科學百科：BIG IDEAS 輕鬆讀系列

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【推薦者】
多一點好奇心，關心身邊微小的事物，下功夫去研究，您就可能成為改變世界的科學家。
徐建國（建國中學校長）

我們之所以能夠享受現代科技之福，是因為有了日新月異的科學為基...

萬有引力影響著宇宙間的一切物體：艾薩克．牛頓（1642—1727年）

「我還無法從現象中找到重力具有這些特性的原因，而且我無法臆測。」

關於艾薩克．牛頓：
艾薩克．牛頓出生於1642年的耶誕節，在格蘭瑟姆上學，後進入劍橋大學的三一學院，並於1665年畢業。牛頓一生擁有很多頭銜：劍橋大學的數學教授、皇家鑄幣廠的監管、國會議員以及皇家學會會長。除了與虎克的爭吵外，牛頓還因為誰先發明了微積分與德國數學家哥特佛萊德．萊布尼茲發生爭執。除了科學研究以外，牛頓還在煉金術和釋經學方面傾注了大量時間。他擔任的某些職位規定，履行者必須為正式任命的牧師，但作為一位虔誠的非正統基督徒，牛頓成功繞過了牧師的任命。

背景介紹：
此前
1543年 尼古拉．哥白尼提出，行星圍繞太陽而非地球運轉。
1609年 約翰尼斯．克卜勒提出，行星沿橢圓軌道繞太陽自由運轉。
1610年 伽利略的天文觀測結果證明了哥白尼的學說。

此後
1846年 約翰．伽勒在法國數學家奧本．勒維耶用牛頓定律計算出海王星的位置後，發現
了這顆行星。
1859年 奧本．勒維耶指出，水星的軌道無法用牛頓力學解釋。
1915年 在廣義相對論中，亞伯特．愛因斯坦用時空彎曲解釋了重力。

艾薩克．牛頓出生之時，以太陽為中心的宇宙模型已經被廣泛接受。在此模型中，地球
和其他行星圍繞太陽運轉，可以解釋所觀測到的太陽、地球和其他行星的運動。這一模型已不是新鮮事物，但當尼古拉．哥白尼1543年臨死前將自己的學說發表時，卻是人們關注的焦點。在哥白尼的模型中，月球以及每個行星都在各自的水晶球上圍繞太陽運轉，而這些星體「固定」在外層的天球上。這一模型後來被約翰尼斯．克卜勒於1609年提出的行星運動定律所取代。克卜勒摒棄了哥白尼的水晶天球說，並證明行星的軌道是橢圓形的，太陽位於橢圓形的焦點處。他還描述了行星運動的速度變化。

所有這些宇宙模型有一個共同的缺陷，即沒有解釋行星運動的根本原因。這正是牛頓將要解決的問題。牛頓意識到，蘋果下落時受到的力與行星圍繞太陽運轉受到的力其實是同一種力。他還用數學方法證明了這種力與距離的關係。他所採用的數學運算包括牛頓三大運動定律和萬有引力定律。

思想的轉變
數百年來，亞里斯多德的思想一直主導著科學領域，但他得出的結論從未用實驗加以證明。亞里斯多德曾說，物體只有在外力的作用下才會持續運動，重的物體比輕的物體下落快。他解釋道，重的物體落到地球上，因為它們要到達自己的自然位置。他還表示，天體是完美的，都在做等速圓周運動。

伽利略．伽利萊運用實驗提出了另外一套思想。通過觀察球在斜面上的運動，他證明如果空氣阻力很小，物體下落的速度是相同的。他還指出，運動物體會一直運動下去，直到受到摩擦力等外力的作用，速度才會變慢。伽利略的慣性定律後來成為牛頓第一定律的一部分。因為日常生活中的所有物體都會受到摩擦力和空氣阻力的作用，所以我們不會立刻想到摩擦力這一概念。正是通過細緻的實驗，伽利略才得以證明，物體要保持等速運動，所需的外力只要能夠抵消摩擦力即可。

運動定律
牛頓在其感興趣的領域做過很多實驗，但是有關物體運動的實驗卻沒有記錄存留下來。不過，他的三大定律已經在很多實驗中得到了證實，只要物體的運動速度遠小於光速，定律均成立。牛頓第一定律表述如下：「任何物體都會保持靜止狀態或等速直線運動狀態，直
到外力迫使它改變運動狀態為止。」換句話說，靜止物體只有受到外力的作用才會開始運動，運動物體在沒有外力的作用下會一直以恆定的速度運動下去。這裡的速度既包括運動方向也包括運動速率。所以物體只有在外力的作用下，才會改變運動速率或運動方向。其實，重要的是合力。一輛運動汽車受到很多力的作用，包括摩擦力、空氣阻力，還有引擎驅動車輪的力。如果汽車受到的向前推力與阻力相等，那麼它所受的合力為零，會繼續保持勻速運動。

牛頓第二定律指出，物體的加速度（即速度的變化）取決於作用力的大小，通常用公式表示為F=ma，其中F表示作用力，m表示物體的質量，a表示加速度。該公式表示，作用力越大，物體的加速度越大；同時還表明，加速度的大小取決於物體的質量。在作用力一定的情況下，質量小的物體比質量大的物體加速快。

牛頓第三定律表述如下：「
作用力和反作用力總是大小相等。方向相反。」也就是說，所有的力都是成對出現的：一個物體對另一個物體施加力，另一個物體同時會對第一個物體產生一個力，這兩個力大小相等、方向相反。雖然這裡用了「作用力」一詞，但「運動」並不是這條定律成立的必要條件。這就要聯繫到牛頓對重力的思考，因為第三定律的一個例證便是物體間的萬有引力。地球吸引著月球，同時月球也以同樣大小的力吸引著地球。

萬有引力定律
1660年代末，為了躲避劍橋肆虐的瘟疫，牛頓回到伍爾索普村待了幾年。當時，有人提出，太陽對物體具有一種引力，引力的大小與兩者之間的距離成反比。換句話說，如果太陽與某物體之間的距離增加一倍，兩者之間的引力就變為原來的1/4。不過，當時並沒有人想到，在地球這樣大的物體表面，這條規則也同樣適用。

牛頓看到蘋果從樹上落下後推斷，一定是地球吸引了蘋果。因為蘋果總是垂直落向地面，其下落的方向是指向地心的，所以，地球和蘋果之間的引力彷彿源自地心。這些想法為後來將太陽和行星當成質點奠定了基礎，
這樣一來，距離可由兩個物體的中心連線測得， 從而簡化了運算。牛頓認為，沒有理由將蘋果下落時受到的力與行星圍繞太陽運轉受到的力看作不同的力。因此，重力是普遍存在的。

如果把牛頓的萬有引力定律用於落體運動，M1是地球的質量，M2是落體的質量，那麼落體的質量越大，受到的向下的引力就越大。但是，牛頓第二定律告訴我們，在作用力一定的情況下，質量大的物體的加速度小於質量小的物體，所以，質量大的物體要獲得相同加速度需要的作用力更大，而且在沒有空氣阻力等其他外力的干擾下，所有物體的下降速度是相同的。在沒有空氣阻力的條件下，鐵錘和羽毛下落的速度相同，這一事實最終於1971年由太空人大衛．史考特證實。史考特在執行阿波羅15號任務時在月球表面做了這個實驗。

牛頓在《自然哲學的數學原理》一書的初稿中，曾描述了一個有關行星運行軌道的想像實驗。他假設在一個很高的山頂放置一門大炮，以越來越快的速度發射炮彈，炮彈發射的速度越快，射出的距離越遠。如果發射速度足夠大，炮彈將不會落到地面，而是圍繞地球飛行，最終回到山頂。同樣道理，如果人造衛星以合適的速度發射進入軌道，它將
持續圍繞地球運轉。因為地球的重力，衛星會不斷加速。衛星之所以圍繞地球運轉，而不會沿直線飛向太空，是因為它以恆定的速率運行，但方向時刻在變。在這種情況下，地球重力改變的僅僅是衛星運行速度的方向，而非速率。

公之於眾
1684年，羅伯特．虎克向他的朋友愛德蒙．哈雷和克里斯多佛．雷恩（Christopher Wren）誇耀，自己發現了行星運動定律。哈雷也是牛頓的朋友，於是向牛頓詢問此事。牛頓表示，自己已經解決了這個問題，但是把筆記弄丟了。哈雷鼓勵牛頓重做一遍， 因此牛頓撰寫了《物體在軌道中的運動》，這本簡短的書稿於1684年寄往英國皇家學會。在此書裡，牛頓指出，克卜勒提出行星沿橢圓軌道運行，其原因是太陽對萬物都有引力。該引力與太陽和物體之間的距離成反比。牛頓在三卷本《自然哲學的數學原理》一書中詳細闡述了這一理論，並加入了其他有關力和運動的研究，萬有引力定律、牛頓三大定律等都涵蓋其中。這套書最初以拉丁文寫成，直到1729年才根據此書的第三版翻譯成英文出版。


虎克批評過牛頓的光學理論，二人曾因此爭吵。牛頓的文章發表後，虎克的大部分行星運動研究都顯得相形見絀。其實，虎克並非唯一一個提出光的波動理論的人，但他卻沒有證明自己理論的正確性。牛頓則證明，他的萬有引力定律可以從數學角度描述行星和彗星的軌道，並且這些描述與觀測結果相符。

將信將疑
牛頓的萬有引力定律並沒有被所有人接受。牛頓雖然提出了萬有引力的「超距作用」，但卻未能解釋背後的原因，因此他的理論被視為「神祕的」。牛頓本人並不願意思考重力的本質，因為對他而言，自己提出了重力與距離的平方成反比的定律，該定律既然能夠解釋行星運動，就證明其運用的數學方法是正確的，這就足夠了。不過，沒過多久牛頓定律就被廣為接受，因為它可以解釋很多現象。如今，國際單位制中力的單位就是以牛頓命名的。

公式的應用
愛德蒙．哈雷運用牛頓公式計算了1682年出現的一顆彗星的軌道，並證明這顆彗星與1531年和1607年觀測到的彗星是同一顆，因此這顆彗星被稱為「哈雷彗星」。哈雷預言，這顆彗星將於1758年回歸，而預言得到證實之時他已經離世16年了。這是歷史上第一次證明
彗星圍繞太陽運轉。哈雷彗星每隔75-76年經過地球一次，這顆彗星就是1066年英格蘭南部赫斯廷斯戰役之前出現的那顆。

牛頓的公式還幫助天文學家發現了一顆新的行星。1781年，威廉．赫歇爾（William Herschel）觀測夜空時，偶然發現了一顆行星，這就是距離太陽第七遠的行星─天王星。天文學家通過進一步觀測，計算出了天王星的軌道，並編制星表預測了它未來出現的位置。這些預測並非完全正確，但天文學家由此想到，天王星之外肯定還有一顆行星，它的重力影響了天王星的軌道。到1845年，天文學家計算出第八顆行星在天空中的位置，並於1846年發現了海王星。

理論之瑕
對於一顆沿橢圓軌道運行的行星而言，離太陽最近的點被稱為「近日點」。如果只有一顆行星圍繞太陽運轉，那麼其軌道的近日點將保持不變。但是，太陽系的所有行星都會互相影響，因此它們的近日點會圍繞太陽進動（旋進）。像所有其他行星一樣，水星的近日點也會出現歲差進動現象，但用牛頓公式卻無法做出全面的解釋。1859年，這一問題尚未得到解決。50多年後，愛因斯坦的廣義相對論指出，重力引起了時空彎曲。以這一理論為基礎的計算解釋了水星軌道的歲差進動現象，以及牛頓定律無法解釋的其他觀測現象。

今天的牛頓定律
牛頓定律構成了古典力學的基礎，古典力學的公式可以用來計算力和運動。雖然這些公式已被愛因斯坦相對論中的公式所取代，但只要所涉速度遠小於光速，這兩套定律並不矛盾。因此，設計飛機或汽車、計算摩天大樓各組成部分的強度，古典力學的公式不僅足夠精確，而且十分簡單。嚴格來講，牛頓力學可能並非百分之百準確，但仍被廣泛使用。


通用圖靈機：阿蘭．圖靈（1912—1954年）

「如果電腦能夠讓人們相信它是一個人，那麼它就稱得上是智慧的。」

關於阿蘭．圖靈：
圖靈1912年生於倫敦，上學時便在數學方面展露出驚人的天賦。1934年，圖靈獲得劍橋大學國王學院的一等數學學位，研究方向為機率論。1936-1938年，圖靈在美國普林斯頓大學學習，並提出了通用電腦的理論。第二次世界大戰期間，圖靈設計並建立了一台功能齊全的電腦，即炸彈機（Bombe），破譯了德國恩尼格瑪機（Enigma）的密碼。此外，圖靈對量子論、生物身上的圖案和樣式很感興趣。1945年，他搬到倫敦的國家物理實驗室，後來又遷往曼徹斯特大學展開電腦專案。1952年，他因自己的同性戀行為身心疲憊（同性戀在當時屬於非法行為），兩年後死於氰化物中毒，這很可能是自殺行為，而非意外事故。2013
年，圖靈終於獲得平反。

背景介紹：
此前
1906年 美國電機工程師李．德富雷斯特發明了三極管。這是早期電子電腦的重要組成部
分。
1928年 德國數學家大衛．希伯特提出「決策問題」，即演算法能否處理輸入的所有數學命
題。

此後
1943年 根據圖靈的一些解碼概念，真空管巨人電腦在布萊切利園落成。
1945年 美籍數學家約翰．馮．諾依曼描述了現代內儲程式電腦的基本邏輯結構。
1946年 第一台多用途可程式設計電子電腦「埃尼阿克」（ENIAC）誕生，其部分概念源自
圖靈機。

假設按升冪排列1000個隨機的數字，比如520,74,2395,4,999,……有種自動程式可以助你一臂之力。例如：A.比較前兩個數字；B.如果第二個數字小，調換兩個數字的位置，回到A.，如果兩個數位相等或第二數位更大，執行C.；C.將上一對的第二個數字作為新一對的第一個數字。如果後面還有數字，將它作為新一對的第二個數字，回到B.，如果後面沒有數位，演算法結束。這一套指令就是一個序列，即演算法。演算法從一個初始狀態開始，接收資料，即輸入，進行有限次運算後得出一個結果，即輸出。這種理念與現今的任何電腦程式很相似。1936年，英國數學家和邏輯學家阿蘭．圖靈構想一台能夠執行這些程式的機器時，
首次採用了這種演算法。他發明的電腦現在稱為圖靈機。圖靈的研究最開始只是理論層面的，是一種邏輯上的計算。他很喜歡將數字問題轉化為最簡單、最基礎的自動計算形式。

自動機
為了實現這種演算法，圖靈設想了一種機器，即自動機。它包括一條很長的紙帶，上面分為若干個方格，每個方格裡有一個數位、字母或符號，同時還包括一個讀寫頭。指令都存放在控制規則中，當讀寫頭閱讀一個方格裡的符號時，會根據規則選擇擦掉它重寫一個，或是保持原樣。接下來，讀寫頭會移向左邊或右邊的方格，然後重複這一步驟。每次結束後，機器的構形都會發生變化，紙帶上的符號也會呈現出新的序列。

整個過程好比前文的排序演算法。這個演算法只能解決一種任務，所以圖靈以此類推構思了一系列機器，每個機器具有一套指令，可以解決一種問題。他補充道：「我們只有做到可以將一套規則取出，換上另一套，才能做出類似於通用電腦的機器。」

這種裝置我們現在稱之為通用圖靈機，它具有無限的儲存空間（即記憶體），既包含指令又包含資料，因此可以類比任何圖靈機。圖靈當時所說的「變更規則」，我們現在稱之為「程式設計」。可以說，圖靈首次提出了可程式設計電腦的概念，在輸入、資訊處理和輸出的基礎上，這種電腦能夠處理多種任務。

萬有引力影響著宇宙間的一切物體：艾薩克．牛頓（1642—1727年）

「我還無法從現象中找到重力具有這些特性的原因，而且我無法臆測。」

關於艾薩克．牛頓：
艾薩克．牛頓出生於1642年的耶誕節，在格蘭瑟姆上學，後進入劍橋大學的三一學院，並於1665年畢業。牛頓一生擁有很多頭銜：劍橋大學的數學教授、皇家鑄幣廠的監管、國會議員以及皇家學會會長。除了與虎克的爭吵外，牛頓還因為誰先發明了微積分與德國數學家哥特佛萊德．萊布尼茲發生爭執。除了科學研究以外，牛頓還在煉金術和釋經學方面傾注了大量時間。他擔任的某些職位規定，...

科學是一個尋找真理的持續過程，一次發現宇宙運行方式的永恆之旅。而人們對宇宙的
探索可以追溯到文明伊始。在人類好奇心的驅使下，科學一直依靠的都是人們的推理、觀察和實驗。古希臘最著名的哲學家亞里斯多德著作頗豐，涵蓋科學領域的諸多學科，為後來的很多科學成就奠定了基礎。雖然他也非常善於觀察自然，但依靠的卻是思考和辯論，從不做任何實驗；因此，他做出了很多錯誤結論。例如，他曾斷言，重的物體比輕的物體下落速度快；如果一個物體比另一個物體重一倍，下落速度也將快一倍。雖然這些結論是錯誤的，但當時並沒有人提出質疑，直到1590年才被伽利略．伽利萊推翻。我們現在清楚地知道，一位合格的科學家必須依靠實驗證據，但當時還未有人意識到。

科學方法
17世紀初，英國哲學家法蘭西斯．培根率先提出了一個有關科學的邏輯體系。他的科學方法建立在早他600年的阿拉伯科學家海什木及之後的法國哲學家勒內．笛卡兒的研究基礎上。該方法要求科學家先進行觀察，然後形成理論，以解釋觀察到的現象，最後再通過實驗驗證理論正確與否。如果理論看似正確，則將實驗結果交給同行評審。這時，會邀請相同或相近領域的人士前來，或指出漏洞，進而證明理論有誤；或重複實驗，以確保實驗結果正確。

做出可以驗證的假設或預測總是不無裨益。1682年，英國天文學家愛德蒙．哈雷觀測到了一顆彗星。他發現，這顆彗星與1531年和1607年觀測到的彗星很像，並提出這三次出現的彗星其實是同一顆。他預言，這顆彗星將於1758年再次出現，結果證明他的預言是正確的。現在，我們稱這顆彗星為「哈雷彗星」。因為天文學家幾乎無法做實驗，所以證據只能源自觀察。

實驗可以用來檢驗一條理論，也可以完全是推測性的。有一次，物理學家歐尼斯特．拉塞福的學生正在用α粒子轟擊金箔，以期觀察到輕微的偏轉。拉塞福觀察學生的實驗時，建議他們把探測器放在α粒子放射源旁邊，結果竟然發現有些α粒子從薄如紙張的金箔上彈了回來。拉塞福表示，這就彷彿是炮彈從薄紙上彈了回來，由此激發了他對原子結構的猜想。

如果科學家在提出新的原理或理論的同時，能夠預測結果，那麼實驗將會更加引人入勝。如果實驗與預測結果一樣，科學家就有了支撐該理論的證據。但即便如此，科學永遠無法證明一條理論是正確的。正如20世紀的科學哲學家卡爾．波普爾所言，科學只能證明理論是錯誤的。能夠得出預期結果的每項實驗都將成為一個支持性證據，但只要有一項實驗失敗，就足以摧毀整個理論。數百年來，地心說、四體液說、燃素說以及神奇介質「以太」等人們長期以來一直認為正確的概念都被證明是錯誤的，並被新的理論取代。但是，這些新理論也僅僅是理論而已，有朝一日也有被推翻的可能。不過，這些理論畢竟有證據支撐，所以大多數情況下被推翻的概率較小。

思想的進程
科學很少會按照簡單、有邏輯的步伐前進。獨立工作的多位科學家可能會同時發現同一科學奧祕，但從某種程度上說，幾乎每一次科學進步都建立在前人的研究和理論基礎上。建造大型強子對撞機的一個原因是為了尋找希格斯粒子。在此之前的40年，也就是1964年，物理學家曾預言希格斯粒子的存在。這一預言則建立在對原子結構數十年的理論研究基礎上，可以追溯到拉塞福以及1920年代丹麥物理學家尼爾斯．波耳的研究。而他們的研究則取決於1897年電子的發現，而電子的發現又取決於1869年陰極射線的發現。但是，如果沒有真空泵的發明，沒有1799年電池的面世，這一切也只能是泡影。如果繼續追憶，這一鏈條還可以再回溯幾十年，甚至上百年。英國偉大的物理學家艾薩克．牛頓有這樣一句名言：「如果說我比別人看得更遠，那是因為我站在了巨人的肩膀上。」

第一批科學家
西元前6世紀到5世紀，古希臘活躍著史上最早一批擁有科學觀的哲學家。西元前585年，米利都的泰勒斯成功預言日食的出現。50年後，畢達哥拉斯在現為義大利南部的地方建立了一所數學學校。色諾芬尼在山上發現貝殼後，推論整個地球可能曾經被大海覆蓋。

觀星人
與此同時，印度、中國和地中海的人們正試圖弄清楚天體的運動。他們繪製了星象圖，有時也將其用於航海，還給星星和星群命名。他們發現，對比那些「位置不動」的星星，有些星星的運行軌跡是不規則的。希臘人將這些遊動的星星稱為「行星」。中國人在西元前240年觀測到了哈雷彗星，1054年觀測到了超新星，也就是我們今天所說的蟹狀星雲。

智慧宮
西元8世紀末，阿拔斯王國在新的都城巴格達建立了智慧宮，這是一座宏偉的圖書館，促進了伊斯蘭科技的快速發展。當時發明了很多精巧的機械裝置，包括利用星位的航海裝置─星盤。煉金術空前繁榮，蒸餾等技術紛紛出現。圖書館的學者從希臘和印度收集了所有最重要的書籍，並將之翻譯成阿拉伯語。後來，西方國家再次發現了古人的著作，並學習源自印度包括0在內的阿拉伯數字。

現代科學的誕生
隨著西方國家基督教會與科學真理的對立開始減弱，1543年出現了兩本開創性的圖書。比利時解剖學家安德雷亞斯．維薩里的《人體的構造》一書用精緻繪圖描述了人體解剖。同年，波蘭物理學家尼古拉．哥白尼撰寫了《天體運行論》一書，宣稱太陽是宇宙的中心，從而推翻了托勒密一千多年前在亞歷山大城提出的地心說。1600年，英國醫生威廉．吉爾伯特撰寫了《論磁》一書，解釋說羅盤的指標之所以指向北，是因為地球本身就是一塊巨大的磁石。他甚至認為，地核是由鐵構成的。1623年，另一位英國醫生威廉．哈維次指出心臟像泵一樣工作，驅動血液在體內循環，從而推翻了可以追溯到1400年前希臘醫生蓋倫的理論。1660年代，英裔愛爾蘭化學家勞勃．波以耳出版了多本著作，《懷疑派化學家》就是其中一本。他在此書中確定了一種化學元素，這標誌著化學的誕生。化學雖然源自神祕的煉金術，但作為一門科學自此與之區分開來。

1665年，曾做過波以耳助手的羅伯特．虎克出版了史上第一本科學暢銷書《顯微術》。書中精美的折疊式插圖上畫有跳蚤、蒼蠅眼睛等物體，為人們打開了一個聞所未聞的微觀世界。之後，在1687年，一本被很多人視為世上最重要的科學書籍橫空出世，那就是牛頓的《自然哲學的數學原理》，通常簡稱為《原理》。他提出的運動定律和萬有引力定律為經典物理學奠定了基礎。

元素、原子和演化論
18世紀， 法國化學家安東萬．拉瓦節發現了氧氣在燃燒中的作用，推翻了之前的燃素說。隨後，很多氣體及其特性得到了研究。正是受到大氣中氣體的啟發，英國氣象學家約翰．道耳吞提出每種元素都由不同的原子組成，並得出了原子量的概念。後來，德國化學家奧古斯特．凱庫勒建立了分子結構的基礎，而俄國發明家德米特里．門得列夫列出了第一個被人們廣為接受的元素週期表。

1799年，亞歷山卓．伏打在義大利發明了電池，為科學開闢了新的領域。在這些領域，丹麥物理學家漢斯．克海斯提安．厄斯特以及同一時代的英國人麥可．法拉第發現了新的元素和電磁學，從而發明了電動機。與此同時，人們用經典物理學原理研究大氣、星體、光速以及熱的本質，最後建立了熱力學這門學科。

研究岩層的地質學家開始重現地球的過去；因為滅絕生物化石的發現，古生物學流行起來；英國一位未受過教育的女孩瑪麗．安寧成為聞名世界的化石收集者。恐龍的發現激發了人們關於演化的想法，生命起源和生態的新理論也隨之出現，其中最著名的當屬英國自然學家查爾斯．達爾文的演化論。

不確定性和無限性
19世紀和20世紀之交，一位名叫亞伯特．愛因斯坦的德國年輕人提出了相對論，撼動了經典物理學，結束了絕對時空觀的時代。新的原子模型出現，人們證明光既是一種粒子，也是一種波。另一位德國人維爾納．海森堡證明了宇宙測不準的不確定性。

然而，20世紀最受矚目的卻是技術進步促進科學以史無前例的速度向前發展，並且精準度越來越高。更強大的粒子對撞機發現了更為基礎的物質組成單元；更強大的望遠鏡告訴我們宇宙在不斷膨脹，且源於大爆炸（霹靂）；黑洞的概念開始根深蒂固；無論暗物質和暗能量為何物，宇宙似乎都被它們所充滿。天文學家開始探索新的世界─圍繞遙遠恆星運動的行星中，或許哪一顆上就有生命存在。英國數學家阿蘭．圖靈提出了圖靈機的概念，50年後我們就有了個人電腦、全球資訊網和智慧手機。

生命的奧祕
在生物學領域，染色體被證明是遺傳的基礎，DNA的化學結構也被成功解碼。僅僅40年之後，人類基因體計畫就正式啟動，這項計畫看起來任重道遠，但在電腦的輔助下，進展越來越快。現在，DNA測序基本上已屬於一項常規的實驗室操作；基因治療已從希望變為現實；第一隻哺乳動物也已成功選殖複製。

隨著科學家在各種研究成果的基礎上不斷前進，對真理的探尋也將永不止步。雖然問題似乎永遠都多於答案，但未來的發現肯定會繼續讓人驚歎不已。

科學是一個尋找真理的持續過程，一次發現宇宙運行方式的永恆之旅。而人們對宇宙的
探索可以追溯到文明伊始。在人類好奇心的驅使下，科學一直依靠的都是人們的推理、觀察和實驗。古希臘最著名的哲學家亞里斯多德著作頗豐，涵蓋科學領域的諸多學科，為後來的很多科學成就奠定了基礎。雖然他也非常善於觀察自然，但依靠的卻是思考和辯論，從不做任何實驗；因此，他做出了很多錯誤結論。例如，他曾斷言，重的物體比輕的物體下落速度快；如果一個物體比另一個物體重一倍，下落速度也將快一倍。雖然這些結論是錯誤的，但當時並沒有人提出質疑，...

前言

科學的開端：西元前600年—西元1400年
日食是可以預測的：米利都的泰勒斯
萬物的四根：恩培多克勒
測量地球的周長：埃拉托斯特尼
人類與低等生物的關係：圖西

科學革命：1400年—1700年
太陽是萬物的中心：尼古拉．哥白尼
行星沿橢圓軌道運行：約翰尼斯．克卜勒
自由落體運動的加速度相同：伽利略．伽利萊
地球是一塊巨大的磁石：威廉．吉爾伯特
爭論不如實驗：法蘭西斯．培根
感受空氣的彈性：勞勃．波以耳
光是粒子還是波？：克里斯蒂安．惠更斯
首次觀測金星凌日：傑雷米亞．霍羅克斯
生物體經歷的不同育成階段：簡．施旺麥丹
一切生物都由細胞組成：羅伯特．虎克
層層堆疊的岩層：尼古拉斯．史坦諾
顯微鏡下的微生物：安東尼．范．雷文霍克
測量光速：奧勒．羅默
一個物種不可能起源於另一物種：約翰．雷
萬有引力影響著宇宙間的一切物體：艾薩克．牛頓

開拓領域：1700年—1800年
大自然不會快速向前發展：卡爾．林奈
水汽化吸收的熱量並沒有消失：約瑟夫．布拉克
可燃氣體：亨利．卡文迪西 赤道附近風向偏東：喬治．哈德里
佛羅里達灣強大的洋流：班傑明．富蘭克林
脫燃素空氣：約瑟夫．普利士利
自然界中，物質不會憑空產生或消失而是相互轉化：安東萬．拉瓦節
植物的重量來自空氣：簡．英恩浩斯
新行星的發現：威廉．赫歇爾
光速變慢：約翰．米歇爾
流動的電流體：亞歷山卓．伏打
看不到開始，也望不到終點：詹姆斯．赫頓
高山的引力：內維爾．馬斯基林
自然之謎：花的結構和受精：克利斯蒂安．施普倫格爾
元素總是以一定比例化合：約瑟夫．普魯斯特

百年進步：1800年—1900年
陽光下極易操作的實驗：湯瑪斯．楊
確定基本粒子的相對重量：約翰．道耳吞
電流的化學效應：漢弗里．戴維
繪製國家地質圖：威廉．史密斯
她知道骨化石屬於哪一族：瑪麗．安寧
後天性狀的遺傳：讓．巴蒂斯特．拉馬克
每種化合物都有兩個部分：約恩斯．雅各．貝吉里斯
電流的作用並不限於導線內：漢斯．克海斯提安．厄斯特
有一天，你會對此徵稅的：麥可．法拉第
熱量能夠穿透宇宙中的一切物質：約瑟夫．傅立葉
無機物人工合成有機物：弗里德里希．烏勒
風從不直著吹：古斯塔夫．加斯帕爾．科里奧利
論雙星的顏色：克利斯蒂安．都卜勒
冰河是上帝的偉大工具：路易士．阿格西
自然界是一個統一的整體：亞歷山大．馮．洪堡
光在水中的速度小於在空氣中的速度：萊昂．傅科
生命力也許可以轉化為熱量：詹姆斯．焦耳
分子運動的統計分析：路德維希．波茲曼
發明塑膠並非我的本意：利奧．貝克蘭
物競天擇：查爾斯．達爾文
天氣預報：羅伯特．費茲羅伊
一切生命均來自生命：路易．巴斯德
蛇咬住了自己的尾巴：奧古斯特．凱庫勒
3:1的性狀分離比：格雷戈爾．孟德爾
鳥與恐龍的演化關係：湯瑪斯．亨利．赫胥黎
元素性質的週期性變化：德米特里．門得列夫
光和磁是同一種物質的不同表現：詹姆斯．克拉克．馬克士威
管中射出了射線：威廉．倫琴
窺探地球的內部：理查．狄克遜．奧爾德姆
放射性是元素的一種原子性質：瑪麗．居禮
傳染性活體流質：馬丁烏斯．貝傑林克

巨大的轉變：1900年—1945年
量子是不連續的能量包：馬克斯．普朗克
原子的結構：歐尼斯特．拉塞福
重力場就是彎曲的時空：亞伯特．愛因斯坦
漂移的大陸就是一幅不斷變化的地球拼圖：阿爾弗雷德．偉格納
染色體的遺傳作用：湯瑪斯．亨特．摩根
粒子具有波的性質：埃爾溫．薛丁格
不可避免的測不準：維爾納．海森堡
不斷膨脹的宇宙：愛德溫．哈伯
宇宙的半徑從零開始：喬治．勒梅特
每種粒子都有相應的反粒子：保羅．狄拉克
恆星塌縮的極限：蘇布拉馬尼安．錢卓塞卡
生命本身就是一個獲取知識的過程：康拉德．勞倫
95%的宇宙不見了：弗里茲．茲威基
通用圖靈機：阿蘭．圖靈
化學鍵的本質：萊納斯．鮑林
原子核中隱藏的巨大能量：羅伯特．奧本海默

重要的基石：1945年—現在
人體由星塵組成：弗雷德．霍伊爾
跳躍基因：芭芭拉．麥克林托克
光和物質的奇妙理論：理查．費曼
生命並非奇跡：哈羅德．尤里∕史丹利．米勒
去氧核糖核酸（DNA）的結構：詹姆斯．華生∕法蘭西斯．克里克
能發生的一切都會發生：休．艾弗雷特三世
玩畫圈打叉遊戲的高手：唐納德．米基
基本力的統一：謝爾敦．格拉肖
全球暖化的主因：查爾斯．基林
蝴蝶效應：愛德華．勞倫茲
真空並非空無一物：彼得．希格斯
共生現象無處不在：琳．馬古利斯
三個一組的夸克：默里．蓋爾曼
萬有理論：加布里埃爾．維納齊亞諾
黑洞蒸發：史蒂芬．霍金
蓋婭假說：地球是一個有機體：詹姆斯．洛夫洛克
層層疊疊的雲：本華．曼德布洛特
量子計算模型：尤里．馬寧
基因可以在物種間轉移：麥可．敘韋寧
抗壓能力很強的「足球分子」：哈利．科羅托
在人體中插入基因來治癒疾病：威廉．弗倫奇．安德森
用電腦設計新生命：克雷格．文特
一條新的自然法則：伊安．魏爾邁
太陽系外的世界：傑佛瑞．馬西

人名錄
術語表
索引
致謝

前言

科學的開端：西元前600年—西元1400年
日食是可以預測的：米利都的泰勒斯
萬物的四根：恩培多克勒
測量地球的周長：埃拉托斯特尼
人類與低等生物的關係：圖西

科學革命：1400年—1700年
太陽是萬物的中心：尼古拉．哥白尼
行星沿橢圓軌道運行：約翰尼斯．克卜勒
自由落體運動的加速度相同：伽利略．伽利萊
地球是一塊巨大的磁石：威廉．吉爾伯特
爭論不如實驗：法蘭西斯．培根
感受空氣的彈性：勞勃．波以耳
光是粒子還是波？：克里斯蒂安．惠更斯
首次觀測金星凌日：傑雷米亞．霍羅克斯
生物體經歷的不同育成階段...