茶杯里的风暴（2）
2022/10/4 7:28:43 书虫子

     第3章小即是美-表面张力和黏度-

     咖啡渍和显微镜咖啡是一种风靡全球的珍贵商品。如何从貌不惊人的咖啡豆中提取精髓永远是鉴赏家争论的焦点，争论有时甚至会上升到个人品位的高度。不过，我个人并不关注咖啡豆的烘焙方式和浓缩咖啡机的压力大小，我感兴趣的是溅到杯子外面的咖啡。日常生活中充斥着这样的小意外，谁都不会多关注半分。硬质表面上的咖啡渍看起来毫不起眼，只是一摊水滴状的液体而已。但是等它干了以后，你会发现咖啡渍外沿形成了一条褐色的线，就像20世纪70年代的侦探剧里画在尸体周围的轮廓线。咖啡刚溅出来的时候当然是完整的一摊，但是在蒸发的过程中，所有褐色的物质不约而同地向外侧移动了。紧盯着一摊咖啡等它干掉就和盯着一幅水彩画等它晾干一样无聊，就算你目不转睛地盯上半天，也很难看出其中的奥妙。让咖啡汇聚成线的物理机制只在极小的尺度上起效，因此不可能用肉眼直接观察到，但我们可以看到它造成的结果。如果在显微镜下观察咖啡液滴，你会看到水分子正在乐此不疲地玩碰碰车，庞大的褐色咖啡粒子就夹杂在这些分子中间。水分子之间的引力很强，如果有某个分子向液面外凸出了一点，其他分子立即会把它拉回大家庭里。这意味着水形成的液面就像某种弹性薄膜，下方的水一直在向下拉扯它，所以液面永远是光滑的。液面的这种弹性就是“表面张力”，稍后我们会详细介绍这个概念。而在液滴边缘，液面光滑地向下弯曲，与桌面相交，维持着液滴的位置和形状。但是，房间里相当暖和，时不时有某个水分子离开液面，以蒸汽的形式上升到空气中。这个缓慢的过程叫作蒸发，蒸发出去的只有水分子。咖啡的微粒不会蒸发，只能留在液滴里。随着越来越多的水分子蒸发到空气中，奇妙的事情发生了。液滴的边缘在桌上是固定的(原因我们稍后会解释)，而且边缘处水分子蒸发的速度比其他位置快得多，因为这里的水分子接触空气的机会更多。就算你能说服和你一起喝咖啡的朋友盯着咖啡滴等它变干是最新的潮流，你也看不到液滴里的物质在一刻不停地运动。液滴中央的咖啡必须不断向外移动，去补充边缘处蒸发掉的水分。水分子裹着咖啡粒子向外运动，等到水分蒸发以后，无法蒸发的咖啡粒子就留了下来。在这个过程中，所有咖啡粒子都慢慢被搬运到了液滴边缘，等到水分子彻底蒸发，留下来的就是一圈褐色的轮廓。我对这个过程如此着迷，主要是因为它就发生在我的眼皮底下，但是这太微观了，我们看不到最有趣的细节。微观世界对我们来说完全是另一个世界，那里另有一套运转规则。你很快就将看到，我们熟悉的一些力在微观世界依然有效，比如重力，但在那个世界里，分子之舞产生的另一些力也扮演着相当重要的角色。如果能够深入微观世界，你会看到一些非常奇怪的现象。最终你会发现，主宰微观世界的规则其实能够解释宏观世界里的很多事情，比如牛奶上漂浮的那层奶油去了哪里，比如镜子为什么会起雾，比如树如何吸收水分。我们将学会利用这些规则改造宏观世界。除此以外，我们还将看到这些规则如何帮助我们改进医院设计，完成新药测试，拯救成百上千万条生命。●要对微观世界产生兴趣，首先你必须知道它的存在。不过，如果不知道有微观世界，你又怎么会去探寻它呢？这可真像第22条军规的悖论。1665年，一本书的问世改变了这个局面，这就是有史以来第一本科学畅销书：罗伯特·胡克的《显微图集》(Micrographia)。罗伯特·胡克是英国皇家学会的实验管理员。他是一位通才，精通当时已知的各个学科。《显微图集》是胡克专为显微镜编撰的推广材料，他想让读者看到这种新设备的巨大潜力。这本书赶上了好时代。那个年代实验科学盛行，人们对科学的理解一日千里。数百年来，镜片一直没有得到主流科学界的重视，它更像是某种新奇的小玩意儿，而不是科学工具。但是，随着《显微图集》的出版，镜片迎来了春天。欢迎加入书社,每日海量书籍,大师课精彩分享微信:dedao555这本书的精彩之处在于，它不仅仅是在严肃性和权威性上沾了英国皇家学会的光。单从内容上说，它也是一本分量十足的科学著作。《显微图集》图片精美，介绍详尽，编撰严谨，品质精良。但是从本质上说，罗伯特·胡克所做的和任何一个第一次接触显微镜的孩子没什么两样，他把周围的一切事物都放到了镜头下面。我们可以在这本书里看到各种物品的显微照片，从剃刀刀片到荨麻刺，再到沙粒、烧焦的蔬菜、头发、火花、鱼、蠹鱼和丝绸。显微镜所揭示的细节令人震惊。谁知道苍蝇的眼睛竟然那么美丽？不过，在仔细观察之余，胡克并未深入研究微观世界。他在书中某一章谈到了常见的尿路结石，并初步提出了治疗这种痛苦疾病的方法，但他没有进一步探讨，而是高高兴兴地把实际的工作推给了别人。

     因此，这或许值得探究：含有碎石的尿液中是否存在其他物质，能让这些固体再次溶化到尿液中去？从图片上看，这些碎石似乎正是从尿液中凝结出来的……不过，这个问题应该留给医生或者化学家，我还是接着往下讲别的好了。

     于是，胡克又描绘起了显微镜下的霉、羽毛、海藻、蜗牛的牙齿和蜜蜂的蜇刺。他还创造了“细胞”这个词，专指软木塞的基本组成单位。从此以后，生物学成为独立的学科。胡克不光为我们指出了通往微观世界的道路，他还直接推开了那扇大门，邀请所有人加入这场盛大的派对。接下来的几百年里，《显微图集》启迪了好几位最负盛名的微生物学家，也在时尚之都伦敦掀起了科学的热潮。微观世界的迷人之处在于，这个精彩的国度一直在那里，但人类对它一无所知。现在我们发现，绕着腐肉嗡嗡飞行的烦人苍蝇原来是微型的怪兽，它长着毛茸茸的腿、圆鼓鼓的眼睛和坚硬的刚毛，浑身披着闪亮的铠甲。这真是个令人震惊的发现。在那时，航海家已经走遍世界，发现了新大陆和新人种，远方仍有大量惊喜等待人们。但是谁都没有想到，我们竟然错过了眼皮子底下的这么多精彩，一小撮肚脐绒毛里就可能藏着一个小世界。面对毛茸茸的跳蚤腿，最初的惊奇退去以后，人们便开始探索背后的科学。微观世界自有运转规则等待人们来了解。人类开始利用显微镜研究一些多年前就已发现却一直没找到确切原因的现象。不过，这仅仅是我们迈向微观世界的第一步。《显微图集》出版二百多年后，人类才首次确认了原子的存在。原子的个头比细胞更小，胡克描绘的软木塞细胞，其长度大约相当于10万个原子排成一条线。正如著名物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在多年以后所说的，没有最小，只有更小。人类在中等尺度的世界前行，无法触摸构建世界根基的微观结构。不过，在胡克的《显微图集》出版350年后，事情有了转机。原来的我们只能远远地观察那个微观世界，无法触碰任何东西，就像在博物馆橱窗外张望的孩子一样。而现在，我们正在学习如何操纵微观尺度上的原子和分子。橱窗外的玻璃被拆掉了，我们走进那个世界，“纳米”逐渐成为潮流。微观世界之所以迷人且蕴藏实用性，关键在于这个尺度占据主导的物理学规则与宏观世界完全不同。人类完全不可能做到的事情或许正是跳蚤的生存技能。当然，所有物理学规则在微观世界和宏观世界都同样有效，跳蚤和我们生活在同一个物质世界中。只是两个世界里占据主导地位的力大不相同。影响宏观世界的物理因素主要有两种：第一种是重力，它向下拉扯所有事物；第二种是惯性，由于我们的体积相对庞大，所以无论是加速还是减速，我们都需要消耗大量的力。不过，随着尺度的不断缩小，惯性和重力所关联的拉力也会变小。最后我们发现，那些原本一直存在，但在宏观世界里无关紧要的弱小的力逐渐拥有了与重力和惯性竞争的实力，甚至开始占据上风，比如让咖啡在干涸过程中形成轮廓线的表面张力，还有黏性。正是由于黏性的存在，你的牛奶瓶里那层漂亮的奶油才会消失。偷吃奶油的蓝山雀有的鸟儿最喜欢金色和银色瓶盖的牛奶瓶。要是你起得够早，开门的时候够小心，也许你能抓个现行。眼睛明亮的小鸟趾高气扬地站在牛奶瓶上，一边透过它在瓶口铝箔上啄出的小洞匆匆偷吃奶油，一边警惕地观察周围。一旦发现有人靠近，它就会立即飞走，或许去邻居家的门廊上碰碰运气。50年来，蓝山雀(blue tit)一直是英国偷吃奶油的大师。它们互相通气，都知道那张薄薄的铝箔下面就是富含脂肪的宝藏。其他鸟儿似乎还没发现这个，而蓝山雀每天早上都会守候送奶工的到来。但是突然有一天，这套把戏行不通了，不光是因为塑料牛奶瓶取代了玻璃瓶和铝箔封口，还因为一些更基本的东西发生了变化。以前牛奶瓶里的奶油必然会浮到顶层，但现在，情况不一样了。饥饿的蓝山雀青睐的牛奶含有多种营养物质。牛奶的主要成分(约占90%)是水，水里漂浮着糖(即某些人无法消化的乳糖)，还有蛋白质分子和较大的脂肪球。这些东西都混合在一起，不过静置片刻，牛奶就会分层。牛奶中的脂肪球个头很小，直径为1～10微米，也就是说，尺子上1毫米的刻度里可以填进去100～1000个脂肪球。这些小球的密度小于周围的水，因为同样体积的脂肪球质量更小。因此，尽管牛奶中的各种微粒都在不断运动、碰撞，但脂肪球的运动方向与其他物质有些不同。重力作用于水分子的拉力略大于作用于脂肪球的拉力，所以这些脂肪会被水分子轻轻向上推挤。这意味着尽管脂肪的浮力非常微小，它仍会缓慢地上升到牛奶的顶层。问题在于：它上升的速度到底有多快？这时候我们就需要考虑水的黏性了。黏性衡量的是两层流体之间的摩擦力。想象一下，如果拿勺子搅动一杯茶，那么随着勺子的运动，勺子周围的液体也会随之旋转，与杯子里的其他液体产生相对运动和摩擦。水的黏性不算大，所以这些不同层的液体可以比较轻松地相对流动。不过，如果把这杯茶换成糖浆，你又会看到什么呢？糖分子彼此更加紧密，要让它们发生相对运动，你必须打破分子之间的羁绊。所以搅动糖浆比搅动茶水困难得多，因此我们会说，糖浆的黏性较大。因为牛奶中的脂肪球拥有浮力，所以它们会被别的成分向上推挤。不过，要想真的浮到水面上，这些分子必须挤出一条路来。推挤过程中，不同层的液体必然产生相对运动，黏性也因此成为重要的影响因素。黏性越大，脂肪球上升遇到的阻力就越强。战争在蓝山雀脚下的牛奶瓶里悄然爆发。每个脂肪球都被浮力推着向上移动，但周围的液体又会对它产生阻力。不同大小的脂肪球受到的阻力不同。体积越小，阻力越大。同样的上浮之路对小个子来说更艰苦，需要推开的液体更多，而它的浮力却比大个子小。因此，在同样的液体中，体积较小的脂肪球上升的速度比体积大的那些慢得多。一般来说，微观世界里黏性的影响力大于重力，所有东西移动的速度都很慢，物体的确切体积是非常关键的影响因素。牛奶中体积较大的脂肪球上升得更快，体积较小、移动较慢的脂肪球会吸附在这些大球上面，形成脂肪球簇。这些球簇的阻力/浮力比相对更小，因为它们的体积比单个脂肪球大，所以上升的速度也更快。蓝山雀只需要蹲在瓶口静静等待，早餐就会自动送到脚下。然后我们就要谈到均质乳化了。牛奶生产商发现，如果能让牛奶在极大的压强下从极细的管子里喷出去，就能打破牛奶中的脂肪球，让它们的直径缩减到原来的1/5。也就是说，这些脂肪球的质量会变成原来的1/125。在这种情况下，和重力紧密相关的浮力完全无法与黏性带来的摩擦力抗衡。经过均质乳化处理的脂肪球上升的速度非常缓慢，甚至完全不会上升。打碎脂肪球彻底改变了这场战争的走向，黏性获得了压倒性的胜利。奶油不再上浮到牛奶瓶顶层，蓝山雀只能去别的地方寻觅早餐了。所以，相同的力在不同层级上产生的效果大相径庭。气体和液体都有黏性，虽然气体分子之间的结合远没有液体分子那么紧密，但它们仍在不断碰撞，这场盛大的碰碰车游戏会产生相似的效果。因此，小虫和铁球坠落的速度绝不会完全相同，除非你抽掉所有空气，将它们坠落的环境变成真空。空气黏性会大大拖慢小虫的速度，却不会对铁球造成太大影响。如果你抽掉了空气，那么重力就成了唯一的影响因素，对小虫和铁球来说都一样。小虫在空中飞行时运用的技巧和我们在水里游泳时的一模一样。空气的黏性主宰着小虫周围的环境，一如水的黏性统治着游泳池。那些体形微小的昆虫其实更像是在空气中游泳，而不是飞翔。牛奶均质乳化背后的原理还能运用到其他很多地方。下次打喷嚏的时候，不妨想一想你喷出的液滴尺寸有多大。如果尺寸太小，那么这些携带病菌的液滴可能会一直飘浮在空气中，很难坠落下去。飞沫和肺结核数千年来，结核病一直是困扰人类的顽疾。最早的肺结核病人是一具死于公元前2400年的古埃及木乃伊。公元前240年，医学之父希波克拉底(Hippocrates)就已描述了与肺结核相关的病症，中世纪欧洲王室还曾积极寻找治愈淋巴结核的良方。工业革命以后，城市人口增多，肺结核开始在城市的贫民区中盛行。19世纪40年代，肺结核的死亡人数占了英格兰和威尔士总死亡人数的1/4。直到1882年，人们才找到了引发肺结核的罪魁祸首。它是一种微小的细菌，名叫“结核分枝杆菌”。查尔斯·狄更斯(Charles Dickens)曾描写过肺结核流行时人人咳嗽的场景，但他无法描述这种疾病最重要的特征，因为这一点他根本看不见。肺结核是通过空气传播的，患者每一次咳嗽都会从肺里喷出数千颗细小的液滴，部分液滴中包含着微小的结核杆菌，这些细菌的长度只有1毫米的3/1000。刚刚离开人体的液滴较大，直径可能有零点几厘米。这些液滴在重力的拉扯下向下坠落，落到地板上以后，它们就哪儿都去不了了。但是，液滴坠落的过程非常缓慢，因为除了液体以外，空气也拥有黏性——物体在空气中移动时必须奋力向前推挤。向下坠落的过程中，液滴不断遭到空气分子的碰撞和推挤，这又延缓了它的速度。正如牛奶的黏性拖慢了奶油的上升速度，这些液滴向下坠落的旅程同样也会受到空气黏性的阻挠。但它们不一定下坠。液滴的主要成分是水，刚被喷出来几秒钟，这些水会蒸发。原本还算饱满的液滴萎缩变小，它受到的重力也会随之减小，很难与空气黏性抗衡。如果说原来的液滴是一颗携带着结核杆菌的水珠，那么现在它就变成了结核杆菌与有机杂质的混合物。对于新形成的微粒来说，它受到的重力已经不足以抵消空气阻力，所以它只能随风飘动。就像均质乳化的牛奶中那些细小的脂肪球一样，结核杆菌随波逐流。如果它正好降落在某个免疫系统功能较弱的人身上，那么就可能繁殖出一个新群体并逐渐发育壮大，直到新的细菌做好再次出发的准备。只要有对症的药物，肺结核是可以治愈的。所以时至今日，西方世界里几乎已经没有肺结核病人了。不过就在我写作本书的年代，对人类来说，结核杆菌仍是仅次于艾滋病的第二号杀手，也是一些发展中国家面临的严峻挑战。2013年有900万人感染结核杆菌，其中150万人因此丧命。这种细菌会针对抗生素进行变异，产生极强的抗药性，无法对抗它的抗生素越来越多。医院和学校时不时会暴发疫情。近年来，病人喷出的微小液滴渐渐变成了人们关注的焦点。与其等到人们得了肺结核以后再去治疗，何不想办法从源头切断这种疾病的传播路径？卡斯·诺克斯(Cath Noakes)教授就职于利兹大学(University of Leeds)土木工程系，她对这方面的课题很感兴趣。深入研究飘浮微粒的性质，由此找出相对简单的解决方案，这是卡斯关注的重点。现在，她和其他工程师正在研究携带病菌的微粒如何运动，结果他们发现，这些微粒的运动轨迹与它们的成分或者存在的时间几乎完全无关。微粒的运动完全取决于各种力的综合作用，而这场战争的关键在于粒子本身的尺寸。人们发现，那些最大的液滴运动的距离远远超过我们的想象，因为空气中的湍流会帮助它们悬浮在空中。最小的液滴能在空气中停留好几天，不过紫外线和蓝光会破坏它们的活性。知道了粒子的大小尺度，你就能推测出它们可能的去向。所以，如果你正在为医院设计通风系统，那么你就能根据这方面的原理去驱赶或保留特定大小的微粒，从而控制疾病的传播。卡斯告诉我，每种通过空气传播的疾病都有自己独特的进攻方式，具体取决于致病所需的病原体数量(比如，极少量的麻疹病毒就能让人发病)以及疾病侵袭的身体部位(比如，结核杆菌在肺里和在气管里产生的效果是不一样的)。这方面的研究才刚刚起步，不过发展速度很快。数千年来，在与结核杆菌的战斗中人类一直处于下风，不过现在，我们可以直观地看到病菌的传播，这为控制疾病提供了绝佳的机会。我们的祖先只知道病人的房间里弥漫着酸臭的气味，仿佛有神秘的瘴气充斥其中。现在，我们知道病人会让空气变化，知道携带病菌的微粒会不断运动、分流，也明白这最终会造成什么结果。这些研究的成果将纳入未来医院的设计之中，通过宏观工程影响微观粒子的举措将拯救成千上万条生命。小体积物体在单一流体中运动时必须考虑黏性的影响。牛奶里上浮的脂肪球和空气中坠落的病毒微粒都是这样。在微观世界里，黏性还有一位形影不离的伙伴——表面张力，它主要作用于两种不同流体发生接触的场合。对我们来说，最常见的就是空气与水接触，气泡就是个最佳范例。我们不妨从泡泡浴开始讲解这个问题。“家庭主妇”和肥皂泡往浴缸里放水的声音总是让人心情愉悦，这意味着漫长的一天已经结束，享受的时刻即将到来。你或许刚刚经历了一场异常艰难的羽毛球赛，或者只是吃饱喝足、浑身慵懒，无论如何，浴缸都是你现在最向往的地方。不过，往浴缸里倒了泡泡沐浴液以后，悦耳的水声立即变了。随着泡沫的不断生成，哗啦啦的水声变得低沉柔和，水和空气之间的界限开始模糊。一团团空气被关进了水汪汪的笼子，引发这一切的就是你从瓶子里倒出来的沐浴液。19世纪末，欧洲的一群科学家揭开了表面张力之谜。维多利亚时代的人们热爱气泡。从1800年到1900年，肥皂生产业飞速扩张，白色泡沫保障了工业革命时期工人的个人卫生，让整个时代干净整洁。肥皂泡还提供了绝佳的道德说教素材，因为洁白的泡沫是洁净与无辜的完美象征。除此以外，泡泡也是物理学在生活中的化身，它代表着人们心目中那个整洁、规范、井井有条的宇宙，然而谁也没有料到，短短几年后，狭义相对论和量子力学就戳破了美丽的肥皂泡。然而，揭开泡沫之谜的并不仅仅是那些头戴礼帽、留着胡子的正经科学家，泡沫如此常见，任何人都可以尝试着去研究它。在很多文章的描述中，阿格内斯·波克尔斯(Agnes Pockels)仅仅是个“德国家庭主妇”，但实际上，她是一位头脑敏锐、富有批判性的思考者。靠着手边仅有的材料和恰到好处的奇思妙想，她亲自验证了表面张力的存在。阿格内斯于1862年出生于威尼斯，作为那个时代的女性，她坚信家庭是女人最好的归宿。于是，在兄弟去上大学的时候，阿格内斯留在了家里。不过，她利用兄弟寄回来的教材学习了先进的物理学，还试着在家里开展实验，就这样，她渐渐追上了主流学术界的进度。有一天，阿格内斯听说英国著名物理学家瑞利勋爵(Lord Rayleigh)对表面张力的课题颇有兴趣，而她做过这方面的很多实验，于是阿格内斯给瑞利勋爵写了一封信。勋爵非常欣赏阿格内斯在信里描述的实验结果，于是他把这些数据发表在了《自然》杂志上，好让同时代最伟大的科学家们都能看到。阿格内斯的实验简单而巧妙。她把一小块金属圆片(大约相当于纽扣大小)系在一根绳子上，并将它放到水面上。然后，她测量了要让金属片离开水面需要多大的拉力。奇妙之处在于，水会对金属片产生一种“吸力”，从水面上提起金属片需要的力大于你从桌面上提起它所需的力。水的这种“吸力”就是我们所说的表面张力。通过测量提起金属片所需的力，阿格内斯算出了表面张力的大小。然后，她进一步研究了水的表面，尽管提供“吸力”的分子层薄得根本无法直接看见。我们很快就将介绍阿格内斯的研究方法，不过在此之前，我们先回过头去继续谈谈浴缸。装满水的浴缸无异于一个巨大的碰碰车游乐场，水分子在这里碰撞、运动、狂欢。不过，水之所以如此特殊，是因为水分子之间的引力非常强大。每个水分子都有一个较大的氧原子和两个较小的氢原子，也就是H2O中的H和O。氧原子位于分子中央，两个氢原子分布在它两侧，形成一个张开的V形。可是，尽管与自己的氢原子结合十分紧密，氧原子仍不会放过偶然路过的其他粒子。氧原子总在不断吸引其他水分子的氢原子，形成人们所说的氢键。氢键的力量让水分子凝聚成了整体。浴缸中的水分子总在彼此吸引，将一整缸水凝为一体。位于表面的分子却有点不一样。它们会受到下方水分子的吸引，但上方却没有别的水分子。表面这层水分子受到的力有向下的、向侧面的，却没有向上的，于是它们形成了一张有弹性的薄膜，紧紧包裹着下面的水分子，同时尽可能地向内收缩，减小自己的面积，这就是表面张力的来源。你打开水龙头，水裹挟着空气冲入浴缸形成气泡。不过这些气泡浮到水面上以后无法维持太长时间。这是因为水的表面张力太大了，构成气泡的水分子会被其余的水分子死死拉住，这往往导致气泡破碎。阿格内斯的实验内容之一是，轻轻向上提拉金属薄片，但不要让金属片离开水面。接着，她在金属片附近的水里加了一滴洗涤剂，1～2秒后，金属片轻松地离开了水面。扩散的洗涤剂降低了水的表面张力，因为它取代了表层的水分子，让水不必直接接触空气。加了沐浴液以后，浴缸里的水无法再维持面积最小的平坦表面。进入水中之后，黏稠芬芳的浴液立即扩散开来。每个浴液分子都有一端亲水，另一端疏水。疏水端一旦接触空气就会牢牢抓住，亲水端接触水时同样如此，于是浴液最终会停留在水与空气的接触面上。这层浴液只有一个分子那么厚，每个分子的亲水端都停留在水面下，疏水端则暴露在空气中。浴液的表面张力比水小得多。派对开始了，大量泡沫出现在水面上。通过降低表面张力，浴液让气泡的表面变得更加稳定，从而延长了它存在的时间。或许值得一提的是，我们总觉得白色的泡沫能把东西洗干净，然而对于现代洗涤剂来说，起泡成分和清洁成分其实是两回事。完全无泡的洗涤剂也能把东西洗得干干净净，事实上，泡沫还常常会妨碍清洁过程。不过，清洁产品供应商的宣传做得太好，人们固执地认为美丽的白色泡沫就是清洁力的保证，所以现在这些生产商骑虎难下，只能在洗涤剂里添加起泡剂，否则消费者不会买账。和黏性一样，表面张力在宏观层面上也同样明显，不过它的重要性通常比不上重力和惯性。越小的物体越容易受到表面张力的影响，所以你的泳镜才会起雾，毛巾才能吸水。微观世界的美妙之处在于，一个宏观物体中可能隐藏着众多微观过程，而且它们的效应会叠加起来。我们可以说，表面张力只有在微观层面上才会占据主导地位，但它也成就了地球上体形最大的生物。不过，要解释这个道理，我们得先了解表面张力的另一面，也就是气体和液体之间的表面，当它遇上固体时会发生什么呢？泳镜上的雾第一次在开放水域中游泳的经历让我明白，这种运动不适合胆小鬼。幸运的是，事前我完全不知道这一点，所以也毫无心理负担。在圣迭戈的斯克里普斯海洋研究所工作的时候，我的游泳小组每年最盛大的活动是从拉荷亚的海滩到斯克里普斯码头游一个来回，这条路线总长4.5千米，需要游过一条幽深的海底峡谷。在此之前我只在游泳池里游过泳，不过我喜欢尝试新事物，而且游泳经验也还算得上丰富，所以我报名参加了活动，并暗自祈祷到时候千万别太露怯。出发的时候场面有些混乱，不过大家游开以后就好多了。在第一段行程中，我们从一大片壮观的海藻森林上方游过，感觉像是在飞。穿过海藻缝隙的阳光闪烁着点点金光，就像森林里透过枝叶投射到地面上的光斑。巨大的海藻伸向海底深处，最终消失在一片朦胧之中，我不由得想到，在我看不见的深处，有多少生物正自在地游弋。离开海藻森林后，海浪变得更加汹涌，我不得不分出更多精力来维持正确的方向。行程开始变得有些困难。远处地平线上的码头看起来模糊一片，我也完全看不清下方的海水里有什么东西。过了好一会儿我才发现，我之所以什么都看不见，是因为泳镜起雾了。噢，原来是这样。从温暖的皮肤上蒸发的汗水在塑料泳镜里形成大量蒸汽。我游得越努力，蒸发的汗水就越多。现在我的泳镜内部变成了一个迷你桑拿房，里面又热又潮湿，但周围的海水却凉爽宜人，外面的环境不断地冷却泳镜的镜片，空气中灼热的水分子碰上凉爽的塑料镜片就会释放出热量，冷凝成液体。但这还不是关键。真正的问题在于，这些水分子在镜片内侧凝结成液体后还会自发地聚集起来，也就是说，水分子彼此之间的引力远大于塑料对水分子的引力。表面张力让水分子向内凝聚，迫使它们聚集成微小的水滴，以便缩小表面积。这些水滴都很小，直径可能只有10～50微米。作用于水滴的重力无法抵消镜片与水滴之间的摩擦力，你就算等得再久，它们也不会自己流下去。每个小水滴都会像镜片一样扭曲并反射光线。我抬头遥望码头的时候，光线先被泳镜上的水滴折射，然后才进入我的眼睛。无数小水滴就像镜子做的小房子，它们打乱了图像，所以我只能看到一片模糊的灰色。我停下来洗了洗泳镜，远方的码头又重新变得清晰起来。可是没过多久，讨厌的雾气又回来了。起雾，清洗，起雾，清洗——这样的循环令人疲惫，最后我只能紧跟搭档，因为她戴着一顶鲜艳的红色泳帽，哪怕镜片起雾，我也能看得清清楚楚。到达码头以后，我们停下来检查了一下每个人的状态。在这短暂的时间里，我想起一位水肺潜水者大约一周前教过我一个小技巧：在泳镜的镜片内侧吐点唾液，然后把它抹匀，镜片就不会起雾了。刚听到这个的时候我做了个鬼脸，而现在，我实在不想再当睁眼瞎，所以就照办了。返程的体验果然大不相同。我的搭档觉得太无聊，她想赶快游回去，所以我只能拼尽全力跟着她。不过更重要的是，现在我能看清周围的景象了——游泳的人、海藻、目标海滩，还有偶尔从身边游过的好奇的鱼儿。唾液的作用类似洗涤剂：它会降低表面张力。我的泳镜依然是个迷你桑拿室，泳镜内部的水蒸气依然稠密，但现在，由于表面张力太小，水分子无法凝聚成水滴，只能在镜片上形成一层薄膜，自然也就不会遮挡视线了。回到海滩上以后，我的心情十分愉快，因为完成挑战带给我解脱感，也因为我对水下世界有了新的体悟。在物体表面喷洒薄薄的一层表面活性剂就能有效防雾。能够充当表面活性剂的东西有很多，包括唾液、洗发水、剃须泡沫，还有昂贵的商用防雾剂。涂了表面活性剂以后，凝结的水汽会立即被这些化学物包裹起来。这些活性剂的表面张力很小，所以水分子无法凝聚成水珠，只能均匀地分布在物体表面。如果没有更强的外力，这层水膜将一直留在泳镜内侧。而“更强的外力”唯一可能的来源就是表面张力，既然强大的表面张力已经不复存在，问题也就迎刃而解了。降低表面张力是解决方案之一。除此以外，还有一条路：增加镜片对水分子的吸引力。水滴会自动凝聚成球，如果你把水倒在塑料或玻璃表面上，水滴会高傲地抱成一团，尽量减小自己与塑料接触的面积。但是，如果接触面吸引水分子的能力足以与水分子之间的引力抗衡，那么水珠就会牢牢吸附在接触面上。它们不再是接近圆形的水珠，而是变成扁平的一摊，这时候，水分子之间的引力和接触面对水分子的吸引力大致相等。最近我买了一副配备了亲水镜片的泳镜，水汽依然会凝结，但在亲水层的吸引下，这些水分子会均匀分布在泳镜内侧，泳镜再也不会起雾了。毛巾和巨型红杉降低表面张力在某些情况下是很有帮助的，但是水分子之间强大的引力也有实用性。水量越少，分子之间的引力就越不可忽视。在微观层面，我们甚至可以利用表面张力来抽水。这里不需要泵、虹吸管和大量能量，我们也能让水流动起来；你只需要把东西做得足够小，让重力退居幕后，为表面张力留出大显身手的舞台。打扫清理总是十分无聊，但没人打扫的世界相当糟糕。我是个邋遢的厨子。我做饭的手艺还算不错，但我只爱烹饪，完全不想收拾自己在厨房留下的烂摊子。在别人的厨房里做饭时我总是很紧张。很多年前，我曾在波兰的一所学校里和一群国际志愿者一起工作，有一天，我打算为大家做个苹果派。起初事情并不顺利。我找学校里那位脾气暴躁的高个子厨师借用厨房的时候，她兴高采烈地冲我大喊了一声：“NO!”困惑了好几秒以后，我才终于想起来，波兰语里的“NO”代表同意。我的波兰语相当蹩脚，所以接下来她说的话我基本都没听懂，但我至少听明白了她再三强调的一点：做完饭以后必须把厨房打扫干净，要一尘不染，不准弄洒任何东西。要保持绝对的洁净无瑕。那天晚上，在她回家以后，我准备好了所有原料，然后接下来，我干的第一件事情——自然是打翻了一大盒刚开封的牛奶。我的第一反应是希望这些牛奶立即消失，不要让那位严厉的厨师发现什么蛛丝马迹。但牛奶又黏又滑，既不能捡起来，也不能用扫帚扫走，而且它正以惊人的速度在厨房地板上漫延。不过，有一件工具非常适合收集液体，它能将液体聚拢到一个地方。这种工具名叫毛巾。一旦毛巾接触到牛奶，原来的平衡立即打破。毛巾是用棉花做的，棉花能吸水。在微观层面上，水分子牢牢地吸附在棉花纤维上，沿着每根纤维的表面缓慢爬行。由于水分子之间的引力很强，所以第一个接触毛巾的水分子会把后面的一串伙伴都拉上来。水携带着牛奶里的其他成分沿着棉花纤维迅速漫延。水与毛巾纤维之间的吸附力非常强，区区重力根本无法与它抗衡，流下来的牛奶又心甘情愿地爬了回去。不过，故事并未到此为止。毛巾真正了不起的地方在于，它非常蓬松。如果只能靠自己的纤维去接触薄薄的水层，那么它根本不会有这么强的吸水能力。但由于毛巾非常蓬松，所以棉花纤维之间会形成大量气泡和狭窄的通道。水一旦进入这些通道就会被各个方向的纤维吸引。因为通道很窄，所以每一滴水都会找到可以附着的表面。蓬松的特性拓展了毛巾的表面积，所以它能吸收大量的水。毛巾迅速吸干地面上的奶渍，微小的水分子在蓬松的毛巾里挤成一团，彼此碰撞。最底下的水分子紧抓彼此，跟着拥挤的伙伴们前进。已经吸附在棉花上的分子和身边的同伴手挽手，努力稳住自己的位置。刚刚接触到干燥棉花的分子不顾一切地吸附在纤维上，带着后面的伙伴奋勇前进，向上填充结构之间的空隙。奶渍表面的水分子拉扯着正下方的同类，试图和其他水分子一起凝聚成球，向上攀爬。这就是毛细现象。毛巾里的牛奶和地上的奶渍都会受到向下的重力，但在微观层面，一旦牛奶接触到干棉花里的无数小气囊，重力根本无法抗衡毛巾的吸附力。我不断移动、翻转毛巾，用相对干燥的地方继续擦拭，让它尽可能地多吸一点水。水分子会彼此拉扯，在纤维的空隙之间执着地向上攀爬，直到无数气囊产生的引力加起来终于与重力达到平衡。正是这个原因，如果你把毛巾的边缘浸入水中，那么液体会沿着毛巾向上漫延几厘米，然后停止扩散。这时候，水受到的重力正好等于表面张力提供的向上的引力。纤维绒毛之间的通道越窄，能提供张力的表面积就越大，浸湿的水线也就爬得越高。在这种情况下，尺度真的很重要。把同样形状的绒毛放大100倍，那它就会彻底失去吸水的能力。不过，要是你把它缩小，各种力所占的优势就会改变，浸湿的水线也会继续升高。¤最棒的是，如果你把毛巾晾到外面，那么绒毛缝隙中的水会慢慢蒸发，最后消失在空气中。这真是个完美的解决方案，毛巾不但能吸收液体，还能让这些液体无声无息地自行消失。清理完奶渍以后，我做好了苹果派，还把厨房收拾得干干净净。不过，最后我还是犯了一个错，这回科学知识帮不了我了。苹果派上的奶油霜味道不太对头，看着大家的表情，我终于意识到了这一点。我把波兰语里的酸奶油错当成了普通奶油。这下我可记住这个词了，但这也真丢人。不过，人总得活到老学到老，下次我不会再犯同样的错误。我们为什么会用棉花做毛巾？因为棉花的主要成分是纤维素，这种物质的亲水性极强。脱脂棉、洗碗巾和廉价的纸都能吸水，因为它们都由亲水的纤维素组成，微观结构非常蓬松。问题在于：这些物理规则适用的尺度有下限吗？如果把绒毛之间的通道做得尽可能小，又会发生什么事情？实际上，我们要说的已经不再是吸水的工具，在这条路上，大自然比人类走得更远。主宰微观世界的物理规则与地球上体形最大的生物——巨型红杉——息息相关。●森林的静谧与潮湿仿佛亘古不变。树木之间的地面上长着厚厚一层苔藓和蕨类，除了看不见的鸟儿发出的鸣叫以外，你只能听见树木摇晃时发出的令人不安的嘎吱声。透过绿色枝叶的缝隙，我能看到高处的蓝天，而在我脚下的地面上，水无处不在：小溪、潮湿的水洼，还有沿着山谷蜿蜒向前的细流。前进的时候，我常常会下意识地紧张起来，不时会有一大片阴影出现在森林中，看起来与周围的环境格格不入。但那不是掠食者，而是一棵树：足有上千年树龄的大树屹立在孱弱的后辈之间，高耸的身躯在森林中投下巨大的阴影。这就是海岸红杉，学名北美红杉。它曾郁郁葱葱地覆盖着加利福尼亚州北部的广袤领土。时至今日，这些巨树形成的森林已经急剧缩小，现在我拜访的正是久负盛名的洪堡县红杉国家公园(Redwood National Park, Humboldt County)。巨大的红杉之所以如此醒目，是因为它们的树干完全垂直于地面，笔直地伸向空中。这颗星球上已知最高的树木就生长在这里，它的高度达到了惊人的116米。远足途中，我不时与胸径足有两米的巨树擦肩而过。最令人震惊的是，在那沟壑纵横、饱经沧桑的树皮下面，这些树还在继续长出新的年轮。它们还活着。我头顶100米外那些终年常绿的叶子正在吸收、储存太阳的能量，以制造新的养分，它们做的这些事情和其他小树没什么两样。但是，生命需要水，而水在地面上，在我站立的地方。也就是说，在我周围，森林里的水正在我们看不见的地方向上流动。从树苗发芽的那一刻起，这样的流动就已经开始，从不曾间断。有的红杉从罗马帝国衰落的年代就已经生长在这里，它们一直矗立在加州的浓雾中，这期间人类发明了火药，成吉思汗横扫了亚洲，罗伯特·胡克出版了《显微图集》，日本人轰炸了珍珠港。上千年的时光中，树干里的水从不曾停止流动。我们如此肯定，是因为红杉体内依赖于水的一整套机制从未停止工作，这不可能暂停然后重启。这套生物输水结构十分精妙，它之所以有效，是因为输水管的直径只有几纳米。树木的输水系统藏在木质部中，细小的管子贯通树干，从树根一直延伸到树梢的叶子里。我们所说的“木头”的主要成分就是这些小管子。不过，随着树木长得越来越高大，最内层的树芯就会逐渐失去输水功能。毛巾吸水靠的是毛细现象，但这只能把水抽到几米的高度，对很高的树来说远远不够。树根也能产生一定的压力，推动管中的水沿着树干上升，但作用效果同样只有几米。红杉在输水上另有办法，它们的水不是推上去的，而是拉到高处的。所有树木都拥有类似的输水系统，但红杉的系统是当之无愧的头号精品。我坐在一根倒卧的树干上，仰望身旁的巨树。在我头顶100米外，细碎的树叶在微风中招展。要完成光合作用，它们需要阳光、二氧化碳和水。空气中的二氧化碳通过每片树叶背面的小孔(气孔)进入树叶内部，这些气孔的内部有纤细的网络，交织着充满了水的通道。这是树木输水管道的末端，到达气孔之前，主输水管经过了多次分岔，每一次分岔都会让直径变得更小。在这里，输水管终于接触到了空气，它的末端直径只有10纳米左右。水分子紧紧吸附在每条通道的内壁上，水的表面向下凹陷，形成纳米尺度的“小碗”。阳光会加热树叶和叶子里的空气。当水面上的某个水分子获得了足够的能量，它就会脱离下面的伙伴，蒸发到空气中。可是现在，纳米尺度的碗变形了：因为失去了一个水分子，它凹陷得太深。表面张力向内拉扯水分子，让它们挤得更紧，以便进一步缩小表面积。有很多新的分子可以填补蒸发后形成的空隙，但它们都位于输水管深处。因此，输水管里的水会向上移动，去填补那个被蒸发掉的分子，由此引发连锁效应，层层传递到树干低处。单个输水管的直径很小，表面张力会对通道下方的水产生极强的拉力，无数叶子共同作用形成的合力足以拉动管道系统里的水从树根直抵树梢。这些水的确会受到向下的重力，但众多微弱的拉力汇聚起来，最终赢得了这场战斗。向上的拉力不仅需要对抗重力，还需要克服管壁与水之间的摩擦力。几棵小树苗簇拥在我周围，它们只有1岁，树干内的输水管道才刚刚开始成形。树苗越长越高，管道系统也随之伸展，但绝不会断裂，所以树叶背面的气孔总能得到输水系统的滋润。在树木的成长过程中，这套系统一刻不停地向上抽水保障供给。如果管道系统彻底空了，树木就无法再次往里面充水。在成长的过程中，树木会确保管道里的水长流不竭。不管树木长到多高，它都必须确保输水系统完好无损。最高的红杉之所以都生长在海岸附近，是因为海滨的雾气能够帮助它们的叶子保持湿润。这样一来，红杉就不需要从根部抽取那么多水了，这减轻了输水系统的负担，树木也因此长得更高。水从树叶中蒸发的过程被称为“蒸腾作用”，在阳光的照射下，这个过程时时刻刻都在进行。宛如沉睡巨人一般的红杉实际上是数量惊人的一束水管，不断从森林的地下吸水，利用其中一部分水完成光合作用，再把剩下的水蒸发到天空中。每棵树都在做同样的事情。树木是地球生态系统不可或缺的一环，如果没有足够的水分，它们就无法向天空伸展。最美妙的是，它们不需要水泵就能完成抽水的任务。树木将问题化繁为简，利用微观世界的法则，将同样的过程重复数百万次，最终完成不可思议的任务。它们是活用物理学的巨匠。那个由表面张力、毛细现象和黏性占据主导地位，重力和惯性退居幕后的微观世界一直是我们日常生活中密不可分的一部分。我们或许看不见那些过程，但能看到结果。那个世界精巧而陌生，很长时间以来，人类一直只能站在远处欣赏它，却无法深入其中，近年来，局面有了变化。针对毛细现象的研究一日千里。我们该如何操控狭窄管道中的流体？科学家甚至给这方面的研究专门起了个名字：微流体(microfluidics)。现在也许还有很多人完全没有听说过这个词语，但有朝一日，它必将对我们的生活产生重大影响，尤其是在医学领域。今天，糖尿病患者可以用简单的电子设备和试纸监控血糖。微小的血滴一旦接触试纸就会被迅速吸收，这个过程背后就是毛细现象。葡萄糖氧化酶藏在试纸的小孔里，这种酶会与血液中的糖发生反应，产生一个电信号。病人可以利用手持设备探测到这个信号，然后，“嘀”——准确的血糖测量结果就会立即显示在屏幕上。这个过程看起来十分简单明了。试纸吸收血液，然后进行测量。但真的就这么简单吗？这样的描述实在过于粗略，真正发生的事情比这复杂精妙得多。如果你能让液体通过细小的管道和纤维进入“储液罐”，并在流动过程中加入其他化学物质，再观察最后得到的结果，那么你就做成一个化学实验。这里不需要玻璃试管、手持式移液器和显微镜，科学家正在研发各种便携式的医学实验设备，这为“微型实验室”行业的迅猛发展奠定了坚实的基础。谁也不愿意从自己身体里抽出一整管血，但一滴血的量又太少，处理起来很难。更小的诊断设备通常成本更低廉，分离血液也更轻松。你甚至不需要用到高分子聚合物或者半导体这类现代的高级原材料，有纸就行。哈佛大学的一组研究人员正在乔治·怀特塞兹(George Whitesides)教授的带领下钻研此类课题。他们设计了一种诊断工具，主要部件就是邮票大小的试纸，上面以疏水材料分隔出很多亲水通道。只要将一滴血或一滴尿滴到试纸上正确的区域，毛细现象就会将液体分配给不同的测试区。每个测试区里都有某种特定生物测试所需的原料，而每一个“储液罐”都会根据测试结果而改变颜色。研究人员表示，哪怕是对医学一窍不通的人也能轻松完成测试，他可以用手机给试纸拍一张照片，然后通过电子邮件将照片远程发给有能力做出诊断的专家。这个想法的确相当美妙。纸成本低廉，这类设备不需要消耗能量，重量也很轻，完成测试之后，你只需要点火将它烧掉就能保证卫生和安全。不过，要让这些看似简单的设备真正投入使用，我们还需要确认、权衡很多东西。但是，我们有理由相信，无论如何，此类设备未来都必将在医学界占领一席之地。本章的内容带来了一个启示：遇到问题的时候，我们或许应该先试着寻找最合适的尺度，尽量让问题变得更简单。换句话说，我们可以选择用哪些物理规则来解决问题。微观世界真的很美妙!

     第4章时光中的一瞬-走向平衡-

     番茄酱和蜗牛慵懒的周日，英式酒吧是解决午餐的最佳地点。我常常觉得这类地方既温馨又自然：古老的橡木梁柱间隐藏着众多形状各异的小空间。你在擦得闪闪发亮的黄铜脚炉和获奖小猪的照片之间找了张桌子坐下，点了一份标准的酒吧午餐。和餐盘一起端上来的通常还有一碗薯条和玻璃瓶装的番茄酱。不过接下来就费事了，几十年来，橡木房梁无数次见证了这项仪式：你得把玻璃瓶里的番茄酱倒出来才能蘸薯条，这可不是件易事。起初，乐天派们只是把番茄酱瓶子倒过来举在薯条碗上方，结果当然什么都不会发生，但谁也不会跳过这一步。番茄酱非常黏稠，渺小的重力根本无法把它从瓶子里拽出来。而它之所以如此黏稠，原因有二：第一，只要够黏，那么就算瓶子已经放了很久，番茄酱里的香料也不会沉底，你要用的时候也不必再把它摇匀；第二，也是更重要的一点，人们喜欢在每根薯条上涂一层厚厚的酱，要是番茄酱很稀，那感觉就差多了。薯条上的黏稠酱汁令人愉悦，可是它还在瓶子里的时候，你的感觉就不那么愉快了。几秒钟后，你终于和别人一样，开始相信重力根本奈何不了瓶子里的番茄酱。你只好摇晃玻璃瓶。你的动作越来越大，最后终于开始用另一只手使劲拍打瓶底。桌边的朋友们受不了这声响，纷纷往椅背上靠。一大坨番茄酱猝不及防地流了出来。奇怪的是，番茄酱真正动起来的时候分明相当轻快。现在，厚厚的酱汁覆盖了整个碗(或许还有半张桌子)，这是最有力的证据。之前它还纹丝不动，突然之间就动若脱兔，这到底是怎么回事？番茄酱的问题在于，如果你试图以很慢的速度去推动它，那么它就会表现得像固体一样；但要是你迫使它高速运动，它就会表现出液体的性质，可以流动。瓶子里和薯条上的番茄酱受到的向下的力只有微弱的重力，所以它就像固体一样死死赖在原地，可只要你摇晃得够狠，一旦番茄酱开始运动，它就会像液体一样快速流动。一切都是时机问题。虽然你做的是同样的事情，但动作快慢不同，造成的结果也会截然不同。番茄酱的主要成分是过筛西红柿、醋和香料。混合物本身很稀，毫无特别之处，但在加入了0.5%的多糖之后，它就完全变了。这种糖名叫黄原胶，是一种常见的食品添加剂，由细菌发酵生成。玻璃瓶放在桌上的时候，水分之中的这些长长的糖分子彼此纠缠，维持着番茄酱的形态。而在我们摇晃瓶子的时候，它们开始松动，不过很快又会重新缠到一起。等到你开始拍打玻璃瓶，番茄酱受到的振动更加剧烈，纠缠在一起的分子不断分开，最后，它们纠缠的速度再也赶不上松脱的速度，一旦越过这个关键点，番茄酱就会失去类似固体的特性，哗啦啦一下子就从瓶子里涌出来。其实我们有办法解决这个问题。而且，考虑到英国人花了那么多时间来对付瓶子里的番茄酱，你会惊讶于这简单的解决方案竟然没几个人用。倒置瓶子、拍打瓶底，这些办法都收效甚微，因为只有离受力点最近的那部分番茄酱才会松动，而瓶颈会被黏稠的酱汁堵塞。最好的办法是让瓶颈处的番茄酱松动。你只需要将瓶子倾斜到一定角度，轻敲瓶颈，酱汁就会自己流出来，而且不会一下子出来一大堆，因为流动的酱汁数量有限。周围的用餐者不会被你的手肘撞到，也不会有番茄酱洒到他们身上，薯条也不会被番茄酱彻底淹没。在物理学的世界里，时间非常重要，因为事情发生的速度会影响很多东西。如果你以两倍的速度去完成一件事，有时候能节省一半的时间。不过更常见的是，你会得到一个截然不同的结果。这一点很有用，我们也会运用这个原理以各种方式来控制周围的世界。时间尺度决定了事情的结果，这一点奇妙无穷。无论是对咖啡、鸽子还是高耸的建筑来说，时间都很重要，而不同的时间尺度对这些事物各有不同的意义。这一点不光会让我们的日常生活变得更加方便，有时候你甚至会发现，生命之所以存在，完全是因为物理学的世界总有些赶不上趟。不过，我们还是从头说起吧，现在，我们一起来看一种以“永远赶不上趟”而著称的动物，它就是慢动作的代名词。●那天的剑桥阳光明媚，我不得不承认，我被一只蜗牛打败了。很少有研究生在毕业前的最后一年花时间研究园艺，但当时我和三位朋友合租的那幢房子有一座花园，这样的诱惑实在太大。那一年，在工作和运动之余那稀少的时间里，我一直忙着清理繁茂的荨麻，在丛生的杂草中寻找大黄和玫瑰树之类的宝藏。父亲笑我在花园里种土豆(“你还真是波兰人。”他说)，但我新开辟的菜地当然不会只种土豆。最让我激动的是，花园里甚至有个废弃的温室，里面铺满了碎石，还种了一架葡萄。春天我可以先在温室里培育幼苗(我打算种韭葱和甜菜根)，然后把它们移植到菜地里。2月底，我在托盘里播下种子，然后开始等待新植物发芽。欢迎加入书社,每日海量书籍,大师课精彩分享微信:dedao555不久后我就发现，幼苗恐怕是长不出来了，因为蜗牛实在太多。我拎着喷壶走进温室，发现每个托盘正中央都有一只趾高气扬的蜗牛。新翻开的泥土散落在周围，土壤中还有星星点点的绿意，那是被咬断的嫩芽。不肯服输的我把所有蜗牛都扔了出去，然后重新播种。这次我把所有托盘都放到了砖堆顶上，免得蜗牛再爬进去。两周后，刚发芽的幼苗又不见了，托盘里的蜗牛比上次还多。我又想了几个主意，但却无一奏效，最后我只剩下一个办法。这次我找了几对空花盆，把茶盘倒扣在每对花盆上，这时茶盘看起来活像长了两条菌柄的大蘑菇。我在所有茶盘边缘都涂了油，再把育种托盘放到“茶盘蘑菇”头上。经过这一系列复杂的操作以后，我把最后一批种子撒进托盘，合十祈祷，然后就回去继续研究凝聚态物理了。幼苗不受打扰地长了半个多月，还是出事了：我在原本应该长着幼苗的地方发现了一只肥大快活的蜗牛。我还记得自己站在温室里疯狂地思考，它到底是从哪儿爬进托盘里的。只有两种可能：一、它沿着温室内墙爬到了屋顶上，然后不知怎么就正好掉进了托盘里。这个概率看起来相当渺茫。二、它沿着花盆壁爬到了倒扣的茶盘里，然后翻过茶盘边缘，一路闯进最上层的种子托盘。无论如何，我都不得不承认，蜗牛赢得了奖赏。但是，它是怎么做到的？这两条路线都要求它倒悬着爬行，它只能靠黏液把自己固定在物体的表面上。如果你观察过蜗牛移动，那么你会发现，它的前进方式和毛毛虫截然不同——蜗牛永远不会离开物体的表面，它只会不断分泌黏液，然后沿着黏液的路线前行。黏液就是蜗牛的秘密武器，而黏液的物理特性和番茄酱差不多。观察蜗牛移动的时候你看不到太多东西，因为它的腹足边缘移动的速度非常慢。蜗牛分泌的黏液就像静止不动的番茄酱，黏稠而厚重，难以移动。不过就在蜗牛身体下方，在腹足的中央，肌肉从后往前运动，以推力迫使黏液流动起来。这些黏液会发生和番茄酱一样的变化，所以只要速度够快，它就会轻松地流动起来。借着肌肉的力量，蜗牛在液态的黏液表面滑行，几乎不会遇到任何阻力。蜗牛需要这层厚厚的黏液，否则它无从着力。蜗牛和蛞蝓之所以能移动，完全是因为它们分泌的黏液同时拥有固体和液体的特性，而这些黏液具体表现出什么特性是由外界施力所决定的。这种移动方式的最大优势在于，蜗牛可以借此头朝下脚朝上地爬行，因为它们永远不会离开自己所在的表面。黏液为什么会有这种效果？因为它的成分是长长的复合糖分子。静止不动的时候，这些分子之间会连接在一起，赋予黏液固体的特性。但只要外界的推力够大，这些连接就会断裂，分子开始像意式细面一样交错滑动。等到黏液再次静止下来，连接重新成形，短短几秒后，它又会变得黏稠。就算这些我全都知道，我又该怎么保护幼苗呢？显然，我无法阻止蜗牛爬进托盘，因为它的黏液几乎可以粘在任何一种表面上，包括不粘锅涂层。实验表明，就连滴水不沾的疏水性表面都无法让蜗牛止步。这真是个了不起的成就，不过心疼幼苗的我没有心情表达赞赏。防滴涂料也是基于同样的原理。静止的涂料黏稠厚重，不过只要你用刷子把它抹开，它的黏稠度就会大大降低，让你能够轻轻松松地把它刷得很薄。一旦你挪开刷子，涂料的黏稠度就会立即恢复，所以在干掉之前，它不会顺着墙壁向下流淌。极快和极慢番茄酱和蜗牛都很渺小，但同样的物理学现象可能在更大的层面上引发严重的后果。2002年，我曾拜访过新西兰的基督城，那是一座宁静而优雅的城市。几千年来，雅芳河带来的无数小颗粒层层堆积，造就了肥沃的土地。但是，这座美丽的城市脚下却埋着一颗定时炸弹。2011年2月22日中午12点51分，一场6.3级的地震在距离市中心约10千米的位置爆发。地震本身就够糟糕了，有人被甩到空中，有的建筑物四分五裂，而更糟糕的是，组成城市地基的沉积物只有在静止状态下才有足够的强度。和番茄酱一样，这些颗粒在剧烈的晃动中变成了液体。当然，细节上还是略有不同，沉积物的流动性之所以会大大增强，并不是因为分子之间的连接遭到了破坏，而是因为水涌进沙粒之间，大大降低了土壤的摩擦力。不过，二者背后的物理学原理完全相同。固体的土地在剧烈的振动下像液体一样流动起来。汽车很重，所以在重力作用下，它会向地面施加很大的压力。汽车之所以不会陷进地里，是因为坚固的地面可以抵挡这样的压力。不过在基督城地震爆发的那几分钟里，这条法则被打破了。那天有很多车停在路边的沙土地面上，这些沙土已经几十年没有移动过了。但随着地震的爆发，沙土层开始快速滑动。如果这个过程发生得很慢，那么停在地面上的车不会有危险，但一切来得如此迅速，水涌进沙粒之间，沙子无法留在原来的位置，被迫四散游走。土地突然变成了水和沙子的混合物，失去了稳定的结构。地面还在摇晃，停在这堆混合物上面的汽车开始下陷。不过，地震一停，只需要一两秒，大地就能平静下来，水慢慢退去，地面重新固定下来，但汽车已经被半埋在了土里。正是这个原因，基督城在地震中损失惨重。地面支撑力不足造成了汽车下陷、建筑物倒塌，这种现象叫作“土壤液化”，只有地震这样强大的力量才能让沉积物达到足够的速度，造成这样的后果。不过，就算外力很小，只要沙质地面运动的速度够快，情况一样会很严重。因此，陷进流沙时千万不要拼命挣扎。你越挣扎，沙子的流动性就越强，你下沉的速度也就越快。你应该尽量放慢动作，努力尝试控制自己的姿态和位置。时间很重要，而速度就是时间的一种表现。改变速度往往会造成截然不同的结果。要想形容某件事情发生得很快，我们常常会说“一眨眼的工夫”。人类眨一次眼大约需要1/3秒，而人类的平均反应时间是1/4秒左右。这听起来似乎很短，可是你想一想标准反应测试的过程就会知道，这段时间里我们做了很多事情：光照到视网膜上，专门的感光分子就会开启一系列化学反应，产生一股微弱的电流。电信号通过视神经传向大脑，刺激脑细胞相互发送信号，判断是否需要做出反应。电信号还会沿着神经细胞传向肌肉。收到“收缩”指令后，肌纤维展开行动，让你的手按下按钮。这一切都是为了让你尽可能地以最快的速度做出反应。我们为人体的复杂和精妙付出了速度的代价。我一直认为人类是动物界里的蜗牛，我们拖着迟缓的脚步在物理世界中踽踽前行，因为我们做的每一件事都牵涉许多不同的步骤。就在我们慢吞吞地处理这些琐事的时候，其他很多更简单的物理系统已经在瞬息间经历了巨大的变化。这些简单迅速的过程快得让我们根本无法察觉。将一滴牛奶从高处滴进咖啡杯里，你或许可以从中一瞥那个世界的运转。也许你能看到牛奶滴从水面上弹开，然后重新落回杯子里，这几乎是人类能分辨的速度的极限。在我念博士的时候，我的导师就曾说过，要是你的动作够快，你完全可以在牛奶滴进杯子之前改变主意，在半空中接住那滴牛奶；不过我敢肯定，这样的事儿人类完全不可能做到，我们需要一个小得多、快得多的帮手。人类因为慢而错过了多少东西？这个问题启迪了我的博士生涯。我总是忍不住去想，世界上有多少事情就发生在我的眼皮子底下，但它们要么太小，要么太快，总之我都看不见。所以我选择了一个能让我摆弄高速摄像机的博士课题，这种技术能让我看到那个在正常情况下快得完全看不见的世界。但只有人类才能使用高速摄像机，如果你是一只鸽子，那又该怎么办呢？巴里·弗罗斯特(Barrie Frost)是一位锐意进取的科学家，1977年，他设法教会了一只鸽子使用跑步机。要是在今天，他的研究很可能会入选搞笑诺贝尔奖。这样奇怪的研究会让你先是忍俊不禁，然后陷入深思。跑步机的履带缓缓向后移动，为了保持自己原先的位置，鸟儿不得不迈步前进。显然，鸽子很快就领会了这一点，但它向前走的时候却出了点问题。如果你曾坐在城市广场旁观察四处觅食的鸽子，你会发现它们在行走的时候头总会前后摆动。我一直觉得这样肯定很难受，这看起来也很奇怪，鸽子为什么要做这样的无用功呢？跑步机上的鸽子就完全不会点头。巴里由此推断，点头的动作对鸽子来说肯定别有深意。显然，它们不需要点头也能行走，所以这与运动完全无关，我们应该从视觉的方向去考虑。跑步机上的鸽子虽然在走，但周围的环境却固定不变。如果鸽子的头一直不动，那么它在任一时刻看到的东西也完全一样。这样的环境清晰而易于观察。而鸽子在地面上行走的时候，周围的场景会随着它的脚步发生变化¤。事情似乎是这样的：这些鸟儿看的速度不够“快”，无法捕捉变化的场景，所以它们实际上并不是在前后摆头，而是先把头往前探一点，然后身体跟上，最后头向后摆动。在它迈出这一步的过程中，头的位置基本保持不变，这样它才有更多时间分析眼前的景象，然后再迈出下一步。它们先给周围的景象拍一张“快照”，然后探头向前，拍摄下一张快照。要是你能盯着一只鸽子观察一会儿，你一定会觉得我说得很有道理(不过这需要一点耐心，因为鸽子的动作通常很快)。为什么某些鸟类搜集视觉信息的速度特别慢，以至于必须前后摆头，但其他鸟儿却不用这样？谁也不知道这个问题的确切答案。但有一点毋庸置疑：速度较慢的动物必须把世界分割成一帧帧的静止画面，才能跟得上外界的变化。人类的眼睛基本跟得上行走的速度，但如果在走路或者奔跑的时候要仔细查看近处的东西，你总得停下脚步才能看个清楚。你的眼睛无法在移动中以足够快的速度搜集所有细节。实际上，人类处理这个问题的方法和鸽子一模一样(虽然我们不会前后摆头)，只不过我们的大脑会把所有东西拼成完整的画面，所以就连我们自己也无法察觉到这一点。我们的眼睛总在迅速地从某个点跳跃到下一个点，眼神的每一次停留都会为你的脑内画面增添更多信息。如果你在照镜子的时候集中注意力观察镜子里自己的一只眼睛，然后再把视线焦点转到另一只眼睛，你会发现在这个过程中，你根本看不到自己的眼睛有任何动作，但要是有个人站在你的旁边，他会清晰地看到你眼珠的转动。大脑将你看到的画面天衣无缝地拼接在一起，所以你根本不会发现自己的视线发生了跳跃，但这样的跳跃时时刻刻都在发生。重点在于，我们的速度比鸽子快不了多少，所以这个世界上一定有很多东西的速度比我们快。我们已经习惯了局限于某个时间尺度之内的生活——从1秒到几年——但真正的世界比这辽阔得多。如果没有科学的帮助，那么我们永远看不见以毫秒和千年为单位的世界，只能困在目前这个狭小的中间地带里。计算机之所以功能强大，甚至有神秘感，也是因为我们有这种需要。计算机能在极短的时间内处理大量数据，所以它们能在瞬息之间完成非常复杂的任务。计算机的速度还在持续提升，但我们对此却没有直观的感受，因为对人类来说，百万分之一秒和十亿分之一秒并无区别，全都快得无法分辨。不过，即便如此也不能抹杀二者之间的巨大差距。观察的时间尺度决定了你看到的景象。要理解这样的相对性，我们不妨比较一下雨滴和山：前者速度极快，而后者基本纹丝不动。一颗较大的雨滴能在1秒内坠落6米，大约相当于两层楼的高度。在这1秒之内发生了什么？雨滴由大量互相推挤碰撞的水分子组成，每个水分子都会和别的水分子抱团，而外面总有力量想拆散它们。正如我们在第2章中看到的，一个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，两个氢原子分别位于氧原子两侧，三者组成V形。水滴由数十亿个完全相同的水分子组成，每个水分子都在这个松散的网络中不停地跳跃、压缩、拉伸。在这1秒钟里，某个分子可能会跳跃2000亿次。运动到边缘的分子会发现外面没有任何力量可以抗衡水分子之间的吸引，所以它还会被拉回雨滴中央。漫画中常见的雨滴形状完全出自想象：现实中的雨滴可能形状各异，但绝不会有尖角。雨滴边缘的任何尖角都会被迅速抹平，因为单个分子根本无法对抗整颗雨滴的拉力。不过，尽管这种向内的拉力非常强大，但雨滴的形状永远不可能达到完美，因为在空气阻力的影响下，它必须不断地调整自己。雨滴可能会被压扁，不过它很快就会回弹，过度的回弹可能把它拉成橄榄球的形状，然后再次被压扁，这个过程在1秒之内可能会重复170次。试图扯碎雨滴的外力和它内部的引力来回撕扯，雨滴的形状也随之不断变化。有时候，坠落到薄饼上的雨滴会在瞬间被压扁，然后它会扩散成一层薄薄的伞面，最后化为无数细小的水滴。这一切都发生在1秒以内。虽然我们看不见，但雨滴在眨眼之间就会变化数十亿次。最后，这一滴雨溅落在裸露的岩石上，观察的时间尺度也随之改变。这是一块花岗岩，自人类诞生以来它就没有动过，也不曾有过任何变化。但在4亿年前，南半球曾经矗立着一座巨大的火山，来自地底深处的岩浆挤进火山岩的缝隙之中，接下来的漫长岁月里，这些岩浆逐渐冷却下来，慢慢分离，形成各种晶体，最后变成了坚不可摧的花岗岩。时间继续流逝，宏伟嶙峋的岩山经受了冰川期的摧残，植物、冰雪和风雨不断侵蚀打磨着它的形状。火山逐渐被削平，在这个过程中，它也在不断移动。一场剧烈的爆炸之后，这一大块土地开始慢慢漂向北方。地质年代变迁，物种兴亡交替，看不见的力量支配着地球表面板块的聚散。时至今日，这颗行星的生命已经走过了1/10，那座曾经剧烈活动的火山变成了凄凉的遗迹，原本埋藏在地底深处的岩石暴露在光天化日之下。它就是本尼维斯山，不列颠群岛的最高峰。单独观察雨滴和山的时候，你很难发现任何变化。但这只是因为我们对时间的感知能力有限，不是因为它们真的一成不变。我们生活在时间尺度的中间地带，所以有时候，你很难认真去思考这个尺度以外的事情。这里要说的不光是“现在”与“过去”的区别，还包括“现在”这个词的确切定义：它可以指此时此刻，也可以指最近几年。极快和极慢的事件需要的观察视角当然大相径庭，但这样的区别与事物发生变化的方式无关，只与变化的速度有关。还有，变化的“结果”是什么呢？所谓的“结果”通常指的是某种平衡的状态。如果没有外力作用，事物将永远保持原有状态，因为它没有变化的理由。最后，没有力，也没有运动，所有事物达到平衡，整个物理世界终将走向唯一注定的命运：平衡。船闸和大坝想象一下，某条运河里有一套船闸，人们修建它的理由非常新颖：为了让船从河里爬到山上。这个壮举之所以能实现，是因为船的动力设施可以驱动它逆水而行——但水流的速度不能太快。无论什么船都不能迎着瀑布前进，但在船闸的帮助下，你可以让船爬山。一套船闸由两道闸门组成，这两道门之间会形成一段独立的湖泊。船闸一侧的水位较高，另一侧的水位较低。无论是逆流而上还是顺流而下，在运河上行驶的所有船只都必须通过这两道闸门。我们不妨假设，现在正好有一条船在船闸下游等待。两道闸门之间的初始水位与河流下游的水位相同，此时人们打开下游的闸门，让船逆流而上进入两道闸门之间，然后关闭闸门。接下来，上游的闸门开了一条缝，水开始流进两道闸门之间，这一步非常关键。上游闸门关闭的时候，闸门以上的水无处可去，只能尽量停留在低处以保持平衡。此时上游的水体处于静止状态。但是，一旦闸门打开，上游的水体与下游连通，它立即就会发生变化。突然之间，水有了更好的出路。在重力作用下，水总会往低处流动，我们只需要打开闸门，它就会听从重力的召唤一泻而下。所以，上游河水进入两道闸门之间，托着船只上浮，直至船闸内部水位与上游水位相等。我们什么也不必做，只需要打开那道通往新平衡状态的门。现在，船只已经达到了运河上游水位的高度，等到船闸完全打开，它就可以沿着缓慢流动的运河逆流而上。在它身后，等到闸门再次关闭，一切又恢复了平衡。船闸内部的水将保持原状，因为它无处可去。所有力达到平衡。然后，等到下一艘船从上游进入船闸，人们又会打开下游闸门把水放出去，达到新的平衡。这个故事告诉我们，通过控制平衡态的位置，我们可以做很多事情。在没有外力干扰的情况下，事物总会自我调整到平衡态，然后停留在这个状态。我们可以通过调整平衡态来达到自己的目的。但我们需要先了解其中的规则，才能保证一切尽在掌握。物理学的世界总是趋于平衡：冷热不均的液体总会充分混合，直至温度均衡；气球总会膨胀，直至内外压力相等。这个判断与时间的单向流动息息相关。世界不可能倒退，水永远不会倒流，这意味着你只需要观察各个系统如何趋于平衡，就能判断哪边是前，哪边是后。靠蛮力推动事物需要消耗许多能量，相比之下，设法调整平衡的速度要省力得多，而且通常很管用。●胡佛水坝可能是20世纪规模最大的民用工程项目。从拉斯维加斯驱车前往水坝的路上，你将经过一片裸露的红色岩原。只有水的蓝色反光偶尔会在沙漠中央一闪而过，提醒你附近可能藏着某些非同寻常的东西。然后，你转了个弯，那个重达750万吨的庞然大物突然出现在你眼前，楔形的巨大水泥构造嵌在崎岖的山体之间。100年前，科罗拉多河曾在狭窄的河谷中无拘无束地流淌。来自上游落基山脉和东部广阔平原的雨水沿着一道道山谷汇入加利福尼亚湾。困扰下游农民和城市居民的不是水量——水量总是充足的——而是这些水到来的时机。春天，汹涌的洪水会横扫大片土地，可是到了秋天，河道里只剩下可怜的涓涓细流，完全无法满足日益增长的人口的用水需求。水的起源地和入海口总是固定不变的，农民和市民真正需要控制的是河水到达某地的具体时间，最重要的是阻止大量的水在短时间内积累。于是，人们修建了这座大坝。来自落基山和大峡谷的河水现在全部汇入了大坝上游的米德湖巨型水库。它们无处可去，至少暂时如此。最重要的是，这些水停留在高处，因为它们无法继续向下流动。1930年，大峡谷里的一滴水可能要下降150米才会停止运动，但在1935年大坝竣工以后，一滴水在离谷底150米的高度就能达到平衡态。最了不起的一点是，我们不需要消耗任何能量就能让它停留在这里，我们只需要精心构筑屏障，阻止它流向别的地方。我们将它固定在了人类创造出来的平衡态里。当然，我们也可以让它去往别处。人类可以通过大坝控制河流，调整科罗拉多河下游的流量，让这一带不再有洪水和断流。除此以外，还有其他好处。水流通过大坝时产生的巨大力量可以用来发电。在美国西南部的这片不毛之地里，这些水支持了数十万人的工作和生活。人们修建胡佛水坝是为了控制水流的时机，但它背后的原理还有更广泛的用途，绝不仅仅局限于治水。要收集能源，我们惯常的做法是在能源流动的路径上设置障碍。物理世界总是趋向于平衡，但有时候我们可以控制最近的平衡态的位置，以及事物达到这个平衡态的速度。控制了能量的流动，也就控制了释放能量的时机。然后，我们设法让能量通过人工设置的障碍流向平衡态，并在这个过程中对它加以利用。我们既不创造能量也不毁灭能量，我们只会改变它流动的方向和速度。和古代文明一样，我们也面临着资源有限的问题。植物形成的化石燃料能量实际上来自太阳，要是没有植物的转化，这些能量只能变成无法利用的微弱热量，就像流入平原的水一样。化石燃料像一座大坝，它将能量截留在临时的平衡态中。我们把这些燃料挖出来，对它进行适当的催化，为能量提供一条通往另一种平衡态的路径(以火焰和化学将燃料转化为二氧化碳和水)，从而控制了能量释放的时机。我们面临的问题是，化石燃料中储存的“上游”资源只有这么多，近年来我们已经释放了亿万年来积攒的大量能量。化石燃料的宝库日渐枯竭，重新补充库存需要亿万年的时间。所以现在，我们正在努力开发各种各样的可再生能源，胡佛水坝的水电站就是一例，尽管从本质上说，这些能量的源头都是太阳能。我们的文明面临的挑战自始至终不曾改变：如何有效地保存和重启能量流，在尽量不改变世界的前提下办成尽可能多的事情。下次当你打开某件由电池驱动的设备时，请记住，按下开关的时候，你实际上是在选择能量从电池中释放的时机，引导能量进入设备电路，帮助你去做有用的事情。完成任务以后，能量会以热的形式释放，这是它唯一的归宿。世界上的所有开关作用完全相同，它们控制着流动的时机，而流动总是趋于平衡。不同的流速也会带来不同的结果。在这里，时间很重要，因为它只有一个方向。我们通过选择时机和速度来掌控世界。但有时候，事物在达到平衡后不会停下来。如果一切发生得很快，那么平衡可能会再次被打破，这将引发一系列新的现象，甚至会造成问题。晃动的茶水和喘息的狗在工作日里，我一定会安排好下午茶时间。但最近我发现，哪怕倒一杯茶也会拖慢我的脚步，这不仅仅是因为烧水需要时间。我在伦敦大学学院(University College London)的办公室位于一条长走廊的尽头，而茶水间在走廊另一头。端着满满一杯茶缓步走回办公室是我一天中最慢的时刻(正常情况下，我工作时的步调总是介于“小跑”和“冲刺”之间)。这并不是因为杯子里的茶倒得太满，而是因为水面会晃。你每走一步，水面都会荡漾得更厉害。任何有理智的人都会觉得放慢脚步是个合理的解决方案，但物理学家就会做个实验，看看这到底是不是唯一的解决方案。你永远不知道自己可能发现什么。我至少要尝试一下才能甘心接受看似一目了然的结果。如果你把水装进一个杯子里，然后把杯子放在平坦的表面上，轻轻推它一下，水面立即就会开始荡漾。实际发生的事情是这样的：当你推动杯子的时候，杯子动了，水却停留在原地，所以水面会沿着被你推动的杯壁上升。现在，杯子里一侧的水面高于另一侧，重力会促使水往低处流动，所以另一侧的水面也被抬了起来。有那么一个瞬间，杯子里的水恢复了水平，但它没有理由停止运动，于是水继续涌向另一侧。重力总会把水从高处拉向低处，但它需要一点时间才能让水静止下来，等到水停止运动，这一侧的水面又比原来那侧更高，于是运动再次开始。如果放置杯子的表面足够平坦，那么荡漾的水面会逐渐平息下来，杯子里的水恢复平衡。但要是你一直在带着杯子走动，那就是另一回事了。问题就在于晃动的频率。如果换几个大小不同的杯子来做同样的实验，你会发现水面荡漾的方式大体相同，但小杯子里的水晃得快，大杯子里的水晃得慢。无论你最初施加的推力有多大，同一个杯子里的水每秒荡漾的次数总是相同的，杯子的直径是水体荡漾频率最重要的影响因素。向下的重力始终趋向于让一切恢复平衡，而液体的运动速度总在水面刚刚越过平衡位置时达到最大值，这二者之间存在冲突。如果杯子比较大，那么运动的液体就更多，行程更长，每次晃动需要的时间也就越多。每个杯子里的水都有独特的摇晃频率，也就是杯子的固有频率。如果你只是施加一个最初的推力，然后任由它自行恢复平衡，那么你总会得到同一个频率。我在办公室里摆弄了一会儿大大小小的杯子。有个印着牛顿头像的小杯子直径只有4厘米，这个杯子里的水每秒大约会摇晃5个来回；最大的杯子直径约10厘米，它每秒只会摇晃3次。这个大杯子很便宜，而且又旧又难看，不讨人喜欢。但我一直留着它，因为有时候你就是需要一大杯茶。当我端着满满的茶杯离开茶水间，沿着走廊快速走了几步以后，杯子里的水开始晃了。要是我不想把茶弄洒，那我就不能让它晃得太厉害。这真是个难题。在我行走的时候，杯子难免会发生轻微的摇晃，要是这个摇晃的频率正好契合杯子的固有频率，那么水面荡漾的幅度就会越来越大。这就像和孩子一起玩秋千，要是你推动秋千的节奏正好契合秋千摆动的频率，那么秋千就会越荡越高。杯子里的茶也一样。这种现象叫作“共振”。外界的推力越接近荡漾的固有频率，茶就越容易洒出来。所有渴得要命的人都面临着一个共同的难题：人类行走造成的晃动，其频率恰好就和普通杯子的固有频率相当接近。你走得越快，就越契合杯子的固有频率。这套系统简直就是逼着我放慢脚步，虽然实际上这只是个烦人的巧合。于是我们发现，这个问题没有圆满的解决方案。要是我改用小杯子，那么相对于我走路的速度来说，它的固有频率实在太快，所以水面荡漾的幅度不会越来越大，茶也很难洒出来，但那么一点点茶根本不够我喝。可要是改用更大的杯子，我习惯的步调就和它的固有频率非常接近，走不出三步，茶必然会洒。唯一的办法就是放慢脚步，让我的步调变得远低于杯子的固有频率。我很高兴自己进行了这番尝试，但这件事告诉我们，你奈何不了依赖于时间的物理现象。一切摇晃(振动)的物体都有自己的固有频率。固有频率由物体本身的特性决定，与外界推力、运动速度等因素无关。荡秋千的孩子就是个例子，类似的例子还有钟摆、节拍器、摇椅和音叉。如果你背的购物袋摇晃的频率似乎和你的脚步不太合拍，那只是因为它的固有频率和你的步调有所差别。大钟的声音低沉，因为较大的尺寸决定了它们需要更长的时间来完成挤压—拉伸—挤压的循环，所以大钟的声音频率更低。我们可以通过聆听来大致判断物体的尺寸，这是因为尺寸会影响物体振动的频率。这些特殊的时间尺度对我们来说真的都很重要，因为我们可以利用这些知识控制世界。要想抑制振幅，你在施加推力时就必须错开物体的固有频率。这就是茶杯的游戏。但是，要想不费力气地助推一把，就得顺应物体的固有频率。窥破天机的不仅仅是人类，狗也会利用这一点。小狗因卡专心致志地盯着网球，就像等待发令枪打响的短跑运动员。我把网球放在塑胶棒上甩出去，它立即紧张起来。下一个瞬间，网球从它头顶飞过，因卡跟在后面轻盈地蹿了出去，仿佛拥有无穷无尽的精力。小狗在茂盛的草地上高兴地追逐网球，我和它的主人坎贝尔聊了会儿天。因卡没有把网球叼回来，因为它嘴里已经有一个球了(显然，小猎犬就是这德行)，不过追上球以后，它一直警惕地守在旁边，直到我们追上去取出它嘴里的网球，然后把球再次丢了出去。不停地追逐了半个小时以后，因卡终于快活地摇着尾巴坐了下来，气喘吁吁地抬头望向我们。我跪下来摸了摸它的背。跑了这么半天，因卡浑身发烫。它没有出汗，因为狗不会出汗，但它仍然需要排出多余的热量。它张开嘴巴不停喘气，看起来相当辛苦，似乎需要消耗大量能量，进而产生更多的热，这好像有点自相矛盾。我的思绪丝毫没有影响因卡，有人摸它的背，它看起来倒是很开心，一串唾液从它大张的嘴巴边上流了下来。每次跑完步，我的呼吸总要过上好一会儿才能平静下来，但因卡很快就不再大口喘气。面对那双棕色的大眼睛，我不由得好奇：在重新开始追逐网球之前，它需要多少休息时间？目前据我们所知，蒸发水分是最有效的散热方式，所以人类才会出汗。液态水转化为气态会带走大量能量，蒸发形成的气体还会自行飘走，不留任何痕迹。因为狗不会流汗，所以它们无法在皮肤上产生可蒸发的水，但它们的鼻腔内部却很湿润。狗大口喘气，尽可能地排出鼻腔里的湿润空气，这就是它们快速散热的方式。好像是为了证明这一点，因卡很快又开始大口喘气了。我数了一下，它大约每秒钟会喘3次，看起来的确很辛苦。但狗狗真正聪明的地方在于，它们喘气的时候其实不怎么费劲。因卡的肺仿佛处在振动中，对于小狗来说，1秒钟呼吸3次效率最高，因为这正是它的肺的固有频率。吸气时肺壁扩张，片刻之后肺壁回弹，如此周而复始。因卡只需要一点力气，就能让肺恢复原有尺寸，接着进行下一轮喘息。不利的一面在于，在这么快的呼吸频率下，因卡的肺无法彻底完成与外界的气体交换，所以实际上它得不到多少额外的氧气。因此，它不会一直这样剧烈喘气。不过此时此刻，散热需求暂时抑制了它对氧气的需求，所以因卡大口喘气，让自己的呼吸频率贴近肺的固有频率，同时尽量通过鼻子吸入更多空气。相对于散发掉的热量而言，喘气产生的热量少得可以忽略不计。它通过鼻子吸气，同时张大嘴巴，因为滴落的口水也有冷却作用，唾液蒸发也能辅助散热。现在因卡已经不再大口喘气了，它盯上了扔在一边的网球。只消一个眼神，训练有素的因卡就已心领神会，游戏再次开始了。形状和材质都会影响物体的固有频率，不过最重要的影响因素是物体的尺寸。体形较小的狗喘气的速度更快，因为它们的肺更小，固有频率更高。对于体形较小的动物来说，喘气是一种相当高效的散热方式。体形越大，喘气散热的效率就越低，可能正因如此，大型动物普遍通过出汗来散热，尤其是那些没有毛的动物，比如我们人类。●每件物体都有自己的固有频率。振动的模式不止一种，同一件物品通常拥有多个固有频率。物体越大，它的固有频率就越低。你可能需要花费很大的力气才能推动一个巨大的物体，但就连建筑物也会振动，只不过它们的振动非常非常缓慢。事实上，建筑物有些类似节拍器，或者倒过来的钟摆——它的地基是固定的，但顶部会摆动。高处的风总比地面来得猛烈，有时候风的力量足以晃动细高的建筑物，甚至能达到它们的固有频率。如果你曾在大风天待在高层建筑里，你或许体验过这样的晃动。建筑物摇晃的循环周期可能长达几秒，待在里面的人难免会感到不安，所以建筑师花了很多时间来研究如何抑制这样的摇晃。他们不可能让大楼完全不晃，但可以改变建筑物的固有频率和柔韧性，尽量减轻摇晃。如果你感觉脚下的楼正在晃，不要担心——这样的晃动在设计允许的范围内，楼不会塌的。风或许时强时弱，但它摇晃建筑物的节奏不太可能正好等于大楼的固有频率，所以楼体摇晃的幅度不会太大。但地震带来的振动又是另一回事了，强烈的地震波从震中出发，如涟漪般向外扩散，缓慢地摇撼大地。高耸的建筑物遇到地震时又会发生什么？墨西哥城和台北101大厦1985年9月19日清晨，墨西哥城开始摇晃。350千米外，几大构造板块在太平洋边缘挤压碰撞，带来了一场里氏8.0级的大地震。墨西哥城摇晃了三四分钟，地震撕裂了这座城市。根据估算，有10000人在地震中丧生，城市的基础设施也遭到了严重的破坏。恢复重建耗费了数年之久。美国国家标准局(U.S. National Bureau of Standards)和美国地质勘探局(U.S. Geological Survey)派遣了四位工程师和一位地震学家前去调查损失情况。他们发回的详细报告表明，最惨重的损失源自巧合带来的共振。墨西哥城矗立在湖床的沉积物上，下面是坚硬的岩石盆地。科学家们在地震监控设备上看到了一道十分规律的波，完全不像地震带来的杂乱波形。我们发现，湖底沉积物的地质构造赋予了它特殊的固有频率，恰好和350千米外传来的地震波产生了共振。整个湖床以几乎完全一致的频率摇晃，宛如一个整体。这已经够糟糕了，但在深入调查具体损失的时候，工程师还发现，大多数倒塌或严重受损的建筑物高度都介于5层和20层之间。很多更高和更矮的建筑物都不受影响。人们最后计算得出，地震的频率差不多契合中等大小建筑物的固有频率。地震以恰到好处的频率持续了一段时间，这些建筑就像音叉一样振动起来，无一幸免。近年来，建筑师越发关注如何控制建筑物的固有频率。为了解决这个问题，人们有时候甚至会采用非常隆重的方式。中国台湾的台北101大厦修建于2004年至2010年，这幢高达509米的大楼是世界上最高的建筑物，楼里最引人注目的无疑是87楼到92楼的观景区。在这里可以看到大楼的一个中空区域，里面装着一个重达660吨的金色球摆，看起来美丽而怪异，但它非常实用。这个大球不是什么古怪的装置艺术，而是帮助大楼抵抗地震的安全设施，它的学名叫作“调谐质块阻尼器”。台湾地区地震频发，一旦发生地震，大楼和金球会各自独立地摇晃。开始，大楼向一侧倾斜，带动金球运动，但是等到金球自己动起来，大楼已经开始向反方向运动。这样周而复始，二者的运动方向始终相反，可以有所抵消。这个大球能向任意方向移动1.5米，它能将大楼的晃动减少40%。要是大楼完全不动，里面的人会感觉舒适得多。但地震会打破建筑物的平衡态，让它不得不晃动。建筑师无法阻止大楼晃动，只能尽量抑制晃动的程度。大楼里的人别无选择，只能坐在来回摇晃的高楼里安心等待，直到地震能量耗尽，一切重新平静下来。●物理世界总会趋向于平衡态，这是一条基本的物理学定律，人们称之为“热力学第二定律”。但这条定律并没有描述事物达到平衡需要多少时间。任何能量的注入都会促使事物偏离平衡，开始寻找新的平衡。生命之所以会存在，是因为生物总会利用这个原理来控制事物走向平衡的时间，从而掌握能量的去向。就算住在大城市里，你的生活中也一定会有各种植物。透过厨房的窗户，我能看到明亮的阳光照耀着露台上的生菜苗、草莓等各种草本植物。木质地板会吸收直射的阳光并将之转化为热量，这些热量最终又会通过空气和建筑物流向别处。平衡来得很快，在这个过程中，一切都是那么顺理成章。但洒在香菜叶子上的阳光却有不同的遭遇，它闯进了一间工厂。这些阳光不会直接转化成热量，而是以能量的形式服务于光合作用。植物利用阳光打破了叶子里某些物质的平衡态，通过这种方式将能量储存在自己体内。植物截断了能量流向平衡态的最短路径，然后开始分步利用这些能量。它们生出了类似化学电池的物质，利用这些物质将二氧化碳和水转化成糖。它们仿佛拥有一条流淌着能量的运河，河道情况异常复杂，有船闸，有交叉口，也有瀑布和水车。控制了能量流经每段河道的速度，就可以控制这里的所有能量。河道并非畅通无阻，能量也无法一下子从起点流到终点，而是会沿途帮助植物制造复杂的分子。这个过程并不平衡，但植物可以把能量临时储存起来，然后开启通往平衡之路的下一个步骤，如此稳步推进。只要有阳光照在香菜叶子上，它就会为这间欣欣向荣的工厂提供动力。不断注入的能量推动着不断变化的目标，但系统始终向着平衡态前进。最后我吃掉了那棵香菜，于是这部分能量又注入了我的系统。这些能量推动我的身体偏离平衡，只要我还在进食，平衡就无法恢复。不过我可以选择在什么时间进食，我的身体也可以选择在什么时候使用这些能量，这就是我们体内的“船闸”。这颗星球上的生命如此繁多，然而直到今天我们仍无法准确定义“生命”。我们可以凭直觉判断某样东西有没有生命，但若是想用某个简单的规则来定义这个概念，那就总免不了会有一两个例外。生命必须能够维持某个不平衡的状态，并利用这种状态来支持复杂的分子工厂，最终借此完成自我复制和演化。生命能够控制能量在自身系统中流动的速度，它通过控制能量流来维持自身的存在。从这个角度来说，处于平衡态的事物一定不是活的。这意味着“不平衡”的概念构成了当代两大谜团的基石：生命从何而来？宇宙中的其他地方有生命吗？目前，科学家认为，生命或许诞生在37亿年前的深海热泉之中。这些热泉喷发温暖的碱性水，外面则是温度较低的弱酸性海水。两种水在热泉的出口混合，达到平衡，最早的生命可能就诞生在走向平衡的过程中。这里仿佛有一道船闸，趋于平衡的流改变了方向，构建出最早的生物分子。接着，第一道“关卡”演化成了细胞膜，它是所有细胞与外界之间的城墙，墙内是生命，而墙外不是。最早的细胞之所以能获得成功，是因为它暂时延缓了平衡态的到来，并由此打开了通往繁复美丽的生物世界的大门。或许其他星球上也会发生同样的事情。宇宙中的其他地方很可能也存在生命。浩渺的太空中有那么多携带行星的恒星，每颗星球各有独特的环境。无论形成的条件多么苛刻，生命一定会在其他地方出现。但地外生命不太可能通过无线电信号和我们打招呼。撇开别的因素不论，宇宙如此广阔，等我们收到信号的时候，发射信号的地外文明可能早已消亡，何况有能力向宇宙发送信号的文明本身就已是凤毛麟角。夏威夷的冒纳基山顶上矗立着两座望远镜，它们安放在两座巨大的白色圆形建筑里，在山上比邻而立。第一眼看到这两座穹顶的时候，我觉得它们活像是一对凝望宇宙的巨型蛙眼。未来，凯克天文台(Keck Observatory)的巨大眼珠可能会帮助我们捕捉到太阳系外生命的第一缕痕迹。载有地外生命的行星绕着自己的恒星转动，恒星的光穿过大气，会在光谱中留下独特的“指纹”。凯克天文台的望远镜捕捉的正是这类指纹，不久后它们也许就能探测遥远行星的大气成分，比如，大气里是否有过多的氧或者过多的甲烷……这些失衡的迹象可能意味着该行星存在生命。我们也许永远无法确定，但这至少是人类有史以来想出的最可靠的寻找地外生命的方法：世界总会趋于平衡，如果能够确定它走向平衡的速度遭到了外力干预，这方面的证据或许会帮助我们找到正在演化的生命。

     第5章涟漪的故事-从水波到无线网络-

     浪花去海滩上玩的时候，谁也不会长时间背对大海，否则就会感觉很不对头。我们不愿错过壮丽的海景，希望看到起伏的海浪。海水不知疲倦地拍打海岸，这景象总会让人莫名地感到心安，大海与陆地的交界在这个过程中不断变化。住在加州拉荷亚海滩附近的时候，漫长的一天结束后，我最享受的事情就是沿着海滩漫步，坐在岩石上欣赏夕阳下的海浪。只要离开岸边100米，海浪的起伏就已变得轻柔绵长，几乎算得上波澜不兴。离海岸线越近，浪头就越高越猛，最后几乎是恶狠狠地砸在沙滩上。每一波海浪都是全新的，这样的景象我可以不厌其烦地看上好几个小时。我们都认识波浪，但真要描述它的话，似乎又不那么容易。海岸边的波浪是水面上一串串起伏不定的“凸起”，它们翻涌不息，从一个地方涌向另一个地方。我们可以观察两道海浪之间的距离和浪峰本身的高度，借此来描述这些波的特征。小的水波是你想把茶吹凉时激起的涟漪，而大的水波足以盖过一艘船。不过，所有波浪都拥有一个奇怪的特征，在拉荷亚，鹈鹕让我们清晰地看到了这一点。拉荷亚的海岸边生活着大量褐鹈鹕，这些鸟儿的外形颇具古风，让人不由得怀疑它们是从几百万年前穿越虫洞飞到这里来的。褐鹈鹕的喙长得惊人，而且总是紧贴身体折叠起来。人们常常看见这些奇怪的鸟儿在海浪上空，沿着和海岸平行的方向飞翔，有时候它们还会收起翅膀降落到海面上。有趣的地方就在这里：尽管鹈鹕脚下的波浪永不停歇地涌向海边，它们的身体却会一直停留在原来的位置。下次去海边欣赏滚滚而来的浪花时，你不妨仔细观察一下海面上的海鸟。快活的鸟儿随着浪潮的波动在海面上起起伏伏，尽管海浪来了又去，海鸟的位置却不会挪动分毫。这个现象告诉我们，形成波浪的海水其实停留在原地没有动过。运动的是波浪，而不是形成波的“物质”——水。波不可能是静态的，它本质上是介质形态的变化，所以波总在运动。波携带能量(水形成波，然后恢复原状，这两种过程都需要消耗能量)，但不会携带“物质”。波能够传输能量，有周期性变化。坐在海边凝望海浪会让我觉得心旷神怡，这也是原因之一：我能看到海浪携带着能量不知疲倦地涌向岸边，但水本身却亘古不变。波有很多种，但无论哪种波都符合一些基本的原理。海豚发出的声波、石子激起的水波和遥远恒星释放的波有很多共通之处。近年来，我们渐渐不再满足于接受自然界的波，转而开始尝试自己制造复杂而精妙的波，将我们的文明中散落的各种元素连缀起来。不过，人类有意识地利用波来巩固文化联系并不是什么新鲜事。早在几百年前，有人就在大洋中做过这种尝试。国王在大海上冲浪，这一幕听起来像是某个怪梦里的片段。但在250年前的夏威夷，国王、王后、酋长都拥有自己的冲浪板，皇家成员在这项国民运动上的实力彰显着统治者的威严。窄长的欧罗冲浪板(Olo)专属于贵族，平民只能用更短、更易操纵的阿拉亚板(Alaia)。当地人常常举行冲浪大赛，比赛中的戏剧性事件为夏威夷诸多传说故事提供了素材。在一座被蔚蓝深海环绕的热带岛屿上，构建以水上运动为核心的文化听起来顺理成章，而夏威夷的冲浪先驱们还拥有另一个优越条件：得天独厚的海浪。这座小岛坐落在广袤大洋的中央，位置刚刚好。夏威夷岛从地质和物理两个层面过滤掉了大洋的复杂水文环境，形成了可供国王和王后愉快冲浪的完美海域。夏威夷人望着无风无浪的平静海面，祈祷适合驾驭的中等海浪快快到来；与此同时，数千千米外的另一片大洋景色却截然不同。猛烈的风暴拍打着海面，激荡的能量推动海水上升形成巨浪。风暴中的波浪非常复杂，它们的波长(两道波峰之间的距离)有长有短，运动的方向也各不相同。这些海浪不断破碎、重构，时时刻刻互相推挤撕扯。在纬度约为45°的区域，冬季风暴十分常见，所以在北半球的冬天，风暴常常会在夏威夷以北的海域肆虐。而在南半球的冬天，夏威夷也是风暴望而却步的边界。但海浪不会止步，就算风暴已经平息，海面也没那么容易平静下来，起伏的海浪越过风暴边缘，传向远处宁静的海域。在这里，奇妙的事情发生了。看似杂乱无章的浪潮渐渐露出了本质——它们绝非全无规律的一片混沌，而是叠加到一起的各不相同的波。波长较长的海浪传播速度快，把波长较短的兄弟们远远地甩在了后面。但它们在途中也需要付出代价，能量会慢慢散入周围的环境中。海浪的波长越短，每前进1千米需要付出的代价就越大。波长较短的海浪不仅跑不快，还会失去能量，所以很快就会彻底消失。风暴结束几天之后，海浪传到数千千米以外，只有长波残留了下来。它们有规律地轻柔起伏，来到了这颗星球的各个地方。欢迎加入书社,每日海量书籍,大师课精彩分享微信:dedao555因此，夏威夷的第一个优势在于，它远离主要的风暴区，大部分海浪传到这里时都只剩下轻柔和缓的长波。第二个优势是，太平洋很深，夏威夷群岛的火山又很陡峭，海浪在广袤的洋面上毫无阻碍地传播，最后一头撞上群岛周围陡峭的斜坡。接下来，原本散布在深水中的能量陡然集中到浅水中，海浪必然会变得更高。在离海滩很近的地方，动作迟缓的怪兽铆足力气，变身成激荡的大浪，义无反顾地扑向完美的沙滩。就在这些海浪拍碎在沙滩上的时候，国王和王后准备好了冲浪板。水波大概是绝大多数人认识的第一种波。我们都知道鸭子是如何在水波中嬉戏的，容易思考和理解其中的物理学知识。波有无数种，都遵循一些共同的规律。每一道波都有一定的波长，即相邻波峰之间的长度。因为波总在运动，所以它还拥有频率，也就是一秒内循环(从波峰到波谷再到波峰)的次数。除此以外，所有波都拥有速度，某些波(例如水波)的传播速度与波长有关。大多数波都在这个问题上让我们困惑：我们看不到波动的到底是什么？比如，在空气中传播的声音是一种压缩波，在这里，声波传递的不是“形”，而是“力”。最难想象的波其实是最常见的光波，它和电磁场联系密切。我们虽然看不到电和磁，但却能看到无处不在的光波造成的各种效果。波之所以这么有趣而实用，原因之一是，它常常为传播环境发生改变。被我们看到、听到、探测到的每一道波都是一座信息的宝藏，藏着它的来处，还有它途经的地方。这些信息可以由几个相对简洁的参数来表示。在波的传播中，最常见的三件事是反射、折射和吸收。银色鲱鱼和杯中硬币在超市里路过鱼类柜台的时候，你不妨看看他们都卖哪些鱼。映入你眼帘的很可能是一片闪闪的银光，只有少数几种例外：红鲣鱼和红鲷鱼之类的热带鱼，还有龙利鱼和比目鱼之类的底栖鱼类。不过，鱼类柜台的货品主要是开放海域中成群游荡的那些物种，包括鲱鱼、沙丁鱼和鲭鱼。银色的有趣之处在于，它实际上不是一种颜色，人们只是用这个词来形容某些物体的反光效果。所有波都能被反射，而且几乎所有材料都会反射一些光。银色的特殊之处在于，它会无差别地反射所有光，不管光的颜色如何。抛光的金属很擅长这样无差别的反射，这种特性相当实用。光的入射角和反射角相等。去看看镜子里的世界，你会发现一切都是真实世界的等比例左右颠倒。这正是因为一切投到镜子上的光全都以同样的角度反射了出去。金属抛光很难达到这样的效果，所以镜子在人类历史上曾是昂贵的奢侈品。而鱼天生就是银色的，这是为什么呢？鱼甚至无法利用金属。要呈现出银色，它们必须用生物分子构建出全反射表面。这项工作相当复杂，所以在演化中也必然是个昂贵的选项。如果你是一条鲱鱼，你为什么要费这个劲呢？鲱鱼在海里成群结队地游荡，捕食虾之类的小型生物，同时躲避各种各样的大型食肉动物，比如海豚、金枪鱼、鳕鱼、鲸和海狮。但海洋如此辽阔而空旷，有时候你根本无处躲藏。唯一的办法是“隐身”，或者借助自然条件尽可能地伪装自己。既然如此，鱼能不能变成大海的蓝色？问题是，不同时间的光线和水里的物质都会影响海水的颜色，海水的蓝色实际上总在变。而为了保命，鲱鱼必须时时刻刻融入周围的背景。所以它们把自己变成了游动的镜子，因为无论是在鱼群的前方还是后方，大海总是一样空旷。这些鱼能反射90%的光，就像高品质的铝镜一样。反射的光波会传到潜在掠食者的眼睛里，这就是鲱鱼的光盾。不过很多时候，光并不会发生完美的全反射。更常见的情况是，某件物体只会反射一部分光。要是你想分辨两件并排放置的物品，这一点就很有用了。那个反射蓝光的是我的茶杯，而反射红光的是我妹妹的杯子。反射什么光由反射面决定。不过，波在遇到分界线时不仅仅会发生反射，折射会以一种更微妙的方式改变光的传播路径。夏威夷女王伫立在悬崖上俯视海滨、欣赏海浪的时候，她也许会发现，尽管翻涌的海浪来自四面八方，可是当它们到达海滩的时候，几乎所有海浪都变得平行于海岸了。无论海滩朝向何方，绝不会有侧着撞上来的海浪。这是因为水波的速度取决于水的深度，较深处的波传播速度更快。想象一片长而直的海滩遇上了一道微微向左倾斜的波浪。右侧的波峰离岸较远，处在更深的大海中，所以传播的速度更快。很快右侧海浪就会追上左边的伙伴，整道海浪在传向岸边的过程中顺时针转动了一点。等到海浪在沙滩上拍碎的时候，它已经完全平行于海岸了。通过改变部分区域的波峰相对于其余部分的运动速度，我们可以调整波的传播方向，这就是折射。改变水波的速度还比较容易想象，那光波呢？物理学家们总爱念叨“光速”，光的传播速度快得不可思议，这个参数在爱因斯坦最著名的遗产——狭义相对论和广义相对论——中占据着举足轻重的地位。科学界花费了很大力气才让人们逐渐接受了“光速恒定”这个精妙的概念。要是我现在告诉你，实际上你这辈子从没有见过真正以“光速”传播的光，那我就成了派对上的扫兴鬼。就连水也会拖慢光速，你可以自己用硬币和杯子来证明。将硬币平放在杯底靠近你自己的那一侧，然后慢慢移动身子，直到在你的视线中硬币被杯子边缘遮住。现在你看不到硬币，因为光沿直线传播。在这个角度，硬币反射的光线被杯壁遮挡，无法进入你的眼睛。接下来，不要移动你的头，也不要移动杯子，请你的搭档往杯子里注水。你会发现，随着水位的上升，硬币慢慢重新出现在你眼前。硬币没有移动，但它反射的光在水中改变了方向，进入了你的眼睛。这个实验直观地展示了在水中减缓的光速。等到光重新进入空气，它的速度又会加快，光波在穿越水和空气的分界面时会偏折一个角度，这种现象我们称之为“折射”。能够折射光线的不仅仅是水，任何介质都会不同程度地拖慢光速。我们平时说的“光速”实际上指的是光在真空中传播的速度，水会让光速下降到真空光速的75%，对于玻璃而言，这个数字是66%，而光在钻石中的传播速度只有最高速度的41%。光速下降得越多，它在该介质与空气的分界面上偏折的角度就越大。钻石比其他大多数宝石闪亮得多，因为它们的折射率远高于其他石头。正是因为有了光的折射，你才能真正地看到玻璃、水和钻石。这些材料本身是透明的，所以你无法直接看到它们。你看到的是它们反射的光和背景的差异，只是大脑把它阐释成“你看到了这件透明的物品”。能看到钻石当然不错，对于那些花大钱买钻石的人来说，这一点尤其重要。不过，折射带来的不仅仅是美。了解折射之后，人类磨制了透镜，而透镜打开了科学界另一片广阔天地，人们有了研究微生物和细胞的显微镜、探索宇宙的望远镜，还有能将细节永久保存下来的摄影机。如果光波始终以真空光速传播，那么这些东西都将不复存在。

     我们生活的世界里充盈着光波，这些波不断发生反射和折射，在传播过程中减速、加速。就像风暴中陷入混沌的海面一样，不同的光波彼此交叠，在我们周围向四面八方传播。但是我们的眼睛会进行挑选，屏蔽一部分，留下一部分，再由大脑进行解释和演绎，最后形成视觉。站在悬崖上的夏威夷女王利用光波眺望水波，这两种波背后的物理学原理完全相同。大海的颜色、雷电和烤面包机只要光进入你的眼睛让你看到了东西，那么它是折射而来还是反射而来的就根本无关紧要。但是，要是这些光根本没有进入你的眼睛呢？生活中有这么一件古怪的小事：要是你给孩子几支蜡笔，让他们画一幅水从龙头里涌出来的画，那么他们画出来的水总是蓝色的。但实际上，谁也没见过水龙头里流出蓝色的水。自来水是无色透明的。要是你家的自来水有颜色，那你最好请水管工来看看。如果你真的看到水龙头里流出了蓝色的水，那你肯定不会喝它。但孩子们画出来的水却总是蓝的。在卫星拍摄的地球照片上，海洋总是一片湛蓝。这并不是因为海水含盐，冰川顶上融化的冰水也会形成湖泊，这些湖里完全没有盐，但它们看起来依然是深邃的蓝色，简直像是有人在冰里加了蓝色的食用色素。但是，等到这些水顺着冰川流下来，和其他融化的冰水混合起来形成细流的时候，它又变成无色的了。决定颜色的不是水的成分，而是水的多少。射向水面的光波要么被反射回天空中，要么穿透水面传向深处。可是有时候，水里的某些物质，甚至水本身都会阻碍光的传播，让光波发生折射。如果同一束光波被折射的次数够多，那么它可能会绕一个大圈子，最终回到空气里。在这漫长的旅程中，水会过滤光。来自太阳的光有多种不同的波长，它包含着彩虹的所有颜色。但水会吸收光，而且对不同颜色的光吸收率各不相同。最先消失的是红光。大部分红光只能传到水下几米，往下走几十米，黄光和绿光也会相继消失，但蓝光很难被水吸收，它能在水中传播很长距离。因此，光在海洋中传播时，最后留下来的大部分是蓝光。自来水之所以是透明的，是因为水量不够多，不足以让我们看到吸收率的差别。其实自来水的确呈现了某种颜色，这一点和世界上所有的水相同。但这种颜色很淡很淡。你需要大量的水，才能看出光波从中穿过造成的区别。当你真正看到的时候，那景象的确十分壮丽，你会发现，鲜艳的蓝色蜡笔的确是最正确的选择。但你永远无法从水龙头里发现这个秘密。波在传播过程中可能会被介质吸收。这个损耗的过程非常缓慢，能量一点一滴地流失，损失的大小取决于波的类型和波长。如此巨大的变数意味着波能做很多事情，也能告诉我们很多东西。雷暴是我最喜欢的大气现象，从雷暴中我们不难观察到这类反差。震撼天地的雷暴提醒着我们，空气绝不仅仅是天空中看不见的填充物。我们的大气中充满了巨量的水和能量。通常情况下，这些颇有分量的东西只会缓慢而平和地转移。但是，如果舒缓平和的调节已经无法让大气恢复平衡，天空中就会出现黑压压的积雨云。地面附近轻盈的湿暖空气向上推挤冷空气，为后者注入海量能量，戏剧性的变化就此开始。灼热潮湿的空气在云海中快速上升，搅动高处的大气，形成雨滴。最戏剧性的地方在于，这样的搅动会导致带电粒子分离，然后这些粒子又被分配到云层的不同区域。带电粒子不断聚集，直至强大的电流撕裂附近的云层，甚至直接劈向大地，让地面带走多余的电荷。每道闪电的持续时间不足百万分之一秒，但雷声却会经久不息地在天地间回荡。我喜欢电闪雷鸣，不光是因为它们壮丽，也是因为它们揭开了大气运动的秘密。雷暴看起来似乎十分矛盾：闪电耀眼而短暂，雷鸣却低沉而悠长，不过无论是闪电还是雷鸣都展现了波的多姿多彩。闪电一闪即逝，在大气中产生一条过热通道，从雷暴云通向地面，或者通往另一朵云。通道中充满了能量，在蓝白色闪电划过的刹那，温度可达50000℃。耀眼的光亮飞速向外扩张，占领整个地平线，但由于传播速度极快，所以这光在下一个瞬间就会消失。但闪电产生的高温会让周围的空气迅速膨胀。如此产生了一种强大的波，紧跟着光波在空气中如涟漪般荡开，但它的传播速度就慢得多了。这些涟漪形成的声波就是我们听到的雷鸣。我们之所以知道闪电的存在，是因为它制造出了光波和声波。波传递的是能量，它不一定需要空气、水或者其他任何介质，这一点非常重要。这意味着波能够轻松地在这个世界上传播，对其他事物产生影响，带来有趣或有用的结果，却不一定会推挤我们周围的物品，造成严重损伤。闪电会释放大量的能量，光波和声波会将其中一部分能量分享出去，传递到其他地方。在声波的传递过程中，就连空气也不会离开原地太远，只有能量一路飞驰向前。光和声音是不同类型的波，但它们遵循同样的物理学原理。光和声音都可能被传播介质改变。打雷的时候，你可以直接听到声波的变化。我最喜欢待在离闪电大约1600米的地方。看到闪电划过，我就会开始想象压力产生的巨大涟漪正在向我涌来。望着远方，我仿佛真的可以看到这阵阵涟漪，但第一声雷鸣还要再过几秒钟才会传到我耳边。这些声波传播的速度大约是340米/秒，这意味着它们需要4.7秒才能跑过1600米的距离。第一声炸雷听起来和撕裂天地的闪电十分相称。但雷鸣真正特别的地方在于，我不会只听到一声炸雷，接着第二声在更高一点的地方炸响。两道声波原本完全一样，但高处的声音之所以会慢一点，是因为它需要经过更长的路径才能传播到我的耳朵里。低沉的雷鸣连绵不绝，这实际上是同一道闪电从不同高度发来的声波。如果说1600米外的第一声炸雷需要5秒钟才能传到我身边，那么比它高1600米的声波很可能要多花一两秒。不同的炸雷在诞生之初几乎完全相同，只是位置不同。这意味着我能听见大气介质如何改变这些声波。越晚到达的雷声来自越远的地方。第一声炸雷音调最高，消失得也最快，因为高频波很容易被大气吸收，但低频波却会回荡很长时间。随着时间的流逝，这些波传得越来越远，整体声调也变得越来越低沉，因为最高的声调已经被空气吸收了，而最低的声调却会一直保留下来。如果你离闪电足够远，那么所有声波都会被空气吸收，你不会听到任何声音。但闪电传播的距离要远得多，因为光波的性质不同，它们的传播不需要借助空气。不过，光虽然不太容易被空气吸收，但会被其他因素影响。从某种意义上说，波非常简单。它们诞生后总会传向某个地方，而且无论是声波、光波还是海浪，所有波都能被介质反射、折射或吸收。波的洪流错综复杂，我们生活于其中，通过波来感知周围的世界。我们的眼睛和耳朵适应了中间地带的波段，而这些波携带着两种非常重要的“乘客”：能量和信息。●阴郁寒冷的冬天，面包片是最完美的食物。唯一的问题在于，这样的喜悦需要花费一点时间去获取。通常我会先烧水准备泡茶，接下来把面包放进烤面包机，然后开始在厨房里不耐烦地来回踱步，等待一切就绪。洗完一两个杯子并且清理干净操作台以后，我总会发现自己目不转睛地盯着烤面包机，检查它的工作情况。烤面包机的美妙之处在于，你可以直观地看到它在干什么，因为它的加热组件会发出红光。这些组件不光会加热周围的空气，还会辐射光。这些光相当于内置的温度指示彩灯，你可以通过光的颜色来判断加热组件的温度。明亮的红光意味着烤面包机内部达到了1000℃，这个温度真的很高——足以熔化铝或银。这里隐藏着宇宙运转的规律。特定温度范围内的物质会发出同样的光，光的颜色不同，温度就不同。如果你在炭火中发现了鲜艳的黄色，那么它的温度大约是2700℃，而温度达到4000℃以上，物体就会呈现白炽的颜色。仔细想想，你会好奇颜色和温度有什么关系。盯着烤面包机的时候，我看到了能量从热转化为光。宇宙中有一条简洁优雅的法则：任何温度高于绝对零度的物体总在不断地将自身的部分能量转化为光波。光必然会传播出去，所以能量也会随之流失。烧红的加热组件将自己的部分能量转化成红色的光波，在彩虹光谱上，它位于波长最长的那一端。事实上，加热组件释放更多的是红外线。红外线和可见光也谈不上天差地别，它的波长更长而已。我们只能以间接的方式得知红外线的存在，比如感受到红外线的加热效果。虽然我们看不见红外线，但它对烤面包机来说非常重要——面包加热靠的主要就是红外线。高温物体放出的光有一定的波长范围。温度不同，发光波长范围不同，发出的所有光里最亮的那一种光也会不同。每一个具体温度都会在某一段波长上发出最亮的光。其他的光，波长和最亮的光越接近就越明亮。如果以波长为横轴，以光亮程度为纵轴，那么在温度确定的情况下，绘制出的图就像一座山峰。不用说，最亮的光就是山顶，其他的光则在山坡上。对于烤面包机而言，山顶在红外区，红光在近旁的山坡上。我们看不见红外线，但是可以看到红光。如果我拥有一台能达到更高温度(比如2500℃)的超级烤面包机，那么它的加热组件看起来应该是黄色的。因为物体的温度越高，就会释放越多的短波长光，包含更多颜色(红色、橙色、黄色，还有一点绿色)。而这些光混合在一起，看起来就是黄色的。在这里，温度和光的颜色之间有着明确的对应关系。要是温度进一步上升——假设某种终极烤面包机能达到4000℃——那么它释放的光就应该包含彩虹的所有颜色，从红色一直到蓝色都有。这些颜色混合起来，我们就看到了白色。因此，发出白炽光的高温物体实际上释放了彩虹的颜色，只不过几种颜色都混在了一起。这台终极烤面包机的缺陷在于，几乎所有材料都无法承受这样的高温，它一定能在最短的时间里把面包片烤得焦黄，却也会同时毁掉厨房。可以说，烤面包机也是一种光波制造机。你看到的红光就是它通过温度制造出来的一部分波，而你看不见的红外线加热了面包片。你会发现，面包片只有表面一层变成了棕黄色，因为接触并吸收红外线并因此升温的只有这一层。我在等待的时候喜欢盯着烤面包机看，因为我总会想到它释放的那些看不见的波。我知道它们在那里，因为红光泄露了它们的行迹。不过，这种制造波的方式也有缺陷。通过这种方式得到的光波其实是多种波长的混合光，你不可能只要其中的一部分，而不要其他的。无论是煤炭、熔化的钢铁还是别的什么东西，在1500℃左右必然会发出某种橙色光。你可以通过颜色来猜测物体的温度，只要它热得足以让你看到颜色。太阳的表面温度大约是5500℃，所以阳光是白色的。事实上，正是这个原因，我们才能看见夜空中的恒星。恒星的温度很高，它们发出的光能跨越宇宙传到我们的眼睛里，我们可以通过恒星的颜色来推测它的表面温度。我们人类也有颜色，因为我们都拥有体温。这种颜色我们看不见，但能被特殊波段的红外摄影机拍到。我们的温度比烤面包机低得多，但我们也会发光。我们释放的光波波长通常是可见光的10～20倍。每个人都是一盏红外线灯泡，这些光就来自我们的体温。猫、狗、袋鼠、河马——所有动物也都会发光。任何高于绝对零度(-273℃，这个温度低得可怕)的物体都是一个灯泡，只不过物体的温度越低，释放的光波长就越长，甚至比红外线还长，进入了微波的范围。我们时刻沐浴在各种各样的波之中，有看得见的，也有看不见的。太阳、我们自己的身体、我们周围的世界以及我们创造的技术都在不断地释放光波。声波也同样多姿多彩，有高音，有低音，有蝙蝠用来捕猎的超声波，还有帮助大象侦测天气的次声波。最棒的是，所有这些波可以在同一个房间里传播，不会彼此干扰。无论屋子里是漆黑一片还是闪烁着迪斯科舞池的迷幻灯光，声波都不会受到任何影响，而钢琴演奏会和哭闹不休的婴儿也不会影响光波。我们睁开眼睛，竖起耳朵，就能接收到所有波，只不过我们会从波的洪流中提取、挑选最有用的一小部分。可是，该挑选哪些波呢？最新款的自动驾驶汽车和森林里挣扎求生的动物肯定会给出不同的答案。周围环境中的信息几乎无穷多，你可以只挑选那些对你帮助最大的波。蓝鲸和海豚基本上听不见彼此的声音，就算看到穿着潜水服的你，它们也不会大惊小怪。海豚和“泰坦尼克号”加利福尼亚湾沿着墨西哥西海岸延伸，这是一处至少横跨1000千米的海洋天堂，南端直通太平洋。两岸漆黑嶙峋的山峰直指天空，守卫着蓝色的海峡。海洋物种跨越大洋长途迁徙，来到这里觅食、休憩。渔民乘着小船在海峡中漂流，享受着这份宁静。这片海域之所以如此太平，是因为这里的海浪非常平缓，波澜较少。白天的阳光照耀着蓝色的大海和光滑的礁石，天地间你只能听到层层叠叠的涛声和浪花拍打小船的水声。灵巧纤细的海豚跃出水面，短暂地打破平静，然后哗啦一声回到藏着热闹景象的大海中。海底深处，嘈杂的生态系统正在有条不紊地运行。海豚下潜时会发出高频的哨声，以此与身后的伙伴交流。等到海豚群重新聚集起来，这片海域立即就会响起一阵阵清脆的滴答声。海豚可以用前额发出这种尖锐短促的声波，它碰到周围的物体就会回弹。回声通过颌骨传进海豚的耳朵，这样一来，海豚就能根据声波判断周围的环境了。哨声、滴答声和啁啾声组成一片喧嚣，就像繁忙街道上的声音。海豚就这样在移动中借用声波进行交流。在海面上换气、嬉戏之后，海豚群会潜回深海狩猎。海面上无处不在的光波在深海里变得极其罕见。因为水吸收光的速度极快，所以深海居民难以通过光来获取信息。海豚的眼睛在水面上下都能工作，但对于从光波中提取哪些信息，它们在演化中做出了选择。海豚完全不会分辨颜色——要是在你生活的环境里，所有颜色看起来都差不多，那为什么还要费劲去分辨呢？海豚的世界是蓝色的，但它们自己却永远不会知道。海豚看不见蓝色，在它们眼里，海洋世界漆黑一片。但它们能看到银色的鱼从身边经过时闪光的鳞片，这就已经足够。海面就像《爱丽丝漫游仙境》里的镜子，它隔开了两个世界，但二者可以互通。声波在海面上很容易反弹，所以空气中的声音很难传到海里，而海里的声音也很难传到空气中。光和声音都能在空气中轻松地传播。而在海里，光很快就会被吸收，声波却能迅速高效地传播。要是你想研究海洋环境，那就得好好利用声波。光波在海里没有太大用处，除非你要观察的东西离你很近，而且就在海面下一点点。海底世界的声音非常丰富。海豚发出的声音频率极高，部分声音的频率甚至是我们听觉极限的10倍。这意味着它们的回声系统能够探测前方物品的形状细节。但高频声波传播的距离比较短，所以海豚群吵吵嚷嚷的声音根本传不到海峡对面。有些声音传播的距离比海豚的叫声远得多，比如遥远船只低沉的汽笛声，海面飞溅的浪花激起气泡的声音，鼓虾发出的酷似爆米花的噼啪声，还有海豚根本无法听见的低沉哼鸣。这哼鸣声周而复始，因为十几千米外，一头蓝鲸正在呼喊，它的叫声在海中回荡。鲸没有回声系统，它不需要高频音，它需要让声音传播得尽可能远，这意味着它的音调必须保持低沉，即波长更长。长声波能够跨越漫长的距离，鲸需要的正是这样的通信工具。这些鲸听不见海豚发出的叫声，海豚也听不到鲸歌。但这些波都由海水承载，不同生物可以从这信息的洪流中提取自己需要的片段。海里也藏着光波和声波的洪流，不过这里的情况与空气中截然不同。声音是海底世界的王者，鲸和海豚都是色盲，光波的细节对它们来说不重要。不过，大气和海洋也有相似之处。长声波在水下传得远，长光波在空气中也传得远。在一百多年前，人类刚刚学会如何跨越数千千米传递信息。因为我们生活在空气中，所以不能用声波来完成这项任务，我们的远距离通信靠的是光。这么长的光波被称为“无线电波”，起初，无线电技术最重要的用途是跨洋通信。如果当年某些船只更加重视无线电信号，“泰坦尼克号”或许根本不会沉没。1912年4月15日，午夜刚过，来自北大西洋数个站点的无线电波开始如涟漪般向外循环扩散。这些信号有些零散，涟漪越向外扩散，信号就越弱。某些站点收到了这些信号，于是继续向下传递。最强的信号来自加拿大纽芬兰以南650千米处的一座站点，杰克·菲利普斯(Jack Phillips)利用功率最大的船用无线电发射器发出了求救广播——全世界最大的邮轮“泰坦尼克号”正在沉没。杰克在巨轮顶层的甲板上，用架设在烟囱之间的天线发送脉冲信号，天线将信号向外传播，其他船只的无线电操作员可以解码这些电波，破译出其中携带的信息。无线电波之所以能用于通信，是因为这种波不是只在某一条线上传播，而是如涟漪般向外扩散。你不需要知道信号接收者的具体位置，同一道波可以被多个不同的站点获得。“卡帕西亚号”(Carpathia)、“波罗的海号”(Baltic)、“奥林匹克号”(Olympic)和几百千米内的其他船只都能探测到“泰坦尼克号”发出的脉冲。这些脉冲携带的信息或许容量有限、含义模糊，但这是人类历史最早的跨洋通信应用。无线电技术的诞生彻底改变了航运业。要是在20年前，“泰坦尼克号”只能孤独地沉入海底，它失事的消息可能要等到一两周后才会传开。在此之前10年，人类才第一次完成了跨越大西洋的无线电信号传输。不过在那个夜晚，黑暗中一圈圈扩散的波让附近的所有船只在第一时间得知了这艘巨轮的悲剧。这些断断续续的脉冲并不是随机的。扩散的涟漪有独特的模式，每种模式都携带着发送者写入的信息，光速跨越大洋。它象征着人类通信史上一场宏大的革命，翻涌的信号揭开了无线电时代的大幕。“泰坦尼克号”失事之所以这么出名，原因之一是它正好发生在这个新时代的风口浪尖。这次事故展现了无线电的巨大潜力。“泰坦尼克号”沉没两个小时后，“卡帕西亚号”及时抵达现场，挽救了很多生命。但我们看到，当时的无线电系统还非常简陋，实用程度有限。信息的传递十分低效，而且“泰坦尼克号”此前本该收到冰山预警信号的，可是珍贵的信号被琐碎的常规信号干扰了。更重要的是，以最直接的方式发送无线电波时，信号很容易混淆。发送者和接收者没有明确的标识，信息可能无法正确传递，甚至根本无处送达。要利用这些波来传递信息，你需要进行某种标准化的加工，好让所有接收者清楚地理解这些波的意义。然而，那时的船用无线电系统实际上只是一种开关，开开关关组成信号，实在谈不上多么标准、多么明确。雪上加霜的是，所有电台用的都是一个频道。那天晚上，大洋上方不是只有无线电波。“泰坦尼克号”还发射了求救信号弹，附近的“加州人号”(Californian)也曾试图用发射可见光的莫氏信号灯与它通信。但是，可见光不会比无线电波传得远，这是大气决定的。上层大气(电离层)会像镜子一样反射一部分无线电波。来自“泰坦尼克号”的无线电信号不是简单地扩散了出去，一部分进入电离层的无线电波会回到下面。要知道，地球表面是弯曲的，信号的发送者和接收者甚至很可能不在一条水平线上，大气层帮助无线电波解决了这个问题，让它可以折折返返地跨越海洋。可见光就没有这样的优待了。杰克·菲利普斯继续向空中发射无线电脉冲，向所有倾听者广播这艘巨轮的位置，直到无线电发报室被海水淹没。他没能逃过这场劫难，但长距离通信救活了船上的另外706位乘员(乘员总数是2223人)。这些幸存者见证了这个世界从完全没有无线电到看不见的通信电波无处不在的历史进程。现在，地球上几乎已经不存在没有无线电波的角落，人类文明之间的联系从未像今天这样紧密。灯光密码光波支持着我们的世界，它承载的残余太阳能虽然微不足道，却驱动着我们的星球。光是我们和宇宙之间的联络员。在20世纪，我们的文明开始试着与电磁波谱上的所有波建立新的关系。我们曾是被动的接受者，只能心怀感激地接收光波无意间带来的能量和信息，但是现在我们开始有意识地制造、使用光。对光的熟练应用开启了新世界的大门，我们由此掌握了观察世界的多种技术。现在我们几乎可以把信息实时传递给每一个活着的人，就在此时此刻，只要有一部手机，你就可以跟世界上的任何一个人通话。不过，要从波的洪流中得到有用的信息，首先你得想个办法把它分离提取出来。幸运的是，波自身提供了答案，你不需要专业的工具包也能完成这个任务。田纳西州的大雾山景色壮观，深绿色的森林覆盖着起伏的山谷和山峰。那里的森林人迹罕至，格外安宁。要进入大雾山的林地，我们必须驾车经过桃莉·巴顿(Dolly Parton)的故乡。我当然听说过这位伟大的乡村歌手，但桃莉坞公园的热闹景象依然让我措手不及。这座庞大的公园以田纳西、乡村音乐和游乐场为主题，不过，最闪亮的主角当然还是桃莉。以公园为中心，粉红色的牛仔帽、装饰华丽的吉他、随处传唱的乡村音乐、茂密的金发、复古牛仔外套和南方式的热情好客已经渗透了周围的城镇。在这样的环境中，晚餐后来杯波旁威士忌就是最重要的事，尽管我私心里更喜欢牛仔帽。第二天，我们又在大烟山里见到了另一番景象。人们带着折叠躺椅和便携式冰箱进入山间，静静地欣赏林间美景。在那醇美的黑暗中，任何一点光线都会破坏氛围，所以山里禁止使用电筒和手机。随着黄昏的降临，萤火虫之舞拉开了帷幕，上百万只萤火虫在山林间闪烁着点点柔光。当时我们的任务是拍摄一部科学纪录片，而且我们只有一个晚上的时间用来拍摄这里的场景。这里有个问题：你必须在黑暗中移动，还得知道自己是在往哪儿走。有人建议我们用红光灯照明，因为红色的光线对萤火虫的干扰显然比白光小。于是我们打开暗淡的红灯，蹑手蹑脚地在森林中行进。大约凌晨1点时，萤火虫的表演基本结束了，我们准备拍摄最后的几个片段。导演和摄影师正在设置灯光，我头顶红灯藏在一片黑暗的空地中，一边用遮光布裹住自己御寒，一边匆匆做笔记。大家都准备好了以后，我起身走向他们，同时打开笔记本，试图写下最后的几句话。但是借着导演的白色头灯，我发现自己写的笔记根本看不清楚。红笔和蓝笔的字迹交相覆盖，完全无从分辨。其实这是一个绝佳的示例，可以让你看到不同波长的波为何不同。我意识到，红色字迹一定是我在白天写下来的。在白光下，你很容易看到白纸上的红字，但在红色头灯的照耀下，红色的墨水会消失不见。这是因为这时白纸只能将红光反射到我的眼睛里，而红墨水反射的同样是红光，于是笔记本看起来就是一片空白。因此，我不得不在同一张纸上用蓝笔又写了一遍。蓝色不会反射红光，所以我在一片红色中可以看见蓝色字。要是把头灯换成蓝色，那么我就只能看见红字，蓝字反而隐藏了起来。在不同颜色的光线下，我可以看到不同颜色的字迹，因为我对波长做出了选择。红光的波长比蓝光长，知道了这个，我就能提取不同的信息了。事实上，我们调台接收节目的过程也是这样的。我们对一个特定的波进行探测时，会集中寻找某一小段波长。如果此时出现了另一种波长的波，我们根本不会意识到它的存在。我的笔记本清晰地证明了可见光完全符合这个原理，而那些看不见的波也是如此。我们周围的世界充满了各种各样的波，它们彼此重叠，就像笔记本里不同颜色的字迹一样。这些波互不干扰，也不会改变对方的颜色，每一种波都是完全独立的。你可以选择去接收长波长的无线电波，收听无线电台，也可以按下遥控器，发出只有电视机才能识别的红外信号。你可以用红笔在纸上写字，也可以盯着手机看一看有没有无线网络信号。关于最后一个例子，你可以这样理解：我们所熟知的网络都有自己的“颜色”，只不过这些“颜色”都处于微波的波长范围内，我们看不到而已。各种波长的波层层叠叠，互不干扰，一直存在于我们身边。采用正确的方式，你就能看到想看到的东西。我们的双眼用来认识世界的波段十分狭窄，局限在可见的彩虹色范围内，但其他看不见的波段完全不会影响这些可见光。不同波长的波不会互相影响，这一点非常重要。我们可以挑选出感兴趣的波长，完全忽略其他波长。特定的环境会以独特的方式影响每一种波长的波，对它们进行挑选、过滤。虽然我在阴雨连绵的曼彻斯特长大，很少看到晴朗的夜空，但英国最大的望远镜离我的家乡只有22千米。焦德雷班克的洛弗尔巨型射电望远镜(Lovell Telescope)直径达76米，哪怕在曼彻斯特最阴沉的日子里，厚达数千米的雨云堆积如山，这台望远镜依然能够不受影响地观测天空。对于波长不到百万分之一米的可见光来说，进入云层就等于闯入了一台巨型反弹机。光会不断发生反射和折射，最终彻底被云层吸收。但波长在5厘米左右的大量无线电波却能畅通无阻地穿过这些微不足道的障碍，完全不受影响。如果你有机会在雨天拜访曼彻斯特，请记住这件事。尽管你连树顶都看不见，但是想到天文学家仍能通过无线电波看到壮美的宇宙，你也许会得到一点安慰，也有可能从心底升起一点嫉妒。温室效应和地球在地球周围，不同波长的光会有不同的旅程，这是这里适合居住的重要原因。灼热的太阳会送来十分丰富的波，其中只有一小部分会留在我们的岩石行星上。这些光线携带的能量就是地球的热量来源。然而，考虑到和太阳的距离，地球的地表温度应该只有冰冷刺骨的-18℃，而不是现在温暖舒适的14℃。我们之所以能够免遭冻死的厄运，完全是因为地球就像一个温室。这是因为不同波长的光以不同的方式与地球大气互动。想象一下你正站在半山腰上，眼前的景象像动画片一样可爱：天空澄蓝，间或有一两朵蓬松的白云点缀其间，让美景更加生动。遥望远处的平原，你能看到绿树、青草和深色的土地。阳光灿烂，云朵在大地上投下一块块流动的影子。在这里，洒在你身上的阳光已经和它刚刚离开太阳的时候大不相同。大气吸收了很多波长很长的红外线，以及波长很短的紫外线，但可见光几乎完全不受影响。传到地面的光线经过了大气的选择和过滤，这才是我们看到的光。在可见光的波段范围内，天空就像大气层的窗户，它会无差别地接纳所有波。无线电波另有一扇专门的窗户，所以射电望远镜才能观察宇宙，但其他大部分波都会遭到阻隔。你看到的大地颜色越深，它吸收的可见光就越多。被吸收的能量最终都会转化为热。如果在晴天触摸黑色的地面，你会感觉地上发烫。没有吸收的光会反射回空中，通过大气，再次进入宇宙。如果有外星人正好从附近经过，这些光就会进入他们眼中，让他们看到地球的模样。大地变暖了。就像烤面包机的加热组件一样，温热的地面也会释放出光波。当然，大地的温度没有烤面包机那么高，所以我们看不到它发光。但在更长的红外波段上，温暖的地面就像灯泡一样明亮。接下来我们就该讲到温室效应了。大气中的大部分成分都不会阻拦红外线，但某些比例不高的成分(水、二氧化碳、甲烷和臭氧)对红外线的吸收作用极强，它们就是“温室气体”。你可以看到被地面反射回来的可见光，却看不到地表释放的红外线。如果能看见红外线，你会发现它们在离开地面以后变得越来越弱，最终彻底消失。红外线在向上传播的过程中被大气吸收了。吸收红外线的气体很快又会交出自己刚刚得到的能量，再次放出红外线。重点来了：这次释放的红外线不是向上传播的，而是无差别地传向四面八方，其中一部分会向下传播，然后再次被地面吸收。地球因此变得更加温暖，不会遍地冰凌。整套系统必须达到新的平衡，最终我们得到和失去的能量必须完全相等，否则地球就会变得越来越热。所以，地球会持续受热，直至释放的红外线与吸收的能量达到平衡。这就是温室效应，它其实是一种自然现象。一般而言，地表平均温度在14℃时，整套系统处于平衡状态。不过，随着化石燃料的使用，大气中的二氧化碳越来越多，原本应该离开地球的一部分红外线被锁在了大气层内，平衡被打破了。地球要变热才能达到新的平衡。其实大气中二氧化碳的含量并未发生太大变化：1960年，二氧化碳在大气层中的占比是0.0313%；2013年，这个数变成了0.4%。这样的变化堪称微乎其微，其效果却不可小觑。而甲烷吸收红外线的能力甚至比二氧化碳更强。温室效应将地球变得温暖宜居，也会让气温发生剧变。我们看不见参与温室效应的光波，但能估测它造成的后果。

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