有趣的是，有些人觉得科学很简单 而有些人觉得它枯燥又困难 尤其是小孩，有些小孩只是照单全收 我不知道为什么，也许所有学科都一样 比如说很多人喜欢音乐，而我却永远跟不上调 我也因此失去了很多乐趣 同样我认为，那些觉得科学枯燥的人也失去了很多乐趣 就科学而言，我认为使得它很困难的原因之一就是 科学需要丰富的想象力 很难想象出所有这些离奇的物体本来的面目 任何事物都不是它看起来那么简单，比如我们熟悉的冷热 冷和热取决于原子振动的速度 原子振动越快，对应就越热，反之越慢就越冷 如果你有一大堆原子，比如说一杯咖啡啥的，放在桌上 杯里的原子振动很厉害，不停地撞击杯子内壁 杯子受到了振动，于是杯子本身的原子也加强振动 它们相互撞击，杯子就被加热了，周围的东西都被加热了 然后热的东西仅通过接触就把热量传播给其他的东西 因为热的物体中原子振动更剧烈 使得冷的物体里不活跃的原子跟着振动起来 因此热量进入冷的物体，热量传递开来 但传递的只是振动，一种无规则的运动，这是很容易理解的 这引出了另一件有趣的事: 当我说物体振动时，你想象的是小球的跳动 你知道这种跳动会逐渐减缓，一段时间后会停下来 但我们必须想象原子具有完美的弹性，它们不会失去任何能量 它们不停撞击，始终在撞击但不会失去任何能量 它们是在永恒地运动 而那些会损失能量的物体运动 比如小球在地板上跳动 它把振动无规则地传给了地板上的一些原子 当小球弹起后，留下了一堆更快运动的原子不停振动 因此随着小球跳动，它把它多余的能量，多余的运动 传递给地板上的原子，每次它反弹时它都损失一点热量 直到它停下来，这时我们说它下落运动结束 但遗留下来的就是地板上的原子振动比之前更剧烈了 以及小球里的原子也振动更剧烈了 原本小球中所有的原子以下落的方式有序运动 还有平静的地板，现在变成了一个停在地板上的小球 但所有的运动依然以动能的形式存在 地板里原子的振动使得地板有一点变热，难以置信！ 但那些经常锤东西的人知道这是真的 如果你敲击一个东西，敲了很多下 你就能感受到温度升高了，它有点热了 被敲物体变热仅仅是因为你在让它振动 这种原子图景是极具美感的 你可以一直用这种方式来观察各种事物 你观察一小滴水，很小一滴 原子相互吸引，它们喜欢靠在一起 它们想有尽可能多的同伴 而现在在水滴表面的那些原子只有一侧有同伴 另一侧是空气，于是它们想要钻进来 你可以想象有一堆人，所有人都快速移动 都想要尽可能多的同伴 在边缘的人很不高兴，非常紧张，他们不断地冲击 试图冲进来，这就构成一个紧密的球，而不是摊开成一个面 这就是表面张力 有时候你看到一个水滴像球一样立在桌面上时 你就会开始想象为什么它会这样 因为每个原子都想进入到水里去 在试着进入的同时，也有原子正离开表面 于是水滴就慢慢消失了 我发现自己一直在试着想象所有这些现象 我从想象中得到乐趣，就像跑步者从出汗中得到乐趣一样 我从对这些现象的思考中获得快乐 我停不下来，我可以一直说下去 如果你能把水冷却 那么原子振动越来越少，振动得越来越慢 那么原子就会被限制在一个区域，它们喜欢和同伴在一起 有吸引力存在，它们就会挤在一起 它们不会互相挤压，会形成很漂亮的图案 就像橘子在果箱里整齐排列，每一个只能在固定位置晃动 但没有足够的动能来摆脱自身受限的位置 去破坏这个结构 我所描述的就是固态，即冰，它具有一个结构 如果你把原子放在一个特定的位置 那么其余的原子都是一字排开 最终形成固体 而如果你持续地加热 然后他们就开始失去束缚，互相滚动 这就是液态 而如果你还要用力加热，那么它们就会跳动得更剧烈 它们就会相互撞击并弹开 于是它们成了单个的 虽然我说的原子，其实它们是原子的组合，分子 分子飞来撞去 虽然它们倾向于待在一起，但它们移动太快 通���来讲，在它们迎面相遇时，它们的“手”抓不住 于是又飞远了，这种气态就是我们所说的“蒸汽” 你会对各种现象有所理解 在我小时候，我一直都对“空气”感兴趣 我注意到当我给自行车的轮胎打气时 （有一辆自行车你可以学到很多东西） 我给轮胎打气，打气筒会变热 这其实很好理解，随着气筒活塞往下压 原子撞向它后反弹，但活塞是往下运动 原子撞击活塞反弹后的速度要大于撞击之前 因此随着活塞继续往下，原子每撞击一次 它的速度增加 所以当你压缩气体时它们会变热 而当你把活塞往外拉 速度很快的原子撞上活塞后 付出了一些动能，所以原子能量减少了 这就像一拳打到棉花上，陷了进去，“嘭嘭” 损失了能量，当你把活塞往外拉 原子撞上去速度就会减少，于是温度就降低了 所以当气体膨胀时温度降低 有趣之处在于，你在这世界上观察到的所有现象 比如你气体压缩就会升温，膨胀就会冷却 或者如果不给水杯加盖，里面的水就会蒸发 所有这些现象都可以用简单的原子图景来加以理解 这样去思考就会很有趣 我不想把这种思考看的太严肃 我认为我们应该快乐地想象，而不用有所顾虑 不会有老师在最后来提问 否则这就是个令人讨厌的学科 不同原子间想要靠在一起的程度是不同的 例如，空气中的氧原子想要紧挨着碳原子 如果它们靠得太近，它们激烈地结合在一起 如果它们靠得不是很近，它们会相互排斥，然后分开 所以它们不知道它们可以结合在一起 这就好像有一个球试着往山上爬 前方有一个洞，它可以钻进去，就像火山口一样 很深的洞口，这个球只是绕着它转，并不掉进去 因为当球开始爬坡时，接着就会滚回来 但如果你让它走得够快越过临界点，它就会掉进洞里 所以如果有木头之类的物体与氧气接触 树木里有碳原子 氧原子过来撞击碳原子，但温度不够高 氧原子又跑掉了，空气总是来了又去，无事发生 如果你用某种方式加热氧原子使它变快 一开始让少数原子加速，也就是让它们能越过临界点 它们足够接近碳原子，然后两者激烈地结合 这就会产生更多剧烈地振动，可能会撞击其他原子 使它们运动得更快，这样它们就能越过临界点，撞击其他的碳原子 它们不停振动导致其他原子一起振动，就会发生可怕的灾难 一个接一个的原子振动得越来越快 激烈地结合，一切都改变了 这种“灾难”就是火 这就是描述“火”的一种方式 这种撞击一直在发生，永不停歇 一旦开始就持续不停 产生的热量使得其他原子有能力去撞击 产生更多的热量，使更多的原子产生相同的行为 所以这种激烈地结合会引发很多地振动 如果我把那些缺乏活力的原子放到那边 好比我把一杯冷咖啡放到一堆正在燃烧的木头旁边 咖啡里的原子就会发生激烈地振动，这就是火的热量 当然就会有… 看吧，当你开始思考时就会这样，完全停不下来 就想知道这是如何开始的 为什么木头一直和氧气呆在一起，之前却没有出现“火” 这个热量是从哪儿来的？ 其实它来源于树 树的实体是碳，那碳又从哪里来的? 它来源于空气中的二氧化碳 人们看着树，都认为树是从地里长出来的 植物是从地里长出来的 但如果你问树的实体是从哪里来的？ 你仔细想想它们是从何而来的 树是来自于空气？ 当然啦，树木确实来自于空气 空气中的二氧化碳进入树木 发生变化，把氧原子踢出去 形成氧气排出去，留下碳原子 碳和水构成了树的实体，水是来源于地里 而碳原子是从空气中进入树木的，是吧 它是从天上来的 因此，几乎所有的树都是来自于地里 抱歉说错了，都是来源于空气 确实有少量来自地下的矿物质等等 当然我告诉你氧原子… 氧原子和碳原子结合得很紧密 那么树是如何聪明地吸收二氧化碳 此时碳原子和氧原子结合很紧密 树却能轻易把它分解掉? 啊！生命，是生命具有的某种神秘力量吧 错，是太阳的照耀，阳光照射进来 然后把氧原子和碳原子分开 因此需要阳光，植物才能生长 所以太阳的作用，就是持续地把氧原子和碳原子分开 氧气作为某种糟糕的副产物，被排到空气中 留下了碳原子和水等物质构成了树的实体 然后我们把树的实体放到壁炉里 那些由树木产生的氧气 又想和树木里的碳再次结合起来 一旦你加热触发了它们结合 整个过程将会持续，在它们激烈结合过程中产生剧烈地热运动 于是出现了美妙的光及其他的东西 一切仿佛都没发生过，你把氧和碳又变回了二氧化碳 但是产生了光和热，这其实是辐射进来的太阳的光和热 所以当你点燃木头时，就像是在释放木头里储存的太阳 下个问题就是，为何太阳如此活跃，如此灼热呢？ 我就说到这里，我留个问题让你去想象 大多数有弹性的东西，钢筋或弹簧之类的，都是与电有关的力在往回拉 当你弯折某物时，就是把原子拉得稍微远一点 于是这些原子试着回到一起 但橡皮筋的工作原理不同 有一些链状的长分子 还有一些一直在振动的小分子在撞击着这些链状分子 而链状分子都是那种扭曲且滑稽的形状 当你把橡皮筋拉直时，链状分子变直了 但是这些链状分子不断受到侧面撞击 其他原子试图扭曲它们让其收缩 因此橡皮筋试着往回收缩 它回缩仅仅是由于热量 因此如果你对橡皮筋加热，它就会回缩更厉害 比如你用橡皮筋吊一个重物，然后点燃一根火柴靠近橡皮筋 看着重物由于加热橡皮筋而上升还挺有趣的 还可以通过另一件事去证明这个观点是正确的 证明确实是热量驱动橡皮筋收缩 当你拉长皮筋时，就像我们向下压缩活塞和内部气体 如果你拉长皮筋 那些拉直的链状分子撞击其他分子使它们运动更快，于是温度升高 而当你把皮筋收缩时 那些分子撞击链状分子时就会付出一些能量 就像撞在松软的物体上，当它们撞击那些回缩的分子链时会损失能量 因此温度会降低 有一个小方法可以验证 不需要你很敏感，这是一个小小的测试 如果你拿一根很宽的橡皮筋，把它放在嘴唇之间 快速往外拉，你肯定能感受到温度升高了 如果你往中间压缩，就会感受到温度降低了 至少你能感受到两者的差别 当你拉伸橡皮筋和压缩它时是有所区别的 我一直觉得思考橡皮筋的原理很有趣 当橡皮筋长时间捆着一袋文件 把这些文件捆在一起 这个力是由原子持续不断地撞击，撞击来实现的 这些原子总是想要扭转链状分子，不停地扭转，所以皮筋能够捆住文件 年复一年，当然橡皮筋保质期没那么久 总之，在很长一段时间内，它是可以捆住整袋文件的 如果你正确看待的话，这是一个充满了振动物体的动态混沌世界 如果你把一切放大，你就几乎看不清任何东西 因为所有物体都在以自己的方式振动，到处都是振动的小球 幸运的是，我们都能以宏观视角看待一切，能把它们看作“物体” 而不必一直被这些小小的原子所烦恼 如果你有两个磁铁，你让它们靠近 你能感受到它们相互排斥 把其中一个掉头，它们就会碰在一起 那么，这两个磁铁之间的“感觉”是怎样的？ 你所说的“两块磁铁之间是怎样的感觉”是什么意思？ 确实存在某些东西，对吗？ 当你把两个磁铁的同极彼此靠近时，你能感受到存在排斥力 听清楚我的问题 你说“存在一种感觉”是想表达什么意思？ 当然你能感受到，那你想知道什么呢？ 我想知道这两个磁铁之间发生了什么？ 磁铁互相排斥 那么这是什么意思？为什么会这样？它们是如何做到的？ 我想说的是，我认为这是非常合理的问题 当然这是合理的，这是个极好的问题 但是你提问的句式有待斟酌 你问的是这件事为什么会发生 别人该如何回答“这件事为什么会发生？”此类问题 比方说 米妮阿姨进医院了，为什么？因为她摔倒了 她外出然后在冰面摔倒了，伤到了大腿 这样的回答就足够了 但在那些对地球一无所知的外星人看来，这个回答远远不够 首先你理解“为什么你摔伤了大腿就要去医院？” “既然你伤了大腿，你是如何去医院的？” 那是因为她丈夫看到她摔伤了大腿 打电话给医院让人来接她 所有��些是大众广泛的认知 现在让你来解释“为什么” 你必须在某种框架下认可一些事情为真 否则你就会不停地问为什么 为什么丈夫要打电话给医院？ 因为丈夫关心妻子的健康，也不是一直都关心 有些丈夫在他们喝醉或生气时就不关心妻子的健康 于是你开始生动地理解这个世界以及它的复杂 为了…如果你想继续理解这件事 你可以从不同角度不断深入 比如你可以问“为什么她会在冰面滑倒？” 因为大家都知道冰面很滑，无需多言 但你非要问“为何冰面这么滑？” 这就有点奇怪了，冰面非常滑，很有趣的现象 你问“这么滑的原理是什么？” 要么你会说“回答说冰面很滑就足够了，已经能解释为何摔倒了” 或者你会接着问“为什么冰面这么滑？” 这就涉及到一些原理了 因为并没多少物体像冰那样滑 很难找到油滑的物体，而这些都是湿湿黏黏的 但作为固体为什么这么滑？因为“冰”这个物体 当你站在冰面上，压力会立刻使冰稍稍融化 因此你获得了瞬时水分，导致你在冰面滑动 为什么在冰上会有而站在其他物体不会？ 因为冰会膨胀…当水结冰时体积会膨胀 因此压力会压缩冰的体积，使其融化 压力能够使冰融化 但其他物体降温时是反过来的 当你压缩它们时，它们变得更牢固了 那为什么水结冰时体积会膨胀 而其他物体降温时体积却不会膨胀呢？ 懂了吗？我并没有回答你的问题 而是在告诉你这类“为什么”的问题有多难 你必须知道哪些是你默认能理解的 哪些是你可以去理解并掌握的 以及哪些你没有掌握 通过这个例子你可以看到，我问的“为什么”越多，这个问题就越有趣 我的观点是，越是深层的东西就越有趣 你甚至还可以继续问“为什么她踩滑了会摔倒呢？” 这是因为引力 这就涉及到各种行星，以及其他物体了 不用纠结，问题还可以继续 现在当你问道“为什么两个磁铁会相互排斥？” 答案有不同的层级 这取决于你是物理系的学生 或者是什么都不懂的普通人 如果你对物理一点都不懂 我只能告诉你，是磁力使得磁铁相互排斥 这就是你感受到的力，但你会觉得奇怪 因为你在其他场合并没有感受到这样的力 当你把一个磁铁掉头，它们就相互吸引 有一个非常类似的力，电场力 电场力也有相同的疑问，你也会觉得奇怪 但你完全不会困扰于 当你把手压在椅子上，椅子会反向推你 但我们研究发现这实际上是同一种力 都是电场力，并不是刚说的磁力 使你的手指与椅子分开的力也是同样的电场力 （因为构成所有物质的…）从微观角度，那是电场力 还有其他的力参与，但它们都与电场力有关 事实表明，我想用磁力和电场力这两种力来解释现象 即最初的排斥现象 这两种力根本上更加深层，我们必须以此为起点 以它们为基础来解释其他许多现象，而这些现象看似… 所有人已经认同这些现象了 你知道你的手不能穿过椅子，这是理所当然的 但当你的手没能穿过椅子时，你凑近了然后问“为什么？” 原因与出现在磁铁上的排斥力是相同的 于是就变成了解释下面这个问题： “为何磁铁的排斥现象可以在更远的距离发生？” 这与磁铁中所有的电子都朝着同一个方向旋转有关 它们都排列整齐，增强了力的效果 使得磁力足够大，让你能感知到 但这个力是一直都存在的，非常普遍 是一种基本力，或者说几乎是 我是说如果可以更专业一点，我还可以讲得更加深入 但在初级阶段，我只能告诉你 你必须把磁体斥力或电磁引力的存在 作为这个世界的一个基本元素 我无法用任何你熟悉的东西来解释这个现象 比方说，如果我说磁铁相互吸引就像用橡皮筋连接起来一样 我就是在骗你 因为它们并不是被橡皮筋连起来的，我不应该自找麻烦 你马上就会问我橡皮筋的本质 紧接着，如果你很好奇，你就会问我 “为何橡皮筋会倾向于拉回在一起？” 那我最终又会用电场力来解释橡皮筋的问题 而我刚才却是想用橡皮筋来解释电磁力的 可以看到，我这是在严重作弊 因此我无法向你解答“为何磁铁相互吸引” 只能告诉你它们确实会这样 并告诉你这是世界上各种基本作用力中的一种 基本力包括电场力，磁力 引力和另外几种，这些力都是基本部件 如果你是学生，我还能更深入地告诉你 电场力和磁力有非常密切的联系 而引力和电场力的关系目前尚未明晰 如此这般 但我真的没法很好地解释，甚至无法根据你更熟悉的事物来解释磁力 因为我并不是根据你更熟悉的任何事物去理解磁力的 通过幻想来看待世界，这种想象的事物并非真的是幻想 因为你只是试图想象它真实的样子，有时会派上用场 有一天我去看牙医，他正准备用电钻给我的牙齿钻洞 我想我最好赶紧想些别的事，不然会很疼的 于是我就想到这个正在运转的小马达 是什么让它运转呢？此过程发生了什么？ 过程是这样的，离这里不远处有一个大坝 水流过大坝会使得巨大的轮子转动，知道吧 这个轮子连接着细长的铜线 这根铜线分成其他的铜线，再分成更多，直到遍布整个城市 然后把这些线连回到另一个小设备上，使轮子转动 全市所有的轮子都在转动，就因为这个大轮子在转动 如果它停了，所有轮子都会停，如果它又转起来，所有轮子都会转 我认为这是大自然的神奇之处，这种现象非常奇怪 我很喜欢思考这个现象，因为它就只涉及铜和铁 看吧，有时我们认为人造发电机非常复杂 这种现象是我们创造的某种特殊事物的结果 但这是大自然产生的，只有铁和铜，如果你拿一个又大又长的铜环 在两端放入铁块，然后移动这端的铁块，另一端的铁块也会跟着移动 如果你究其根源 就是移动铜环这端的铁块，看着另一端的铁块跟着动 你意识到大自然有多么神奇的奥秘 你甚至都不需要铁块 如果你为了让泵可以启动 可以用很快的速度转动铜线，使其不断打结再解开，等等操作 你就能通过很长的连线，使得其他铜线在另一端移动 而这涉及到什么呢？只有铜线，以及铜线的运动 我们已经习惯了这些电现象都被抵消的情况 所有事物都是中性的：有推进就有拉出，都很呆板 大自然却有这些美妙的现象 当你梳头时，会涉及磁力以及电场力 在你的梳子上会出现一些奇怪的状况 当你把梳子放在一张纸片前面，可以吸起纸片，那纸片会在远处跳动 而这其实比我们所熟悉的日常现象要更深入一些 我们熟悉的是直接作用的力，对吧？ 你用手指去推，力就直接作用于椅子 但你必须去想象是什么在推这根手指 这根手指是由很小的原子构成的 椅子上有另一堆原子在推动手指 在这两堆原子之间有很小的空隙，而这推力就穿过这个空隙 梳子和纸片之间发生的现象与之唯一的区别就在于，这种情况存在原因 使我们有可能看到这些力作用于更远距离，而不只是原子间的短距离 原因在于像电子所带的电荷都是一样的 它们存在作用力相互排斥，电子是原子非常小的一部分 但它们相互的排斥力非常大 这个力与距离的平方成反比，正如引力的平方反比一样 但引力是相互吸引，而这是相互排斥 对两个电子来说，引力要比电场力弱得多 电场力比引力要大得多 我无法表述，因为我不知道这个比值的称谓 大概是“1”后面有38或者40个“0” 电场力更强 电场力太大了，要是我都由电子构成…这个数值太庞大了 然而带电物质中还有其他类型的电荷，正电荷 比如质子就是带正电，它们位于原子核内并吸引电子 异种电荷相吸，同种电荷相斥 因此你必须想象数量庞大的力 同种电荷试图相互远离，而异种电荷试图相互靠近 如果你有大量的电荷，会发生什么？ 就会出现所有同种电荷汇聚在异种电荷附近，因为它们相互吸引 于是就得到正负电荷紧密交错的混合物，正负电荷靠得非常近 在任何地方都不会有很多正电荷，因为它们相互排斥 它们都被负电荷紧密地填充 你会得到这些充满正负电荷的小结 这些结不会逐渐变小的原因是因为它们是粒子，存在量子力学效应 我不会深入讨论，这会使得它们不小于某个特定尺寸 所以你得到了这些小球，它们是原子 原子是由正电荷和负电荷构成，呈电中性 它们尽可能地相互抵消 由于这个力非常大，它最终会消失，或许会出现很小的力 因为力非常大彼此抵消，在普通物质中总是有相同数量的正负电荷 当你梳头时，梳子摩擦头发会减少一些 比方说减少一些负电荷，那么其他地方就带少量正电荷 但电场力非常大，即使这么少量的电荷 就能产生肉眼可见的力，看起来能作用于很远的距离 我们觉得这很神秘，需要一个解释 我们试图用一些概念来解释 比如橡皮筋、钢筋等扭曲物体内部的力 我们想要找一种可以远距离作用的拉力 因为我们习惯了在接触时才会产生任何推力 但事实上，我们在接触时所产生的推力 与你看到的长程力是一样的力，只不过它作用于短距离 因为正负电荷恰好相互抵消，只有靠得非常近时你才能感受到这个力 当靠得足够近时，就会影响到 哪个带正电，哪个带负电，位置的变化等使得它们相互排斥 所以乐趣在于去想象这种由极强吸引力的异种电荷构成的均匀混合物 由于这个力非常强，于是抵消了这种效应 只有在一些情况下，当其中某种电荷过量时才会产生这种神秘的电场力 我又如何能用其他方式来解释神秘的电场力呢? 为什么我要用胶状物之类的就是由电场力构成的东西来解释呢? 而我是反过来理解的，强大的长程力都被抵消了 因此我们必须接受，电场力和磁力实际上是基本事实 以此为基础来解释所有其他的事物 所以再次表明这很难理解，你需要进行丰富的想象 现实世界是基于一种远距离作用的力 而我们对那个力并不是很了解 我们时不时会发现一些奇怪的现象，但一般来说 我们不太了解这个力，正是因为这个力才是需要去解释的 它才需要去想象，因为我们对长程力没有其他的物理图景 在发电机这个例子中 发生的过程是，电子作为原子的一部分 它们被铜线的运动而推动 仔细想想，如果你把一些电子推到这，它们彼此靠的很近 那么它们就会推动其他电子，因为它们会远距离排斥 所以它不像水是在近距离排斥 而像是一种奇妙的液体，可以远距离排斥 因此，排斥效应可以通过导线很快传递 从一个集中点，然后噌的一下通过导线立刻传遍整个城市 你可以利用它发出信号 你在打电话时，��在把一些电子推向各个地方 经过跨越城市的铜线，另一端的电子对你在这间房所说的话做出反应 这是由于存在这种远距离的快速相互作用 他们通过实验发现 存在这些长程力，以及这种快速运动的作用等等 对人类来说是一件了不起的贡献 我认为电与磁，以及电磁效应的发现 完整的方程式是由麦克斯韦在1873年推导出来的 可能是最根本的转变，历史上最卓越的发现 是历史上最大的变化 我大学是在一所科研院校—麻省理工，第一次加入兄弟会时 他们为了让你不会觉得自己很聪明 会给你一些看似简单的问题，让你试着弄清楚实际发生的情况 就像是想象力训练，挺有趣的 我给你讲讲我还记得的一些问题 我学会了几个，一旦你学会之后 下次有人给你出这些精巧的谜题时 你先安静地看着他们，等个三五秒钟 显得你在认真思考 然后你再说出答案，让你的朋友大吃一惊 但实际上你已经在你的兄弟会里听过这个问题 并且早就已经知道答案了 我们曾经遇到一个是关于镜子的问题 这是个古老的问题了 你照着镜子，假设你把头发梳到右边 你看镜子里的图像，它的头发是在左边 因此镜像是左右交换而不是上下颠倒 因为镜像中头还是在上，脚还是在下 问题是，镜子怎么知道要把左右交换而不把上下颠倒呢？ 当你躺下照镜子时，会对这个问题有更深的体会 你的头发依旧在左边，对吧 而现在你的左右方向就变成了上下方向 然而看上去没问题的上下方向其实是之前的左右方向 当你照镜子时，镜子不知何故就知道了你要做什么 所以用对称的方式来描述镜子的作用 就是镜子并不倾向于某一边，它总是要把左和右调换 但并不会上下颠倒 把你玩弄一段时间后，再逐渐地说我们可以找到答案 如果你挥这一只手 那么镜像里就是正对着的手在挥 如果是朝西的手，那么镜像里的手也朝西；如果朝东，镜像里也朝东 头该朝上还是朝上，脚在下依然是朝下 一切仿佛没有问题 问题出在，如果这是北方 那么你的鼻子是在你后脑勺的北边 但镜像中你的鼻子是在你后脑勺的南边 因此真正发生改变的并不是镜像中的上下左右 而是前后发生了翻转 镜像中的鼻子相对于头朝向了相反的方向，懂了吗？ 通常当我们思考这个镜像时，我们把它当做另一个人 我们通常认为，他会适应镜像里的状况 这是一个心理学问题 我们不会想到他是被压扁，然后头和鼻子前后对调 因为正常情况下这不会发生在人身上 我们会认为是一个长的像你的人绕到你对面 而一个人走过去不会把他的头和脚调转 于是我们不去管这个部分 但当他们转过去时，会转动左右手 所以我们说是左右调转 然而实际上是沿着镜子的轴线对称，前后翻转 这算是个简单的题目 一个困难点的问题是： “是什么使得火车能保持在轨道上？” 当然大家都会认为答案是：轮子上的凸缘 就是在轮子上有一些轮缘 但这不是正确答案，因为轮缘只是安全设施 如果轮缘摩擦铁轨，你会听到尖锐刺耳的声音 轮缘的作用只是以防真正的机制失灵 火车还有另一个与之相关的问题 如今人们都知道，当汽车转弯时 外轮所走的距离比内轮要多 如果轮子连接在实心轴上的话 你就没法转弯，因为你不能让外轮走得比内轮更多 于是传动轴中间会加一个齿轮系统，也就是差速器 你在火车上看到过差速器吗？ 没有，你看看那些货运车厢的轮子 两边有轮子 有一根实心钢棒把一个轮子与另一个相连接 中间什么都没，两个轮子转弯是一样的 那么火车要怎么转弯呢？ 使得外轮所走的距离比内轮要多 答案是火车轮子的边缘是这个形状 不是指轮缘，而是车轮是圆锥形的 也就是靠近火车的位置车轮要粗一些，越往外就越细 如果你走近看，你会发现它们有一个斜边 原理就很简单了 当火车转弯时，车轮会沿着轨道上倾斜一点 因此外轮沿着更大半径转动 内轮就沿着较小半径 于是当两个轮子同时转动时，外轮走得比内轮更远 也是同样的方式使得火车保持在铁轨上 假设火车在轨道上运行 铁轨在这两边，两个车轮是平衡的，不偏不倚 突然火车不慎撞到什么东西，然后车子就往外偏了一点 此时外轮运行的周长比内轮更大 由于它们是用实心轴连接 所以当轮子继续转动时 外轮就相对内轮往前运动了一些 于是就把火车拉回到轨道上 当然，如果这导致火车偏向另一边，它就会来回偏转直至回到轨道上 原因就是车轮是锥形的，而轮缘起保护作用 那时候我们要学习很多这样的知识 解决了这些问题，我们才能成为兄弟会的正式成员 假如我坐在泳池边，有一位女士跳入水中 她不是很漂亮，因此我能想一些别的事 我想到了水中形成的波浪以及其他的东西 当很多人都跳进池子里时，水面上到处都波浪翻滚 想到也许在这浪花之下，隐藏着泳池中正在发生的事情的线索 某些昆虫足够聪明的话 可以坐在泳池角落，感受水波的扰动 昆虫通过水波的不规则和颠簸的情况，就能够知道 谁跳进泳池了，泳池里的某时某地发生了某事 这和我们看某个物体时所做的是一样的 光被证明是一种波 正如泳池里的水波一样，只是水波是二维的 而光波是三维的，可以沿着各个方向传播 而我们拥有直径3毫米的“黑洞”（瞳孔），各种光可以进入 但只能感知来自特定方向的某些特定波长的光 如果光从错误的方向照过来就不是特别敏感 我们会说光从眼角处照来 而如果我们想要从眼角处获得更多信息，我们就四处转动眼球 接着 我们会惊喜地发现这很简单 那是因为光波确实更简单，水波要稍微复杂点 光波对虫子来说更难，但原理都一样 都是为了能够在较远的距离看清楚某个事物 大自然真的很神奇，因为当我看着你的时候 站在我左边的人能够看到我右边的人 也就是说，光可以沿着这个方向传播，光波往这个方向走 又有光往那边走，也可以往这边传播，这是一个完整的网络 那么很容易就把它们看作相互穿透的箭头，但事实并非如此 因为所有的这些都在振荡，称为电磁场 但我们不必去管它是什么，它就像水面的上升和下降 所以这有一个量在振荡 如此精细复杂的运动组合产生的结果就是我可以看到了你 同样地，也使得某个人完全不受影响地看到另一边的人 因此空间中存在大量的光波 光在空间里反射，从一个东西反射到另一个上面 当然大多数空间里并没有3毫米的“黑洞”，对光毫无兴趣 但光始终就在那里，不停地反射 反射持续不断，而我们可以用这个“仪器(眼睛)”来分辨 但抛开这些，之前所谈论的水波中 或许有些水波太大，于是会产生或长或短的波浪 而动物只学会了利用某些长度的波浪 而同样地，人眼也只能识别某些波长范围的光 而这些波长都大约是几百纳米 更慢一些的波浪又是怎么回事呢？ 走得越慢的波浪，从波峰到波谷的距离就更远 它们代表热量，我们能感觉到但肉眼无法观察，因为根本看不到 蓝光波长更短，红光波长更长，当波长更长时，就是红外线 所有光同时出现，那就是热 沙漠中的蝮蛇，它们有一个器官可以“看到”较长波长的电磁波 用来搜寻老鼠，因为老鼠的体温辐射出长波 也就是通过监测体温看到老鼠，这个感温器官就是蝮蛇的颊窝 但我们人类不行，没法做到 这些波长越来越长，全都在同一空间内传播 并且在同一时间传播，因此在这个空间内，不止是我能看到你 而且有莫斯科电台在此时发出广播，会被秘鲁的某个人所“看见” 所有的无线电波都是同一种波，只是它们是较长的波 还有飞机上的雷达，观察地面确定自己的位置，同时也进入空间 还有X射线、宇宙射线等其他所有同类型的波 都是完全相同的波，只是或短，或快，或长，或慢 完全是同一种物质 所以在这个大的电磁场内的不规则运动，这种振动包含了大量的信息 这是真实存在的，这就是吸引你的地方 如果你不信，那你就拿一根电线把它连接到一个盒子上 而电线内的电子会被电场推来推去，以合适的速度振荡出某种长波 接着你适当地转动盒子上的旋钮，你就能听到莫斯科的广播 于是你就知道电磁波的存在了，否则广播声音是怎么来的呢？ 无线电波一直都在，只有当你打开收音机时才注意到而已 所有这些电磁波都同时在空间里不停传播，这些大家都知道 但你必须停下来去思考才能真正获得其中的乐趣 了解到大自然复杂且不可抗拒的本性所散发的魅力 当我们谈论原子时，我们遇到的一个问题就是 原子太小了，很难想象它们的大小尺度 原子相较于苹果的大小相当于苹果与地球的尺寸对比 这样的思考很困难，你必须始终想清楚这些事物的比例关系 人们觉得这些数字难以置信，我也如此 而你唯一要做的只是改变你的尺度 你只需把原子想成小球，无需频繁地思索它们到底有多小 否则你就有点古怪了，对吧? 但在天文学中，情况正好相反 因为我们距离这些恒星太过遥远 你知道光的速度很快，从地球往返月球只需要几秒钟 或者光在一秒内可以绕地球旋转七圈半 而光却需要几年，三四年时间才能到达离我们太阳系最近的恒星 但我们周围所有的恒星都在一个星系中，一大团恒星群组成的银河系 而银河系的直径大约为几十万光年，好像是十万光年 然后是另一团恒星群 那里的光以如此大的速度到达地球需要一百万年 如果你要把这段距离想得过于真实的话，你会疯掉的 你必须把所有事物按比例缩放，那样容易些 就说星系是由恒星组成的小团，星系之间的距离是它们大小的十倍 就是这样简单地描绘，你只是用不同的尺度，这样更容易思考 偶尔你会试着用回地球的尺度来讨论星系，就会变得有点困难 我们在夜晚能看到的恒星大约只有五千颗 但当你提升设备，使用望远镜后显示的银河系中恒星数目为… 哦对了！我们看一个星系，那些恒星，我们看到的所有微弱的光 从恒星处散播了这么遥远的距离，最近的恒星都相隔三光年 不断扩散，扩散，星光持续散播，波前变得越来越宽 光也越来越弱，在太空中逐渐变弱 最终，极少部分的光进入这个直径3毫米的“黑洞”（瞳孔） 稍微刺激到我，于是我知道那颗恒星在那儿 为了了解更多信息，我想收集更多的这少量星光的波前 于是我做一个大望远镜，有点像漏斗 星光照在对角线长200英寸的这块区域上，经过精细处理 光都会聚在后面，然后就能够透过瞳孔 实际上拍照更好，现在他们都使用光电元件这种更好的设备 但无论如何，望远镜就是把光从较大的区域会聚到较小的区域 因此我们就能看到光线更弱的物体 通过望远镜我们发现，银河系中恒星个数是非常大的数目 数量之多，如果你一秒钟数一个，想要数出银河系中所有的恒星 我不是指宇宙中的所有恒星，就只是这一个星系 数完需要三千年的时间！而这还不算是很大的数字 因为如果这些恒星都把一美元扔到地球上 这一年，每颗恒星扔一美元 这些钱或许可以填补美国政府的预算赤字 由此你就知道我们要解决怎样的天文数字！ 总之我认为数字是天文学的难题，尺寸和数量 最好的办法就是放松下来，享受自身的渺小并欣赏宇宙的浩瀚 当然，如果你为此感到沮丧，你可以换个角度去想 想想你与原子相比有多大，那么对比原子，你就是个巨大的宇宙 所以你就处于中间，能够欣赏大小两端的所有事物 但天文学很重要的部分是想象力，你需要去猜测它是哪种结构 可能发生哪些状况产生了恒星的光，使得我们能够看到它 我来举个例子，历史上的例子 在科学史上，很多次都是通过使用想象力 根据已有的知识和定律，去想象事物可能是怎样 而你并不知道是否就是这样 这非常有趣，你可以称之为创造性想象力 不只是想象那些相对简单的事物，而是与众不同的东西 以我们所理解的恒星为例 像太阳这样的普通恒星，它只是充满氢气的大气球 它以氢等物质为燃料，是一堆巨大的气团 它由引力结合在一起 你无需总是把引力理解为弯曲的时空 知道引力大小与距离的平方成反比就足够了 当物体靠得越近，引力就越强，引力把所有物质都拉到一起 顺便说一下，这就是为何地球是圆的: 因为地球被尽可能地拉在一起 如果它有一座高山这种凹凸不平的地方 它就会被引力拉扯，最终一切都变得平顺 岩石的强度最多支撑起几千米高的凸起 所以珠穆朗玛峰是最高的山峰 但在重力较小的月球上，凸起更高，月球上的山更大 回到恒星的话题，总之恒星是由引力凝聚起来的 它有一种我们未提过的核燃料 使得氢燃烧并产生能量，使之运行 一段时间后，它会消耗大量的燃料 人们开始思考之后会发生什么 有可能只是气体在重力作用下徘徊，安静地徘徊 但另一种可能性是这样想： 如果我将这些东西压得更近，引力会更强，将它们凝聚在一起 其实如果你推动一点，压力会增加 当你把气体推到一起时，会有更多的原子相互撞击 因此压力会升高，但引力也会增强 结果是压力获胜了，恒星会再次往外扩 如果像这样推压一颗恒星，它会振荡 确有一些恒星在不停地振荡和摆动 但事实是，如果你继续分析 你将其极限压缩，达到难以置信的密度 好比把整个太阳的质量压缩到地球的大小，或者更小 于是所有的核物质，所有的原子核都紧紧地贴在一起 电子所处的空间都被彻底挤压得没有了 当恒星被压缩到那样的程度，引力就非常强大，足以再次压倒压力 即使压力已经非常大了，但引力比非常大还要大 这团物质就会保持稳定，但尺寸不同了 只剩下中子，一个核物质，只是一堆核物质 这种可能性是由奥本海默和沃尔科夫提出的，被称为中子星 人们等待了很多年，想看看这种中子星是否存在 直到最近发现了奇怪的脉冲星，它们发出闪烁的无线电波，并发现闪光 这种电波最快比方说每秒闪烁30次，或者每秒十次，或者每秒一次 起初觉得这很不可思议，我们已经习惯恒星巨大而自转缓慢 一颗恒星怎么可能每秒自转三十圈？ 其实这些就是非常小的中子星，它们旋转得非常快 749 00:51:21,240 –> 00:51:25,880 由于尚未知晓的原因，它们正在发射一束无线电波 就像机场里的探照灯那样不停旋转，哔哔哔 因此我们接收到闪光嘀嘀嘀…非常快 想象一下，一颗质量相当于太阳的恒星，不知何故每秒三十圈飞快旋转 又一个非常大的数字，很难去构想这种想象中的物体，对吧 总体的想法是这颗星的密度非常大，随便舀一勺就非常重 如果你把这么重的一勺物质放在地球表面，它会直接穿透到地心 诸如此类的想法，需要大量的想象力 进行数学运算并对这些进行分析，有助于确保你不会犯错 结果表明这样的恒星是有可能存在的，后来发现它们确实存在 这个例子很好地说明了想象力是多么的有用 可以运用想象力，提前进行猜想并取得进展 此外为了解释观察的现象而去想象宇宙中可能存在某些事物，这很困难 就天文学而言，我们看到了大量的现象 但我们还没有足够的想象力去了解，到底是什么产生这些现象 类星体是非常强大的光波和无线电波的来源，来自遥远的地方 我们能观察到是因为它们太亮了 它们起源的确切原因最近才逐渐弄清楚 再说一个由想象力创造的疯狂概念：黑洞 黑洞是把爱因斯坦的引力逻辑发展到极致而产生的结果 在极端情况下的计算结果 假设你有一堆物质，非常之多 产生的引力如此之大，甚至连光在逃离时都会被吸引回来 任何东西都没有光快，任何东西都无法逃离，你无法看到黑洞 黑洞是如何形成的呢？如果你起初有大量物质，它们就会凝聚起来 达到连光也无法逃离的状态 所以就会有一个物体持续吸引别的物体 有东西进去却没有东西出来，这就叫做黑洞 你会说，既然黑洞会吸收一切，那它又如何产生我们所看到的能量呢？ 它是类星体的一种解释吗？ 实际上，它很可能是 因为物体并非直接掉落，而是旋转着逐渐下落 随着物体不规则地下落，它们产生快速运动就会掉入这个漩涡 此过程会产生大量能量和摩擦等，出现不同的效应 电磁效应可能使物质流从类星体和射电星系中射出 而具体方式我们尚未真正理解 我们没有切实图景去想象星系中为何会有电波喷流，会发射无线电波？ 有些星系发出巨大的喷流，两侧都是硕大的物质云，发射出无线电波 所以这里面肯定有什么发射源 它类似被激发后以巨大的能量喷射出这些物质 有人猜测这可能就是“某种形式”的黑洞 而这“某种形式”就是对想象力的挑战 这个问题目前还没有任何人给出令人信服的答案 你问我，如果普通人通过努力学习，能否像我那样去想象各种事物？ 当然可以！我也曾是个努力学习的普通人 世上没有奇迹般的人 只是他们恰巧对这些事物感兴趣，他们学习了所有这些知识 这里只关乎人 并不存在某种特殊天赋或神奇能力可以理解量子力学以及想象电磁场 而是需要不断地训练、阅读、学习和研究 因此如果你找一个普通人，只要他愿意投入大量的时间 努力地学习、思考、计算，那���就成为了科学家 当我真正做自己的事的时候 思考我所关心的那些高深难懂的工作 我想我不能很好地描述它是什么样的 首先，这就像去问蜈蚣哪条腿先哪条腿后 思考过程很快，我无法完全确定脑海中闪现出什么 但我知道其中混合了一部分方程，就是要解这些方程 还混合了这些方程所描述的物理过程的图景 但它们并不像我说的那样能很好区分，这是一件很棘手的事 很难描述这种思考，我也不知道描述出来有什么好处 有一件事触动了我，我对此非常好奇 我怀疑每个人脑中的思考过程可能截然不同，想象的实际意象或半意象 当我们一起讨论高水平和很复杂的问题时 我们认为我们讨论得很顺利，我们在交流 但我们真正做的是大脑中运行着一个大型的翻译机制 把对方完全不同的语言翻译为我们自己的图像 我发现这个是因为在很底层时我的兴趣…我不想透露很多细节 其实我在做一些实验，想要弄清楚我们的时间分辨力 因此我要做的就是试着数到一分钟 实际上我可能数到48就表示过了一分钟 所以我会自我矫正，数到48就是一分钟 觉得自己在读秒，但这已足够准确了 结果表明，如果你不断重复你就能做到非常精准 当你数到48、47或49时，你就很接近一分钟 而我正试图弄清楚是什么影响了时间分辨力 在我计数的同时我还能否做些其他事情 我发现我可以做很多事，但也有一些事不行 比方说，我觉得很困难的是… 我当时在读大学，我必须要洗衣服，要把袜子拿出来 我得列一个“多少双袜子”的清单，大概有6到8双袜子，我没法数袜子 因为计数系统已被占用，我没法再去数袜子 但我发现我可以把袜子有规律地摆放，我就能识别出数目 经过练习我学会了一种方法 我可以数出报纸上的文字的行数，把行数分组去看 3，3，3，1，这是一组十行，继续3，3，3，1 不读出这个数目，只是用眼睛分组去看 于是我不断练习，就能够数出报纸上有多少行 与此同时我也在心中数秒 因此我可以表演这样的奇妙的小戏法： “48，正好一分钟，并且报纸上有67行”，懂了吧 这是相当奇妙的，我发现我可以阅读很多东西 不对，抱歉…对的，在我计数时阅读完全没问题，能大概了解文章内容 但我说不出话来，我什么也说不出 因为我在自言自语，在心中默念"1，2，3"或者在脑子里默念 然后我下楼去吃早餐看到约翰·图基，他当时是普林斯顿的一位数学家 我们进行了很多讨论，我告诉他这些实验以及我能做什么 他说：“这太不合理了!” 他说：“我不明白说话会有什么困难 而我完全不能相信你能够阅读” 我也不相信这一切，于是我们让他计数 他大概是数到52就对应60秒，具体数目我不记得了 接着他说：“好的，你想让我说什么？ 玛丽有只小羊羔，我想说什么都可以，巴拉巴拉 52！正好一分钟”，他确实能做到，而我完全不行 他想让我阅读，因为他根本不相信我能阅读 于是我们对照了笔记才发现，当他在心中计数时 他在脑中能看到磁条，上面的数字不停跳动，“咔哒，咔哒，咔哒” 磁条上印着的数字会发生改变，他能够看到 所以他其实使用的是视觉系统，而不是声音系统 他想说什么都可以，但如果让他阅读，他就不能看他脑中的计时器了 然而对我来说却是另一种方式 于是我发现，至少对于计数这样非常简单的操作 大家以为他们在做同样的事，但其实他们大脑运行存在巨大差异 所以我感到震惊，如果这在最基本的层面上成立 就是当我们在学习数学、贝塞尔函数、指数、电场，所有这些知识时 我们储存这些信息的图景和方法，以及我们思考这些知识的方式 如果我们了解对方的想法后，会发现真的完全不同 事实上，有时别人很难理解那些在你看来很显然的事实，或者相反 这可能是因为很难把你所说的转换成他自己独特的框架，诸如此类 现在我像心理学家那样说话，你要知道我对此一无所知！ 假设小物体的行为与你所熟悉的大物体的行为非常不同 因为当动物进化的时候，当大脑进化的时候 大脑习惯于处理…大脑是为普通情况而设计的 但如果基本粒子的深层次的运行机制是由一些其他的规则和特征所决定 它们的行为方式与任何大尺度的物体都完全不同 那么在理解和想象真实时就会遇到一些困难 而这个困难，我们必须面对 小尺度物体的行为是如此奇妙！它是如此地与众不同! 与任何大尺度物体的行为有着非常不可思议的差异 你会说“电子表现得像波”，不，并不完全是 “电子表现得像粒子”，不，也不完全是 “电子就像围绕在原子核周围的云雾”，不，并不完全是 如果你想得到原子清晰而明显的图像，以便能确切知道它的准确行为 有一个准确的图像，换句话说，对现实有一个真实准确的图像 我不知道该怎么做，因为这个图像必须是数学形式： 我们有一个数学表达式，很奇怪的数学，我不明白它是怎么回事 但是我们可以写下数学表达式，来计算这东西将要做什么 而无需把它图像化 这有点像电脑，你往里面输入特定的数字 你有一个公式来计算汽车到达不同目的地的时间 它有一套算法，能计算出汽车到达不同目的地的时间 你无法想象汽车的样子，它只是在做运算 我们知道如何运算，但我们无法描绘这辆汽车 这并不是100%，因为对于某些近似状况，某些近似的图像是可行的 电子像是围绕在原子核周围的云雾，当你挤压它，它会排斥你 这种图像对理解某些材料的刚度很有帮助 电子像波，有这样那样的行为，这对于理解一些其他现象很有帮助 所以当你研究原子行为的某些特定方面时 比如当我在谈论温度等方面时，原子就是一个个小球 这就足够了，它给出了一个很好的关于温度的图像 但如果你问更具体的问题，你提出一些问题比如 “当你冷却氦时，即使冷却到绝对零度，照理说它不该有任何运动 它怎么会成为完美的流体，完全没有阻力地流动而不会凝固呢？” 而如果你想要得到原子的全貌，我做不到 但我可以用我的方程来解释为什么氦会这样运动 得出方程的结果，正是我们观察到的那样氦的行为 所以我们知道我们的理论是正确的，但我们没有与理论相匹配的图像 这有可能是因为我们还没有捕捉到正确的图像 也可能是因为并没有正确的图像可供人们用自己熟悉的事物去描绘 让我们假设是后一种可能，并没有可用熟悉物体来描绘的正确图像 那么是否有可能通过学习，用手头上不熟悉的事物发展出一种熟悉度 通过了解原子特性并学习量子力学，通过练习解方程 直到这些成为第二天性 就像知道两个球互相撞来撞去它们会撞成碎片，这样的第二天性 你不会说“两个球靠近对方的时候变成蓝色”，你知道它们会发生什么 所以问题是你能否比今天的我们更好地了解这些状况 随着世代传承，他们能否发明教学方法使后人学会看待事物的巧妙方式 而且受过良好训练，这样他们在描述原子时就不会有我们的麻烦 仍然有一个学派不相信原子的行为与大尺度物体行为有如此大的差异 我认为这是根深蒂固的偏见，一种只习惯于大尺度物体行为的偏见 他们总是在寻找，等待着有一天我们发现 在量子力学底层，是一些平凡普通的小球在碰撞，或者是粒子运动等 我认为他们终将失败 我觉得大自然的想象力比人类强多了，她永远不会让我们放松下来！