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很多人不知道，我們犁的土都是星塵，隨風四處飄散；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在被用于衡量現實時，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，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，它們都是現場的目擊者， 更是密切的參與者。你曾經聞到的每一絲氣味，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生。當你吃下食物時，其他生物的肉體會變成你身體的一部分；當你受傷時，在一串曾經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；當你排泄時，你將閃電與火山的原子回聲散播到了全球循環之中，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時期太平洋兩岸核試后放射塵的余輝。

你不僅由原子構成，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語詮釋你的生命，你所需要的不過是了解一些近期的科學信息，以及據此重新認知世界的一些新方法，還有一點活躍的想象力。你會發現，當你這樣做了以后，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，我們學會用巖石與礦物質制造一些粗糙的工具，如今這種文化距離我們已經非常久遠，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攀登，不斷發現更多知識。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。這樣的觀點也會有助于我們科學嚴謹地解釋我們的肉體、思想、感覺與地球原子之間的隱秘關聯。在這個技術、文化與環境快速變遷的年代，明白我們與地球還有其他人之間的緊密聯系至關重要。今天已不同于往昔，要想讓數十億地球人及其賴以生存的生態圈變得更好，科學素養才是關鍵因素。

當然還有很多未知的領域等著我們去發現，未來的研究肯定會推翻很多我們現在確信的事實，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 牛頓尚不知道物質與能量可以相互轉化，阿爾伯特 愛因斯坦反對量子力學理論，而物理學家歐內斯特 盧瑟福認為在他研究領域以外的科學都只是在“集郵”，也不相信發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前發生了變化。兩千年以前，希臘的哲學科學家推斷，物質應該是由某種不可分割的微小粒子構成，并將其稱之為“a-toms”，意指不可分割的物質。然而嚴格來說，我們如今稱之為“atoms”的原子卻是名不副實，因為核物理學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子對撞機，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，認為一切科學事實的存在都過于短暫，不值得賴其指引真理。誠然，知識的邊界是動態的，但科學先驅們已經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，它們具有獨特的性質，并且它們之間的相互作用方式可以被預測；水確實是由氫和氧構成，并且占了你身體的大部分；當然還有，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。它當然小到看不見，就像一個泡泡，大部分物質漂浮在泡泡中心，從外面看起來就像是一顆沒什么特點的乒乓球。但僅僅是中心顆粒或是外層結構中粒子數目的區別，就讓不同元素的性質具有顯著差異，就好比它們構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都要多。現在，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個帶正電的質子與8個電中性的中子構成的原子核放大到樹莓(其實看起來兩者外觀有點相仿)那么大，那么繞著它旋轉的帶負電荷的電子，距離這顆樹莓大約有200碼(183米)那么遠，接近美式足球場長度的兩倍，而電子包圍的球體中，有數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。這就是科學家為什么會認為你身體中的物質幾乎都是虛無的，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成的多孔泡沫，而不是像看起來那樣質地堅實。不過你應該慶幸你的“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。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著圈，同時表現出波與粒子的雙重性質，而且它們旋轉的速度太快，以至于模糊成一團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的軌道上，原子的表面也會隨之膨脹；而物理學家還會借助X射線激光將內層電子轟擊出來，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。這種共用電子的方式可以產生千萬種化合物，包括你的肌肉纖維和細胞膜，也包括你的荷爾蒙和發絲。

當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”，一個分子簡單來說就是一小堆物質。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或身邊尋找到，但這里只會挑出其中最豐富也是生物學上最重要的十來種詳細介紹。這幾種元素也將揭開這些原子的面紗，展現它們在你的生命里，還有在將你與世界萬物關聯起來的過程中所扮演的幕后角色。

當你繼續讀下去的時候，你將跟隨你的原子共同經歷一場旅程：穿過風雨，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梢蕩漾，并暴露你曾經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起來——而且更詭異的是，還會跟翩翩起舞的飛蛾聯系起來；你呼出的碳，會成為玉米秸稈的一部分，進而又進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；你還會發現，你肌肉中的很多氮原子，是幫助天空變藍的功臣，而你骨骼中的磷，曾讓遠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菌也會殺死一顆恒星。你還會發現，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行著，然而，和其他所有人一樣，你也將在宇宙結構的某個角落永存。

用原子觀點看待生命頗有點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。而當你手中有劇本的時候，就可以更好地展現因為信息不足而被眼耳遺漏的故事細節。同樣，當你能更好地借助原子觀點理解這個世界時，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給我們的好禮物之一。盡管我們很容易想象，手機、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以來的知識與技術大爆發，于是我們的意識仍然聯系著自然。我們永遠不會真的失去和原子世界的聯絡，因為不管是否知情，我們都是原子世界的一部分。所以，現階段我們面臨的任務與其說是從肉體上重新構建聯系，還不如說是讓我們的世界觀和迷人的現實之間達成和諧，而這樣的現實正是太空望遠鏡、原子探針顯微鏡或者是其他復雜的發明最近才向我們展現的。

當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(Woodstock)上傳唱的這些歌詞道出了科學發現的精髓，當然也有些較真的人會強調，我們有些碳原子的歷史其實比這更久遠，而有些卻只是產生于幾個星期或幾個月前(后文將會詳細介紹)。這里主要想說，這樣的觀察視角不僅頗具美學與哲理意味，對于我們近期書寫的這段歷史來說，其價值也因為一些現實原因變得越來越大，很多科學家甚至將當今這個時代稱之為“人類世”——屬于人類的地質紀年。我們的人口數量驚人，技術強大，生活方式與文化交流也在不斷全球化，因此我們如今已是地質學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，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的所有行為，都會在周遭環境中產生回音，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系就不再是一個可以選擇的問題而是一種必然。科學是我們看到真理的那一扇最明亮的窗口。生物學家兼作家E.O.威爾森(E.O.Wilson)最近這樣寫道：“也許是時候停止稱其為‘環保主義者’的觀點了，搞得好像這是脫離人類活動主流的游說活動一般，而應當稱之為現實世界的觀點。”不同于我們的祖輩那樣只能單純依賴自己有限的知覺，我們如今可以借助曾經隱藏在事物背后的原子性質，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)在內的天才科普工作者已經做了很多工作，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來解釋。生動的圖片與文獻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。相比于那些利用質譜儀或太空望遠鏡觀測的奇觀來說，可以被直接觀察的物種和細胞都顯得頗為簡單，但相比物理學家對質子或脈沖星的預測精度而言，絕大多數生物行為還是更復雜，也更難以被預測——要不然請試著預測一只蝴蝶飛過草地時的路線，或是計算某顆正在發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的奇思妙想……相比之下，模擬電子或行星的運動，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驗構建的趣味樂園，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系的現實案例。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。當你照鏡子的時候，你就可以看到在你的面龐中，數不清的原子在向你“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節，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發現可以幫你實現愿望。德累斯頓理工大學的特里本堡(Triebenburg)實驗室建立了一個網站：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。他們的服務器上存有多種不同音符，分別代表幾十種不穩定元素釋放的能量，從碳14到鉀40不一而足。網站主頁對此解釋道：“我們的目的是為了啟發靈感。我們希望能夠提升更多對自然之美的認知，哪怕是最微小的尺度，從而激發人們對于基礎科學的興趣。對我們來說，音樂方面的創造力同樣重要……科學與藝術很大程度上都是相通的。我們希望放射性樂隊可以強化二者之間的聯系。”

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、氣候與生命元素內在作用的科學家來說，當我在辦公室工作一整天后趴倒在沙發上，或是在樹林里散步時，想要把不可見的世界與紛繁的現實聯系在一起都不是件簡單的事。老實說，將自己想象成一團沒有生命的原子，其實是件異常困難的事。我還沒有聽很多科學家說起過，他們可以從內心實實在在感知自己是由原子構成的，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，我更深刻的觀念轉變還是在20世紀70年代的時候。那時我還在讀大學，專業是生物與地質學，因為科學課程的需要，當時我正用一種近乎于潔癖的嚴謹態度，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，這種嚴謹必不可少，就像演員或樂師每日的單調訓練一樣。

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》(The Effect of Gamma Rays on Man-in-the-Moon Marigolds)節選的片段——這部作品由劇作家兼科學教師保羅 金代爾(Paul Zindel)于1964年創作，并獲得了普利策戲劇獎。不過我永遠不會忘記這個片段對我的影響，其內容是一位高中生把她老師剛剛講的課程復述給她的妹妹——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古年代，它爆炸了……

當生命出現時，也許我的這部分曾經被蕨類植物拋棄，從此被掩埋，直至變成煤炭。

數百萬年之后，它變成了一顆鉆石——它一定和曾經所屬的那顆星球一樣美麗……

他說，這些物質非常小——小得不能被看見——但是當這個世界出現時，它們就已經存在。

接著他告訴我，我的這一小部分是原子。而當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！