本书列举了构成每个主要科学分支核心内容的重要概念及共发展，回顾了现代科学史上所有重要人物的成就；对那些改变了人们对于现实“常识性”理解的观点做了解释——从基本粒子的怪异行为到浩瀚的宁宙；探索了科学发现和科学观点所带来的文化方面的影响；揭示出不同科学分支的相互关联，它们也许最终会住万物的“大一统理论”中找到共鸣；揭示了科学的真实面目——出自于神秘和幻想的不折不扣的好奇心。

相信书中那些天文学家、化学家和生物学家等的非凡成绩让你惊叹不已！

有史以来人类就一直试图解释世界的运转方式。几千年来，人们对大自然的了解依靠的是超自然的力量或者纯粹的抽象逻辑，而抽象逻辑从不将事实考虑在内。科学始终是炼金术士、巫师、哲学家和骗子的领地。

后来，伽利略出现了。他认识到，科学理论只有通过实验才能被证明是成立的。这种简单然而严格的概念扫清了以往神秘和巫术制造的层层混乱，为所有现代科学思想的建立奠定了坚实的基础。之后，牛顿在此基础上加以完善，形成了由各种实证规律构成的正式体系，通过严密的数学计算加以支持。至此，科学终于为人类理解世界和宇宙提供了方法。

自牛顿以后，科学形成了很多分支。天文学家们致力于解开宇宙的奥秘，化学家们研究物质的性质，生物学家们则探索生命的复杂性。《科学简史》告诉我们关于他们的故事：他们飞跃的想像力、令人惊叹的充满智慧的鉴别力和在无穷无尽探索真理的过程中付出的不懈努力。

科学的今天

引论

理查德·道金

时间线索

混沌与有序

数学

伊恩·斯图尔德

能量与运动

物理学

约翰·格里宾

空间与时间

天文学

尼克·弗劳尔斯

物质的特性

化学

戴维·布雷德利

充满活力的地球

地球科学

彼德·沃德

生命的脉搏

生物学

杰罗尔德·M·洛温斯坦&艾德里

安娜·L·齐尔曼

术语表

作者简介

致谢

混沌，分形和复杂性

爱因斯坦说，宇宙的运动不是上帝掷骰子决定的，而是由精确的规律控制的。混沌理论给这个问题注入新的活力：它表明精精确的规律有时也会产生随机的结果(这听来似乎有些自相矛盾)。因此，宿命论、可预言性和复杂性等种种观点就搅和在一起。

为什么潮汐可以预测得出而天气不能呢？潮汐是太阳和月球引力的结果，天气是太阳的热量引起大气运动产生的。万有引力定律并不简单，可我们为什么能预测出几年后的潮汐，却只能预测几天后的天气呢？这是因为天气的运动瞬息万变，而潮汐的运动要几百万年才能产生大规模的变化。

混乱导致了无法预测。系统状态在限定的空间里持续地扩展、回收——就像揉面包圈。这样的系统就显示出混沌——确定系统中的随机性。混沌系统和非混沌系统的差别一目了然。在非混沌系统中，最初状态下的误差不会发展很快。在混沌系统中，误差发展得很快，而且在未来的“预测范围”内，比实际预测的要大，从这一刻起，最初的预测跟实际的表现就没有联系了。

尽管混沌无法预测，但它有很强的稳定性，这一点从庞加莱利用几何方式进行的动力学描述中可以明确地看出来。状态的集合构成了系统的“相空间”，随着时间的推移，最初的点改变状态，之后这个点穿过拓扑空间，途径的一条(连续的时间)或点序列(离散时间)即为轨道。所有的系统都有一个“吸引器”——拓扑空间里能吸引的有邻近点的几何图形。一个稳定状态就是一个点吸引器，符合周期轨道的吸引器是一个闭合的环或者圈。混沌吸引器通常分形——在任意尺度上均具有相同精细结构的几何图形。分形理论作为一种系统理论是由波兰数学家芒代尔布罗伊创立的。

混沌还有其他的用途。木星引力场产生的混沌能迫使小行星偏离轨道，撞上地球。此外，混沌还造成流行病、蝗虫灾和不规律的心跳。但从另一方面，混沌是目前数学研究最主要的发展领域。混沌最显著的特征就是简单的规律产生复杂的现象。科学正试图从结果中总结出规律。混沌表明尽管背后的规律是简单的，但现象看上去是复杂的。这激励我们从复杂的资料中找出简单。因此，混沌整个科学领域上了重要的一课。

           P46-P48

    科学的今天

      引论

亚里士多德(Aristotle)是长期以来为人们公认的百科全书式的大学者。对于这样一位大师，你却可以指点他，而且能够引导他认识到自身存在的意义。这是因为你吸收了牛顿(Newton)、达尔文(Darwin)、爱因斯坦(Einstein)、普朗克(Planck)、沃森(watson)、克里克(CriCk)这些大科学家以及和他们同时代的其他科学家的研究成果，所以你对世界的了解比亚里士多德更全面、更深刻。

我的意思不是说你比亚里士多德聪明。据我所知，他可称得上是有史以来最有智慧的人。你之所以能指导他，根本原因在于科学的发展是渐进积累的，而我们生活在他之后的时代。

亚里士多德在天文、生物和物理方面的论述很多，但今天看来他的这些观点大都荒唐可笑。不过，在其他一些学科方面他的见解还是正确的，他可以直接参与今天的伦理学、神学、政治学以及道德哲学的研讨会。只是走进现代科学的殿堂，他就不知所措了，不是因为科学术语让他觉得陌生，而是逐渐发展的科学知识实在让他难以理解。

把下面这些科学事实告诉亚里士多德或任何一位古希腊的哲学家，他们肯定惊叹不已，尤其是科学的论证方法更会让他们心驰神往。

地球不是宇宙的中心，它绕着太阳转动，太阳也只是宇宙中的一颗恒星。天体静谧无声，但构成世界万物的化学元素却像八度音阶一样，循环排列。这些元素大约有一百种，但绝不包括所谓的四大基本元素——土、气、火、水。

物种之间不是孤立隔绝的，其本质也不是一成不变的，在人类难以想像的漫长岁月里新的物种一直不断地分化出来。在地质年代早期，地球上只有细菌——今天所有生物的共同始祖。直到今天，现在生物中比例最大的仍是细菌。构成我们身体的基本单位——细胞，其实是一个个细菌群落。从进化的角度来看，亚里士多德是鱿鱼的远亲，猴子的表亲，猿猴的近亲(严格地说，亚里士多德就是一只猿猴，一只非洲猿猴，与黑猩猩的血缘关系之近超过了黑猩猩与类人猿的关系)。

大脑不是用来控制情绪的而是用来进行逻辑推理和哲学思考的。它如同一个三维的迷宫，包含着亿万个神经细胞，每一个神经细胞都像延伸的电线承载着脉动的信息。倘若把这些细胞一个接一个地连接起来，能够环绕地球25圈。苍头燕雀的小脑袋里就有大约4亿个细胞，我们人的大脑里就更多了。

由此，你也许和我一样对这些事实有一种复杂的情绪。一方面，对我们现有的知识引以为豪，毕竟这些是连亚里士多德都不了解的。另一方面， 会有一种不安的感觉：我们是不是有点沾沾自喜呢？我们的子孙怎么看我们？他们会告诉我们什么呢？

毫无疑问，科学的进步不会到我们这里就终止。两千年以后，一个普通人读过几本书以后也能指导今天的亚里士多德们——弗朗西斯·克里克(Francis Crick)或斯蒂芬@霍金(Stephen Hawking)。那么，到那时我们对宇宙的看法会不会被证明是错了呢？

我们的确有许多未知的东西，但地球是圆的，绕着太阳转动的观点是不会错的。有些相对主义者刚刚了解了一点哲学的皮毛就否定客观真理的可能性，宁愿相信土著的神话也不愿相信科学道理。这个观点足以批驳他们的看法。不仅如此，我们与黑猩猩拥有共同祖先的事实也永远不会被推翻。

但是从另一方面来说，我们的许多见解仍旧只是理论或模型，许多预测还有待验证。对于物理学家们是否因为探究更深的奥妙而该受到责难，以及物理学的发展是否会因为“万物至理”(指爱因斯坦向往的尝试解释任何运动的大统一理论。——译注)而终结，物理学家们也有意见分歧。然而，既然我们未知的东西仍然很多，那就更应该大声地公布我们知道的，惟有如此才能将我们的注意力集中到需要解决的问题上。

很多科学家根本没有那种过度的自信，他们坚信科学的进步恰恰源于否定原有的假说。洛伦兹(Konrad LorenZ)说，他希望每天早饭前能至少推翻自己的一个假设。这好像很荒唐，尤其是这句话是出自一位杰出的生态学家之口，可事实是，科学家比其他人更敢于承认自己的错误。

我读大学时有一件事深深地震撼了我。一位到牛津大学访问的学者公开推翻自己推崇的理论，当时动物学系一位德高望重的负责人大步走到礼堂前面，握着他的手响亮而深情地说：“亲爱的同行，感谢你，我已经错了15年了。”我们热烈鼓掌，拍得两手通红。你能想像出一个政治家受到如此的礼遇吗？

然而人们对科学仍有敌意，顽固不化的敌意。我们常常看到，没有人会承认自己在文学上一无所知，可有人会理直气壮地承认对科学的无知，甚至骄傲地宣扬自己对数学一窍不通。

这其中的一个原因是人们怀疑科学家所做的事情。人们谴责核武器和其他类似的科技成果。可究竟是谁在利用这些武器呢？有些话以前说过多次了，还是需要重复，再重复：你要做恶，科学可以提供强大的武器；你要行善，科学也可以提供有效的工具。如果我们的目标正确，科学会为我们提供最有力的帮助。

还有一个原因：人们认为科学是乏味的。一位报纸专栏作家和电视评论家说：“实验的结果和单调枯燥、按部就班的实验步骤阻碍了人们喜欢科学……电视节目总是比节目背后的科学原理更让人兴奋……满天繁星流动……有些星星只是画在纸上的单调、重复的曲线，而有些星星就让人惊奇、遐想、迷恋。

“画在纸上的单调、重复的曲线”指的是1967年乔斯林·贝尔(Jocelyn Bell)和安东尼·休伊什(Anth。ny HewiSh)发现的脉冲星。贝尔在电视节目中描述了那个令人激动的时刻。她当时很年轻，刚刚跨人天文学的大门，就发现这个前所未闻的星体不是太阳系的行星，而是一颗恒星，自转周期四分之一秒！而不像我们的地球那样需要24个小时。这样的科学让人觉得单调、乏味吗？

那么，是因为科学对一些人来说太难了，使他们感到畏惧吗？我的看法是，科学挑战人的智慧，可古典文学、历史学、哲学又何尝不是如此呢？而且，要了解一些基本事实对任何人都不会很难，比如血液循环以及心脏在血液循环中的作用。有一次，牛津大学默顿英语教授约翰．凯里(J0hn Carey)在课堂上引用了约翰·多恩(John Donne) 的诗文：

你知道吗？

血液如何流到心脏，

从一个心室到另一个心室？

随后他问在座的30名英语专业大四的学生是否知道血液是怎样流动的，没人能答上来。有一个学生猜测血液是渗透的。正确的答案是：血液在左右两个心室之间循环往复，流过长达50英里的结构错综的毛细血管——这样的事实会让任何一位文学专业的学者心驰神往。可人们为什么对科学缺乏兴趣呢？会不会与学校传授科学知识的方式有关呢？

前些时候我收到一封信，开头的措辞有点尖锐：“我是一个教单簧管的教师，对上学时学过的科学知识惟一的记忆就是研究本生灯。”显然，这位教师丧失对科学的兴趣是因为他只能学到科学工具的用法，没能了解到科学的辉煌成就。

不会吹奏单簧管仍能欣赏演奏会，不会弹奏音符也能做一个洞察力敏锐、知识广博的音乐评论家。虽然没入学习演奏乐器，音乐就会消失，可要是每一个毕业的学生都认为自己会演奏乐器才能欣赏音乐，那生活会变得多么劳顿不堪。

我们为什么不能以同样的态度对待科学呢？是的，我们需要本生灯和解剖针去完成复杂、高深的科学实验。可是，也许普通人也可以在课堂上学习欣赏科学，欣赏科学的思维产生的奇迹和科学观点的发展历史。

科学是神奇而美妙的，更充满诗意。可有些人会觉得这是无稽之谈，他们认为正是科学破坏了世界的奥妙，而奥妙催生诗情。诗人济慈(KeatS)曾严辞斥责牛顿破坏了彩虹的诗意：

科学，

剪断了天使的双翼，

框住了一切的玄妙，

涤清了缥缈的意境，

荡空了诗神的宝藏，

扯裂了绚丽的彩虹

……

布莱克(Blake)也哀悼：

培根和牛顿

制造的恐怖，

藏在冷冰冰的钢铁里，

湮没了大不列颠的诗情，

理性的推断，

像巨大的蟒蛇，

缠紧了我的肢体

……

我要是能遇见济慈和布莱克，我会说服他们，奥秘的揭示没有损坏诗意。恰恰相反，谜底比谜题本身更迷人，因为它展示出神秘的真相。彩虹可以分解成七色光的科学事实后来促成了麦克斯韦(MaXwell)方程组和爱因斯坦相对论的创立。

爱因斯坦所追求的就是这种富有美感的艺术性的科学：“我们经历的最美妙的事物就是奥妙．它是一切艺术和科学的渊源。”艺术的美感激发着几乎每一位现代粒子物理学家的灵感。让我们听听约翰·惠勒(Johnwheeler)——当今美国物理学界杰出的带头人的话，他是如此说的：“我们抓住了事物的核心，才发现原来一切是如此的简单、美妙、令人慑服，我们不禁感叹：怎会如此不同呵！我们盲目了多久呵！”

与其他浪漫派诗人不同，华兹华斯(wordsworth)期待着科学的发现能成为诗人歌颂的对象。1817年在画家本杰明·海登(Benj amin Haydon)举办的晚宴上，他拒绝和其他艺术家一起为“不懂数学和牛顿”干杯，由此，他成了科学家们喜爱的诗人。

下面的例子是仅表明不同人理解的分歧。在赫胥黎看来，科学是“加工后更系统的常识”，而刘易斯·沃尔波特教授则坚持认为科学是自相矛盾和令人诧异的，别说对常识有帮助了，简直是侮辱常识。举个例子，在我们每次喝的水中，至少有一个原子曾经经过亚里士多德的膀胱，这是个多么令人难以置信却又无法抗拒的结论！这是赫胥黎所谓的“系统化的常识”能告诉我们的事实之一。而从刘易斯·沃尔波特教授的角度来看，“一杯水所包含的水分子数，远远多于全部海水能盛满的杯子数”，这种事怎么令人相信！

在科学的乐章中，不乏奇异与诱惑的音符，其中之最当属量子力学。不止一位物理学家提到：“你如果认为自己弄懂了量子力学，其实你还没懂。”宇宙中充满奥妙，变幻莫测的奥妙，但它的多变性不是任意的、古怪的或轻易的。宇宙是有序的，规范的。你把一块砖放到桌子上，它会保持不动，除非有东西碰到它，移动其位置，幽灵和小鬼不会因为恶作剧或是一时兴起去挪动它。宇宙中只有奥妙，没有魔法；只有奇思妙想也无法预测的神奇，绝没有咒语、巫术或异想天开的奇迹。

生活中总有人怂恿我们去接受超自然的现象。有些人声称自己能与死者对话，还有些人自称能预测未来。人们喜欢看的一个电视节目就是魔术师表演各种把戏，可有些表演者不认为自己是魔术师，却自称具有超自然的力量。我为什么能这么确定这些“超常人”只是普通的魔术师呢？

这其实再简单不过了。你可以认为自己汽车的发动机能用心电感应做动力，可发动机无论外形、气味还是运行方式都像是汽油发动机，那么最合理的猜测就是这的确是汽油发动机。这个判断也许不是百分之百的正确，正如科学家不会排除与死者的灵魂通灵的可能性。同样，不明飞行物上有外星人也不是不可能的，也许某一天真的会出现。但是，这一切都只是可能而已， 要相信事物是否存在至少也要有最基本的证据。你听到大街上有类似马蹄的声音，可能以为来的是斑马甚至是麒麟，不过，在你确定不是马之前，总该找出些许证据吧。

如果“超常人”真的具有他们声称的力量，那么他们每星期都能中大奖了，甚至还可以获诺贝尔奖，因为他们发现了一种新的相互作用的方式。可他们为什么总在电视节目中浪费自己的才华呢？我们应该接纳新思想， 可不意味着放弃利用脑力和智力。不能退回到充斥迷信和缺乏理性的黑暗时代，连每次找不到钥匙都怀疑是鬼怪搞恶作剧甚至是外星人捣鬼。

相信超自然的现象固然可笑，但是也反映出入类探索的一种勇气。我觉得探索奥妙的欲望和探究未知现象的热情都是健康向上的，应该鼓励。正是这种强烈的欲望造就了真实的科学，而真实的科学也满足了这种欲望。

拿天文学来说，这门学科涉及的几乎都是奇妙和神秘的现象。如何让孩子体会到这种奇妙的感受呢？如何将天文学奇妙的意识灌输给孩子呢？我引用约翰·卡西迪(John Cassidy)的著作《探索地球》(Earth search)中的一段话来说明：

把足球放到一片开阔地上代表太阳。然后直走10步，在地上插1根别针，代表水星。之后再走9步放1颗胡椒子代表金星。继续走7步放1颗胡椒子表示地球。在距离表示地球的胡椒子l英寸处插1根别针表示月球——人类到达过的最遥远的地方。继续走14步就到了火星——它的个头小小的，再走95步就到了木星——它的个子可是大大的，所以这里要放1个乒乓球。继续走112步就是土星了，放一颗弹子球表示。更远的行星就无法像这样按比例表示了，因为要走的距离太远了。如果要表示距离地球最近的恒星——比邻星，得走多远呢？4200英里(6760公里)。要是表示离太阳最近的星系——仙女座的距离，远得想都没法想！

不仅宇宙，我们人体内部也有许多奇妙之处。我们人体就像一个包含着丰富信息的巨大文档，用高度精确的数字编码，文档有一万亿个副本，每一个副本都是卷轶浩瀚的巨著。副本就相当于细胞里的DNA(脱氧核糖核酸)。课本把DNA描绘成人体内部的设计图，不过它更像是构造人体的配方，因为人体一经构成就无法还原。我觉得还可以换个更有趣的方式描述它，我们体内的DNA描绘的编码世界也是我们祖先生活过的世界。

人类最早的文档可以追溯到几千年前，是图画的形式。字母表大约是3500年前中东地区创造的，到现在已经演变成多种形式了。DNA符号表至少35亿年之前就形成了，没有丝毫的改变。不仅符号表从未变化，DNA字典中64个基本单词以及它们的含义无论是在细菌里还是在我们人体内都是一样的。

变化的是自然选择利用这64个单词所编写的长长的程序。我们接受的信息都历经几百万代，甚或是几亿代的变迁。每一条成功传下来的信息都伴随着许多的失败，就像是雕刻家地板上散落的碎屑，多得数也数不清。这就是达尔文提出的自然选择的含义。我们是那些少数成功地幸存下来的精英的后代，我们的DNA被证明是优秀的。  世界上大约有3000万不同的物种。这意味着DNA以3000万种方式传给后代。有些传递是在海里，有些则在陆地上，还有的传递是在树上或者地下。有些植物利用树叶吸收太阳能，食草动物靠植物为生，食肉动物又以其他动物为生。寄生动物寄居在其他动物体内，还有些动物生活在温泉里。有一种虫子甚至生活在德国的啤酒杯垫里。这些不同的生活方式展现了DNA不同的遗传策略。

骆驼的DNA一度是在海洋里，那是3亿年前。到了最近的地质时期，骆驼的DNA是在沙漠里，构成骆驼独特的躯体抵抗风沙，储存水分。就像沙漠的风塑造出奇异的风沙造型，骆驼DNA在远古的沙漠中幸存下来，进化出今天的骆驼。

在每一个地质时期，DNA都要经受环境的打磨、削减、雕琢和筛选。要是我们能够解读DNA语言，就会知道金枪鱼和海星的DNA写着“海洋”，鼹鼠和蚯蚓的写着“地下”。当然，DNA还提供别的信息，鲨鱼和印度豹的DNA除了表明“捕猎”的共性，还包含着各自的海洋和陆地信息。

我们还不能解读DNA所包含的信息，也许永远都无法读懂，因为DNA的语言是间接的，描绘的只是构造生物体的配方，不是可以进行改变的蓝图，但是我们的DNA仍然描述了我们的祖先生存的世界，我们的DNA中存储着上新世的非洲人和泥盆纪的海洋信息。其中包含的奥妙是你穷尽一生去读也读不厌的。

人们常说他们生活中需要的不仅仅是物质世界的一切，他们还渴望奇迹。这种渴望，只有真正的科学才能满足。为此人们需要弥补与科学之间的差距。进行科学研究要有目的性，在探究未知的奥妙之前，了解物质世界已经存在的事实真相就是一个不错的目的。有多少未知你想了解呢？其实你会发现，研究已经存在的现象远比探索想像中未知的东西更令人兴奋。人生总是需要有追求的。尝试着去探究物质世界已存在的事实吧，先别着急着要更多。之后，你是否还想要别的什么？你会发现，这种研究比你能想到的任何东西都更令人振奋和满足。

你不必为了满足想像中的需要或者弥补与科学的差距而去当一名科学家，也不必会使用本生灯。科学应该走出实验室，融进大众文化里。

这篇文章是根据1996年11月12日英国BBC电视台举办的理查·帝姆伯里贝纪念日(Richard Dimbleby Memorial)讲座编辑而成，题目为《科学、错觉与追求奇迹的愿望》。