在孩子们帮着论证亚里士多德的错误观点之前，特纳如此问他的这些小听众。他们一起重现了伽利略那个从比萨斜塔上扔下铁球的著名实验。一颗木球与一颗铅球被同时从很高的位置丢下，掉落在位于皇家科学院讲堂地面上的一个沙箱里——几乎同时落地。

特纳解释说，导致微小区别的原因是空气阻力。“我没有办法将这间屋子里的所有空气都抽掉再做实验，因为我们还需要呼吸。”作为替代办法，他将一片羽毛与一枚硬币放进玻璃容器中，然后用气泵抽去了其中的空气。非常肯定的是，两个物体同时落到了容器底部。特纳没想到的是，就在58年之后，“阿波罗15号”的宇航员戴夫·斯科特（Dave Scott）会在月球上做类似的实验，在没有空气的月球上丢下了一片羽毛与一把锤子。

我们随后听到的是万有引力定律如何被确立的故事。天文学家第谷·布拉赫与约翰内斯·开普勒为天空绘图，终于发现了行星运动的规律；行星轨道距离太阳越远，它绕行太阳需要的时间也会越多。特纳揭示了艾萨克·牛顿爵士是如何通过他在引力方面的工作解释这些规律的——太阳的引力迫使行星在各自的轨道上运行，距离太阳越远，受到的引力就会减小。他讲到埃德蒙·哈雷如何利用牛顿的万有引力定律预测了一颗著名彗星的回归，而这颗彗星如今已被命名为“哈雷”。哈雷意识到历史记载的一些彗星实际上是同一个天体，它们在完成新一圈太阳轨道绕行之后便会回到太阳系内层。他还向我们展示了那棵曾在牛顿脑袋上砸下一只著名苹果的苹果树的一小截（这是从路那头的皇家天文学会借来的）。

讲座安排表封面

赫伯特·霍尔·特纳（1861—1930）

1861年，特纳出生在利兹市，并于1884年成为格林尼治皇家天文台的首席助理。随后在1893年，他成为牛津大学萨维尔天文学教授[译注：Savilian Professor of Astronomy，由亨利·萨维尔（Henry Savile）于1619年在牛津大学创立，同时他还创立了Savilian Professor of Geometry，即萨维尔几何学教授职位。萨维尔本人是一位任教于多所学院的数学家。因此，1913年圣诞讲座的时候，他是当时英国天文学界最负盛名的泰斗之一]。

1930年8月，他在斯德哥尔摩因脑溢血猝死，但并无遗憾的是，他在自己的领域中做出了最后的贡献。这一年稍早的时候，第九颗行星被发现，一个名叫维尼夏·伯尼（Venetia Burney）的11岁小女孩向他的祖父建议，将新行星命名为冥王星（Pluto，普路托），因为冥王普路托是罗马神话中尚未被使用过的神灵名字。伯尼的祖父是从牛津大学退休的一位图书管理员，他将建议转达给特纳，后者又将信息传达给了该行星的发现者美国人克莱德·董波（Clyde Tombaugh），克莱德同意了这一命名。

行星分布

尽管已经知道引力是非常难以被克服的力量，我们还是义无反顾地开启了外太空之旅。“我们刚刚在报纸上看到，飞机已经可以爬升到接近4英里（6.4千米）的高空，而现在的问题是，这是否就是我们希望实现的高度。”特纳说道。显然，这与我们抵达25万英里（40万千米）外的月球不能相提并论。不过在我们进发之前，他很乐意告诉我们，这个距离是怎么测量出来的。为此，你需要一支雪茄。要想点亮这支雪茄，你需要判断什么时候火柴与烟头处在同样远的距离，烟头越短，你的视线就斜得越厉害。“如今的天文学家也在采用相同的办法……（只不过）用的不是两只眼睛，取而代之的是两台望远镜。”这种“天文斜视”的方法也就是所谓的视差法，利用此法，就可以测量出月球距离我们有25万英里那么远。

天文斜视图（左：地球中心；上：格林尼治望远镜；下：好望角望远镜；右：月亮）

现在，我们已经确认了摆在我们眼前的旅程有多远，这样就可以正式开始遨游了。“也许你已经注意到……如果你乘坐一条船游玩，那么在离开码头之前会做很多准备。我们或许应该考虑一下首先必须穿过的大气层，这就好比是我们在开始一段海洋旅行之前的码头。”最需要考虑的大气特性之一，就是它究竟有多大的压强。

试图分离两只马格德堡半球

为了求证这一点，特纳搬出了马格德堡半球——两只可以扣到一起的半球形的黄铜杯，而之所以会叫这个名字，是因为它们的设计者德国科学家奥托·冯·居里克（Otto von Guericke）曾担任过马格德堡市的市长。正常情况下，它们很容易就可以被拉开。不过随后，特纳的助手希思先生（Mr Heath）将两只铜杯之间的空气全部抽出。特纳从前排听众中找了两名志愿者，让他们试着将它们拉开。“尽管两个壮汉用尽全力，但还是不能将两个半球分开……甚至希思先生和我帮他们一起拉，也还是无济于事。”不过随着我们向太空深处探索，就会注意到这些压力正在慢慢消失，因为空气变得越来越稀薄，而我们已经将地球表面的大气层甩到了身后。

“或许我们现在会想，此刻已经可以和我们的老朋友，也就是地球，说声再见了，而它在很多方面都‘吸引’着我们。”特纳在开始第三场讲座之前如此说道。不过此时，他的关注点并不是用火箭飞船载我们离开这颗星球。取而代之的是，他准备用一台望远镜带着我们“遨游”，并在一开始拿它与“豪华汽车”对比。“任何人在拥有一辆汽车的时候，都会仔细地观察各个部位，而今天，我也需要让你们了解一下望远镜，以及望远镜的一些历史。”除此之外，用望远镜旅行真的比飞到天空遨游安全多了。“我想我恐怕是拿不到飞机驾照了，而且即使我真拿到了，或许也会遭遇事故。”他坦承道。

除了更加安全，我们还可以借助望远镜旅行得更快一些。“想象一下，你需要赶去太阳那里，哪怕给你两年的时间……那么你也需要每分钟飞行93英里（148.8千米）——这实在是太快了！但如果是通过望远镜，我们就可以‘飞’得更快。”光只需要8分多钟就能从太阳表面抵达地球。这场讲座的后半部分所讲的，基本都是望远镜的历史与机械构造，以及它们的镜片尺寸是如何逐渐增加的——从伽利略在17世纪时最原始的发明，到加利福尼亚州威尔逊山上的直径100英寸（2.54米）的巨大胡克望远镜。这台望远镜在此次讲座之后四年才建成，并且直到1949年都保持着“世界最大”的桂冠。1929年，埃德温·哈勃用这台望远镜发现了宇宙膨胀（见本书第51页）。

第四场讲座开始了，特纳讲道：“你们也许会觉得我们开始旅行前的准备时间有点久，毕竟你看六场讲座中的前三场都在讨论我们打算去哪儿……不过我发现，我们‘宇宙向导’般的伟大先驱也是这么干的。”他的主题很快转到了火星，并且特别提到了那些被某些人声称已经发现了的骇人听闻的“运河”。他将这一奇案比作一场审判：

法庭在判处一个人有罪之前，必须非常慎重，尤其需要谨慎的一件事，是不被他们喜爱或厌恶的感情左右。在火星“运河”这个案例中……有些人非常急于相信这颗行星已经有人居住，并倾向于跳转到任何看起来像是火星上有生命的暗示。其他一些人也是一样焦虑，他们觉得我们这小小的地球应该是整个宇宙中唯一有生命存在的地方。不过这个想法是不是太自私了些？

对于这个问题，特纳则是一位骑墙派：“我自己还没拿定主意。”

火星表面可以看到的“运河”素描图（左：G.赛克斯绘制；右：珀西瓦尔·勒韦尔绘制；中：火星，1896年8月14日）

一些天体——包括月球与更外层的行星——非常寒冷，实际上可以说是极其寒冷，以至于那里的空气都会被冻起来。“在不久以前，还没有人见过被冻住的空气，甚至连液化的空气也没见过。不过如今你们这些幸运的年轻人可以很容易地看到，并且在这次讲座中，我们会进行一两次实验，展示一下液态的空气。”特纳解释道，“在这间讲堂的后面就有那么一罐。它冰冷刺骨……也许弄一点液化空气倒在一盆温水中，你就能看到它们最美丽的效应。它会制造出雪白的云……现在，如果有听众愿意拿起这些扇子把这些云扇走，他们就将看到，在云的下方，一小块冻上的糕状空气正在猛烈地冒着气泡。”

特纳有关液化空气实验的演示

第四场讲座是在证明“极寒”的实验中结束的，而第五场的主题是太阳系中最热的物体：太阳。作为光和热的使者，很多古代文明都会崇拜太阳。讲堂里的灯都已熄灭，此时我们正在享受排成一列的埃及神庙创造出的视觉盛宴，阳光只会在一年中的某个特殊的日子里才会照进一个开口。突然，一束光线由一盏灯笼投射而来，照亮了一身国王装束的小男孩，他是刚刚被趁黑放到讲台上的，“他的皇室装扮很值得大家为其鼓掌”。

对人类来说，太阳非常遥远。特纳解释道：

（我们与太阳的）真实距离是9300万英里（1.5亿千米），你也许会觉得这个距离不是很近。的确，如果我们打算乘坐一辆快速列车去旅行，这个距离真的不是很近。想象一下我们坐的是一辆时速60英里（96千米）的火车，那么我们就将需要175年才能抵达太阳。我想，根据英国通常的费率计算的话，返程票大概得耗资100万英镑。想想都觉得很神奇，地球每年完成的旅程是这一趟距离的三倍之远，却没有向我们收取哪怕一分钱。

特纳说，1610年，伽利略通过望远镜观测到太阳上的黑点，成为世界上第一个发现太阳黑子的人。三个世纪后，格林尼治皇家天文台通过观察发现，太阳会带着它们一起旋转，它们也会随着时间变化而移动。不过它们的出现仍然是个未解之谜。“我们到现在几乎还不知道这些黑子究竟是什么，以及它们是怎么产生的。”特纳说道。尽管如此，他还是提出了自己的简单想法：

太阳黑子（1894年2月）

我去年一直在专门研究这个问题，并且发现我所想的正是这一难题的关键所在：我认为有一堆陨星正在绕着太阳旋转……现在我猜想这个陨星群高速旋转时距离太阳的表面有些太近了，因此其中一些陨星实际上就是擦着太阳表面掠过的，从而产生了太阳黑子……在这里我需要向各位坦白的是，其他很多天文学家尚未用非常友好的眼光看待我的这一想法：我想他们终有一天会开始接受它。

特纳有关太阳黑子起源的想法（自上而下依次为：狮子座陨星群的轨道；土星轨道；引起太阳黑子的陨星群轨道；地球轨道；太阳）

（实际上，他们不会再接受这个观点了。如今我们知道，太阳黑子实际上是一些磁活动集中的区域，从太阳内部向外传输的热量受此活动抑制。结果，这些区域的温度更低，也就显得更暗一些。）

在特纳开设讲座的那个时代，太阳的能量从何而来并不为人所知。开尔文勋爵曾经断言，所有的动力都来自引力收缩产生的热量。不过新近的发现——放射性改变了这场游戏。“我们发现还存在一种新的能量源可以提供能量，也就是原子分裂。”他说道。为了证明这一点，我们观察了一个实验。通过负载电荷将几片金叶隔开，随后取很少量的镭元素（具有放射性）靠近金叶。这些金叶逐渐靠近到一起，“说明电荷已经被消除了，而你仍然可以看到我实际并没有接触任何物品。事情的真相是从镭元素中发射出一些小颗粒：它们击打着金叶，带走了那些电荷”。我们如今已经知道，太阳的动力来源并非原子分裂，而是原子聚到一起，释放出能量。

我们在夜空中看到的所有一闪一闪的恒星，都不过是距离我们更遥远的“太阳”，而它们也是我们最后这场讲座的主角，听众席中很多人都很惋惜讲座已近尾声。根据《快讯晚报》（Evening Despatch）的一篇报道，“他们不得不带着些许遗憾，与这位和蔼的向导分离。几天的相处使他们早已将他视为良师益友，而特纳博士或许已经知道这一点，于是尽可能地将这段旅程延伸”。特纳告诉我们，尽管恒星看起来像是刻在天空中，似乎离我们一样近，但其实它们跟我们之间的距离千差万别。对此，他用先前某次讲座的照片进行对比：“那天，《每日镜报》（Daily Mirror）记者光临现场并拍下了我们所有人，他的照片是在一张平面的底片上显示的，但这并不会诱使我们去认为这屋子里的人都是平面的。我们都知道，有些人在前排，从而会显得更大一些……有些人则是坐在后排，就会显得更小一些。恒星的情况也是如此，大而亮的恒星很可能就是在前排……而非常昏暗的那些就处于后排了。”

当然，事实并非如此简单。“还有一个至关重要的错误我们必须避免。”他说道，“后排座位也许会有成年人，而前排也会有矮小的人。换句话说，也许有些明亮的星其实距离很远，而一些暗星却离我们很近。”星星会一直移动，但距离实在太远，因此我们人类终其一生也难以明显觉察到这一现象。一些恒星甚至会以双星系统存在，就像舞池里跳着华尔兹的一对舞者（见下页图）。

然而，实在没办法，帷幕总会拉上。“我已经尝试挑动你们忍耐力的底线了。”特纳说道，“我们刚才对星星的造访，远比我们过去完成的旅程艰巨……尽管如此，你们还是听得非常耐心，我只能在此表达自己最诚挚的谢意，并祝福大家新年快乐！”

大陵五双星，实际上是一明一暗两颗恒星互相绕着对方旋转（中：亮星；外：暗星轨道）

第四章　穿越时间与空间

詹姆斯·霍普伍德·金斯爵士

（Sir James Hopwood Jeans）

1933

没有诗作歌颂过月球上的日出或日落。那不过就像开了一盏电灯那样稀松平常……那里没有与地球一样的多彩迷人的大气，也没有天空。

不可思议的时空探索之旅

1.宇宙中是否存在其他生命？

2.地球的“孪生”行星是什么？

3.夜空中可以看到多少颗星星？

4.恒星是如何形成的？

5.星云是如何形成的？

在这场后来成为二战前最后一场关于太空的圣诞讲座中，金斯给大家带来了激动人心的穿越太空之旅。演讲自地球的历史开始，而在到达那些遥远星系之前，我们将快速造访月球和更远的行星。金斯的演讲可以说是最受好评、备受尊崇的演讲之一，而这得益于他对年轻听众那种爷爷般的引导风格——他令他们激动万分。

“在（讲座进行期间）这些忙碌的日子里，我们每个人都将步履不停。”金斯在第108次圣诞系列讲座上如是开场。我们会随心所欲地旅行，直到“地球看起来比太阳光束下最微末的灰尘还要渺小”。不过一开始，他向听众介绍了我们自己的这颗行星。听众席究竟座无虚席到何种程度？事实上，爸爸妈妈们、叔叔阿姨们，甚至德高望重的教授们，都在假装没有留意到一些座位是专为孩子预留的。拥挤的人群只好溢流到了皇家科学院的图书馆，在那里观看讲座转播。

就像之前不少次圣诞讲座都曾做过的那样，金斯把一只悬挂于天花板上的巨大钟摆晃动了起来，以此来证明地球正在自转，以至于皇家科学院的讲堂也在跟着旋转。钟摆定时地一来一回，从未偏离它的直线轨道。然而45分钟后，它摆动时所到的顶点，却已处在房间里明显不同的位置——地球此时一定已经在我们的脚下发生了移动。[这一实验最初是由法国物理学家莱昂·傅科（Léon Foucault）于1851年在巴黎先贤祠完成，如今你仍然可以在那儿看到这个装置。]在讨论我们这颗行星年龄的时候，金斯先是提出了20亿年（如今我们知道地球实际年龄超过这一数字的双倍），随后他介绍了魏格纳（Wegener）的板块漂移学说，也就是认为地球的盘古大陆在过去数十亿年间发生了移动并分离的一种观点——在当时来说可谓是令人耳目一新。金斯称，这一概念“尚未得到科学家的广泛认可”。直到20世纪60年代，地质学家才从海床上找到一些证据，证实大陆确实在漂移。

讲座安排表封面

大陆漂移

然而孩子们最感兴趣的，还是金斯对地球上那些巨型远古“居民”的介绍，不过金斯也提醒他的听众，这些巨兽与苏格兰尼斯湖中存在的各种生命完全不同。事实上，这些恐龙是“不适于生存的生物”——对更灵活的竞争者无能为力，而这一属性为它们的灭绝埋下了隐患。他描述翼龙不能轻松行走，并解释说这个物种身体太重，大概也很难自行起飞。为了能够飞行，它们只能不断艰难地爬上山坡，然后滑向空中。“我觉得我们大概会为它们感到遗憾——它们的一生似乎在无止境地重复学习滑雪，却没有索道能够助它们一臂之力。”

詹姆斯·霍普伍德·金斯爵士（1877—1946）

詹姆斯·金斯出生在兰开夏（Lancashire），是英国天文学界的杰出人物。在剑桥大学三一学院接受教育之后，他于1906年当选皇家学会的研究员，而剑桥大学曾经汇聚过包括艾萨克·牛顿爵士在内的科学名人。1928年他被封为爵士。与亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）爵士——参与证明爱因斯坦广义相对论的科学家——共同致力于宇宙学研究。

他最为人所知的工作是研究恒星的形成过程，以及它们如何从因重力坍缩的星际尘埃云中产生。1929年退休的他，是带着我们对宇宙进行详细回顾的最佳人选。

为了将这些反映地球历史的重大事件放入讲座背景，金斯通过一根18英尺（5.4米）高并划分成很多线段的长杆进行讲述，其中每一英寸（2.54厘米）都代表了1000万年。代表人类在地球上出现的时间仅仅占据了最上面的1/15英寸（1.7毫米），而代表文明人类出现的时间更是只有最上面的1/2000英寸（12.7微米）。说完了地球的历史，他又展示了月球在望远镜下的照片，让我们得以一瞥即将造访的地方。他估算，如果现在出发[按照大概每小时3500英里（5600千米）的平均速度前行]，我们将在周六的3点钟抵达目的地——正好来得及开始他第二场讲座。

不过诗人们要注意了：你们对月球的美好幻想将会破灭。很多民谣写手笔下那美丽与宁静的化身，并不是情侣们容身的地方。“没有诗作歌颂过月球上的日出或日落。那不过就像开了一盏电灯那样稀松平常……那里没有与地球一样的多彩迷人的大气，也没有天空。”金斯说道。那里甚至没有可供呼吸的空气。在将月球的望远镜照片投送到大屏幕上之后，他展示了一片斑驳的世界，覆盖其上的只有一些毫无生机的多山高原，就跟纳尔逊上将纪念碑[译注：Nelson’s Col-umn，位于英国伦敦的一座著名圆柱形纪念碑，为了纪念在1805年殉难的霍雷肖·纳尔逊（Horatio Nelson）。在一场战役中，英勇善战的纳尔逊战胜法国、西班牙联合舰队，阻止了拿破仑的进攻计划]一样幽暗冰冷。《阿伯丁新闻》（Aberdeen Press）在1934年1月1日对这一讲座的报道中写道：“如果听众席里有诗人的话，他们八成会回到家，把他们写过的那些充斥着月亮的十四行诗扔到火堆里。”

然而，对无畏的旅行者来说，月球也并不是没有馈赠。由于质量比地球小得多，它的引力也要弱得多——大概是我们习以为常的地球引力的1/6。因此，根据金斯所说，我们不费吹灰之力就能打破自己的运动纪录。他经过计算后讲道：“一名优秀的跳高运动员应该可以跳到约36英尺（10.8米）高，而一名说得过去的跳远运动员起码能跳120英尺（36米）。”他还设想了一下在月球表面上玩板球的画面：“如果不想让比赛变成纯粹击球手的运动，场地必须达到地球上场地尺寸的6倍。糟糕的是，所有这些都将使比赛的节奏只有地球上的1/6那么快，也许……根本称不上比赛了。”金斯接着开始证明月球表面的环形山是如何被陨星撞成的。根据报道此次讲座的《每日电讯报》（Daily Telegraph）描述：“在大家极度且难以抑制的兴奋之下，火药矿石在沙箱中被一个电火花点爆，环形山的形成过程便是如此。”

《每日邮报》（Daily Mail）关于金斯演示环形山形成的插图（右上：全神贯注的听众；下：嘭！）

在摒弃了有关月亮的神话之后，金斯的第三场讲座主题转到了行星以及它们是否有生命存在的问题。就在此前四年，冥王星刚刚被发现，故而共有九颗行星。我们被告知它们都以相同的方向沿着轨道绕太阳旋转，“就像一种单行道的交通方式”，除了水星、金星与冥王星之外都有卫星。（冥王星已经不再被划分为行星，它在2006年被列为矮行星，但我们现在知道它至少还有五颗在轨卫星。）金斯还详细介绍了当时最新研究中有关木星的第十颗卫星存在的可能性（如今我们知道它至少拥有67颗）。

在介绍水星这颗距离太阳最近的行星状况之时，金斯说造访者也许会感觉像是“一片被炙烤的羊羔肉”，因为水星表面的温度达到了令人窒息的430℃。当话题转到金星时，他的描述却与现代天文学家之间存在着很大差异。金斯将金星描绘成地球的“孪生”行星，并说道：“水也会以液态的形式存在……因此我们应该有希望看到海洋或河流……和地球上非常相像。”（然而，今天我们知道金星是太阳系中最炎热的行星，平均温度超过了450℃。）

在讨论火星可居住性的问题时，金斯说天文学家们尚未找到彼处存在氧气的直接证据，如果我们想去访问，就得自己带上或者制造氧气。对于此前很多圣诞讲座讲者都提到的著名“运河”，他表示怀疑：“天文学家的主流观点……是否认这些猜测中的‘运河’有任何真实存在的可能性。”话题转到木星之时，他解释称，即便不会因氨气过多而咳嗽、打喷嚏、流泪，我们也不会享受在那里的旅行奇遇。土星更没有什么魅力，因为气温太低，甚至连氧气也变为液态的了。金斯随后通过向一碗液氧中投入一小块加热过的木炭证明了它的性质。氧气是火焰燃烧时所需的“燃料”，而液氧甚至比它的气态兄弟具备更强的反应性，因此液体在几秒内就燃烧殆尽，并产生令人目眩的白光，这也是让听众兴奋的地方。金斯根据这些条件总结认为，我们可能是太阳系中唯一的居民：“在这鬼魅世界的永恒征途中，我们是唯一有生命的成员。”

然而，如果说太阳系的规模已经大到难以理解，那么星系之间的间隔就没什么东西可以比拟了。“在一只大概1000英里（1600千米）长、1000英里宽、1000英里高的笼子里放上6只大黄蜂，让它们闭着眼睛乱飞，我们就造出了有关恒星间距的模型。”金斯在第四场讲座中讲道。将黄蜂的速度降到蜗牛步速的1%，差不多就能代表它们相对运动的速度。毫不奇怪，它们看起来就是固定不动的。

虽说太阳相比它这一家族的行星来说似乎显得非常庞大，但对比最大的恒星，它小得可怜。“6400万个太阳大概可以比拟一颗这样的巨型恒星。”金斯一边解释，一边抓起一枚小戒指与一个直径为10～12英尺（3～3.6米）的圆环对比。（如今我们已经知道甚至还有更大的恒星存在，例如大犬座VY与盾牌座UY，它们可以装下差不多25亿个太阳。）它们释放的能量也非常巨大。“一些恒星表面的每平方英寸（6.5平方厘米）都可以产生50万匹马力的功率（相当于每平方厘米有5.7万千瓦的功率），这足以供应整个伦敦的能源，或是让不列颠群岛的所有铁路线都能运转。”不过并不是所有恒星都采用和太阳相同的方式释放出巨大能量。人类的耳朵可以听到10个八度的声频，但人类的眼睛只能看到光谱上的一个“八度”。其实很多遥远的恒星所发射出的大部分光线，都处于我们不能看到的“八度”——例如紫外线或X射线。

金斯从听众席中拽出贝蒂·格林（Betty Green），她的父亲威廉·格林（William Green）担任皇家科学院讲座与实验室助理长达50年（1900—1950）。通过化装，她扮演了一名来自天狼星系行星的外星人，而天狼星是一颗紫外恒星，也是夜空中最亮的星。金斯告诉她，她已经被邀请参加2034年的一场派对。根据次日出版的《爱丁堡晚报》（Edinburgh Evening News），在紫外线（UV）下，她显现出“闪闪发光的金色脸颊，一双粉色的眼睛中瞳孔明亮而又具穿透力，以及乳白色的牙齿”，这就是你造访天狼星系的行星系统时将会看到的情景。

此刻我们已经知道这些恒星到底有多远，接下来注意力就该转向它们的总数了。“（夜空中）可以看到多少颗星星？”金斯在开始他的倒数第二场讲座时，如此问他的年轻听众。这个问题的答案大概不会是你所想象的数字。对人眼而言，有5000颗星星足够明亮，可以被看到，但其中只有2000颗会同时出现在夜空中，因为它们也会像太阳那样升起落下，所以并非全部星星同时可见。他用幻灯片向听众展示了一些为人熟知的星星，其中包括北斗七星（大熊座）。

不过他透露，在我们这个车轮状的银河系中，共有2000亿颗恒星在不停地旋转。这足以让地球上的每一个人都拥有其中100颗（1933年全球人口只有大约20亿）。然而，由于我们只能看到其中的5000颗，金斯提醒到，你很有可能并不会见到你被分配到的那颗。这个恒星的集合——我们称之为“银河”——如此庞大，以至于我们的太阳完成一次绕行需要2.5亿年。这也就意味着在人类文明发展的6000年里，太阳绕着银河系运动的角度“不过是钟表上的时针在一秒内转过的角度”。

接下来，金斯讲到了他的专业领域：恒星的形成过程。他详细描绘了当大量气体与星尘在自身引力作用下发生坍缩时，新生的恒星如何从云状的“茧”中孵化而成。星云开始坍缩时，便会旋转得越来越快，这很像滑冰运动员收回手臂时的状态。金斯说，这一点也许可以说明为什么很多恒星会以双星的形式出现——它们在分离之前是以“连体双胞胎”的形态出现的，但分离后“依旧如亲兄弟一般紧紧相连”。为了证明这一点，他向一只快速旋转的玻璃罐中滴了一滴油，不过令他吃惊的是，油滴分裂成了三部分，而非他所计划的两小滴。

金斯将我们的注意力拉到整个宇宙以及我们所能观察到的最遥远的星系，并以此来总结他的演讲。“看起来好像宇宙经历过一次爆炸，就像炮弹在战场上爆炸那样，而我们就附着在其中一块正在飞行的碎片上。”他所探讨的正是距当时尚不足五年的最新科学发现，即宇宙正在膨胀。不只是我们银河系中数以千亿计的恒星，也包括很多相似的星系，它们彼此之间都在越飞越远。世界上最大的望远镜可以分辨出200万个这样的“星云”（那时的科学家们给它们起了这个名字）。星系距离我们越远，似乎远去的速度就越快，有些似乎可以达到每秒15000英里（24000千米）。不过，这些星系并非真的在太空中移动，而是之间的空间在伸展，使这些星系发生分离。为了从视觉上进行模拟，金斯吹起了一只气球，用来代表膨胀的宇宙，让聚精会神的听众将太空想象成气球的表面。如果在上面画上一些圆点代表星系，那么尽管它们没有真正在橡胶上发生移动，还是会随着膨胀互相远离。

金斯特别谈到了距离我们最近的大星系——仙女座，并说起它远在80万光年（1光年≈94605亿千米）以外。这也就是说，我们如今看到的仙女座星光，在太空中旅行了80万年才抵达这里。（当你知道现代测算的仙女座与地球之间的距离为250万光年时，也许还会更加沉默。）金斯指着一张宽4英尺、高2英尺（1.2米×0.6米）的仙女座照片，随后说，要想让太阳以一颗光点的大小等比例地呈现，他需要把这张照片放大到整个欧洲那么大。

为了说明为什么我们会觉得星云朦朦胧胧的，金斯向一只玻璃碗中注入了一些香烟的烟雾。星云之所以看起来像云，是因为那里的尘埃与气体构成了烟雾，跟碗中的烟雾导致其不透明是一个道理，我们则在努力地看穿它们。接着这位演讲者、天文学家向听众席中发射了一些美丽的烟雾光圈，于是无论男孩还是女孩——甚至还有他们的祖父们——都跳起来试着去抓住它们。

次日出版的《约克郡邮报》（Yorkshire Post）报道了这场讲座的尾声：“一个狂热的小男孩为詹姆斯爵士高呼三声，一大群听众带着签名本和问题，蜂拥到了他身边。”

以下内容来自档案

在金斯为第五场讲座准备的笔记中，他潦草地在其中一页的背面画了一幅群星图，那就是北斗星。或许即便是最伟大的天文学家，也需要时不时地给自己一些来自天空的提示。

在一张满是注解的手稿上，我们可以看到金斯的计算——如果我们瓜分银河系所有的恒星，地球上每个人将会分得大概100颗。我们还可以看到他对恒星在银河中的运动与钟表秒针进行对比的计算。

《每日邮报》在1934年发表的一篇文章用溢美之词盛赞了金斯的第一场讲座：“这些实验颇有启发性……月球上噩梦般的奇异地形在屏幕上闪烁着微光，地球早期的巨型爬行动物如此吓人却也如此滑稽，以至于孩子们被深深吸引，向前探着身子坐着，手托下巴，自始至终凝神屏息。”

第五章　生活中的天文学

哈罗德·斯潘塞·琼斯爵士

（Sir Harold Spencer Jones）

1944

想象一下，星光如同雨点坠落一般抵达地球，而地球是一把伞。雨从上方垂直坠落，但如果你走进雨中，就会觉得雨滴是略微从前方敲打着你的伞。

不可思议的时空探索之旅

1.恒星的运行方式是什么？

2.夜空中最亮的是哪颗星？

3.一天、一个月、一年分别都是如何计算的？

4.位置线是什么？

太空通常可以被视为一个遥远的地方，某种程度上说，它可以和我们在苍穹之下奔波的地面生活隔离开来。在任何人或者机器未能探索太空的时候，这种被割裂的感觉尤其真切。因此，在这场于二战期间进行的系列讲座中，斯潘塞·琼斯着手向他的小听众证明了太空对我们所有人究竟有多重要。

我们将会从地球开始说起——就像之前很多次太空主题的圣诞讲座那样，后来也还将延续这一点。我们这颗行星并不像很多先贤想象的那样固定不动，实际上，它是在自己的位置上旋转，这也就意味着星体从天空中划过的运动其实是一种假象。《泰晤士报》1944年12月29日关于首场讲座的报道如此写道：“在弄明白那些恒星就像太阳一样在天空中画上一圈轨迹之后，孩子们第一次在屏幕上窥见了五大行星。这也让他们摒弃了星星是镶嵌在水晶球上的固有想法。”

证实地球正在转动的证据已经在一场经典的圣诞讲座中得以展示，那是借助皇家科学院大讲堂屋顶上悬挂的大钟摆证明的（参见第44页）。地球的自转，意味着我们看太空的视角也在变化，因此对我们而言，星星看起来就像发生了移动。更确切地说，有一个例外——北极星，古人也称之为紫微星（帝星）。不过，即使是北极星，也并非绝对固定不动。当斯潘塞·琼斯证明参照北极星标记的自转轴并不像莎士比亚在《裘力斯·恺撒》中所说的那样固定不动，听众席中再一次爆发出了惊呼。在这部剧的第三幕第一场中，恺撒说道：“然而我就像北极星那样坚定不移，像它那样拥有真正恒久的品质，在这苍穹之下再没有第二个人像我这样。”

事实上，我们的行星就像陀螺一般在晃动——尽管斯潘塞·琼斯断言他的听众对飞机和坦克的模型更为熟悉，对于这种很基本的玩具或许缺乏足够的实际经验。因此，他的助手抽起了陀螺，于是我们看到它开始绕着它的旋转轴左右摆动，这种运动叫作进动。地球受其他行星的引力影响，因此会做出类似的运动。结果，每26000年，我们这颗行星的旋转轴便会在空间中留下一个假想中的圆圈轨迹，这就意味着，北极点指向北极星的时候，不过是指向了这个圆圈上的一小段。《每日邮报》1944年12月29日的报道称：“当他解释了真正的恒星运行方式后，他收到的喝彩声不亚于一个哑剧明星。”

讲座安排表封面

在他的第二场演讲中，斯潘塞·琼斯继续讲述我们在夜空中可以看到些什么，以及因为地球绕日运动，我们观察那些星座的视角会如何变化。比如天狼星——这颗夜空中最亮的恒星还有个昵称是“狗星”（Dog Star），在夏天闷热难耐的日子里，会与太阳同升同落，所以才有了俗语“狗天气”或“狗天气结束了”。它之所以如此明亮，是因为它是距离我们最近的恒星之一，位于猎户座的左边，冬夜里可以在著名的猎户座腰带三星的延长线上找到它。

天狼星所属的大犬座

哈罗德·斯潘塞·琼斯爵士（1890—1960）

1913年，斯潘塞·琼斯成为格林尼治皇家天文台的首席助理。10年后他搬到南非，并成为好望角皇家天文台的主管，在这个职位上他又工作了10年，直到1933年回到格林尼治，接受了格林尼治皇家天文台主管这一德高望重的职位。他最出名的，也许是他在1957年写下的一段略带惋惜之意的评论：“在人类登上月球之前，或许将有几代人为之奋斗至死……他们最终也许会成功做到这一点，但成功回到地球的可能性很渺茫。”事实上，人类仅仅在他写下评语之后12年便将脚印留在了月球之上——并且成功返回。

我们这颗行星的轨道运动还造成了一种光行差效应，这是詹姆斯·布拉得雷（James Bradley，斯潘塞·琼斯的前几任格林尼治皇家天文台主管之一）在1725年发现的现象。由于我们在围绕太阳旋转，一些星体实际上是偏离它们真正的位置而出现在我们的视野中的。想象一下，星光如同雨点坠落一般抵达地球，而地球是一把伞。雨从上方垂直坠落，但如果你走进雨中，就会觉得雨滴是略微从前方敲打着你的伞。

我们讲座的焦点随后转向地球绕轨运动时与太阳间的距离。根据《泰晤士报》1945年1月1日的一篇报道，“当这位格林尼治皇家天文台主管在黑板上计算出地球与太阳的距离后，他开始谈到由开普勒发现的其他行星运行规律，而他的计算速度足以令初出茅庐的数学家咂舌欢呼”。17世纪早期，德国天文学家约翰内斯·开普勒发现了行星运动三大定律，其中有一条描述的是行星与它的恒星之间的距离关系，以及它需要多久绕行一圈。行星距离恒星越近，它绕行的时间就越短。事实上，开普勒发现，所有行星轨道半长轴的三次方跟其公转周期的二次方的比值都相等。

此时此刻，你们大概会想知道，地球的运动从哪些方面影响了我们每一天的日常生活。不过直到第三场演讲，花样才逐步展开：我们的行星就是一只巨大的钟表。我们也许不会一直注意到这一点，但我们的时间系统其实是基于地球运动的：一天，是地球自转一周所需的时间，而时、分、秒不过是这一周期等分后的结果；一个月，大约是月相重现所需的时间；一年，则是我们这颗行星完成绕日运动的时间。人类已经发明出很多精巧的方法，在过去数个世纪里记录时间，斯潘塞·琼斯也给他的听众展示了大量案例。他讲到一个古代的刻漏，也就是水钟，那真的是相当不精确，每小时能多走15分钟；他还提到一种沙漏计时器，只能计19分钟，然后就需要倒转过来。我们看到了18世纪的一款油钟以及很多日晷，其中最令人称奇的，是莎士比亚时代流行的一种可随身携带的小型日晷。

然而，最精确的计时方式并非孤立地观察太阳，还要参照很多星星，毕竟它们的数目要大得多。在仅仅一天的间隔中，同一颗恒星会跨越（通过）一条子午线——地球北极到南极之间的一条假想线。斯潘塞·琼斯向我们介绍了格林尼治皇家天文台那台著名的爱里子午环望远镜，借此可以实现子午线观测，而国际本初子午线的设定就是基于它的位置。（在讲座进行的时候，这台望远镜差不多已有百年历史，已被用于观测恒星通过75万次。）他解释了世界是如何被从东向西划分成24个时区的，每一个时区与相邻时区之间都会间隔一小时，其时间差几乎都是基于格林尼治同一台望远镜测算的结果。想象一次逆着地球自转方向环游地球的长距离旅行会是什么样。当被问起这个问题时，听众感到特别疑惑——你抵达与你出发有可能在同一时间点！

不过，要想算出你在格林尼治以东或以西多远（你所在的经度），并不总是那么容易。你在赤道以北多远（你所在的纬度）可以很容易地根据北极星与地平线之间的交角计算出来，然而在海上确认经度的方法，让海员们苦寻了几个世纪，即便是哥伦布也被搞糊涂了。根据《泰晤士报》于1945年1月5日发表的报道，斯潘塞·琼斯在第四场讲座中谈道：“当一场惨烈的暴风雨在（哥伦布）自巴哈马回程之时袭击了他的三条舰船后，（他）脑中闪现了一个十分困惑的问题，那就是如何确定他这几叶扁舟的具体位置……而在当时，这个问题超出了他的能力，也超出当时任何人的思维所及。”

由于导航判断错误，太多的人在巨浪中丧命，太多的宝藏在惊涛中沉海，因此1675年，皇家天文台在格林尼治建成了。第一位格林尼治皇家天文台主管约翰·弗拉姆斯蒂德（John Flamsteed）被委以重任，寻找一种在海上确定经度的天文方法。当时所设想的办法，是编制出一份长长的星星位置表，也就是一本关于恒星的年鉴，这样海员们就可以找出他们要走的路了。斯潘塞·琼斯告诉大家，弗拉姆斯蒂德领到的月薪不过100英镑，此外给他配了一名“愚蠢而又坏脾气的助手”。

然而，最终确定经度的问题并没有采用天文方法解决，而是在一项发明——一种精确到令人难以置信的时钟——之后实现的，它可以在漫长的航海过程中与恶劣的使用环境下保持准确计时。在离港之前，将这样一台精密计时器与格林尼治进行对时，海员所处当地的时间则通过太阳在中午爬到一天之内最高点时进行确定，利用两个时间之间的差便可以换算成经度。这种非凡的精密计时器，其发明人是钟表匠约翰·哈里森（John Harrison），而最终解决经度难题的装置也就成了大家熟知的H4。斯潘塞·琼斯从格林尼治皇家天文台借出了这个堪称无价之宝的工艺品向听众展示，并且允许他们在讲座行将结束时进行操作。

斯潘塞·琼斯接着解释说，我们曾经为了组建精密时钟付出努力，某种程度上来说就是“自讨苦吃”。事实上，我们如今的时钟计时比地球自身还要精准。他揭示出，石英晶体钟是此时已经出现的最精密时钟，它每天的时间误差只有千分之一秒。然而，地球自转周期也会发生轻微的变化，在1918年前的半个世纪里，它已经变慢了一秒的百分之四到百分之五。更新的计时技能，意味着我们可以监测正在变化的地球自转速度。

在第六场也就是最后一场讲座中，我们又回到了导航技术，但这一次我们听到的是，在这场蔓延全球的战争中，太阳和星星是如何被“武装”到军队之中的。我们听说了“位置线”的重要性，它们是在地图上画下的轨迹，代表你所处的大概位置范围。几条位置线的交叉点，代表的就是你所处的精确方位了。在这一导航技术的发展史中，有一个关键角色——托马斯·萨姆纳（Thomas Sumner，1807—1876）船长。萨姆纳在19岁时便跑到了纽约并结婚，但这段婚姻仅仅持续了三年，二人最终劳燕分飞。于是他应召成为对中（国）贸易路线上的一名船员，也正是在此期间，他发明了一条如今被称为“萨姆纳线”的定位线。他注意到，只是通过观察太阳高于地平线的高度，你便可以测算出自己在地图上的大致位置。一般而言，你距离赤道越近，太阳在天空中的高度就会越高。

两名皇家空军的飞行员随后向我们证明了天文定位仪的导航威力，这是一种在空中借助星体简单测算位置的仪器。我们还观看了一段视频，阐明了星体与星座如何被连接到一起，以及为了夜间飞行导航，怎样轻松辨别它们的方位。在第二次世界大战期间，在闪电袭击与不列颠战役的硝烟记忆尚未消散时，天文学在我们日常生活中的重要意义不言而喻。

第六章　对宇宙的探索

伯纳德·洛维耳爵士（Sir Bernard Lovell）

弗朗西斯·格雷厄姆-史密斯爵士（Sir Francis Graham-Smith）

马丁·赖尔爵士（Sir Martin Ryle）

安东尼·休伊什（Antony Hewish）

1965

在夜空中，银河就像是一座满是尘埃的彩虹拱门。

不可思议的时空探索之旅

1.恒星会一直存在下去吗？

2.宇宙是一直就存在，还是在什么特别的时刻才开启了这一切？

3.宇宙大爆炸理论是什么？

4.宇宙微波背景是什么？

这一年的皇家科学院讲座很不寻常地安排了多位讲者，不过倒也不是史无前例。这一安排最终成为点睛之笔，因为我们听到了四位来自射电天文学——一种利用无线电波观测星体的较新技术——领域杰出先驱的声音，并且直接见证了正在成形的宇宙奇观。这一系列讲座，也是1957年与1961年人类与机器分别进入太空之后，首次有关太空的讲座。

除了我们可以看到的光波外，地球无时无刻不在经历着辐射的洪流。在第二次世界大战之后，最新的军事技术都被用于和平目的，射电天文学得到了蓬勃发展。在这场讲座举办的时期，自太空传来的无线电波被深入探索，天文学家们也由此吸收了大量新信息。正如休伊什在系列讲座第一场中所解释的，太空中的物体的辐射具有很宽的能量范围。我们的眼睛只能看到整个光谱图中很窄的一段——我们称之为可见光。不过光谱中的其他部分我们其实也很熟悉了，包括X射线、微波和无线电波。“要想知道我们身边的宇宙正在发生什么，我们就必须探测并分析抵达地球的各种辐射。”他如此讲道。然而，“多数辐射在大气层中很高的位置便被拦截，永远不会抵达地面”。只有两种类型可以通过：可见光与无线电波。

光谱

在全光谱上，每一种光都有着典型的波长——波在一个振动周期内传播的距离。比方说X射线，它波长极短，具有优越的皮肤穿透能力。无线电波的波长最长（这也是为什么我们会利用它们发送远距离的信号）。休伊什解释称：“射电望远镜所处理的波长，约是（可见）光的100万倍……必须比常规望远镜大得多……才能收集到更多可测的能量。”当时世界上最大的射电望远镜位于焦德雷尔班克（Jo-drell Bank）天文台，其直径达到令人匪夷所思的76米，后来以伯纳德·洛维耳的名字命名。“迄今为止，这些射电照片为我们揭示了如此震撼的细节特征，可以说为了造出更大更强的观测设备，没有一丝努力是白费的。”

洛维耳的第二场讲座成为这次系列讲座的焦点，他要讲的主题是太阳系。“对太阳系的深入探索，过去这10年是举足轻重的，自地球发射火箭飞行器进行太空旅行的可能性，极大地刺激了这一进程。”这场讲座是在1965年12月30日进行的，就在同一天，《泰晤士报》刊登了一封洛维耳为捍卫太空探索而写的公开信。这是对某个皮拉尼博士（Dr Pirani）的回击，后者之前曾声称这些探索任务对科学而言微不足道。洛维耳辩称，对地球周围俘获粒子的发现与研究，对行星之间的磁场及等离子体和太阳风的测量，都真切地变革了我们对地球地质环境及太空的观念。

伯纳德·洛维耳爵士（1913—2012）

洛维耳在第二次世界大战期间研究雷达系统，在此之后，他建成了著名的焦德雷尔班克天文台，紧挨着麦克尔斯菲尔德（Macclesfield）。在那里，他主持建造了后来世界上最大的可操控射电望远镜——如今享誉盛名的洛维耳望远镜。其完工时间恰在1957年10月第一颗地球人造卫星“斯普特尼克1号”被送入轨道前几个月，从而有能力接收到它的信号。这一望远镜也是冷战中对苏联核打击威胁的预警系统中的一部分，洛维耳后来宣称苏联曾因此试图将他毒害。

在讲座中，洛维耳讨论了对行星之间的空间的一些发现，其间还给我们展示了一个太阳耀斑（太阳表面的一种爆发现象）的模型，这是从曼彻斯特一路南下送过来专门为讲座准备的。我们也可以听到太空噪声的直播，这是洛维耳与邮政总局间达成的合作，直接建立了一条从焦德雷尔班克到皇家科学院的电话专线（见第182页）。

太阳耀斑

格雷厄姆-史密斯在他的讲座中探究了“作为行星的地球”，关注了最近在地球高空大气中的一些新发现。“很久以前就已经采用气球和无线电方法进行探索了，但直到火箭与卫星所携带的设备得到应用，探索才延伸到了比过去高得多的高度。在这些最值得关注的结果之中，有一个是范艾伦带（大气层高处荷电粒子因地球磁场而被束缚的区域）的发现。”在木星周围，也发现了相似辐射带的存在。

洛维耳随后开始的讲座将话题转到对银河奇观的探索。在夜空中，银河就像是一座满是尘埃的彩虹拱门。“当我们凝视银河之时……我们看到的是数以百万计的星星围绕着太阳系散发的光芒。这些星星是银河系的一部分，而银河系是一个巨型凯瑟琳之轮形状的恒星集团（译注：凯瑟琳之轮是基督教中的一个图形，一般是边缘插刀的车轮，旋转的圆形烟火也可以产生类似形状），广阔到光都需要10万年才能横跨它。”通过观察这一恒星集团的移动方式，就可以很清楚地发现我们的银河系正在旋转。然而，银河系中有太多尘埃会阻挡我们的视线。幸运的是，无线电波可以穿透这些尘埃，给我们带来视线未及之处的有价值的信息。“射电天文学家已经能够挑选出由气态氢发射出的无线电波，它们不会受尘埃的影响，从而给出非常清晰的呈现银河系形状的图片。”洛维耳说道。

弗朗西斯·格雷厄姆-史密斯爵士（1923—）

格雷厄姆-史密斯于1964年在焦德雷尔班克天文台获得职位，并与洛维耳共事。在加那利群岛的拉帕尔马（La Palma）火山岛上建立一套世界级望远镜的项目中，他扮演了关键角色，而这些望远镜如今仍然是地球上最好的天文观测设备之一。1982年至1990年，他担任第13任格林尼治皇家天文台主管。

射电望远镜让我们得以知道更多超大恒星在生命最后时期的死亡方式。“特别让人感兴趣的是那些变得不稳定并爆炸的罕见恒星。”洛维耳继续讲，“银河系中充满过去爆炸产生的碎片，我们可以对很多碎片发射的无线电波进行研究。”（就像休伊什即将发现的脉冲星那样——见休伊什生平简介。）

我们的最后两场讲座由赖尔主持，他一开始便将我们的注意力拉到了射电星系上，那是“发射”大量无线电波的恒星集合。“当射电望远镜开始记录天空时，最初获得的天文图与一般星图有着很大不同。经过多年的仔细研究之后才发现，射电图谱上的这些目标可以被充分地精确定位，因为其中有一些是可见的。”很多这样的射电源其实都是远方的星系，它们坐落在我们银河系遥不可及的宇宙边缘。“这些‘射电星系’发射出的无线电波，比我们的银河系这样的一般星系要强上100万倍。”他讲道。他承认，要解释为何会是这样，“给天体物理学家们带来了巨大挑战”，同时他也让我们去想一想这些能量源会是什么（如今我们知道这些星系的中心有质量超大的黑洞，可以消耗物质并释放出巨大能量，但在1965年时，如此极端物体的存在与天文常识相悖）。

安东尼·休伊什（1924—）

休伊什为天文学历史上最伟大的发现之一做出过贡献。1967年，他和他的学生乔斯林·贝尔-伯内尔（Jocelyn Bell-Burnell）一道研究了第一颗脉冲星——一颗已死亡的恒星的致密内核，发现其可以发射出无线电波脉冲信号。这些脉冲信号相当有规律，让人不禁猜测它们或许是某个地外文明的杰作——于是贝尔-伯内尔与休伊什便将他们的第一个发现命名为LGM-1（“小绿人1号”）。

在讲座结束之前，赖尔说起了宇宙学——一门将宇宙作为整体研究的学科。“宇宙是一直就存在，还是在什么特别的时刻才开启了这一切？”他问道，“为了在这一问题上有所突破，就必须尽可能用最大尺度对宇宙进行研究。”这也就是说要看到最遥远的星系，而赖尔也因此名扬天下。这些星系的光线经历了数百万年抵达我们这里，带来了有关宇宙开始时会是什么样的信息。“通过对遥远距离的宇宙进行观察，我们或许能看到过去，因而获得一些有关过往历史的灵感。”他讲道，“现有证据已经开始说明我们所熟悉的宇宙过去不可能是永恒存在的。”

马丁·赖尔爵士（1918—1984）

赖尔是一位射电天文学先驱，通过新技术观察星系，其距离远超过前人所能企及。他在1966年获得一枚骑士奖章。1974年，他还与安东尼·休伊什分享了当年的诺贝尔物理学奖，后者与他共同主讲了1965年的圣诞讲座。这是诺贝尔奖第一次颁发给了天文学领域。他在1972年至1982年间担任格林尼治皇家天文台主管。

讲座安排表封面

宇宙大爆炸

他此时讲起了大爆炸理论。该理论认为，宇宙开始只是一个极小极热的点，后来向外膨胀，直到变成我们现在看到的宇宙。这一理论与宇宙正在膨胀的现象十分吻合，一个如今正在变得更大的宇宙，必然有个更小的曾经；在过去的某个时间点，宇宙一定经历过非常小的阶段，然后开始膨胀。这与之前建立的观点相悖，过去人们认为我们身边的宇宙一直以来就保持着目前这个状态。赖尔正在谈论的，是我们对宇宙起源的认识的核心观点。就在讲座一年前的1964年5月，美国天文学家阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）与罗伯特·威耳孙（Robert Wilson）意外发现了我们如今所说的“宇宙微波背景辐射”——实际上是宇宙大爆炸的余晖，也是这一事件真实发生的有力证据（详见第121页）。

洛维耳给皇家科学院院长劳伦斯·布喇格的电报

以下内容来自档案

通过洛维耳与皇家科学院院长劳伦斯·布喇格爵士之间的信件往来，我们可以很清楚地发现洛维耳是位不可多得的讲座主持。实际上，在1963年与1964年这两年，他都接到了圣诞讲座的邀请，但均由于其日不暇给而被迫放弃（信见右图，译文见后）。

1964年，布喇格转过头试探了一下赖尔，但他也因为繁重的工作拒绝了邀请。布喇格此时显然是有些心灰意冷，在一封次日写给剑桥大学出版社A.K.帕克（A.K.Parker）的信中，他写道：“让年轻人对科学保持热情，这是非常重要的事……恐怕给赖尔过多压力不是件好事，但我现在很惆怅，不知道该邀请谁。”最后，布喇格决定让洛维耳和赖尔只完成部分讲座，并邀请格雷厄姆-史密斯与休伊什共同分担压力。

右边这封洛维耳写给布喇格的信（译文见后），展示了他为这些讲座做的一些深思熟虑的准备。

洛维耳的启蒙

用洛维耳自己的话来说，他从来都不是什么模范学生，在学校时，考试成绩经常处于下游。不过，在一次班级旅行中，他聆听了来自布里斯托尔大学的A.M.廷德尔（A.M.Tyndall）教授有关电火花的一系列讲座，或许一切的改变都因此而起。那还是1928年，彼时洛维耳只有15岁。廷德尔的那些讲座在1930年的圣诞讲座上再次上演——一位圣诞讲座讲者被另一位圣诞讲座讲者鼓舞。“讲堂里摆着的所有仪器和装置，都仿佛是我对天堂的遐想。突然，我极度渴望成为廷德尔实验室中的一名学生。三年后，经历了两场考试，我实现了。”很多年后，他在接受《锋芒在线》（译注：Spiked Online，是英国一家网络杂志，主要关注人文传统下的政治、文化及社会）采访时如此说道。

在后来接受大学的采访时，他说：“廷德尔以及那所讲堂，在几分钟内改变了我的一生。回家的路上需要乘坐一段电车……然后需要再步行长达3英里（4.8千米）。这段路我已经走过很多次了，但我仍然能记起来刚听过廷德尔讲座的那个夜晚。那是我第一次抬头仰望，看着满天繁星，猜测它们究竟是什么。”

布喇格，见信悦！感谢您为了我在12月30日及1月4日的讲座，协调焦德雷尔班克与皇家科学院之间的问题所做的一切努力。电报篇幅有限，不再多言。

亲爱的劳伦斯爵士：

对于您在2月11日的来信中有关我将在皇家科学院主讲圣诞讲座的建议，我认真地考虑了良久。这的确是至高无上的殊荣，但我实在不觉得今年我可以去面对此事。我的主要麻烦您也许知悉，汉伯里·布朗（译注：Hanbury Brown，出生在印度的英国天文学家，首次发现了热光的二阶干涉效应，1962年搬到澳大利亚，就职于悉尼大学）最终还是因为他钟爱的澳大利亚，把我们都撇下了，如果找不到替代人选，我们肩上的重担您可想而知。我非常高兴的是，此刻我们有很大的机会物色到一位令人钦佩的继任者。我甚至还想知道明年您是否可以考虑我们共同努力，请这里的两位教授一起上台。为了更好地完成这项重任，肯定需要大量的准备工作，因此我考虑，如果有可能共同分担的话，此事也许会变得更可行。毕竟射电天文学还没有覆盖很广的领域，要想独立分享这一课题还是相当不容易的。我非常想知道，沿着这条思路产生的想法，对您来说是否可以接受，不是说今年，也许是1965年。

我下周末计划去美国，不过会在复活节时回来。还有件事我想您听了一定会很开心：我的耀星项目进展得十分顺利，或许会在3月7日的《自然》杂志上发表另一篇通讯。顺颂

时祺

谨上

洛维耳

1964年2月21日

亲爱的劳伦斯爵士：

感谢您12月1日的来信，关于主题的事情您已经跟我提过了。周三清早参观了科学博物馆，我与科茨对此十分满意，并且我认为在第二场及第三场布置一座太阳系仪对他来说不会有任何困难。就第二场讲座所涉及的内容，我并不想让科茨背上这么个大包袱。我目前已经安排了我们电子工作室的主任奥赖利（O’Reilly）在这里（焦德雷尔班克）装配一台太阳系的发光模型，在12月29日早上直接开车带过去，这样他就可以全程对装置负责，并且在我30日演讲的时候进行操作。我知道这个模型也许会让科茨有些担心，毕竟它确实有些复杂，不过我也希望这样可以让他少担一些职责，他会因此感到开心。

我今天早上给您发了一封电报，感谢您为了联络焦德雷尔班克所做的善意帮助。我们都知道，我们提出的要求（译注：指前文中通过邮政总局现场连线的事）已经被邮政总局电报部门获知，但我们此时还没看到任何实际的行动。我希望您在此事上能够提供帮助。

谨上

洛维耳

1965年12月2日

第七章　时光机

乔治·波特爵士

（Sir George Porter）

1969

时间，就像是一条奔流不息的河，看起来会一直流淌下去，我们对此却做不了什么。不过，它是从何而来，又将流向何处呢？

不可思议的时空探索之旅

1.时间是什么？

2.记录时间的原理是什么？

3.什么因素导致400万个世纪前，每天的时间比现在短？

4.时间之河有源头和终点吗？

关于我们生命更为短暂的一些特征，时间可以说是其中一样。它究竟是什么？我们每个人对这个问题都有模糊的认识，但如果试图向其他人解释它的时候，整个概念就会变得更加令人糊涂。波特介绍了人类已经尝试过的一些标记时间旅行的方法，同时努力讲明白为什么时间看起来只会向前却从不倒流。我们将踏上一段探访遥远过去的旅程，了解科学家们如何像侦探一般，将我们这颗行星以及它所供养的生物历史线索收集起来。同时我们也将探访遥远的未来，寻找我们宇宙在时间终结时可能的命运。

“说起时间时我们都显得很熟悉：我们用各种方式称呼它，我们也用各种方式对待它。”波特开始了他的开场白，“我们耗费时间，节约时间，记录时间，失去时间，查看时间，浪费时间，标记时间，逃离时间，甚至消磨时间。然而我们不能真正去做的是理解时间。”人类已经努力了几个世纪，试图应对时间的复杂性，寻找对时间流淌精确标记的办法。波特讲述了意大利天文学家伽利略的典故，当他观察比萨教堂一盏晃动的吊灯时（此处对原文的swinging有所调整），发现单摆其实是良好的时间记录者。伽利略后来据此发明了摆钟，根据波特所说，伽利略是在逝世前不久开始设计工作的，此时由于过度通过望远镜观察太阳，他的视力已近全盲（也有很多人怀疑导致他眼盲的这一原因不过是市井传言）。

讲座安排表封面

不过我们并不总是需要自己制作一台钟。“人类在地球上诞生之时，便发现天空中有一台已经为人类准备好的时钟，而且相当不错。”波特讲道。他给我们展示了一台太阳系仪——一种显示太阳、月亮及行星运动的设备。“这便是刚才所说的时钟模型。”他继续说道，“（它）有日针、月针和年针。”一天是地球自转所需的时间，一个月差不多是月亮绕地球轨道一周，一年则是地球绕太阳一周。

如果像行星这样特别巨大的物体可以让我们标记特别长的时间周期，那么我们也需要非常小的物体以记录更短的时间。“各种可以运动的物体，从袋鼠到水晶，都可以被用于计时，”波特讲道，“物体越小，两次‘嘀嗒’之间的间隔也就会更短。”我们可以想到的最小物体之一便是原子。“原子与分子的运动也是周期性的，并且很大程度上不会被外界环境影响。”他接着讲，“大多数分子都拥有很多原子以及相应数量的振动。”这个数字如此庞大，以至于“秒”这个单位都不再以一天（基于地球自转）的等分定义了，而是以铯原子的振动为准。

太阳系仪素描图

乔治·波特爵士（1920—2002）

1920年，波特出生于约克郡，是著名的化学家。二战期间，他在英国皇家后备队服役，后于1949年在剑桥大学获得博士学位，其课题是自由基——一种与其他化学物质之间具有高度反应活性的粒子。1960年，他当选皇家学会的研究员，六年后又获得富勒化学教授的职位，并成为皇家科学院院长。一年后，因自由基课题的杰出贡献，他成为诺贝尔化学奖的获奖人之一。1972年，他获得骑士奖章，并在1985—1990年担任皇家学会的会长，在任期结束时，上议院认定其为终身贵族，波特于是成为卢登海姆波特男爵（Baron Porter of Luddenham）。他热衷于分享他的专业，做过很多次公开讲座，其中包括1976年的圣诞讲座——太阳光线的自然历史。

生物介于上述两种极端大小的物体之间，它们也都是非常好的“计时器”。“我们最熟悉的是昼夜规律——差不多就是一天，它告诉我们夜晚该去睡觉，还担当早上叫我们起床的闹钟。”波特说，“当然，我们还有非常出色的‘秒表’，那就是心脏。伽利略便是借助这一点对比萨教堂的吊灯进行计时的。而且非常有意思的是，他这一发现的最初用途之一，是医生对心跳进行计时。心跳的规律性代表着身体状况一切良好。”为了解释这一点，听众席中一名志愿者戴上了心电图装备，显示了心跳的电活动性，并测量了心律与心率。

“最值得关注的生物钟之一存在于鸟类以及昆虫体内，它们迁徙时借此进行导航。”波特将注意力转到其他动物的生物钟时，如是讲道，“看起来，它们借助的是太阳，也就是说，它们必须……拥有一种内时钟，才能知晓太阳在一天的某个确定时间处于什么位置。看起来，这些动物所拥有的内时钟，很像是机械钟里的擒纵机构（译注：擒纵机构是机械钟表中的一种常用计时元件，如今仍在广泛应用，基本结构是一个被钩住的齿轮，通常是擒的状态，能量蓄积后，齿轮挣开钩子后实现纵，一擒一纵的周期基本稳定，这一原理与水钟有一定关联）。”这些内在的生物计时器是至关重要的。“它们对我们生存的重要性毋庸置疑。它们持续地嘀嗒，传递了颇具说服力的信息。此时此刻，我的生物钟正明白无误地告诉我，我该喝茶了。”

在波特开始第四场讲座之际，他提了一个听起来挺刺激的命题，活跃气氛：“今天，我们打算穿越时空，回到遥远的几百万年以前……恐怕我们不能亲自到那时候了，而且我想将来应该也没有人可以。但我们可以很仔细地回望过去，尽管我们不能改变它。”我们依次以10倍的时间间隔往回跳跃，首先是倒退10年，也就是听众席中大多数人还记得的年代。然后是100年——“如果这里有人记得这么久的事，那么他就没有资格被称作青少年了。”他调侃了一下，“但我们还可以记得100年前的人们。”他一边解释，一边给我们展示了爱迪生于1877年发明的留声机，而它第一次在皇家科学院出现，是在1878年2月纪念这一事件的一次活动中。我们听到一段1889年英国首相威廉·格拉德斯通（William Gladstone）的录音。

“因此，过去的这100年，我们可以看到或听到很多的历史。”他讲道。然而接下来的跳跃就是1000年了。印刷出的文字，出现在大约这一时段的中间。“我们可以将（书写）称为所有时光机中最伟大的一种。”他说道，“作家们当时也许没有意识到，他们会被用这种方式尊为不朽。”此时，我们将回到10000年前，不过得换种方式了。“从这个时候起，我们就得寻找一些新的历法或钟表，哪怕是找到一些绘画、古代工具或化石也可以。”他讲道。贝壳化石特别有用，因为它们是原始贝壳经历了漫长时间后形成的结构，就像一种临时钟表。“（贝壳上）精细的条纹是每个月甚至每一天所留下的记录，对一些双壳贝类或珊瑚进行仔细观察便可以看到。”波特认为它们可以展现一些非常值得关注的情况，“泥盆纪（3.59亿—4.19亿年前）的贝壳化石显示，当时每年比现在要多出10天。”[如今我们知道这是由于月球引力的作用，地球自转每个世纪会延缓0.0017秒，因此，400万个世纪之前，每天会比现在短上6800秒（也就是近两小时），这就意味着对应于地球每绕太阳一圈的时间，会有更多的天数。这也就能说明我们这颗行星并非是一个可靠的计时器。]

但是到底我们有可能回到多久之前呢？为了回答这个问题，我们就需要看看放射性衰变的过程了。“很多种原子的原子核都不稳定，在发生分裂时还会发射出电子或氦原子，并释放裂变能。”波特说道。他将我们的注意力引到一间含有水雾的云室，由此揭示上述过程的证据。当这些粒子从原子中逃逸时，它们就会留下一道可见的轨迹，从而让我们看到正在发生的放射性衰变。“现在我们假设，一个原子每一分钟都有50%的概率会爆裂，好比我们扔硬币，正面代表爆裂，反面代表不爆。那么，想象一下我有好多原子——比方说100个，我现在需要扔100个硬币。”一半是正面，一半是反面，因此一分钟后就只剩下50个原子了。再过一分钟，还会有另外一半原子爆裂，剩下25个。如果知道现在还有多少颗原子，并且知道需要多久会有一半原子发生衰变，那么我们就可以反着推算衰变是从何时开始的。

铀原子裂变

“对于较近的历史，最有用的原子（莫过于）一种特殊形态的碳。”波特讲道，“寻常的碳原子，（原子核中）都有6个中子与6个质子（这也就是我们熟知的碳-12）。（然而还存在）另外一种碳原子，比碳-12多两个中子。”这就是碳-14，它会衰变成氮-14（原子核中有7个质子与7个中子的氮原子）和一颗电子。然而，当太空中的宇宙射线在大气中撞击了氮原子，碳-14也会经由上述衰变的逆向过程产生。由于植物会从大气中吸收空气，并经由光合作用生产能量物质，它们便会不断地补充那些衰变掉的碳-14。“然而，一旦（一棵）树死掉了，摄入过程就不再进行了。”波特解释道。树的死亡，如同按下了赛跑运动的秒表，我们便可以借助如今尚在的碳-14计算这个过程是何时开始的。波特给我们举了个例证，那是一根迄今已有3000年历史的巨杉心材。

波特在他为讲座准备的佐证资料上做的笔记

“地球的年龄（同样）可以借助放射性衰变进行推算。已知最古老的岩石足有28亿岁。”针对陨石的类似分析说明它们足有45亿年的历史。波特还告诉我们，地幔中铀元素向铅元素的衰变，说明其有45亿岁的高龄。我们随后看到的是宇宙历史中的一些事件以及它们发生时公认的时间线（括号中是今天被广泛接受的数值）：

“时间，就像是一条奔流不息的河，看起来会一直流淌下去，我们对此却做不了什么。不过，它是从何而来，又将流向何处呢？”波特问道，“时间之河有源头和终点吗？”我们对时间之“箭”的体验——看起来像是只往一个方向前行——与熵的概念存在关联，熵是某些物质系统混乱度的物理量度。波特通过一张纸进一步解释了这一理论。最初，它处于一个非常规整的状态，但他随后将其撕碎，而它也就不能很容易地重新拼接到一起了。如果你看到两张照片——一张是完整的纸张，而另一张是撕碎的纸张——你可以本能地知道哪一张是先拍下来的。类似地，一杯茶总是会由热变凉；一枚打碎的鸡蛋不会自发地恢复形状。“因此时间具有方向性。”他说道。这一理论被归纳到了热力学第二定律，也就是说，孤立系统中的熵——混乱度总是会随着时间增长。

不过时间的终点呢？不断向前流淌的时间会将我们带往何处？“热力学给出了一个清晰答案。”波特说，“如果宇宙包含了所有事物，那么宇宙之外就不存在了，整个宇宙都将遵循热力学定律。混乱度将会增长，而我们最终将达到热寂的状态，这是一种永恒的平衡。”此时此刻，恒星、行星、植物，还有人类，都只是一个个非常渺小的秩序之岛，存在于越发混乱的宇宙中。所谓的热寂，就是说宇宙最终会变得极度混乱，没有任何事物可以保持一瞬间的秩序——没有恒星，也没有生命。“不过，迄今为止没有人真的知道会是什么样。”波特讲道。

重要的是，这些有关宇宙和时间的难题，也是实验的对象。我们可以看到过去的一些星系，从而弄明白我们自己这个星系曾经是什么样。除此以外，还有什么对全人类来说更重要的问题吗？我们都在寻找一个目标，而我们如今的研究，主要还是为了获得更多的知识，或是弄明白世界运行的规律（本质上是同一件事），而在这个世界上，我们可以找回自己。探索是一项长期工作。我们自己将不会看到所有的结果，然而追寻是我们的伟大使命，直到时间的尽头。

以下内容来自档案

从皇家科学院档案中的信件可以清楚地看到，时间这个话题并不是从一开始就是波特的讲座打算涉及的。事实上，他最初决定讲的题目是“光与生命”——后来他在1976年的讲座“太阳光线的自然历史”中回归了这一主题。也许由于当时BBC的时间穿越系列节目《神秘博士》（Doctor Who）受到狂热追捧，他做出了改变（第一集在1963年11月播出）。在一封1969年9月23日寄给BBC制片人艾伦·斯利思（Alan Sleath）的信件（信见下图，译文见后）中，波特写道：“我很想拥有一台像‘神秘博士’那样的时光机……”

亲爱的艾伦：

皇家科学院圣诞讲座1969/1970

非常感谢你的建议列表，显然，很多可能性都存在，而我对其中一些非常喜欢。不过与此同时，我还有另外一个打算，我觉得应该让你知道我此时的想法，这样你会在我们谈话之前，对这些问题进行考虑。

我想总标题应该是“时光机”，而六场讲座的标题分别如下：

（1）引子——穿越时空；

（2）原子“嘀嗒”；

（3）化学钟与生物钟；

（4）“大”时间，“小”时间；

（5）快，更快一些；

（6）直到时间的尽头。

我想知道您会怎么看待“时光机”这个标题。

它暗示的是钟表以及各类设备，不只是那些测量时间的，也包括用于实验的那些，无论其时间长短，因此，这题目非常好地囊括了这一主题。不过，我很想拥有一台像“神秘博士”那样的时光机，利用你那台超级智能的照相机，在第一场及最后一场讲座时来点小把戏，这样其中的关联就一目了然了。

如果你方便的话，我建议下周末的什么时候见个面，那时候我应该已经准备好第一版相当不错的草稿了。顺颂

时祺

敬礼

1960年9月23日

第八章　行星

卡尔·萨根

（Carl Sagan）

1977

地球发射的人造物体正在太空中旋转着，而人类不会永远被束缚在仅有的这颗行星之上。

不可思议的时空探索之旅

1.“地心说”是如何转变为“日心说”的？

2.生命是什么？

3.宇宙中是否存在另一个适合生命产生的星球？

4.坑洞在宇宙中意味着什么？

距1827年迈克尔·法拉第举办第一次讲座整整150年，神秘的美国天文学家、宇宙学家卡尔·萨根带来了这一系列六场讲座，带着他的听众踏上了一段穿越宇宙深处的征程。萨根在皇家科学院现身的前一年，对太阳系的探索收获了一些里程碑式的成果，火星受到了特别关注。在路过其他行星之前，我们将会聆听这些值得铭记的发现，然后前往更广阔的银河系，在其他恒星系统中寻找像我们这样的世界。

在旅程开始之前，我们首先必须明白行星遵循着怎样的秩序，以及它们看起来是什么样。对萨根而言，探索行星真正令人兴奋的地方是去发现“那里的东西究竟和这里的东西有多大程度的不同”。借助一台太阳系仪——太阳系的机械模型，他很认真地开讲了，揭示太阳系这个绕轨运动的世界是如何运行的。在指到木星与土星的时候，他说它们分别拥有12和10颗卫星（与如今我们所知的67和62颗相差甚远）。

“这幅太阳系的照片相对较新。”他讲道，“在大部分人类历史中，人们都认为地球处于中心，这不只是说太阳系，也是指宇宙的中心。这是一种天文学意义上的自负心态，我们认为自己是独一无二的，宇宙中的其他一切物体，相比地球和它的居民来说，在某种意义上都是次要的。然而，我们如今已经发现事与愿违——我们不过居住在宇宙中一个单调而不起眼的地方。”从地心说（认为地球是中心）到日心说（认为太阳是中心）的转变，是对金星星象进行观察促成的。

金星

在萨根的第一场讲座中，他从听众席中找来两名志愿者，证明了这一点。“我准备做的，是请一个人扮演地球，再请一位扮演金星，而我就试着扮演一下太阳。”他讲解道。代表地球的那位志愿者，站在电视录像机的旁边，让我们可以从地球的视角观察金星。第二位女生手持金星的模型，缓慢地绕着萨根旋转，萨根则对着她的方向点亮了一盏灯，于是金星出现了盈亏，就如同月亮一般。这种现象只有当两颗行星绕着固定位置的太阳旋转时才会出现。当伽利略首次指出这一现象时，我们的妄自尊大就这样被撕破了。

讲座安排表封面

然而望远镜也就只能带着我们如此远观了。如果真的需要弄清行星的细节，确定上面是否有生命存在，我们就必须发射探测器与之来一次亲密接触。萨根非常兴奋，因为就在他的讲座前几个月，NASA已经发射了两台探测器——“旅行者1号”与“旅行者2号”，为的是利用地球轨道外四颗行星的特殊位置，而这是175年一遇的机会。不过探测器不会就此停住。“它会义无反顾地离开太阳系。它将被迫永远在恒星之间的黑暗中游荡。”他讲道，“它的发射器会寿终正寝，从此变得寂静无声，但依然会是走得最远的人类使者。”（他说得很对。“旅行者1号”在2012年时离开了太阳系，而我们如今依然与它保持着联系。）

不过如果打算寻找生命的迹象，我们就首先必须理解生命是什么。因此，在他的第二场讲座中，萨根重点介绍了我们自己这颗行星上的生物多样性，生命被描述成了地球表面的“浅浅锈层”——借鉴詹姆斯·金斯所创的词。他从兰花谈到雨林，从蚊子聊到蝙蝠。一只活着的袋鼠被推到了皇家科学院的讲台之上，这种动物不需要喝水，而是从食物中摄取所有水分。然而，当萨根站在查尔斯·达尔文的画像下面时，我们被告知，所谓多样性不过是一种幻觉。生命由同一个祖先演化而来。“我们都是表亲：我们与橡树，我们与猎兔犬，我们与海棠，我们与长须鲸……我们彼此之间都是紧密相连的。”而那个共同祖先，在我们地球的历史长河中，很早就已经出现了，它提高了让我们看到生命无处不在的可能性。“好了，如果存在一个过程，它所占时间相比可以利用的时间来说很短，那么我们就可以试图去解释这一过程的发生。”他讲道，“生命存在的时间跨度短于地球的年龄，这至少说明生命起源在某种意义上来说是容易的。这没有那么难，而且发生得很迅速——有些事会推动这一进程。”

然而，触发第一个有机体转变为生命的机缘究竟是什么？为了更深入地寻找答案，萨根重现了斯坦利·米勒（Stanley Miller）曾经实施的那个著名实验，地球早期存在的一些化学物质经过混合并短暂地进行放电，从而引发闪电，结果得到了一堆由有机物混合而成的黑色污泥，而这正是构建生命的“砖块”。他接着兴奋地向聚精会神的听众讲，在“木星附近”已经观察到了具有类似颜色的材料，“旅行者号”探测器也许还会告诉我们更多信息。“通过探索更外层的太阳系，或许我们可以更好地了解生命早期的化学过程，”他说道，“甚至有可能在那里还存在一些生命。可以保证的是，那些世界都很迷人，令人陶醉，很值得深入分析。仅仅几年后，我们就能够进行相当深入的分析了。”（然而当梦想成真时，“旅行者号”探测器并没有在这些巨型气体星球上发现任何生命迹象。）

如果不是身处太阳系更靠外的地方，也许火星更适合生命落脚。对于火星，萨根描述道，“这是一颗富有传奇与童话色彩的行星，也很有传统”，因此我们需要特别小心——他在接下来一场讲座中如此说道。我们需要从金星那里吸取教训，超高温的二氧化碳云急涌而下，使得其表面压力达到了地球的90倍。“如果你想知道地狱在哪儿，就看看金星表面吧。”他说道。

在苏联的探测器着陆金星之前，有很多关于金星表面什么样的猜测，从沼泽到沙漠，从油田到碳酸水的海洋，但没有一条被证实。“我们在掌握确凿证据前，对这一行星投入了太多热情。”萨根警示道，“在我们开始研究火星之际，这些警示尤为重要，因为火星也被视为一个在很多方面都与地球类似的地方。我们已经寄托了很多希望、幻想、期待与渴求，而我们必须非常小心，别被期待遮住了眼，看不到这颗行星的真实一面。”

他回忆起火星“运河”的幽灵，之前很多次圣诞讲座都已提及，总结说这些可疑的“运河”“便是人类手、眼以及大脑配合不精确的写照。我们并不是完美的观察者”。不过我们就更有理由近距离地对这颗行星进行探索了，因而在第四场讲座中，他开始谈起我们可以从NASA一系列“水手号”探测器发回的资料中了解些什么，其中有一些探测器曾于1965—1972年掠过火星。要想理解这些我们即将观看的壮丽照片，关键的工具是对火山坑进行计数。披上一件白色实验服后，他开始寻找一些“对将皇家科学院搞得一团糟感到很享受”的志愿者。那些心甘情愿的参与者向充满紧实黏土的箱子扔去大理石块，砸出一些接近完美的坑洞，比大理石块本身还要大上好几倍。有个男孩拿着一枚小石块走开，然后助跑着扔了出去，他身后的听众发出阵阵笑声。

卡尔·萨根（1934—1996）

1934年，萨根出生于纽约布鲁克林区。在转到康奈尔大学并成为天文学和空间科学教授之前，他作为助理教授在哈佛大学讲习与研究。他真正的强项在于将不同领域的观点进行糅合，从而挑战一些概念性问题——为圣诞讲座的小听众们描绘了一幅壮阔的行星探索图。

作为20世纪最著名的天文学传播者之一，他天生就适合当个演说家。尤其是1977年，对他来说是把握机会的理想之年，因为前一年NASA的“海盗号”着陆器接触到了火星表面，而年轻听众可以听到第一手的最新发现。

萨根展示了随时间累积而起的这一层层石坑，而这可以告诉我们，这个表面究竟有多久的历史。“好了，这些没有大量成坑的区域意味着什么？”他问道，“这就说明这片区域还很年轻。它的历史还不够长，不足以累积所有这些远古宇宙灾难的疤痕。”反过来说，产生严重坑洞的区域历史更久，因为它们已经被砸了一段时间了。他给我们展示了“水手号”发回的奥林匹斯山的火星图片，那是太阳系中最高的山峰，是珠穆朗玛峰的2.5倍，通过对其周围的陨坑进行计数，可以确定它形成于1亿～10亿年前。

奥林匹斯山，1971年由“水手9号”发现

然而，如果我们打算认真地搜寻火星上的生命，那么从行星旁掠过的办法就还不够好。我们必须降到星球表面（这其实就是“海盗号”在1976年——萨根这场讲座举办的前一年——完成的使命）。因此，在他倒数第二场讲座的开场白中，他讲述了“海盗号”的一些任务：进行“迄今为止对其他行星最细致的探索”，并且“第一次在另一颗行星的表面认真地搜寻生命”。

一台“海盗号”复制品倚靠在聚苯乙烯制作的红色火星表面，萨根站在它前面，抓起探测器模型的样品采集机械臂，并将其插进土壤，采集了一些红色的物质。这场讲座晚些的时候，他调侃称这就是“在另一个世界玩着沙子”。萨根解释说，“海盗号”用了五种不同的科学实验对外星土壤进行分析，其中三种是微生物实验。

我们很快就将听到关于这些的更多信息，但他想先告知我们着陆本身的一些事。“海盗号”发回的现场图片，显示了着陆位置附近有一块巨大岩石，最初被称为“胖女人”（Big Bertha），但“这招来了女性解放组织的抗议，我们觉得也不奇怪，因此现在就改名叫‘大乔’（Big Joe）了。这就没人抗议了”，他打趣道。我们听到他说，“海盗号”的样品采集机械臂成功地收集了附近的火星土壤，甚至微生物仪器也显示出阳性的结果。不过我们不应该太过兴奋。“火星不同于地球——也许会有不同类型的无机化学过程在火星上发生。”很多科学家今天都确信这一化学现象导致了假阳性结果。

萨根随后从“火星表面”上跃起，走到听众席邀请两个孩子与他在火星上一起品茶，展望着空间探索的未来。“我们可以让太空车着陆……它们有轮子，可以前往令人无比激动的好地方——巨大的火山以及河谷等。我们很快就会实现。谁知道我们在火星上还会发现什么更神秘的地方。”如今，火星车的确已经在火星表面漫步了，寻找着火星气候历史中的线索，评判生命诞生的条件是否成熟过。第一辆火星车是NASA的“索杰纳号”，于1997年7月着陆。而它的继任者还包括“勇气号”“机遇号”与“好奇号”，它们揭示：火星也许曾经有过由液态水构成的广阔海洋，也许曾经是个对生命来说较友好的地方。然而，火星生命存在的决定性证据仍未可知。

当萨根开始他讲座系列的最后一场时，他很想弄明白我们是否曾在太阳系以外发现过行星甚至是生命。尽管所谓的“系外行星”尚未被发现，但天文学家们猜想，它们之所以会存在，是因为其他恒星不过是我们太阳的遥远翻版罢了。于是他对未来充满期待：“我相信，在接下来的10年或20年里，我们将会对附近恒星系统中的行星进行严格而彻底的探索。”（他言中了。第一颗绕着类日恒星旋转的行星在1995年被发现，就在萨根过世的前一年。）

他同时还思考着这些地外世界可能是什么样。“数不清的其他行星不仅可能会有生命，而且还可能有智慧生命。他们也许像我们一样聪明，一样文艺，一样有种族之分，一样懂得技术，像我们一样对小说或音乐有着浓厚兴趣。”我们是否会与他们接触？他指出我们已经在尝试了。“旅行者号”探测器携带着一些地球声音的记录，以及一些关于我们是谁与我们在哪儿的信息。不过，他们会明白吗？两名志愿者从听众席中被邀请上台，聆听这些声音并猜测它们代表的意思。他们不够幸运，这让萨根断言，“如果人类都不能理解，那么地外生命就更没可能了”。他总结说，无论如何，这就好比向宇宙这个汪洋中扔了一只漂流瓶，任何人都不太可能与之偶遇。事实上，我们获悉，更可能是我们被其他外星生物接触。最终，他说道：“我们其实可以在一周左右的时间内，把整部《大英百科全书》通过无线电波送到周边的其他星球。”那边的恒星比我们这一颗要古老得多，那么也就可能具有更成熟的文明。

萨根用他标志性的夸张动作结束了他的最后一场讲座：“我相信我们这个物种的历史将会焕然一新……我相信绝大部分的人类文明将如蒲公英播撒种子一般传递出去。”他吹向一株蒲公英，让它的种子散落到了皇家科学院讲堂的每个角落。“地球发射的人造物体正在太空中旋转着，而人类不会永远被束缚在仅有的这颗行星之上。”

以下内容来自档案

在一封落款日期为1976年2月12日的信件上，BBC探了探萨根的意思，看他是否愿意在1977年的圣诞讲座上来一场有关地外生命的主题演讲。不过萨根并不确定地外生命的存在，因此他请求替换成行星探索。

这样的调整要求很快被接受，而萨根的伦敦之行也着手安排。关于住宿的问题讨论了很多，而萨根在一封电报中建议选择布朗酒店——一家位于阿尔伯马尔大街正对着皇家科学院的五星级酒店。萨根在布朗酒店住了整整18天（见右图）。

波特给在布朗酒店住的萨根写了信（信见第二幅图，译文见第110、111页），并欢迎他到伦敦来。档案馆还保留了萨根飞往伦敦的机票传真件（见下图）。

亲爱的乔治爵士：

衷心感谢您对我的厚爱，邀请我在皇家科学院担当1977/1978年度圣诞讲座的主讲人。先前当卡尔·萨巴格（Karl Sabbagh）提出邀请时，我只是给了个模棱两可的决定。随信所附的是我给他的回信的一份复印件，在信中，我表达了有关幻灯片上一些演示证明的问题。然而我可以想象，没什么比为大家做演讲更能让我感到快乐的了，并且我会在伦敦这个艺术与智慧并存以至于令人陶醉的气氛中待上两个半星期，我可不想让您失望。如果是讲述“地外生命与智慧”这个话题，我可能会在寻找证据方面感到比“行星探索”这类话题更困难。对于我给萨巴格的复信，可能您会告诉我您对其中所提观点的态度，而萨巴格对此似乎并没有什么反对意见。

向您和您的太太致以最诚挚的问候！

卡尔·萨根

1976年6月16日

伦敦以及皇家科学院热烈欢迎您的到来。我希望这趟行程会让您感到舒心，您会安然入睡，度过一个美妙的夜晚，这样才能够应付明天的艰苦授课。

您的费用已经由皇家科学院给您准备好了，您可以从财务主管戴维·米勒（David Miller）那里支取，随时都行。

将有极尊贵的听众造访您的第一场讲座，您或许会对此感兴趣——参加讲座的有安德鲁王子（Prince Andrew）与爱德华王子（Prince Edward）殿下，肯特公爵阁下（Duke of Kent，我们的首相）以及肯特公爵的长子圣安德鲁斯伯爵（Earl of St.Andrews）。我的太太和我会在第一场讲座结束后的下午4点举办一次特别的茶话会，希望王子们能出席，这样就有机会与您见面了。这只会持续半小时左右的时间。我还邀请了BBC前来，那时您也没有其他事务了。

明天见！

衷心祝福！

1977年12月19日

直击现场

阿伦·阿加沃尔（Arun Aggarwal）在成为1977年圣诞讲座助理的时候仅有18岁。尽管他先前到过伦敦，但对即将在皇家科学院度过的这六周，他毫无准备。“这是一段匪夷所思的经历，也是你梦想中可以拥有的最棒工作。”他如今这般回忆。他住在厄尔斯考特（Earls Court）一套一居室的房子里，加上来往皇家科学院的交通费与基本的餐饮费，一周正好花去他的30英镑收入。讲座前几周，阿伦在伦敦四处奔波，在哈姆利玩具店（Hamleys）和本地其他商店以及博物馆之间购买或者借还各种物品。对阿伦来说，这个经历改变了他的一生，这是他获得事业成功的跳板。他在剑桥大学读了医学专业，并在这次讲座之后谋得了NASA的一个夏季工作职位，如今已经是一名普通执业医生，对糖尿病与酒精成瘾等病症有着浓厚兴趣。但他永远都不会忘记他在皇家科学院的这些时光。“在此之后的几十年，我一直都会观看圣诞讲座，我的女儿们也是如此。”他说。

第九章　起源

马尔科姆·朗盖尔

（Malcolm Longair）

1990

星系的形成是一个“慢到令人绝望的过程”……

不可思议的时空探索之旅

1.中微子是什么？

2.宇宙中现存的最有威力的能量源是什么？

3.黑洞是如何产生的？

4.暗物质究竟是什么？

我们将着手解决关于宇宙中一切物质从何而来的难题了。我们将要仔细观察各个星系，而它们隐藏着宇宙中最大的未解之谜的一些线索。我们将要探访遥远的星系，它们似乎拥有难以想象的狂暴核心，同时我们还要解决重力是如何在宇宙持续膨胀之际，还能将星系束缚在一起的棘手问题。在20世纪最后一个10年拉开帷幕之际，这个难题将会带着我们一探天文学的极限。

“我们准备讲讲宇宙中一切物质的起源与演化。”朗盖尔开始了他的讲座，“我们准备做的，是利用一切现代天文学所拥有的技术，尝试为这个宇宙构建起现代天文物理的宏图……我们会告诉你们都有些什么问题，还准备聊聊现代天文学中最深奥的一些问题的答案。”

我们的旅程从星系开始，那是由恒星组成的庞大集团，依靠共同的引力团聚在一起。“星系其实是宇宙的基础构件。”朗盖尔解释道，“它们定义了宇宙的巨型结构。”（在这一系列讲座进行期间，天文学家刚刚开始系统地测定很多星系与我们的距离。）朗盖尔告诉我们，哈佛大学的一组天文学家最近开展了“一次大型研究，将近30000个星系的位置以及相邻星系彼此间的距离都被测量——这绝对是一项超级庞大的事业”。（如今类似的工作已经覆盖超过100万个星系。）“这就给了我们一个三维视角，看看宇宙这个超大构造到底是个什么样。”哈佛的天文学家将他们的发现制作成了一段视频，专门在圣诞讲座上播放给朗盖尔的听众。在屏幕上，星系以一个个微小的光点出现，而我们的视角不断变换，这样就能从不同的角度观察它们。“星系的分布显然不是均一的——看一下所有这些长丝带、这些大空洞，还有这一大片星系。我们可以看到一些星系团。”

“当我们看着自己的银河系时，大多数可见的物质，其实都包含在恒星之中。”朗盖尔解释着，“肯定存在这样一种十分有效的浓缩方式，可以在开始时将非常分散的气体压缩成致密物体，也就是我们所称的恒星。”为了知晓在一颗像太阳这样的恒星内部都发生着些什么，我们需要一种能够观察其内部的办法。朗盖尔说有一种方法可以实现这个目标，那就是“寻找一些可以从太阳中心位置穿过浓密的外层直接逃逸的粒子……这些粒子被称作中微子”。中微子是非常细小的粒子，几乎完全没有质量，会在太阳的内核大量产生。“每一秒，在我们这间讲堂的每一平方米内，都会有1000万亿个中微子穿过。你感觉到它们了吗？”他询问他的听众。“没有！因为它们直接穿过去了。它们压根不会和物质产生互相作用，这也就是为什么它们可以从太阳深处逃逸，并光顾地球。如今，对于我们有关太阳内部的理论，它们提供了一种卓越的验证方法。”

马尔科姆·朗盖尔（1941—）

1941年，朗盖尔出生于邓迪（Dundee），在射电天文学方面建树颇丰。1967年，他在剑桥大学完成了自己的博士学业，师从1965年圣诞讲座联合主讲人之一的马丁·赖尔。1997—2005年，他在剑桥著名的卡文迪许实验室担任负责人。1980—1990年，朗盖尔还接受了苏格兰皇家天文台主管的职位。在2000年的新年授勋名册中，他荣获大英帝国司令勋章（CBE, Commander of the Most Excellent Order of the British Empire），并在2004年入选皇家学会会员。

如果物理学家们准确理解了太阳的物理性质，那么就可以预测会有多少太阳中微子产生，而这可以与我们实际在地球上观测到的中微子数目进行比较。然而这两个数字并不匹配。“坏消息是，只有理论数量三分之一的（中微子）被观测到。这让人非常揪心，因为这样的结果意味着我们为太阳这颗可以研究到的最近的恒星所搭建的模型正确与否仍未可知。是我们的核物理学错了吗，还是我们对太阳的结构理解错了？”他问道。（后来证明是前者错了。1998年，物理学家发现中微子具有三种“风味”，一颗中微子可以在三种不同形态之间变换。而当时的科学家并不知道这一点，因此朗盖尔所讲的实验没有将那三分之二在前往地球旅途中变身的太阳中微子检测到。）

“今天我们准备讨论宇宙中现存的最有威力的能量源：类星体（quasar）。”朗盖尔在开始第三场讲座时讲道，“现在所说的类星体，属于质量超大星系中一种非常罕见的类型。”通过对它们进行观察，“我们正在跨进所谓高能天文物理的王国，并且是现代天文物理学中最令人兴奋的领域”。Quasar是短语quasi-stellar object（类似于星体之物体）的缩写。它们就像恒星一样以光点的模样出现，但所处的距离无比遥远，任何寻常的星体都将因此变得不可见。而第二次世界大战之后兴起的射电天文学，首次向人们展示了这些奇怪的物体。“有一些星系发射出的无线电波，其强度达到了我们银河系的1亿倍——所以说我们自己所在的这个星系相比那些巨大的无线电射电源而言，不过是萤火之于皓月。”

关于超远距离星系发射如此高强度无线电的原因，任何解释都离不开一个事实，那就是一个类星体可以在数年的时间里使其无线电强度增加至7～8倍。它也可以在几天的时间里改变它所发射的X射线。变化的周期与辐射的本体大小有关。这也就意味着，“产生能量的区域肯定不足一光年，而且可能是小得多，蜷缩在星系中央深处。……我们已经发现，自然界可以借助一些方式从非常紧密的区域中产生极度强大的能量”。

朗盖尔说，天文学家已经知道了一些高能而紧密的物体。他讲了脉冲星被发现的故事，那是1965年圣诞讲座联合主讲人之一的安东尼·休伊什与他学生乔斯林·贝尔-伯内尔的杰作（见第72页）。这些星体时常从邻近的恒星那里吸取气体，在这个过程中质量变得更大。然而，它们的质量是有上限的——“大概是我们太阳质量的两倍”，超过这个上限，这些星体便再也无法抵抗重力、维持自身。“（随后，）就没有什么力量可以阻止（它）发生坍缩，变成一个黑洞。换句话说，不会有任何可以支撑恒星的推动力。”

黑洞

“黑洞其实是宇宙中这样一些区域：它们的重力十分强大，可以压倒其他任何一种物理作用力。”朗盖尔解释道。任何物体如果靠得太近，都会被它们吸入。当物质旋转着进入黑洞时，会形成一个圆盘，就是我们所熟知的“吸积盘”。随着气体与周围的物质之间发生摩擦，“摩擦力使得黑洞的内层变得更热。这是产生超大能量的好方法”。这个过程，现在被认为是类星体的能量来源。类星体的变幻，是由于黑洞在不同时间吸入物质的总量发生了改变。

不过星系最早诞生的地方在哪儿？“（这是）整个天文学与宇宙学中最难以回答的问题之一。”朗盖尔说道，“我们今天准备讲的，是一个很复杂的侦探故事，而且……当我们结束时，问题会比答案更多。不过我想做的，是带着你们……直接来到目前知识的最边缘，而当我这么做的时候，还会蹦出很多不确定性。但这是现阶段整个科学中最令人兴奋的研究领域之一。”

多亏了美国天文学家埃德温·哈勃的杰作，我们自1929年便已经知悉星系正在离我们远去，互相之间也越来越远。最遥远的星系，看上去移动得最快。“现在就让我们利用天文学来计算速度，证明一下这到底有多快。我在这个板凳上放了一只警哨。现在，我并不希望你们当中很多人看到这只警哨，但我准备对它做点特别的事情——吹响它，这样你们就能听到固定频率的声音。”这只哨子被接上了某种塑料管，朗盖尔抓着它绕着自己的脑袋旋转。声音频率不再固定——离我们近时，音频会升高，远离时则会下降。

“这也就是说，当哨子朝你靠近时……（声波的）波长变得更短，而频率变得更高……而当它远离你的时候，波长增加了。”他解释道，“事实上，通过波长变化值……与声音波长的比值，我们可以计算出哨子的速度。”天文学家利用遥远星系的光线，做了类似的工作。“他们寻找……遥远星系光线信号的变化值，根据波长相对于静止波长（当一个星系静止时，应该发射出的光线波长）增加的比例……他们可以非常精确地计算出星系速度。这就是哈勃所做的工作。”

宇宙正在膨胀的事实，意味着星系的形成已经十分困难——重力试图将恒星与气体编织在一起，但宇宙的膨胀在不断地拉大它们之间的空间。星系的形成是一个“慢到令人绝望的过程”，朗盖尔讲道。除非在早期宇宙中存在高度集中的物质团让球体旋转起来——能使物质集聚的种子，否则星系就不可能有时间成形了，不过很显然它们已经成形了。如此集中的物质团会让早期宇宙中存在一些区域，它们比其他地方略热一些。

朗盖尔为第三场讲座准备的手稿

幸运的是，天文学家绘制了早期宇宙的温度图，也就是“宇宙微波背景”，缩写为CMB——实际上是宇宙诞生只有几十万年时的“照片”。不过还有个问题，为了提供足够的“种子”以使星系聚集，“（温度的）涨落应当达到千分之一的尺度”。然而他告诉我们，在CMB上实际观察到的涨落只有不到三万分之一。涨落的幅度还不够大。

宇宙微波背景，大爆炸的余晖

“这是一个关于星系生成的大问题——微波背景作为热大爆炸的余晖，平滑得令人难以置信，可我们如今看到的宇宙有一些巨大的空洞、丝带以及星系团。因此这个大问题便是如何调和这两个非常关键的结果。”朗盖尔坦承天文学家现在还不知道如何去攻克，但他准备告诉我们目前的一些想法，“我不得不真心忏悔，因为我还没告诉你们一个令人十分不安的事实，天文学家们还不知道宇宙中大部分质量是以什么形式存在的。我真的很抱歉……”

“在宇宙中一定还存在一类不可见的物质——暗物质……否则这些（星系）不会存在，然而我们通过各种手段都看不见（它），除了它的引力作用。”朗盖尔讲道。暗物质的总量也许有普通物质的10倍甚至20倍。关键是，因为暗物质和光没有相互作用，它不会在CMB上留下任何的痕迹，这也就意味着早期宇宙的质量涨落应该比CMB温度变化所计算出的结果更大，大到足够形成产生星系的种子。“我很抱歉，这是一幅非常复杂的图像。”朗盖尔说道，“不过人们坚持相信，这正是宇宙中正在发生的事情。”（天文学家如今仍然相信这就是真相，但是没有更可靠的证据证明“暗物质”究竟是什么，因此也存在争议。）

推断出它确实存在的其中一种方式是观察星系。你可以预测，恒星绕着星系中心旋转的速度会随着它与中心的距离的增加而降低（就好比距离太阳越远，行星的速度也会下降）。然而，星系里的恒星具有相当恒定的速度，不管它们的轨道与中心距离有多远。朗盖尔为了说明这个问题，很机智地搭建了一个模型，一些圆环在另一些圆环的内部以恒定的速度运动（见下页图）。这也就意味着，不同于太阳在太阳系中那样，星系的质量并不是大部分集中在中心。因此一定还有一些看不见的物质弥漫在整个星系中。

朗盖尔总结道，这绝不是宇宙最终的图像，还有很多工作需要去完成。“我希望你们中的一些人可以帮助我们，实现宇宙学中一项最伟大的突破。”

演示匀速运动的最初设计草图，可以说明为什么我们会认为星系中存在暗物质

以下内容来自档案

最终，朗盖尔的六场讲座一共展示了大约80个实例证据，这还是从最初朗盖尔交给助理布赖森·戈尔（Bryson Gore）的那份目录上100个例子中删减的结果。在一封于1990年3月2日写给约翰·默里格·托马斯（John Meurig Thomas）的信件（见右图，译文见后）中，朗盖尔写道：“对于即将给年轻人带来皇家科学院1990/1991年度讲座的计划，我感到非常荣幸，也非常兴奋。”

亲爱的约翰：

非常感谢您在1990年2月28日寄来的邮件。我肯定已经通过电话表达过：对于即将给年轻人带来皇家科学院1990/1991年度讲座的计划，我感到非常荣幸，也非常兴奋。这封信主要是简单确认一下与您的会面。1990年3月19日星期一的下午及傍晚我都会在伦敦，悉听尊便。在见面前，我会再仔细打磨一下我的提案。

您或许已知悉，昨晚我在格拉斯哥皇家科学院的讲座中第一个出场。格雷厄姆·希尔斯（Graham Hills）尽可能沿袭了皇家科学院的传统，我相信我们度过了一个愉快的夜晚。顺颂时祺

您最真诚的

M. S.朗盖尔

1990年3月2日

又及：

另外，您也许会对我随函附寄的SERC（科学工程研究委员会）苏格兰科学中心的小册子感兴趣。SERC现在已经赞助了部分经费，您若不吝帮助，我将不胜感激。

直击现场

1987—1997年，布赖森·戈尔曾是皇家科学院的讲座及实验室助理，并且负责协助朗盖尔准备他1990年讲座的幻灯片。不过，这已经不是戈尔第一次和这个激情的苏格兰人打交道了。“在大学时代，我就已经作为一名学生听过马尔科姆做的报告。他的讲课风格非常鲜明。”戈尔甚至和其他学生打过赌，猜测朗盖尔这么活泼的讲课形式可能会导致他哪天在登上卡文迪许实验室的讲台时摔倒。他的旺盛精力也是电视制作人员在拍摄圣诞讲座时必须考虑的事。“尽管摄像人员在实况转播方面都训练有素，但对他们来说，这事也还是有些棘手，因为他会在整个讲堂里到处转。”他回忆道，“他是一位了不起的讲者，太有活力了，特别有激情。”

第十章　宇宙洋葱

弗兰克·克洛斯

（Frank Close）

1993

在这样的撞击中，你正在创造仿佛早期宇宙那样的剧烈条件，你也即将打开一扇窗，窥视时间的开端。

不可思议的时空探索之旅

1.消失的夸克在哪里？

2.是什么把原子核“抓”在一起？

3.粒子之间的力是如何相互作用的？

4.反物质都去了哪里？

5.希格斯玻色子是什么？

我们已经介绍过的大多数讲座都探索着非常大的主题：从月亮到银河，从太阳到无数的恒星。但弗兰克·克洛斯这位讲者回到了很小的视角：编织整个宇宙的原子及其内部构造。我们将会穿越回大爆炸时期，看看自然界的“砖块”是如何在随后产生的旋涡中形成的。我们还将踏上深入了解全世界粒子加速器的旅程，物理学家们正在那里忙着将原子融合到一起，希望借此再现大爆炸之后瞬间的条件，然后四处搜寻新粒子的残片[shu籍 分.享 V信jnztxy]。

“我们准备一层层地剥开宇宙的外衣，然后深入物质的核心，试着发现构建万物的最小单位，你、我和所有可以看到的这一切都不例外。”克洛斯如此拉开了第164届圣诞讲座的帷幕。他所谓的“宇宙洋葱”的第一层，是指我们可以用肉眼看到的各种事物，但宇宙真正的本质远远比这一层藏得深。

最外层之下就是原子，但“原子也不是我们故事的重点，因为在原子内部我们发现了原子核”。在原子核之内还有夸克——“创世的原始种子”，是在大爆炸之后即刻形成的。“（它们）在时间的开端便已形成，当时宇宙还非常热。随着宇宙慢慢冷却，它们便深深藏在了原子之中，最后整个藏在我们如今所能看到的物质内部。某种程度上我们就像是考古学家——我们搜寻着消失的夸克。”

讲座安排表封面

“我们现在正在探索原子与分子的路上，”克洛斯说道，“所以看到（它们）的时候，到底其中都有些什么？”我们肉眼看到的光，不过是一种形式的电磁辐射，而他此时还用一个实验向我们证明这一点。他再次说起了詹姆斯·金斯的比喻，将可见光与“八度声频”进行类比，相当于钢琴上中间的八阶音符（见第49页）。克洛斯改装了一个键盘，演奏时只有在中间八阶上弹出的琴音才可以被听到。一位名叫克劳迪娅（Claudia）的女孩从听众席上被叫了出来，在全键盘上弹了一段音乐，但由于只有几个键可以发出声音，所以听起来一塌糊涂。不过，当克洛斯让所有键都能发出声音后，这首曲子立马就被识别出来了，原来是《绿袖子》（译注：Greensleeves，英国著名民谣）。“现在展示的就是光的交响乐，但你们无缘欣赏。”他列举了X射线、无线电波与微波等几个例子。他还解释称，从1945年起，我们观察宇宙的视野已经延伸了许多，不再只是借助可见光这仅有的一个“八度”去进行研究（第二次世界大战见证了更为敏感的无线电技术的发展，后来便用于射电天文学观测了；详见第67页）。“通过此技术，我们发现了很多过去从来无人观察过的一些奇观异景。”

要想看到原子与分子，我们需要使用一种可以被它们反射的光。波长的概念在这里是非常重要的，这是指光波相位重复时的距离。“波长必须比你想找的物体更短才行。”克洛斯解释道。X射线的波长非常短，是探寻原子结构的理想光波。而且，随着物理学家开始逐渐理解原子的结构，他们开始明白我们的太阳是如何产生能量的。“下一次你们出去躺在太阳底下晒日光浴的时候，千万记得要用些这玩意。”克洛斯一边说，一边指向一瓶防晒霜，“因为你准备做的事情是躺在一个核反应堆的照射之下。”直到20世纪我们才发现是什么造就了灿烂阳光，而这一切都始自放射性——一些原子有规律地从自身散发能量的过程的发现。

放射性遍布我们周围。“我们身处一个放射性的背景之中。”克洛斯说道。为了给我们展示，他拿起一台盖革计数器（一种用于测量所在区域放射性水平的仪器）靠向一块普通的石头，很显然它有辐射。在19世纪与20世纪之交，欧内斯特·卢瑟福发现放射性辐射有两种成分：α射线与β射线（我们现在知道还有第三种，即γ射线）。随后他借助α粒子彻底改变了我们对原子的认识。1911年，卢瑟福将α粒子射向一片薄薄的金属箔。大多数粒子都径直穿过去了，不过让他吃惊的是被反向撞回的一颗奇怪粒子。他总结，金属箔的原子在它们的中心位置具有一个紧密的核心，一颗α粒子偶然撞向了这个“原子核”并发生折返。原子核由被称为质子的正电荷粒子与被称为中子的中性粒子构成。绕着原子核旋转的是负电荷的电子，抵消了原子核的正电荷。

“我们这就揭示太阳工作的关键原理。”克洛斯讲道。最简单的两种原子核分别是氢核（只有一颗质子）与氦核（有两颗质子与两颗中子）。“如果这些小小的质子……撞向了其他同伴，它们就会融合在一起并构建出更重的原子核。或许（太阳的）燃料就是氢，而废料便是氦。”但这儿有个有趣的地方——一颗氦核比四颗质子要略轻一点，也就是产物的质量比原料要轻。1920年，英国天文学家阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）发现，太阳将这些“损失的质量”都转化成了能量，这根据的是爱因斯坦那个著名的公式E=mc2，公式指出能量（E）和质量（m）的关系系数是光速的平方（c2）。部分能量以阳光的形式发射，我们能够看到，但光并非唯一由太阳发射出的东西。

弗兰克·克洛斯（大英帝国勋章获得者，1945—）

克洛斯出生于彼得伯勒（Peterborough），在牛津大学获得博士学位之前，于圣安德鲁斯大学修习物理。他的研究领域带着他深入原子，并试图找出我们身边万物构建的最基本元件。作为一名杰出的科普人士，他成了一名作家，也是一位广受欢迎的演讲者，这得益于他的天赋——将复杂的粒子物理世界用一种通俗易懂的方式进行拆解。1996年，他因对大众物理认知方面的突出贡献，荣获了物理学会颁发的开尔文奖章，并获得2013年度的皇家学会迈克尔·法拉第奖，以表彰其向英国听众传播科学的卓越贡献。

“我们已经被地外来客侵入了。”克洛斯在开始第三场讲座时逗引着听众：

在太空的某处，或许有一颗恒星在很久之前爆炸了，由此喷射出的粒子进入星系的电磁场中，而后者迫使它们剧烈运动。后来，有一些（光临了）地球，地球的磁臂抓住了它们，拽着它们进入顶层大气，在那里它们挤进了我们头顶上方的原子，将它们打成碎片并倾泻到地球上，现在正来到我们这个讲堂。我们称它们为宇宙射线。

太阳也会产生类似的粒子。克洛斯用火花室——一种在两片高压金属之间充满气体的装置演示了一个实验。“如果（被一道宇宙射线）射穿，这个设备就会短路并且产生火花。”十分肯定的是，我们看到了一些火花，这证明的确有宇宙射线一直在我们周围穿梭。

在第二次世界大战之后，科学家更近距离地在大气层上方观察这些宇宙冲撞，并且发现一种新的粒子：介子（几乎与电子相同，但质量是它的200倍）。“仍有一些剧烈的事件会发生，由此产生出类似宇宙大爆炸的巨大能量。”他讲道，“因此我们需要做的，是在地球上一定程度再现这个过程。我们现在正在制造宇宙射线，观察会有什么事情发生。”我们正在进入粒子加速器的王国——利用磁铁对沿着巨大圆圈轨道旋转的细小粒子进行加速，让它们撞到一起，再到残片中进行搜寻。“在这样的撞击中，你正在创造仿佛早期宇宙那样的剧烈条件，你也即将打开一扇窗，窥视时间的开端。”

这样的粒子加速器，比如瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理研究所（CERN）中的那些，已经探测到了只存在百万分之一秒的微小粒子。他告诉我们，这些实验明显证明质子与中子并非“宇宙洋葱”的最内一层。实际上，物理学家们已经发现了五种更小的粒子，也就是夸克（上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克）。一颗质子由两颗上夸克（之所以被如此命名是因为它们带有正电荷）与一颗下夸克（带有负电荷）构成；而一颗中子由两颗下夸克与一颗上夸克构成。克洛斯称，物理学家对此模型非常有信心，由此还预测了第六种夸克（顶夸克）的存在，而他们也正在进行搜寻（两年之后的1995年，这种夸克确实被发现了）。

在启动我们的第四场讲座时，克洛斯从皇家科学院讲堂的屋顶上沿绳子滑了下来。“当一名物理学教授像这样从皇家科学院的屋顶上滑下来悬在半空，他是在干什么？”他问道。绳子向上的拉力抵消了地球的重力，使他保持悬吊。“我们准备谈谈作用力了。”他一边解开绳子，一边说道。

已知的基本作用力有四种。有两种我们十分熟悉：电磁作用力与重力。原子间的电磁相互作用，给了绳子足够的强度，从而可以在克洛斯开场时抵抗重力。同样的力也支配着磁铁，它们遵循着相同的规则，即同极相斥、异极相吸。为了证明这种排斥力的强度，我们看到一块电磁铁将一只金属环射到空中好几米高。带有电荷的粒子也遵循着与磁铁一样的电磁规律，原子核包含带有正电荷的质子，因此质子也会互相排斥。“那么为什么我们还能开心地坐在这里，体内的原子核却没有炸得四分五裂呢？”克洛斯问道，“所以一定存在着什么非常强大的东西，是另一种力……它把原子核抓在一起，克服了排斥力。”它被称作“强相互作用力”。最后一种力是“弱相互作用力”，它可以通过一种形式的夸克向另一种形式转变以及引发原子核裂变的方式支配放射性。

然而一颗粒子是怎么知道要去排斥远处另一颗粒子的呢？克洛斯在两名年轻听众的协助下证明了这一点。他们面对面地坐在轮椅上，向彼此不断地抛接一只球，然后他们逐渐分开了。“分离运动之所以会发生，是因为球在其中来来回回，这是他们之间的一种力。”他说道。物理学家们相信两颗粒子之间也存在着一种力，因为它们在不断交换一种更小的粒子——载力子或玻色子。克洛斯告诉我们，物理学家们已经发现，玻色子是造成三种作用力的原因，但造成重力的原因——引力子仍然难以捉摸（至今为止仍是这样）。

与强相互作用力及弱相互作用力相关的玻色子只会在粒子加速器的混沌之中出现。这样的撞击还会制造出一些反物质——几乎就是我们已知粒子的精确翻版，唯一的不同就是它们具有相反的电荷。比如说正电子，就是电子的反物质（质子也有相反的电荷，但它比电子重多了，所以不是电子的反物质粒子）。夸克也有对应的反物质，被称作反夸克。在粒子加速器中，电子束与正电子束从相反的方向射入回旋轨道，被迫发生撞击，爆炸的同时倾泻出巨大能量。“在闪光的一瞬间之后，一颗粒子向一个方向射去，反物质粒子则奔向另一个方向。”通常这会是一颗夸克与一颗反夸克——而在大爆炸之后的百万分之一秒也发生过相似事件，这样我们就知道了夸克的起源。

在最后一场讲座中，我们就能够拼凑出早期宇宙的一条连贯的历史轨迹了。宇宙在充满无限热能的海洋中爆炸了，其中一些能量转化成了一对对电子与正电子或是夸克与反夸克。夸克间的强相互作用力使夸克结合在了一起，并由此制造出了质子与中子，随后它们又撞到一起形成了原子核。后来，电子与原子核结合，又形成了原子。然而，这个谜题中还有个缺失的环节。“那些反物质都怎么样了？”克洛斯问道，“或多或少有些反物质消失了，于是一小部分物质就被遗留下来了。这一点剩下的物质，就是天空中的这些星星，以及你能看到的周围所有的东西。为什么会是这样，这是物理学中最难解决的未解之谜之一（如今也仍然是）。”

另一个摆在物理学家面前的巨大使命是要搞明白，为什么有些粒子具有质量，有些粒子如光子（电磁力的载力子）就没有。克洛斯给我们展示了理论物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）的一幅照片。“他的理论是当今的前沿学说之一，每一个人都在尝试去理解。”这一观点是认为存在另一种玻色子——被称为希格斯玻色子，它们紧紧环绕在某些粒子周围，使得这些粒子在时空中移动变得困难，也就使得它们负重——而我们观察到的现象就是它们具有质量。“这个理论让人们无比兴奋，可以说世界上几乎所有理论粒子物理学家现在都在试图……设计对它的测试，或是用实验证明它是否正确。”他说，“对这些物质的搜寻目前仍然在进行。这是如今最活跃的科学领域，而它的答案会是什么，我也不知道。这只能留给未来，留给未来的某一年。”而这一年便是2013年，在3月14日这一天，难以捉摸的希格斯玻色子被CERN的大型强子对撞机发现，引起轰动。

以下内容来自档案

讲座期间，克洛斯住在皇家科学院的公寓中。在一封于1994年1月17日写给皇家科学院院长彼得·戴（Peter Day）的信（见右图，译文见后）中，他写道：“请转达我对皇家科学院所有人的感谢，感谢他们的热情支持，并感谢迈克尔·法拉第的灵魂，他使我可以在晚上不被打扰。”

亲爱的彼得：

皇家科学院1993年度圣诞讲座

在忙碌的讲座时光过去之后，最近我开始跟上各种事务的节奏，于是我就想跟您说说，对于这整段经历，我到底有多喜欢。我已经收到了不下100次来自各行各业人士的正面评价，信件、电话以及口头评论的方式都有，他们中有威廉·沃尔德格雷夫（William Waldegrave）议员阁下，也有领着退休金、在圣诞节只能与电视相伴的独居老人。很多人都赞赏了讲座中精彩的演示，而我也希望能够向布赖森·戈尔的团队致以感谢与祝贺，他们在此次的成功之中居功甚伟。

然而，在这台隐居幕后推动着所有事情平稳发展的机器上，我们不过是几个可以被看到的零件。在我们准备讲座的几个月时间里，皇家科学院的职员一直非常友好，也提供了很多帮助。实际上，在圣诞节期间，我差不多已经成为皇家科学院的常驻人员了，我认识了其中很多人，也对部分人（很遗憾未向所有人）在此次活动中所做的工作表示过感谢。楼上的公寓一直都有鲜牛奶供应，有人为了讲座去查证模糊的文件，有人在湿冷的早晨向刚到的人们送去温暖的问候，所有这些以及其他更多的细节，使得整个过程令人愉悦。

请转达我对皇家科学院所有人的感谢，感谢他们的热情支持，并感谢迈克尔·法拉第的灵魂，他使我可以在晚上不被打扰。我知道，他是一个可爱的灵魂，而且曾在皇家科学院度过快乐时光，而这也是我自称可以与他分享的一段经历。

祝您新的一年万事如意！

您最真诚的

弗兰克·克洛斯教授

理论物理分部负责人

弗兰克·克洛斯自述

我们已经准备并计划了几个月。就在1993年的圣诞节前，我来到了阿尔伯马尔大街准备进行彩排，那是第一场讲座的前两天。我面对着BBC的几辆室外广播车，车上一大堆电线就跟脐带一样连进了上方皇家科学院的窗户。很多人正在四处奔忙，看起来非常专业。随着恐慌的加剧以及“冒牌货综合征”的病态感受，我意识到这些都是为我准备的。威廉·伍拉德（William Woollard）这位出色的制作人，瞬间就让我变得平静，事情很快就变得有趣了。

几周后，所有工作都结束了，“宇宙洋葱”系列讲座大获成功。罗比·布赖特韦尔（Robbie Brightwell）也一道前来，他是《生命的故事》（Life Story）的制片人，那是一部有关弗朗西斯·克里克（Francis Crick）和詹姆斯·沃森（James Watson）的获奖影片。罗比打算基于我们在讲座中讲到的内容制作一些有关粒子物理的电视节目。然而，BBC的一位高级“门卫”断言粒子物理不可能在电视上播出。多神奇的20世纪啊！

第十一章　时间之箭

尼尔·约翰逊

（Neil Johnson）

1999

任何物体——太阳、行星、黑洞，抑或你和我——都会扭曲我们身边的时空。

不可思议的时空探索之旅

1.时间旅行是否有可能？

2.光波的运动有多快？

3.光阴流逝的差别是如何产生的？

4.原子跃迁的过程是怎样的？

约翰逊的讲座探讨了一些最精深的问题，也许可以涉及我们对世界的体会。我们是在这种概念中长大的：我们理解时间的基本机制，一台时钟的所谓稳定的特性，就是当时间过去一秒，它也会走过一秒。然而物理学中的发现，尤其是过去的20世纪及其前后的发现，让一切都发生了彻底的改变。我们将会看看，改变你感受到的时间的速度是否有可能实现，并正面解决一个或许可以被称作最大难题的难题：时间旅行是否有可能？

时空旅行模拟图

约翰逊这样开始了他的第一场讲座：“1999年是非常特殊的一年……因为它不仅是千年之交，同时是皇家科学院成立200年之年。所以，还有什么主题比讨论时间更合适呢……在本系列讲座中，我们将会发现，对于‘时间究竟是什么’这个问题，这200年的科学发展彻底改变了我们的认识……我们将会看到，我们如何通过观察光波，得到了有关时间本身的一些变革性发现。”

我们可以将光想象成一种波，具有上上下下振动的重复性图案，就像我们在海滩上可以看到的那种波浪。然而，光波的传播究竟有多快？约翰逊邀请听众席中一个名叫海伦（Helen）的女孩帮助他做一个验证，道具包括一台微波炉以及一些棉花糖。微波炉发射的微波是一种形式的光，类似无线电波和我们肉眼能看到的可见光。约翰逊向微波炉中放了一盘棉花糖，而炉中的转盘早已被移除。微波炉的烹饪方式并不均匀，发射出的微波会在一些位点上下移动，这些地方就会蕴含更多能量，但其他部分就不会有这么多，这就在炉内造成了一些“热点”。当棉花糖被取出后，很容易看出，有一些已经被熔化而其他的还没有。“真的可以看到一幅图案。”约翰逊说道。相邻两条熔融棉花糖带之间的距离，就等于微波波长的一半。借助一把尺子，海伦计算了糖带之间的距离约为0.12米。将这一结果与微波振动的频率相乘就可以得到速度。幸运的是，微波炉的背后就写有频率数值2450兆赫（每秒24.5亿次振动）。海伦在计算器上将上述两个数字相乘之后，得到每秒2.94亿米的结果。约翰逊展示了一张卡片，上面写的是公认的光速数值，即每秒3亿米。

“事实证明，海伦不仅计算出了光速，她还算出了宇宙中移动速度最快的事物。”约翰逊说，“这个发现的故事实际上是科学中最伟大的革命之一……并且它告诉我们一些事，这些事彻底让时间发生了变革。”这便是阿尔伯特·爱因斯坦的工作。“光速的问题让他很发愁。”约翰逊讲道。爱因斯坦得出结论，认为光速对所有观测者来说都是一样的，“不管你坐在这儿，还是正乘坐大巴回家，又或是你坐在‘进取号’星舰（译注：著名科幻电影《星际迷航》中一艘星舰的名称）上。在他提出这一想法之后，已经被操作过的每一个实验似乎都证实，光速对所有观测者来说都是一样的”。

爱因斯坦有关光速的一些观点，对我们理解时间来说有着意义深远的暗示作用，而我们之所以能看到这一点，还需要感谢另一位志愿者鲁比（Ruby）参与了实证。她盘腿坐在一辆木制的小车上，手中握有一只球，而球的内部有盏灯，代表光线的一个脉冲。她先是上上下下地扔着球，不过随后约翰逊便拉着车在地面上移动，而摄像机镜头一直跟随着球中发出的光。我们看到球正在沿着锯齿形的波状轨迹运动。“某种奇怪的事情发生了——我们看到了与鲁比眼中不同的现象。鲁比坐在推车中，（对她来说）球在不变的距离上运动……上上下下，不管她是固定不动，还是我拉着她运动，都是如此。然而，对我们来说……球不仅会上下运动，也在跟着向前走——它运动的距离更远。”还记得这颗球是代表光的脉动吧？而我们刚刚同意光速对所有观察者来说都是固定的，而速度等于距离除以时间。“那么如果速度保持不变而距离却不同了……那么时间对鲁比和对我们来说就势必不等同了。”约翰逊说道，“现在这问题开始让人大开眼界了。”

尼尔·约翰逊（1961—）

约翰逊出生在绍森德（Southend），在哈佛大学获得博士学位之前，曾在剑桥大学读书。他是复杂系统领域的专家：一组目标或个体如何表现得像一个群体，取决于它们各自之间的相互作用以及外界影响，比方说在物理学、生物学、医学、社会群体或是金融市场中，都是如此。他发表了超过200篇研究论文，还是两本书的作者。自2007年起，他成为佛罗里达州迈阿密大学的物理学教授。

“想象一下鲁比还有一个双胞胎姐妹。鲁比乘坐一艘太空飞船离开了很多年，（然后）又回来了。鲁比在太空飞船上计算的时间，与她的孪生姐妹在地球上计算的时间可不同。”对鲁比来说，消逝的时间更短，因此当她回到家时，会发现她现在比她的孪生姐妹要年轻，尽管她们出生在同一天。“光阴流逝的不同，取决于你是如何运动的。”约翰逊说，“这太奇幻了，所以我觉得我们应该仔细验证，看看是不是真的如此。”

英国国家物理实验室的约翰·莱弗蒂（John Laverty）带着他的“同卵双胞胎”来到了现场，那是一对高度精确的原子钟。莱弗蒂在我们面前将它们进行同步，这样就会显示同样的时间，只有一秒的十亿分之四的误差。“约翰，如果我们带上其中一台钟来一次旅行再带着它回来，那么到最后一场讲座时，我们是否能够证明爱因斯坦的理论？”约翰逊问道。“没错。”莱弗蒂说道。“那么，这里有几张飞往上海的机票，带上你的钟，让我们看看爱因斯坦说的对不对。”最终，莱弗蒂的助手给原子钟安排了属于它自己的座位，搭乘了航班。

关于我们如何开发出原子钟的故事，可以回看弗兰克·克洛斯在1993年度的圣诞讲座，当时他给听众讲述了欧内斯特·卢瑟福所做的实验（见第131页）。卢瑟福意识到，原子一定包含一个处于中心、带有正电荷的原子核，而电子就在核外的轨道上旋转着。然而，电子究竟是如何绕轨运动的？对此，另一位物理学家尼尔斯·玻尔（Neils Bohr）精确揭示了其中的奥秘。“实际上电子是像波一样做着绕轨运动。”约翰逊解释道。说得更直白一些，就是它们不能随心所欲地运动。“它们必须具备确切的频率以及确切的能量。”玻尔认为原子具有不同能级，而约翰逊将这个概念比作楼层。一颗电子，它要么在底层，要么在二层，而不能占着两个楼层之间的某个空间。

与此同时，在这些能级之间发生的跃迁是关键要素。如果我们给一颗处于底层的电子足够的能量，那么它就可以跳跃一个能级来到二层。反过来，如果一颗电子下降一个层级，它也会释放出能量。“（当）原子中的电子在外层与内层之间形成跃迁……（就会发射出）一道确定频率的光……每秒振动的次数也是确定的，这是一个很大的数字。”他讲道，“与此同时，如果我们测出这些数字，就可以利用它去定义一秒的时间，也可以用它来测量每一秒流逝的过程，而这也就是原子钟背后的原理。”事实上，在此前两年，一秒的国际定义被认可为等同于铯-133原子的电子跃迁两个能级时辐射光线振动9192631770次所需的时间。这样的钟在100万年里才会出现1秒的误差。

“时间旅行是现实还是小说？”在最后一场讲座开始时，约翰逊这样问道。“今天我们得去看看，为了让不可能变为可能，我们究竟需要做些什么。这次旅程中，我们将前往目前人们对时间的认知的外延，并直面20世纪末理论物理学家面对的最棘手的问题。所以，请坐好了，别走开。”

现在该说回那两台同步的原子钟了，“它们超级精确……因此显示时间不会出现一点点偏差”。莱弗蒂将钟从上海带回，该揭晓实验的结果了。这台跨越大洲而又折返的钟，比起它的“孪生姐妹”“老”了一秒的十亿分之六十六。“所以这台钟刚刚经历了时间的扭曲。这并非时差，而真的是一种时间扭曲——时间发生了弯曲。”莱弗蒂说道。然而，我们之前曾被告知，运动更快的那位应该比另一位固定不动的年轻才对。这其实取决于两个因素：“（飞机的）速度会使它更年轻，但（更弱的）引力则会使它变老，而综合下来，引力因素赢了……我们可以用相对论将两者完全结合起来。”这是因为，运动更快并不是让你的衰老过程变慢的唯一途径。受到更强的引力，也有着同样的效果。由于原子钟在旅行时处于高空，它受到的地球引力更弱，因此总的来说，尽管它移动更快，但还是比它的“孪生姐妹”“老”得更快。

“时间和空间是相关联的。”约翰逊说道。爱因斯坦称之为时空合并。“我们对此并不熟悉。通常我们会到处走走，或是乘坐大巴什么的，不管怎样，我们都觉得时间不会被影响……然而爱因斯坦并不这样说。”对此理解得更深一些，会有助于我们回答那个终极问题，也就是时间旅行是否可以实现。我们需要了解一下光锥的概念。想象一下，一个光源向外发射出一道道光波，就像是池塘表面的泛泛涟漪。接着再想象一下，在不同的阶段拍下快照，并将这些照片一层一层地摞起来，观察随着时间变化事件的进展。在最初的照片上，波纹的圆圈还很小，但在一张张连续拍摄的照片中，我们可以看到它随着波纹的传播而缓慢增大。看一看这些叠在一起的快照，你就可以构筑出一个像甜筒一般的圆锥。“重要的是，我们没有办法让自己的旅行比光速还快……因此，任何目标若是从底部出发，都将待在这个甜筒（译注：此处的cone翻译为圆锥亦可，但考虑到讲座的听众是青少年，译为甜筒更形象，同时也在前文增加了修饰词‘甜筒一般’）之中。”约翰逊指向一个模型，描述着时间的“切片”。

“现在，如果我准备来一场时间旅行，回到空间上的同一个点，但却是更早的时刻，”他一边说，一边走向一个完整的圆锥模型，不过模型顶上接了一根棍子，代表着比未来更远的时空，“我现在就得这么做。”他说着便将棍子掰回去戳穿了圆锥的底部。不过在这么做的时候，他已经突破了光锥的限制。“因此看起来要想进行时间穿梭，我需要比光速跑得更快一些，但这不会发生。”是爱因斯坦告诉了我们这一点，但他同时也告诉我们，引力对时间还有影响（这也是为什么原子钟在从上海返回之后比它的“孪生姐妹”更“老”一些）。

“（爱因斯坦）说过……任何物体——太阳、行星、黑洞，抑或你和我——都会扭曲我们身边的时空。”约翰逊解释道。任何经历了这种扭曲的光，在我们面前出现时都被弯曲了。“因此我们利用引力使光线变弯。如果我们要完成穿越时间这件任务，我们就需要将这个光锥扭曲，这样这根（棍子）就永远不会真的离开这个光锥。”这就需要有大到足够有效弯曲时空的物体。“科学家正在试图算出，多大的质量能够让你真的实现这一点。”他说道。如果时空可以被有效地弯曲，那么你就有可能将时空中两个互相隔离的位置串联起来，从而制造出一条捷径，一条空间与时间的双重捷径。“它被称为虫洞。”约翰逊说，“物理学中的定律没有哪一条说过虫洞不能实现——我们只是还没有发现任何一个。因此时间旅行看起来是可行的。”

虫洞模拟

不过这其中还有一些问题，尤其是你是否可以遇见过去的你。约翰逊一步步走进一个模型虫洞以证明这一点，而当他从另一端走出来时，遇到了更年轻的“自己”（其实是他的儿子）。“也许我会告诉自己，哎，别学物理了，还是学音乐吧。那么，我现在就不会在皇家科学院举办圣诞讲座了，那我还怎么能够回到过去发现我自己呢？”这是一个时间旅行的悖论——一种逻辑上的矛盾，所以其实还有很多奥秘需要我们去解决。“（所有这些）到底如何关联在一起的，我们还不知道——这是留给未来的问题。实际上，这是留给你们所有人的。”他一边说，一边慢慢地让圣诞讲座落下帷幕，留待来年再相见。

尼尔·约翰逊自述

对我来说，最精彩的一点是通过两台原子钟证明空间与时间是耦合的——根据爱因斯坦的相对论。真的是太令人瞩目了！我在很多年前教过这些材料，但从来没有在自己眼前证明过——而且我怀疑每个观看的人都是如此。

最有趣的地方是当我证明祖父悖论的时候，而这也被用来作为反对时光倒流的论据。在电视直播中，我穿过了一个虫洞（实际上是一顶帐篷），然后再出现时抱着一个年轻版的我，也就是早些年还是孩子的时候，在我决定成为一名物理学家之前。这个概念就是，如果我告诉自己去选择另一个事业，比如成为一名音乐家，那么我就不能成为物理学家，也就不会在电视上做这些讲座，所以我也就不能通过虫洞回到过去并认识我自己，所以我没能说服自己别成为一名物理学家，这也说明穿越到过去或许是不可能的。实际上，我抱着的是我3岁的儿子，他穿着跟我一样的亲子装。嘿，所有想象中的设计都实现得很好，直到——在一个非常安静的时刻，我刚刚宣布那是年轻一些的我——我儿子问道：“爹地，我妈咪去哪儿了？”听众席中立即爆发出一阵哄笑，连摄像师也忍不住大笑！

第十二章　在空间与时间中漫游

莫妮卡·格雷迪

（Monica Grady）

2003

月球是一个不适宜居住、毫无生机的荒凉地方，但这并不意味着太阳系中就没有其他地方对生物来说更合适。

不可思议的时空探索之旅

1.第一个进入外太空的人是谁？

2.如果有一颗小行星将会与地球发生撞击，那它能否被锁定？

3.文中提到的构成生命的关键要素是什么？

4.水出现在地球上的可能性是什么？

从H.H.特纳与詹姆斯·金斯此前所主持的讲座中，莫妮卡·格雷迪获得了系列讲座标题的灵感，随后她便带着自己的听众跟上了我们探索太空的脚步。她演讲的同一个节假日期间，正是英国尝试在火星上着陆“小猎犬2号”探测器的时候。我们还将探索，当一名宇航员进行太空旅行时，他的身体会受到什么压力，以及当岩石从天而降时摆在地球生物眼前的危险。最后，我们将思考一下在太阳系其他地方发现别的生命形式的可能性。

“这是探索太空最令人兴奋的时期。”格雷迪在开始她的第一场讲座时如此说道，“我们已经摆了很多很多望远镜探索天空。我们向太空深处发射了探测器。我们已经放了一些机器人，还有漫游车在行星的表面测绘，或是绕着星体旋转。我想和你们分享，太空旅行有多么刺激。”

“过去的几天里，所有人的眼睛都在盯着火星。”她解释道，“我们都在焦急地等着见证英国‘小猎犬2号’探测器是否能够安全着陆。”它在12月19日与母舰“火星快车号”分离，没有一丝故障，并被设定在圣诞节当天着陆火星。“‘小猎犬2号’的着陆信号预定由NASA的‘奥德赛’轨道器接收，并传送到位于地球上的任务控制器。但已经四天了，天空中仍然十分平静。”

“小猎犬2号”应该会在接下来几天跟“火星快车号”接触，随后“它将发射出‘模糊乐队’（Blur）所作的一段特殊音符”，格雷迪说道。我们接着看了一段视频，是格雷迪与模糊乐队贝斯吉他手亚历克斯·詹姆斯（Alex James）在格林尼治皇家天文台会面的情景，她试图挖掘更多他对天文学的热忱，以及他和他的乐队成员是如何谱出这段音符的。“我从音乐家联盟那里收到一张支票……大概是在我们首次签约三个月后，有差不多300英镑，”詹姆斯说道，“于是我就买了一台望远镜，并且旅途中也带着它。我们经常随意地停下脚步，然后举着它对准头顶。”直到在给“小猎犬2号”谱曲时，他解释称：“事实上，（我们）必须非常仔细地思考。我认为这得是极有品位的。”“我们不想让火星人生气。”格雷迪开了个玩笑。詹姆斯说，他们最后“匆匆将一些不严格基于谐波的声音堆到一起”，从中挑出很具有“算术音乐性”的那些声音。（谐波是指一个音符的频率是另一个的精确分数或倍数。）

不幸的是，这个信号始终没有传到“火星快车号”上，而“小猎犬2号”也再没有和任何一个轨道太空飞船接触。2015年1月，人们通过NASA的照片最终发现，它的确完好无损地待在火星的表面，但它的通信系统应该是出了故障。不过，“小猎犬2号”的问题并不是完全不可预料的，向火星发射机器人一直充满各种问题。“自1960年起，向火星发射空间探测器的尝试共有36次，其中大概21次失败了。”格雷迪说。当然也有成功的，包括NASA的“海盗号”着陆器与“探路者号”，但它们的成就很有限。“除了刮过火星表面，到现在还没有完成什么使命。”

不过“小猎犬2号”并不是唯一试图在这颗红色行星上着陆的探测器。“一月份还将有另外两项着陆任务，”格雷迪说道，“NASA已经制作了两辆同样的漫游车——一辆叫‘勇气号’，而另一辆叫‘机遇号’……它们分别预定在1月4日和23日抵达火星表面……这些机器人地质学家装备了显微镜和其他一些仪器，以测量岩石成分与土壤成分，并配备摄像机记录影像……你们可以看到，它们比‘探路者号’机器人大多了。”她说着，给我们展示了一段模拟视频，其中一辆漫游车正启程通过火星表面。“实际上，它们跟我差不多高，有1.5米，一天可以前进100米远。”看起来这似乎比较慢，但它们可是被在2.25亿千米之外的人操控着。

最终这些任务证明它们比“小猎犬2号”成功得多。它们最初的设计是只在火星表面排查三个月，但“勇气号”一直坚持到了2010年3月，而“机遇号”仍然在运行，这意味着它传回火星信息的年限达到了令人难以置信的13年。在这段时间里，它行走的距离等同于一场马拉松，并且发现了火星表面过去有液态水存在的证据。

随着近来所有目光都聚集在火星以及我们正发射到那里的机器上，格雷迪还打算让我们了解一下那些可以将我们自己送入太空的装备。“我们作为一个物种已经存在了10万年，但只是过去的这40年，我们才开始在地球以外冒险。”苏联（译注：原文为俄罗斯）宇航员尤里·加加林（Yuri Gagarin）是第一个进入外太空的人，1961年他乘坐“东方1号”宇宙飞船完成了绕地球轨道一圈的飞行。

我们切换到太空医疗博士凯文·方在游乐场中提供的一段视频（他将会在2015年圣诞讲座中主讲，详见第165页）。“我们中很少有人会成为宇航员，但大家可以非常简要地了解成为宇航员会是什么样……就在这主题公园中。”他说道。一个名叫霍普（Hope）的女孩戴上了一台加速度测量仪，从而记录下她乘坐过山车时的受力变化。“你将会感受到一种微型程度的宇航员体验。”方后来跟她说道，“过山车启动时的快速阶段，有一点像发射过程。你会感受到4g加速度的力量，这其实就是一名宇航员在太空飞船发射时所感受到的。”他说道。1g是我们平常由于地球引力而感受到的朝向地面的加速度，因此4g就意味着，你会被压到座位上，让你觉得有四倍“重”。

格雷迪还给我们展示了她进入巨型离心机的影像，那是一台快速旋转的大型机器，就跟一辆过山车差不多，能够让我们“一睹身体怎么应付很高的加速度”。机器运转起来，她丝毫动弹不得。“我知道我正在向前看，但觉得身体很重，好像被什么东西压住了，我的头动不了，好奇怪的感觉。而我知道，随着它开始变慢，最难受的部分才刚刚到来。我预感自己即将摔倒，而最奇怪的体验是我好像要摔到自己的脸上了。”格雷迪深深屏住呼吸，同时颤抖着不让自己呕吐，然后说道，“我刚才觉得，这辈子当个宇航员怕是没戏了。”

不过，格雷迪是一位太空岩石方面的专家。“这是爱神星。”她在讲解的时候，我们看到这颗小行星正在她身后的屏幕上旋转着。“这是小行星带中一颗尺寸与伯明翰差不多的岩石。”她解释道，“在太阳系里，还有数百万颗淘气的石头……如果有一颗小行星将会与地球发生撞击，那它能否被锁定？”

莫妮卡·格雷迪（1958—）

格雷迪1958年出生于利兹，如今已是开放大学的一名行星与空间科学教授。当她在2003年圣诞讲座上带来这场报告时，其正在伦敦的国家自然历史博物馆工作，分选着他们收集的陨石。她曾经为科林·皮林格（Colin Pillinger）工作，而后者是“小猎犬2号”的幕后英雄，因此她是告诉我们更多有关这场勇敢冒险的最佳人选。

最近这段时间她变得非常出名，这得益于欧洲航天局的“菲莱号”着陆器在2014年成功降落彗星67P期间，她在电视直播庆典中热情洋溢的表现。为纪念她的功劳，小行星4731被命名为“莫妮卡·格雷迪”。

“我们还是从一次撞击开始说起吧。我想我们首先会有一场爆炸，你们觉得怎么样？”她问起她的小听众，并得到他们异口同声的热情赞同。当听众都戴上硬质帽子之后，一颗小行星模型顺着飞索从会场高处滑下，一头栽进摆在桌上的沙坑里，引爆了听众席中热烈的掌声。坐在后面几排的一名小男孩甚至伸手想要抓住聚苯乙烯泡沫的弹片。“想象一颗比这个模型大上10000倍的行星，比它更响、更快、更热、更吵，而且没有任何警报。”格雷迪说道，“恐龙没有任何机会逃脱，我们也一样。”

要搞清这些“导弹”可以造成的破坏，我们只需要看看月球，看看它布满无数坑洞如同麻子一般的表面。然而，人们并非从一开始就清楚这些环形的月球特征是撞击造成的（可以回溯参考罗伯特·鲍尔在1881年的讲座，他当时提到这些是死火山的遗迹，见第7页）。格雷迪讲述了我们如何改变看法的过程。“如果你们拿着这些太空的岩石与碎片，那么很显然，只有将它们垂直地砸下来才会形成非常完美的圆形坑。但事实上太空中的这些东西是从各种角度砸下来的。”她讲道。直到科学家们开始在实验室中进行撞击实验，他们才发现格雷迪所说的“令人震惊的事实”。

我们看到了位于肯特大学这样一座实验室的视频画面，在那里，他们用跟一间房差不多大小的枪，推着毫米尺寸的滚珠以每秒7千米的速度射向了花岗岩。格雷迪将花岗岩带到了现场给我们展示，就像你们预测的那样，在滚珠正面射向这块岩石的位置上，有个巨大的圆形孔。不过，科学家随后调整了角度，这样撞击就能模拟太空飞石以某个角度砸向月球的情形。格雷迪给我们分别展示了30度、40度和60度撞击形成的坑洞。“每一个实验我们都得到了一个非常完整的圆洞。”她说道，“不管撞击是什么角度，形状都没有区别。”因此，月球的坑终究还是撞击形成的。

月球是一个不适宜居住、毫无生机的荒凉地方，但这并不意味着太阳系中就没有其他地方对生物来说更合适。不过，在理解“外面的世界”会是什么样之前，我们需要先理解一些我们自己这颗行星上与生命有关的事情。地球上构成生命的关键要素之一是水。它扮演了一种溶剂的角色，也就是一种可以“溶解并输送营养物质”的液体，格雷迪强调了这一点，“你需要一种溶剂来让你的细胞结构保持一定的刚度……以及用它来清除身体的废物”。对于这项工作，水是完美的，因为它在很宽的温度范围内都可以保持稳定，而且它可以溶解很多固体、液体和气体。不过，这些水是怎么最终落脚在地球上的？

格雷迪画的素描，是对火星地质情况的全新展示

一个可能的答案认为，这些水是由撞向早期地球的彗星带来的。在太阳系中，一颗目前仍然存活的彗星是著名的哈雷彗星。“它上次接近时是在1986年，一台叫作‘乔托号’的探测器飞向了它，并发现（在那里）其实有大量碳元素。”格雷迪解释道。随后她作为欧洲航天局“罗塞塔号”项目的一名成员，在2014年参与了首次将探测器着陆到彗星的使命。

如果彗星将这些生命构建材料传输到了地球上，那么它们应该也对其他行星这么做了。“这些构建材料有没有一丝的可能性会自己（在那里）组装成一个有机体呢？”格雷迪问道。很显然，如果我们的行星只是它们随便路过的一个地方，那么生命也不是一直都需要最“完美”的条件。“地球上有一些地方，有机体可以在温度和环境都极端恶劣的条件下生存。”她说道。细菌“可以在煮开的水中存活……它们可以在苔原冻土中存活，甚至现在已经发现，它们可以在核反应堆里存活，虽说那里有着巨大的辐射剂量”。知道了这些，我们就可以开始探索地球以外，寻找其他地方的生命了。

很明显，木星不像是生命的寓所，但它“就像一个微型太阳系，被很多卫星包围着”，格雷迪说道，“生命在其中一颗卫星上延续下去也是挺不错的”。我们现在就来近距离地瞧瞧其中一颗卫星：木卫二。“它的表面完全被冰覆盖了。”她解释道。但这表面并非故事的全部。我们对这颗卫星最好的探测结果来自NASA的“伽利略号”探测器。“看起来在木卫二上还有一层液体。”她说道。冰层的下面被认为还有一个由水构成的海洋，水量比地球上所有海洋加起来还要多。那里是否有生命存在仍是个谜团，是留待未来探索的任务，格雷迪对此这样说道：

我们必须更深入地研究我们的……宇宙，所以我们要准备好迎接宇宙为我们留着的任何惊喜。我太老了，也太懒了，没法再飞出去做这样的探索。我们需要年轻人去这么做，成为下一代宇航员、工程师、科学家、太空旅行者、太空厨师、太空园艺师——即将建立栖息地的人。我希望我现在看到的你们就是这样一群人。记住，是你们即将开启这些探索——祝你们旅途愉快。

直击现场

奥林匹娅·布朗（Olympia Brown）是皇家科学院圣诞讲座的经理。格雷迪的系列讲座是她组织的第一次讲座，而且这次讲座也不像她曾经办过的任何活动：“因为我们希望在‘小猎犬2号’按计划于2003年的圣诞节着陆后不久就和它连线（通过科林·皮林格），皇家科学院团队的大多数成员都在圣诞节与新年之间暂停了工作。所以，压力不只是来自这场现场科学讲座——差不多每三分钟一次科学演示，关键是，其实我们也不知道我们请来的秀场‘嘉宾’会不会出现。直到12月29日节日正式录制前，我们才几乎肯定‘小猎犬2号’并没有与地球成功连线，但还是希望奇迹会出现。说不定呢，也许就在最后时刻。正是这分遗憾——亦伴着最后残存的希望——让我深深地爱上了圣诞讲座，爱上了它们对科学独一无二、如痴如狂却又饶有兴味的解读。”

第十三章　如何在太空中生存

凯文·方

（Kevin Fong）

2015

“我很遗憾不能亲临现场和你们在一起，但我敢肯定地说，我此刻已经身处最荣耀的位置，可以向下望到这颗美丽的行星——地球。那么，各位地球上的伙伴，再见。”

不可思议的时空探索之旅

1.如何在太空中生存？

你的身体是经过数十亿年演化的结果，而这是一个让你变得非常适应地球生活的进程。然而，飞向太空，你的身体不得不突然面对一大堆挑战，而它从来不是为此而设计的。在这一年的圣诞讲座中，我们将会听到如何在太空中生存的各种知识——从火箭发射到在无重力环境下生活的残酷事实，并展望未来，看看将来某一天将人类送到火星会遇到的潜在挑战。

“我是一名医生，而我会在一些非常极端的环境下工作。”一架空中急救直升机高高地盘旋在泰晤士河上方，而在它的全尺寸飞行模拟舱内，方开始了他的2015年讲座。“我还为NASA工作，努力让宇航员在最极端的环境下也能保持健康……想要探索宇宙，那么我们首先就需要学会如何在太空中生存。”

讲座传单

他的第一场讲座是在2015年12月28日进行播放的，而就在两周前，蒂姆·皮克成为造访国际空间站（ISS）的首位英国宇航员。ISS是人类制造的一个轨道“前哨”，它跟足球场差不多大，而蒂姆·皮克将会在那里待上六个月。1991年，海伦·沙曼（Helen Sharman）造访了“和平号”空间站，并在那里待了八天，这是英国人的宇宙首秀，但此后近25年英国再无人能及。

凯文·方（1971—）

伦敦人方是伦敦大学学院医院的一名会诊麻醉医师，也是病人紧急响应小组的组长，这也就意味着他经常会乘坐肯特、萨里、萨塞克斯的空中急救直升机。他也是航天航空与极端环境医学中心的副主任。作为一名曾为NASA工作的太空医学专家，他是谈论英国宇航员蒂姆·皮克太空之行的最佳人员，而后者在当时刚刚抵达了国际空间站。方是英国电视节目中观众非常熟悉的一张面孔，此前在很多科学节目中现过身，包括《地平线》（Horizon）与《极限A&E》（Extreme A&E）。

早在三个多世纪以前，艾萨克·牛顿首次证明了如何使物体进入轨道，并建立了有关轨道旋转的一些定律。在两名年轻志愿者弗雷德（Fred）与亚当（Adam）的协助之下，方给我们展示了牛顿的理论是如何在现实中发挥作用的。“我准备把你们变成火箭发射台。”两个男孩在讲台上分别投掷了一个沙包，而弗雷德将它们扔得更远一些。这些沙包“将会进入围绕地球质心旋转的轨道”，方说道，“但地球挡住了它们的路线”。这些沙包运动时沿着的弧形路线，其实是一个圆圈上的很小一部分，之所以不能完成是因为被地板阻挡了。牛顿意识到，如果非常使劲地扔某个东西，那么最终它会爬升到足够高的位置，这样下落时就会绕着地球旋转——完成整个圆圈——再没有行星的表面会挡在它前面。牛顿将这些想法写到了他的著作《自然哲学的数学原理》（译注：Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Principia是其简写，意为原理）中，同时方也给我们展示了蒂姆·皮克制服上的任务徽章，其中“Principia”这个单词赫然纹饰在上，这是由13岁的“蓝彼得”（Blue Peter）获奖人特洛伊·伍德（Troy Wood）设计的作品。“这是此次任务期间他将一直佩戴的徽章，而这是根据一本非常重要的著作命名的。”方说道。

书中还包括牛顿的著名论断：任何作用力都与反作用力相等。为了证明这一点，方坐上了一辆木板车，车上挂着两只灭火器，打开之后，便推着他朝反方向前进。因此，一次成功的发射入轨需要两个关键要素：一是将燃料从火箭的底部强力喷出，把你送向相反的方向；二是需要行驶得足够快，这样你就可以绕行地球，而不会被地球的表面阻挡。

为了更多地了解蒂姆·皮克在几周前是如何进入太空的，我们切换到一段从哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场传回的视频，2003年度圣诞讲座的演讲者莫妮卡·格雷迪正守在那里，点火即将开始。（这是一次绝佳的连线，因为方也曾在格雷迪讲座期间出现在视频片段中，见第157页。）“哦！哇哦！拜拜，蒂姆！拜拜，蒂姆！”蒂姆升空时，她呼喊道。“哇哦，太了不起了！只是看着它这么飞着……我就感觉无比快乐。它安全发射了，真是太棒了！”她兴奋地说道。方也非常兴奋：“看着火箭这样发射了，简直难以置信。无法想象，（不过）我们也不需要想象。我们可以问问那些真的做到过这些的人。”他把迈克·巴勒特（Mike Barratt）请到讲台上，这是一位曾经到过国际空间站的美国宇航员。巴勒特还有一条蒂姆让他捎给凯文的信息。“其实我们刚刚刷到一条来自国际空间站宇航员蒂姆·皮克的推文（译注：指在社交网站推特上所发表的消息）。”巴勒特说道，“他要预祝方博士在圣诞讲座中好运，并且他也因能够在太空中成为讲座的一部分而感到高兴。”

巴勒特告诉我们乘坐火箭是一种什么感觉。“进入飞行状态两分半后，航天飞船的外层保护套便脱落了。太阳光射入舱内。我没有办法起身，不过可以抬起手臂。我手腕上有个小镜子，而我们当时已经距离地面100千米了，我看到云层已经在我身后变得越来越小。那时你就真切地知道，你已经离开地球了。”

英国宇航员海伦·沙曼也来到了讲台上，还有一名来自听众席的志愿者亚历山德里娅（Alexandria）。亚历山德里娅已经穿上了一件太空服的复制品，那是根据沙曼在25年前飞往太空所穿的太空服制作的。“我真正穿过并进入太空的那件太空服，正保存在伦敦的科学博物馆。不过这一件非常相似。我得说，在我看来，它们是一样的，就连左边的镜子也都一样。”

在第二场讲座时，听众收到一条来自蒂姆·皮克的信息，而他所在的国际空间站正在我们头顶以每小时17500英里（28000千米）的速度呼啸而过。“嘿，凯文，皇家科学院讲堂里参加圣诞讲座的各位，大家好。我希望你们会度过一段愉快的时光，同时欢迎来到国际空间站。”皮克说道，“在我超过六个月的执行任务期间，大约会进行265项实验，从流体物理到生物实验都有，当然还有人类生理实验，以了解更多有关我们身体的信息，了解它是怎么适应太空飞行的，了解它将如何有益于我们未来的空间探索，当然也包括地球上的人类。”

为了弄清楚更多在太空中生活以及工作的状态，方找来了美国前宇航员丹·塔尼（Dan Tani），他曾在国际空间站度过了132天。方给塔尼连上了一台生命支持设备，那是方作为麻醉师在工作中所使用的，可以通过高压氧气罐输送氧气。然而这并非在太空中将氧气输送给宇航员的有效方式，因为氧气处于高压之下。“罐内的压力差不多是外界压力的200倍，”方说道，“所以这就会存在爆炸的风险。”取而代之的是，宇航员所用的氧气是存储在水之中的，也就是H2 O，随后利用电将水分子撕开，氧气被保留下来，氢气则被排到舱外。方将电流通到水中，从而展示了这个过程是怎么实现的。毫无疑问，我们可以看到氢气和氧气形成的小气泡正在不断生成，因为它们之间的化学键被打破了。

方的生命支持设备也可以给我们展示，氧气是如何在空间站的舱内循环，重新供宇航员呼吸的。在空间站中呼吸的麻烦之处在于，你呼出的气体中会含有不少二氧化碳。“你不会想去吸入它们，”方说道，“如果吸入足够多的二氧化碳，最终你会感到不适，感到不清醒，昏昏欲睡，还会变得失去意识，最终死亡。”方给我们展示了安装在生命支持设备上的一罐氢氧化钠。这是一种“清除剂”，它将二氧化碳吸收，从而阻止塔尼将其再吸回体内。类似的机制使太空中的空气适于宇航员呼吸。风扇吹出气流，将空间站内宇航员呼出的气体送入清除装置中进行净化。

失重的另一个对宇航员有严重影响的效应是身体会出现骨质流失。你的骨骼经过演化，可以支撑你的体重，抵御地球重力的拉扯。然而在失重的环境下，你的骨骼就不再承受同样的拉力了。“当宇航员进入太空后，他们的骨质就会流失……差不过是每个月1%～2%的速度。”方说道。皇家科学院的实验团队用3D打印技术做了两份骨骼局部放大之后的模型。“现在，为了向你们演示当骨密度开始降低时会变得多脆弱，我们准备了这种挤压盒。”方说道。这是由透明有机玻璃制成的盒子，覆盖在骨骼样品的上方。方从听众席中征召了一名志愿者卢卡（Luka），他的体重大约是50千克。首先，卢卡站到第一个健康骨骼模型顶部的盒子上——它可以非常好地支撑他的体重。然而当他站到另一个在太空待了14个月的骨骼模型上时，骨骼在他的体重之下变形了，其中一角很轻易就折断了。

为了更深入地了解这种现象，我们回头看看飘浮在太空中的蒂姆，看看太空给他的感觉是怎样的。“我的脑袋感到有点涨，”他说道，“我身体里的所有体液似乎都涌向了这个中心区域（他指向了他的胸部），所以有一点透不过气的感觉，就像你有点鼻塞了似的。”方给我们展示了蒂姆的两张照片，一张是发射前他的样子，另一张则是太空中的他。“现在你们可以看到他的脸变得更圆，更加浮肿，”方说道，“这是因为体液都从他的腿部冲到了头部，这也是为什么他会感到有些胸闷。他们非常专业地把这种体液从下半身转移到上半身的情况称为‘鸡腿浮肿脸’。”

在给我们展示了如何进入太空以及在那里生活会是什么样之后，在他的最后一场讲座中，方转而讲起人类太空飞行的未来。“这场讲座谈论的都是下一个前线，而这个前线正是你们的前线。”他告诉他的年轻听众。不过，阻挡人类的其中一个原因是危险的外太空高辐射环境。方从听众席挑选了塞莱斯特（Celeste）协助他论证。她握了一台盖革计数器，当它被放射线袭击时可以听到“咔嗒”声。“并没有什么辐射，”方说道，“嗯……这是因为我们被一层大气和地球的磁场保护着。”像蒂姆·皮克所处的国际空间站是在大气层以外的，但他们很大程度上仍在地球磁场的保护圈里。

然而，脱离它之后的冒险——比如说火星——你就不再被保护了。为了弄清楚会发生什么，方请来了太阳物理学家露西·格林（Lucie Green）。“你会被辐射到，”她说道，“你可能会患一些辐射疾病、方向障碍。但它可能会是致命的……这是如果我们真的打算移居火星需要克服的主要挑战。”即便没有辐射的威胁，这段旅程也并不轻松。“为了抵达那里，你需要旅行数亿英里远，”方说道，“前往火星的飞行任务至少需要一年半，甚至会达到三年。所以你们正在讨论的是在太空中待上差不多1000天，这可就太离谱了。”

2015年圣诞讲座的任务徽章

持续时间如此长的旅程，意味着可能前往火星的观光客们在飞往这颗红色星球的路上需要循环使用各种东西，从而让此次飞行任务的重量保持在最低水平。方告诉我们，这其中甚至包括我们的尿液。“这是一个特制的袋子，可以循环尿液。”方说着，让我们看了另一个演示。这是一个袋中袋。“你的尿液会通过这里的红色入口，”他解释道，“进入袋子。然后内部的袋子会让水通过，所有的有害物质却不能。”方随后呷了一口纯化后的尿液，着实让听众欣喜却又恶心。

水并不是需要循环的唯一物质。“如果有一种循环的方法能够使你的空气同时成为食物的来源……现在在这个架子上就有一种：它被称作植物。”

皇家园艺学会的一名植物学家前来告诉我们更多有关在太空中种植物的事情，而我们也将看到一段宇航员打算在国际空间站开发小型花园的视频。人造光源可以让植物发生光合作用。这就有可能在微重力下种植小麦、大米、罗勒、大豆、西红柿等。而当这一切正在进行时，一名来自听众席的志愿者芬利（Finley）正在忙着利用这些原料制作比萨（你可以利用大豆制作奶酪）。“女士们，先生们，太空比萨。”方报起了菜名。

在本系列讲座进行期间，国际空间站的舱内还出了点问题，而美国宇航员蒂姆·科普拉（Tim Kopra）必须通过舱外太空行走，将故障电箱修好。这次故障导致国际空间站的移动臂被卡住了。“这个问题非常严重，因为其中两个补给舱在给空间站运送货物——食物，还有实验器材，有时还有氧气……都需要依靠那条移动臂抓取。”宇航员丹·塔尼说道，他再次回到现场给我们解释太空行走。我们看到蒂姆·皮克从国际空间站内协助科普拉进行太空行走，实际上在系列讲座之后，皮克也完成了他自己的梦想，成为第一位完成此项壮举的不列颠人。

蒂姆·皮克最后发来的一条信息总结了这一年的圣诞讲座。“能够在国际空间站和参加皇家科学院圣诞讲座的各位进行交流，真的非常开心，”他说道，“我很遗憾不能亲临现场和你们在一起，但我敢肯定地说，我此刻已经身处最荣耀的位置，可以向下望到这颗美丽的行星——地球。那么，各位地球上的伙伴，再见。”

有导演戴维·科尔曼（David Coleman）注解的录制稿（以及他对ISS的涂鸦）

直击现场

乔恩·法罗（Jon Farrow）是2015年圣诞讲座的助理。“我们着实幸运，因为尽管将宇航员送入空间站的计算与考察异常复杂，但原理其实非常简单。对火箭来说，最重要的原则或许就是：为了能够向上飞，你需要向下扔点什么东西。为了证明这一点，我们请宇航员迈克·巴勒特坐在一辆滚动的平台上，让他向后扔沙包。沙包比热气体更容易被看到。而当迈克第一次实践的时候，他在火箭推进方面特别擅长，以至于我们不得不拿走一些沙包，这样他才不至于撞到设备。而在一场和丹·塔尼共进圣诞晚餐的场景——最终被剪辑了——中，丹脱稿表演，而工作人员就有一些紧张。我永远也不会忘记舞台经理唐（Dawn）向后台抗议的职员咆哮：‘他是一名宇航员，他想怎么做都行！’”

纪实图集

杜瓦在他位于皇家科学院的实验室中（下页亦是）

在某场讲座结束后，金斯向他的听众展示一个土星模型

斯潘塞·琼斯在一场讲座之后给他的听众演示一台太阳系仪

贝蒂·格林化装成来自天狼星系的外星人

在斯潘塞·琼斯的一场讲座之前，技工们正忙着组装设备

讲座期间的斯潘塞·琼斯

休伊什正在进行一个光学演示

洛维耳在与焦德雷尔班克通电话

讲座开始之前，波特与一位助手测试他的时光机模型

波特注视着一名志愿者，这名志愿者正在协助完成证明实验

波特指挥有关角动量的证明实验

一辆吊车正吊着波特的时光机穿过皇家科学院的一扇窗户

萨根站在一幅查尔斯·达尔文画像下面，其身后是斯坦利·米勒证明生命起源的实验复制品

萨根在加利福尼亚死亡谷与一台“海盗号”着陆器的模型合影

萨根与从听众席上请来的两名志愿者在“火星”上一起品茶

朗盖尔正在解释太阳的结构

朗盖尔正在解释诸如脉冲星这样的致密物体是如何产生可变能量的

克洛斯与听众聆听克劳迪娅弹奏《绿袖子》

讲座助理布赖森·戈尔为了证明观点而吹起一个金属箔气球

BBC制片人威廉·伍拉德与克洛斯

约翰逊准备拉着坐在推车上的鲁比前进，而她手中握着一只发光的球

约翰逊正在证明时空弯曲的可能性，以制造出一个虫洞

格雷迪与模糊乐队贝斯手亚历克斯·詹姆斯

格雷迪与一台“小猎犬2号”模型

在小行星证明之前，皇家科学院讲堂中亮起的“危险警报”

格雷迪演示热量大概是如何从木卫二中心通过热水口传递到表面的

方正在与美国宇航员迈克·巴勒特交流

宇航员海伦·沙曼和方，还有志愿者亚历山德里娅在一起

蒂姆·皮克有个信息带给听众

卢卡协助方完成了骨骼挤压实验

后记

从1881年鲍尔的圣诞讲座到2005年方的圣诞讲座，这段旅程令人大开眼界。一个多世纪以来，我们对空间和时间的理解都在不断发展，跟随着这段脚步，要说对人类在这么短的时间里取得如此巨大进步感受不到强烈的骄傲，那是不可能的。鲍尔曾让我们想象从月球上回望地球的情形，因为没有一名探险家曾经造访过那里。然而今天，我们已不再需要借助想象力，因为我们已经拥有十多个人在月球尘土中行走的影像记录。2015年，圣诞讲座听众席上甚至全世界的孩子，可以听到正在他们头顶绕轨道飞行的一名宇航员的声音，而他所处的空间站，已经超过10年持续有人居住。

所以，我情不自禁地想知道，再过100年，人们会如何看待我们如今所知的空间与时间。坐在我们的月球基地里，或是在干燥的火星表面行走，或许我们还会将国际空间站称为人类第一次在太空长期滞留的精巧装置。也许我们会打破包围着暗物质的神话，最终理解我们的宇宙是由什么构成的。不过，有一件事我想是确定的：启发下一代科学家和工程师是我们实现未来的过程中不可丢弃的部分。因此，圣诞讲座还将持续很多很多年。

作者手记

我要感谢我的家人，尤其是我的太太露丝（Ruth），感谢他们的爱护与支持。同时，我要感谢皇家科学院的奥林匹娅·布朗（Olympia Brown）、夏洛特·纽（Charlotte New）以及莉娜·赫尔特格伦（Liina Hultgren），感谢他们一直以来的协助。此外，也要感谢英国广播公司的萨曼莎·布莱克（Samantha Blake），以及迈克尔欧玛拉书业公司的乔·斯坦索尔（Jo Stansall），感谢她校对时敏锐的双眼。最后，感谢各位圣诞讲者——读着他们的故事，欣赏他们的讲座，本身就充满震撼。

接下来，是每一章中所用过的材料来源小结：

第一章：罗伯特·斯塔威尔·鲍尔

鲍尔的讲座已经没有完整的记录保存下来了。事实上，引用的材料都出自他的著作《星—地》，以及他的圣诞讲座。

第二章：詹姆斯·杜瓦

直接引用的材料，有的出自皇家科学院为配合杜瓦的讲座制作的节目，有的来自各种报纸存档，上面有针对这场讲座直接采访他的内容。

第三章：赫伯特·霍尔·特纳

直接引用的材料取自特纳于1915年出版的著作《太空遨游》，以及该系列圣诞讲座。

第四章：詹姆斯·金斯

金斯将他的圣诞讲座整理成了一本书——《穿越空间与时间》（Through Space and Time），由剑桥大学出版社于1934年出版。本章中直接引用的内容取自该出版物。

第五章：哈罗德·斯潘塞·琼斯

在由皇家科学院当时制作的节目中，斯潘塞·琼斯的讲座已经没有记录留存了，因此所有细节都是由各种报纸的报道拼接而成的。

第六章：伯纳德·洛维耳等人

所有直接引用的内容都取自皇家科学院为本次讲座制作的官方节目。

第七章：乔治·波特

引文取自英国广播公司手写档案所保存的有关讲座的对外报道手稿。这一系列讲座被拍摄下来，但胶片下落不明。

第八章至第十三章：卡尔·萨根、马尔科姆·朗盖尔、弗兰克·克洛斯、尼尔·约翰逊、莫妮卡·格雷迪以及凯文·方

所有这些讲座都有录像视频，因此这几章直接引用的材料，都是从讲座的视频中截取的。