诗意的原子：8种连结你和宇宙万物的无形元素

　　原子与你的生活有什么关系？在《诗意的原子》一书中，科特·施塔格揭示了它们与宇宙中不可思议的事情之间的联系。
　　你血中的铁，是组成血红蛋白的重要元素，也是造成2亿年前一次恒星爆炸的元凶；你呼吸中的碳元素，可能变成树干的一部分；你肌肉中的氮，会帮助天空变为蓝色；钠将把你眼中的泪水与远古时就消失的沧海联系在一起……组成世界万物的元素，和组成你身体的每一种元素是毫无二致的。你如何理解——你是一个活生生的生命同时也是一堆无生命的原子？
　　书中讲述了8种对人来说重要的元素：氧、氢、铁、碳、钠、氮、钙、磷。你会发现，你不只是由原子组成，你就是原子，这本书就是一本原子世界的漫游指南。

　　科特·施塔格（Curt Stager），科学家，科普作家。生于1956年，杜克大学生物学与地质学博士，自1987年开始担任保罗史密斯学院自然科学教授，这所学院坐落在纽约北部的阿迪朗达克山脉，他喜欢在这里弹奏班卓琴、吉他和野外滑雪。同时，他在美国国家公共广播电台主持一档科学栏目：Natural Selections。

　　像神奇的炼金术一样，科特·施塔格将关于原子的科学变幻成了金光闪闪的故事，揭示了隐藏在宇宙万物和我们所有人之间的联系。
　　——戴维·乔治·哈斯凯尔David George Haskell，《看不见的森林》作者

　　科特·施塔格这样的人实属凤毛麟角，他是一个天才的科学家，并有着艺术家的眼光和一颗诗人的心。在这本书中，他用非凡的优雅和神韵将无形的原子王国引入了我们的现实生活。《诗意的原子》对粒子世界新颖的见解，会让博学的读者都目瞪口呆。
　　——李·比林斯Lee Billings，《50亿年的孤独》作者

　　施塔格的书堪称一部透过化学元素看现代科学的力作。值得称道的是，他成功地将科学的精确性和趣味性融合在了一起。
　　——埃里克·塞里Eric Scerri，《七种元素的故事》作者

　　奇妙的探索！我们彼此之间的联系是如此广阔而持久——不管过去，现在还是未来。
　　——柯克斯书评

　　很多人不知道，我们犁的土都是星尘，随风四处飘散；而在一杯雨水中，我们饮下了宇宙。
　　——伊哈布·哈桑（Ihab Hassan，美国文学评论家）
　　我这辈子用很长时间悟得了一个道理，那就是我们所有的科学在被用于衡量现实时，都是原始而天真的——然而迄今为止这是我们值得珍惜的财富。
　　——阿尔伯特·爱因斯坦
　　比起你的生命传奇，还有什么更有意思的故事？告诉你个好消息，本书所讲的就是这样的故事。
　　尽管本书经常提及原子，但它们其实只是配角，而你才是真正的主角，它们随你而动，它们随你一同经历成功的狂喜，一同承受失败的悲痛，也一同走过平淡的日常。至于我的角色，那就是试着展现，这些组成你的原子是如何将你和宇宙中一些神奇的事情联系起来的。
　　原子会和你一起做些什么？可以说是任何事。无论是你还是你或爱或恨的每一个人，也无论你们何时做过的何种事情，它们都是现场的目击者， 更是密切的参与者。你曾经闻到的每一丝气味，看到的每一片景色，欣赏的每一曲旋律，以及唇间发出的每一声哭喊与叹息，皆因那些游走于空气与你身体深暗角落的原子而产生。当你吃下食物时，其他生物的肉体会变成你身体的一部分；当你受伤时，在一串曾经引爆宇宙中华丽爆炸的古老原子中，流淌的是垂死恒星的碎片；当你排泄时，你将闪电与火山的原子回声散播到了全球循环之中，或许有一天它们还会重回你的身体，虽然这听起来让人不悦；而不管何时微笑，你牙齿的光泽中都暗藏着冷战时期太平洋两岸核试后放射尘的余辉。
　　你不仅由原子构成，你其实就是原子，而本书实际上就是给你自己的一份“原子探险指南”。为了便于用基本的元素术语诠释你的生命，你所需要的不过是了解一些的科学信息，以及据此重新认知世界的一些新方法，还有一点活跃的想象力。你会发现，当你这样做了以后，你将体验到一场自我意识的革新，你的思想将在一个更广阔的尺度上驰骋。
　　在新石器时代，我们学会用岩石与矿物质制造一些粗糙的工具，如今这种文化距离我们已经非常久远，而我们正在步入一个或许可被称为“新新石器”的时代，精密加工的硅芯片、抛光的玻璃，还有高性能显微镜与望远镜所用的合金，这些全新的工具提升了我们的生活，也丰富了我们的感知。借助于这些工具，我们在巨人的肩膀上继续攀登，不断发现更多知识。我们可以摒弃古希腊的“气、水、土、火”四元素概念，取而代之的是更有用的世界观，我们将一百多种原子排入元素周期表中，从中可以看出，传统四元素的前三种并非是基本元素而是化合物，至于火，更只是一个过程而非不可分割的物质。这样的观点也会有助于我们科学严谨地解释我们的肉体、思想、感觉与地球原子之间的隐秘关联。在这个技术、文化与环境快速变迁的年代，明白我们与地球还有其他人之间的紧密联系至关重要。今天已不同于往昔，要想让数十亿地球人及其赖以生存的生态圈变得更好，科学素养才是关键因素。
　　当然还有很多未知的领域等着我们去发现，未来的研究肯定会推翻很多我们现在确信的事实，或许也包括本书中的一些信息。没有人可以知道一切，就算是伟大的天才也会犯错。艾萨克·牛顿尚不知道物质与能量可以相互转化，阿尔伯特·爱因斯坦反对量子力学理论，而物理学家欧内斯特·卢瑟福认为在他研究领域以外的科学都只是在“集邮”，也不相信发展核武器或核电站是可行的。即便是“原子”这个词的定义，也在差不多一个世纪前发生了变化。两千年以前，希腊的哲学科学家推断，物质应该是由某种不可分割的微小粒子构成，并将其称之为“a-toms”，意指不可分割的物质。然而严格来说，我们如今称之为“atoms”的原子却是名不副实，因为核物理学家可以将它们分割成更小的部分。比如位于瑞士的欧洲大型强子对撞机，甚至可以将亚原子粒子粉碎成更小的介子、胶子或轻子。
　　然而这也并非像有些人宣称的那样，认为一切科学事实的存在都过于短暂，不值得赖其指引真理。诚然，知识的边界是动态的，但科学先驱们已经铺好了很多值得信赖的道路，可以供你行走。比如说，你完全可以确信，原子是真实存在的，它们具有独特的性质，并且它们之间的相互作用方式完全可以被预测；水确实是由氢和氧构成，并且占了你身体的大部分；当然还有，你额头上汗珠中的元素，同样也可以在华丽的彗尾与你脚下的地球脊梁中寻得，在地球上其他生物的体内也一样能够找到。本书正是邀请你游览这样一些值得信任的路径，带你用一种全新的非凡视角看看自己与这个世界，旅程之中将会充满惊奇，但这些都是确然可信的，并且可能会引起变革。
　　不妨先听我介绍一下你的一颗氧原子。它当然小到看不见，就像一个泡泡，大部分物质漂浮在泡泡中心，从外面看起来就像是一颗没什么特点的乒乓球。但仅仅是中心颗粒或是外层结构中粒子数目的区别，就让不同元素的性质具有显著差异，就好比它们构建的生物体彼此之间也存在着明显的差异一样。
　　如果你是个身材中等的成年人，那么你的体内携带了将近两千亿亿亿颗这样的氧原子，比任何一片森林中的树叶总数都要多。现在，不妨想象一下从你的大拇指中取出其中一颗，拉近焦距仔细观瞧。
　　与其他所有原子一样，这颗原子也几乎都是空的。如果将中心由8个带正电的质子与8个电中性的中子构成的原子核放大到树莓（其实看起来两者外观有点相仿）那么大，那么绕着它旋转的带负电荷的电子，距离这颗树莓大约有200码（183米）那么远，接近美式足球场长度的两倍，而电子包围的球体中，有数百万立方码的空间里都空无一物，这体积比新泽西州东卢瑟福的大都会人寿球场还要大上好几倍。这就是科学家为什么会认为你身体中的物质几乎都是虚无的，就像星系间太空深处的真空一样。
　　不管你感觉自己有多重，原子的空虚都意味着你更像是由原子级聚苯乙烯构成的多孔泡沫，而不是像看起来那样质地坚实。不过你应该庆幸你的“泡沫”身体，否则的话，你脚下的地球可撑不住你的体重。居于原子中央的那颗微小原子核（希腊人称之为“核心”或“种子”），密度却大得惊人，如果你的体内挤满了“放了气”的而不是膨胀成几近空心的原子，那么只是你的一根脚指头就有接近10亿吨重。
　　你挑出的氧原子外层有8个电子围绕着原子核旋转。它们可不同于微型的行星被锁定在固定的平面轨道上，而是更为怪异也更为自由地转着圈，同时表现出波与粒子的双重性质，而且它们旋转的速度太快，以至于模糊成一团像云一般的巢状外壳。如果你对这些电子施加能量，它们便会跃迁到更远的轨道上，原子的表面也会随之膨胀；而物理学家还会借助X射线激光将内层电子轰击出来，形成“中空”的原子。
　　不过从我们的视角来看更为重要的一点是，一个原子的某些电子也可以被其他原子共享形成共价键，从而有助于维持你身体的完整。当两枚氧原子靠得足够近的时候，它们的外壳便会交融，其中一些电子开始同时绕着两个原子核旋转。这种共用电子的方式可以产生千万种化合物，包括你的肌肉纤维和细胞膜，也包括你的荷尔蒙和发丝。
　　当两个或更多的原子通过这种方式衔接在一起时，分子便形成了。分子（molecule）这个术语源于拉丁语moles，这里的moles可不是指鼹鼠那种毛茸茸的小动物（moles在英语中有“鼹鼠”的意思。——译注），而是指“一堆物质”，一个分子简单来说就是一小堆物质。此刻在你脑海中想象的已不再是孤零零的氧原子，而是分子战队中的一部分了。在你的身体中，它常常与另一枚氧原子如影随形，构成氧气分子游走于你的血管，或是与两枚更小的氢原子形成水分子。
　　本书的章将带你更好地领略这些分子及其原子部件，并揭示它们“如何让你成为你”的一些方式。很多元素都可以在你体内或身边寻找到，但这里只会挑出其中丰富也是生物学上重要的十来种详细介绍。这几种元素也将揭开这些原子的面纱，展现它们在你的生命里，还有在将你与世界万物关联起来的过程中所扮演的幕后角色。
　　当你继续读下去的时候，你将跟随你的原子共同经历一场旅程：穿过风雨，穿过波涛，穿过火海、森林，还有你的指尖。氢原子可以在你的发梢荡漾，并暴露你曾经居住的故土以及你曾喝过的饮品；你眼泪中的钠，会将你和一片早已干涸的海洋串联起来——而且更诡异的是，还会跟翩翩起舞的飞蛾联系起来；你呼出的碳，会成为玉米秸秆的一部分，进而又进入一头矫健公牛的肌肉中，再后来还可能成为狐狸胡须的一部分；你还会发现，你肌肉中的很多氮原子，是帮助天空变蓝的功臣，而你骨骼中的磷，曾让远古海洋的波浪变绿过；你牙齿中的钙可能是蘑菇从岩石上开采下来的，而你血液中的铁既会杀死细菌也会杀死一颗恒星。你还会发现，你终会面临的死亡，其实每时每刻死亡都在你的原子间进行着，然而，和其他所有人一样，你也将在宇宙结构的某个角落永存。
　　用原子观点看待生命颇有点将剧本捧在手心看歌剧的意味。举个例子，如果你不了解意大利人，那么你在观看《唐璜》的时候，也许只会被音乐打动， 却对剧情无动于衷。而当你手中有剧本的时候，就可以更好地展现因为信息不足而被眼耳遗漏的故事细节。同样，当你能更好地借助原子观点理解这个世界时，你的阅历也会变得更加丰富。
　　我们究竟是谁？对这个问题不断的解读算得上是科学给我们的好礼物之一。尽管我们很容易想象，手机、超市以及城市生活正在将我们跟自然割裂开来，但总有一些事情落后于上个世纪以来的知识与技术大爆发，于是我们的意识仍然联系着自然。我们永远不会真的失去和原子世界的联络，因为不管是否知情，我们都是原子世界的一部分。所以，现阶段我们面临的任务与其说是从肉体上重新构建联系，还不如说是让我们的世界观和迷人的现实之间达成和谐，而这样的现实正是太空望远镜、原子探针显微镜或者是其他复杂的发明近才向我们展现的。
　　当我们陶醉于自己是恒星的直系后代这样一个奇迹之时，也许会感到非常震撼，就像乔尼·米歇尔（Joni Mitchell）歌中所唱的那样：“我们是星尘”（we are stardust），是几十亿岁高龄的碳原子。伍德斯托克音乐节（Woodstock）上传唱的这些歌词道出了科学发现的精髓，当然也有些较真的人会强调，我们有些碳原子的历史其实比这更久远，而有些却只是产生于几个星期或几个月前（后文将会详细介绍）。这里主要想说，这样的观察视角不仅颇具美学与哲理意味，对于我们书写的这段历史来说，其价值也因为一些现实原因变得越来越大，很多科学家甚至将当今这个时代称之为“人类世”——属于人类的地质纪年。我们的人口数量惊人，技术强大，生活方式与文化交流也在不断全球化，因此我们如今已是地质学尺度的一股自然力量了。仅仅是我们排放的碳就足以阻止下一场冰川纪，将海平面抬高并淹没海岸，也足以造成所有物种灭亡。今天我们思想与心灵引发的所有行为，都会在周遭环境中产生回音，并将深刻地影响未来。
　　从这个方面讲，理解我们与地球间的原子联系就不再是一个可以选择的问题而是一种必然。科学是我们看到真理的那一扇明亮的窗口。生物学家兼作家E.O.威尔森（E.O.Wilson）近这样写道：“也许是时候停止称其为‘环保主义者’的观点了，搞得好像这是脱离人类活动主流的游说活动一般，而应当称之为现实世界的观点。”不同于我们的祖辈那样只能单纯依赖自己有限的知觉，我们如今可以借助曾经隐藏在事物背后的原子性质，利用这些新的信息更好地阐述我们的知觉所反映的事实，同时也可以期待营造更合理也更可持续的生活方式。
　　包括卡尔·萨根(Carl Sagan)、尼尔·德格拉斯·泰森(Neil deGrasse Tyson)、布莱恩·考克斯(Brian Cox)、布莱恩·格林(Brian Greene)和加来道雄(Michio Kaku)在内的天才科普工作者已经做了很多工作，向我们介绍了亚原子王国和宏大的宇宙，但是在这两个天壤之别的尺度之间，还是需要用原子的观点来解释。生动的图片与文献可以帮助我们想象微小的夸克与广袤的宇宙，但也可以说很难将它们都带到地球上来。相比于那些利用质谱仪或太空望远镜观测的奇观来说，可以被直接观察的物种和细胞都显得颇为简单，但相比物理学家对质子或脉冲星的预测精度而言，绝大多数生物行为还是更复杂，也更难以被预测——要不然请试着预测一只蝴蝶飞过草地时的路线，或是精确计算某颗正在发芽的种子次开花的时间，又或是提前罗列一下你的脑袋明天会迸发的奇思妙想……相比之下，模拟电子或行星的运动，简直就跟小孩过家家那么简单。
　　本书接下来的篇章将带你游览这座由日常经验构建的趣味乐园，没有艰深的公式，有的只是直觉和感受，还有原子与你自己以及这个世界联系的现实案例。不过既然我们看不到原子，又将如何让它看起来像我们时常假想的那样更为真实呢？
　　其实简单得很。当你照镜子的时候，你就可以看到在你的面庞中，数不清的原子在向你“眨眼”。为了享受在沙滩上的美好时光，你并不需要去分析每一粒沙子，同样，如果你知道原子总是大量地挤在一起，那么为了感知它们的存在你也不需要对其挨个儿辨别。相反，你可以让值得信赖的专家为你揭开更多的粒子细节，然后利用这些信息丰富你的生活。
　　不过令人称奇的是，即便是单个原子，如今对我们来说也比过去更易被感知，如果你想亲眼目睹其中一颗的尊容，那么一些的科学发现可以帮你实现愿望。德累斯顿理工大学的特里本堡（Triebenburg）实验室建立了一个网站：Electron Microscopy – A Journey into Nano-Cosmos（电子显微”——纳米世界之旅），他们近公布了一系列对金粒子的显微照片。该系列后一个镜头定格的照片是一个被放大超过100万倍的照片，显示出金原子就像大理石那样一层层整齐而有序地排列着。
　　单个原子不仅正在变得可以被看到，而且还能被我们“听”到。瑞典皇家理工学院开展了一项名为“放射性乐队”的在线项目，可以让你借助代表原子放射性衰变频率的特殊声音编写旋律。他们的服务器上存有多种不同音符，分别代表几十种不稳定元素释放的能量，从碳14到钾40不一而足。网站主页对此解释道：“我们的目的是为了启发灵感。我们希望能够提升更多对自然之美的认知，哪怕是微小的尺度，从而激发人们对于基础科学的兴趣。对我们来说，音乐方面的创造力同样重要……科学与艺术很大程度上都是相通的。我们希望放射性乐队可以强化二者之间的联系。”
　　撰写本书对我个人而言也是一次探索。即便对于我这样一名研究物种、气候与生命元素内在作用的科学家来说，当我在办公室工作一整天后趴倒在沙发上，或是在树林里散步时，想要把不可见的世界与纷繁的现实联系在一起都不是件简单的事。老实说，将自己想象成一团没有生命的原子，其实是件异常困难的事。我还没有听很多科学家说起过，他们可以从内心实实在在感知自己是由原子构成的，尽管他们的智力水平足以深入讨论这些问题。不过我敢肯定，哪怕你只是飞速浏览了一下这个令人讶异的事实，你都会被永远地改变，而且是变得更好。
　　虽说我自己对原子的兴趣可以追溯到童年时期，但之于原子，我更深刻的观念转变还是在20世纪70年代的时候。那时我还在读大学，专业是生物与地质学，因为科学课程的需要，当时我正用一种近乎于洁癖的严谨态度，努力地让自己的情感与自然世界保持一致。我那时并未意识到，要想让自己与绚烂的生命共舞，这种严谨必不可少，就像演员或乐师每日的单调训练一样。
　　1964年，我不记得是谁给了我一张皱巴巴的纸片，上面写了一段从《伽马射线效应》（The Effect of Gamma Rays on Man-in-the-Moon Marigolds）节选的片段——这部作品由剧作家兼科学教师保罗·金代尔（Paul Zindel）于1964年创作，并获得了普利策戏剧奖。不过我永远不会忘记这个片段对我的影响，其内容是一位高中生把她老师刚刚讲的课程复述给她的妹妹——我敢肯定地说，这些话改变了我的人生，直到今天我再读它们的时候，也还是会不禁哽咽。
　　他让我看着我的手，因为其中一部分来自一颗恒星，在想象力都难以企及的远古年代，它爆炸了……
　　当生命出现时，也许我的这部分曾经被蕨类植物抛弃，从此被掩埋，直至变成煤炭。
　　数百万年之后，它变成了一颗钻石——它一定和曾经所属的那颗星球一样美丽……
　　他说，这些物质非常小——小得不能被看见——但是当这个世界出现时，它们就已经存在。
　　接着他告诉我，我的这一小部分是原子。而当他写下这个单词之时，我立刻爱上了它。
　　原子。
　　Atom。
　　多么美的词啊！