推薦序：真物理學家看門道
序  章
第1章 爆米花和火箭——氣體定律
玉米粒的微型高壓鍋
抹香鯨和福卡恰面包
風的瀑布和發泡奶油
馬德堡半球和大像的鼻子
古老的蒸汽機和用來送信的火箭
能量和天氣
第２章有升必有落——重力
讓葡萄干跳舞
空中墜落和海上搖擺
廚房秤、倫敦塔橋和霸王龍
魚會打嗝嗎？
蠟燭和鑽石
第３章小即是美——表面張力和黏度
咖啡漬和顯微鏡
偷喫奶油的藍山雀
飛沫和肺結核
“家庭主婦”和肥皂泡
泳鏡上的霧
毛巾和巨型紅杉
第4章時光中的一瞬——走向平衡
番茄醬和蝸牛
極快和極慢
船閘和大壩
晃動的茶水和喘息的狗
墨西哥城和臺北101大廈
第5章漣漪的故事——從水波到無線網絡
浪花
銀色鯡魚和杯中硬幣
大海的顏色、雷電和烤面包機
海豚和“泰坦尼克號”
燈光密碼
溫室效應和地球
珍珠和手機通信
第6章鴨子為什麼不會腳冷——原子之舞
鹽和糖的真面目
花粉和愛因斯坦
濕衣服和煎奶酪
海冰和“前進號”
冰塊、玻璃和體溫計
鴨子的絕活
滾燙的勺子和冰冷的食物
第7章勺子、旋渦和“伴侶號”——旋轉定律
旋轉中的稀奇事
自行車和彎道飛行
離心機和宇航員
飛餅和地球自轉
投石車和人造衛星
掉落的面包和旋轉遊戲
四季更迭和飛輪儲能
第8章異性相吸——電與磁
磁的魔法
靜電和蜜蜂
鴨嘴獸和海上電池
熱茶水和電流
祖父的盒子和一段科學史
又是烤面包機
指南針和大陸漂移
後一塊拼圖               
第9章不同的視角
人體
地球
文明
致謝

推薦序：真物理學家看門道

萬維鋼

   物理學一向都是宏大也、刺激的學問。如果你對職場攻略、理財指南和宮鬥電視劇不屑一顧，選擇把時間交給一本物理書，你想要的肯定不是普通的知識。你想知道宇宙的起源、量子力學的神奇之處、愛因斯坦的精妙思想、暗物質和暗能量之謎、超弦理論的難題。你想得到這個世界的終極解釋。你想體驗深刻的智慧。讀物理學家寫的書，通常是仰望星空的姿態。
但是海倫•切爾斯基的這本《茶杯裡的風暴》，想給你看的可不是這些。這不是一本仰望星空的書。
這本書寫的是物理學的應用——確切地說，是那些比較常規的物理學知識在日常生活中的應用。
    這聽起來好像一點都不刺激，但是我可以告訴你這本書刺激在哪裡：它能檢驗你學的是“真知識”還是“談資”，它還會讓你見識一套高級思維方法。
    理查德•費曼是個有很多粉絲的物理學家，人們粉他的一部分原因是他喜歡指出周圍人的愚蠢之處。費曼曾經在巴西訪問和工作了一年，他給巴西學生上了基礎物理課。他注意到一個大問題。
    費曼說：“巴西根本沒有在教科學。”
    費曼發現，巴西那些“物理學得好的學生”，其實根本沒有掌握物理學。他們能把各種物理概念和定律的語句背得滾瓜爛熟，會用公式精確解題，但是他們不知道那些概念、定律和公式是什麼意思。這些所謂的學霸能背誦教科書中經典物理實驗的步驟，但是費曼給他們布置了一個自己動手做實驗的作業，他們完全不會做。你能說這些人“懂”物理學嗎？
   我以前聽說過這段典故，覺得這是應試教育的惡果。應試教育把什麼知識都當成考試素材，終考察的不是真正的知識水平，而是記憶力和執行規則的能力。但現在我覺得這不僅僅是應試教育的事，這是所有國家的所有讀書人都面臨的一個困境。
   這個困境就是，“知道”和“會用”是兩碼事。現在有句話叫“聽過很多道理，卻依然過不好這一生”，差不多就是這個意思。
   在互聯網時代，獲得一個知識，包括理解這個知識，都是很容易的。隻要有足夠的好奇心，你就很可能已經積累了大量的知識。比如說，你知道“薛定諤的貓”是什麼意思，而且你還充分理解了這個概念背後量子隨機性的原理，你得到了很大的樂趣，可能還為此感到一點點自豪。
   那這時候，如果媽媽問你“薛定諤的貓”有啥用，你也許會非常大氣地說，談“有沒有用”太俗了——科學事業就是要探索和發現，真正的科學家哪有那麼功利啊。
   這句話對倒是對，可是如果你隻求知而不關心怎麼用，那你就隻是一個“知道分子”，你隻能欣賞和贊嘆那些知識。科學知識對你來說跟玄幻小說的劇情沒有本質區別，都隻是給大腦喫的零食和令人愉悅的談資而已。
    現在很多人一說科學就是什麼“偉大的好奇心”——以我之見，好奇心被高估了。玄幻小說也可以激發和滿足好奇心。單純的好奇心不能帶你走很遠。
    也許你可以嘗試一種更高級的思維。這個思維要求你掌握高質量的知識，然後在不同的地方識別和應用這些知識。嘗試了這種思維，你纔能知道什麼叫“知道”。
    比如說，你知道熱量是怎麼回事，你也知道鴨子和人一樣，是恆溫動物。那你知道在冰水裡遊泳的鴨子，它們的腳為什麼不怕冷嗎？再比如說，你學過有關氣壓隨溫度變化的知識，那你知道為什麼爆米花受熱隻會膨脹，而不會炸得四分五裂嗎？
    你可以把《茶杯裡的風暴》這本書，當作一本思維訓練手冊。有些司空見慣的東西一旦細想，你就會發現自己的知識體繫簡直千瘡百孔。
 種子發芽以後，為什麼總是往上長呢？如果種子能識別哪個方向是向上，其中必定有一個什麼機制能讓它感受到重力！這個機制是什麼呢？又或者，是因為光線總從上方來嗎？書裡有答案。
    但我看重點不在於答案，而在於你能不能提出問題。隻會贊嘆而提不出問題，你就是個看熱鬧的。能提出關鍵問題，你纔算會看門道。掌握這套高級思維，你學什麼都沒有白學。這樣你纔真的有可能用知識去改變世界。
   古希臘哲學家泰勒斯有一次晚上走路的時候隻顧著仰望星空，一不小心掉進了坑裡，有人嘲笑他知道天上的事情，卻看不見腳下的東西。孔子專門研究經天緯地的大學問，老農民笑他四體不勤五谷不分。我看這些嘲笑也不見得沒有道理
 ——仰望星空和大學問固然了不起，能在日常小事中看出門道來，纔是真本事。

（作者繫科學作家，“得到”App《精英日課》專欄作者）

序章

   我們生活在地球與宇宙的交界線上。晴朗的夜晚，誰都能看到璀璨而廣袤的星空，亙古不變的燦爛繁星以獨一無二的方式標記我們在宇宙中的位置。這些星辰進入了每一種文明的視野，但從未有人真正觸摸過它們。我們在地球上的家園恰似星空的反面：混亂、無常、花哨，每天充斥著各種纏人的瑣事。然而，平凡俗世中同樣藏著宇宙運轉的規律。物理世界的豐富多彩超乎我們的想像，同樣的原子和同樣的規則以不同的方式組合在一起，足以產生無數截然不同的結果。不過，這種多樣性並非全無規律，世間萬物的運行都遵循著自然的法則。
   如果你把牛奶倒進茶水裡快速攪拌，杯子裡就會出現旋渦。兩種液體旋轉交纏，幾乎稱得上涇渭分明，而這樣的奇景隻能維持幾秒，片刻之後，兩者就會完全融合在一起。不過，這短短的幾秒鐘足以讓你看清，不同的液體會在美麗的旋渦中逐漸融合，而不是立即交融。我們在其他地方也能看到同樣的現像。從太空中俯瞰地球，你會在雲團中發現相似的旋渦，暖空氣和冷空氣不會直接融合，而是互相纏繞旋轉，仿佛在跳一曲美妙的華爾茲。大西洋上空的旋渦定期向東運動，帶給英國變幻無常的天氣。當北方極地的冷空氣和南方熱帶的暖空氣相遇時，你可以從衛星雲圖上清晰地看到它們繞著圈子彼此追逐。這樣的旋渦叫作“低氣壓”或者“氣旋”，氣旋所到之處常會出現晴雨不定的多變天氣。
   乍看之下，旋轉的風暴和馬克杯裡旋轉的茶水似乎毫無關聯，但它們相似的模式絕非出於巧合，其中蘊含的線索可以揭示更本質的規律。類似的構造隱藏著相同的道理，一代又一代人不斷探索並通過嚴格的實驗驗證了這一點。這個探索與發現的過程就是科學：不斷總結、驗證我們對世界的理解，並發掘更多有待探索的東西。
   有時候，我們很容易在不同的地方發現同樣的模式；不過也有一些時候，事物間的聯繫沒有那麼明顯，而終找到真相時，你收獲的滿足感會更強烈。舉個例子：你或許根本不會想到蠍子和騎行者有什麼相似之處；事實上，兩者會利用同樣的科學技巧來保命，不過方式截然相反。
   沒有月亮的夜晚，北美的沙漠寒冷寂靜，隻有微弱的星光照耀著地面，你似乎不可能在這裡完成對任何東西的搜尋。不過，為了找到一種寶貝，你帶著特制的手電筒走進了黑暗。這種手電筒發出的是人類看不見的光——紫外線，也叫“黑光”。紫外線在沙漠中傳播，但你看不見它，無從分辨它照到了哪裡。然而突然之間，黑暗中爆出了一團怪異的藍綠色閃光——紫外線落在了一隻蠍子身上。
   人們就是這樣尋找蠍子的。這種黑色蛛形綱動物的外骨骼裡有一種獨特的色素，能夠吸收我們看不見的紫外線，再反射出我們看得見的可見光。這的確十分機智，不過害怕蠍子的人可能無緣欣賞。這種光學魔術被稱為“熒光性”。人們認為，藍綠色的熒光能幫助蠍子在傍晚尋找理想的藏身之地。紫外線一直存在，不過在太陽剛剛降到地平線下的傍晚時分，大部分可見光都已消失，留下來的隻有紫外線。如果這時候蠍子還待在露天環境中，它的身體就會發光，變得十分顯眼，因為周圍的藍光和綠光都已消失。哪怕蠍子的身體隻露出來一點點，它也能探測到自己發出的光芒；於是它就會知道，應該再藏得深一點。這套信號繫統簡潔而高效——如果世界上沒有紫外線手電筒的話。
   幸運的是，對於恐懼蠍子和蜘蛛的人來說，要看到熒光，不一定非得走進節肢動物橫行的沙漠不可。天氣陰沉的清晨，城市裡也隨處可見點點熒光。我們不妨看看那些注重安全的騎行者：和周圍灰暗的環境相比，他們身上的反光外套簡直亮得刺眼。這些外套看起來像在發光，事實上，它們的確在發光。陰天的雲層遮蔽了可見光，但大量紫外線仍能穿透雲層。反光外套中的色素會吸收紫外線，反射可見光。這個原理和蠍子的把戲一模一樣，不過人類和蠍子利用熒光現像的目的卻截然相反。騎行者希望自己發光，因為這樣一來，別人就更容易看到他們，由此可以減少事故的發生。對人類來說，熒光現像簡直就是免費的午餐；我們本來看不到的紫外線轉化成了可以利用的可見光，但我們不用付出任何代價。
   熒光現像本身已經足夠迷人，不過對我來說真正的樂趣在於，物理學的金礦不僅僅是有趣的消遣，更是實用的工具，能在很多地方派上用場。在上面這個例子中，蠍子和騎行者利用同樣的物理現像來保命。湯力水1在紫外線下也會發光，因為水中的奎寧具有熒光性。衣物彩漂劑和熒光筆的“魔力”同樣源於此。下次當你看到用熒光筆做記號的段落時，請務必記得，熒光筆的墨水也是一種紫外線探測劑；雖然你無法直接看到紫外線，但熒光會告訴你，它就在那裡。
   我研究物理學是因為它能夠解釋我感興趣的事情。物理學讓我看到日常世界背後的規律。棒的是，它讓我能夠親自找出一部分規律。雖然現在我已經是專業的物理學家了，但實際上，我的許多發現和實驗室無關，也不需要復雜的電腦軟件或昂貴的實驗設備。能帶來成就感的發現常常來自與科學全然無關的日常小事。對物理學基礎知識的點滴了解將整個世界變成了充滿樂趣的玩具盒。
   對於這些來自廚房、花園或者城市街道的科學發現，有時候人們多少會有點輕視。他們覺得這無非是小打小鬧的消遣，對孩子來說當然重要，對成年人卻沒有什麼實際的用途。成年人應該去買那種介紹宇宙運行規律的大部頭纔符合身份，但實際上，這種觀點忽視了一個非常重要的道理：物理規律是放諸四海而皆準的。烤面包機就可以讓你學習到基礎的物理學定律，而烤面包機的優勢是，你家裡很可能有一個，你可以親眼看到它如何工作。物理學妙就妙在同樣的模式處處通用：無論是在廚房裡，還是在宇宙遙遠的彼端。從烤面包機入手的好處在於，就算從沒擔憂過宇宙的溫度，你也會明白面包片為什麼是熱的。而且，一旦熟悉了某種模式，你就會在其他很多地方觀察到它的存在，包括在人類社會令人矚目的那些成就之中。學習日常生活中的科學可以直接幫助你積攢關於世界運行規律的點滴知識，任何一位想要參與社會運轉的公民都應該具備這些常識。
   你有沒有嘗試過在不剝殼的情況下分辨生雞蛋和熟雞蛋？這裡有個簡單的辦法。你可以把雞蛋放在一個光滑堅硬的平面上旋轉，幾秒鐘後用手指輕輕觸踫蛋殼，讓它停止轉動，然後立即收手。一兩秒後，看看靜止下來的雞蛋是否會重新開始旋轉。生雞蛋和熟雞蛋的外表可能毫無區別，但它們的內部截然不同，這就是秘密所在。熟雞蛋是一個完整的固體，所以當你觸踫它的時候，它會整個停下來；但是當你觸踫生雞蛋的時候，停止運動的僅僅是蛋殼，殼裡的液體繼續旋轉，所以一兩秒後，生雞蛋會重新開始旋轉，因為內部的液體會帶動蛋殼轉動。要是不信，你不妨自己找枚雞蛋試試。這個現像背後的物理學定律是：物體總是傾向於保持原來的運動狀態，除非你對它施加外力。生雞蛋內的液體保持旋轉，因為它沒有變化的理由。這就是角動量守恆，這條定律可不僅僅適用於雞蛋。
   哈勃空間望遠鏡就像在繞地軌道上飛速運行的一隻眼睛，自1990年發射以來，它拍攝了無數壯美的太空照片。這臺望遠鏡發回的照片讓我們看到了火星、天王星環、銀河繫中古老的恆星、名字和形態同樣美麗的草帽星繫（Sombrero Galaxy），還有龐大的蟹狀星雲。可是，在太空中自由飄浮的時候，它該如何穩定自己的位置和姿態，聚焦拍攝這些小小的光點？它又該如何判斷自己的準確朝向？哈勃空間望遠鏡配備了6臺陀螺儀，每臺陀螺儀都是一個每秒能轉19200圈的輪子。根據角動量守恆定律，這些輪子的轉速將保持恆定，因為沒有外力讓它們減速。輪子轉軸的指向也將始終保持恆定，因為它們沒有理由移動。陀螺儀為哈勃空間望遠鏡建立了方向參照，所以望遠鏡的鏡頭可以聚焦於某個遙遠的天體，想拍多久就拍多久。通過廚房裡一枚小小的雞蛋，你能看到人類文明的技術產品所使用的物理學原理。
   這就是我熱愛物理學的原因。你學到的東西總能在別的地方派上用場，這是一場偉大的冒險，因為你不知道它將帶領你走向何方。我們已經知道，地球上的物理學定律適用於宇宙中的任何地方。也就是說，每個人都能輕而易舉地接觸到推動宇宙運行的諸多基本法則。你甚至可以親自驗證它們。一枚雞蛋可以孵化出放諸四海而皆準的規則。有了這些知識，你就能看到另一個嶄新的世界。
   在過去，信息比現在稀有。每一處知識的金礦都來之不易，價值連城。今天的我們生活在知識之海的岸邊，海嘯時時威脅著我們，有時甚至會讓我們陷入迷惘。如果你能夠得心應手地掌控現世的生活，那又何必繼續追尋更多知識，何必讓自己的生活變得更加復雜？哈勃空間望遠鏡很棒，不過在你馬上就要遲到的時候它也沒法掉轉鏡頭幫你找到鑰匙，那有它沒它又有什麼兩樣？
   人類對世界充滿好奇，滿足好奇心會帶來極大的愉悅。要是能夠親手解開謎題，或者和別人一起走過發現之旅，你還會得到更強的滿足感。你在玩耍中學到的物理學原理可以用來開發新的醫療技術，可以解釋天氣，可以制造手機、自清潔衣物甚至聚變反應堆。現代生活充滿復雜的決策：花高價買節能燈是否值得？把手機放在床邊睡覺是否安全？天氣預報是否可信？偏光太陽鏡和普通太陽鏡有何不同？基本原理通常無法直接告訴你某個具體問題的答案，但要問出正確的問題，你離不開這些背景知識。習慣了自己尋找答案，面對無法立刻得到解答的問題時，我們便不會感到無從下手。因為我們知道，隻要再想一想，就能理出頭緒。要了解我們的世界，批判性思考至關重要，要知道，廣告商可是一直在聲嘶力竭地告訴你，讓你相信他們什麼都懂。我們必須自己尋找依據，思考是否真的應當贊同他們的意見。我們不僅要應對日常生活，還要為我們的文明負責。我們投票、購物、選擇生活方式，每個人都是人類冒險團中的一員。世界如此復雜，任何人都不可能完全理解所有細枝末節，但在這條道路上，基本原理是價值連城的寶貴工具，值得你隨身攜帶。
   基於上述原因，我認為，運用物理學工具觀察和理解世界不僅僅是為了找樂子，盡管我個人十分享受物理學帶來的樂趣。科學不隻關乎搜集事實，還涉及解決問題的邏輯推理過程。科學的關鍵在於，每個人都可以根據數據得出合理的結論。剛開始，人們的結論或許各有不同；但接下來，你可以搜集更多數據，判斷哪種描述更契合真相，終得出結論。這就是科學與其他學科的區別：科學假說必須提出可驗證的具體預測。也就是說，如果你有了關於某個事物運行原理的想法，接下來應該做的是根據你的想法推出某個特定結果。再說具體一點，你必須努力尋找可驗證的結果，特別是那些能夠通過你的理論驗證其謬誤的結果。如果窮盡我們能想到的所有驗證方式仍無法推翻你的假說，那麼我們會謹慎地表示贊同：它很可能是描述世界運行規律的優秀模型。科學總在試圖找出謬誤，因為這是尋求真理的短路徑。
   不必成為專業科學家，你也可以通過實驗來認識世界。理解一些基本的物理學原理會讓你掌握正確的方法，學會自己解決很多問題。有時候，你甚至不必刻意思考，拼圖會乖乖跳到自己的位置上。
   我喜歡的一次發現之旅始於失望：我做的藍莓醬變成了粉紅色，確切地說，是鮮艷的紫粉色。這件事發生在幾年前，當時我正在羅得島處理移居英國之前的一些瑣事。大部分事情都辦完了，但在離開之前，我還有一件事非辦不可。我一直很喜歡藍莓，這種可口的水果頗具異域風情，妖異的藍色美得讓人心醉神迷。在我居住過的大部分地方，藍莓都少得令人洩氣，羅得島卻盛產藍莓。我想把夏天豐收的藍莓做成果醬帶去英國，所以在那後的幾天裡，我花了一上午時間采摘、挑選藍莓。
   藍莓醬棒讓人著迷的地方在於，它是藍色的。至少我是這樣認為的。但大自然卻另有主意。平底鍋裡冒泡的果醬有諸多特色，但藍色絕不是其中之一。我把果醬裝進罐子裡，它的味道沒的說，但揮之不去的失望和迷惑伴著粉色的果醬和我一起來到了英國。
   6個月後，一位朋友請我幫他解決一個歷史難題。當時他正在制作一套關於女巫的電視節目，他說，有記錄顯示，“聰明的女人”曾把馬鞭草花瓣放在水裡煮沸，然後將得到的液體塗在別人的皮膚上，以此來判斷此人是否中了咒語。他想知道，這背後是否有某種原理，哪怕與巫術完全無關。我研究了一下，發現這裡面還真有點科學道理。
   紫色的馬鞭草花、紫甘藍、血橙等紫色和紅色的植物含有一種名叫花青素的化合物。花青素是一種色素，它賦予了這些植物鮮艷的顏色。花青素有幾種不同的版本，所以植物的顏色也有細微的差別，不過所有花青素的分子結構都十分相似。我要說的還不止這些。環境液體的酸堿度——pH1——也會影響花青素終呈現的顏色。如果環境的酸堿度發生變化，花青素分子的形態就會發生微妙的變化，顏色也隨之改變。它們是一種指示劑，一種天然的石蕊試紙。
    利用這一點，你可以在廚房裡玩出很多花樣。你可以煮沸植物來提取色素，比如說，你可以將幾片紫甘藍放到水裡煮沸，留下水（現在它是紫色的）。往水裡加點醋，它就會變紅；而洗衣粉（堿性）溶液會讓它變成黃色或綠色。利用廚房裡隨手可得的原料，你可以調制出彩虹的所有顏色。別問我是怎麼知道的：我全都親手試過。我喜歡這個發現，因為花青素隨處可見，任何人都搞得到，不需要任何化學設備！
所以，那些聰明的女人或許是在用馬鞭草花檢測pH，而不是檢測別人是否中了咒語。皮膚的pH會自然地發生變化，所以將馬鞭草混合液塗在不同人的皮膚上，就會得到不同的顏色。如果我剛跑完步，正是大汗淋漓、心情愉悅的時候，塗在身上的甘藍水就會從紫色變成藍色；要是不運動的話，甘藍水就不會變色。那些聰明的女人或許發現了這個秘密，並對它做出了自己的解讀。真相已經無法追尋，不過我覺得這是個合理的假設。
   歷史揭秘到此為止。我又想起了我的藍莓和果醬。藍莓的顏色也來自花青素。果醬的原料隻有4種：水果、糖、水和檸檬汁。檸檬汁會催化水果裡的天然果膠，讓果醬變得黏稠。而檸檬汁之所以有這種效果，是因為它是酸性的。我的藍莓醬之所以會變成粉色，是因為它在平底鍋裡完成了一次石蕊測試。要讓果醬獲得足夠的黏度，它隻能變成粉色。這個激動人心的發現幾乎完全彌補了無法做出藍色果醬帶給我的沮喪。用一種水果制造出彩虹的完整色譜，這樣珍貴的發現足以告慰我的失落。
   在這本書裡，我所做的就是將日常生活中的小事與我們所置身的廣闊世界聯繫起來。我們將在物理世界中徜徉，看看爆米花、咖啡漬、磁性冰箱貼這樣平凡的事物如何照亮斯科特1的探險之路，如何幫助我們完成醫學實驗，如何解決未來的能源問題。科學不是“別人的事情”，它與每個人息息相關，每個人都能用自己的方式加入這場探險。本書的每一章都會從一件日常小事開始，你或許見過它很多次，卻從未深入思考過背後的東西；而在每章的末尾，我們將會看到，這些小事裡的模式能夠解釋我們這個時代某些重要的科技。每一次小小的探險都妙趣橫生，所有碎片拼到一起帶給你的滿足感更是無可估量。
   了解世界運轉的原理還能帶來科學家們很少提到的另一個好處：它會改變你的視角。世界充滿了戴著各種面具的物理學模式，一旦熟悉了基本的原理，你就會看到不同現像背後的相同之處。我希望，在閱讀本書的過程中，各個章節蘊含的科學原理能夠潛移默化地幫助你構建看待世界的新視角。在本書的第9章中，我將告訴你這些模式如何彼此囓合，創造出人類賴以生存的三套繫統——我們的身體、我們的星球和我們的文明。不過，你有權反對我的觀點。科學的精華在於整合現有證據，通過實驗驗證原理，終得出自己的結論。
   茶杯僅僅是個開始。