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很多人不知道，我們犁的土都是星塵，隨風(fēng)四處飄散；而在一杯雨水中，我們飲下了宇宙。

——伊哈布 哈桑(Ihab Hassan，美國文學(xué)評論家)

我這輩子用很長時間悟得了一個道理，那就是我們所有的科學(xué)在被用于衡量現(xiàn)實時，都是原始而天真的——然而迄今為止這是我們最值得珍惜的財富。

——阿爾伯特 愛因斯坦

比起你的生命傳奇，還有什么更有意思的故事？告訴你個好消息，本書所講的就是這樣的故事。

盡管本書經(jīng)常提及原子，但它們其實只是配角，而你才是真正的主角，它們隨你而動，它們隨你一同經(jīng)歷成功的狂喜，一同承受失敗的悲痛，也一同走過平淡的日常。至于我的角色，那就是試著展現(xiàn)，這些組成你的原子是如何將你和宇宙中一些最神奇的事情聯(lián)系起來的。

原子會和你一起做些什么？可以說是任何事。無論是你還是你或愛或恨的每一個人，也無論你們何時做過的何種事情，它們都是現(xiàn)場的目擊者， 更是密切的參與者。你曾經(jīng)聞到的每一絲氣味，看到的每一片景色，欣賞的每一曲旋律，以及唇間發(fā)出的每一聲哭喊與嘆息，皆因那些游走于空氣與你身體最深暗角落的原子而產(chǎn)生。當(dāng)你吃下食物時，其他生物的肉體會變成你身體的一部分；當(dāng)你受傷時，在一串曾經(jīng)引爆宇宙中最華麗爆炸的古老原子中，流淌的是垂死恒星的碎片；當(dāng)你排泄時，你將閃電與火山的原子回聲散播到了全球循環(huán)之中，或許有24小時它們還會重回你的身體，雖然這聽起來讓人不悅；而不管何時微笑，你牙齒的光澤中都暗藏著冷戰(zhàn)時期太平洋兩岸核試后放射塵的余輝。

你不僅由原子構(gòu)成，你其實就是原子，而本書實際上就是給你自己的一份“原子探險指南”。為了便于用基本的元素術(shù)語詮釋你的生命，你所需要的不過是了解一些近期的科學(xué)信息，以及據(jù)此重新認(rèn)知世界的一些新方法，還有一點(diǎn)活躍的想象力。你會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你這樣做了以后，你將體驗到一場自我意識的革新，你的思想將在一個更廣闊的尺度上馳騁。

在新石器時代，我們學(xué)會用巖石與礦物質(zhì)制造一些粗糙的工具，如今這種文化距離我們已經(jīng)非常久遠(yuǎn)，而我們正在步入一個或許可被稱為“新新石器”的時代，精密加工的硅芯片、拋光的玻璃，還有高性能顯微鏡與望遠(yuǎn)鏡所用的合金，這些全新的工具提升了我們的生活，也豐富了我們的感知。借助于這些工具，我們在巨人的肩膀上繼續(xù)攀登，不斷發(fā)現(xiàn)更多知識。我們可以摒棄古希臘的“氣、水、土、火”四元素概念，取而代之的是更有用的世界觀，我們將一百多種原子排入元素周期表中，從中可以看出，傳統(tǒng)四元素的前三種并非是基本元素而是化合物，至于火，更只是一個過程而非不可分割的物質(zhì)。這樣的觀點(diǎn)也會有助于我們科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亟忉屛覀兊娜怏w、思想、感覺與地球原子之間的隱秘關(guān)聯(lián)。在這個技術(shù)、文化與環(huán)境快速變遷的年代，明白我們與地球還有其他人之間的緊密聯(lián)系至關(guān)重要。今天已不同于往昔，要想讓數(shù)十億地球人及其賴以生存的生態(tài)圈變得更好，科學(xué)素養(yǎng)才是關(guān)鍵因素。

當(dāng)然還有很多未知的領(lǐng)域等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，未來的研究肯定會推翻很多我們現(xiàn)在確信的事實，或許也包括本書中的一些信息。沒有人可以知道一切，就算是最偉大的天才也會犯錯。艾薩克 牛頓尚不知道物質(zhì)與能量可以相互轉(zhuǎn)化，阿爾伯特 愛因斯坦反對量子力學(xué)理論，而物理學(xué)家歐內(nèi)斯特 盧瑟福認(rèn)為在他研究領(lǐng)域以外的科學(xué)都只是在“集郵”，也不相信發(fā)展核武器或核電站是可行的。即便是“原子”這個詞的定義，也在差不多一個世紀(jì)前發(fā)生了變化。兩千年以前，希臘的哲學(xué)科學(xué)家推斷，物質(zhì)應(yīng)該是由某種不可分割的微小粒子構(gòu)成，并將其稱之為“a-toms”，意指不可分割的物質(zhì)。然而嚴(yán)格來說，我們?nèi)缃穹Q之為“atoms”的原子卻是名不副實，因為核物理學(xué)家可以將它們分割成更小的部分。比如位于瑞士的歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)，甚至可以將亞原子粒子粉碎成更小的介子、膠子或輕子。

然而這也并非像有些人宣稱的那樣，認(rèn)為一切科學(xué)事實的存在都過于短暫，不值得賴其指引真理。誠然，知識的邊界是動態(tài)的，但科學(xué)先驅(qū)們已經(jīng)鋪好了很多值得信賴的道路，可以供你行走。比如說，你可以確信，原子是真實存在的，它們具有獨(dú)特的性質(zhì)，并且它們之間的相互作用方式可以被預(yù)測；水確實是由氫和氧構(gòu)成，并且占了你身體的大部分；當(dāng)然還有，你額頭上汗珠中的元素，同樣也可以在華麗的彗尾與你腳下的地球脊梁中尋得，在地球上其他生物的體內(nèi)也一樣能夠找到。本書正是邀請你游覽這樣一些值得信任的路徑，帶你用一種全新的非凡視角看看自己與這個世界，旅程之中將會充滿驚奇，但這些都是確然可信的，并且可能會引起變革。

不妨先聽我介紹一下你的一顆氧原子。它當(dāng)然小到看不見，就像一個泡泡，大部分物質(zhì)漂浮在泡泡中心，從外面看起來就像是一顆沒什么特點(diǎn)的乒乓球。但僅僅是中心顆?；蚴峭鈱咏Y(jié)構(gòu)中粒子數(shù)目的區(qū)別，就讓不同元素的性質(zhì)具有顯著差異，就好比它們構(gòu)建的生物體彼此之間也存在著明顯的差異一樣。

如果你是個身材中等的成年人，那么你的體內(nèi)攜帶了將近兩千億億億顆這樣的氧原子，比任何一片森林中的樹葉總數(shù)都要多?，F(xiàn)在，不妨想象一下從你的大拇指中取出其中一顆，拉近焦距仔細(xì)觀瞧。

與其他所有原子一樣，這顆原子也幾乎都是空的。如果將中心由8個帶正電的質(zhì)子與8個電中性的中子構(gòu)成的原子核放大到樹莓(其實看起來兩者外觀有點(diǎn)相仿)那么大，那么繞著它旋轉(zhuǎn)的帶負(fù)電荷的電子，距離這顆樹莓大約有200碼(183米)那么遠(yuǎn)，接近美式足球場長度的兩倍，而電子包圍的球體中，有數(shù)百萬立方碼的空間里都空無一物，這體積比新澤西州東盧瑟福的大都會人壽球場還要大上好幾倍。這就是科學(xué)家為什么會認(rèn)為你身體中的物質(zhì)幾乎都是虛無的，就像星系間太空深處的真空一樣。

不管你感覺自己有多重，原子的空虛都意味著你更像是由原子級聚苯乙烯構(gòu)成的多孔泡沫，而不是像看起來那樣質(zhì)地堅實。不過你應(yīng)該慶幸你的“泡沫”身體，否則的話，你腳下的地球可撐不住你的體重。居于原子中央的那顆微小原子核(希臘人稱之為“核心”或“種子”)，密度卻大得驚人，如果你的體內(nèi)擠滿了“放了氣”的而不是膨脹成幾近空心的原子，那么只是你的一根腳指頭就有接近10億噸重。

你挑出的氧原子外層有8個電子圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。它們可不同于微型的行星被鎖定在固定的平面軌道上，而是更為怪異也更為自由地轉(zhuǎn)著圈，同時表現(xiàn)出波與粒子的雙重性質(zhì)，而且它們旋轉(zhuǎn)的速度太快，以至于模糊成一團(tuán)像云一般的巢狀外殼。如果你對這些電子施加能量，它們便會躍遷到更遠(yuǎn)的軌道上，原子的表面也會隨之膨脹；而物理學(xué)家還會借助X射線激光將內(nèi)層電子轟擊出來，形成“中空”的原子。

不過從我們的視角來看更為重要的一點(diǎn)是，一個原子的某些電子也可以被其他原子共享形成共價鍵，從而有助于維持你身體的完整。當(dāng)兩枚氧原子靠得足夠近的時候，它們的外殼便會交融，其中一些電子開始同時繞著兩個原子核旋轉(zhuǎn)。這種共用電子的方式可以產(chǎn)生千萬種化合物，包括你的肌肉纖維和細(xì)胞膜，也包括你的荷爾蒙和發(fā)絲。

當(dāng)兩個或更多的原子通過這種方式銜接在一起時，分子便形成了。分子(molecule)這個術(shù)語源于拉丁語moles，這里的moles可不是指鼴鼠那種毛茸茸的小動物(moles在英語中有“鼴鼠”的意思。——譯注)，而是指“一堆物質(zhì)”，一個分子簡單來說就是一小堆物質(zhì)。此刻在你腦海中想象的已不再是孤零零的氧原子，而是分子戰(zhàn)隊中的一部分了。在你的身體中，它常常與另一枚氧原子如影隨形，構(gòu)成氧氣分子游走于你的血管，或是與兩枚更小的氫原子形成水分子。

本書的及時章將帶你更好地領(lǐng)略這些分子及其原子部件，并揭示它們“如何讓你成為你”的一些方式。很多元素都可以在你體內(nèi)或身邊尋找到，但這里只會挑出其中最豐富也是生物學(xué)上最重要的十來種詳細(xì)介紹。這幾種元素也將揭開這些原子的面紗，展現(xiàn)它們在你的生命里，還有在將你與世界萬物關(guān)聯(lián)起來的過程中所扮演的幕后角色。

當(dāng)你繼續(xù)讀下去的時候，你將跟隨你的原子共同經(jīng)歷一場旅程：穿過風(fēng)雨，穿過波濤，穿過火海、森林，還有你的指尖。氫原子可以在你的發(fā)梢蕩漾，并暴露你曾經(jīng)居住的故土以及你曾喝過的飲品；你眼淚中的鈉，會將你和一片早已干涸的海洋串聯(lián)起來——而且更詭異的是，還會跟翩翩起舞的飛蛾聯(lián)系起來；你呼出的碳，會成為玉米秸稈的一部分，進(jìn)而又進(jìn)入一頭矯健公牛的肌肉中，再后來還可能成為狐貍胡須的一部分；你還會發(fā)現(xiàn)，你肌肉中的很多氮原子，是幫助天空變藍(lán)的功臣，而你骨骼中的磷，曾讓遠(yuǎn)古海洋的波浪變綠過；你牙齒中的鈣可能是蘑菇從巖石上開采下來的，而你血液中的鐵既會殺死細(xì)菌也會殺死一顆恒星。你還會發(fā)現(xiàn)，你最終會面臨的死亡，其實每時每刻死亡都在你的原子間進(jìn)行著，然而，和其他所有人一樣，你也將在宇宙結(jié)構(gòu)的某個角落永存。

用原子觀點(diǎn)看待生命頗有點(diǎn)將劇本捧在手心看歌劇的意味。舉個例子，如果你不了解意大利人，那么你在觀看《唐璜》的時候，也許只會被音樂打動， 卻對劇情無動于衷。而當(dāng)你手中有劇本的時候，就可以更好地展現(xiàn)因為信息不足而被眼耳遺漏的故事細(xì)節(jié)。同樣，當(dāng)你能更好地借助原子觀點(diǎn)理解這個世界時，你的閱歷也會變得更加豐富。

我們究竟是誰？對這個問題不斷的解讀算得上是科學(xué)給我們的好禮物之一。盡管我們很容易想象，手機(jī)、超市以及城市生活正在將我們跟自然割裂開來，但總有一些事情落后于上個世紀(jì)以來的知識與技術(shù)大爆發(fā)，于是我們的意識仍然聯(lián)系著自然。我們永遠(yuǎn)不會真的失去和原子世界的聯(lián)絡(luò)，因為不管是否知情，我們都是原子世界的一部分。所以，現(xiàn)階段我們面臨的任務(wù)與其說是從肉體上重新構(gòu)建聯(lián)系，還不如說是讓我們的世界觀和迷人的現(xiàn)實之間達(dá)成和諧，而這樣的現(xiàn)實正是太空望遠(yuǎn)鏡、原子探針顯微鏡或者是其他復(fù)雜的發(fā)明最近才向我們展現(xiàn)的。

當(dāng)我們陶醉于自己是恒星的直系后代這樣一個奇跡之時，也許會感到非常震撼，就像喬尼 米歇爾(Joni Mitchell)歌中所唱的那樣：“我們是星塵”(we are stardust)，是幾十億歲高齡的碳原子。伍德斯托克音樂節(jié)(Woodstock)上傳唱的這些歌詞道出了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的精髓，當(dāng)然也有些較真的人會強(qiáng)調(diào)，我們有些碳原子的歷史其實比這更久遠(yuǎn)，而有些卻只是產(chǎn)生于幾個星期或幾個月前(后文將會詳細(xì)介紹)。這里主要想說，這樣的觀察視角不僅頗具美學(xué)與哲理意味，對于我們近期書寫的這段歷史來說，其價值也因為一些現(xiàn)實原因變得越來越大，很多科學(xué)家甚至將當(dāng)今這個時代稱之為“人類世”——屬于人類的地質(zhì)紀(jì)年。我們的人口數(shù)量驚人，技術(shù)強(qiáng)大，生活方式與文化交流也在不斷全球化，因此我們?nèi)缃褚咽堑刭|(zhì)學(xué)尺度的一股自然力量了。僅僅是我們排放的碳就足以阻止下一場冰川紀(jì)，將海平面抬高并淹沒海岸，也足以造成所有物種滅亡。今天我們思想與心靈引發(fā)的所有行為，都會在周遭環(huán)境中產(chǎn)生回音，并將深刻地影響未來。

從這個方面講，理解我們與地球間的原子聯(lián)系就不再是一個可以選擇的問題而是一種必然?？茖W(xué)是我們看到真理的那一扇最明亮的窗口。生物學(xué)家兼作家E.O.威爾森(E.O.Wilson)最近這樣寫道：“也許是時候停止稱其為‘環(huán)保主義者’的觀點(diǎn)了，搞得好像這是脫離人類活動主流的游說活動一般，而應(yīng)當(dāng)稱之為現(xiàn)實世界的觀點(diǎn)。”不同于我們的祖輩那樣只能單純依賴自己有限的知覺，我們?nèi)缃窨梢越柚?jīng)隱藏在事物背后的原子性質(zhì)，利用這些新的信息更好地闡述我們的知覺所反映的事實，同時也可以期待營造更合理也更可持續(xù)的生活方式。

包括卡爾 薩根(Carl Sagan)、尼爾 德格拉斯 泰森(Neil deGrasse Tyson)、布萊恩 考克斯(Brian Cox)、布萊恩 格林(Brian Greene)和加來道雄(Michio Kaku)在內(nèi)的天才科普工作者已經(jīng)做了很多工作，向我們介紹了亞原子王國和宏大的宇宙，但是在這兩個天壤之別的尺度之間，還是需要用原子的觀點(diǎn)來解釋。生動的圖片與文獻(xiàn)可以幫助我們想象微小的夸克與廣袤的宇宙，但也可以說很難將它們都帶到地球上來。相比于那些利用質(zhì)譜儀或太空望遠(yuǎn)鏡觀測的奇觀來說，可以被直接觀察的物種和細(xì)胞都顯得頗為簡單，但相比物理學(xué)家對質(zhì)子或脈沖星的預(yù)測精度而言，絕大多數(shù)生物行為還是更復(fù)雜，也更難以被預(yù)測——要不然請試著預(yù)測一只蝴蝶飛過草地時的路線，或是計算某顆正在發(fā)芽的種子及時次開花的時間，又或是提前羅列一下你的腦袋明天會迸發(fā)的奇思妙想……相比之下，模擬電子或行星的運(yùn)動，簡直就跟小孩過家家那么簡單。

本書接下來的篇章將帶你游覽這座由日常經(jīng)驗構(gòu)建的趣味樂園，沒有艱深的公式，有的只是直覺和感受，還有原子與你自己以及這個世界聯(lián)系的現(xiàn)實案例。不過既然我們看不到原子，又將如何讓它看起來像我們時常假想的那樣更為真實呢？

其實簡單得很。當(dāng)你照鏡子的時候，你就可以看到在你的面龐中，數(shù)不清的原子在向你“眨眼”。為了享受在沙灘上的美好時光，你并不需要去分析每一粒沙子，同樣，如果你知道原子總是大量地擠在一起，那么為了感知它們的存在你也不需要對其挨個兒辨別。相反，你可以讓值得信賴的專家為你揭開更多的粒子細(xì)節(jié)，然后利用這些信息豐富你的生活。

不過令人稱奇的是，即便是單個原子，如今對我們來說也比過去更易被感知，如果你想親眼目睹其中一顆的尊容，那么一些近期的科學(xué)發(fā)現(xiàn)可以幫你實現(xiàn)愿望。德累斯頓理工大學(xué)的特里本堡(Triebenburg)實驗室建立了一個網(wǎng)站：Electron Microscopy - A Journey into Nano-Cosmos(電子顯微”——納米世界之旅)，他們最近公布了一系列對金粒子的顯微照片。該系列一個鏡頭定格的照片是一個被放大超過100萬倍的照片，顯示出金原子就像大理石那樣一層層整齊而有序地排列著。

單個原子不僅正在變得可以被看到，而且還能被我們“聽”到。瑞典皇家理工學(xué)院開展了一項名為“放射性樂隊”的在線項目，可以讓你借助代表原子放射性衰變頻率的特殊聲音編寫旋律。他們的服務(wù)器上存有多種不同音符，分別代表幾十種不穩(wěn)定元素釋放的能量，從碳14到鉀40不一而足。網(wǎng)站主頁對此解釋道：“我們的目的是為了啟發(fā)靈感。我們希望能夠提升更多對自然之美的認(rèn)知，哪怕是最微小的尺度，從而激發(fā)人們對于基礎(chǔ)科學(xué)的興趣。對我們來說，音樂方面的創(chuàng)造力同樣重要……科學(xué)與藝術(shù)很大程度上都是相通的。我們希望放射性樂隊可以強(qiáng)化二者之間的聯(lián)系。”

撰寫本書對我個人而言也是一次探索。即便對于我這樣一名研究物種、氣候與生命元素內(nèi)在作用的科學(xué)家來說，當(dāng)我在辦公室工作一整天后趴倒在沙發(fā)上，或是在樹林里散步時，想要把不可見的世界與紛繁的現(xiàn)實聯(lián)系在一起都不是件簡單的事。老實說，將自己想象成一團(tuán)沒有生命的原子，其實是件異常困難的事。我還沒有聽很多科學(xué)家說起過，他們可以從內(nèi)心實實在在感知自己是由原子構(gòu)成的，盡管他們的智力水平足以深入討論這些問題。不過我敢肯定，哪怕你只是飛速瀏覽了一下這個令人訝異的事實，你都會被永遠(yuǎn)地改變，而且是變得更好。

雖說我自己對原子的興趣可以追溯到童年時期，但之于原子，我更深刻的觀念轉(zhuǎn)變還是在20世紀(jì)70年代的時候。那時我還在讀大學(xué)，專業(yè)是生物與地質(zhì)學(xué)，因為科學(xué)課程的需要，當(dāng)時我正用一種近乎于潔癖的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，努力地讓自己的情感與自然世界保持一致。我那時并未意識到，要想讓自己與絢爛的生命共舞，這種嚴(yán)謹(jǐn)必不可少，就像演員或樂師每日的單調(diào)訓(xùn)練一樣。

1964年，我不記得是誰給了我一張皺巴巴的紙片，上面寫了一段從《伽馬射線效應(yīng)》(The Effect of Gamma Rays on Man-in-the-Moon Marigolds)節(jié)選的片段——這部作品由劇作家兼科學(xué)教師保羅 金代爾(Paul Zindel)于1964年創(chuàng)作，并獲得了普利策戲劇獎。不過我永遠(yuǎn)不會忘記這個片段對我的影響，其內(nèi)容是一位高中生把她老師剛剛講的課程復(fù)述給她的妹妹——我敢肯定地說，這些話改變了我的人生，直到今天我再讀它們的時候，也還是會不禁哽咽。

他讓我看著我的手，因為其中一部分來自一顆恒星，在想象力都難以企及的遠(yuǎn)古年代，它爆炸了……

當(dāng)生命出現(xiàn)時，也許我的這部分曾經(jīng)被蕨類植物拋棄，從此被掩埋，直至變成煤炭。

數(shù)百萬年之后，它變成了一顆鉆石——它一定和曾經(jīng)所屬的那顆星球一樣美麗……

他說，這些物質(zhì)非常小——小得不能被看見——但是當(dāng)這個世界出現(xiàn)時，它們就已經(jīng)存在。

接著他告訴我，我的這一小部分是原子。而當(dāng)他寫下這個單詞之時，我立刻愛上了它。

原子。

Atom。

多么美的詞啊！