物質科學解密，塑造宇宙生命的秩序：星際分子×低熵系統×原子結構×生物遺傳，人類想知道的所有關於「萬物本質」的疑問，物質科學來一一解釋！

2 世界萬物的基石——原子的概念是怎樣被提出來的

被分割的物質

　　當人們對宇宙中的物質的了解發展到原子層面的時候，似乎一切故事都將變得簡單而清晰，畢竟原子的世界，是一個我們很容易觸碰到的物質世界。儘管我們早已明白，原子並非是最小的物質單位，但還是會將它看作構成這個世界的基礎，因為它是組成單質和化合物分子的最小微粒。

　　然而，想像出「原子」這種模型，對人類來說無異於一場巨大的思想變革。

　　地殼表面的一塊岩石，無論它有多結實，在水、生物與風力等因素的長期聯合作用下也會發生崩解——這就是地質學所說的風化作用。這樣的風化作用，它可以是物理的、也可以是化學的或生物的作用。例如，大石頭逐漸風化成小石頭，而小石頭還可能會繼續裂開，再被苔蘚附著，伴隨著生物的作用，變成砂礫，最後實在太過微小，和黏土揉在一起，不分彼此。

　　這樣一種司空見慣的現象，會給人帶來自然而然的啟發：大塊頭的物質是由小個子物質組合而成，而小個子物質又是由更小的物質組成。

　　毫無意外，順著這個思路，我們會進一步展開聯想，向自然界發問：如果把石頭這樣的物質一直切割下去，是否存在最小的石頭單元？把這種最小的石頭單元堆砌起來，是否又可以重新變成石頭？

　　很難說這些問題的實際價值如何，它們看起來像是我們現代人吃飽喝足才會擁有的樂趣。至於使用石器的史前人類，在面對滿地形狀怪異的石頭時，他們是否也有過這樣的想法，如今早已不得而知。

　　但是，隨著人類文明逐漸建立，這些問題在生活中其實是難以迴避的。

　　比方說，河東和河西有兩個部落做買賣。河西邊的部落有黃金，不妨就叫黃金部落；河東邊的部落有貝殼，那就叫貝殼部落。黃金和貝殼這兩種物品，都曾經被作為貨幣使用，所以，這兩個部落都有了採購物品的資本。

　　有一天，黃金部落有個人帶了一錠黃金去河東做生意，而這錠金子可以買一頭大牛或者兩頭小牛犢。閒逛了半天以後，他在貝殼部落看中了一頭小牛犢，就想買下它。這牛犢只要半錠金子，於是黃金部落的這位買家就和牛主人商量，把金錠切一半，剛好可以買下小牛犢。對牛主人來說，這個辦法似乎沒有理由拒絕，他就順理成章答應了。

　　過了幾天，貝殼部落的這位牛主人也去黃金部落趕集了，他帶了一枚稀有的貝殼，想去買個木犁回來耕地。巧得很，上次買牛犢的那個人是位木匠，剛好打了一把很不錯的木犁，被牛主人瞧上了。但是，一枚貝殼能買下兩把這樣的木犁，於是牛主人就思索，要不和上次一樣，把貝殼也一分為二，問題不就解決了？顯然，對於黃金部落的木匠來說，他不太可能會答應這個要求，因為常識告訴他，被分為兩半的貝殼不值錢。

　　到底是什麼決定了黃金和貝殼各自的價值？從這兩筆買賣中很容易看得出來，雖然黃金和貝殼都是貨幣，但是黃金的價值在於這種物質本身，和它的外形無關；而貝殼的價值卻展現在物品之上，和它的外形有關。換句話說，把一錠黃金一分為二，得到的是兩錠小一些的黃金；把貝殼一分為二，得到的卻是貝殼的碎片，而非兩個小一點的「黃金」。

　　生活中還有比這更複雜的情況。

　　我們稍加留心就會發現，不同規格的書，大小差異很大。一般來說，出版社會根據書的內容來確定選用什麼樣的規格。除了圖書，生活中我們還時常會見到報紙、便箋、作業本、日記本、海報等各式各樣、大小不一的紙。這說明，一張紙，依照需求裁剪之後，便可以發揮相應的價值。相應地，如果不依照需求裁剪，就會變成廢紙。

　　可見，紙張和黃金還有貝殼又不一樣。它既不像黃金那樣，無論怎麼切割都能保留貨幣屬性，但也不像貝殼那樣，哪怕只是切成兩部分都會一文不值。

　　黃金部落的那個木匠，總是要和各種木頭打交道，而他在收集木頭的時候，也會面臨和紙張一樣的問題，大一點的木頭能做房梁，小一點的木頭可以打木犁或作為各種家具部件，可要是把木頭鋸得太細碎，最後就只能當柴火燒了。

　　貝殼部落的那個耕農，要是牛犢子不幸夭折，等他含淚賣牛肉的時候，還會碰到更蹊蹺的事情——同一塊牛肉，分割成兩塊同樣大小的肉之後，要是一塊肥、一塊瘦，就算大小相同，實際價值也是不一樣的。

　　對於古人來說，因為貿易雙方需要評定商品的價值，必然會對不同商品在分割之後的特徵進行分析，哪些商品可以任意分割、哪些商品可以適當分割、哪些商品根本不能分割，這都不能大意。這些問題反映到一般意義的物質上，就不由得令人好奇：要是把一種物質無限分割下去，會發生什麼？

　　可見，先民對物質的探索，就不只是一件閒閒沒事才會去想的問題。從古至今，幾乎所有的哲學家都會表述自己對物質的看法。

古希臘先哲們在思考

　　大約距今3,000年的時候，位於現代希臘到土耳其一帶的那片地方紛紛建起了一些城邦，像雅典、斯巴達之類的地名，都起源於那個時代的城邦名。

　　古希臘的這些城邦，即便不是地中海的港口城市，到港口的距離也不會太遠。於是，他們發展出精湛的航海技術，在各個港口之間穿梭，並形成了發達的商貿文化。來自天南海北的各種商品，都在這裡交會，形成了一張龐大的網路，貿易複雜程度遠不是買牛犢和木犁這麼簡單。

　　正如前面所說，商品的分割成為迫在眉睫的論題，對它刨根問底，就是在尋找物質的本源，一大批思想家對此爭論不休。

　　最初，在一座叫米利都（Miletos）的古希臘城邦（今屬土耳其），湧現出大批哲學家。米利都的舊址位於現在的小亞細亞半島西岸，在陸地上只能算是偏僻的邊陲地區，但是從海上來看，卻是一座四通八達的交通樞紐。在西元前8世紀後，米利都成為古希臘工商業和文化中心之一，也是在東部最大的城市。當時，除了希臘各城邦外，無論波斯、新巴比倫還是埃及、敘利亞，貿易路線都離不開米利都。可以說，米利都占盡地利，也因此彙集了各地的思想。

　　關於物質的本源，在如今留下的記載中，最早就來自米利都的泰勒斯（Thales，約西元前624年～約前547年），他甚至被稱為古希臘的第一位哲學家，被譽為「希臘七賢」之一。他的思想影響深遠，甚至由此誕生了以他為首的古希臘第一個哲學學派——米利都學派。由於米利都所處的地區在當時被稱為伊奧尼亞（Ionia，也叫愛奧尼亞），所以他建立的這個學派的理論成為伊奧尼亞哲學的主要組成部分。

　　泰勒斯原本的興趣是在幾何學與天文學的研究上，提出過一些幾何定理，為此還學習了埃及和巴比倫的相關知識。他最為世人所稱道的，就是曾經成功預測了西元前585年5月28日這一天的日食。雖然這個典故至今還存有疑問，但他的確利用自己的所學，估算出了太陽的直徑，並解釋了日食的形成原因。對於航海貿易而言，海潮、風向都可能會讓一筆原本獲利頗豐的買賣瞬間打了水漂，因此，各種天文現象都很重要。可以想見，像泰勒斯這樣精通天文學的哲學家，在當時商人們的眼中就如同神明一般，人們必然也會將「物質本源」的答案寄託在他身上。

　　他說，物質的本源，就是水。萬物皆由水而生成，又復歸於水。

　　這個離奇的想法，實在有些讓人難以理解。對此，他解釋道，水本身是液體，可以結冰，也可以變成氣體，而自然界中所有的物質，無非就是固、液、氣三種狀態。可見，水是萬物之源，萬物都有水的特性，水的特性也在世界萬物中都展現了出來。他還說，連大地都來源於水，就像埃及氾濫的尼羅河會把淤泥沖積成潮間帶或三角洲一樣，我們生活的這個大地也漂浮在水上。

　　顯然，他並沒能解釋明白物質的本源，甚至迴避了實體的物質分割後是否還是原來物質的基本問題。

　　但是不管怎麼說，這是人類歷史上第一次有人清晰地闡述了萬物之根本，泰勒斯思考的精神會一直留下來。

　　在此之後，米利都學派的其他成員又進一步發展和修正了泰勒斯的觀點。有人提出了氣，有人提出了火，還有人提出了土。最後，出生於阿克拉加斯（今義大利阿格）的古希臘哲學家和詩人恩培多克勒（Empedocles，約西元前495年～約前435年）提出四元素說（即「四根說」）。他把萬物的本源稱作「根」，認為水、氣、火、土就是這個世界上的四種基本元素，它們是不變和永恆的，不能自己運動和相互轉化，但可以由這四種元素按不同比例組合和排列，構成不同性質的物質。換句話說，把世界萬物進行切割，最終就會得到不同比例的這四種元素。這些元素都是以我們看不到的微粒形式存在，它們之間透過作用力結合在了一起。

2 世界萬物的基石——原子的概念是怎樣被提出來的

被分割的物質

　　當人們對宇宙中的物質的了解發展到原子層面的時候，似乎一切故事都將變得簡單而清晰，畢竟原子的世界，是一個我們很容易觸碰到的物質世界。儘管我們早已明白，原子並非是最小的物質單位，但還是會將它看作構成這個世界的基礎，因為它是組成單質和化合物分子的最小微粒。

　　然而，想像出「原子」這種模型，對人類來說無異於一場巨大的思想變革。

　　地殼表面的一塊岩石，無論它有多結實，在水、生物與風力等因素的長期聯合作用下也會發生崩解——這就是地...

前言 給青少年的物質科學

　　小時候，我生活在鄉下。那時的鄉下沒有瓦斯爐，也捨不得用太多電，做飯最常用的就是爐灶，燒柴火把鐵鍋加熱。爐灶操作起來非常麻煩，光是生火就能生出各種意外。所以，家裡大人做飯需要我幫忙搧風。

　　曾記得，坐在灶邊望著爐火，我搧著風，火苗就會猛烈四竄，一不小心還會衝出灶膛，燒到瀏海。每當這時，我都會感覺臉上一熱，但是習慣之後，倒也不覺得有什麼危險，只是有些好奇。

　　我好奇的是，吹蠟燭的時候，一點風就能把燭火吹滅，可是搧風越大，為什麼火焰卻會越吹越大？

　　外婆跟我說，這是因為廚房裡供奉著灶王爺——他是一位管灶火的神仙。有了灶王爺的保佑，爐灶裡的三昧真火才會旺盛，而且還不會因此失火。

　　後來，看到《西遊記》中孫悟空借來假芭蕉扇揮舞時，火焰山上的火越燒越大，我對三昧真火的這個說法深信不疑。可是，看到《三國演義》裡赤壁之戰東風助陣的場面，我又有些半信半疑了。

　　多年以後，我讀到了拉瓦錫反駁「燃素」論的故事，對於這個問題的好奇總算告一段落。燃燒是一種氧化現象，通常需要氧氣的參與，因此，當煽風送風給爐灶時，加大了空氣壓力，更多的氧氣被一同送入了灶膛。於是，有了氧氣的加持，火焰也會更旺盛。不過，風在刮來新鮮氧氣的同時，卻也帶走了熱量，若是火焰的溫度因此而降低到燃點以下，火就可能會被吹滅。因此也就很容易理解，為什麼風能吹滅小火，卻會揚起大火。

　　對於童年時期的疑惑，用這樣物理的概念去解釋，或許有些許的無趣，不像「三昧真火」那麼引人入勝，但它卻是好奇的最佳夥伴。它不會讓童心泯滅，只會帶著這種「不安分」走向新的空間。

　　所以，青少年知道多一點物理科學，應該是件好事。

　　本書是我首次系統性地創作「物理科學」的作品。任何一門自然科學都是研究物質的科學，只是研究的角度不同：物理學研究物質之間的作用力與能量；化學研究物質的組成、結構、反應與功能；生物學研究的是物質如何能夠「活」起來；天文學研究物質誕生的「老家」……很多時候，關於物質的種種，並不只是單純的科學問題，更是人類反覆思索的哲學問題。

　　將這些問題完整地解答出來，是從古至今所有人的共同使命。

　　在物質世界形成的時空中，翻開這本由物質構成的小書，如果能夠因此引發我們對物質的思考，那麼物質世界也一定會因為我們的思考而改變。

前言 給青少年的物質科學

　　小時候，我生活在鄉下。那時的鄉下沒有瓦斯爐，也捨不得用太多電，做飯最常用的就是爐灶，燒柴火把鐵鍋加熱。爐灶操作起來非常麻煩，光是生火就能生出各種意外。所以，家裡大人做飯需要我幫忙搧風。

　　曾記得，坐在灶邊望著爐火，我搧著風，火苗就會猛烈四竄，一不小心還會衝出灶膛，燒到瀏海。每當這時，我都會感覺臉上一熱，但是習慣之後，倒也不覺得有什麼危險，只是有些好奇。

　　我好奇的是，吹蠟燭的時候，一點風就能把燭火吹滅，可是搧風越大，為什麼火焰卻會越吹越大？

　　外婆跟我說...

前言　給青少年的物質科學
1 物質是什麼
2 世界萬物的基石—原子的概念是怎樣被提出來的
　　被分割的物質
　　古希臘先哲們在思考
　　給原子排排隊
　　永不停息的融合
3 讓原子組合起來—物質世界是如何組裝的
　　星際分子
　　從太空到地球
　　分子的遊戲
　　不變的規則
4 無處不在的相互作用力—物質為何能結合在一起
　　電子的巨大魔力
　　原子的結構
　　原子之間的電磁吸引力
　　同性因何不相斥？
5 永不消失—物質和能量是怎樣轉化的
　　奇妙的等式
　　被激發的電子
　　看清物質
　　物質的狀態
6 萬物爭輝—物質是怎樣為我們所用的
　　並不只是簡單地混合—金屬與合金
　　從石器到陶瓷
　　無窮無盡的有機物
　　結構決定性質
7 活著的奇蹟—賦予生命的物質
　　從簡單到複雜
　　低熵系統
　　物質的自組織形式
　　遺傳密碼
8 衝突與重生—物質世界會終結嗎
　　誰殺死了恐龍？
　　食物鏈的物質流動
　　被浪費的物質
　　天地間，人為貴
9 物質是什麼

前言　給青少年的物質科學
1 物質是什麼
2 世界萬物的基石—原子的概念是怎樣被提出來的
　　被分割的物質
　　古希臘先哲們在思考
　　給原子排排隊
　　永不停息的融合
3 讓原子組合起來—物質世界是如何組裝的
　　星際分子
　　從太空到地球
　　分子的遊戲
　　不變的規則
4 無處不在的相互作用力—物質為何能結合在一起
　　電子的巨大魔力
　　原子的結構
　　原子之間的電磁吸引力
　　同性因何不相斥？
5 永不消失—物質和能量是怎樣轉化的
　　奇妙的等式
　　被激發的電子
　　看清物質
　　物質的狀態
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