《迷人的材料》
序章 走進神奇的物質(zhì)世界
文明時代就是物質(zhì)時代
從我們對文明發(fā)展階段的劃分（石器時代、青銅時代和鐵器時代）就可以看出物質(zhì)對我們而言有多么根本和重要。人類社會每一個新時代都是因為一種新物質(zhì)出現(xiàn)而促成的。鋼是維多利亞時代的關鍵原料，讓工程師得以充分實現(xiàn)夢想，做出吊橋、鐵路、蒸氣機和郵輪。修建英國大西部鐵路與橋梁的偉大工程師布魯內(nèi)爾（Isambard Kingdom Brunel）用物質(zhì)改造了地景，播下了現(xiàn)代主義的種子。
20世紀常被歌頌為硅時代，是因為材料科學的突破帶來了硅芯片和信息革命。但這個說法忽略了其他五花八門的嶄新材質(zhì)，它們同樣改寫了現(xiàn)代人的生活。建筑師運用大規(guī)模生產(chǎn)的結(jié)構鋼和平板玻璃建起摩天大樓，創(chuàng)造出新的都市生活型態(tài)。產(chǎn)品和服裝設計師用塑料徹底轉(zhuǎn)變了我們的住宅與穿著。聚合物制造而成的賽璐珞催生了影像文化一千年來的最大變革，也就是電影的誕生。鋁合金和鎳超合金讓我們制造出噴射引擎，使得飛行從此變得便宜，進而加速了文化互動。醫(yī)用和齒科陶瓷讓我們有能力重塑自己，并改寫了殘障與老化的定義。整形手術的英文是plastic surgery，而plastic有塑料的意思，這顯示物質(zhì)往往是新療法誕生的關鍵，從器官修補（如髖關節(jié)置換手術）到美化外表（如硅膠隆胸）都是如此。德國著名解剖學家馮哈根斯（Gunther von Hagens）博士展出人體標本的人體世界展，也展現(xiàn)了新穎的生物醫(yī)用材料對文化的影響，促使我們思考自己生時和死后的物質(zhì)性。
人類建構了物質(zhì)世界。如果你想了解其中奧秘，挖掘這些物質(zhì)來自何處、如何作用，又如何定義了我們，這本書便是獻給你的。物質(zhì)雖然遍布我們周遭，卻往往面貌模糊得出奇，隱匿在我們生活的背景中，毫不顯眼，乍看很難發(fā)現(xiàn)它們各有特色。絕大多數(shù)金屬都會散發(fā)灰色光澤，有多少人能分辨鋁和鋼的差別？不同的樹木差異明顯，但有多少人能說出為什么？塑料更是令人困惑，誰曉得聚乙烯和聚丙烯有什么差別？但更根本的問題或許是：這種事有誰在乎？
我在乎，而且我想告訴你為什么。不僅如此，既然主題是物質(zhì)，是構成萬物的東西，那我愛從哪里開始都可以。因此，我選了我在屋頂?shù)恼掌�當成這本書的起點和靈感來源。
我從照片中挑了10種物質(zhì)，用它們來說東西的故事。我會挖掘這10種物質(zhì)當初發(fā)明的動機，揭開背后的材料科學之謎，贊嘆人如何用高明的技術把它制造出來。更重要的是，我會說明它為何重要，為何少一物便不能成世界。
在發(fā)掘的過程中，我們將發(fā)現(xiàn)物質(zhì)和人一樣，差異往往深藏在表面之下，大多數(shù)人唯有靠先進的科學儀器才能略窺一二。因此，為了了解物質(zhì)的性質(zhì)，我們必須跳脫人類的經(jīng)驗尺度，鉆進物質(zhì)里面。唯有進入這個微觀世界，我們才能明了為何有些物質(zhì)會有味道，有些則無；有些物質(zhì)上千年不變，有些一曬太陽就發(fā)黃變皺；有些玻璃可以防彈，但玻璃酒杯卻一摔就碎。這趟微觀之旅將揭開我們飲食、衣著、用具和珠寶背后的科學，當然還探索了人體。
不過，微觀世界的空間尺度雖小，時間尺度卻常常大得驚人。就拿纖維和絲線來說，它的尺寸和頭發(fā)差不多，是細得肉眼幾乎看不見的人造物，我們可以用它來制造繩索、毛毯、地毯和最重要的東西：衣服。我們身上穿的牛仔褲和所有衣服都是微型纖維結(jié)構，許多式樣比英國的巨石陣還古老。人類歷史都記載衣服能保暖、庇護身體，還能穿出時尚，但衣服也是高科技產(chǎn)品，20世紀發(fā)明了強韌的纖維，讓我們可以制作太空衣保護登陸月球的航天員，還有堅固的纖維可以制造義肢。至于我，我很開心有人發(fā)明了一種名叫克維拉的高強度合成纖維，可以制作防刀刺的內(nèi)衣。人類的材料技術發(fā)展了幾千年，所以我會在書中不斷提到材料科學史。
本書每一章不但會介紹一種新材質(zhì)，還會提供一個認識物質(zhì)的不同角度。有些主要從歷史出發(fā)，有些來自個人經(jīng)驗；有些強調(diào)物質(zhì)的文化含義，有些則強調(diào)科技的驚人創(chuàng)造力。每一章都是這些角度的獨特混合，理由很簡單，因為物質(zhì)太多種也太多樣，我們跟物質(zhì)的關系也是如此，不可能一概而論。材料科學是從技術層面了解物質(zhì)的最強大、最統(tǒng)合的理論架構，但重點還是關于材料，而不是探討科學。畢竟所有東西都是由別的東西制成，而制造東西的人（藝術家、設計師、廚師、工程師、家具師父、珠寶匠和外科醫(yī)生等），對所使用的材料及物質(zhì)都有屬于自己的情感、感覺和運用方式。我想捕捉的就是如此豐富多樣的材料知識。
例如，我在討論紙的那一章用了許多角度，像快照一樣呈現(xiàn)，理由不只是紙有各種型態(tài)，還因為幾乎所有人都以許多方式在用紙。但在討論生醫(yī)材料的那一章，我卻鉆入了人類物質(zhì)自我（也就是人體）的最深處。這塊領域正迅速成為材料科學的處女地，不斷有新材料出現(xiàn)，開啟了名為仿生學的全新世界，讓人體得以借助植入物而重建。這些植入物都經(jīng)過設計，可以聰明地融入肌肉和血液的運作中。它們誓言徹底改變?nèi)撕妥晕业年P系，因此對未來社會有深遠的影響……

《迷人的液體》
序言
我曾在機場安檢處有過一次遭遇，花生醬、蜂蜜、香蒜醬、牙膏，一股腦都被沒收了，最讓我心疼的是，還有一瓶單一麥芽威士忌。在當時的處境下，我無可奈何，只能說著我要見你們領導或是花生醬不算液體之類的話，盡管我心里明白，它就是液體�；ㄉ�醬可以流動，呈現(xiàn)出外包裝的形狀，這是液體的特性，所以花生醬是一種液體。然而，這件事還是讓我憤憤不平。因為即便是在充斥著智能技術的機場安檢處，工作人員也依舊不能區(qū)分液體面包醬和液體炸藥。
從2006年起，機場不允許乘客攜帶超過100毫升的液體通過安檢，但我們的檢測技術在那之后并沒有取得明顯進步。X射線檢測儀可以透視你的行李箱，因此被用于提醒安檢人員注意那些形狀可疑的物體，比如，從吹風機中識別手槍，或是從鋼筆中發(fā)現(xiàn)刀具�？墒且后w沒有固定的形狀，檢測儀只能辨識各類液體包裝物的形狀。機場掃描技術可以檢測出液體的黏度以及一系列試劑的化學元素，但也遇到了一些麻煩。比如，易爆品硝化甘油的分子構成和花生醬的很相似，它們都含有碳、氫、氮、氧等元素，盡管前者是一種液體炸藥，后者只是一種美食。毒素、毒藥、漂白劑和病原體的種類多得嚇人，要想從更多無辜的液體中迅速而又準確地分辨出它們來，簡直比登天還難。不僅如此，我還從很多安檢員（包括他們的領導）那里聽來了一個觀點：不管是我的花生醬，還是那些我似乎常會忘記從行李箱中取出來的液體物品，從某種意義上說都是隱患。他們總是說服我去相信這個很勉強的說法。
對于性能穩(wěn)定的固態(tài)物體來說，液態(tài)就是它的第二自我。固體材料是我們?nèi)祟愔覍嵉幕锇椋�衣物、鞋子、手機、汽車以及機場都擁有著固定的形態(tài)�？梢后w不過是流體罷了，它們可以呈現(xiàn)出任何形狀，除非被裝在容器中。當它們沒有被盛放的時候，總是四處漫開、滲透、侵蝕、滴落，擺脫我們的控制。當你將一塊固體物放好后，它就待在那里不動了，除非有人強行把它搬走。一般情況下，它可以勝任很多有價值的工作，比如，支撐一座大樓，或者為一整個社區(qū)提供電力。然而，液體可謂是無法無天，破壞物品時得心應手。舉個例子吧，在浴室，水流總是容易漏入縫隙，蓄積在地板下面干壞事，腐蝕并破壞木質(zhì)的地板托梁，要想阻止這一切，就要打一場持久戰(zhàn)了。在光滑的瓷磚地面上，積水成了讓人滑倒的絕佳隱患，無數(shù)人因此受傷。當水在浴室的角落蓄積時，又成了藏污納垢之所，黑漆漆、黏乎乎的真菌和細菌生長出來，隨時都有可能侵入我們身體并致病。然而，撇開所有這些威脅不提，我們還是很鐘愛這玩意兒的。我們喜歡在水中泡澡，或是在水下沖涼，讓全身都濕透。更何況，一間浴室里如果沒有各式各樣瓶裝的沐浴露、洗發(fā)露、護發(fā)素、洗面奶以及管裝的牙膏，它又怎么稱得上是完整的呢？因為這些神奇的液體，我們感到快樂，卻又對它們充滿擔憂：它們對我們有害嗎？它們是否致癌？它們會破壞環(huán)境嗎？因為液體，歡欣與猜忌交織在了一起。它們天生就是兩面派，既不是氣體也不是固體，而是居于兩者之間，是一類令人難以捉摸的神秘物質(zhì)。
水銀，數(shù)千年來人類為之欣喜不已，卻也深受它的毒害。當我還是個孩子的時候，經(jīng)常把玩液態(tài)的水銀，圍著桌面輕輕彈打水銀球，著迷于它的與眾不同，直到我知道了它有毒。不過，在很多古老的文明中，人們都認為水銀可以益壽延年、愈合骨折，維持身體的健康狀態(tài)。如今，我們已不清楚為何它會被賦予這些特性，也許是源于它的特殊性：唯一一種在室溫條件下保持液態(tài)的純金屬。中國的第一位皇帝秦始皇，為了長生不老而服用含有汞元素的丹藥，可他在49歲就駕崩了，或許是因為中毒。古希臘人將水銀制成軟膏來使用，而煉金術士們相信，水銀與硫黃的組合是形成所有金屬的基礎，當水銀和硫黃之間的配比達到完美平衡時，便可以得到黃金。迷信由此產(chǎn)生了，人們以為，不同的金屬只要以恰當?shù)呐浔然旌暇湍苤瞥鳇S金。盡管我們現(xiàn)在知道，這完全是天方夜譚，但是黃金可以在水銀中溶解是千真萬確的。如果在這種液體吸收了黃金后再將其加熱，它便會揮發(fā)，留下固態(tài)的金塊。對于很多古代人來說，這個過程就像變魔術。
水銀并不是唯一一種能吞噬其他物質(zhì)并納入其中的液體。將食鹽加入水中，食鹽會很快消失。但食鹽肯定還存在于某處，可究竟是在哪兒呢？但若是把水換成油，食鹽就會紋絲不動，這是為什么呢？液態(tài)的水銀可以吸收固態(tài)的黃金，但它對水十分排斥，這又是為什么呢？水可以吸收包括氧氣在內(nèi)的一些氣體，如果不是這樣，我們就將生活在一個完全不同的世界上。正因為氧氣會在水中溶解，魚類才能在水中呼吸。雖說水不能攜帶足夠的氧氣來供人類呼吸，一些其他的液體卻可以。比如，全氟碳液體（全氟化合物），這是一種化學反應性與導電性都極低的物質(zhì)。如果你將手機丟入盛有全氟化合物液體的燒杯中，這種液體的惰性會讓手機正常運轉(zhuǎn)。全氟化合物液體也可以吸收氧氣，濃度高到足以供人類呼吸。呼吸液體由此代替了呼吸空氣。這種可供呼吸的液體具有很多可能性用途，最重要的是用于治療患有呼吸窘迫綜合征的早產(chǎn)嬰兒。
當然，液態(tài)水具有維持生命的終極特征。這是因為它不僅可以溶解氧氣，還含有很多其他的化學物質(zhì)，包括一些碳基分子，因此能為生命的出現(xiàn)、新生物的誕生提供必要的水環(huán)境�；蛘�，至少在理論上說是這樣。所以，科學家們在其他行星上探測生命時，會先去尋找液態(tài)水。不過，宇宙中的液態(tài)水十分罕見，木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二的冰蓋下倒是有可能存在液態(tài)水海洋。此外，土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二上也可能存在液態(tài)水。但不管怎么說，地球是太陽系中唯一一顆在表面上就存在大量液態(tài)水并且可直接使用的天體。
一系列特殊的環(huán)境條件，使地球表面的氣溫與氣壓有可能維持液態(tài)水存在。特別是，如果沒有地球中心那由熔融金屬形成的液態(tài)地核，便不會形成讓我們免遭太陽風襲擊的磁場，地表的水很可能早在數(shù)十億年前就消散殆盡了�？偠�言之，在我們的地球上，液體產(chǎn)生了液體，又孕育出了生命。
然而，液體也具有破壞性。泡沫之所以觸感柔軟，是因為它很容易被壓縮。如果你跳上一條泡沫墊，會感到它在你的腳下收縮。液體不僅不會這樣，還會流動一個分子移動到另一個分子所釋放的空穴中。你可以在河流中看到此景，或是當你打開水龍頭的時候、當你用小匙攪動咖啡的時候。當你從跳板上跳下，身體栽入水中時，水就會從你的身邊向外流開。然而，水的流動需要時間，如果你沖進去的速度比水流的速度還快，它便會對你施加反向的推力。當你以腹部入水的姿勢跳進泳池時，皮膚上的刺痛感便是源于這股推力。因此，從很高的位置落水與落在水泥地面上沒什么兩樣。水的不可壓縮性也解釋了為什么浪濤具有致命的威力，以及它為什么能在海嘯中摧毀建筑物和城市，像卷起一根浮木般卷起一輛汽車。2004年，印度洋發(fā)生地震并引發(fā)一系列海嘯，造成周邊14個國家23萬人遇難，在有記錄以來的最嚴重自然災害榜上位居第八位。
液體還有個危險的特征：爆炸性。在牛津大學攻讀博士學位的時候，我需要準備一些小樣品用來測試電子顯微鏡，其中的步驟包括將一種叫作電解拋光液的液體冷凍至-20℃，而這種液體是乙二醇單丁醚、乙酸和高氯酸的混合物。實驗室里的學長安迪戈弗雷為我演示了操作方法，我覺得自己已經(jīng)掌握了。然而，幾個月后，安迪注意到我在進行電解拋光的時候，經(jīng)常會任由溶液的溫度上升。有一天，他從我身后瞥見這一幕，大吃一驚：我可不會這么做！我問他原因，他指了指關于危險化學品的實驗室操作守則：
高氯酸是一種腐蝕性強酸，對人體組織有破壞性，如果吸入、吞入高氯酸，或是將其濺到皮膚、眼睛等處，都會有損健康。一旦加熱到室溫，或是在濃度達到72%以上（任何溫度）時使用，高氯酸都會變成一種強氧化性酸。有機物如果與高氯酸混合或接觸，特別容易受其影響而自燃。在通風系統(tǒng)的管道中，高氯酸蒸汽有可能形成對沖擊力敏感的高氯酸鹽。
換句話說，它可以爆炸。
在調(diào)查過實驗室后，我發(fā)現(xiàn)了很多相似的無色透明液體，大多數(shù)都無法和其他物質(zhì)區(qū)分開來。比如，我們使用了氫氟酸，這玩意兒不僅是一種能鉆透水泥、金屬與鮮肉的酸，還是一種會干擾神經(jīng)系統(tǒng)功能的接觸性毒劑。這是一個潛在的風險，當這種酸腐蝕你身體的時候，你卻察覺不到。意外地暴露于氫氟酸環(huán)境中，很容易被人忽視，它卻能透過你的皮膚一直向體內(nèi)滲入。
還有乙醇（也就是酒精），它也被列入了有毒物質(zhì)的名單中�；蛟S只是高劑量使用乙醇時才有毒，但被它殺死的人遠遠多于被氫氟酸殺死的人。在全球各地的社會與文化中，乙醇還扮演著各種各樣的角色，它在歷史上一直被作為殺菌劑、止咳藥、解毒藥、鎮(zhèn)靜劑和燃料使用。乙醇的獨特魅力在于，它是一種精神藥物，可以抑制神經(jīng)系統(tǒng)。很多人要是每天不喝上一杯酒，就什么事都做不了，而大部分社交活動也是在提供酒精的場所里進行的。我們也許不會信任這種液體（這是對的），但不管怎么說，我們還是愛它。
當乙醇被血液吸收的時候，我們便可以感受到它引發(fā)的生理作用。每一次強有力的心跳都在提醒著我們，身體中的血液扮演著多么重要的角色，以及它需要不斷地循環(huán)。我們要對心臟這臺泵說上一句謝謝，當它停下來的時候，我們也就死了。在世界上所有的液體中，血液毫無疑問是最重要的液體之一。幸運的是，如今心臟也可以被替換、搭橋，或是在我們身體的里里外外被研究。血液本身也可以被輸入或輸出，進行儲存、共享、冷凍或復活。事實上，如果沒有血液庫，每年都將有數(shù)百萬人死于手術、戰(zhàn)傷或交通事故。
然而，血液也會被一些傳染病源感染，如HIV病毒或肝炎病毒，所以它在保護人體健康的同時也能帶來傷害。由此看來，我們還得考慮到血液的兩面性，所有液體都是如此。對于某種特定的液體來說，它是否可以被信任，是好是壞，是健康的還是有毒的，是可口的還是讓人惡心的，這些都不太重要。真正重要的是，我們是否對它足夠了解，是否能夠駕馭它。
要想揭示我們從管控液體中獲得的力量與快感，最好的方法莫過于乘坐航班時瞥一眼那些被禁止攜帶的液體。這也是本書要講的，在一趟跨越大西洋航班上，提到了各種奇怪而又迷人的液體。我還能乘坐這趟航班，多虧當年讀博的時候沒把自己炸上天，反而繼續(xù)從事了材料學的研究，最終成為倫敦大學學院材料研究所的主任，而我的科研工作也包括探尋液體如何偽裝成固體。比如，修路時用的焦油、瀝青和花生、黃油都是液體，而人們往往以為它們是固體。因為這項研究，我們受邀飛往全球各地參加會議，而這本書的內(nèi)容就是這一趟從倫敦飛往舊金山的旅行報告。
這趟航班是用分子、心跳和海浪的語言來講述的。我的目的是揭開液體的神秘面紗，并解釋我們?yōu)楹螘�變得如此依賴液體。飛機帶著我們飛過冰島的火山、格陵蘭島廣闊的冰凍地帶、哈德遜灣附近星羅棋布的湖泊，最終向南飛到太平洋的海岸。這是一張足夠大的畫布，我們可以探討海洋、云中的水滴等不同尺寸的液體，還可以通過機上娛樂系統(tǒng)看看有趣的液晶，觀察乘務員送來的飲料，當然，還有讓飛機在平流層一直飛行的航空煤油。
在這本書的每一章里，我都介紹了一種液體的特性，也多虧了液體本身具有這么多特性，如可燃性、溶解性，以及可釀造性。我也將告訴你，液體的芯吸效應、液滴形成過程、黏度、溶解度、壓力、表面張力以及其他不常見的特性是如何讓我們繞著地球飛行的。與此同時，我還將揭示，水為什么會向樹梢流動，卻又順著山坡下泄，油為什么是黏乎乎的，波浪如何涌向遠方，物品為什么會干燥，液體怎么變成晶體，自己釀酒的時候如何避免酒精中毒，當然，還有如何泡出一杯好茶。所以，請跟著我一起飛，我向你保證，這將是一趟奇異而又非凡的旅程！

《迷人的氣體》
我很害怕黑暗，自小便是如此。深更半夜，我聽見鬼魂在我的窗前沉吟，走廊的地板被踩得吱嘎作響。科學能夠很好地解釋這些樹枝在風中搖曳，而木材受冷時出現(xiàn)了熱收縮；而我確信這般合理的解釋我是個科學家。然而，總是有一些時候，我的大腦什么也聽不進去，不理性的恐懼涌上我的心頭。和眾人一樣，常有時候?qū)ξ叶�言是獨自守在黑暗中時我的潛意識主掌一切，將我的焦慮匯到一處，混入數(shù)千年來人類對存在于物質(zhì)領域之外那些東西的驚恐與迷信中。
沐浴在白天的光照之下，我似乎感到，有一種力量讓我們相信鬼魂或許真的就在床頭，而我們之所以會給潛意識賦予這種力量，是當未知或看不見的威脅來臨之時，我們非理性的大腦會處于主導地位。陰謀論有時會涉及一種隱形的力量5G手機信號。理性的多數(shù)群體對此嗤之以鼻，但他們卻又繼續(xù)秉持著自己的非理性信仰：因果報應、幸運數(shù)字、星座以及各路神靈。我并不認為人們擁有非理性信仰就是愚蠢的。恰恰相反，我認為非理性是我們?nèi)诵灾�中固有的部分。這是對未知的一種回應，是對生活在這個復雜宇宙中的回應在這個宇宙中，因果關系的原動力很難被發(fā)現(xiàn)。
事實上，我們對大多數(shù)事情都視而不見。我們這個世界，似乎由那些我們可以觸摸或感知到的東西組成，比如椅子、書籍和茶杯。然而，還有整整一大類物質(zhì)不僅圍繞著我們，而且是看不見的。這就是氣體。深深呼吸一次，你就能感受到空氣作為物質(zhì)的真實性。它不可見的特性，并沒有讓它變得無足輕重：它有實體，平均每個人每天會吸入12千克空氣。在外太空，正是看不見的氣體創(chuàng)造出恒星；而在地球上，也是它讓我們的行星變得宜居。我們被它所包圍，我們呼吸著它，而它也浸透了我們：煙霧、蒸氣、潮氣、氣味以及毒氣，都會影響我們的情緒、健康和行為。然而，在生命的大部分時間里，我們都忽視了氣體之奇妙。每一次呼吸，都被無視了。
這本書討論了氣體的活動，以及地球與生物體釋放出諸多類型的蒸氣與氣息如何讓我們充滿活力，或是令我們陶醉或恐懼。這些氣體最初就占據(jù)了地球，自此之后一直存在。它們古老而重要，它們的影響一開始卻被解釋成上帝、遠古仙靈或亡魂的杰作。
話說回來，這些物質(zhì)究竟是什么？從根本上講，它們是我們呼吸的東西，是一杯啤酒中冒出的氣泡，是讓花聞起來很香的東西，是在醫(yī)院里維系我們生命的東西，也是讓我們笑得停不下來的東西。大多數(shù)氣體我們都看不見，它們是無色無味的。即便是甲烷這種能為我們家里供暖的氣體，人類的感官也無法探測到。你覺得你有時能聞到它們，其實是因為其中添加了一種氣味很大的化學物質(zhì)甲硫醇，這樣氣體一旦泄漏就可以被探測到。數(shù)千年來，我們將支撐這些氣體作用的物理和化學碎片知識拼湊起來，并賦予它們氫氣、煙霧、二氧化碳、蒸汽、空氣和颶風之類的名字。我們那些有關氣體原子性質(zhì)以及它們流動、膨脹與發(fā)光能力的理論，解釋了很多民間故事中的現(xiàn)象；對于那些看不見的氣體如何讓人中毒、產(chǎn)生幻覺乃至喪命，我們的理解也是如此。它們?yōu)橥�話故事、殘忍詭計和亡靈之力提供了某些解釋。
我們還成功地利用氣體的力量創(chuàng)造出了多數(shù)人生活中離不開的技術。正是對燃料蒸氣的精確操控，驅(qū)動著我們的汽車；蒸汽動力依然在給我們的家庭提供動力；瓶裝氧氣讓我們摯愛的親人能夠活著；而清除空氣并制造出真空的能力，成為幫助我們每個家庭清掃的魔法。然而，就像魔法師的學徒那樣，我們已經(jīng)雇用了這些強有力的靈魂，卻沒能正確地領會如何控制它們。舉個例子，20世紀60年代，我們制造出氯氟（CFC）氣體，其性質(zhì)頗為奇妙，這就讓它能夠作為冰箱的制冷劑大展身手。直到20世紀70年代，科學家們才注意到大氣高層的臭氧層出現(xiàn)了一個越來越大的空洞，并開始將其歸咎于CFC氣體。臭氧層讓地球上的生命免于遭受太陽高劑量的紫外線輻射。如果沒有臭氧層，我們都將面臨極高患皮膚癌的風險。當臭氧層空洞首次被發(fā)現(xiàn)時，銷售和使用CFC氣體的工業(yè)機構都否認了這一點，他們的立場是：沒有證據(jù)表明他們那些看不見的產(chǎn)品具有看不見的效應，并引發(fā)了這個看不見的問題。然而，不斷擴大的臭氧層空洞對人類生命造成了嚴重威脅，因此，知曉到底發(fā)生了什么成了一個政治層面的重要問題。政府隨后為研究提供了資金，但直到1985年，才有足夠的科學證據(jù)確認導致臭氧空洞的元兇的確是CFC氣體。于是，一項旨在保護臭氧層的全球框架被確立下來，為子孫后代保護臭氧層，也讓數(shù)百萬人避免過早地死亡。
這場無形的災難得以避免，大多數(shù)人對此甚至都一無所知。如果天空的顏色因為CFC氣體的排放開始改變，那么這種對我們大氣的污染將會掀起軒然大波�？墒�，因為我們都無法看到它，人們往往對此并不相信。這里所說的人們也包括科學家，因為在面對破解因果關系的證據(jù)時，我們也不能免于非理性。舉個例子，當氧氣首次作為一種氣體被提出時，幾乎整個科學界都否認了它的存在。18世紀50年代，人們認為某種物質(zhì)會燃燒，是因為它含有一種叫作燃素的成分。當木材燃燒的時候，這種燃素就會釋放，火焰就是這種物質(zhì)逃逸的結(jié)果。人們還相信，這種燃素隨后被空氣吸收，接著又被植物攫取，這又可以反過來解釋植物能夠燃燒的原因它們內(nèi)部含有燃素。這看上去很合理，不是嗎？道理也講得通，因為生物材料可以燃燒，而巖石和金屬則不會。直到有位名叫約瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley）的科學家發(fā)現(xiàn)，有種新的氣體可以讓木材燃燒，燃素理論才開始出現(xiàn)裂痕。普利斯特里本可以拒絕復雜的燃素理論，并自豪地向全世界宣布他發(fā)現(xiàn)了氧氣，這種看不見的新物質(zhì)是解釋火焰的關鍵之所在。也就是說，某種東西能夠燃燒，是因為它和氧氣發(fā)生了化學反應�？墒�，即便面對自己發(fā)現(xiàn)的證據(jù)，普利斯特里還是堅持燃素理論，拒絕氧氣。在他的一生中，有越來越多的證據(jù)表明氧氣是一種實實在在的氣體，但普利斯特里那個時代不可否認的最杰出的科學家之一對此固執(zhí)而不理性，直到去世的時候也依然信奉燃素理論。
面對普利斯特里的固執(zhí)，我們或許會搖搖頭一笑了之，但是還有很多現(xiàn)代的例子表明，在涉及一些看不見的現(xiàn)象時，科學家們是如何堅持錯誤理論的。比如，僅僅在150年前，我們還在爭論氦氣是否真實存在，盡管它在可觀測宇宙中是豐度排在第二的元素。不可見因果關系如何導致非理性行為，人為氣候變化是最重要的一個例子。導致全球變暖的氣體是看不見的，它們在大氣中累積的濃度超過了百萬分之四百（400ppm），人類的感官無法探測到。這種類型的事情很容易遭到否認。即便是那些口口聲聲認為人為氣候變化是由二氧化碳堆積所引發(fā)的人，也沒有采取緊急行動。有多少人正在改變他們的生活方式：真正去少買東西，少坐飛機，少用能源？在某種更深的層面上，我們中的多數(shù)人都不太相信這足以促使我們采取減排行動。二氧化碳氣體似乎只屬于科學的理性世界，但是因為它強大卻又無影無蹤，它就可以滿足我們的狂妄與幻想。
這本書是一本指南，講的是這顆星球上存在的那些氣體。我們一直以來發(fā)現(xiàn)的這些氣體不僅重要而有趣，更是我們的生命支持系統(tǒng)。24億年前，氧氣出現(xiàn)在地球上，從根本上讓大氣發(fā)生改變，并因此真正孕育了我們。在它創(chuàng)造了我們之后，我們又學會了將其制造出來并壓縮到罐子中，這不僅從根本上提升了醫(yī)療健康服務，也讓不適合居住的地方變得宜居。氧氣還讓我們得以探索外太空、地外行星以及海底世界。另外，在我們的生命支持系統(tǒng)中，二氧化碳常常是被誤解的那一部分。我們需要大氣中的二氧化碳，因為如果沒有它，我們就會受凍，所有的植物都會死亡。然而，正如我們當前所經(jīng)歷的那樣，二氧化碳已經(jīng)過多，而我們得到的結(jié)果是全球變暖�？芍参镄枰�的不僅僅是二氧化碳，還需要氮氣大氣中最豐富的一種氣體。話又說回來，植物并不能直接從空氣中吸收氮氣，這又限制了作物的產(chǎn)量。我們聰明的人類已經(jīng)為此事找到了一種辦法，以合成的方式從空氣中獲取氮元素并將其轉(zhuǎn)化為肥料。保守估計，這種肥料如今可以養(yǎng)活目前世界一半的人口。
我們也依賴電力：它不僅通過為供暖、烹飪和照明提供能源來維持我們的生命，也是我們技術世界的生命維持系統(tǒng)，給我們的設備還有數(shù)字生活方式提供動力。發(fā)電廠通過用燃料給水加熱來發(fā)電。這種燃料可以是煤炭、天然氣或核能，它們都能將水轉(zhuǎn)化為水蒸氣，正是這種氣體驅(qū)動渦輪機高速旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生電力。因此，蒸汽發(fā)電是地球上主要的供電方式，占到了70%。到22世紀，隨著我們遠離化石燃料，我們將依賴其他類型的氣體技術，如風能和氫能。甚至太陽能也依賴于其制造過程中對氣體和真空的精確控制，以確保太陽能電池板中的高純度電子結(jié)構不受污染。氣體技術為全世界提供能量，并且還將持續(xù)下去。
這種對氣體的依賴影響著全球經(jīng)濟和政治。當天然氣（甲烷）被武器化時，這一點得到了最為清晰的證明。這樣的操作引發(fā)了政治和經(jīng)濟危機。肥料的價格也在飆升，因為甲烷是制造肥料的主要成分，而這又反過來提高了食品價格，并在全世界大部分地區(qū)造成了大規(guī)模的通貨膨脹。其他氣體在食物系統(tǒng)中也扮演了重要角色。氮氣是薯片以及其他干燥食物包裝中的氣體，它被置于其中以取代空氣，否則包裝內(nèi)的食物就會變質(zhì)或受潮。二氧化碳氣體是飲料中最受歡迎的添加劑，在蘇打水、啤酒和起泡酒中產(chǎn)生氣泡，沒有了氣這些飲料沒人愿意喝。在新型冠狀病毒感染流行期間，食品級二氧化碳供應短缺，這在英國民眾當中幾乎引起了恐慌，他們擔心最喜歡的下午茶飲料金湯力會因此沒了氣泡。這太可怕了。
在香料行業(yè)中，氣體也發(fā)揮著重要作用。香水和除臭劑所用的氣體技術幾乎和人類歷史一樣久遠。它們被設計出來，是為了增加我們找到愛情的機會，以及影響我們的情緒。與香水同等重要的還有烹飪和飲食，它們甚至還更重要一些，而且，正是食物的氣味它們也是氣體分子構造出大部分味覺體驗。沒有氣味，食物吃起來就會十分寡淡。這種寡淡會引起更深層次的遺失，即氣味與記憶還有情感之間的聯(lián)系。聞到烤箱中烤蘋果派的味道，究竟會給我們的潛意識帶來多少影響，以至于我們會因此回憶起童年和家的味道，這一點怎么強調(diào)都不為過那些早已離世的家庭成員，忽然就在我們的腦海中活了過來。有的時候，我們理解有意識的氣味與記憶之間的直接聯(lián)系，但是大多數(shù)時候我們并不會如此。某個想法或某段回憶，如同不速之客突然鉆進我們的頭腦中，卻是看不見的氣體在我們頭腦中作用的結(jié)果。正是這種通往我們潛意識的捷徑，使氣體成為我們情感生活中如此重要的一部分。
在這本書中，我探討的問題就是氣體如何成為我們生理的、技術的以及情感的生命支持系統(tǒng)：它們?nèi)绾巫屛覀兾�入活力、決定我們的氣象和氣候、為我們的技術和神秘信仰提供燃料，以及如何讓食物如此美味。這是一次旅程：從收獲于空氣的氮氣到產(chǎn)生電力的蒸汽，從醫(yī)院里的氧氣罐到那些最終讓飛行持續(xù)下去的氫氣罐，從騎自行車時充氣輪胎帶來的樂趣到夏日微風的撫慰，從放屁的喜劇效果到麻醉氣體產(chǎn)生的幻覺。最重要的是，這是一個有關我們和無形物質(zhì)之間的關系如何讓人類在這個星球上生存繁榮的故事。