宇宙的尺度

对我们周围无形世界的惊人指南。我们怎样才能了解原子有多小或银河系有多大？我们如何才能了解十亿分之一秒的短暂和十亿年的久长，地球到木星有多远的距离，氦的凝固点是多少以及原子弹爆炸会释放出多少热量？本书将通过探索我们熟悉的日常生活领域来帮助你认识这些问题的答案，并会让你瞠目结舌，极大地刺激你的想象力。这本书用非凡的趣味和洞察力，引领我们重新审视了我们周围世界的6种谱系：数字、尺寸、光、声、温度和时间。书中充满了对比、惊人的事实和趣闻轶事，以及丰富的插图、图表、照片、侧边栏。《宇宙的尺度》为我们提供了更多看待世界的维度，让我们能够用更丰富、更多层次的视角欣赏这个我们身处其中的、离奇又美丽的世界。

大卫·布拉特纳（David Blatner），以电子出版主题讲座和多部获奖科普书籍蜚声靠前，包括《神奇的π》（The Joy of Pi）和《飞行之书》（The Flying Book）。他的作品在优选已被译为14种语言，销量超百万册。他和妻子及两个儿子生活在华盛顿州西雅图郊外。

前言
人类的尺度
无所不在的谱系
无穷的灵敏度
惊奇之路
1数字
符号背后的意义
多大才算大？
数不清的数
组块
超越可能
走向负数
打破常规
2尺寸
常见单位
地球上的大尺度
伟大的超越
光
走向无穷……并超越它！
探寻微观
探究不可分割的基本粒子
尺寸取决于空间
内部空间
超越极限
3光
那不过是光的源泉
发光
有多快，有多红
一切皆是能量
离散不连续的谱系
眼中所见
光的信息
沐浴在光里
现在你明白了……
4声音
介质即信息
声音的速度
多响才算响？
那是什么频率，肯尼斯？
回声，回声
我们听不见的声音
复杂的声音
5热
测量温度
测量混乱度
降温
寻找零度
怪事来了
热情如火
绝对至高温度
创造者和破坏者
6时间
测量时间
人类时间
地质时间
宇宙时间
非常快的东西
量子时间
关于时间的问题
现在就刚刚好
从现在到永远
后记

科学与艺术拥有共同的使命——以前所未有的角度观察，从平凡的事物中发现惊喜。
——霍华德·布卢姆，美国作家

母亲常常好意提醒我，“永远不要拿你自己跟别人比，这样的比较毫无益处，只会徒增痛苦。”我明白她的意思，但比较是人类的天性，无论对象是人是事。面对一切事物，我们总会不由自主地对比、比较、筛选、区分，寻找规律，分析相似点，发现不同之处。所以我们才会拥有眼睛、耳朵、味蕾、神经细胞和大脑：这些器官帮助我们比较自己和外界事物，它是大是小，是快是慢，是热是冷。通过比较，我们得以理解这个极度复杂的世界，建立审美，组成社会。
把两样东西放到一起比较，二元性就此诞生：彼或此，零或一，黑或白。但如果想比较四个、八个乃至十六个东西，你就会开始寻找“谱系”（spetrums）：某种范围，或者说由此及彼的一个连续系统。例如，光线暗一点或亮一点，声音大一点或者小一点。观察得越仔细、测量的工具越灵敏，得出的结果就越精确，你对周围环境的了解也就越深入。
在本书中，我试图帮助大家感受六种谱系的不同尺度，这六种谱系与我们的日常生活密切相关，它们分别是数字、尺寸、光、声、热和时间。的确，除此以外可供探索的谱系还有很多——密度、重量、化学浓度（我们可以通过嗅觉和味觉去感受它），等等——但本书选择的六种谱系是科学界研究得最透彻的，同时也很好地代表了我们的日常生活。是的，在探索中我们会发现，我们必须时时比较自己和其他事物，但我相信，这样的比较不会带来痛苦，反而会令我们感到惊奇、敬畏和谦逊。

人类的尺度
道格拉斯·亚当斯在他的经典著作《银河系搭车客指南》中讲过一个故事，一支庞大的外星舰队前来袭击地球，结果他们发现自己在尺度上犯了个致命的错误：这支大军刚在公园里着陆，就被一条小狗吃掉了。虽然我们并未计划（但愿吧）发动一场星际侵略，但这个故事告诉我们：与世界互动的过程中，我们应该时常评估自己的视角和假想，这非常重要。
不幸的是，我们总是倾向于以人类的尺度为基础建立对现实的感知，忽略那些不可见、而且常常极度反直觉的广阔世界。正如生物学家理查德·道金斯所说，“我们的身体只能驾驭某个有限范围的尺寸和速度，因此，大脑也演化出了对该范围的规则认知。”让我们感觉舒适的这个范围，道金斯称之为“中间世界（Middle World）……真实世界中被视为正常的一小段；与之相对，特别小、特别大和特别快的世界都让我们感觉怪异。”中间世界包括能够轻松步行到达的距离、不超过人类平均寿命的时间以及在地球上可以感受到的温度范围，大致从冰的寒冷到火的灼热。
毫无疑问，在建筑学、人体工程学设计、零售业和娱乐业等领域，人类习惯的范围是从业者考虑的重点。但是几千年来，我们直觉地认为，世界上存在某些超越感知的东西，某些更伟大、更深远的东西。我们生活在相对温和的“中间世界”里，这个事实同时催生了萨满传统和某些最伟大的神话。按照古希腊人和古印度人的描述，我们的世界就像三明治的夹层，上下各有其他世界，分别生活着神灵和恶魔。基督教和北欧神学体系也描述了中间世界的人们向往（或恐惧）的其他世界，那些或高或低的世界隐藏在俗世的面纱之后，卓然天成。

更加触手可及的是，我们可以通过显微镜真正看到层层嵌套的世界，诠释着我们习以为常的物理学和生物学规则，但令人惊异的是，在那些世界里，某些日常的规则可能不再适用。现代望远镜让人类的视野超越了可见光的范围，不可见但能探测到的X射线、伽马射线和微波成了我们了解宇宙的工具，透过望远镜，一个比想象中更宏伟、更怪异的宇宙展现在我们面前。
在科学的引导下，我们发现，人类尺度以外的国度远比我们的中间世界丰富得多。在这个宇宙里，我们能够感知、触摸、观察、聆听甚至理解的部分都只是沧海一粟。光怪陆离、五花八门的现象很容易让我们头脑陷入混乱，要扩展想象力，理解更加宽广的世界，这并不容易。从十亿年到十亿分之一秒，从万亿个原子到万亿分之一米，是的，必须探索谱系的各个尺度，我们才能真正理解自己在宇宙中的位置。

无所不在的谱系
谱系——我所说的不仅是本书后文即将介绍的物理谱系，也包括更加广义的谱系——不仅能帮助我们分析自己所处的世界，还有其他许多用途。有了谱系，我们才能彼此交流对这个物质世界的看法，让对方明白自己想要什么。
比如说，你试图向图形设计师描述一种颜色，你可能会说：“黄色，阳光般灿烂的明黄色，就像一磅黄油那样。”在这句话里，你引入了两个谱系：色调和明亮度（或者说得更专业一点，光的频率和振幅）。谱系就像一套模型，或者一张地图，反映着我们周围（或体内）世界的某个维度。所以，如果你听到钢琴或小提琴弹出某个特定的音，你或许马上会想到另一个略高或略低的音；呷一口咖啡，你立即明白，要是它能稍微热一点儿的话，味道会更好。日常生活中的琐碎比较看似微不足道，但是，我们能在脑子里构建这样的“地图”和谱系，甚至能从已知推出未知，这正是人类头脑的惊人能力之一。

当然，就连最渺小的细菌都会简单比较外界环境的酸度，由此产生偏好，或者说基本的倾向。但是，随着生命变得越来越复杂，你能识别的谱系或类别越多，越能分辨这些谱系之间的差异，那么你对世界的理解就越深刻，交流起来越方便，生活也越丰富。说到底，在一盒8色蜡笔和一盒64色的之间，你更愿意挑哪盒来画画？
谱系能描绘的远不止物理度量，你也可以用它表达个人的价值观和审美。任何一位心理学家都会告诉你，如果你试图形容自己的愤怒程度，那么最好使用这样的句子：“如果把愤怒分为1级到10级，那么我现在大约是8级”，而不是简单使用二元化的“我很生气”和“我不生气”。当然，很多体育比赛也采用同样的评分体系，比如说，在奥运会的花样滑冰项目中，裁判会基于预先取得共识的谱系来衡量选手的技术能力和姿态——7.4分和7.8分之间有何区别，每个人都会有自己的直觉性判断；总而言之，就是后者比前者好了那么一点点。
当然，不是所有事物都能套入某个谱系。音乐的节奏可以纳入谱系，但你却无法用谱系来描绘各种乐器的音色。音色是泛音与和声的非凡组合，通过音色，我们可以分辨双簧管与小提琴，哪怕它们弹奏的是同样的音调；音色是特性，是质地，是独一无二的形状。你不能说圆有多圆，也不能说毕加索有多毕加索，所以同样地，序列不一定能成为谱系。当然，你可以把蝴蝶的生命周期刻成一把尺子，用它来衡量每一条毛毛虫，但你无法用一个参数、一个维度来描述蝴蝶，所以不存在什么“蝴蝶的谱系”。
我们最丰富的体验来自两个或两个以上谱系的碰撞。比如说，频率（音调）、振幅（响度）、时机（节奏）等因素的复杂互动构成了令人赞叹的音乐。但音乐本身不是谱系。

从另一个方面来说，某些谱系非常主观，难以衡量，例如幽默。毫无疑问，对你来说，某个笑话肯定比另一个好笑，但问题在于，就算这个笑话能逗得你把牛奶从鼻子里喷出来，那也肯定有人对它完全无动于衷；你甚至可能发现，你的孩子或父母就对它毫不感冒。精神病学家以谱系来衡量自闭症，哲学家也用谱系来衡量意识，但这些谱系都非常容易引发争议（海豚的自我意识比马强吗？），需要不断更新评估。
归根结底，谱系固然重要，但它并不比任何地图或模型更加“真实”。如果你的观察角度不对，或者自身的理解有局限，那也很容易出现谬误。天空中的太阳和月亮看起来差不多大小，但实际上太阳的直径比月亮大400倍。同样地，空气中有一点点氨你就会觉得刺鼻，但其他很多化学物你的鼻子都闻不出来，无论你多么努力吸气。显然，在讨论谱系时，我们必须保持客观的态度，不光要审视自身的经验，还要考虑以何种方法去测量、解释自己感觉到的东西。

无穷的灵敏度
我们在短暂的时间里走过了漫漫长路。仅仅在两个世纪前，我们还不知道电和磁有关；而在一个世纪前，我们还不确定宇宙中是否有其他星系存在。但20世纪以来，每个十年人类都能突破某个谱系的极限——我们从根本上拓展了宇宙的年龄和星系的数量、开始测量原子的大小、成功突破音障，甚至开始测量恒星爆炸的巨大能量。进入21世纪以后，我们继续飞速前进，但比起以前的高歌猛进、不断打破谱系极限，现在的突破变得越来越细腻，测量的灵敏度呈指数式上升。

但是，要多灵敏才算足够？当然，踢足球时百万分之一秒的误差完全无伤大雅，而若是讨论地球再过多久就会变得不适合居住，10亿年的偏差似乎也不算什么。这个道理一目了然，但仍值得我们专门提出：不管讨论的是什么谱系，根据讨论者和讨论对象的不同，它总有一个黄金范围，包括跨度和灵敏度两个方面。
旁观一位专业的音乐家摆弄乐器，你会惊讶地发现，她总能听出音高或音调的细微差别，而你却完全一无所觉。这样微妙的区别对你来说无伤大雅，但音乐家敏感的耳朵让她有能力创造出更丰富、更令人愉悦的乐音。
事实上，几乎所有的专业知识都需要一个或多个谱系更高的灵敏度。印刷工人扫一眼新闻标题就能凭直觉指出，如果把两个字母之间的距离缩小1/10毫米，整个版面看起来会更加和谐；摄影师能看出某张彩色照片需要加1%的洋红；调香师知道香调什么时候该从柑橘转为干木头或青草味。
这样的敏感看似惊人，但几乎任何人都能学会这些技巧。事实上，研究者已经证明，通过训练，人甚至能像狗一样嗅出气味痕迹。（提示：气味分子比空气重，所以要想发现它们，你最好贴着地面。）要培养这类能力，关键在于强烈的学习冲动。科学界也一样：某位生物学家可能惊叹于细胞线粒体内复杂的生物学机制，但另一位潜心研究跨大陆生态系统的学者则对此完全无动于衷。
正如英国人类学家格雷戈里·森（Gregory Bateson）曾经写的：“信息是造就了差异的差异。”为了增强灵敏度、提高能力，首先我们必须认清这一事实：差异客观存在，而且比我们想象的更加微妙。曾经有一个人告诉我，他在印刷行业工作了10年，直到最近他才发现，Times字体和Helvetica字体是有区别的——在此之前，他在工作中从不曾触及这个微妙的差别；直到某天他接到一个设计传单的任务，某扇大门轰然洞开，他头一次发现世界上竟有这么多五花八门的字体！
在婚姻中你或许会发现，有时候你的配偶觉察到的东西，你却一无所知。比如说，她会诉说你们一位共同的朋友在某个社交场合中的举动如何让她感到不适，或者抗议你的车开得太快。你也许会抱怨她“过于敏感”，但是，是否存在这样的可能性：对于某个特定谱系的细微差别，你就是不如她那么警觉？
哈勃太空望远镜刚开始把图片传回地球时，天文学家为这些照片的清晰度感到震惊，以前一直藏在迷雾中的许多东西第一次揭开了神秘的面纱。黑暗深空中模糊不清的一团原来是混在一起的好几个星系，我们对世界的理解和期待都得到了提升。我们相信，现在可供探索的东西甚至比以前更多——无论是在外部还是内部，从亚原子的领域，到速度超乎想象的世界，甚至再到最神秘幽深的维度：意识。
如果我们能造出比哈勃还要灵敏一千倍的太空望远镜，那会怎样？或者有了比现在最先进的显微镜还要灵敏一万亿倍的设备？跨宗教活动家韦恩·提士道（Wayne Teasdale）曾说，上帝“无限灵敏”。当然，无论你的信仰是宗教还是科学，这都是值得追求的终极梦想。

惊奇之路
踏上冒险的旅程之前，我必须警告你：每个谱系都会从有趣开始，随后令人肃然起敬，最后则很可能让你感到眩晕。很难想象我们在宇宙中是如此渺小而微不足道，与此同时，又是如此伟岸而不可或缺。
显然，想要触及群星，你必须脚踏实地。但是，我们该去哪儿寻找可供立足的坚实地基？这个问题不太容易回答，因为——我知道作为一个作者，在书的开头这么说不太礼貌——你太无知了。我无意冒犯，亲爱的读者；实际上我们所有人都很无知，如此而已。问题在于：傲慢的人类希望并认为自己能够弄清宇宙的所有奥秘，但实际上，我们做不到。
比如说，显而易见，所有物质都有重量，但我们却不知道这是为什么。是的，这跟引力有关，当然，但我们也不知道引力为何起效！这是个未解之谜。为什么时间总是一往无前，从不倒流？原子内部真的存在比质子还小万亿倍、不断扭动的能量之弦吗？我们不知道，而且随着时间流逝，一个事实越来越清晰：我们可能永远不会知道。
我们就像那个古老故事里的盲人，每个盲人都能描述大象的某个方面——尾巴、鼻子或腿——但谁也无法理解大象的全貌。尽管我们想方设法探索宇宙的每个角落，研发最精良的设备，但是到头来，我们也许只能看清“整头动物”的一小部分。
于是，我们不断试图突破极限、寻找答案，结果所得甚少，涌现的问题却越来越多，最前沿的科学也越来越像哲学小册子或科幻小说。三维空间真的存在吗？虽然我们从小到大一直这样坚信，但是，时间和距离是否只是一层面纱，掩藏着遥远陌生的真相，就像某种经过精心伪装的全息投影？或许印度教徒和佛教徒一直是对的，我们的整个宇宙只是“摩耶[摩耶maya，这个概念是印度教对世界最根本的看法，其基本意思是，世界是“梵”通过其幻力创造出来的，因而是不真实的，只是一种幻象。]”，是梦幻泡影；又或许柏拉图的“洞穴寓言”早已道出真相，由于感官的限制，可能也因为我们对感觉到的东西理解能力有限，所以我们看到的一切只是真实世界在墙上投下的影子。
然而，无法探知一切并不意味着我们应该停止尝试，并——顺便——享受随之而来的惊奇、敬畏、喜悦和归属感：我们也是整个神秘谱系的一部分。只要能保持好奇心，“变得像孩子一样”，不畏探索，不因所知太少而羞愧，那么在时间的长河中，我们一定能学到更多知识，发现更多秘密，积聚更强的能力——去探索谱系的广度和深度，拥抱它们带来的无限可能。