作者：艾·阿西莫夫（美）

　　成書時間：1979年

　　推薦版本：科學普及出版社1980年版

　　【作者簡介】

　　見《我們怎樣發(fā)現(xiàn)了———地球是圓的》。

　　【內(nèi)容提要】

　　本書是美國著名科普作家阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。作者以通俗的語言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學中的一百個尖端課題。其中，有些是了解現(xiàn)代科學技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識，如科學的研究方法、二進制數(shù)、相對論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當代科學技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場論、夸克、金屬氫等。作者對這些問題的來龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)，有沒有希望得到解決等均作了回答。

　　關(guān)于什么是科學的研究方法，作者指出，所謂科學的研究方法，很明顯就是科學工作者在從事某項科學發(fā)現(xiàn)時所采用的方法。但是，這個過于簡單的說明對我們沒有多大幫助。詳細地說就是：1、在進行科學研究時，應(yīng)當首先認識到問題的存在。例如，在研究物體的運動時，首先應(yīng)當注意到物體為什么會像它所發(fā)生的那樣進行運動，亦即物體為什么在某種條件下會運動得越來越快（加速運動），而在另一種條件下則會運行得越來越慢（減速運動）。

　　2、要把問題的非本質(zhì)方面找出來，加以剔除。例如，一個物體的味道對物體的運動是不起任何作用的。

　　3、要把你能夠找到的、同這個問題有關(guān)的全部數(shù)據(jù)都收集起來。在古代和中世紀，這一點僅僅意味著如實地對自然現(xiàn)象進行敏銳觀察。但是進入近代以后，情況就有所不同了，因為人們從那時起已經(jīng)學會去模仿各種自然現(xiàn)象，也就是說，人們已經(jīng)能夠有意地設(shè)計出種種不同的條件來迫使物體按一定的方式運動，以便取得與該問題有關(guān)的各種數(shù)據(jù)。例如，可以有意地讓一些球從一些斜面上滾下來；這樣做時，既可以用各種大小不同的球，也可以改變球的表面性質(zhì)或者改變斜面的傾斜度，等等。這種有意設(shè)計出來的情況就是實驗，而實驗對近代科學起的作用是如此之大，以致人們常常把它稱為“實驗科學”，以區(qū)別于古希臘的科學。

　　4、有了這些收集起來的數(shù)據(jù)，就可以作出某種初步的概括，以便盡可能簡明地對它們加以說明，亦即用某種簡明扼要的語言或者某種數(shù)學關(guān)系式來加以概括。這也就是假設(shè)或假說。

　　5、有了假說以后，你就可以對你以前未打算進行的實驗的結(jié)果作出推測。下一步，你便可以著手進行這些實驗，看看你的假說是否成立。6、如果實驗獲得了預(yù)期的結(jié)果，那么，你的假說便得到了強有力的事實依據(jù)，并可能成為一種理論，甚至成為一條“自然定律”。作者說，以上是一種理想的科學研究方法。但是在真正的實踐中，科學工作者并不需要像做一套柔軟體操那樣一步一步地進行下去，而且他們通常也不這樣做。

　　作者指出，比起旁的事情來，像直覺、洞察力甚至運氣這一類因素常常更起作用。然而這不是說，一切都是憑好運氣得來的，有些人之所以會碰上這樣的“好運氣”，只是因為他們具有十分敏銳的直覺，而這種敏銳的直覺則是依靠他們豐富的經(jīng)驗、深刻的理解力和平時愛動腦筋換來的。作者在解釋細菌、微生物、菌株和病毒有什么不同時說，細菌是一種單細胞生物體，生物學家把這種生物歸入“裂殖菌類”。細菌細胞的細胞壁非常像普通植物細胞的細胞壁，但沒有葉綠素。因此，細菌往往與其他缺乏葉綠素的植物結(jié)成團塊，并被看作屬于“真菌”。細菌因為特別小而區(qū)別于其他植物細胞。實際上，細菌也包括存在著的最小的細胞。此外，細菌沒有明顯的核，而具有分散在整個細胞內(nèi)的核物質(zhì)。因此，細菌有時與稱為“藍綠藻”的簡單植物細胞結(jié)成團塊，藍綠藻也有分散的核物質(zhì)，但它還有葉綠素。

　　作者認為，“微生物”，恰當?shù)卣f，是指任何一種形式的微觀生命。“菌株”一詞用得更加普遍，因為它指的是任何一點小的生命，甚至是一個稍大一點的生物的一部分。例如，包含著實際生命組成部分的一個種子的那個部分就是胚芽，因此我們說“小麥胚芽”。此外，卵細胞和精子（載著最終將發(fā)育成一個完整生物的極小生命火花）都稱為“生殖細胞”。然而，在一般情況下，微生物和菌株都用來作為細菌的同義詞；而且確實尤其適用于致病的細菌。“病毒”一詞來自拉丁文，其含義是“毒”。這可以追溯到生物學家還不能確切地知道病毒為何物的時候，那時他們只知道某些制劑含有能致病的東西。病毒不同于細菌，也不同于其他一切生物，因為它不是由細胞所組成。它比一個細胞小得多，僅僅有一個大分子那樣大。它是由一個周圍被一層蛋白包著的核酸圈所構(gòu)成。就這點來說，它很像細胞的染色體，因此我們幾乎可以把病毒看作是“不受拘束的染色體”。病毒不像細菌，它們?nèi)狈Κ毩⑸畹哪芰ΑＫ鼈儍H僅能夠在細胞內(nèi)繁殖。所有的病毒都是寄生的。在某些情況下，它們造成的損害也許不明顯；但在另一些情況下，則會造成嚴重的疾病。

　　作者還簡單扼要地解釋了愛因斯坦的相對論。

　　牛頓在17世紀80年代首次總結(jié)出了物體的運動定律。根據(jù)這些定律，不同的運動可以按照簡單的算術(shù)法則相加起來。假設(shè)有一列火車以每小時20公里的速度從你身邊駛過，而車上又有個孩子以每小時20公里的速度向列車行進方向拋擲一只小球。在和列車一起前進的這個孩子看來，小球的速度是每小時20公里。而在你看來，火車的運動要和小球的運動加在一起，結(jié)果，小球就以每小時40公里的速度運動了。所以，不能單單就小球來確定它的速度。速度是相對于某個特定觀察者而言的。任何一種試圖解釋速度（及有關(guān)的其它現(xiàn)象）在不同觀察者看來的變化情況的運動理論，都是一種“相對論”。

　　愛因斯坦的與眾不同的相對論源于這樣一件事實：在火車上扔小球的這種做法，似乎對于光就不再適用了。光是能夠順著或逆著地球的運動方向運動的。在前一種情況下，它似乎會傳播得比后一種情況下快。這正像飛機在順風飛行時相對于地面的速度要比逆風飛行時高一些一樣。然而，對光速所進行的最精密的測量表明，無論發(fā)光的光源如何運動，光速永遠是不變的。因此，愛因斯坦宣稱：假設(shè)光在真空里的速度已經(jīng)測得，那么，它將永遠保持這個速度不變（每秒30萬公里），在任何情況下都是如此。對于這一設(shè)想，宇宙間的各種定律相應(yīng)地又該怎樣安排呢？愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，為了保證光速是一個恒量，人們必須接受許許多多出乎意料的事情。他發(fā)現(xiàn)，隨著物體運動速度的增加，物體在運動方向上會變得越來越短，直到在達到光速時，長度變到零為止；與此同時，物體的質(zhì)量會變得越來越大，在達到光速時，質(zhì)量會變?yōu)闊o窮大。他還發(fā)現(xiàn)，當物體的運動速度越來越小時，在運動物體上時間流逝的速度也會不斷減小，而在達到光速時，時間就會完全停止。他又發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量等價于一定的能量，能量也等價于一定的質(zhì)量，等等。他把上述對勻速運動物體的所有規(guī)律歸納起來，并于1905年以“狹義相對論”的名稱予以發(fā)表。1915年，他又在討論變速運動物體的規(guī)律方面得出了更為深奧的結(jié)果，同時還對引力作用進行了一番新的表述。這些成果被稱為“廣義相對論”。對此，作者認為，只有當物體有很大的運動速度時，愛因斯坦所預(yù)言的某些變化才能被人們所察覺。亞原子粒子就有這樣的速度。人們對亞原子粒子進行觀測，發(fā)現(xiàn)愛因斯坦的預(yù)言是正確的，而且還是十分正確的。如果愛因斯坦的相對論是錯誤的，我們那些轟擊原子的裝置就無法運轉(zhuǎn)，原子彈也不會爆炸，某些天文觀測也無法進行了。

　　不過，作者指出，在通常的速度下，愛因斯坦所預(yù)言的各種效應(yīng)都是極小的，因此可以被忽略掉。這時，牛頓定律的簡單的算術(shù)加法就起作用了。由于在我們所處的環(huán)境中，牛頓定律總是適用的，因此，它們被我們看作是一種“常識”。而愛因斯坦的定律卻被看成“不可思議的”。作者在解釋夸克是什么東西時說，夸克這個概念，是由于最近25年來發(fā)現(xiàn)了7百多種不同的亞原子粒子才產(chǎn)生出來的。確實，其中只有很少幾種粒子能夠維持到十億分之一秒才發(fā)生衰變，但是，僅僅存在著這些粒子的事實本身，就夠物理學家傷腦筋了。為什么會有這么許多粒子，而且每一種粒子都與別種粒子不相同呢？作者猜測，事情會不會是這樣：這些不同的粒子可能組成幾個大家族，并且每個家族內(nèi)的許多粒子可能按照非常有規(guī)律的方式彼此有些差異？要是這樣的話，就只需要考慮到少數(shù)幾個粒子家族的存在，而無需把每一種粒子一一分別考慮了。這時，在看來似乎雜亂無章的亞原子叢林里，就會建之起某種秩序來了。

　　1961年，美國物理學家蓋爾曼和以色列物理學家尼門分別研究出一種把粒子歸入這樣一些家族的辦法。蓋爾曼甚至還提出，有一個粒子族應(yīng)該包括一種他稱之為負ω粒子的東西———這是一種具有非常奇特的、極不尋常的性質(zhì)的粒子，但人們從來沒有碰到過它。不過，物理學家只要知道它按照假設(shè)應(yīng)該會有什么樣的性質(zhì)，他們就知道該怎樣去尋找它了。結(jié)果，他們在1964年發(fā)現(xiàn)了這種粒子，并且發(fā)現(xiàn)它的性質(zhì)正好與蓋爾曼對它的描繪一模一樣。

　　蓋爾曼在研究他那些粒子家族時想到，說不定所有各種不同的亞原子粒子會是由很少幾種更為簡單的粒子結(jié)合而成的。如果真是這樣，那可就會把我們對宇宙的看法大大簡化。在他看來，只要假定存在著三種不同的、具有特定性質(zhì)的亞原子粒子，就可以按不同的方式把它們組合起來，得出已知的所有各種亞原子粒子。

　　由于要用三個這種假設(shè)的粒子結(jié)合起來，才能構(gòu)成一個已知的粒子，蓋爾曼就想起了作家喬伊斯的《芬尼根斯·韋克》中的一句話：“三個夸克才頂?shù)蒙弦粋€馬克?！币虼?，蓋爾曼就把這些假設(shè)中的粒子命名為“夸克”?？淇说亩€令人驚奇之處，就是它們應(yīng)該帶有非整數(shù)電荷。所有已知的電荷不外以下幾種情況：或者等于電子的電荷（－1），或者等于質(zhì)子的電荷（＋1），再不然，就是正好等于這兩種電荷的若干倍。但是，p夸克的電荷只有＋2/3，n夸克和λ夸克的電荷只有－1/3。這樣，一個質(zhì)子將由一個n夸克和兩個p夸克構(gòu)成，一個中子則由兩個n夸克和一個p夸克構(gòu)成，余者依此類推。

　　自從蓋爾曼第一次提出存在夸克粒子以來，物理學家就一直千方百計想找到夸克存在的跡象，但卻沒有成功。1969年，澳大利亞有人報道說，已經(jīng)在宇宙線碰撞所產(chǎn)生的粒子簇射中，找到了帶非整數(shù)電荷的粒子的徑跡。不過，它的證據(jù)看起來非常玄，所以，大多數(shù)物理學家對這個報道都持懷疑態(tài)度。（編者注：2000年2月，歐洲核子中心（CERN）的科學家宣布，他們成功地在實驗室中模擬微型的“宇宙大爆炸”，從中獲得證據(jù)表明，存在一種新的物質(zhì)形態(tài)———“夸克膠子漿”。）作者最后一個問題是：衰老的目的是什么？

　　衰老和死亡是不可避免的。像人這樣的生物實際上注定要變老和死亡，因為人類的細胞似乎由它們的基因“編制了程序”，逐漸地經(jīng)受著與時俱進的稱為衰老的那些變化。

　　那么作者提出疑問：衰老有某種用處嗎？衰老有什么益處呢？生命的最驚人的特性，除了單純的生存之外，就是它的適應(yīng)性。在陸地上、海洋里和空氣里有生物；在溫泉里、咸水里、沙漠上、叢林里和兩極的荒蕪地區(qū)里以至各處都有生物。甚至可能設(shè)計出我們認為在火星上和木星上存在著的那樣一些環(huán)境，并有可能發(fā)現(xiàn)在那些條件下生存的簡單生命形式。

　　為了獲得這樣的適應(yīng)性，基因結(jié)合物和基因性質(zhì)本身必須發(fā)生經(jīng)常性的變化。

　　單細胞生物進行分裂，兩個子細胞都有著原細胞所具有的基因。如果基因能夠作為完善的復(fù)制品通過一次次分裂永遠傳遞下去，那么，原細胞的性質(zhì)就決不會發(fā)生變化，不論它的分裂和再分裂有多么頻繁。然而，復(fù)制品并不總是那么完善；有時會發(fā)生無規(guī)的變化（“變異”），而且逐漸由母細胞產(chǎn)生不同的品系、不同的變種，最后形成物種（“進化”）。某些物種在某種環(huán)境里比其他物種能生存得更好，因此不同的物種占據(jù)著地球上不同的小環(huán)境。

　　有時，各個單細胞生物之間互相交換染色體。這種原始形式的性行為導(dǎo)致基因結(jié)合物的改變，而這又進一步加速進化發(fā)展。在多細胞動物方面，兩個生物互相合作進行有性繁殖變得越來越重要。除了變異能單獨造成變種外，不斷產(chǎn)生帶有基因———一種一些基因來自父方、一些基因來自母方的無規(guī)混合物———的幼體，也能形成變種。結(jié)果，進化的速度大大加快了，而新形成的那些物種能更容易地散布到新的小環(huán)境，或者使它們本身更好地適應(yīng)舊的小環(huán)境，從而比從前能更有效地利用小環(huán)境。因此，作者說，其關(guān)鍵就是產(chǎn)生帶有新的基因結(jié)合物的幼體。某些新的基因結(jié)合物也許很拙劣，但它們的壽命不長。那些非常有用的新的結(jié)合物能夠“成功”并排除競爭。然而為了辦得最成功，帶有“未經(jīng)改進的”基因結(jié)合物的較老的一代不應(yīng)留在這樣的環(huán)境里。可以肯定，上了年紀的生物總是會隨著時間推移而死去，有的是由于事故造成，有的是由于生命消耗殆盡所致，但可以更有效地促進這個過程。作者說，早期幾代具有預(yù)定要衰老的細胞的那些物種會更有效地促進新陳代謝。幼體就會進化得更快而且更成功。我們能看到我們周圍的生物長壽所造成的不利因素。能活數(shù)千年的紅杉樹和刺毛松球幾乎滅絕了，長壽的象幾乎沒有短壽的老鼠那樣能適應(yīng)環(huán)境；或者說，長壽龜沒有壽命短的蜥蜴那樣能適應(yīng)環(huán)境。精彩語錄

　　1、有的物理學家會致力于在特定條件下進行精確的測量?；蛟S，他打算測定在某些化學反應(yīng)中所釋放出來的熱量的精確數(shù)量；或許，他打算度量某一種亞原子粒子在分裂成其他粒子、并釋放出能量時的精確方式；或許，他打算知道大腦的微弱電勢在某些藥物作用下的精確變化。在這些工作中，他都可以稱得上是位“實驗物理學家”，科學并不保證所有的問題都有答案。只有在人們獲得了足夠的資料之后，科學才能向人們提供一個作出回答的方案。

　　2、生命是怎么開始的？對于這個問題，現(xiàn)在還不能直截了當?shù)鼗卮?，因為當生命開始時，周圍還沒有人，也就沒有見證人。但我們能夠?qū)@個問題進行邏輯分析。

　　3、但生命的出現(xiàn)并不是一種奇跡，它只不過是因為各種分子沿著一條阻力最少的線索彼此結(jié)合起來而已，這一點似乎是十分肯定的，在原始地球的條件下，必然會形成生命，就像鐵在潮濕的空氣里必然會生銹那樣。在物理性質(zhì)上和化學成分上與地球相似的任何其他行星，也會不可避免地出現(xiàn)生命———盡管不一定是有智力的生命。

　　4、人體內(nèi)是否有某種周期性化學反應(yīng)？如果是這樣，生物鐘應(yīng)該隨溫度或隨藥物而變化，但它卻不是這樣。那么，它是不是與外界的一些微妙節(jié)律發(fā)生了連鎖關(guān)系的某種東西，即使去掉了陽光和溫度的變化，這種連鎖關(guān)系依然存在呢？也許是這樣。但如果是這樣，那我們也還沒有發(fā)現(xiàn)這些節(jié)律的性質(zhì)。我們能看到我們周圍的生物長壽所造成的不利因素。能活數(shù)千年的紅杉樹和刺毛松球幾乎滅絕了，長壽的象幾乎沒有短壽的老鼠那樣能適應(yīng)環(huán)境；或者說，長壽龜沒有壽命短的蜥蜴那樣能適應(yīng)環(huán)境。