科學大歷史：人類從走出叢林到探索宇宙，從學會問「為什麼」到破解自然定律的心智大躍進

◆柏克萊加大物理學博士、暢銷科普作家雷納．曼羅迪諾，
用大歷史手法描繪人類科學大躍進的重磅之作！

◆與史蒂芬‧霍金同為《新時間簡史》、《大設計》等書的共同作者，
曾擔任電視劇《百戰天龍》、《星艦奇航記：銀河飛龍》編劇。

「曼羅迪諾總是有辦法讓科學顯得平易近人，妙趣橫生。」
──史蒂芬‧霍金

當人類學會直立行走，大腦的運作從此遠遠超越了其他動物。
人類成為唯一懂得問「為什麼」的動物，
旺盛的求知動力，加上歷史上屢屢突破傳統思維限制的天才想像，
造就了科學的驚人成就，也形塑了人類的文明！

曼羅迪諾帶我們展開一場熱情有勁的旅程，
循著令人振奮的人類演進史，逐一解說科學發展的關鍵事件。
過程中，他以令人耳目一新的方式，帶我們觀察人類及社群的獨到特質，
瞭解究竟是什麼動力促使我們從使用石器，開始撰寫文字，
並從化學、生物學、現代物理學的誕生，發展出如今的科技世界。

以大歷史描繪出完整的人類科學演進，
不只聚焦少數「個別天才」，更深入探索影響科學思維的種種文化條件。

人類瞭解宇宙的過程並不是由獨立事件所組成，透過曼羅迪諾的精心編排，本書分成三個部分，從人類在地球出現開始延續至今。引領讀者走一趟精彩的發現之旅：

第一部分跨越了數百萬年，追溯人類大腦的演進，以及人類愛問「為什麼？」的偏好，是如何激發了我們最早的心靈追尋，最終促使我們發明了書寫和數學，並且發明了「定律」的概念。

第二部分是探索自然科學（硬科學）的誕生。這是有關革新者的故事──諸如伽利略、牛頓、拉瓦節、達爾文等人，他們別具天賦，以與眾不同的方式來觀看世界，努力對抗那個年代根深柢固的信念。

第三部分，就在人類開始相信他們已經破解所有的自然定律之際，歷史突然出現了奇怪的轉折，愛因斯坦、波耳、海森堡等思想家發現一個新的存在領域，肉眼看不見，裡面的定律必須全部改寫。

雷納．曼羅迪諾（Leonard Mlodinow）／著
美國加州大學柏克萊分校的理論物理學博士，曾任馬克斯普朗克學院的洪堡研究員，現任教於加州理工學院。著作豐富，包括暢銷書《潛意識正在控制你的行為》（榮獲威爾遜文學科學寫作獎）、《世界觀之戰》（與狄巴克‧喬布拉合著）、《新時間簡史》、《大設計》（以上兩書與史蒂芬‧霍金合著）、《醉漢走路》（榮登紐約時報好書榜）、《費曼的彩虹》、《歐幾里得之窗》等等，並曾擔任電視影集《百戰天龍》、《星鑑奇航記：銀河飛龍》的編劇。

洪慧芳／譯
國立台灣大學國際企業學系畢業，美國伊利諾大學香檳分校管理碩士，曾任職於西門子電訊及花旗銀行，現為專職譯者，從事書籍、雜誌、電腦與遊戲軟體的翻譯工作。

李仁吉（國立交通大學電子物理系教授）、
李泗賓（建國中學物理教師）
高涌泉（國立臺灣大學物理系教授）
辜雅穗（《BBC知識》國際中文版〔BBC Knowledge〕總編輯） 專業推薦

各界讚譽
「曼羅迪諾總是有辦法讓科學顯得平易近人，妙趣橫生。」
──史蒂芬‧霍金（Stephen Hawking），《時間簡史》（A Brief History of Time）的作者

「引人入勝，發人深省……精妙地指引我們瞭解人類知識的累積，以及科學發明的驚人特質……令人嘆為觀止的調查。」
──《科克斯書評》（Kirkus Reviews）星級評論

「我們是如何從穴居迅速轉變成開車奔馳，從大草原進駐摩天大樓，從雙腳走路踏上月球之旅？讓我們聆聽曼羅迪諾娓娓道來人類的驚人演進，你將會發現，每一步突破都是源自於人類大腦對知識的無盡渴求。」
──大衛‧伊葛門博士（David Eagleman），《躲在我腦中的陌生人》（Incognito: The Secret Lives of the Brain）作者

「令人耳目一新的科學史研究……即使量子物理學及相對論令你感到一頭霧水也不用擔心，曼羅迪諾的解說向來淺顯易懂。」
──圖書館學刊（Library Journal）

「曼羅迪諾生動地勾勒出界定人類文明的思想與文化演進，呈現出趣味盎然的科學史觀及恢弘視野。」──拉瑪錢德朗（V. S. Ramachandran），《洩密大腦》（The Tell-Tale Brain: A Neuroscientist’s Quest for What Makes Us Human）作者

「從石器時代到量子物理學的時代，深入淺出地介紹西方科學史。」
──大衛‧克里斯群（David Christian），《大歷史》（Big History: Between Nothing and Everything）合著者、雪梨麥考瑞大學教授

Part 1 直立的思想家
第一章 求知的動力
忍飢受餓也止不住求知慾
人類漫長的發現之旅
第二章 好奇心
蜥蜴不會問問題
從巧人到智人
嬰孩會問為什麼但黑猩猩不會
第三章 文化
人類的第一座教堂
知識、思想和價值觀迅速傳布
人類與靈長類文化
第四章 文明
從大草原到城市
進化的書寫文字
數學的創新發展
「律」的發明：從農夫到行星都受支配
第五章 理性
農作歉收與神明怒火
觀看世界的新架構
「改變」的奧祕
常理的束縛
單人版維基百科不完美

Part 2 科學
第六章 新的理性之道
古希臘智慧重現
默頓規則：為通用的運動定律奠基
科學革新者伽利略教授
第七章 力學宇宙
獨行俠牛頓
非主流學術的「瘋狂」研究：聖經和煉金術
一個賭注促成牛頓寫出他最偉大的科學論文
牛頓學說的「力」
第八章 萬物組成
從遺體防腐到煉金術
燃燒和呼吸的共通點
拉瓦節：質量守恆定律
門得列夫與化學元素週期表
第九章 生物世界
細胞與生物的複雜性
創造老鼠的配方：自然發生論
顯微鏡革命
探究演化理論
悲劇、疾病和達爾文的祕密研究

Part 3 超越人類感官
第十章 人類經驗的侷限
接受看不見的真實
普朗克的量子研究
牛頓學說的世界觀出現裂痕
第十一章 看不見的領域
夢想家的洞見：盧瑟福原子模型
年輕波耳的瘋狂概念：量子化
第十二章 量子革命
海森堡的新物理學
量子宇宙的奇異現實
讓人更有信心也更謙卑的新科學傳承
索引

第一章：求知的動力
家父告訴我，當年他在布亨瓦德集中營（Buchenwald）時，認識一位骨瘦如柴的數學家。你從一個人聽到「pi」（音同「拍」）所聯想的東西，可以對那個人略知一二。對數學家來說，他們一聽到「pi」，會聯想到圓周率π。你若是問我爸，只受過七年級教育的他，會聯想到蘋果派。儘管數學家和我爸之間有很大的學歷落差，某天，數學家出了一個數學題來考我爸，我爸想了好幾天，百思不得其解。後來我爸又遇到那位數學家時，問他答案是什麼。數學家不肯說，只告訴我爸必須自己找答案。又隔了一陣子，我爸又問他答案是什麼，那個人還是死不肯說。我爸想就此放棄，但那股好奇心卻怎麼也揮之不去。在那個瀰漫著惡臭和死亡氣息的環境裡，他反而更迫切想要知道答案。最後，那位數學家提出一個條件──只要我爸肯把麵包讓給他，他就告訴他答案。我不知道當時我爸的體重是多少，不過美軍從集中營解放他時，他只有三十九公斤。即便瘦弱至此，他想知道答案的慾望卻如此強烈，還是拿麵包去交換答案了。

忍飢受餓也止不住求知慾
我快二十歲時，父親告訴我這段故事，對我產生了極大的影響。我爸的家人都離世了，他的家當全被沒收，他挨餓消瘦，如槁木死灰。納粹剝奪了他的一切，但他思考、推理、求知的動力依然活躍。他身受禁錮，但思想仍天馬行空馳騁。我聽完那個故事的當下，領悟到求知慾是人類最人性的渴望。儘管我現在和我爸當時的情況截然不同，但我想瞭解世界的熱情，也受到同樣的本能驅動。
後來我上了大學，開始研究科學，我爸不太問我學習的學術細節，但他會問我根本的意涵，例如理論的起源、為什麼我會覺得那些理論很美、科學對人類的描述等等。數十年後，我撰寫這本書，就是為了回答那些問題。

* * *

幾百萬年前，人類開始直立，改變肌肉和骨骼的運作方式，以便直立行走，騰出雙手來探索及操作周遭的事物。此外，直立也擴大了視線範圍，讓我們可以探索遠方。我們挺直身子的同時，大腦的運作也超越了其他的動物，讓我們不僅透過眼睛、也透過思想來探索世界。我們不僅身子挺立了起來，也開始動腦思考。
人類之所以是萬物之靈，是因為我們有求知的動力。人類的獨特之處，在於幾千年來我們破解的種種難題。你給古人一台微波爐，讓他加熱野牛肉，他可能會以為微波爐裡面有一群小精靈努力地生火烤肉，而且在微波爐的門打開時，小精靈就神奇地消失了。不過，跟這個事實一樣神奇的是，幾個簡單、神聖的抽象定律，就可以解釋宇宙的一切現象。從微波爐的運作到我們周遭的自然奇觀，都可以用定律來解釋。
我們對自然界的瞭解不斷地演進，以前我們以為潮汐是由女神管控，現在我們知道潮汐是月球引力的結果；以前我們以為日月星辰是神仙遠在天邊，現在我們知道天體是核熔爐對我們發送光子。如今我們知道數億英里外的太陽是怎麼運作的，也知道比我們小數十億倍的原子結構。我們能解開這些自然現象的奧祕不僅是奇蹟，也是引人入勝的故事。
我曾加入電視影集《星艦奇航記：銀河飛龍》的編劇團隊，第一次和那個節目的編劇及製作人一起開編劇會議時，我為某集內容提出了一個令我相當興奮的構想，因為那個概念牽涉到太陽風的天文物理學。大家都把目光集中在我這個新來的物理學者身上，看我興高采烈地發表構想，並解說概念背後的理論。我講完時（整個過程大概不到一分鐘），得意洋洋地看著老闆，他是個脾氣暴躁的中年製作人，曾擔任紐約市警局兇殺案的警探。他凝視我片刻，露出難以判讀的表情，接著對我大吼：「他媽的書呆子，給我閉嘴！」
我覺得尷尬極了，事後我才知道，他那段言簡意賅的訓斥是在告訴我，他們找我去編劇，是看中我說故事的能力，而不是要我去做天文物理學的課外實驗。他說得很有道理，我一直謹記在心，從此也影響了我的寫作模式。（他還有一個令我印象深刻的建議：你有預感自己快被開除時，就把頭泡進冷水池裡冷靜一下。）
科學若是遇到不懂得活用的人，可能會變得無聊透頂。不過，科學背後的故事與源起可一點都不無聊，反而有趣極了，裡頭充滿了各種奇妙的發現過程，其精彩程度比起《星艦奇航記》任何一集或人類首度登月，可說是毫不遜色。那些發明家就像藝術、音樂、文學界的知名創作者一樣熱情、妙不可言，他們都是充滿好奇心的探索者，帶著人類從非洲大草原進化到如今的現代社會。
他們是如何辦到的呢？我們是如何從一個剛學會挺立步行，靠著雙手採堅果、漿果、根莖類果腹的物種，進化成為會開飛機、全球傳送即時訊息、在巨大實驗室裡模擬宇宙初期狀況的萬物之靈？這就是我想講述的故事，因為只要瞭解這個故事，就能瞭解人類的悠遠傳承。

* * *

如今「世界是平的」已是老生常談，但即使國與國之間的距離和差異縮小，今天和明天之間的差異反而擴大了。公元前四千年左右，第一批城市興起，當時速度最快的長程移動方式是駱駝隊，每小時的速度僅幾英里。一千多年後，發明了雙輪馬車，使最快時速提升到約二十英里1。十九世紀，蒸汽火車的發明才終於大幅地加快速度，並在十九世紀末把時速提升到一百英里。人類移動的速度從時速十英里進步到一百英里花了兩百萬年，但之後速度再進步十倍（飛機的發明使時速達到一千英里）僅花了五十年。到了一九八〇年代，太空梭的時速已超過一萬七千英里。
其他科技的演進也呈現相同的加速型態。以通訊為例，十九世紀初，路透社仍使用信鴿在城市之間傳遞股價2。十九世紀中葉，電報已廣泛使用。二十世紀，電話開始普及。不過，室內電話經過八十一年才達到七十五％的市場滲透率，但手機經過二十八年就達到了，智慧型手機更是在十三年內達到。近年來，電子郵件與簡訊先後取代了大部分的電話通話，成了主要的通訊工具，手機也從通話工具逐漸轉變成迷你電腦。
經濟學家肯尼斯‧鮑定（Kenneth Boulding）表示：「現今的世界和我出生時的世界差異之大，就像我出生時的世界和凱撒的世界一樣迥異。3」鮑定生於一九一〇年，死於一九九三年。他目睹的變化，以及他過世後發生的許多變化，都是科學與科技的產物。那些改變對人類生活的影響比以前還大。我們在職場與社會中的成就，日益取決於我們吸收與開發創新的能力。如今即使你不在科學或科技界工作，若要維持競爭力，就得面臨不斷創新的挑戰。所以，對每個人來說，發現的本質都是一個重要課題。

人類漫長的發現之旅
為了客觀瞭解我們目前所處的位置以及未來的發展方向，我們必須先熟悉過去發展的歷程。以往我們談及人類歷史的重大成就時（書寫、數學、自然哲學、其他學科等等），常以獨立事件的方式來介紹，彷彿它們之間毫無關係。那種觀點往往流於見樹不見林，本質上忽略了人類知識的整體性。例如，大家常把現代科學的發展視為「個別天才」的成就（譬如伽利略和牛頓），但那些成果不是從社會或文化的真空狀態中冒出來的，其研究方式是奠基於古希臘發明的知識，其本質是來自宗教提出的大哉問，其發展是跟著藝術創作的新方法齊頭並進，其結果是受到煉金術的啟發，而且在缺乏種種社會進步下（從歐洲那些卓越大學的發展，到串連城市與國家的郵政體系出現），那些發明根本不可能出現。同樣的，希臘的啟蒙也是源自於美索不達米亞、埃及等地的古代驚人發明。
因為有那些影響和關連，人類瞭解宇宙的過程並不是由獨立事件所組成，而是像最佳小說那樣，有連貫的敘事和統一的架構，裡面充滿了相互連結的關係，從人類出現開始延續至今。在後續的章節裡，我將以精心編排的方式，引領大家走一趟精彩的發現之旅。
這趟旅程將從現代人類的心智發展開始談起，逐一談及每個關鍵時期，以及人類以全新方式看待世界的轉折點。過程中，我會剖析幾位有趣的人物。他們獨到的個人特質及思維模式，在那些創新中發揮了重要的作用。
就像許多三部曲的故事一樣，這趟旅程也分為三部分。第一部分跨越了數百萬年，追溯人類大腦的演進，以及人類愛問「為什麼？」的偏好。那些「為什麼」激發了我們最早的心靈追尋，最終促使我們發明了書寫和數學，以及「定律」的概念──那些都是必要的科學工具。詢問「為什麼」也促成了哲理的發明，也就是說，物質世界可以根據原則上大家都理解的韻律與條理來運作。
第二部分的旅程是探索自然科學的誕生。這是有關革新者的故事，他們別具天賦，以與眾不同的方式觀看世界，他們也充滿耐心、毅力、才氣和勇氣，為了發展概念，始終持續努力，甚至耗費數十年。這些思想界的先驅──諸如伽利略、牛頓、拉瓦節（Lavoisier）、達爾文等人──長時間努力對抗那個年代根深柢固的信念，所以他們的故事免不了都是個人奮鬥的血淚史，有些人甚至為此賭上了性命。
最後，就像很多精彩的故事一樣，正當主角覺得旅程快接近尾聲時，突然出現了意想不到的變化。就在人類開始相信他們已經破解所有的自然定律之際，歷史突然出現了奇怪的轉折，愛因斯坦、波耳（Bohr）、海森堡（Heisenberg）等思想家發現一個新的存在領域，肉眼看不見，裡面的定律必須全部改寫。那個新世界有另一套自成一格的定律，其運作規模小到難以直覺理解：原子的微觀世界，由量子物理學的定律所規範。那些定律主導著如今我們在社會中依然經歷的巨大改變，而且改變的速度愈來愈快。我們對量子的理解促成了電腦、手機、電視、雷射、網際網路、醫學影像、基因圖譜的發明，也徹底改變了現代生活的多數新科技。
相較於橫跨數百萬年的第一部分，以及涵蓋數百年的第二部分，第三部分雖然只有幾十年，卻反映出人類知識累積的倍數成長，以及我們跨入這個奇妙新世界的新鮮感。

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人類漫長的發現之旅綿延了好幾個時代，但我們探索世界的主題從未改變，都是源自於人類的本性。對致力投入創新與發現領域的人來說，其中有一個主題是他們耳熟能詳的：想要構思一個異於已知世界或已知概念的東西非常困難。
一九五〇年代，史上最卓越、最有創意的科幻作家之一以撒‧艾西莫夫（Isaac Asimov）寫了《基地》（Foundation）三部曲，那一系列的小說把場景設定在未來幾千年後。在那些書中，男人天天通勤上班，女人待在家裡。結果，經過短短幾十年，那個遙遠未來的設定已成了過去式。我之所以提起這點，是因為那可以說明人類思維的普遍侷限：我們的創意受到傳統思維的限制，而那些傳統思維來自於我們難以突破的信念，或從未想要質疑的概念。
相對於「構思改變」的困難，我們也難以「接受改變」，那也是這個故事中一再出現的主題。人類可能覺得改變大到難以承受，需要費心思量，把我們逼出了舒適區，也打破我們的慣性，讓人感到困惑，迷失方向。那需要放棄舊思維，而且放棄不是我們自願的，而是被迫的。再者，科學進步所造成的改變，往往顛覆了很多人死守的信念，可能連他們的事業和生計都會受到嚴重波及。因此，科學裡的新概念往往會遇到重重的阻礙、憤怒和嘲諷。
科學是現代科技的靈魂，現代文明的根源，也是現今很多政治、宗教、倫理議題的根本，而且其基本概念正以愈來愈快的速度改變著社會。不過，科學會影響人類的思維模式，人類的思維模式也會反過來影響科學理論的建構。誠如愛因斯坦所言，科學「跟人類其他領域的活動一樣主觀，深受心理的影響」4。本書的目的是以那樣的精神來描述科學的發展，把科學視為一種學問，同時也是一種由知識及文化決定的主體。檢視那些形塑科學概念的個體、心理、歷史、社會情境，最能瞭解那些概念的意涵。以那種方法來探索科學，不僅可以瞭解科學本身，也可以瞭解創意和創新的本質，乃至於更廣泛的人類境況。