茶杯里的风暴:用日常之物揭开万物之理

序章

我们生活在地球与宇宙的交界线上。晴朗的夜晚，谁都能看到璀璨而广袤的星空，亘古不变的灿烂繁星以独一无二的方式标记我们在宇宙中的位置。这些星辰进入了每一种文明的视野，但从未有人真正触摸过它们。我们在地球上的家园恰似星空的反面：混乱、无常、花哨，每天充斥着各种缠人的琐事。然而，平凡俗世中同样藏着宇宙运转的规律。物理世界的丰富多彩超乎我们的想象，同样的原子和同样的规则以不同的方式组合在一起，足以产生无数截然不同的结果。不过，这种多样性并非全无规律，世间万物的运行都遵循着自然的法则。
如果你把牛奶倒进茶水里快速搅拌，杯子里就会出现旋涡。两种液体旋转交缠，几乎称得上泾渭分明，而这样的奇景只能维持几秒，片刻之后，两者就会完全融合在一起。不过，这短短的几秒钟足以让你看清，不同的液体会在美丽的旋涡中逐渐融合，而不是立即交融。我们在其他地方也能看到同样的现象。从太空中俯瞰地球，你会在云团中发现相似的旋涡，暖空气和冷空气不会直接融合，而是互相缠绕旋转，仿佛在跳一曲美妙的华尔兹。大西洋上空的旋涡定期向东运动，带给英国变幻无常的天气。当北方极地的冷空气和南方热带的暖空气相遇时，你可以从卫星云图上清晰地看到它们绕着圈子彼此追逐。这样的旋涡叫作“低气压”或者“气旋”，气旋所到之处常会出现晴雨不定的多变天气。
乍看之下，旋转的风暴和马克杯里旋转的茶水似乎毫无关联，但它们相似的模式绝非出于巧合，其中蕴含的线索可以揭示更本质的规律。类似的构造隐藏着相同的道理，一代又一代人不断探索并通过严格的实验验证了这一点。这个探索与发现的过程就是科学：不断总结、验证我们对世界的理解，并发掘更多有待探索的东西。
有时候，我们很容易在不同的地方发现同样的模式；不过也有一些时候，事物间的联系没有那么明显，而*终找到真相时，你收获的满足感会更强烈。举个例子：你或许根本不会想到蝎子和骑行者有什么相似之处；事实上，两者会利用同样的科学技巧来保命，不过方式截然相反。
没有月亮的夜晚，北美的沙漠寒冷寂静，只有微弱的星光照耀着地面，你似乎不可能在这里完成对任何东西的搜寻。不过，为了找到一种宝贝，你带着特制的手电筒走进了黑暗。这种手电筒发出的是人类看不见的光——紫外线，也叫“黑光”。紫外线在沙漠中传播，但你看不见它，无从分辨它照到了哪里。然而突然之间，黑暗中爆出了一团怪异的蓝绿色闪光——紫外线落在了一只蝎子身上。
人们就是这样寻找蝎子的。这种黑色蛛形纲动物的外骨骼里有一种独特的色素，能够吸收我们看不见的紫外线，再反射出我们看得见的可见光。这的确十分机智，不过害怕蝎子的人可能无缘欣赏。这种光学魔术被称为“荧光性”。人们认为，蓝绿色的荧光能帮助蝎子在傍晚寻找*理想的藏身之地。紫外线一直存在，不过在太阳刚刚降到地平线下的傍晚时分，大部分可见光都已消失，留下来的只有紫外线。如果这时候蝎子还待在露天环境中，它的身体就会发光，变得十分显眼，因为周围的蓝光和绿光都已消失。哪怕蝎子的身体只露出来一点点，它也能探测到自己发出的光芒；于是它就会知道，应该再藏得深一点。这套信号系统简洁而高效——如果世界上没有紫外线手电筒的话。
幸运的是，对于恐惧蝎子和蜘蛛的人来说，要看到荧光，不一定非得走进节肢动物横行的沙漠不可。天气阴沉的清晨，城市里也随处可见点点荧光。我们不妨看看那些注重安全的骑行者：和周围灰暗的环境相比，他们身上的反光外套简直亮得刺眼。这些外套看起来像在发光，事实上，它们的确在发光。阴天的云层遮蔽了可见光，但大量紫外线仍能穿透云层。反光外套中的色素会吸收紫外线，反射可见光。这个原理和蝎子的把戏一模一样，不过人类和蝎子利用荧光现象的目的却截然相反。骑行者希望自己发光，因为这样一来，别人就更容易看到他们，由此可以减少事故的发生。对人类来说，荧光现象简直就是免费的午餐；我们本来看不到的紫外线转化成了可以利用的可见光，但我们不用付出任何代价。
荧光现象本身已经足够迷人，不过对我来说真正的乐趣在于，物理学的金矿不仅仅是有趣的消遣，更是实用的工具，能在很多地方派上用场。在上面这个例子中，蝎子和骑行者利用同样的物理现象来保命。汤力水1在紫外线下也会发光，因为水中的奎宁具有荧光性。衣物彩漂剂和荧光笔的“魔力”同样源于此。下次当你看到用荧光笔做记号的段落时，请务必记得，荧光笔的墨水也是一种紫外线探测剂；虽然你无法直接看到紫外线，但荧光会告诉你，它就在那里。
我研究物理学是因为它能够解释我感兴趣的事情。物理学让我看到日常世界背后的规律。*棒的是，它让我能够亲自找出一部分规律。虽然现在我已经是专业的物理学家了，但实际上，我的许多发现和实验室无关，也不需要复杂的电脑软件或昂贵的实验设备。*能带来成就感的发现常常来自与科学全然无关的日常小事。对物理学基础知识的点滴了解将整个世界变成了充满乐趣的玩具盒。
对于这些来自厨房、花园或者城市街道的科学发现，有时候人们多少会有点轻视。他们觉得这无非是小打小闹的消遣，对孩子来说当然重要，对成年人却没有什么实际的用途。成年人应该去买那种介绍宇宙运行规律的大部头才符合身份，但实际上，这种观点忽视了一个非常重要的道理：物理规律是放诸四海而皆准的。烤面包机就可以让你学习到*基础的物理学定律，而烤面包机的优势是，你家里很可能有一个，你可以亲眼看到它如何工作。物理学妙就妙在同样的模式处处通用：无论是在厨房里，还是在宇宙*遥远的彼端。从烤面包机入手的好处在于，就算从没担忧过宇宙的温度，你也会明白面包片为什么是热的。而且，一旦熟悉了某种模式，你就会在其他很多地方观察到它的存在，包括在人类社会*令人瞩目的那些成就之中。学习日常生活中的科学可以直接帮助你积攒关于世界运行规律的点滴知识，任何一位想要参与社会运转的公民都应该具备这些常识。
你有没有尝试过在不剥壳的情况下分辨生鸡蛋和熟鸡蛋？这里有个简单的办法。你可以把鸡蛋放在一个光滑坚硬的平面上旋转，几秒钟后用手指轻轻触碰蛋壳，让它停止转动，然后立即收手。一两秒后，看看静止下来的鸡蛋是否会重新开始旋转。生鸡蛋和熟鸡蛋的外表可能毫无区别，但它们的内部截然不同，这就是秘密所在。熟鸡蛋是一个完整的固体，所以当你触碰它的时候，它会整个停下来；但是当你触碰生鸡蛋的时候，停止运动的仅仅是蛋壳，壳里的液体继续旋转，所以一两秒后，生鸡蛋会重新开始旋转，因为内部的液体会带动蛋壳转动。要是不信，你不妨自己找枚鸡蛋试试。这个现象背后的物理学定律是：物体总是倾向于保持原来的运动状态，除非你对它施加外力。生鸡蛋内的液体保持旋转，因为它没有变化的理由。这就是角动量守恒，这条定律可不仅仅适用于鸡蛋。
哈勃空间望远镜就像在绕地轨道上飞速运行的一只眼睛，自1990年发射以来，它拍摄了无数壮美的太空照片。这台望远镜发回的照片让我们看到了火星、天王星环、银河系中*古老的恒星、名字和形态同样美丽的草帽星系（Sombrero Galaxy），还有庞大的蟹状星云。可是，在太空中自由飘浮的时候，它该如何稳定自己的位置和姿态，聚焦拍摄这些小小的光点？它又该如何判断自己的准确朝向？哈勃空间望远镜配备了6台陀螺仪，每台陀螺仪都是一个每秒能转19200圈的轮子。根据角动量守恒定律，这些轮子的转速将保持恒定，因为没有外力让它们减速。轮子转轴的指向也将始终保持恒定，因为它们没有理由移动。陀螺仪为哈勃空间望远镜建立了方向参照，所以望远镜的镜头可以聚焦于某个遥远的天体，想拍多久就拍多久。通过厨房里一枚小小的鸡蛋，你能看到人类文明*先进的技术产品所使用的物理学原理。
这就是我热爱物理学的原因。你学到的东西总能在别的地方派上用场，这是一场伟大的冒险，因为你不知道它将带领你走向何方。我们已经知道，地球上的物理学定律适用于宇宙中的任何地方。也就是说，每个人都能轻而易举地接触到推动宇宙运行的诸多基本法则。你甚至可以亲自验证它们。一枚鸡蛋可以孵化出放诸四海而皆准的规则。有了这些知识，你就能看到另一个崭新的世界。
在过去，信息比现在稀有。每一处知识的金矿都来之不易，价值连城。今天的我们生活在知识之海的岸边，海啸时时威胁着我们，有时甚至会让我们陷入迷惘。如果你能够得心应手地掌控现世的生活，那又何必继续追寻更多知识，何必让自己的生活变得更加复杂？哈勃空间望远镜很棒，不过在你马上就要迟到的时候它也没法掉转镜头帮你找到钥匙，那有它没它又有什么两样？
人类对世界充满好奇，满足好奇心会带来极大的愉悦。要是能够亲手解开谜题，或者和别人一起走过发现之旅，你还会得到更强的满足感。你在玩耍中学到的物理学原理可以用来开发新的医疗技术，可以解释天气，可以制造手机、自清洁衣物甚至聚变反应堆。现代生活充满复杂的决策：花高价买节能灯是否值得？把手机放在床边睡觉是否安全？天气预报是否可信？偏光太阳镜和普通太阳镜有何不同？基本原理通常无法直接告诉你某个具体问题的答案，但要问出正确的问题，你离不开这些背景知识。习惯了自己寻找答案，面对无法立刻得到解答的问题时，我们便不会感到无从下手。因为我们知道，只要再想一想，就能理出头绪。要了解我们的世界，批判性思考至关重要，要知道，广告商可是一直在声嘶力竭地告诉你，让你相信他们什么都懂。我们必须自己寻找依据，思考是否真的应当赞同他们的意见。我们不仅要应对日常生活，还要为我们的文明负责。我们投票、购物、选择生活方式，每个人都是人类冒险团中的一员。世界如此复杂，任何人都不可能完全理解所有细枝末节，但在这条道路上，基本原理是价值连城的宝贵工具，值得你随身携带。
基于上述原因，我认为，运用物理学工具观察和理解世界不仅仅是为了找乐子，尽管我个人十分享受物理学带来的乐趣。科学不只关乎搜集事实，还涉及解决问题的逻辑推理过程。科学的关键在于，每个人都可以根据数据得出合理的结论。刚开始，人们的结论或许各有不同；但接下来，你可以搜集更多数据，判断哪种描述更契合真相，*终得出结论。这就是科学与其他学科的区别：科学假说必须提出可验证的具体预测。也就是说，如果你有了关于某个事物运行原理的想法，接下来应该做的是根据你的想法推出某个特定结果。再说具体一点，你必须努力寻找可验证的结果，特别是那些能够通过你的理论验证其谬误的结果。如果穷尽我们能想到的所有验证方式仍无法推翻你的假说，那么我们会谨慎地表示赞同：它很可能是描述世界运行规律的优秀模型。科学总在试图找出谬误，因为这是寻求真理的*短路径。
不必成为专业科学家，你也可以通过实验来认识世界。理解一些基本的物理学原理会让你掌握正确的方法，学会自己解决很多问题。有时候，你甚至不必刻意思考，拼图会乖乖跳到自己的位置上。
我*喜欢的一次发现之旅始于失望：我做的蓝莓酱变成了粉红色，确切地说，是鲜艳的紫粉色。这件事发生在几年前，当时我正在罗得岛处理移居英国之前的一些琐事。大部分事情都办完了，但在离开之前，我还有一件事非办不可。我一直很喜欢蓝莓，这种可口的水果颇具异域风情，妖异的蓝色美得让人心醉神迷。在我居住过的大部分地方，蓝莓都少得令人泄气，罗得岛却盛产蓝莓。我想把夏天丰收的蓝莓做成果酱带去英国，所以在那*后的几天里，我花了一上午时间采摘、挑选蓝莓。
蓝莓酱*棒*让人着迷的地方在于，它是蓝色的。至少我是这样认为的。但大自然却另有主意。平底锅里冒泡的果酱有诸多特色，但蓝色绝不是其中之一。我把果酱装进罐子里，它的味道没的说，但挥之不去的失望和迷惑伴着粉色的果酱和我一起来到了英国。
6个月后，一位朋友请我帮他解决一个历史难题。当时他正在制作一套关于女巫的电视节目，他说，有记录显示，“聪明的女人”曾把马鞭草花瓣放在水里煮沸，然后将得到的液体涂在别人的皮肤上，以此来判断此人是否中了咒语。他想知道，这背后是否有某种原理，哪怕与巫术完全无关。我研究了一下，发现这里面还真有点科学道理。
紫色的马鞭草花、紫甘蓝、血橙等紫色和红色的植物含有一种名叫花青素的化合物。花青素是一种色素，它赋予了这些植物鲜艳的颜色。花青素有几种不同的版本，所以植物的颜色也有细微的差别，不过所有花青素的分子结构都十分相似。我要说的还不止这些。环境液体的酸碱度——pH1——也会影响花青素*终呈现的颜色。如果环境的酸碱度发生变化，花青素分子的形态就会发生微妙的变化，颜色也随之改变。它们是一种指示剂，一种天然的石蕊试纸。
利用这一点，你可以在厨房里玩出很多花样。你可以煮沸植物来提取色素，比如说，你可以将几片紫甘蓝放到水里煮沸，留下水（现在它是紫色的）。往水里加点醋，它就会变红；而洗衣粉（碱性）溶液会让它变成黄色或绿色。利用厨房里随手可得的原料，你可以调制出彩虹的所有颜色。别问我是怎么知道的：我全都亲手试过。我喜欢这个发现，因为花青素随处可见，任何人都搞得到，不需要任何化学设备！
所以，那些聪明的女人或许是在用马鞭草花检测pH，而不是检测别人是否中了咒语。皮肤的pH会自然地发生变化，所以将马鞭草混合液涂在不同人的皮肤上，就会得到不同的颜色。如果我刚跑完步，正是大汗淋漓、心情愉悦的时候，涂在身上的甘蓝水就会从紫色变成蓝色；要是不运动的话，甘蓝水就不会变色。那些聪明的女人或许发现了这个秘密，并对它做出了自己的解读。真相已经无法追寻，不过我觉得这是个合理的假设。
历史揭秘到此为止。我又想起了我的蓝莓和果酱。蓝莓的颜色也来自花青素。果酱的原料只有4种：水果、糖、水和柠檬汁。柠檬汁会催化水果里的天然果胶，让果酱变得黏稠。而柠檬汁之所以有这种效果，是因为它是酸性的。我的蓝莓酱之所以会变成粉色，是因为它在平底锅里完成了一次石蕊测试。要让果酱获得足够的黏度，它只能变成粉色。这个激动人心的发现几乎完全弥补了无法做出蓝色果酱带给我的沮丧。用一种水果制造出彩虹的完整色谱，这样珍贵的发现足以告慰我的失落。
在这本书里，我所做的就是将日常生活中的小事与我们所置身的广阔世界联系起来。我们将在物理世界中徜徉，看看爆米花、咖啡渍、磁性冰箱贴这样平凡的事物如何照亮斯科特1的探险之路，如何帮助我们完成医学实验，如何解决未来的能源问题。科学不是“别人的事情”，它与每个人息息相关，每个人都能用自己的方式加入这场探险。本书的每一章都会从一件日常小事开始，你或许见过它很多次，却从未深入思考过背后的东西；而在每章的末尾，我们将会看到，这些小事里的模式能够解释我们这个时代某些*重要的科技。每一次小小的探险都妙趣横生，所有碎片拼到一起带给你的满足感更是无可估量。
了解世界运转的原理还能带来科学家们很少提到的另一个好处：它会改变你的视角。世界充满了戴着各种面具的物理学模式，一旦熟悉了基本的原理，你就会看到不同现象背后的相同之处。我希望，在阅读本书的过程中，各个章节蕴含的科学原理能够潜移默化地帮助你构建看待世界的新视角。在本书的第9章中，我将告诉你这些模式如何彼此啮合，创造出人类赖以生存的三套系统——我们的身体、我们的星球和我们的文明。不过，你有权反对我的观点。科学的精华在于整合现有证据，通过实验验证原理，*终得出自己的结论。
茶杯仅仅是个开始。