标题：迷人的温度

    副标题：温度计里的人类、地球和宇宙史

    作者：〔美〕吉诺·塞格雷

    译者：高天羽

    责任编辑：张吉人

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    谨以本书献给贝蒂娜

    引言 尺子、钟表和温度计

    第一章 98.6度

    不变的体温

    深入撒哈拉

    挺进南极洲

    当事情出了差错

    热度造成休克

    第二章 测量工具

    第一缕火光

    温度计的四位发明者

    来自麻省的伯爵

    蒸汽动力

    热力学的三条定律

    熵与生命

    第三章 读懂地球

    哥白尼的和谐

    牧师、律师和鱼类化石专家

    冰的循环

    冻土上的鲜花

    厄尔尼诺，过去和现在

    温室效应：基本原理

    温室效应：历史

    温室效应：政治博弈

    第四章 极限生命

    巴顿和毕比的探海球烤蛤一区：深海热泉

    一腔热血

    雪球地球

    生命的第三支

    熔化地球

    地外生命

    冰封两英里下的生命

    第五章 来自太阳的消息

    太阳核心

    宇宙浪荡徒

    热力旁白：伽莫夫、卢瑟福与核势垒

    一颗恒星的诞生

    黑洞和小绿人

    基础元素：氢和氦

    三度的质子，两度的中微子

    大爆炸和大挤压

    第六章 量子跃迁

    法拉第的完美气体

    最后的液体

    超导

    二象性、不相容性和不确定性

    低温世界

    爱因斯坦的冰箱

    钱德拉的旅行

    眺望未来

    参考文献

    引言 尺子、钟表和温度计

    第一章 98.6度

    第二章 测量工具第三章 读懂地球

    第四章 极限生命

    第五章 来自太阳的消息

    第六章 量子跃迁引言 尺子、钟表和温度计

    大多数人每天醒来时都会考虑几个问题：今天要去哪里？现在是什

    么时候？外面有多冷？每天临睡，我们同样会预想这几个问题在明天的

    答案。有意无意之间，对长度、时间和温度的衡量确定了我们生活的节

    律。这三个度量中，我对最微妙的那个温度最着迷。虽然新的观念不断

    开拓我们的视野，但是过去几千年里，人类对长度和时间的日常理解并

    没有太大变化，尺子和钟表也很早就问世了。温度就不同了。虽然人人

    都知道就连一个婴儿都能分辨冷热，但是我们学会度量温度却只有几百

    年而已。对温度的研究更是如此，即使是一团气体的温度，我们对于它

    的科学理解(分子在热平衡下的平均动能)也比温度计的出现要晚得

    多。

    一般来说，写给大众的科学书籍都会描述某个特定的领域或者专门

    的问题。在宇宙学、遗传学和神经科学领域，都不乏有用甚至精彩的好

    书。我的写法则有所不同：我将对温度的度量作为引子，用来牵出科学

    的诸多方面。如此宽泛的题材，剪裁在所难免。书中的内容体现的是我

    个人的经历与品味，也表明了我的所知与无知。在此我想先说两句，向

    各位介绍一下我的身份和本书的走向。

    我是个物理学家。每当有人问靠什么谋生，我总会说自己在从事家

    族事业。我的兄弟是物理学家，我的外甥也是，我的许多堂表亲都是物

    理学家，我的叔叔还得过诺贝尔物理学奖。我的岳父是一位著名的德国

    物理学家，我的妻姐嫁给了一位更加著名的维也纳物理学家。物理学是

    我一生的事业，也是我家族的遗传。

    然而两代之前，本家族的事业却是纸张。我的祖父朱塞佩年轻时从

    意大利北部的曼托瓦搬到蒂沃利居住，那是一座位于罗马西面约十五英

    里的城市。他在那里开办了一家小小的造纸厂。当时的意大利统一不

    久，首都罗马欣欣向荣，对纸张的需求也不断上升，我祖父的造纸厂因

    此生意兴隆。这个历史悠久的新国度对犹太人的产业历来是排斥的，现

    在却一下子支持了起来。朱塞佩的勤奋得到了赏识，新政府授予了他骑

    士长的荣誉头衔。

    蒂沃利在古罗马时期就是一个发达城市，当时名叫提布尔，它倚在

    亚平宁山脉脚下，四面围绕着杨树森林，阿涅内河的众多瀑布为它送去

    了清凉。每到盛夏，提布尔就会成为宜人的避暑胜地。随着帝国的财富

    不断增长，别墅和神庙纷纷在这里拔地而起。公元2世纪，哈德良大帝

    在提布尔的群山与罗马市郊的接壤处兴建豪宅，据尤瑟纳尔[1]

    《哈德良回忆录》的描写，这座宅子规模之大，已经不能以别墅称之，那里面包

    罗了剧院、倒影池和其他外围建筑。这大概是古典时代最庞大的一座庄

    园，却处处流露出祥和与安静。尤瑟纳尔这样想象了这位皇帝的心思：

    我又一次回到别墅，回到了花园里那一座座可独处、可休憩的亭子。这里残存着一

    丝丝往日余韵，弥漫着一股不事声张的奢华，皇家的气度减到了最低，仿佛它的营造者

    并非帝王，而是一位家境殷实的鉴赏家、正试着将艺术的享受与乡居的魅力合二为一。

    哈德良之后，这颗明珠曾经荒废了许久，一直到意大利复兴并定都

    罗马，才在1870年将它重新发掘出来，并取名“哈德良别墅”。

    文艺复兴时期，提布尔更名蒂沃利，和从前一样，它继续担当着附

    近那座都会的消暑胜地。1550年，红衣主教艾波尼多·德·伊斯特着手将

    一座古代修道院改建成了千泉宫，这座别墅奢侈华美，是文艺复兴喷泉

    的最佳示例。主教将别墅建在山腰，以增加泉水飞流直下的气势，这还

    使得一众红衣主教和贵族在凉爽的小径上散步之时，能瞥见远处圣彼得

    大教堂的圆顶。蒂沃利成为了优雅和魅力的代称，它的名声远播海外，以至于哥本哈根的一座游乐园至今仍以“蒂沃利”为名。

    19世纪工业勃兴，造纸厂需要树木打磨纸浆，需要充足的水源和电

    力，最好附近还要有一个市场。这些条件蒂沃利统统具备，于是我祖父

    把纸厂建在了千泉宫脚下，厂址就设在古罗马海格力斯神庙的旧址，神

    庙的断垣残壁成为了工厂的骨架。这在今天是不可想象的亵渎行为，但

    在当时，新罗马的需求不断增长，古罗马的石块自然就成为了合适的地

    基。我的父亲晚年曾打趣说，塞格雷家族留在蒂沃利的唯一痕迹大概就

    是一块铭牌，上面写着“此系海格力斯神庙旧址，一度为塞格雷家族纸

    厂所据，后于某某年恢复原貌”。

    我祖父生了三个孩子，都是男孩，他们成长于一个新旧激烈对峙的

    时代。我父亲安杰洛排行老大，幼年时常在哈德良别墅的废墟徘徊，一

    边收集古罗马硬币，一边审视历史。他后来成了一位古代史教授，但他

    的志愿不仅仅是记录过去。他还想知道古人怎么支付账单、交易什么物

    品、他们的经济如何运行、地中海的各种货币有着怎样的比值、古罗马

    人又是如何应对财务危机的。他最重要的著作是一部两卷本的《古代世

    界的计量学及货币流通》(Metrology and Monetary Circulation in the

    Ancient World)，其中计量学就是对于度量的研究。他曾告诉我，当他

    听说在一间古代仓库里发现了大量陶罐碎片时，他立刻意识到自己能推

    算出这些碎片拼合之后每一只陶罐的容积，这个发现使他兴奋不已。他

    知道那间仓库里放了什么、那些罐子里装了什么、它们的卖家是谁、买家是谁、售价又是多少。每一个度量，他都一清二楚。

    我这位父亲迷人可爱，性情乖张，虽然不通实务，知识却十分渊

    博。到后来，他渐渐认识到对古代世界的研究是一种奢侈。他对当时新

    兴的量子力学、相对论、遗传学和宇宙膨胀说相当着迷，也许是懊悔自

    己没能从事科学，他力主他的孩子都要修习理科。父亲的这种情感还可

    以作另一种解释：他自己的心灵已经被历史填满，所以急着要别人替他

    去探索那些陌生的领域。

    祖父的次子马尔科走上传统老路，他继承了家族产业，继续经营纸

    厂。他所研究的度量是那些乏味但不可缺少的东西：资产负债表、现金

    流和增长曲线。

    祖父的第三个儿子是埃米利奥。1920年代中叶，还在罗马大学读本

    科的他开始随恩里科·费米[2]

    从事研究。费米当时刚到罗马，他只比埃米

    利奥年长四岁，却已经拿到了教授头衔，在学术界崭露头角。因为与费

    米等人的合作，埃米利奥的物理学生涯一路顺风，他先是在欧洲工作，后又去美国发展，在两地都很成功。

    埃米利奥最有名的成就，一是和费米一起研究了中子，二是发现了

    反质子，后者使他在1959年和欧文·张伯伦(Owen Chamberlain)分享了

    诺贝尔物理学奖。然而，我更愿意纪念他的另一项少有人知的成就，那

    就是发现了锝元素，尤其是测出了锝的半衰期。故事是这样的：1937

    年，埃米利奥到美国伯克利访问，其间结识了伟大的实验物理学家、回

    旋加速器的发明者欧内斯特·劳伦斯(Ernest Lawrence)。两人志趣相

    投，分开后常常通信。有一次，劳伦斯从自己在加州的回旋加速器中取

    出一片钼箔，寄给了当时还在意大利的埃米利奥。埃米利奥疑心这部加

    速器可能已经轰出了元素周期表上的第四十三号、一种人类从未侦测到

    的新元素。他和同事卡洛·佩里埃经过一次次细致的化学分离，终于证

    实了这个设想，两人将这种新元素命名为“锝”。此前的化学分析之所以

    没有发现锝，是因为它有好几种化学性质相同的形态，但没有一种是稳

    定的。

    我知道这项发现对于埃米利奥叔叔具有特殊的意义，因为当二战结

    束，他终于能回乡祭扫父亲的坟墓时，他带去的正是锝元素。他曾回忆

    道：

    我来到罗马的维拉诺公墓，在父亲的坟头洒下了一小把锝，以此寄托我的爱戴与尊

    敬，身为儿子，也身为物理学家。这些锝的放射性微乎其微，但它们的半衰期长达数十

    万年，无论我献上怎样的丰碑，都无法与之相提并论。埃米利奥晚年转向了历史研究。他的第一项科学之外的成就是为自

    己的导师费米作了一部传记。后来，为了总结一生所见，他又写了一部

    20世纪物理学史。他最终还将目光投向了量子力学诞生之前的岁月，写

    出了一部经典物理学史。照他自己的说法，这些著作的意图是讲解但丁

    的名句：“Chi furono li maggiori tuoi？”(字面意思：“比你大的是

    谁？”但更加知性的解释是：“你的祖先是谁？”)

    叔叔的参与加上父亲的指点，无疑都是促使我投身物理学这门家族

    新事业的原因。父亲甚至还宣布我应该成为一名理论物理学家。我追问

    他为什么做这样的决定，他回答说理论物理这一行有两个基本的好处，一是使人分辨对错，二是对于不想搭理的人可以不必搭理。虽然这两条

    理由都值得商榷，但我依然成为了一名理论物理学家，也证明了自己是

    个听话的儿子。从业三十年来，我一直将基本粒子作为主要的研究领

    域，偶尔也涉猎凝聚态物理和天体物理。

    现在，回首自己的事业以及父亲和两位叔叔的一生，我发现有三种

    度量始终吸引着我们的目光、主宰着我们的生涯，它们就是长度、时间

    和温度。一只双耳瓶的容量、一块锝的半衰期、一颗中子星的温度，这

    些都可以用复杂的仪器加以度量。但这些度量用简单的器材也能估算，比如尺子、钟表和温度计。

    在动笔之初，我就知道自己要在这本书里探讨一系列重大问题，过

    去一百年的科学家曾着力研究这些问题，但它们中的许多至今仍没有解

    答。在朝着这个目标努力时，我欣喜地发现温度是其中重要的部分，而

    不仅仅是一个次要的标记。试想下面三个例子：

    我们的地球是在大约四十五亿年前从一个原行星盘演化而来的，那

    么地球上的生命又是在何时诞生的呢？三十七亿年前的地球上肯定已经

    有了生命，那么在那之前的八亿年，已经足够让地球上的原始有机分子

    组装成遗传物质了吗？当时的地球已经有了生命诞生所必需的水环境了

    吗？这两个问题的答案都取决于地球早期的温度——对生命有利的气候

    维持了多久？生物对于温度的剧烈变动又有多大的抵抗力？如果当时的

    温度条件还不可能在这么短的时间内孕育生命，那么我们就必须到太阳

    系的其他地方去寻找地球生命的源头。如果生命真的是在别处诞生的，那又是什么地方在四十亿年前正好具备了适宜生命的环境、那些生物又

    是如何从那个地方来到地球的呢？

    再来想想宇宙诞生的那一场“大爆炸”吧。宇宙在形成之初无比炎

    热、超乎想象，接着又在三十万年的时间里冷却到了华氏5500度(约摄

    氏3000度，科学中一般表示为开氏3000度)。有实验表明，当初那个

    5500度的宇宙几乎是完全均匀的，无论哪里都是一样的温度。然而它又

    不可能是彻底均匀的，否则星系、恒星和行星就无法演化出来。当时的宇宙有着上下不足1度的温度波动，今天的科学家正在用现代天文工具

    研究这些波动产生的信号。

    第三个例子，请思考一个相当奇怪的概念：最低的温度或者绝对零

    度。不到两百年前，科学家们有了使物质不断降温、逼近这个极限的想

    法，这个想法打开了一片新的天地，在其中量子力学主宰万物、导线没

    有了电阻、流体没有了摩擦。这个天地与我们的经验相去甚远，但是在

    恒星内部却存在着与它相似的世界。在理论之外，对它的研究还可能产

    生重大的新技术，服务我们的日常生活。

    关于温度还有一些趣味十足的谜题，论影响之深远或许比不上前面

    三个，但重要程度却毫不逊色。比如人类的体温，无论我们生活在北极

    圈还是撒哈拉，为什么体温保持不变？为什么它始终是华氏98.6度？为

    什么大多数哺乳动物和鸟类都有着大致相同的体温？使大脑保持恒定的

    状态和反应显然是一个原因，但是只要看一看我们的动物兄弟所采取的

    各种适应机制，就会明白这里头另有玄机。又比如，我们感染时就会发

    烧，演化出这样的功能又有什么好处？这一点同样没有完整的答案。

    本书中举出了许多谜题，其中的一些还显得违背常理，比如，我们

    已经知道了太阳的中心温度，对地球的中心温度却还不甚明了。不过仔

    细想想，许多问题的答案还是显而易见的。虽然我拿不出一个包罗万有

    的科学观点，但是我会着重指出各个研究方向以及各种答案之间的关

    联。而将它们串在一起的正是温度。

    [1]玛格丽特·尤瑟纳尔，法国作家，《哈德良回忆录》是她根据史料创作的一部小说。

    ——译者

    [2]恩里科·费米，美籍意大利物理学家，精通理论及实验，曾获诺贝尔物理学奖。——译

    者第一章 98.6度

    98.6度(指华氏度，约合摄氏37.2度)——人类之间的相似真是一

    件非同寻常的事。放一支温度计到一个人的舌头下面，无论他是北极冰

    流上的一个因纽特人[1]

    、伊图里森林中的一个俾格米人，或是纽约证券

    交易所内的一个股票经纪人，得到的读数都是相同的。黄人、黑人、褐

    人、白人、高个子、矮个子、胖子、瘦子、老人、年轻人、男人、女

    人，体温都是98.6度。无论是一个月大的婴儿、二十岁的运动员，还是

    一位百岁老人，都有着相同的体温。无论你的肌肉膨胀还是萎缩、牙齿

    突出还是掉落、视力敏锐还是因患白内障而模糊，无论你的心律是不是

    在压力下倍增、呼吸有没有剧烈起伏，无论你是浑身战栗还是挥汗如

    雨，你的体温都始终不变。即使它只变动2%，你也会觉得痛苦；如果

    它的升降超过了5%，你就要考虑去急诊室了。人和人的相似，在这一

    点上真是惊人。当你呼吸、流汗和排泄，身体的其他机能都会大幅变

    动，这全都是为了维持一个恒定的体温。

    严格来说，98.6度只是一个简单的缩写，因为我们身体的各处温度

    是不同的，虽然其中也不乏规律。我们的皮肤一般比内脏低6度，你只

    要把放在舌头下面的温度计捏在两根手指之间，就能证明这一点。口腔

    和肛门的温度也不相同，后者一般比前者高1度。不同的脏器之间，温

    度也有差异，高低取决于新陈代谢和血液的流动。早在人类开始测量温

    度之前，我们的祖先就已经对此有所察觉了，他们认为身体上最热的部

    位是心脏，尤其是那些“热血型”的人。但真实的情况比较乏味：我们发

    现，不那么热血的肝脏反倒是最热的。

    在17世纪之前，“所有的人体温相同”的说法一定会使人觉得奇怪。

    当时还只有粗糙的温度计，也没有人用它们来仔细比对不同人的体温。

    人们只能粗略地测量体表的温度，他们想当然地认为，一个人的体温反

    映了当地的气候，因此热带居民的体温要比温带居民的高。1578年，约

    翰内斯·哈斯勒(Johannes Hasler)出版了影响深远的著作《医学的逻

    辑》(De logistica medica)，书中提出的第一要务就是“确定每一个人

    的自然温度”，而决定体温的因素有“对象的年龄、测量的季节、杆子的

    高度(即海拔)和其他种种影响”。哈斯勒制作了一张详细的表格，指

    导医生如何参考病人的体温、需求和周围的环境来配制药品。他当然知

    道发烧和疾病有关。所以他才会提醒医生们留意病人体温的变化。

    我们今天知道，体温并不会随着地点而不同。但是它的确会随着一

    天中的时间而略微变化：上午逐渐上升，下午三时许达到峰值，到了夜间又降到最低，最高和最低一般相差1.5度，98.6度只是一天中的均值。

    不过，即使这个说法也需要加以限定，比如《哈里森内科学》[2]

    (Harrison's Principles of Internal Medicine)一书告诉我们：

    都说人类的“正常”体温是华氏98.6度，但是根据文德利希在一百二十多年前的最初

    观测，18至40岁之间的健康成人的平均口腔温度应该是华氏98.2度。[3]

    人的体温超过正常值就叫“热病”(pyrexia)，俗称“发烧”；低于正

    常值则称为“低体温症”(hypothermia)。人体内部自有一套调节机制，使我们的体温大致保持在正常范围之内，这套机制听命于一个深埋于大

    脑之中的最高控制中心，那就是下丘脑。这个渺小的器官不仅设置温

    度，也操纵着各种激素的分泌，由此掌控着大量关键的代谢功能。此

    外，它还调解着人体内的水、糖和脂肪水平，并且指导激素的释放，从

    而对我们的各种活动进行抑制或是加强。哈维·库欣(Harvey Cushing)

    是20世纪初美国的一代名医，他研究了下丘脑和脑垂体的行为，并对下

    丘脑作了如下描述：

    这一小块组织隐藏得很好，几乎只有一个指甲盖那么大，但它的内部却坐落着原始

    生命的力量之源，负责生长、情绪和繁殖，人类在上面叠加了一个皮层作为抑制，但并

    不是总能抑制住它。

    饮食中的能量维持着我们体内的各种代谢机制，并由此产生热量。

    人体会通过皮肤排出大约85%的热量，其余的则随着汗水和大小便排

    出。皮肤是热量出入人体的主要门户，所以我们应该找一找皮肤和下丘

    脑的关系。从下丘脑到皮肤，其实有着两条重要通路，一条是边缘神经

    系统，另一条是称为“毛细血管”的小型血管所组成的密集网络。

    来自这两条通路的信息进入下丘脑，并在其中负责温度调节的部分

    汇总。如果信息显示身体太冷，毛细血管就会收缩，从而保存热量；如

    果身体太热，毛细血管就会扩张。不仅如此，下丘脑还会向汗腺发送激

    素信号，命令它们将汗液通过毛孔排到皮肤外面。它同时还向大脑皮层

    发送信号，敦促其改变身体的行为，比如穿衣或者脱衣。当然，库欣所

    谓的“抑制作用”，这时仍是存在的。在这个过程中，流向下丘脑的血液

    时刻汇报着身体的调节状况；必要时，血液还会告诉下丘脑应该分泌何

    种激素以重置体温。看着这个在数百万年中演化而成的系统，我们只能

    又一次赞叹它的行动是多么高效。不变的体温

    除人类以外，其他哺乳动物和鸟类也能维持恒定的体温，我们和它

    们统称为“温血动物”。当然，温血动物的体内不是只有血是暖的，温血

    和冷血的区分也并不总是泾渭分明。生物学家用“恒温动

    物”(homeotherms)与“变温动物”(poikilotherms)来作区分；其中

    homo是希腊语的“相同”，poikilos是希腊语的“变化”。鸟类和哺乳类属

    于恒温动物，它们代谢率高、从体内产生热量、并且具备精密的冷却机

    制来维持恒定的体温。而除此之外的变温动物就不具备这些机制了。这

    个区分也有例外，比如有些常温动物也会使体温大幅下降，大家都熟知

    的冬眠就是一个例子。尽管如此，恒温与变温的区分已经相当精确了。

    我们由此还会想到：恒温性是如何演化出来的？恒温性的前提是复杂的

    脑和精密的控制，在已知的动物物种当中，只有很小一部分采用了这套

    机能。至于原因是什么，至今没有一个公认的答案，有的只是一系列猜

    想而已。

    恒定体温的出现，似乎正好与一些动物从水中走向陆地的时间重

    合。在水下生活能够隔绝许多天气的变化。尤其是深水，那里的环境温

    度是相当稳定的。相比之下，在陆地上栖息的动物在二十四小时之内就

    能感受到温度的变化。日夜更替、晴雨交加、暴风骤雨，都是它们必须

    经受的。除此之外，陆地生活还使得许多动物演化出了快速决定复杂事

    宜的本领。

    试想远古的一位人类祖先在非洲大草原上被一头狮子追逐的情景。

    逃跑时，他的四肢必须协调运动，大脑也必须估算出最佳生存策略：是

    继续跑，还是转过身来用原始的木棍战斗？那棵树离我有多远？在被狮

    子赶上之前爬上去的把握有多大？我的家人又有多大的生存几率？部落

    的同胞会来帮我吗？我是不是该跳进河里？那样会被鳄鱼抓住吗？脑袋

    里做着种种盘算的同时，手脚也没有停下，身上不住地流汗，肺部也在

    用力呼吸。无论人或狮子，脑中的念头和身体的行动都必须同时进行，各种决策汇总起来，从而制定出一条求生的路线。

    指导人类思想和行动的中枢是脑，它是由一千亿个彼此连接的神经

    细胞组成的回路，结构精巧到了极点。和人类一样，狮子的头颅里也有

    着数量相当的神经细胞。在那里，复杂的化学反应激发着信号的传送与

    接收，而这些化学反应和各种到达特定器官的激素信号一样，都取决于

    身体的温度。对于我们这样复杂的动物来说，由于所有的回路都依赖温

    度，保持恒定的体温(只在特殊情况下略有偏差)就成为了演化上的首

    选。脑的温度如果发生波动，就会将反应打乱，使之无法按照已经学会的顺序进行。人类、其他哺乳类和鸟类的脑都是演化形成的卓越工具，它们之所以能有这样高超的性能，就是因为它们都处在一个受到保护和

    控制的环境之中。也有一些较为简单的动物，脑部的结构比我们原始得

    多，它们利用其他方法获得了最大的生存几率；但是对于我们来说，恒

    定的体温才是最好的选择。

    再看看刚才的例子：那位一边被狮子追逐一边思考对策的人类祖

    先，他处在一个关键时刻，他的双腿在努力奔跑，他的双手不能在这时

    做出爬树的动作；他的鼻子闻到了一头狮子的气味，他的眼睛不能认为

    那是一块石头；他的头脑也不能在这个当口决定停下来吃点零食——狮

    子恰恰在动这个脑筋，但是它也要确定自己追逐的是一个人类而不是什

    么无法消化的东西。人和狮子都想存活并将自己的基因流传下去，想要

    增加这个几率，就必须在同一时间决定几个事项、完成几种行为，无论

    决策或动作，都必须灵活、迅速而可靠。一个温度恒定的脑似乎有助于

    这种机能。

    我不是要用这个例子来说明猎食者和猎物之间最基本的相互作用需

    要一个结构精巧、温度恒定的脑。这显然不是事实。对于人和狮子这样

    的动物，脑的确能在恒定的温度下发挥最大的效用。但是之所以演化出

    了这么复杂的脑，原因还在于各种复杂行为，这些行为中的许多都是为

    了在社会和组织中生存，一旦学会就沿用终身。

    人脑之所以保持恒温，也不是人体保持恒温的唯一原因。一般的化

    学反应总是在温度升高时加快，所以体温设定得越高，体内的反应就越

    活跃——不过这也有限度。如果多余的热量无法排出，接收的信息又来

    得太快，系统就会崩溃。在过去几百万年中，人类、其他哺乳动物，当

    然还有鸟类，都发现了一个共同的规律：在华氏100度(约摄氏37.8

    度)左右，我们的思想和行动是最有效的。

    我的一个心理学家朋友告诉我，在遇到动物行为方面的难题时，就

    想一想动物的性行为。温血动物的体内有着主宰交配、生殖和无数其他

    行为的激素反应，而它们在温度恒定且较高的时候是最有效的。还有一

    些巧妙的问题也能从温度的角度予以解答，比如男性的睾丸为什么要放

    在体外的阴囊中，而不是更加安全的腹腔内？大概是因为略低于98.6度

    的环境比较适合精子的产生吧。

    就算人体真的在温度恒定的时候最为可靠，为什么就偏偏要是98.6

    度呢？这个问题有一个大概的答案，其中既有演化的原因，也涉及新陈

    代谢的简单原理。大多数机器的能效都很低下，人体也是如此。一般来

    说，人体吸收的能量中有超过70%转化成了热量。这些热量需要向周围

    散发，不然身体就会像超负荷的引擎那样过热、无法正常运行。我们在

    外界温度比皮肤温度低20至30度时最为舒适，因为这个温差下的热损失率恰到好处，再冷一点，热量就会散发过快，再热一点，就会有太多热

    量淤积。当天气偏冷，我们就加衣服、盖毯子、肌肉也会做出颤抖的动

    作；当天气偏热，我们就出汗、摇扇子，只要条件允许就一直待着不

    动。

    人体产生热量的过程精微复杂，它是又一项需要脑部调节的机制。

    在休息状态下，脑和心、肺、肾等内脏器官产生的热量超过人体总热量

    的三分之二，虽然它们在体重中所占的比例连十分之一都不到。在运动

    时，肌肉产生的热量可以增加十倍并占据所有资源。但即使在这样的剧

    变之下，身体的温度依然是相当稳定的，那些基础的本能反应也依然不

    会出错。能够做到这点，是因为人体内部在制造更多热量的同时，也在

    以更快的速度将热量散发到环境中去。

    热传递的机制有着复杂的细节，但基本的物理学原理却十分简单：

    热量总是从高温物体向低温物体流动。所有物体都会辐射和吸收热量，其中暗色物体的辐射效率较高，亮色物体的辐射效率较低。设想你待在

    一间砌着石墙的宽敞房间里，如果墙壁的温度低于你的体温，你就觉得

    凉爽；高于你的体温，你就觉得暖和。

    热传导也是同样的道理：当两个物体互相接触，热量总是从较热的

    那个向较冷的那个流动。在热辐射和热传导中，热量流动的速度都和两

    个物体的温差大致成正比——至少在温差不太大的情况下是如此。这个

    规律在一些旧书中就有提及，比如牛顿的《热量流动的定律》(Law of

    Heat Flow)。举例来说，你手握一根金属棒，当棒子的温度是华氏78

    度(约摄氏26度)，你流失热量的速度就是棒子在华氏88度(约摄氏31

    度)时的两倍，这是因为其中的一根棒子和你98.6度的体温相差20度，而另一根仅相差10度。同一个砌着石墙的房间，在华氏58度(约摄氏14

    度)时感觉要比华氏78度时更冷，也是这个道理。

    有人认为，我们的体温之所以定在98.6度，和我们在70度(约摄氏

    21度)的房间里感到舒适是出于同一个原因。人类出现在略早于两百万

    年前的非洲局部地区，那几个地区的日平均气温刚好是70度出头。先民

    们在这样的气温中狩猎采集，他们的代谢过程产生的热量，在体温接近

    100度时是最容易散发的。你可以算出身体在日常活动中产生热量的速

    度，也可以算出身体的热量向70多度的环境中散发的速度。这两个速度

    都取决于体温：只要简单估算，就会发现这两个速度在98.6度处大致吻

    合，在这个体温上，身体产生的热量等于发散的热量。后来的人类又扩

    展了自己对于寒冷天气的耐受能力，一是靠穿戴裘皮，二是靠一门独特

    的技术——生火。

    不过，人的体温之所以维持在98.6度，对气候的适应最多只是一个

    很小的原因。鸟类和哺乳动物有着各自不同的演化历史，但它们的体温几乎都固定在了这个数值附近。在恒温性的种种理由当中，最主要的是

    使动物体内一套复杂的化学反应达到最优，好让它们完成生活中的各项

    复杂活动。

    深入撒哈拉

    要保持恒定体温，高效的冷却机制和保暖一样重要。既然热量总是

    从较热的物体向较冷的物体流动，那么我们如果置身于华氏106度(约

    摄氏41度)的环境之中而缺乏某些调节机制，我们的体温就会不断升

    高，直至死亡。但实际上，我们却活了下来。我们下面还会说道，甚至

    在温度更高的撒哈拉沙漠地区，人类依然活得有声有色。

    蒸发是其中的关键。即使在寒冷的环境中，蒸发也会将我们在代谢

    中产生的热量带走约四分之一；如果气温上升，这个比重还会更大。要

    理解蒸发的散热原理，不妨将我们的体液设想成一个个水池，其中的水

    分子移动着、撞击着。我们现在知道，水的温度是水分子平均动能的体

    现。如果有运动较快的水分子从池中逃逸，剩余液体的平均动能就会变

    低，整个池子的温度也会下降。这就是蒸发能够降温的原理。不过，这

    个原理只有在液体上方的空气足够干燥时才起作用。如果快速运动的分

    子由水蒸气重新进入了水池，速度和它们离开时一样快，那么蒸发的降

    温效应就会消失。

    蒸发是一个十分重要的过程，因为水在变为蒸汽时会吸收大量的

    热。卡路里是热量的单位。将1克水加热1摄氏度，需要的热量正好是1

    卡；将1克水从摄氏0度加热到摄氏100度，需要的热量正好是100卡。然

    而，要将摄氏100度的1克水变成相同温度的1克水蒸气，需要的热量却

    超过500卡。也就是说，将水转化成水蒸气所需的热量，是将水从冰点

    加热到沸点所需的热量的五倍还多。因此，将身体里的水转化成水蒸气

    是一种十分有效的降温方法。

    那些需要降低体温的动物，自然也运用了这条基本原理，它们从各

    自的需要出发，发明出了层出不穷的巧妙方法。用蒸发促进冷却的一个

    法子是扇风，也就是趁运动较快的水分子甫离水面之际就将其吹走，使

    它们无法重新回到水里。我们在一杯咖啡或者一碗热汤表面吹气，使用

    的就是这个方法。

    当然了，无论什么必需品，人类都会给它加上修饰：有了功能就要

    有外观，有了外观又要有装饰。英文的“扇子”(fan)来自拉丁文的

    vannus，它是已知最早的冷却工具，大英博物馆的一幅浅浮雕上就展示

    了辛那赫瑞布[4]

    的仆人用巨大的羽毛扇为他扇风的场面。到今天，那些息时，唾液中的矿物质是留在体内的。不过，喘息也自有它的缺点，其

    分，所以才常有人告诫我们大量流汗时要喝下富含矿物质的饮料。而喘

    和出汗相比，喘息还有一个优势：出汗时，汗水会带走珍贵的盐

    温，而身体的其他部位就有一点变温的自由了。

    脑部温度却能大致恒定。可见这种动物的第一要务是维持控制中枢的恒

    亡中的瞪羚保持最佳的决策能力。即使身体的其他部位不断加热，它的

    热血被附近喉咙里快速流动的空气所冷却。这个有趣的冷却机制能使逃

    几百支小动脉，在进入脑部之后重新汇合。就在分岔的途中，动脉中的

    个附带的好处。从身体向脑部供血的主要血管是颈动脉，它在颅底分成

    上。它们的脑部之所以能保持冷却，完全是奔跑时的快速呼吸制造的一

    110度的身体沿着动脉流向头部，它们脑部的温度却始终比身体低5度以

    华氏102度(约摄氏39度)上升到略高于110度(约摄氏43度)。血液从

    非瞪羚在草原上全速奔驰五分钟，产生的热量就会使它们的核心体温从

    一个是我们不太容易想到的：它能帮助动物保持头脑冷静。小个子的东

    靠短促的浅呼吸来使得喉咙的液体蒸发。这种方法颇有一些好处，其中

    鸟类没有汗腺，还有一些哺乳动物只有少量汗腺，比如狗。它们依

    流汗。

    却，因为唾液的蒸发会带走热量，但是应用最广的蒸发技术还是喘气和

    好让它蒸发到空气中去。少数袋鼠和一些大鼠能够靠舔舐毛发使自己冷

    扇风能加速冷却，但冷却的第一步还是要在某个表面上制造液体，蜜蜂从不进入沙漠，但原因不是高温、而是缺水。

    (约摄氏29度)，虽然外面的气温已经升到了160度(约摄氏71度)。

    个实验：给蜜蜂无限的水源，它们就能将蜂巢的温度维持在华氏85度 这时它们再扇动翅膀，将湿润的空气驱离蜂巢。E·O·威尔逊[5]

    说起过一

    蜂巢喝水，返回时再将水吐出，在蜂巢中形成一道道液滴组成的薄幕。

    氏80多度(约摄氏27度以上)时，扇风已经不够了。于是它们纷纷飞出

    每到夏天，它们就扇动翅膀引起对流、给蜂巢降温。但是当气温升到华

    蜜蜂同样采取了这个风扇策略，并以此对蜂巢的温度做精心调节。

    精巧，扇子依然是最简单的冷却工具，到今天都是如此。

    同含义的精致礼节，仿佛铁道上的壁板信号系统。但是无论装饰得多么

    端还装有玻璃透镜。正式的舞会上也衍生出了一套用扇子的位置表示不

    作画的专职画家。当时的扇柄用象牙和珍珠母雕成，上面镶嵌宝石，末

    世纪，扇子已经成为了风靡欧洲的商品，各大城市都出现了只在扇面上

    纪念。英国女王伊丽莎白一世也在肖像中手执一把硕大的羽扇。到了18

    本，后又传入中国。中国人喜欢在特别场合请贵客在折扇上题字、留作

    的文物了。折扇造型优雅，手腕一抖就能开合，它似乎最早出现于日

    羽毛早已化为尘土，几根扇柄却保存了下来，那差不多是公元前2000年中之一是需要肌肉的活动，而肌肉的活动本身又会制造热量(快速的浅

    呼吸对这个问题有所缓解)。没有一个办法是万全的。一切都是动物在

    漫长的历史中演化出来的适应性行为，目的是使生存的几率达到最大。

    多数大型哺乳动物都会出汗，其中的一些尤其明显。就连骆驼也会

    出汗，只是它们的汗水不容易发觉，因为在沙漠的干燥空气里，水蒸气

    几乎会立刻蒸发。人类的毛发已经差不多完全丧失，只留下一身裸露的

    皮肤。这层覆在体表的器官有大约200万个汗腺，分布在全身上下，手

    掌上最为密集，其他部位则稀疏一些。在下丘脑的调控之下，汗腺分泌

    出一种略带咸味的液体。这种分泌活动不受意识调控，也不完全由环境

    激发，压力或紧张也会使人流汗。这是一种效率极高的冷却手段，当人

    体的代谢增加，产生大量体热时，汗水能够迅速将热量排解出去。当你

    身着衬衣和长裤前往办公室，出太多汗或许不是什么好事，但是对我们

    的祖先来说，快速冷却有助于逃生，是有利野外生存的手段。

    关于出汗降温的效果还要多说一句，我们在前面也略微提到了：那

    些快速运动的水分子，离开体表的必须多于到达体表的。如果外间的空

    气太潮，那么即使大汗淋漓也起不到蒸发降温的效果。

    脱水是另一个问题。虽然自己并不知觉，但我们一天平均要产生1

    夸脱(约0.9升)左右的汗水；根据天气和运动量的变化，这个数字可

    能下跌到接近于零，也可以上升到4加仑(约15升)之多。当流失的汗

    液接近这个上限时，我们就会陷入严重脱水的险境，可能需要静脉补液

    才能转危为安。

    菲利普·莫里森(Philip Morrison)[6]

    曾经为《科学美国人》杂志写

    过一系列评论文章，其中的一篇介绍了流汗与扇风的功效，他举的例子

    是那些体力最强的运动员——环法自行车赛的选手。莫里森讲述了五次

    夺得这项赛事冠军的艾迪·莫克斯在实验中骑健身脚踏车的表现：这位

    日复一日在山丘上攀爬、一次能骑行六小时的铁人，只在无风的健身房

    内骑了一小时，就瘫倒在了一汪汗水之中。这是怎么回事？莫里森做了

    一番计算。

    为了获得必需的能量，自行车手一天的饮食相当于普通人的八餐，因为在赛车时一小时就要烧掉约1000千卡热量，是坐在办公桌前的十倍

    之多。(注：1千卡等于1000卡路里，相当于将1千克水升高1摄氏度的

    热量。严格来说，这1千克水应该在摄氏15度。近来有人用相应的机械

    功对1千卡作了更加严格的定义。)

    在为时二十二天的环法赛事中，车手的体重不增不减，那么摄入的

    能量到哪里去了呢？其中只有约25%转化成了机械功，用来克服空气阻

    力、推进赛车和车手，另外75%都转化成身体的热量散发掉了。由于热

    量实在太多，车手每天要通过皮肤蒸发10夸脱水分(约9升)，才能保

    41度)。在日光下升高体温能减少冷却身体需要蒸发的水分，到了夜

    到93度(约摄氏31度)，到了白天最热的时候再上升为106度(约摄氏

    但是如果体内水分较少，它又会将体温移动到另一个范围，在夜间直降

    华氏97度至100度之间(约摄氏36度至38度)，并靠蒸发来冷却身体。

    是根据体内水分的多少来调节体温。一头喝饱水的骆驼会将体温维持在

    唇，并将鼻孔缩成两条狭线。不过，这种神奇的动物最出众的本领，还

    一系列节水措施，比如它的尿液和粪便中都绝少水分，它平常会紧闭嘴

    水分，它可以两个礼拜不饮水，只靠体内的水源就能存活。它还掌握了

    这种动物当然就是适应沙漠生活的杰出典范——骆驼。骆驼用身体储藏

    在十分钟内饮下近30加仑(约114升)水，并将水分储藏到身体各处。

    在沙漠中奋力求生的人还有一位帮手，那是一种独特的动物，它能

    发就越多，身体也随之愈加凉爽。

    体的正常运作；二是加强口渴的感觉，使人大量饮水。而饮水越多，蒸

    这个变化有两个好处，一是减少钠、钾和其他矿物质的流失，以保证身

    在沙漠中，不仅汗液的总量有所增加，汗水本身的盐度也降低了。

    适应，而它的一个重要原因就是人类汗腺的演化。”

    ·莫拉(Francisco Mora)所说：“这或许是人类能够做到的最惊人的生理

    如生理学家兼动物体温专家卡尔·吉索尔菲(Carl Gisolfi)和弗朗西斯科

    温，每天体验一两个小时就行了。这实际上是在训练身体出更多汗。正

    对这种炎热干燥的气候产生适应，只要在五到十天的时间里逐渐接触高

    尽管如此，人类却仍然在沙漠中成功地生活着。几乎每一个人都能

    的夏日行走一天就能致人死亡。

    法挽救，除非立刻就医、静脉滴注。如果水分没有得到补充，在撒哈拉

    升)水，人开始头晕目眩、呼吸困难。到3加仑(约11.4升)时已经无

    现；达到1加仑(约3.8升)时，人会开始疲惫发烧。流失2加仑(约7.6

    会脱水。在流失的水分达到1品脱(约0.47升)时，脱水的症状开始出

    分；剧烈运动是绝对不行的。而且，流失的水分必须不断补充，否则就

    仑(约7.6升)体液；只要稍事运动，一天就会流失4加仑(约15升)水

    题。一个人即使坐在枣树的阴影下给自己轻轻扇风，一天也会流失2加

    样是生存的关键。沙漠的空气十分干燥，因此无需担心蒸汽压饱和的问

    在气温超过华氏130度(约摄氏54度)的撒哈拉沙漠，蒸发降温同

    会。

    就筋疲力尽了。这一点，凡是在健身房里练过动感单车的人想必都能体

    够全速骑行八小时的艾迪·莫克斯，只在健身脚踏车上坚持了六十分钟

    有风，蒸汽压就会饱和，使得水分无从蒸发，热量堆积起来。于是，能

    发，而每小时25英里(约40公里)的车速正好创造了这股劲风。如果没

    持恒定的体温。这不仅需要车手不断饮水，还需要有持续的劲风帮助蒸里，再靠较低的气温将白天积累的热量尽量散去。骆驼本来是一种喜欢

    体温保持恒定的动物，但是在压力之下，它也适应了新的环境。

    聪明的沙漠旅行者发现，蒸发还能使他们携带的用水保持凉爽。蒸

    发在沙漠气候中创造的奇迹没有逃过本杰明·富兰克林的眼睛，这个人

    似乎对世间万物的原理都怀有兴趣，无论是政府还是避雷针，蒸发的奥

    秘当然也在他的研究范围之内。当年在英格兰维护北美殖民者的利益

    时，富兰克林(我执教的大学恰好也是他创立的)[7]

    开展了一项实验：

    他将一支温度计用乙醚蘸湿，然后用风箱对它吹气，直到温度计的末端

    结起了一层薄薄的冰。1758年6月17日，他在给友人约翰·利宁(John

    Lining)的信中描述了自己的几个实验，顺便对沙漠旅行者已经掌握的

    知识思索了一番：

    从这个实验中，我们可以看到一个人在温暖的夏日冰冻而死的可能：只要他站在一

    条疾风吹拂的道路上、并且频频往身上涂抹乙醚就行了。乙醚是一种比白兰地或其他常

    见的酒类都更容易燃烧的液体。一直到过去这几年里，欧洲的哲学家才似乎了解了它所

    蕴含的自然之力，并知道了蒸发可以用来冷却身体。而东方人早就明白了这个原理。一

    位朋友告诉我说，伯尼尔在近一百年前写出的《印度斯坦游记》里，有一段提到了旅人

    在酷热的天气穿越干旱沙漠的一个窍门：他们用长颈瓶装水，并在瓶身周围裹上蘸水的

    羊毛，挂在骆驼的背阴面。

    富兰克林接着又想到了自己在费城夏日100多度(约摄氏38度以

    上)的天气里耐受高温的能力(那样的日子我在费城也领教过不少，所

    以我对他的看法格外有兴趣)。他总结道，蒸发造成的冷却一定产生了

    作用，用他自己的话来说：

    我认为一具死尸的温度会渐渐和空气相同，而活人因为不断出汗、汗水不断蒸发，反而能保持凉爽。

    同样的道理，每到收获季节，宾夕法尼亚的农民都会冒着晴朗炎热的阳光，在开阔

    的田野里收割庄稼。他们的工作得心应手，只要不断出汗，炎热就不会有多少妨害，而

    他们也确实有法子使自己不断出汗。他们不时喝下一种淡淡的酒，那是混合了朗姆洒的

    水，很容易蒸发。然而汗水一旦停止，他们就会倒下，如果不能继续流汗，有的人还会

    当场死亡。

    我还要补充一句：富兰克林是个讲求实际的人，自然也对冷天里怎

    么保暖很感兴趣。富兰克林火炉就证明了这一点。

    挺进南极洲

    终保持了正常体温。那一年，戈尔巴乔夫在白宫欢迎宴的一场演说中赞

    34度)以下时便会出现。考克斯用两小时出头游完了全程，而且自始至

    斯得低体温症——这是一种致命的疾病，在体温降到华氏93度(约摄氏

    机，它向随行的船只发送数据，供船上的一名医生随时监测，以免考克

    下水前，考克斯预先吞服了一枚热感应胶囊，胶囊里有一部发报

    到华氏34度(约摄氏1度)。这相当于在冰水中游个长途。

    度(约摄氏6.7度)，但水面下有海流涌动，在有的水域，温度可能低

    但水的温度就是一个实实在在的难题了。白令海峡的水面温度是华氏44

    里(约8公里)，这个距离对于考克斯这样的游泳好手来说不算什么，联连接在一起。由于海峡中水流湍急，实际要游的距离或许更接近5英

    里)的大洋。她会在途中穿越国际日期变更线，并象征性地将美国和苏

    试身手，她选中了海峡中的两座岛屿，准备游过其间2.4英里(约3.86公

    恩·考克斯(Lynne Cox)决定到阿拉斯加与西伯利亚之间的白令海峡试

    和降温的时候，蒸发的因素可以忽略不计。1987年，长距离游泳健将琳

    对研究者来说，游泳或潜水都是特别有趣的活动，因为在计算升温

    高了。

    实也支持这个观点：当海女穿上潜水服后，她们的新陈代谢率就不再提

    外的热量，从而补充潜水时的热量损失。有人认为这是一种冷适应，事

    里，这些妇女的新陈代谢率会提高30%，这个变化的目的或许是产生额

    的。洪淑熙[8]

    在60年代对海女开展了研究，结果发现在冬天的几个月

    前，她们却一向是穿着简单的棉衣潜进华氏50度(摄氏10度)的海水中

    潜水到六十多岁。虽然现在已经穿上潜水服，但是在1960年代晚期之

    植物。这些妇女称为“海女”，她们在十岁出头就开始工作，并且要一直

    究对象是一群日本和韩国的妇女，她们为了生计要长年潜入深海捕捉动

    何适应苦寒的环境，研究就比较少了。据我所知，这个领域最著名的研

    许多研究都表明人类的新陈代谢会适应炎热天气，但是对于人体如

    能随意恢复正常体温，并延续正常的新陈代谢。

    月不吃不喝。熊能一连冬眠六个月，在没有外部热源的情况下，它们也

    眠。冬眠时，它们的体温至少能下降20度(约摄氏11度)，而且一连几

    和人类相比，一些哺乳动物和鸟类的越冬本领就要惊人多了：它们会冬

    人类也不乏对抗寒冷天气的长期手段，比如在冬天多长一些脂肪。

    护重要的内脏器官。这都是短期的御寒手段。

    也减少了。可以说，这是我们身体的表层在努力制造一个绝缘罩，以保

    度也随之降低。随着皮肤和空气之间温差的减小，体内向体外的热传递

    界流失。在身处寒冷的环境时，流向体表的血液会迅速减少，皮肤的温

    发抖能在身体内部产生额外的热量，身体表层的器官也能阻止热量向外

    和降温一样，人类也演化出了好几种适应机制来创造并保持温暖。扬了考克斯的气魄，说她“以勇气证明了我们两国人民的生活是多么接

    近”。

    考克斯是怎么做到的？部分原因在于她的体格理想，正适合在冷水

    中畅游。她身高5英尺6英寸，重180磅(约168厘米、82公斤)，体脂比

    几乎是妇女平均值的两倍。不仅如此，她的脂肪在全身均等分布，在外

    界的寒冷与内脏器官间形成了一道天然的隔热层。正因为如此，她才能

    活着游完全程，虽然坚强的意志也肯定是一大原因。

    考克斯的隔热层虽然了得，但是和竖琴海豹相比便黯然失色了。这

    种海豹是伟大的水下健将，即使在奇寒彻骨的北冰洋里，它们也始终能

    保持98度(约摄氏36.7度)的体温和不变的新陈代谢率。保护它们的是

    皮肤下方一层四分之一英寸(约0.6厘米)厚的鲸脂。虽然表皮冰冷，但这层鲸脂下方的温度却和竖琴海豹的核心体温几乎等同。也就是说，竖琴海豹的皮肤温度与周围的海水别无二致，但是这四分之一英寸的隔

    热层却使它们的身体内部比表皮热了70度(约摄氏21度)。

    你如果觉得竖琴海豹的那层鲸脂不过相当于一件潜水服、没有什么

    了不起，那就再想想它们是如何在温水中生存而不改变新陈代谢率的。

    它们的秘诀是什么？秘诀就是那层鲸脂内部贯穿着一整套毛细血管，当

    它们游进冷水，这些血管自动关闭，而当它们游进温水、激烈运动或是

    在岩石上暴晒时，这些血管又重新张开。竖琴海豹的鲸脂绝不是一件密

    闭的潜水服，而是一台灵活高效的温度调节器。就人类而言，对寒冷的

    适应大多来自体内代谢活动的增加，就像洪淑熙的海女研究所揭示的那

    样。但是，那些为了横渡英吉利海峡而在冷水中训练的游泳者，他们有

    可能也学会了一些收缩皮肤上毛细血管的本领。但即使如此，我们和海

    豹还是截然不同的。

    在生理学家克努特·施密特-尼尔森(Knut Schmidt-Nielsen)看来，陆地动物和水生动物降温机制的差别，主要取决于隔热层与皮肤的相对

    位置。皮肤是将热量散发到体外的器官，这一点两者是相同的。海豹的

    隔热层是鲸脂，位于皮肤之内；陆地动物的隔热层是毛发，位于皮肤之

    外。我们人类走的是一条灵活的折中路线，但是显然离陆地动物更近。

    通过琳恩·考克斯这样在酷热或严寒中探险的事例，可以看出人类

    用来保暖和降温的措施。人人都有最喜欢的绝境求生故事，就我而言，那些在冰雪中幸存的传奇——比如深入南极的探险者和攀援世界屋脊的

    登山者——是最令人感动的。要在极地的气候中保持温暖，首先就要穿

    上合适的衣服。穿衣这件事当然绝不简单。随着轻质合成纤维的问世，人类已经在着装和防护上取得了巨大的进步。我的岳父是位登山者，曾

    在1930年出征喜马拉雅山，每当看到他的木制冰斧、帆布帐篷和羊毛服

    装，我都会深深意识到进步之大。在酷寒的气候中穿衣，关键是要记得空气是热的不良导体，这一点看看双层玻璃的隔热效果就明白了。但如

    果空气流动，形成了风，情况就又不同了。要是没有抵御的方法，风就

    会不断带走你身体周围的温暖气层。多穿几件衣服，或者穿上一件带绒

    毛的干燥外衣，就能形成不受干扰的保温层。

    说到坚韧，阿普斯利·切里-加勒德(Apsley Cherry-Garrard)的故事

    少有匹敌。他在1910年随罗伯特·斯科特(Robert Scott)[9]

    踏上那场悲惨

    的南极之旅，并将自己的见闻写成了书。书中有一章名为《冬天的旅

    行》，描写了他和两名同伴在冬天的南极冰原上行走六个礼拜，寻找帝

    企鹅聚居地的故事。他们认为帝企鹅是爬行类到鸟类演化之中的关键一

    环。他们还打算检查企鹅蛋并确认它的胚胎发育过程，因为这特别重

    要。这趟寻访尤其困难，因为企鹅的巢穴就是它们自身。这些罕见的鸟

    类产下卵后就放在脚下保护其安全，它们还将胸部压在卵上，以遮挡寒

    风并提供暖气——这一切都发生在南极洲的隆冬。

    三人从探险队的越冬营地出发去寻找帝企鹅，他们拖着两把雪橇，载着750磅(约340公斤)的物资(天气太差，无法带狗)。切里-加勒

    德是深度近视，脱下眼镜就如同盲人，但是他无法戴上眼镜，因为它们

    很快就会结霜。不过戴不戴眼镜并没有什么两样，因为南极的7月本来

    就没有阳光。

    气温时常降到华氏零下70度(约摄氏零下57度)，有一次甚至降到

    了华氏零下77度(约摄氏零下61度)。三个人都生了大大的冻疮，连其

    中的脓血都结了冰。但他们依然前行。切里-加勒德写道：

    最大的麻烦是汗水和呼吸。我从来不知道有这么多废物是经过毛孔排出身体的。在

    最寒冷的那几天里，我们行走了四个小时就必须扎营，好让我们冻僵的足部恢复过来。

    一进帐篷，我们就意识到自己一定出了汗。那些汗水没有从羊毛衣服的孔洞里排出、使

    我们渐渐干爽，而是淤积在了衣服内部。它们刚刚离开皮肉就冻成了冰。

    切里-加勒德在旅程一开始就意识到了这个问题。他后来又描写了

    自己从帐篷里出来拖动雪橇的情景：

    到了帐外，我抬起头环顾周围，接着就发现自己的脑袋转不回来了。就在我站立观

    望的这段时间里——大约只有十五秒钟——我的衣服已经牢牢冻住了。接下来的四个小

    时，我只能昂首拖动雪橇。从那以后，我们每次出门都要先摆好拖拉的姿势，以免冻在

    衣服里动弹不得。

    睡袋冻僵了，再也没有软化，它们变成了几具冰棺，使人难以睡眠。但三人终究克服了重重困难到达了目的地，甚至还带回了三枚帝企

    鹅的蛋。斯科特远征的幸存者后来返回英国，不料正赶上第一次世界大

    战，但是其中的一名团员说得好：“比起南极，在伊珀尔[10]

    蹲战壕简直

    像在野餐。”这个故事在无意中透露了一个消息：人在任何温度都会出

    汗。

    读着这个故事，我不由想了想帝企鹅：它们是怎么生存下来的呢？

    又是怎么坐在冰雪上孵化幼鸟的呢？说来有趣，这个问题的答案也有一

    些曲折。这些体重80磅(约36公斤)的大鸟是已知的鸟类中最能御寒

    的。虽然只在海里捕食，但是它们聚居产卵的地方却距离海洋至少50英

    里(约80公里)，需要迈着不甚优雅的步子走很远才能到达。产卵的自

    然是雌鸟，但是它产下卵后就立即返回海里补充营养，一直到小鸟出壳

    才会回来。离开前，雌鸟会将鸟蛋放在雄鸟的足背上，在接下去的两个

    月里，雄鸟会匍匐在蛋上，以此保护并温暖下一代。这段时间里它不能

    移动，无法进食，而且完全暴露在南极洲冬天的恶劣气候之中。

    雄鸟是如何熬过这段禁食期的？出壳的幼鸟又是如何在苦寒中存活

    的？雄鸟的新陈代谢并没有显著变化，禁食期间，它会消耗体重的三分

    之一还多。帝企鹅在南极冰原上依偎取暖

    但是匆匆一算就会知道，要在聚居地一动不动地活两个月，它需要

    消耗的脂肪几乎是这个数字的两倍，所以这肯定不是它生存下来的唯一

    原因。另一个原因其实相当简单：雄企鹅会依偎在一起，为彼此遮挡劲

    风和寒气。幼鸟一旦出壳，也会相互依偎，等长大了再朝大海进发。就

    这样，企鹅找到了一个简单而优雅的御寒方法，这也是无数体型和体态

    各异的动物所找到的共同方法。

    自切里-加勒德的年代起，企鹅的栖息地没有变化多少，但南极洲

    的人类营地就不可同日而语了。现在的南极站能洗桑拿，还成立了一

    个“华氏三百俱乐部”，加入的条件相当苛刻。要成为会员，你必须在不

    到一分钟的时间内使身体经受华氏300度的温度变化。具体来说，你要

    先在超过205度(约摄氏96度)的房间里蒸桑拿，然后光着身子冲到零

    下100度(约摄氏零下73度)的户外听自己的皮肤噼啪作响。逗留片刻

    之后再冲回室内。

    在动物界，能同时在赤道和两极生活，到哪里都得心应手的生物，也只有人类了。不过我们也并非时时都能掌控一切。有一种失控相当常

    见，那就是发烧。

    当事情出了差错

    我还记得小时候住在佛罗伦萨时，和母亲在深秋的一天上街散步的

    情景。我当时九岁，虽然穿得暖和，却仍瑟瑟发抖。我告诉母亲我不舒

    服，她伸手摸我的额头，然后说我发烧了，必须立刻回家。我们在前往

    有轨电车站的路上经过了一家书店，母亲补充了一句，说我这年纪已经

    可以自己买书看了。于是我买下了凡尔纳的《神秘岛》。接下来的三天

    是奇妙的三天，我发了烧，我的爱书生涯却也就此拉开了序幕。在小说

    中，岛上的殖民者们发现了一种“发烧树”，它能预防发烧，却无法治

    疗。我的病情拖了很久，或许是因为我想花点时间把书读完。那次发烧

    的原因没有查明，但是和普通的发烧一样，它最终还是结束了。

    实际上，就算有了现代医学的魔法，发烧的原因也往往还是无法确

    定。医生说他们常遇到莫名其妙开始发烧的病人。如果一次发烧持续三

    周以上，热度至少在华氏101度(约摄氏38.3度)，而且在医院观察了

    至少一周之后仍然无法解释，那么它就符合一次“神秘发烧”的标准了。

    这类发烧是最麻烦的。反过来说，即使病因已经查明，医生还是有必要记录发烧的过程。

    住院病人的床脚都挂着一张单子，记录着温度、血压、脉搏和呼吸

    这四个数据，这张单子是任何一个住院病人都有的，因为它往往体现了

    疾病的进程。即使我们无法确定疾病、不知道该怎么治疗，这四个数据

    也会告诉我们病情的发展，并透露好转的迹象。

    体温过高会造成严重危害。在脑膜炎、伤寒或肺炎之类的急性感染

    中，病人的体温可能飙升到107度(约摄氏42度)甚至更高，抛开病情

    不论，这么高的体温本身就是极大的威胁。病人会开始颤抖、谵妄和痉

    挛。治疗必须迅速，还要依照《哈里森内科学》的指示：

    在诊断热性疾病时必须同时运用医学中的科学与艺术元素。出现这种临床表现时应

    该掌握患者的详细病历。症状出现在什么时候、以前服用过什么药物(包括未遵医嘱的

    那些)、接受过什么治疗，都要一一调查清楚。

    这一段说得非常在理。面对发烧时，盲目治疗反而弊大于利。

    引起发热的物质称为“致热原”(pyrogen)，它和“热

    病”(pyrexia)、“烟火”(pyrotechnics)、“纵火狂”(pyromania)都包

    含了表示“火”的希腊字根pyro。致热原可以分成外源性和内源性两种，前者在人体之外形成，后者来自人体本身。细菌就是一种致热原，它们

    会刺激人体释放一种叫做“细胞因子”的化学物质，这种物质随着血液进

    入下丘脑，在库欣所谓的这个“原始生命的力量之源”里，它们催生了另

    外一种化学物质，前列腺素。前列腺素将身体的恒温调节器设置到一个

    更高的温度，于是人就发烧了。

    发烧时，身体产生了和运动相反的反应。运动和发烧都使核心体温

    上升，但运动时身体出汗，从而使温度降回正常的定值；而发烧时，身

    体却会颤抖，肌肉通过不由自主的收缩产生更多热量，将人的核心体温

    推上新的定值。换句话说，这时的身体“认为”自己应该变热。

    发烧时，有两种方法可以使下丘脑中的设定温度恢复到正常值。一

    是排除致热原，也就是杀死催生细胞因子的细菌。二是服用阿司匹林或

    类似药物，以阻止前列腺素的合成。简单地说，要么毁掉信件，要么杀

    死信使。

    阿司匹林的历史只有一百年多一些，但是和它有关的产品却早就为

    人所知了。一般认为希波克拉底是现代医学之父，因此希波克拉底誓词

    是医学伦理的体现。他在公元前5世纪就用柳树皮的提取物治疗了发烧

    和疼痛。柳树的拉丁文名称是salix，树皮中的有效物质称为salicin，即

    水杨苷。可惜它虽然能治病，却会引起胃部不适。这个副作用直到1897年才得以改善。那一年，拜耳公司的一名药剂师对水杨苷加以改进，合

    成出了效果远胜于它的乙酰水杨酸。1899年，拜耳将新产品冠名“阿司

    匹林”推向市场。它第一次销售是在1915年，当时尚无处方。和水杨苷

    相比，阿司匹林的副作用要轻微得多。人们很快认识到了它的价值，但

    是其原理始终不甚明了，一直到1970年代，约翰·范恩(John Vane)才

    发现了它具有抑制前列腺素的功能。因为这个发现，范恩获得了1982年

    的诺贝尔医学奖。

    我要再强调一次：即使有了现代医学的一切工具，病人和医生还是

    会经常找不到发热的确切原因。有时候病人走运，那就治疗迅速，疗效

    显著。然而直到20世纪以前，人类还没有多少药物可以有效地治疗感

    染。抗生素的历史不过五十年，它们的确是对抗感染的有力手段，但是

    随着抗药菌株的出现，情况又复杂了起来。我想引用1999年6月9日《纽

    约时报》上的一则讣闻，要说明这方面的进步离我们多近，没有什么比

    它更合适了：

    5月27日，安妮·谢夫·米勒(Anne Sheafe Miller)在康涅狄格州的索尔兹伯里逝世，享年90岁。她是第一个被青霉素挽救性命的人，因此名留医学史册。

    1942年3月，这位米勒太太在纽黑文的一家医院里到了弥留之际，她感染了链球

    菌，那是当时常见的一种死亡原因。她入院已经一个月，常常神志模糊，体温最高时达

    到华氏107度(约摄氏41.7度)。医生用尽了一切办法，包括磺胺类药物、输血和手术，但是没有一样见效。

    事情接着发生了转机：虽然亚历克斯·弗莱明爵士早在1928年就发

    现了青霉素，但它的疗效始终没有得到认可，直到米勒太太试用青霉素

    并且奇迹康复，医疗界才终于接受了它。米勒太太是幸运的，她发烧的

    原因很明确，当时也正好有医治的方法。

    虽然希波克拉底是有史以来第一位治疗发热的医生，但是放眼古代

    世界，盖伦才是这个领域最具影响的人物。盖伦生于哈德良治下的罗马

    帝国，出生地在小亚细亚，父母都是希腊人，他本人精于解说，长于编

    纂，还是一位伟大的教师。他撰写过大量书籍，并在《论身体各部位的

    功用》等著作中总结了自己的观察。一直到17世纪，这些巨著仍旧主导

    着关于人体的思考，当时的盖伦之于医学，正仿佛亚里士多德之于哲

    学、托勒密之于天文学。

    古希腊人认为，世间万物由土、气、水、火四种元素构成，而人最

    基本的感官体验是热、冷、干、湿。盖伦从这个设定出发，提出了人类

    的四种体液：血液、黄胆汁、黑胆汁和黏液。每一种体液都会造就特殊

    的面相、行为，甚至肤色。其中，血液与气、清晨、春季有关；黄胆汁使人想起火、正午和夏日；黑胆汁对应土、黄昏和秋季；黏液则体现了

    水、夜晚和冬天。人的性格气质也有四种主要类型：多血质、胆汁质、抑郁质、黏液质，分别对应血液、黄胆汁、黑胆汁和黏液。举例来说，阿尔布雷希特·丢勒(Albrecht Dürer)在1526年创作的木版画《四使

    徒》，就很可能是在表现这四种气质，画中的圣约翰为多血质，圣马可

    为胆汁质，圣保罗为抑郁质，圣彼得为黏液质。

    因为黄胆汁与火有关，盖伦自然就想到了黄胆汁过多是发烧的原

    因。盖伦采用的是体液疗法，目的是使病人的体液重返平衡。体液一旦

    紊乱，就要运用冷热、干湿、补泻或放血的手法来找回平衡。到今天，体液疗法又有所复兴，有人把它和现代医学关联，也有人将它与其他类

    似的疗法挂钩，比如早于盖伦几百年在印度产生的阿育吠陀医学。虽然

    黄胆汁和黑胆汁的概念不能光看字面解释，发烧也显然不是黄胆汁过多

    引起的，但身体机能的均衡仍然值得提倡。

    进入人体的有害微生物能够破坏这个均衡，也常这么做。在医生们

    理解病菌的活动之前，手术往往是弊大于利的，这主要是因为当时的手

    术不具备无菌环境，术后常会造成感染。别忘了：巴斯德等人提出病原

    菌学说，到今天不过一百年出头而已。

    杰出的微生物学家勒内·杜博斯(René Dubos)为巴斯德这位伟人

    写过传记，其中引用了一则数据：普法战争期间有13000名法军士兵接

    受了截肢手术，其中10000人不幸身亡。巴斯德在病房参观时想到，经

    过外科医生的脏手或脏衣服传播的细菌才是最要命的，而由空气传播的

    细菌尚在其次。1878年，他在法国医学院发表了一席著名讲话，他说：

    现在的病人，无时不在微生物的威胁之中，他们周围的一切物体上都寄居着微生

    物，在医院里尤其如此。如果我有幸做了医生，一定要使用绝对清洁的器具，治疗前我

    会以最大的谨慎清洗双手，并在火焰上迅速烘干，这么做其实相当简单，并不比一个熏

    肉工人在两手之间倒腾一块灼热的煤块更麻烦。绒布、绷带和海绵，事先都要用265至

    300度[11]

    的高温消毒，我才会使用。

    巴斯德发现了感染的危险，然而将这个发现付诸实践的却另有其

    人。一般认为，是年轻的苏格兰医生约瑟夫·李斯特(Joseph Lister)发

    展并归纳了无菌手术的理念，从而减少了受伤或手术之后的感染事件。

    不过李斯特没有忘记巴斯德的功劳，他在1874年给巴斯德的信中写

    道：“容我借这个机会向您送上最诚挚的谢意，是您的高明研究使我懂

    得了病菌感染理论。您的发现，是无菌医疗得以实施的唯一原理。”

    我们常常把细菌看作入侵身体的对手，但实际上，许多细菌都在我

    们体内平静地栖息，不会制造任何麻烦。即便是恶名远扬的大肠杆菌也遍布于我们体内。它们平时在结肠内安居，哺乳动物的身体里多少都住

    着这些访客。只有当它们摸到了肠道以外，比如进入了尿道，才会造成

    感染，不过一般也不会太严重。

    有些种类的大肠杆菌的确是有害的，而且时不时还会出现一个害处

    极大的菌种。大肠杆菌O157∶H7就是其中的典型。1980年代初，有人

    在吃下受到污染的汉堡包后严重感染，大肠杆菌O157∶H7就是在那个

    时候发现的。它们最初栖息在牛的肠道中，对牛的健康并无影响，但屠

    宰是一个混乱而肮脏的行业，难免会在牛肉中混进一些杆菌；尤其是那

    些经过挤压处理的肉块，特别易受到污染。大肠杆菌O157∶H7出现之

    后引起了一阵恐慌，于是科学家开始研究治疗手段和预防措施。幸运的

    是，就汉堡包而言，有一个简单的消毒方法：以华氏160度(约摄氏71

    度)的高温烹饪15秒钟，就足以杀死细菌。但是即便如此，美国每年仍

    有75000个O157∶H7感染病例。

    加热到160度并不总是可行的做法——比如外科医生就不可能真的

    烘烤自己的双手。这时就需要最先进的医学来帮忙了。在盖伦和巴斯德

    之后，今天的我们有了基因测序技术。2001年1月25日的《自然》杂志

    上完整刊出了大肠杆菌O157∶H7的基因序列。作者写道：“大肠杆菌

    O157∶H7造成的严重疾病目前还没有见效的疗法，而且受它感染的食

    物可能引发大规模疫情，因此我们要加紧研究，找到它的发病机理和诊

    断方法。”完整的基因序列已经公布，下一步就是寻找更好的诊断工具

    乃至治疗方法了。与此同时，汉堡包也一定要细心烹饪才行。

    除了加热，我们还没有对付O157∶H7的其他方法。我们同样无法

    对付许多引起发热的东西。不过真正令人意外的，是我们连自己为什么

    发热都还不能确定。发热的原因，绝不仅仅是体温升高几度，杀死入侵

    细菌这么简单。的确，有的细菌对温度十分敏感，比如肺炎链球菌，在

    华氏106度(约摄氏41度)以上便难以生长。但是对于大多数细菌，将

    它们杀死的温度都远远超过人类所能承受的上限。医疗器械的消毒、肉

    类和禽类的烹饪，通常都要将温度提升到华氏160度以上(记得巴斯德

    对医生的建议么？)。那么，如果体温升高的目的不是杀死细菌，又是

    为什么呢？

    热度造成休克

    热度太高或发热太久都对病人有害，可是发热只有坏处吗？那也未

    必。如果真是那样，那它又为什么在数百万年的演化中保留了下来呢？

    不过，发热对身体的伤害似乎确实大于它的好处：人的体温每升1度，对氧气的需求就增加约7%；这会使我们消耗更多体液，也会增加心脏

    和其他器官的压力。发热会削弱心智的功能，即使不危及生命，也可能

    引起谵妄。发热还会休克身体，所以过去的医生会故意使一些精神病人

    发热，作为治疗的手段。1927年的诺贝尔医学奖颁给了朱利叶斯·瓦格

    纳-尧雷格(Julius Wagner-Jauregg)，就是因为他发现了精神病人在感

    染炎症之后病情会有所好转。受到这项研究的启发，1930年代的医生开

    始用疟疾来治疗晚期神经梅毒病人。有一位医生回忆了自己刚入行时治

    疗精神病人的手段：

    我们用现成的工具治疗每个病人。结肠灌洗是一个办法，发热疗法也是。我们有一

    株疟疾病菌，是为预防注射准备的。后来我们又用了伤寒病菌。我们给病人打一针伤寒

    疫苗，几小时之内，他们就会恶心、呕吐和腹泻，体温也会升到104、105度(约摄氏40

    度)。我们这样治疗八到十周，每天两到三次。这样做能使狂乱的病人筋疲力尽。

    可见这种疗法的主要目的是使病人镇定而非好转。

    不过也有一些证据表明，发热能够强化免疫系统的功能。当体温升

    到华氏104度(摄氏40度)，免疫系统中的白细胞就会加快运动。但这

    只是人类演化出发热反应的可能原因之一。马克维克(P. A.

    Mackowiak)指出，发热有时还能起到保护群体的作用：当有人轻微感

    染，免疫系统会略微强化，使他迅速复原；可是一旦有人感染了烈性疾

    病，免疫系统就会引起高烧，将他迅速杀死，以避免将疾病传染给亲

    属。如果发热真有这样的功效，那么照理有许多动物都会发烧才对。我

    们这就到动物界去找找线索。

    温血动物——包括哺乳动物和鸟类——都会发烧，但冷血动物也会

    对感染作出反应。蜥蜴不能靠内部机制提高自己的核心体温，如果给它

    们注射有害的细菌，它们就会移动到较为温暖的地方。鱼类也是如此，如果在感染后无法转移，它们的死亡率就会显著上升。就连昆虫都会表

    现出这种行为：从马达加斯加蟑螂到美洲迁徙蝗虫，研究发现它们都会

    在感染后向着温暖的环境移动。

    对温度的敏感和调节温度的能力为什么在动物界如此普遍？这其实

    也是意料中的事，因为下丘脑和脑的其他部位不同，它很早就在演化史

    上出现了。具体有多早？可能要追溯到五亿五千万年之前。当脊椎动物

    刚刚问世的时候，这些拥有骨骼和脊椎、头骨里盛着脑子的动物，就已

    经长出了下丘脑。

    有一种动物在那个年代就是脊椎动物的近亲，到今天仍然活在世

    上，那是一种长2英寸(约5厘米)，在沙子上挖洞生活的银色生物。这

    种动物学名叫文昌鱼，它没有脑和骨骼，但背部有一条神经索，包裹在一层较硬的组织内。这条神经索的一头隆起，或许可以看作是较早的

    脑。尼古拉斯·霍兰(Nicholas Holland)和琳达·霍兰(Linda Holland)

    长期在佛罗里达的水体中搜寻这种小鱼，并用现代分子生物学技术对那

    个隆起做了研究。他们发现，将脊椎动物的脑分成前脑、中脑和后脑的

    基因，同样在文昌鱼的隆起中决定着细胞分布和整体格局。看来，大自

    然在很久以前就已经解决了一个问题，后来又一再地使用过同样的策

    略。

    文昌鱼和脊椎动物的相似，使它们可以一同归入脊索动物门。文昌

    鱼也有脑，但它的原理和我们一样吗？就在霍兰夫妇开展遗传学研究的

    同时，神经解剖学家瑟斯顿·拉卡里(Thurston Lacalli)也在对文昌鱼的

    脑做细致的分解。他将文昌鱼的那块隆起切成了五段，并研究其中神经

    元的连接方式。这是一项缓慢而细致的工作，就像琳达·霍兰所说：“这

    就好比是把一架747客机一毫米、一毫米地切开。”精细的工作带来了回

    报，拉卡里宣称，隆起的神经结构和脊椎动物的脑部相吻合，它的附近

    还有一团细胞，形成一个类似眼球的原始器官，它不能够看清物体，但

    是区分明暗应该没有问题。另一些细胞甚至起到了原始下丘脑的作用，指导文昌鱼游泳或者进食。也许，它们还能感受温度。

    脑部结构的近似能在很大程度上解释许多物种升高核心体温的反

    应，但是在感染后向着温暖场所移动的行为实在太过普遍，使我们不由

    得要到脊椎动物之外去寻找它的源头。毕竟，就连昆虫都会在感染之后

    寻求温暖。如果这个机制真的如此常见，我们就很可能在果蝇中找到它

    的解释。果蝇是20世纪遗传学研究的长工，它们短短几天就能繁殖，吃

    腐烂的香蕉就能成长，用作研究对象实在再方便不过。

    1930年代，研究者在果蝇身上发现了一个重要事实，它使人终于能

    对温度有了更加深刻的理解：果蝇体内的所有细胞都含有四对染色体，但是它们的唾液腺细胞却有一些特别。这些喉部的微小突起中精确排列

    着每条染色体的数千份拷贝，组成了一个巨大的副本序列。假如一条1

    英尺长的细线上有若干色斑，那么你不用放大镜是很难发现它们的。但

    是如果将5000条同样的细线并行排列，那些色斑就会组成一条条清晰可

    见的彩色条纹。同样的道理，普通的果蝇染色体实在太小，上面的特征

    很难用光学显微镜发现，但是有了它们唾液腺中这种巨大的多线染色

    体，其中的细微结构就能看清了。

    1962年，里托萨(F. M. Ritossa)注意到了一个现象：当果蝇周围

    的温度比它们正常活动的温度略高时，它们的多线染色体就会发生膨

    胀。这个现象会持续半个小时，染色体先是膨胀到原来的两倍，然后再

    缩小——从经典遗传学的角度来看，就是这么回事。

    然而从分子生物学的角度，又是另外一番景象。1974年，阿尔弗雷德·提西瑞斯(Alfred Tissieres)和赫歇尔·米歇尔(Herschel Mitchell)

    发现，染色体在膨胀的同时会产生大量新型蛋白，它们后来被称作“热

    休克蛋白”(heat shock protein)，简称hsp。起初，这些蛋白的功能并不

    明确，但是在随后几年的研究中，一幅有趣的图画开始铺陈开来：为了

    完成细胞的工作，许多不同类型的蛋白必须以正确的方式四处移动、互

    相交流。要做到这一点，DNA编码就必须发布正确的化学式。不仅如

    此，组成蛋白的氨基酸还要以正确的方式折叠。如果没有正确的空间结

    构，分子之间就无法组合，甚至不能够辨认彼此。

    长蛋白分子的折叠方式到今天还是一个谜。1972年的诺贝尔奖颁给

    了克里斯蒂安·安芬森(Christian Anfinsen)，因为他证明一条蛋白质链

    上的氨基酸序列决定了镶嵌在细胞水溶液中的分子的大体结构。水溶氨

    基酸想要移动到蛋白质链外面，而不溶于水的氨基酸则尽量要避开水。

    长蛋白分子的折叠遵照热力学进行，它试图将外部的第一类分子和内部

    的第二类分子排成一线。折叠开始了，但还不足以完成。接下来还要热

    休克蛋白，即hsp出场。

    这个机制有点像一间车身修理店，当蛋白因为一次事故而折叠变形

    时，类似拖车的hsp70就会将它抓住并拖进店里，接着由小小的hsp10工

    具修理，最后再送回细胞。Hsp60的形状像两个圆环，位置一上一下，正好固定受损的蛋白。高温会增加事故几率，因为随着温度升高，蛋白

    质的移动也会加快。而这些修长精密的蛋白移动得越快，它们就越容易

    在事故中折叠变形。我很喜欢这个修车店的比喻，但是其他科学家大多

    将hsp70称为“分子伴侣”，这或许是因为它们会把蛋白护送到维修点。

    虽然果蝇带头揭开了一个秘密，但是制造hsp70却是许多物种具备

    的功能。到1970年代末，研究者已经在细菌、植物和动物体内发现了类

    似的蛋白，而且它们总是随着温度的升高而产生。大肠杆菌在华氏100

    度(约摄氏37.8度)时大量生产热休克蛋白，到了120度(约摄氏48.9

    度)更是只生产这种蛋白。这时的大肠杆菌已经濒临死亡，热休克蛋白

    却仍在努力工作。如果热休克蛋白只负责这类维修工作，那倒也挺有意

    思，但是事情并没有这么简单。

    除了温度过高之外，还有许多环境压力会造成蛋白质在细胞中畸形

    或折叠异常。毒物、重金属和各种污染物都会造成破坏，有的破坏力与

    高温相当，有的甚至更大。70年代末，研究者发现这些入侵者都会使细

    胞产生hsp，这一点和温度升高时没有多少不同。由于这个应激反应在

    许多情况下都会出现，热休克蛋白现在也常常称为“应激蛋白”。

    研究者认为，应激蛋白在人类的疾病中扮演着重要角色。例如，免

    疫系统会对入侵者加以识别、反击和消灭，但是在此之前可能还有一个

    中间步骤：入侵者先触动了应激蛋白，再由应激蛋白警告免疫系统。现在看来，应激蛋白可能也在人类的发热反应中扮演着重要角色。也许，生病时的体温升高只是促使身体生产hsp的一种手段。hsp的生产是果蝇

    到人类都有的一种基础反应，它也一定是发热的原因之一。

    19世纪下半叶，人类发现了自身与其他人科动物的亲缘关系，并由

    此开始一步步认识到了生物适应机制的普遍性。20世纪中叶，人类又意

    识到一切生物都使用DNA和RNA编码遗传信息，弗朗西斯·克里克[12]

    把

    这称作是“分子生物学的中心法则”。不过一开始，我们认为动物之间毕

    竟是有所分别的，因此不同物种的基因中包含的信息也应该是不同的。

    直到20世纪下半叶，基因测序才证明了我们和其他动物是何其相似，不

    仅与其他人科动物相似，也与青蛙、海胆、鱼类，甚至酵母细胞有不少

    共同之处。在我看来，对这个共性的认识称得上过去二十年来生物学的

    最大发现。

    比如，果蝇身上有一个Hom基因，它确定了果蝇的背部构造，区分

    了它的前部与尾部。令人惊讶的是，遗传学家在蠕虫、水蛭、文昌鱼、小鼠和人类体内都找到了同样的基因。而且，将小鼠的Hom基因插到果

    蝇体内，果蝇也能正常活动。还有一个基因主宰视觉，它在果蝇和小鼠

    体内也几乎相同。当然，哺乳动物的透镜状眼球和昆虫的复眼是截然不

    同的，但是究其根本，生发出视觉的基因却是一致的。

    比起身体构造或视觉，体温的调节就不太容易确认了。我们也许无

    法找到控制冷热的主宰基因，但这仍然是一个所有物种具备的基础功

    能。体温控制的根源是什么？它是如何设定的？又是如何变化的？它真

    的是所有物种普遍具有的吗？对这些基本的问题，我们才刚开始研究而

    已——它们都是值得在未来几十年中认真钻研的问题。

    与此同时，我们仍在了解脑、神经、皮肤、血液和遍布全身的汗腺

    如何维持恒定的体温，其他动物又是如何调节体温的。在研究生物的共

    性之余，我们也在了解细节的差异，这两个工作是一同推进的，也应该

    一同推进。

    人类虽然和最简单的生物有相似之处，却也和其他所有动物有着重

    大的差别。我们会读书、会写字、会生火，甚至还会测量火的温度。

    [1]因纽特人，即爱斯基摩人。——译者

    [2]《哈里森内科学》，美国经典医学教科书，1950年出版，至今已累积15版，译成多国

    文字。——译者

    [3]即摄氏36.8度；卡尔·赖因霍德尔·奥古斯特·文德利希，19世纪德国医生，首次精确测量

    了人类的体温。——译者

    [4]辛那赫瑞布，古代亚述王国的国王。——译者

    [5]E·O·威尔逊，美国生物学家，以研究社会性昆虫闻名，著有《社会生物学》等。——

    译者

    [6]菲利普·莫里森，美国物理学家，曾参加曼哈顿计划。——译者

    [7]富兰克林创立了宾夕法尼亚大学的前身。——译者[8]研究海女的科学家原名Suki Hong，汉字不详，此处按读音翻译。——译者

    [9]罗伯特·斯科特，英国海军军官、探险家，在带队深入南极时丧生。——译者

    [10]伊珀尔，位于比利时西部，一战时成为战场，战斗激烈，伤亡惨重。——译者

    [11]约摄氏130至150度。——译者

    [12]弗朗西斯·克里克，英国生物学家，DNA双螺旋结构的发现者之一。——译者第二章 测量工具

    17世纪之前，人类对温度的测量并不讲究，他们只需要大致的原

    则，知道穿什么衣服、去什么地方、如何烹饪食物、如何锻造工具就可

    以了。当然，盖伦制定过医学活动的准则，将对标准温度的偏离划分成

    了四类，古时候也的确有一些关于温度的常识，比如多少木材才能烧开

    冷水、烧成陶器，但这些技能都是从实践中获得的。相比之下，长度、时间和重量的标准度量就显得异常精确了，因为政府、商贸和日常生活

    的有序运行都要依赖它们。相对于现代的长度单位“米”，苏美尔人有

    zir，阿卡德人有ubanu，亚述人有imeru，犹太人有gomor，然而这些古

    代文明里是找不到温度单位的。那时还没有温度一说。

    希腊人很善于测定长度，即使不能直接测量也能推算出来。公元前

    3世纪，厄拉多塞(Eratosthenes)在两个相距遥远的城市测量了正午时

    太阳光线和一根竖直杆子的夹角，由此推算出了地球的半径，他的结论

    和地球的真实半径相差不到5%。同样是公元前3世纪，阿利斯塔克

    (Aristarchus)算出了太阳和月亮的大小，以及地球和它们的距离。

    时间比长度难测量，不过日益精准的日晷、水钟和沙漏也能够应

    付。让稳定的水流(应该叫水滴)从一个容器进入另一个容器，扣去蒸

    发，就能精确而持续地测量时间了。日子和年则以天文观测的数字来确

    定。船只在预定的时间离港，婚礼在约定的日子举行。即使到了这时，对温度依然没有记录。我们常常用时间来度量宇宙、地球、生命、人类

    和文明的演化，但时间并不总是最好的计量单位。我会在下面指出，研

    究宇宙的早期历史，常常要用温度来标记宇宙在冷却过程中的事件发

    展，而不是时间。

    如果要以温度为标记叙述人类文明的发展，我会引用人类一路以来

    对火的运用——从狩猎采集到建村定居，再到生产工具，我们制造出了

    越来越热的火。最初是石器时代的第一堆篝火，然后是用木炭帮助燃

    烧，接着又用风箱锻造了铜和铁。更进一步，我会说到蒸汽机，说到19

    世纪伟大的贝塞麦炼钢炉，还有最近的核子时代。我的这部历史将从华

    氏0度开始，经过500度、1000度、2000度和2500度，直到华氏数百万

    度。至于最近的这两百年，我可以用实验室中不断创造的低温作为标

    记。一个接着一个，我们将已知的气体全部液化。就在第二个千年即将

    结束的时候，人类制造出了绝对零度以上几十亿分之一度的低温。

    第一缕火光我们不知道是哪位智人祖先首先掌握了生火的技巧，甚至不知道这

    技巧是不是智人发明的。我们也不知道第一堆火是从哪里生起来的。我

    们知道自己是南方古猿的后代。大约五百万年之前，我们的直系祖先在

    非洲中南部出现，告别黑猩猩，走上了独立演化的道路，它们从湖畔南

    方古猿变成南方古猿阿法种，再变成了非洲南方古猿。这最后的一种高

    约4英尺(约1.2米)，重约60磅(约54公斤)，脑容量是我们的三分之

    一，比起人类，它们看起来大概更像今天的黑猩猩。它们的骨盆已经变

    化，能够直立行走而不必再用指节支撑体重。到大约两百五十万年前又

    发生了一次分化，早期的猿类物种纷纷灭绝，只剩下了一种，它继续演

    化，生养众多，从能人变成直立人，并最终变成了智人。

    早期的岩洞中包含着古人用木材生火的化学证据，它们的历史至少

    可以追溯到二十万年前，也就是直立人向智人过渡的时代。这些洞穴里

    往往堆积着残灰，灰烬里包含着树木才会吸收的矿物质，说明它们都是

    焚烧树木产生的。然而这并不足以证明那就是人类制造的火焰，甚至不

    能证明人类到过那些岩洞。在残灰之外，我们还要找到大量的石质工

    具、原始的炉床、大型哺乳动物的骨骼，以及被捕猎、烹饪并食用的动

    物留下的残骸(假定这时的人类已经开始吃肉)。这样的一处遗迹真的

    找到了，它位于匈牙利的韦尔泰什瑟勒什附近，在那里，烧焦的骨骼甚

    至摆成了放射状，形如一堆篝火。这显然是人类生火的证据，它的年代

    距今二十万年以上。再往前的事就不清楚了。

    过去五十年里，考古学家认为最早出现人为生火迹象的遗迹是周口

    店，它位于北京西南郊大约30英里(约48公里)。也许五十万年之前，曾有一个直立人在那里烹饪过一头鹿。然而研究者最近又对发掘地做了

    一次分析，他们发现那些烧焦的骨骼太过零散，应该不是来自同一个营

    地。此外也没有多少证据表明当地有过壁炉或是炉床。遗迹中的残骸确

    是有机物，但并不是燃烧木材产生的灰烬。总而言之，说智人的祖先曾

    经生火，这一点还没有清楚的证据。

    考古学家在古代营地的炉床上寻找骨骼的时候，一般都假设古人生

    火是为了烹饪肉食。传统观点认为，在直立人向智人的转变中，它们的

    食物也从水果和浆果变得更加富含肉类，这些肉食有的来自死去的动

    物，还有的可能来自狩猎。骨髓蛋白使人长得高大，也促进了身体的发

    育。然而哈佛大学的人类学家理查德·兰厄姆(Richard Wrangham)却和

    同事宣称，虽然火焰的运用改变了直立人的食谱，其中却并不包含从素

    食到肉食的转变。他们主张，人类食谱的改变，可能是因为他们学会了

    挖掘、烹饪木薯和山药之类的块茎。更进一步，他们还认为这份新食谱

    导致了家庭和部落结构的彻底变化，从此以后，块茎的收集、储存和加

    工成为了家庭和部落的中心任务。生的块茎布满纤维、难以消化，烹饪则将它们转化成了容易吸收的卡路里。在现代非洲，块茎依然是饮食中

    的一大宗。兰厄姆认为，早在一百八十万年之前，非洲平原上的人们就

    已经在烹饪富含淀粉的块茎了。兰厄姆的观点是关于人类社会演化的诸

    多理论中的一个，这些理论相互竞争，兰厄姆也难免受到质疑：虽然烧

    烤块茎不会像烤肉那样留下明显的证据(烧焦的骨头)，但它总该留下

    一些清楚的化学痕迹吧？

    饮食之外，火还转变了人的生存方式。一把熊熊的篝火可以吓退动

    物，在洞穴入口生一堆火，即使最坚定的猎食者也会望而却步。火还为

    洞穴带来光明，使人能在洞穴的更深处定居。有了火，人类就能从自己

    诞生的温带迁居到气候严酷的寒带，如果他们还发明了工具，能够狩猎

    制衣，那么迁徙就更容易了。

    大约五万年前，欧洲东南部和近东地区都出现了复杂的武器和工

    具，那是贾雷德·戴蒙德[1]

    (Jared Diamond)所说的“大跃进”时代(The

    Great Leap Forward)。人类有了长矛和鱼叉，能够从远处捕猎大型动物

    了，他们还学会了缝纫，做出了质地更好的衣服。艺术诞生了，拉斯科

    岩洞[2]

    的宏伟岩画就是证明。不过虽然有了种种进步，人类却仍处在石

    器时代。他们的工具和武器变复杂了，但依然是用碰撞岩石的方法制

    成，要不就是从其他岩石上凿下的。温度还没有在工具的制造中发挥作

    用。

    这次转变之后不久，人类开始采掘黏土。黏土在地壳中大量存在，风干后简单地生火烘烤就能制成器物。黏土中一般含有氧化铁，加热后

    不但会硬化，还会呈现出色彩。在富氧的空气中加热，它就会亮起红

    色；在多烟少氧的火焰中灼烧，它又会变成黑色的磁铁石。现今所知的

    最古老的黏土雕像有两万七千年历史，发现于今天的捷克境内。最古老

    的黏土陶器出土于日本，也有一万四千年的历史。

    用来收割野生植物的工具在公元前11000年左右出现。大约一万年

    前，一些人类部落迎来了一场剧变，从狩猎采集者变成了农民。这个变

    化发生在地中海沿岸，发生在亚洲东南部，也发生在新月沃土(也就是

    中东的两河流域)。又过了两千五百年，新月沃土出现了种植小麦和大

    麦的确切证据。这些早期文明需要更好的农作工具、更好的储藏容器和

    更好的战争武器，这些需求都促使它们改良了生火的技术。这一点在金

    属的加工中格外明显。

    人类最先加工的都是较软的金属，比如金和铜，这些金属容易锻

    造，它们不用加热，只需敲打就能制成薄片，然后用石质工具赋形。到

    公元前3000年左右，人们发现将铜加热并掺进少量其他金属(主要是

    锡)就会产生一种合金，它的强度更大，也更耐久。这就是青铜，希腊

    人叫它chalkos，罗马人叫它aes。历史上的青铜是由铜和锡熔炼而成的合金，两者的比例大约是8比

    1。多加点铜，就会得到一种较软的合金，适于制造各种器具和盔甲；

    少加点铜，就会得到一种较硬的合金，适于铸造剑或钟。随着时代的变

    迁和社会的发展，人们又在青铜中加入了其他金属，加多加少，都根据

    需求和储量而定。用来炼制青铜的金属有锌、铅、银、锑、砷、铝和

    磷，这些元素，或为实用，或为装饰，都会改变合金的性质。《荷马史

    诗·伊利亚特》里就描写了赫菲斯托斯为阿基里斯铸造盾牌的方法，说

    他在熔炉里加入了铜、锡、银和金。这个将青铜工具用于生产和战争的

    时代，是大多数文明都曾经历的阶段。这个阶段是如此重要、如此鲜

    明、如此独特，以至于考古学家径直将它称作“青铜时代”。

    由石器时代、青铜时代，接着就到了铁器时代。铁器比青铜器坚硬

    得多，铁器的诞生使人类迎来了全新的可能，文明也再次嬗变。铁器时

    代的特征是华氏2000度(约摄氏1093度)到2500度(约摄氏1371度)的

    热火。它始于青铜时代开始后的两千年，地点是新月沃土。在世界的其

    他角落，青铜时代开始较晚，持续的时间也较短。

    铁的熔炼分为两个步骤，它需要的复杂技术，已经不单是生一把火

    那么简单了。地球上的铁大多以氧化铁的形式存在，炼铁的第一步是去

    除其中的氧。这一步称为“还原”，需要华氏1500度(约摄氏816度)的

    高温。还原时反而要在熔炉中加入氧气，加入的游离氧与焚烧木炭产生

    的碳结合，形成一氧化碳。一氧化碳能去除氧化铁中的氧，并形成二氧

    化碳。然后将二氧化碳小心地排出，剩下的就是铁了。不过这时的铁还

    较为原始，包含了许多杂质。第二步是继续加热，产生的熔渣浮在表

    层，留在底层的就是纯铁了。这最后一步的温度必须远远高于杂质的熔

    点，又要远远低于铁的熔点，即华氏2800度(约摄氏1538度)。我将这

    个阶段的文明标记为华氏2500度(约摄氏1371度)左右。

    我在前面已经提过，随着温度升高，人类的工具由石器、青铜器而

    进化至铁器，而与之相伴的一个过程是对于黏土的烧制。地球的土壤中

    富含氧化铁，也同样富含构成黏土的硅酸铝微粒。黏土的结构是层层堆

    积，层与层之间很容易滑动，这使它们容易塑形。加热之后，黏土熔

    化，这种熔化恰到好处，既能固化成坚硬的团块，也保留了原来多孔的

    质地。为了掩盖这些小孔，烧好的黏土表面常要覆盖一层釉料，釉料由

    玻璃般的微粒构成，它低温加热就会熔化，可以覆在黏土器物表面而不

    改变其形状。釉料里掺一点水，就能涂抹在黏土上了。我们钟爱的釉

    彩，其实就是釉料中残余的杂质。一件日用品在巧匠的手中变成了艺

    术，这也是人类历史上一再发生的妙事。釉料的比例、烧制的时间、釉

    中的杂质、窑炉的温度，这些共同决定了黏土表面的纹彩。

    在发现釉壶的古代遗址当中，伊朗西部的戈丁遗址(Godin Tepe)是最古老的一处。分析显示，那里的釉料曾经过华氏1900度(约1038摄

    氏度)的预烧，接着磨碎并覆上陶壶，再加热至接近华氏1500度(约摄

    氏816度)。这种方法一度失传，直到公元前1500年才在中国大规模重

    现。伟大的中国陶瓷艺术是许多因素造就的，其中之一就是中国富含大

    量的上等黏土和石灰石，能做出绚丽的釉彩。到公元前1500年，一般的

    陶器已经可以华氏2000度(约摄氏1093度)烧制了。

    到公元前500年，希腊人将釉料熔成液态涂到大型黏土容器上，然

    后放到充满烟雾的空气中加热，使整个陶瓶变黑。接着再往窑炉里添加

    富氧空气，使没有上釉的部分重新变成红色。于是，我们为之倾倒的阿

    提卡双耳瓮就诞生了。

    大约两千年前，人类将火加热到了华氏2500度(约1371摄氏度)。

    然而在那之后的一千六百年里，人类在生火、医药、天文和测量领域都

    没有多少进步，至少在西方世界是如此。但是接着，一切都变了，原因

    之一，就是人类在温度测量上取得了可观的进步。

    温度计的四位发明者

    17世纪早期的人们发明了许多测量工具，望远镜、显微镜和温度计

    一一问世，稍晚一些还出现了摆钟。然而，只有当观察能够证明或者推

    翻某个理论时，测量才具有科学意义。所以，最后为我们所知的是那些

    理解了测量的重要意义的人，而不是测量工具的发明者。不过，要不是

    因为有了合适的测量工具，那些科学上的观察和发现就很难实现。

    温度计在问世之后没有立刻改变我们的世界观，也没有很快引出重

    大发现，在这一点上，它的身世更像显微镜，而不是望远镜。我们这就

    来比较一下这三种工具。

    第一台望远镜大约是公元1600年左右由几个荷兰眼镜师中的一个发

    明的。汉斯·李普希(Hans Lippershey)、詹姆士·梅修斯(James

    Metius)和萨卡里亚斯·扬森(Zacharias Jansen)都自称是望远镜的发明

    者。然而在更深层的意义上，当伽利略在1610年1月7日将望远镜指向天

    空时，它才算真正被发明了出来。伽利略将焦点对准木星，并在木星附

    近发现了四个他认为是恒星的天体。他会这么认为并不奇怪，因为他在

    那段时间里发现了数百颗恒星，也第一次指出了银河系是大量遥远恒星

    的集合。1月8日，那四颗“恒星”和木星的相对位置发生了变化。1月9日

    天上多云。10日再度晴好，伽利略发现它们的位置又变了。换作别人，或许会觉得这个变化微不足道，但是伽利略却以他一贯的自信断定这些

    不是恒星，而是环绕木星转动的卫星，每隔几天就有一颗运行一周。伽利略描述了这个现象，但他使用的词语依然是“恒星”而不是“卫星”：

    有一个发现超越了一切奇观，也值得我们向所有天文学家和哲学家鼓吹一番，那就

    是在夜空之中，有四颗前人不曾察觉的漫游恒星。就像水星和金星按着各自的周期围绕

    太阳转动，这四颗恒星也在按着各自的周期，围绕着已知天体中的一颗亮星转动，它们

    时而超越其前，时而跟随其后，但是始终保持在某个范围之内，不曾游离。

    在十年前的1600年，你还可以有理有据地否定哥白尼，并继续认为

    地球是宇宙的中心，而太阳和其他行星都围绕地球转动。因为在当时，相反的理论还没有确凿无疑的证据。然而那四颗卫星一旦发现，情况就

    不同了：它们围绕的对象是木星，不是地球。当时对哥白尼的理论有一

    种反驳，说地球如果围绕太阳转动，月球就不可能跟上地球。然而伽利

    略的发现却指出了别的行星也可以拥有卫星，就像地球拥有月球一样。

    如果他的解释没错，那么地球就不再是宇宙的中心。

    在我看来，伽利略对木星卫星的观测称得上是现代科学的源头之

    一。首先，这次观测之前已经有了模型——哥白尼的日心说。伽利略接

    受了这个模型，因为他认为这给当时的数据提出了最好的解释。接着，他开始寻找更多证据以证明这个模型的对错。最后他找到了证据，也意

    识到了自己的发现对于那个模型的意义。作为史上第一位光学天文学

    家，伽利略显然是个天才，但他的主张还是需要观察来证明或是推翻，而他已经有了合适的观察工具。

    显微镜同样是17世纪早期的荷兰镜片师发明的，但当时还没有一种

    可供检验的微生物模型，于是显微镜成为了一件稀奇的玩具、一扇通向

    肉眼看不见的世界的窗户。这种仪器的第一位普及者是罗伯特·胡克，他在1665年出版了《显微图集》(Micrographia)一书，畅销欧洲。在

    书中，胡克收录了自己绘制的七十五幅插图，将他在显微镜中看见的妙

    趣一一呈现，包括一只苍蝇的眼睛和一只跳蚤的解剖结构。他还在显微

    镜下观察了一只木头瓶塞，并指出它是由更小的结构组成的，他把那些

    结构称为“细胞”。正如历史学家丹尼尔·布尔斯廷(Daniel Boorstin)所

    说，胡克用一则声明奏响了一个新时代的基调：“……自然科学向来只

    是大脑和想象的研究，这种局面已经持续了太久，现在它应该回归本

    源，回到对物质，对显而易见的对象的朴实、可靠的观察。”话虽如

    此，显微镜却仍然只是一件玩具，没有用处，也没有目的。

    胡克是一位杰出的人物，他的名声本该更加显赫，却无奈消失在了

    牛顿的光环之中。在阅读牛顿的《自然哲学的数学原理》之后，他宣称

    重力的反平方律是牛顿从他这里偷去的。他的确在牛顿之外独立发现了

    这条定律，甚至还想到了物体坠向地面和地球坠向太阳属于同一种运动，但是他缺乏牛顿那种惊世骇俗的数学天才，没能从这些假设中推出

    开普勒的行星运动定律。说到吵架，牛顿也不是等闲之辈，这一点从他

    和莱布尼茨关于谁发明了微积分的争论中可见一斑。他立刻从《原理》

    中删除了提到胡克的所有文字，还与胡克的雇主皇家学会一刀两断。直

    到1703年胡克逝世，他才同意出任学会主席。在那之后，学会里悬挂的

    那幅胡克肖像就神秘失踪了。

    下面该说说温度计了。对热的研究始于公元1600年之前，早在公元

    前2世纪，拜占庭的费隆(Philo)就思考了气体的膨胀和收缩。在那之

    后两百年，亚历山大的希罗(Hero)又写了一本名叫《气体力学》

    (Pneumatics)的书，它在文艺复兴时代被译成拉丁文，重新引起了读

    者的兴趣，在意大利再版了好几次。1594年，伽利略读到了它。希罗的

    一个实验里用到了一种叫“测温器”(thermoscope)的装置，能够显示一

    种气体在加热或冷却时的变化。比如在一个封闭的容器中充满空气，并

    在空气上面放水，当容器加热，气体就会膨胀，推动水位上升。这类现

    象和温度有着某种联系，但是未必和温度的测量有关。

    有一件事说来啼笑皆非：伽利略没有发明望远镜，却有许多人将望

    远镜归功于他；也常有人说他发明了温度计，其实他很少使用温度计，即便使用也是为了无关紧要的目的。和伽利略一同“发明”温度计的至少

    还有三个人，这大概是因为，和望远镜一样，在温度计的发明中，也有

    好几个人同时提出了多少有些相同的创意。

    在这四位可能的发明者中，有两位来自阿尔卑斯山以北，另两位来

    自意大利。北边的两位发明家，一位是威尔士人罗伯特·弗拉德(Robert

    Fludd)，他居于牛津，在那里获得了一个医学学位。弗拉德曾在牛津

    大学的博德利图书馆读到过一份13世纪的手稿，其中描述了希罗的测温

    器，他可能就是在那之后制作了一部类似温度计的装置。另一位北方的

    发明家是荷兰人科尔内留斯·德雷贝尔(Cornelius Drebbel)，他从荷兰

    迁居英国，受雇于詹姆士一世，做了份类似宫廷发明家的工作。为了在

    盛夏时节给威斯敏斯特大教堂降温，他制作了好几种装置，其中可能就

    有一部温度计。

    两位意大利发明家，有一位当然就是伽利略，另一位是他的朋友，名叫桑托里奥。这位桑托里奥·桑托里奥(Santorio Santorio)比伽利略

    年长三岁，1561年生于威尼斯的一个富裕家庭，按照当时的风俗，家里

    给他起了和姓氏一样的名字。他在附近的帕多瓦学习哲学和医学，然后

    回到威尼斯行医。当时的威尼斯已经从巅峰开始慢慢衰落，不再是地中

    海上的一方霸主、通向东方的贸易门户了，但它依然是一座文化与艺术

    的重镇，不远处的帕多瓦坐落着威尼斯共和国的优秀大学。威尼斯与教

    皇国距离较远，且怀有敌意，因此和意大利的其他地区相比，威尼斯及其周边在学术上更为自由——当伽利略离开帕多瓦前往佛罗伦萨之后，他对这一点有了痛切的体会。

    桑托里奥先是想到了将体液医学量化。他要继承盖伦在一千五百年

    前提出的那一套冷热、干湿、胆汁和黏液的概念，并为它们赋予新时代

    的含义。盖伦的观点在一千五百年中被奉为真理，但是从来没有人像开

    普勒演绎行星运动定律那样，对它们进行过严格的检验。桑托里奥打算

    用新式的科学仪器将体液医学改造成一门科学。他在自己身上试验，小

    心翼翼地称量了自己在进食、饮水、睡眠和锻炼前后的体重。他记下自

    己摄入和排泄的质量，并将两者的差异归结为“无从察觉的汗水”。他还

    把自己的体温变化写进了日记。

    桑托里奥的《静态医学医疗术》(Ars de Medicina Statica)初版于

    1612年，后来翻译成多国文字，在欧洲广为流传。在后来一百多年里，人们一直将它看作是现代医学的两大支柱之一——另一根支柱是哈维关

    于血液循环的著作。我们现在知道，哈维关于血流的洞见十分高明，而

    桑托里奥关于体液的观点就不怎么高明了。我在上一章写到，今天的医

    院仍在定期记录病人的体温和脉搏，但它们已经不再表示体液的失衡

    了。不过桑托里奥的观点虽然有其缺陷，他的方法却称得上巧妙。比

    如，伽利略曾指出长度固定的钟摆会以固定的周期摆动，桑托里奥利用

    这个发现，通过调节钟摆的长度使它的周期和病人的脉搏一致，然后以

    此为基准测量病人的心律变化。

    桑托里奥尝试“用科学方法”证明体液医学的计划终究失败了，但是

    在这个过程中，他却为代谢活动的研究奠定了基础。他制作了一台测温

    器，原理和一千五百多年前希罗的描写相仿，他还在上面制作了刻度，以测量病人的体温与正常体温的差值。一台带有刻度的测温器，其实就

    是一部温度计了，它能以一个定点为基准，并用定量的方式测量温度的

    变化。做出这部装置，桑托里奥应该记上一功；而且以任何标准来看，他都是系统测量人体温度的第一人。

    与此同时，伽利略的传记作者维维安尼(Viviani)也宣称，温度计

    是伽利略早年在帕多瓦居住时发明的，时间在1592年到1597年之间。他

    写道：“他就是在那段时间发明了温度计，这种仪器用玻璃制成，内部

    填充了水和空气，能用来测量冷热的变化。”照我的猜想，伽利略在

    1594年阅读希罗的《气体力学》之后，的确制作过一台测温器，他也肯

    定改善了希罗的设计，就像他改善望远镜一样。他还很可能在那台测温

    器上画了刻度。1613年，正在试验温度计的朋友萨格雷多(Sagredo)

    给伽利略写了一封信，信中也提到了温度计是他的发明。

    虽然数字温度计在近些年大行其道，但伽利略时代诞生的现代温度

    计却仍在使用，它在玻璃管内封存一段液体，外面标有刻度。最常用的液体是汞，它在1700年就已启用，那之前用的则是酒精、各种烈酒甚至

    是清水，有的彩色，有的透明。这个管道状的设计大概是1640年左右在

    佛罗伦萨问世的。它的发明者一般认为是托斯卡纳大公斐迪南二世，伽

    利略的《关于两个世界体系的对话》就是献给他的。伽利略1642年在佛

    罗伦萨逝世时，大公还将他誉为“我们这个时代最灿烂的光”。他本想在

    埋葬伟人的圣十字大教堂为伽利略修一座大理石陵墓，但教皇乌尔班八

    世否决了这个想法，说这会触犯教皇的权威。

    这幅壁画描绘了实验科学院在17世纪的一次会议

    伽利略虽然受到了宗教裁判所的压制，但佛罗伦萨却依然出现了一

    个活跃的科学集团，这一方面是因为美第奇家族[3]

    的慷慨援助，另一方

    面也是因为伽利略的几位门徒贡献了力量，其中包括卡瓦列里

    (Cavalieri)、维维安尼(Viviani)以及气压计的发明者托里拆利

    (Torricelli)。1657年，九名佛罗伦萨人组成了一个学会，名叫“实验

    科学院”(Accademia del Cimento)。它的成员遵从伽利略的教诲，自己

    制作设备，自己开展实验，以此追求新知。十年之后，他们将研究成果

    汇集成了一本《实验科学院自然实验报告》(Saggi di naturali

    esperienze fatte nell' Accademia del Cimento)出版。第一篇报告题为《如

    何用仪器揭示由冷热造成的空气变化》，其中详细介绍了温度计的制

    作，还描述了吹玻璃工是如何制作温度计末端的玻璃球的。这批早期的温度计今天仍可以在佛罗伦萨的科学史博物馆[4]

    看到，其中的一些格外美丽。它们的玻璃外壳吹制成了不同的形态，有管状、螺旋状，甚至还有精美的动物形状。它们都遵循同样的原理：温度上

    升，封存的液体就会膨胀。膨胀由精确的刻度记录，也可以由温度计中

    的一只只自由移动的小球标识，这些小球的密度各不相同，而且对于温

    度变化时液体的密度变化十分敏感。由实验科学院制作的几部早期温度计和一部湿度计

    可惜的是，实验科学院在1667年被迫解散，距创立不过十年。现在

    看来，学院之所以解散，当是它的赞助者莱奥波尔多·德·美第奇出任红

    衣主教之故。此前伽利略因为维护哥白尼的日心说受到天主教会的审

    判，已经是对科学界的沉重打击；现在实验科学院再一解散，更使得自

    由的科学探索在意大利境内就此凋零。这次衰落当然也有别的原因，比

    如意大利当时分裂成许多更小的城邦，但如果科学院能够继续繁荣，那

    么科学的历史或许就会改写。

    在这之后，温度计经历了有趣的历史，但是它对科学已经没有多少

    新的贡献了。胡克制作了几部温度计，牛顿也是。1701年，牛顿提出用

    亚麻籽油作为温度计内的液体，还引入了0到12的刻度。他将“压紧的雪

    融化的温度”定为0度，将“温度计与人体接触后获得的最大热量”定为12

    度。牛顿一向行事机密，这次甚至没有透露自己是这部仪器的作者，在

    其他人猜到之后，他才终于承认。

    几年之后，一个名叫奥勒·罗默(Ole Romer)的丹麦人(他最出名

    的成就是测量了光速)提出，用冰的熔点和水的沸点作为刻度更加合

    理。他将两者的温度分别定为7.5度和60度。一个名叫丹尼尔·加布里埃

    尔·华伦海特(Daniel Gabriel Fahrenheit)的仪器制造商拜访了罗默，他

    吸收了罗默的想法，并重新设定了这两个刻度，它们现在分别是华氏32

    度和212度(即摄氏0度和100度)。这两个数字看起来实在有些随意，大概是因为华伦海特用水、冰和盐的混合物定义了0度，又用人体的大

    致温度定义了100度。华氏温标在英国与荷兰流行开来，但是大多数国

    家并未接受，它们虽然也将水的冰点和沸点作为标准，但采用的却是摄

    氏温标。这个温标由安德斯·摄尔修斯(Anders Celsius)提出，和华氏

    温标相比，它更符合法国大革命之后采用的公制，也就是十进位的度量

    单位。

    度量的意义，只有在了解了度量的对象之后才会显现出来——换句

    话说，度量需要目的。我们都知道长度为0、时间为0是什么意思，那么

    温度为0又代表了什么呢？虽然我们很容易分辨两个物体的冷热(至少

    在神经的感受范围之内)，但是长度和时间都具有我们能够直观把握的

    绝对度量，温度却似乎没有。当研究者开始用“科学”的方法衡量温度

    时，我们自然要问一问他们衡量的究竟是什么。要回答这个问题，就需

    要对热有更深的理解。

    来自麻省的伯爵罗伯特·波义耳，第一任柯克伯爵的第十四个孩子，正是他的一组

    实验将热量、温度和能量首次联系在了一起。1650年代，波义耳定居牛

    津，当时实验科学刚刚在英国站稳脚跟。手头富裕的波义耳做起了实

    验，并且和一群志同道合的人讨论结果。1663年，这群人组成了“增进

    自然知识伦敦皇家学会”，也就是今天的皇家学会。在波义耳的保举之

    下，学会雇用了一个年轻人担任实验主管，职责是协助会员开展实验，并协助他们在学会的例会上展示成果。波义耳选中的就是时年二十七岁

    的罗伯特·胡克，他曾经协助波义耳制作了好几种真空泵。和意大利的

    实验科学院不同，皇家学会到今天仍欣欣向荣。

    波义耳的实验显示，当温度恒定，一团气体受到的压力与它的体积

    成反比，一个上升，一个就下降，但两者的乘积始终不变。而当温度上

    升时，气体的体积也会增大，这说明气体的温度和压力、体积都有些关

    系。大约一百年后，一个名叫雅克·查理的法国人更进一步，指出在压

    力不变的情况下，一只气球内部的气体体积和它的温度成正比。也就是

    说，气体的体积会随着温度的升降而升降。

    1802年，约翰·道尔顿和约瑟夫·路易·盖-吕萨克得出了一个非常有

    趣的结论(盖-吕萨克还在无意中发现了雅克·查理那部没有出版也少有

    人知的著作，并且为他争到了荣誉)。两人发现，一旦将压力固定，那

    么在摄氏0度左右时，温度每升高1摄氏度，所有气体的体积都会增加原

    来的1273；而温度每降低1摄氏度，气体的体积又会减少原来的1273。

    比如在摄氏10度时，气体体积会变为原来的283273；而在摄氏零下10

    度时，它又会变为原来的263273。总之，气温每变动1度，气体的体积

    就会变化1273。

    盖-吕萨克将这个发现推而广之，他发现在体积固定的时候，温度

    每变动1摄氏度，作用在容器外壁上的气体压力就会变动1273倍。这实

    在是令人费解。气体的压力、体积和温度的关系，似乎并不取决于气体

    的种类，仿佛一切气体之间，都有一种深层的联系。盖-吕萨克发现，这并不是某几种气体的特殊性质，也和在哪里实验并不相干。作为研究

    者，他在细心之余也够大胆：1804年9月，他乘着热气球飞到23000英尺

    (约7010米)的空中。随着气球的升降，他在各个高度上采集了气体样

    本、记录它们的温度。他的公式始终有效。

    如果查理、道尔顿和盖-吕萨克的计算是正确的，那就会引出一个

    惊人的结论：如果在压力不变的情况下，温度每降1度，气体体积就下

    降1273倍，那么到了摄氏零下273度，它的体积就会缩小到0。如果体

    积不变，压力也会经历相同的变化。压力和体积都是正数，0是它们可

    能达到的最小值。也就是说，气体的体积和压力的下降，最多持续到摄

    氏零下273度。那是刻度的终点，是气体的最低温度，是名副其实的“绝对零度”。

    就我所知，这是绝对零度的概念第一次进入科学。而且了不起的

    是，这个概念是完全正确的，就连-273度都是正确的值(严格来说应该

    是-273.16度，但是这就别挑刺了)。然而，当时参与研究的科学家，一

    个也没有看出-273这个数字中的特别意义。将温度推演到这个数值确实

    精彩，也的确指出了不同气体的共同性质，但是在他们看来，任何气体

    在达到这个温度之前早就液化了，所以这个绝对零度并不值得深究。

    到这里，事情似乎走进了僵局。要对温度的意义再作深究，就必须

    更好地理解热量的本质：热量是不是一种独立的性质？在一场一直延续

    到19世纪的辩论里，许多人都认为热量是可燃物中的一种元素，会在燃

    烧时释放到空气中，他们将它称为“燃素”。1800年，当拉瓦锡用实验证

    明热量没有重量之后，它又获得了“热质”(caloric)的称号。此外另有

    一派思想，当时得到了牛顿的支持，和现在的观点也比较接近，它认为

    热量的产生是由于物体成分的运动，至于是什么成分在运动，在当时还

    是个谜。

    有些研究成果显然与热质说并不相符。在1807年的一个气体实验

    中，盖-吕萨克使用了一个大型容器，他在容器中间隔了一块挡板，然

    后在半边注入气体，另半边抽成真空。将挡板迅速抽出，气体很快充满

    了整个容器。热质说认为，温度是热质浓度的表征，那么抽出挡板后，容器内的温度理应下降，因为热质的总量没有改变，但是扩散到了更大

    的空间中，浓度下降了。然而盖-吕萨克发现，容器内的气体温度并未

    变化。热质论的支持者解释说，这肯定是因为热质在气体的扩散中发生

    了损毁或是变化。

    越来越多的证据表明，热量和机械能之间有着某种联系，机械能的

    消耗似乎就会产生热量。在两者之间建立确切关联并提出所谓“热功当

    量”的，一般认为是一位伦福德伯爵，他曾经撰写了《受摩擦激励的热

    源的一份调查》(An Inquiry Concerning the Source of the Heat Which is

    Excited by Friction)，刊登在1798年的《皇家学会会刊》上。

    伦福德伯爵，1753年生于美国麻省的沃本，教名本杰明·汤普森，他的一生，和一般伯爵有些不太相同。他在十九岁时娶了新罕布什尔的

    一名三十三岁的妇女，对方是个富裕的寡妇，前夫是新罕布什尔民兵队

    的一名上校。新罕布什尔州的州长对这桩婚事十分赞许，他迅速将年轻

    的汤普森任命为民兵队的少校，使两人能够门当户对。北美独立战争打

    响之后，支持英军的汤普森抛下妻子女儿，独自移居伦敦，并最终成为

    了主管殖民地事务的政务次官。他在参政之余从事科学研究，不过最初

    的研究都是为了迎合英国陆军的需要。他因为研究炸药而入选皇家学

    会，还因为多项其他发明而为人所知，包括几种新型炉子、双层蒸锅以及滴漏咖啡机。

    在受到英王乔治三世的册封之后，三十一岁的汤普森又跑去欧洲大

    陆谋求出路。巴伐利亚选侯给了他一份诱人的工作，于是他在慕尼黑住

    了下来。他将瓦特的蒸汽机引入巴伐利亚，还规划了慕尼黑的“英国花

    园”公园。后来他被授予神圣罗马帝国伦福德伯爵的头衔，以感谢他改

    组军队及公务员系统的贡献(汤普森的事业是在新罕布什尔的康科德起

    步的，那里的原名叫“伦福德”，所以他才选择了这个名号)。伦福德后

    来搬回英国，此时他的身份已经是巴伐利亚驻英国的全权公使了。然而

    乔治三世并不认可自己的臣民兼任外国公使一职。伦福德一怒之下离开

    英国，来到了正与英国交战的法国定居。起初他备受礼遇，甚至娶了大

    化学家拉瓦锡的遗孀，而拉瓦锡已经在法国大革命中被处决了。不过到

    头来，伦福德还是没管住自己爱吵架的性子，到1814年去世的时候，他

    已经和所有人都闹翻了。

    我们今天还记得这位传奇人物，主要是因为他在巴伐利亚期间所做

    的一组实验。在改善当地的军备时，刚刚获得头衔的伦福德伯爵思索起

    了在加工加农炮的炮膛时产生的热量。他意识到加工产生的碎屑和原来

    的金属具有相同的热性质：无论是金属碎屑还是完整的金属块，要使它

    们升高1度，所需的热量是一样的。显然金属并没有变化。那么那些热

    量又是哪来的呢？伦福德认为，这些热量一定是来自钻孔过程中所做的

    功。在他看来，热量并不像拉瓦锡主张的那样是一种无法销毁的热质，而是一种会产生和消失的东西。机械能可以产生热量，热量也可以产生

    机械能。

    伦福德的认识是正确的：并没有什么独立自存的热质，热量确实和

    物体的运动或者内部振动有关。他用钟作比喻：热量就像钟声，低温好

    比较低的音符，高温则是较高的音符。温度只是钟声的频率。高温物体

    在敲击时会发出“热线”，低温物体则在敲击时发出“冷线”——这个观点

    可以追溯到普鲁塔克(Plutarch)[5]

    的《冷的原理》(De Primo

    Frigido)。热量不会耗尽，就像钟不会因为敲击而消失。冷是独立的实

    体，而不仅仅是热的缺乏。

    伦福德还用声音作比喻，向日内瓦的同行拉乌尔-皮埃尔·皮克泰

    (Raoul-Pierre Pictet)讲解了自己的实验：“冰块在瓶子里的缓慢振动使

    温度计唱出了一声低音。”在他看来，两个不同温度的物体之所以能够

    达到热平衡，是因为热物体吸收了冷物体发出的冷线，冷物体也吸收了

    热物体发出的热线。他甚至认为，北方气候带的人肤色较白而热带的居

    民肤色较黑，也是因为白色反射冷线，而黑色反射热线。他对这条原理

    身体力行，在冬天只穿白色衣服。

    即使在伦福德用实验展示了热功当量之后，对热量的理解也还有很长的路要走。我们讲授科学时往往将它描绘成一场胜利的进军，精彩的

    结果接二连三地出现。这样的教育风格常常受到历史学家和科学社会学

    家的批评，但是我们这些科学教师也有我们的苦衷：要教的东西那么

    多，手里的时间又这么少，权衡之下，只能走最简单的路了。我也常常

    希望能对学生多说几句，让他们了解科学史上的人们是如何苦苦摸索，在研究途中又是如何容易走上歧路的，这一定很有启发。哈维因为发现

    了血液循环而名垂青史，桑托里奥却已经被人忘却。伦福德被人记住是

    因为算出了热功当量，并且将热量和物体成分的运动联系了起来，但我

    们只要略加深究，就会发现他的研究其实并不那么牢靠。

    蒸汽动力

    在理论上，关于热量本质的争论仍在继续；而在实践上，机械能和

    热能的关系已经通过蒸汽机的发明为工业革命拉开了序幕。蒸汽机最初

    由托马斯·纽科门(Thomas Newcomen)在1712年发明，后来又先后得

    到了几个英国人的改进，它们改变了制造的本质，也革新了商品的运

    输。

    在18世纪初，英格兰的曼彻斯特只有不到一万居民，到了1769年，当詹姆斯·瓦特为第一台高效的蒸汽机申请专利时，它也依然只是个小

    城。但是没过多久，它却跻身世界都市之流，成为了一个行业中枢，美

    洲生产的棉花经利物浦运到这里，纺成成衣，再装上蒸汽船送到世界各

    地。在18世纪的后四十年里，曼彻斯特的人口翻了三倍，到19世纪的前

    四十年，它的人口又翻了三倍。

    曼彻斯特的兴起，部分是因为历史的意外——它的有利位置和合理

    规划恰好在这时候成就了它。另一部分原因，则是城里信奉的主流教派

    是在剑桥和牛津遭到禁止的神体一位论。1792年，曼彻斯特学院开张，向年轻学子传授大量科学，这对当时注重经典的正统教育不啻是一种反

    叛。教育上的变化将学生导向实际，而这又正好迎合了工业革命的发

    展。曼彻斯特对科术的推崇固然与它原本注重实际的风气有关，但另一

    方面，这也是因为曼城意识到了自身的发展和繁荣与技术创新有直接的

    关系。

    曼彻斯特培养出的第一位大科学家是约翰·道尔顿，他是原子理论

    的创始人，也是气体膨胀规律的发现者之一。曼城在1781年成立了“曼

    彻斯特文化与哲学学会”，道尔顿自1817年起担任学会主席。这里的居

    民或许对原子理论的细节并不了解，但他们知道蒸汽机和工厂对自己的

    生活有多么重要，也明白这里头有道尔顿的功劳。1844年道尔顿逝世，送葬的行列包括了一百辆马车，从头到尾延绵了四分之三英里(约1.2

    公里)。道尔顿的灵柩在市政厅安放，有四万名悼念者前来瞻仰。

    物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)写过一篇名叫《曼彻斯特

    和雅典》(Manchester and Athens)的文章，探讨了曼彻斯特开创的研

    究风格。他的这个标题借用了英国前首相本杰明·迪斯雷利(Benjamin

    Disraeli)写过的一部小说，其中的主人公说道：“曼彻斯特对人类的贡

    献和雅典相当。”这份贡献主要源于曼城人民掌握的一个概念，那就是

    蒸汽机将会改变商贸的本质，正如一百年后的电力以及两百年后的电脑

    一样。

    虽然英国在蒸汽机的开发上一路领先，但是第一个掌握了它的简单

    原理并表述出来的，却是法国人萨迪·卡诺(Sadi Carnot)。在这个过程

    中，他还提出了一个定律，那就是后来的“热力学第二定律”。卡诺早年

    学习工程，1815年拿破仑倒台之后法国国势衰弱，令他十分担忧。卡诺

    出身显赫，他的家族向来对政治和科学怀有强烈兴趣。他的父亲曾担任

    拿破仑的战争部长，他的弟弟也是著名的政治家，他的侄子更是在1887

    年至1894年做过法国总统。

    卡诺明白，英法两国的地位升降并不仅仅是滑铁卢战役的后果。另

    一个原因是法国缺少像曼彻斯特这样的城市。他曾这样说道：

    我们知道，铁和热是机械工艺的支柱与根基。在英国，我怀疑没有一处工业设施的

    存在不仰仗这两样东西，也没有一家工厂不在随意运用它们。英国要是没有了蒸汽机，它也就没有了煤和铁。它的财富之源将会枯竭，它的繁荣之本将会毁坏，一句话，它的

    巨大力量将被整个消灭。相比之下，它要是没有了自视为最强防御的海军，其后果倒未

    必有这么严重。

    1824年，二十八岁的卡诺开始研究蒸汽机。他意识到蒸汽机可以看

    作是一种循环作用的引擎：将水烧开，化作蒸汽，然后送入汽缸，推动

    活塞。活塞走完一程，回到原处，此时蒸汽冷却，凝结成水，然后回到

    锅炉，重启循环。

    卡诺主张，蒸汽机好比是一架由落水驱动滚轮的水车。水的落差越

    大，做功的速率就越大——简单地说，也就是水车转动得越快。有一天

    他灵光一现，想到一台蒸汽机的做功速率，只取决于热量的来源和去

    向，也就是锅炉与冷凝器之间的温差。这个温差就相当于水车中流水下

    落的高度差。

    卡诺并没有完全理解一台蒸汽机的根本原理，他的类比也不算全

    面。比如，他认为热量是无法消灭的，是一种始终守恒的热质，所以蒸

    汽机吸收的热量和释放的热量必然相等。这自然与他心中的水车模型相吻合。你可能要问，伦福德已经在实验中将机械能转化成了热能，这不

    就证明“热质”这东西并不存在了吗？但是在热质说的拥护者看来，伦福

    德的成果却反倒证明了他们的观点。按照他们的解释，伦福德的实验说

    明摩擦力从物体中挤出了热质，由此产生了热量。

    卡诺在三十六岁时不幸逝世(死于霍乱)，在那之后不久，越来越

    多的人开始认识到热质并不存在：热只是能量的诸多形式之一，在一个

    封闭的系统内，能量的各种形式是守恒的。这个认识后来被称为“热力

    学第一定律”。以一台蒸汽机为例，锅炉吸收的热量与冷凝器排放的热

    量并不相等，两者的差值，就是一台理想的蒸汽机所做的功。

    第一个证明了热力学第一定律的“现代”实验，是由道尔顿的一名年

    轻而谦虚的学生做出的，他名叫詹姆斯·焦耳。焦耳在曼彻斯特的务实

    氛围中接受了教育，也认为实验胜于先入为主的观念。他对这个课题的

    第一步研究，是证明了导线中的电流可以产生热量；这说明电和热彼此

    相关。有的人或许会说，这是因为电流从导线中挤出了热质，但焦耳并

    不这么认为。

    焦耳接着又对伦福德的实验做了改进。他制作了一台小型搅拌机，它的叶片浸在一只烧杯里，上部连着一根垂直的棒子。这根棒子经由滑

    轮和一块重物相连，重物下坠，就会牵动叶片，将水搅动，同时又不会

    对水造成任何改变。焦耳在烧杯里插了一根非常精确的温度计，以此来

    计算重物坠落时的势能改变在水中产生了多少热量。他将叶片浸入不同

    的流体，重复实验，产生的热量始终相同。这个结果，至少在焦耳看

    来，证明了能量是守恒的，也证明了热质是不存在的。

    1847年，焦耳在一场讲座中介绍了自己的测量，听众中有一个年轻

    的苏格兰人，名叫威廉·汤姆森。汤姆森是一名天才，二十三岁就在格

    拉斯哥做了大学教授，他博览群书，也了解科学的进展。图中显示的是詹姆斯·焦耳用来确定热功当量的装置焦耳的说法使他困惑，因为这似乎和卡诺的观点背道而驰。这些观

    点在当时的英国还不为人知，但是汤姆森曾在巴黎求学，他了解卡诺的

    观点，并且向焦耳作了介绍。两人就此结下一段友谊，并开始合作研究

    热机，以确定到底哪个是正确的观点。

    汤姆森和卡诺一样，认为在蒸汽机的一轮循环中，它吸收的热量和

    释放的热量是相等的。在几次讨论之后，焦耳说服了他这个观点是错

    的。但是两人都同意卡诺的观点在根本上是正确的：蒸汽机在一轮循环

    中所做的功除以输入的热量，其结果只取决于锅炉和冷凝器的温度。把

    焦耳的结果与卡诺的概念相结合，就会发现一台典型蒸汽机的效率(输

    出的功除以输入的热量)要小于1(即100%)，它与1之间的差值可以

    用两种方式表述，一是冷凝器输出的热量除以锅炉输入的热量，二是冷

    凝器的温度除以锅炉的温度。卡诺说蒸汽机的效率取决于温度差，这一

    点是正确的。

    当然，这里温度要用正确的度量表示。道尔顿和盖-吕萨克的实验

    已经提示了正确的度量，那就是将摄氏零下273度作为真正的零度。在

    这个绝对量表里，摄氏0度是273度，水的沸点则是373度。一台理想的

    循环热机，如果锅炉是摄氏100度、冷凝器是摄氏7度，那么它的效率就

    是1减去280373，其中280是冷凝器的绝对温度，由273加7得出，373则

    是锅炉的绝对温度。

    只有在一种情况下，热机的效率才会达到100%。那就是机器将热

    能完全转化为机械能，它的冷凝器达到绝度零度。从原理上说，所有能

    量都是平等的，但实际上，有些能量却比别的更平等。机械能转化为热

    能，效率可以达到100%；但是热能要完全转化为机械能，冷凝器就必

    须达到绝对零度。当然，绝对零度已经是最低的温度，因此热机的效率

    绝对不可能超过100%。

    具体来说，加大锅炉和冷凝器之间的温度差，就能提高一台蒸汽机

    的效率。你也许认为锅炉的温度只能是绝对373度，因为那是水滚沸成

    蒸汽的温度，但是压力能够提高水的沸点。詹姆斯·瓦特就明白这一

    点。他的蒸汽机有一项改进，那就是在高压下产生蒸汽。

    今天，能量的单位是“焦耳”，电线中产生的热量称为“焦耳热”，但

    是将摄氏0度表示为273度的绝对温标则被叫做“开氏温标”。开氏是谁？

    就是威廉·汤姆森。在度过漫长的生涯之后，在科学与公务领域均有显

    赫成就的他终于得到了皇家的认可，他在1892年成为了一名贵族，封

    号“开尔文男爵”。

    热力学的三条定律热是什么？热能和其他能量是什么关系？它通过什么途径传递？它

    和温度的关系又是什么？这些问题在19世纪得到了热切的研究。这门宽

    泛的学问，在当时和现在都称为“热力学”。当时的许多科学家都尝试将

    主张建立在确定的公理之上，他们希望清晰的表述能够将研究中的含混

    之处彻底清除。他们的一些辩题显得相当陈旧，但是这番努力却引出了

    不少有趣的新观念。无论他们的主张多么复杂，热力学的基础向来是简

    单的，那就是热力学第一定律和第二定律。此外也有一条比较模糊的第

    三定律，偶尔被拿来凑数用。

    简单来说，热力学第一定律认为，热是能量的一种形式，而且能量

    作为整体是守恒的。热力学第二定律认为，一台将热能完全转化成机械

    能、效率达到100%的机器是不可能造出的。这门学问之所以显得如此

    复杂(至少从历史角度来看是如此)，部分原因是卡诺先发现了第二定

    律的主要部分，接着人们才理解了第一定律。然而从教学的角度看，先

    发现的那条却应该叫做第二，后发现的叫第一，因为这才是科学演进的

    逻辑；虽然它们实际发现的顺序和这个逻辑正好相反。

    在这之前，许多科学家都思考过能量守恒的问题，但是确定无疑地

    证明第一定律，还要等到焦耳的实验，同时代还有一位才华横溢的学者

    也独立开展了实验，那就是德国的赫尔曼·冯·亥姆霍兹。不过在评定功

    劳的时候，出于一些复杂的原因，还要把另一位尤利乌斯·迈尔(Julius

    Mayer)给算进去。这位迈尔年轻时在热带的一艘船上做医生，他发现

    热带病人的静脉血要比北方病人的红。他由此开始思索氧化的问题，并

    最终想到了身体制造的能量和释放的热量之间的关系。他接着提出了一

    套和热力学第一定律相仿的说法，其中充满形而上学术语，即便在那个

    时代也常常遭人嘲笑。

    我在前面说过，对热力学两大定律的理解和表达引出了一些有趣的

    概念。其中影响最深远的莫过于“熵”，那是19世纪中期的另一位德国科

    学家鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)提出的。克劳修斯想知道，为

    什么在一定意义上，机械能是比热能更“高级”的能量形式？为什么机械

    能可以100%转化成热能，而反过来却不可以？为了解答这些问题，他

    把一个过程的可逆与否和一个系统的有序程度联系了起来。假定有两只

    盒子装着数量相同的能，一只的内部处于有序状态，另一只的内部处于

    无序状态，那么能量的转化就只能是从有序到无序，反过来是不可能

    的。在克劳修斯看来，机械能是比较有序的：一个滚下山坡的物体会因

    为摩擦而停下，但摩擦中产生的热能却不能用来将物体重新推回山顶。

    克劳修斯把熵在热力学中的应用总结成了两条不同凡响的定律，在

    当时产生了巨大的影响。它们是(1) 第一定律：宇宙的总能量是恒定

    的；(2) 第二定律：宇宙的熵会趋向最大。这第二条定律也可以表述成“总体的无序始终增加”。后来赫尔曼·能斯特(Hermann Nernst)更进

    一步，提出了所谓的“能斯特定律”，有时也称作“热力学第三定律”，它

    认为一个物体的温度降到绝对零度时，它的熵也会变成零。绝对零度的

    状态就是绝对有序的状态。

    我们来回顾一下盖-吕萨克的气体实验，再结合1850年代晚期从分

    子运动研究中得到的灵感，三条定律的意义就会显露出来了。1857年，克劳修斯写了一篇影响很大的论文，题为《我们称为热量的那种运动》

    (The Kind of Motion We Call Heat)，将平均分子运动与热学性质联系

    了起来。两年之后，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦又用新颖的统计学思路对

    这个问题开展了研究。麦克斯韦大概是19世纪最有才华的理论物理学

    家，1855年在剑桥大学修读本科的时候，他就已经证明土星光环不可能

    是一整块液体或固体。这些光环稳定不变，说明它们是由许多相互作用

    的微小颗粒构成的。1859年，麦克斯韦将这种统计推理的方法运用到了

    对气体分子的一般分析当中。他问道：当气体分子在容器内部运动，一

    边互相撞击，一边和容器内壁撞击，它们的运动会是什么样的呢？一个

    大小适中、压力和温度正常的容器，必然装着亿万个气体分子。其中任

    何一个分子的速度都是不断变动的，因为它时刻都在与其他分子碰撞。

    因此值得研究的应该是分子的平均速度，以及速度在平均值周围的分

    布。

    麦克斯韦设想了一个盛放不同气体的容器，他意识到在分子数目相

    对于分子速度的图表中应该有一个峰值。换言之，大多数分子的速度都

    位于一个特定数值左右的小范围之内。不同的气体分子，平均速度也不

    相同，但是所有分子的平均动能(分子的质量乘以速度的平方再除以

    二)却几乎是相同的。在一个达到了热平衡的容器内部，所有气体的温

    度也是相同的。热平衡下分子数密度随分子动能变化图。当绝对温度改变，曲线的峰值也会移动。

    我们再进一步，将温度设想成分子平均动能的表征，然后看看如何

    从这一点出发，澄清绝对零度的意义。

    绝对零度不再是一个谜。动能永远是正数。而正数的平均值也必然

    是正数，因此这个平均值的最小数值为零，要达到这个值，所有分子的

    动能就必须为零。一连串零的平均数也是零。如果我们用摄氏度来测量

    一团气体，那么当每一个分子都在休息，所有分子的动能都为零时，气

    体的温度就是摄氏零下273度。绝对零度，也就是所有分子都处于绝对

    休息的状态。就这样，温度和分子动能的平均数连上了!说到底，这并

    不是一件简单的事：使得每一个分子都停下休息，这是现代物理学中的

    一大难题。它在理论和实践上都十分艰巨，会牵扯到量子力学的所有微

    妙性质，不过这个留到后面再说吧。

    热力学第一定律的意义十分简单：容器中的热量相当于其中所有分

    子动能的总和。热能只是描述动能的另一种方式，是对大量分子的微小

    动能的总结。热力学第一定律，说的就是那股能量的守恒；能量既不会凭空出现，也不会凭空消失。

    根据波义耳定律、查理定律和盖-吕萨克定律，撞击容器内壁的气

    体分子会形成压力；容器内温度越高，气体分子的运动越快，形成的压

    力也就越大。盖-吕萨克的那个旨在否定热质说的实验也很好理解：用

    隔板将容器一分为二，半边抽成真空，半边留下气体。将隔板抽出，本

    来囿于半边的气体分子扩散到了整个容器之中，但是它们的平均速度并

    未改变。气体的温度维持原状，因为温度表示的是分子的平均动能，而

    不是热质的汇集。热力学的拥趸或许会在想起焦耳—汤姆森效应时感到

    困惑：一团高压气体通过一个喷嘴逃逸到一个低压环境中时，会令它周

    围的温度下降。在这个例子里，扩散的气体做功并损失了能量，这才会

    降低温度，并从周围环境中吸收热量。和这个相比，气体在向一板之隔

    的真空扩散时并没有能量流失，因此温度也没有变化。

    熵与生命

    就在麦克斯韦对分子运动做出成功分析之后不久，维也纳的路德维

    希·玻尔兹曼思考起了如何用这番分析来理解无序和可逆的问题。许多

    年后，他终于对克劳修斯提出的“熵”概念作出了一番统计学解释，将热

    力学第二定律的所有深意都发挥了出来。

    热量总是从热的地方向冷的地方流动，而不是相反，这个现象可以

    用分子运动的语言加以表述。在一个容器边上静静等待，任由里面的分

    子互相撞击，片刻之后，你就能看到结果：原来较快的分子变慢了，原

    来较慢的分子变快了，相反的事情是不会发生的。也就是说，气体中较

    热的部分变冷了，而较冷的部分变热了；热平衡达成了。如果在常温下

    将一块冰放在一只大盒子的一角，冰会溶化。如果在盒子的另一角放一

    杯热水，它不会结成一块冰。

    玻尔兹曼是一个内心敏感、喜怒无常的男人，常常深陷抑郁。在他

    1906年自杀身亡之后，维也纳人民为他竖起了一块纪念碑。热爱音乐的

    玻尔兹曼想必会对自己的归宿觉得满意：家乡父老把他葬在了中央公

    墓，和贝多芬、舒伯特、勃拉姆斯以及施特劳斯为邻。只不过他的墓碑

    上没有音符，而是用浮雕刻着他的熵公式：S = klogW。其中S表示熵，k是一个常数，今天称为“玻尔兹曼常数”，W则表示一个系统可能的状

    态数目。

    到今天，熵的概念已经突破物理实验之外，通过各种途径走入了我

    们的生活。在投骰子时，7点比3点更易出现，因为7可以由6+1、5+2和

    4+3组成，而3只能由1+2组成。也就是说，7点包含了更多状态、更多投法，它的“熵”更高。再回头看看盖-吕萨克的容器，还记得隔板抽出

    时，里面的气体是怎么散开来的吗？这团气体的熵增加了，因为其中的

    分子多了许多可走的路径。气体在散开后退回容器一侧的可能性，随着

    气体分子数量的增加而急剧趋于零。这样的退缩对应的是熵的减少，意

    味着分子的运动受到更大的限制。就像用骰子掷出7点的方式多于掷出3

    点的方式，一定数目分子填满整个容器的方式，也要多于它们只填满半

    个容器的方式。

    我们究竟能不能将气体分子赶回容器的原来半边？要做到这点，最

    简单的办法就是在容器的右半边放一个活塞，对它轻轻施力，将气体分

    推到左边，直到一切恢复原状。然而这里头有一个小小的问题：压缩会

    加热气体，要让气体分子复原，还要将这部分额外的热量散去才行。那

    么，如果这部分热量能完全转化为功，并用来推动活塞，我不是就造出

    了一台不断压缩和释放气体的永动机了吗？但这是不可能的，热能绝不

    可能全部转化为功。当我将气体推向容器的半边，气体的熵的确是减少

    了，但是总的来看，活塞、冷却系统和容器的总熵依然是增加的。

    玻尔兹曼在概率和信息之间建立的联系，已经远远超出热力学的范

    围，成为了许多领域的基础，比如现代的信息和通信理论。它也引出了

    一些有趣的问题：如果真如克劳修斯所说，宇宙的熵值始终上升，一切

    都在变得无序，那么像生命这么有序的过程，又是怎么产生的呢？遗传

    信息是如何传递的，这些信息又是如何稳定复制的呢？答案相当巧妙。

    生物之所以能维持超乎寻常的秩序，是因为它源源不断地将营养物

    质中吸收的能量转化成机械能和热能。生物死亡之后，新陈代谢终止，无序和熵也随之迅速增加。要将一个活物拼装出来、维持下去，就必须

    不断地将营养物质从无序状态转为有序状态，使它们从高熵变成低熵。

    虽然单个生物的熵减少了，但如果将它和周围的其他个体、其他动植

    物，乃至海洋和地球一同计算的话，总的熵依然是增加的。生命是可能

    的，但是克劳修斯也没有错：宇宙的熵的确始终增加。

    以正确的角度来看，生命和物理学、化学的基本原理是可以相容

    的。不仅如此，19世纪末提出的关于生物系统的新思路，与这个方案更

    是一拍即合——在大量数字中寻找规律，将精确的性质归结为群体而非

    个体。法国的分子生物学大家弗朗索瓦·雅各布(Fran?ois Jacob)曾经

    雄辩地主张，当科学家对热的本质有了新的洞察，当他们用统计学的眼

    光看待热运动，当他们认识了高于一切的能量守恒定律，他们对生命的

    看法也随之改变了：“在19世纪初，生物靠生命力来完成合成及形态发

    生的工作；到了19世纪末，生物开始消耗能量。”

    到1900年，科学家已经把“生命力”和“热质”都抛在了脑后。能量成

    为了关键的概念，包括能量的运用、组织和它的诸多表现形式。染色体和细胞复制成了显微镜下的研究对象，遗传学已经准备好问世了。演化

    所需的地球寿命和太阳热量所允许的地球寿命之间的矛盾，也即将得到

    解决。

    科学正在经历一系列剧变以容纳新的思想。一幅崭新的长卷正在成

    型，其中的地球更加古老，它经历过许多个温暖期和冰期，也完全容得

    下生物演化的漫长历史。各门学科都开始求解这些新的谜题。回顾历史

    之后，科学家将目光投向前方，开始思考地球在眼前和遥远的将来会是

    怎样一番景象。它会变得酷热还是寒冷？那时的生命又将会如何？

    [1]贾雷德·戴蒙德，美国生物学家及科普作家，著有《枪炮、病菌与钢铁》等。——译者

    [2]拉斯科岩洞，法国南部的岩洞，在1940年发现了距今一点六万年的史前壁画。——译

    者

    [3]美第奇家族，文艺复兴时期佛罗伦萨的著名豪族，曾资助大量艺术创作与科学研究。

    ——译者

    [4]科学史博物馆已更名为“伽利略博物馆”。——译者

    [5]普鲁塔克，希腊作家。——译者第三章 读懂地球

    2000年7月末，俄罗斯破冰船“亚马尔号”离开位于挪威斯匹次卑尔

    根的母港，朝北极驶去。船上载了几名科学家，还有一群游客，他们一

    是要游览北冰洋，二是要在北极点上象征性地站立一次。亚马尔号装备

    的冰刀能破开10英尺(约3米)厚的冰层，但是航行途中，大家都惊讶

    地发现北方只有一片茫茫大海，只是偶尔才有几片薄薄的浮冰。当全球

    定位系统通知船长已经到达北极点时，船只的四周依然只有海水。那天

    晴空万里，头顶有象牙鸥掠过，这是人类第一次在这么北的地方看见这

    种飞鸟。亚马尔号又继续行驶了大约6英里(约9.6公里)，才总算找到

    了一块足够结实的浮冰、让百来名乘客在“北极点”象征性地站了一回。

    亚马尔号的船长去过好几次北极点，他说以前从来没有在那里见过

    开阔的水面。海洋学家詹姆斯·麦卡锡(James McCarthy)是哈佛大学比

    较动物学博物馆的馆长，也是亚马尔号上的讲解员。当此情景，他只感

    到意外和惊惶。他还记得上次来到北极的情形：当时还需要破开厚厚的

    冰层才能到达极点。

    第二次世界大战期间，加拿大皇家骑警计划驾驶他们的轮船“圣洛

    克号”从阿拉斯加下方的加拿大西岸出发，穿越西北航道前往大西洋。

    这向来不是一条轻松的航道。许多19世纪的探险家都曾在这里困顿，一

    边望着浮冰挤碎船只，一边在冰冻的营地里等待死亡。圣洛克号也曾在

    两年的冬季里为浮冰所困，到了夏季才勉强通行，启航之后的第二十七

    个月，它才终于驶进了大西洋。然而到了2000年夏季，一艘名为“圣洛

    克二号”的新船却只用一个月不到就走完了这条10000英里的水道(约

    16000公里)，中途还停了几次。船长对这次航行作了如下描述：“沿途

    有几座冰山，但是都没有什么好担心的。我们看见了几长条层叠的浮

    冰，全都小而零碎，完全可以绕行。”

    北极地区的暖化是剧烈的。十年之前，行驶到威廉王子湾的游轮还

    能目睹雄峙在海面上200英尺(约61米)的哥伦比亚冰川，但是在那之

    后，它已经后退了超过16英里(约26公里)，昔日冰川覆盖之处，如今

    已经是开阔的陆地了。阿拉斯加的大片土地曾经永久冰封，现在也已开

    始消融。失去支撑的路基弯曲变形，数量暴增的甲虫对白云杉森林发起

    了进攻。到了夏季，费尔班克斯[1]

    的气温升到华氏80度(约摄氏27度)

    以上，一连几周不退。科学家表示，阿拉斯加、加拿大北部和西伯利亚

    的平均气温在短时间内上升了至少5度，而北极圈内的有些地区更是上

    升了10度。北极熊是北美洲最大的陆地食肉动物，常有人称之为“北极之王”，和二十年前相比，它们的平均体重下降了10%，本来就短的狩

    猎季也缩短了三个礼拜。

    第一篇报道亚马尔号在北极点遇上开阔水面的文章登上了《纽约时

    报》头版。关于它后几天行程的报道移到了其他版面，评论也较为谨

    慎，但是毫无疑问，北冰洋正在变暖。正如亚马尔号的讲解员麦卡锡博

    士所说：“这件事实在反常，我们在两周的行驶中没有一天看见正常的

    海冰。在极点见到的开阔海面，和我们沿途所见并无什么不同。而这并

    不是什么短暂的现象。”

    北极浮冰的融化令人担忧，但是我们到底应该担忧到什么程度？局

    部和全球的温度变化，有多少是我们可以掌控的？人类在这个变化中起

    了多大作用？其中有多少又只是自然的温度波动？温度上升会引出什么

    样的连锁反应？气候变化有多少是可以挽回的？挽回还有多少时间？我

    们要如何改变资源利用的模式，改变该由谁决定？这些都是复杂的问

    题，是我们身为地球居民所要承担的最艰巨的任务。它们的答案还不明

    确，我们现在只能猜测：当我们选择不同的道路，未来将发生什么？

    我们先从比较容易确定的说起：亚马尔号观测到的结果，究竟是偶

    然的现象，还是北极气候变化的真实写照？根据在北极地区巡航的潜水

    艇的估计，短短几十年间，北冰洋浮冰的厚度已经下降了40%。1990年

    代，美国海军曾邀请科学家登上鲟鱼级潜艇，在北冰洋水域做了五次巡

    航，海军还批准他们分析了从冰盖底部传回的声呐信号。1980年代的数

    据到今天仍是机密，不过华盛顿大学的安德鲁·罗思罗克(Andrew

    Rothrock)、于彦玲和盖瑞·马伊库特(Gary Maykut)还是收集到了公

    开发布的声呐数据，它们来自1958年和1976年的潜艇巡航。他们将这些

    数据和手头的90年代数据作了对比，结果发现海面以下的浮冰厚度已经

    从平均10英尺(约3米)下降到了平均6英尺(约2米)。这和低空卫星

    根据冰面上反射的雷达信号算出的结果是相符的。对气候的暖化我们都

    有切身体会，但它似乎对南北极地区造成了最为沉重的打击，其中的原

    因还不完全明了，但这个打击是真实存在的。

    北极的变暖究竟是局部的气候波动，还是预告了一场席卷全球的剧

    变？作为对照，我们再来看看南极的情况。显示南极气候剧烈暖化的证

    据较少，但风险更高，因为南极变暖更有可能对全人类造成影响，即使

    是那些远离南极的地区也难以幸免。这个风险和亚马尔号的乘客在北极

    目睹的那片开阔水域有关。北极点被海水覆盖，往往只在海面上有一层

    浮冰，南极洲却是一块坚冰包裹的大陆。

    北极的浮冰本来就在水上，即使融化也不会使海水增加多少，但是

    南极的冰川一旦融化并从陆上掉进海里，那么全世界的水位就都会上

    升。这些冰川中最脆弱的是西南极冰盖，它盘踞在地球的最南端，位于大西洋和太平洋的交汇处。这片巨大的冰盖已经有部分浸在水中，由此

    形成的罗斯冰架封堵着南极大陆上面积更大的冰川。据估计，这块冰架

    包含了100万平方英里(约259万平方公里)的冰，一旦融化就会在全球

    造成洪水。到那时，世界上的多数港口将会消失，海平面平均上升约15

    英尺(约4.5米)，孟加拉国整个淹没，荷兰也有灭顶之灾，佛罗里达

    和路易斯安那的大片陆地都会消失在波涛之中。

    要估算这层冰架的移动是相当困难的。由多国组成的政府间气候变

    化委员会在1995年承认：“我们还不知道哪些特定情况会导致南极洲西

    部的冰川崩溃，在未来的一百到一千年内，这片冰川的整体或局部是否

    有崩塌的危险，我们还难以做出量化的评估。”西南极冰盖甚至不必全

    部融化就能酿成天灾，它只要从陆地滑入海洋，排出的海水就会和目前

    所有位于水下的浮冰体积一样多。尤其可怕的是，可能引起这场灾难的

    连锁事件已经启动了。最坏的情况是冰盖完全消失，但除此之外，我们

    还要评估许多别的风险。要做到这一点尤其困难，因为各种风险是互相

    纠缠的。某一处温度上升，就可能造成气候变动，而这一变动又会在别

    处引发环境灾难。气温的上升可能大大改变海平面的高低。

    全球变暖或全球变冷，这显然是一个复杂的问题，要想妥善地解

    答，就必须考虑引起变化的所有原因。决定地球温度的主要因素有四

    个。第一个是太阳——我们最重要的热量来源。当地球偏向太阳，就是

    夏天，当地球偏离太阳，就是冬天。但真实的情况比这更加复杂，因为

    地球在椭圆形的轨道上围绕太阳转动时，还会左右摇摆。第二个因素是

    地球本身的热量。它最直观的体现就是火山爆发，较间接的体现，则是

    进入一口深矿井时周围温度的上升；它最主要的来源是地球外层的放射

    性元素衰变，以及当初地球形成时就储存在地核中的热量。虽然这股热

    量在有的地方喷薄而出、威力惊人，但是和太阳给予的热量相比，地球

    本身的热量还只是微乎其微的。

    第三，海洋也是影响全球温度变化的重要因素。巨量海水环绕地球

    流动，仿佛形成了一条传动带。对于许多洋流，人类已经研究了好几百

    年，比如墨西哥湾暖流就是很好的例子；但也有一些是人类比较陌生

    的，它们与其说是洋流，不如说是一种上升流，比如厄尔尼诺现象就是

    如此。影响全球气候的最后一个因素是包裹在地球周围的大气层，这层

    气体既保护地球免受有害辐射的侵袭，也阻止了太阳送来的热量向太空

    中逃逸。

    气候变化还有其他原因。其中和小行星撞击的关系尤其惊人。在那

    时候，引起气候变化的主要原因不是撞击本身，撞击只是局部现象，但

    是撞击扬起的尘埃却会充斥整个大气。

    总而言之，太阳、地热、水和空气共同决定了地球的温度。要根据这四个因素的变动理解乃至预测气候变化是很难的，因为它们同时决定

    了气候。有了超级电脑和日渐成熟的模拟手段，未来的预测将会更加可

    靠，但是要做到准确的长期预测，仍需要多加努力。

    我们这颗行星在冷热交替中演化到今天，它的冷和热取决于它的环

    境，也取决于这四个发起并维持气候变化的因素。地球的过去写满了巨

    大而出乎意料的变化，其中有起始，有终结，有突变，也有反复。这些

    变化已经由细致的科学研究揭示了出来，这都有赖于测量装置的进步和

    人类的巧思。如何有效地运用这些知识？这就是我们未来要写的故事

    了。地球相对于太阳的运动是决定气候的最大因素，也是我们唯一无法

    掌控的因素。要讲述地球的历史，最好从这里开始。

    哥白尼的和谐

    地球每隔二十四小时围绕地轴转动一周，它的一面有时正对太阳，有时背对太阳，这样就形成了日夜的交替。在一年的时间里，地轴与地

    球公转面的夹角只有很小的变化。当北半球倾向太阳，北半球就是夏

    季；六个月后，当南半球倾向太阳，北半球就迎来了冬季。这是为什么

    有冷热变化的第一个解释，也是最重要的解释。但是和其他问题一样，细节是绝对不可小觑的，这里的细节，就是地轴本身的摇摆和细微变

    化。 ......