迷人的物质三部曲_[英]马克·米奥多尼克_9787574230000

《迷人的材料》（彩图升级版）
为什么玻璃是透明的？是什么让橡皮筋有弹性？为什么曲别针会弯曲？为什么不锈钢不生锈？世界上最薄却最坚硬的东西是什么？材料如何塑造了我们的世界又对我们的生活产生了怎样的影响？世界材料学大师带你用材料科学家的眼睛，以全新的方式看待你身边的每一样东西。本书以渊博的知识和极富感染力的文字写就。它不仅揭露了各种物质背后的神奇结构，还告诉我们隐藏在其背后的精采故事。每一章介绍一种材料，辅以照片和手绘图，极富可读性和趣味性。

《迷人的液体》（彩图版）
这是一本介绍液体及其特性的材料学科普书。作者马克米奥多尼克用专业的材料学知识为我们解读了日常生活里各种各样的液体。在一次飞机旅行中，他看到了从水、胶水到咖啡、葡萄酒、液晶显示屏和洗手液等各种物质的碰撞。从革命性的钢笔和航空煤油，到自我修复道路和计算机的前沿研究，米奥多尼克运用他幽默风趣的科学叙事，揭示了为什么液体能在树里向上流，为什么油是有黏性的，为什么海浪能翻涌那么远，以及如何泡出一杯完美的茶，等等。

《迷人的气体》
气体包围着我们它们充盈我们的肺，驱使我们行动，孕育恒星，温暖大气。气体无形无嗅、无所不在，却始终是人类最不了解的物质。
人类祖先曾把气体视为神鬼造物：气流变化后突然关上的门是幽灵显形，摧毁船只的海上风暴是神之愤怒；科学家与工程师也曾与气体周旋：18世纪的高压蒸汽差点儿炸飞研究者，也让公共交通迈入新纪元；让气体完全消失的真空技术，则开启了电子工业的伟大时代；气体，能让梦幻飘浮的齐柏林飞艇变成坠落的灾难，能变为战场上轻易夺取生命的武器；也能让土壤肥沃，滋养地球上所有生命，或者制造浪漫、唤起美好的记忆与情感；与此同时，化石燃料的燃烧催生了现代文明，而文明的气体副产品二氧化碳，却正威胁着脆弱的大气平衡……
在本书中，畅销科普作家、材料科学家马克·米奥多尼克追溯了塑造人类历史的气体与技术。从氢气、二氧化碳、氖气，到煤气、蒸汽甚至风，气体的故事交织着科学与信仰的碰撞，也映射着人类认知中难以捉摸的边界。

《迷人的材料》
序章走进神奇的物质世界
文明时代就是物质时代
从我们对文明发展阶段的划分（石器时代、青铜时代和铁器时代）就可以看出物质对我们而言有多么根本和重要。人类社会每一个新时代都是因为一种新物质出现而促成的。钢是维多利亚时代的关键原料，让工程师得以充分实现梦想，做出吊桥、铁路、蒸气机和邮轮。修建英国大西部铁路与桥梁的伟大工程师布鲁内尔（Isambard Kingdom Brunel）用物质改造了地景，播下了现代主义的种子。
20世纪常被歌颂为硅时代，是因为材料科学的突破带来了硅芯片和信息革命。但这个说法忽略了其他五花八门的崭新材质，它们同样改写了现代人的生活。建筑师运用大规模生产的结构钢和平板玻璃建起摩天大楼，创造出新的都市生活型态。产品和服装设计师用塑料彻底转变了我们的住宅与穿着。聚合物制造而成的赛璐珞催生了影像文化一千年来的最大变革，也就是电影的诞生。铝合金和镍超合金让我们制造出喷射引擎，使得飞行从此变得便宜，进而加速了文化互动。医用和齿科陶瓷让我们有能力重塑自己，并改写了残障与老化的定义。整形手术的英文是plastic surgery，而plastic有塑料的意思，这显示物质往往是新疗法诞生的关键，从器官修补（如髋关节置换手术）到美化外表（如硅胶隆胸）都是如此。德国著名解剖学家冯哈根斯（Gunther von Hagens）博士展出人体标本的人体世界展，也展现了新颖的生物医用材料对文化的影响，促使我们思考自己生时和死后的物质性。
人类建构了物质世界。如果你想了解其中奥秘，挖掘这些物质来自何处、如何作用，又如何定义了我们，这本书便是献给你的。物质虽然遍布我们周遭，却往往面貌模糊得出奇，隐匿在我们生活的背景中，毫不显眼，乍看很难发现它们各有特色。绝大多数金属都会散发灰色光泽，有多少人能分辨铝和钢的差别？不同的树木差异明显，但有多少人能说出为什么？塑料更是令人困惑，谁晓得聚乙烯和聚丙烯有什么差别？但更根本的问题或许是：这种事有谁在乎？
我在乎，而且我想告诉你为什么。不仅如此，既然主题是物质，是构成万物的东西，那我爱从哪里开始都可以。因此，我选了我在屋顶的照片当成这本书的起点和灵感来源。
我从照片中挑了10种物质，用它们来说东西的故事。我会挖掘这10种物质当初发明的动机，揭开背后的材料科学之谜，赞叹人如何用高明的技术把它制造出来。更重要的是，我会说明它为何重要，为何少一物便不能成世界。
在发掘的过程中，我们将发现物质和人一样，差异往往深藏在表面之下，大多数人唯有靠先进的科学仪器才能略窥一二。因此，为了了解物质的性质，我们必须跳脱人类的经验尺度，钻进物质里面。唯有进入这个微观世界，我们才能明了为何有些物质会有味道，有些则无；有些物质上千年不变，有些一晒太阳就发黄变皱；有些玻璃可以防弹，但玻璃酒杯却一摔就碎。这趟微观之旅将揭开我们饮食、衣着、用具和珠宝背后的科学，当然还探索了人体。
不过，微观世界的空间尺度虽小，时间尺度却常常大得惊人。就拿纤维和丝线来说，它的尺寸和头发差不多，是细得肉眼几乎看不见的人造物，我们可以用它来制造绳索、毛毯、地毯和最重要的东西：衣服。我们身上穿的牛仔裤和所有衣服都是微型纤维结构，许多式样比英国的巨石阵还古老。人类历史都记载衣服能保暖、庇护身体，还能穿出时尚，但衣服也是高科技产品，20世纪发明了强韧的纤维，让我们可以制作太空衣保护登陆月球的航天员，还有坚固的纤维可以制造义肢。至于我，我很开心有人发明了一种名叫克维拉的高强度合成纤维，可以制作防刀刺的内衣。人类的材料技术发展了几千年，所以我会在书中不断提到材料科学史。
本书每一章不但会介绍一种新材质，还会提供一个认识物质的不同角度。有些主要从历史出发，有些来自个人经验；有些强调物质的文化含义，有些则强调科技的惊人创造力。每一章都是这些角度的独特混合，理由很简单，因为物质太多种也太多样，我们跟物质的关系也是如此，不可能一概而论。材料科学是从技术层面了解物质的最强大、最统合的理论架构，但重点还是关于材料，而不是探讨科学。毕竟所有东西都是由别的东西制成，而制造东西的人（艺术家、设计师、厨师、工程师、家具师父、珠宝匠和外科医生等），对所使用的材料及物质都有属于自己的情感、感觉和运用方式。我想捕捉的就是如此丰富多样的材料知识。
例如，我在讨论纸的那一章用了许多角度，像快照一样呈现，理由不只是纸有各种型态，还因为几乎所有人都以许多方式在用纸。但在讨论生医材料的那一章，我却钻入了人类物质自我（也就是人体）的最深处。这块领域正迅速成为材料科学的处女地，不断有新材料出现，开启了名为仿生学的全新世界，让人体得以借助植入物而重建。这些植入物都经过设计，可以聪明地融入肌肉和血液的运作中。它们誓言彻底改变人和自我的关系，因此对未来社会有深远的影响……

《迷人的液体》
序言
我曾在机场安检处有过一次遭遇，花生酱、蜂蜜、香蒜酱、牙膏，一股脑都被没收了，最让我心疼的是，还有一瓶单一麦芽威士忌。在当时的处境下，我无可奈何，只能说着我要见你们领导或是花生酱不算液体之类的话，尽管我心里明白，它就是液体。花生酱可以流动，呈现出外包装的形状，这是液体的特性，所以花生酱是一种液体。然而，这件事还是让我愤愤不平。因为即便是在充斥着智能技术的机场安检处，工作人员也依旧不能区分液体面包酱和液体炸药。
从2006年起，机场不允许乘客携带超过100毫升的液体通过安检，但我们的检测技术在那之后并没有取得明显进步。X射线检测仪可以透视你的行李箱，因此被用于提醒安检人员注意那些形状可疑的物体，比如，从吹风机中识别手枪，或是从钢笔中发现刀具。可是液体没有固定的形状，检测仪只能辨识各类液体包装物的形状。机场扫描技术可以检测出液体的黏度以及一系列试剂的化学元素，但也遇到了一些麻烦。比如，易爆品硝化甘油的分子构成和花生酱的很相似，它们都含有碳、氢、氮、氧等元素，尽管前者是一种液体炸药，后者只是一种美食。毒素、毒药、漂白剂和病原体的种类多得吓人，要想从更多无辜的液体中迅速而又准确地分辨出它们来，简直比登天还难。不仅如此，我还从很多安检员（包括他们的领导）那里听来了一个观点：不管是我的花生酱，还是那些我似乎常会忘记从行李箱中取出来的液体物品，从某种意义上说都是隐患。他们总是说服我去相信这个很勉强的说法。
对于性能稳定的固态物体来说，液态就是它的第二自我。固体材料是我们人类忠实的伙伴，衣物、鞋子、手机、汽车以及机场都拥有着固定的形态。可液体不过是流体罢了，它们可以呈现出任何形状，除非被装在容器中。当它们没有被盛放的时候，总是四处漫开、渗透、侵蚀、滴落，摆脱我们的控制。当你将一块固体物放好后，它就待在那里不动了，除非有人强行把它搬走。一般情况下，它可以胜任很多有价值的工作，比如，支撑一座大楼，或者为一整个社区提供电力。然而，液体可谓是无法无天，破坏物品时得心应手。举个例子吧，在浴室，水流总是容易漏入缝隙，蓄积在地板下面干坏事，腐蚀并破坏木质的地板托梁，要想阻止这一切，就要打一场持久战了。在光滑的瓷砖地面上，积水成了让人滑倒的绝佳隐患，无数人因此受伤。当水在浴室的角落蓄积时，又成了藏污纳垢之所，黑漆漆、黏乎乎的真菌和细菌生长出来，随时都有可能侵入我们身体并致病。然而，撇开所有这些威胁不提，我们还是很钟爱这玩意儿的。我们喜欢在水中泡澡，或是在水下冲凉，让全身都湿透。更何况，一间浴室里如果没有各式各样瓶装的沐浴露、洗发露、护发素、洗面奶以及管装的牙膏，它又怎么称得上是完整的呢？因为这些神奇的液体，我们感到快乐，却又对它们充满担忧：它们对我们有害吗？它们是否致癌？它们会破坏环境吗？因为液体，欢欣与猜忌交织在了一起。它们天生就是两面派，既不是气体也不是固体，而是居于两者之间，是一类令人难以捉摸的神秘物质。
水银，数千年来人类为之欣喜不已，却也深受它的毒害。当我还是个孩子的时候，经常把玩液态的水银，围着桌面轻轻弹打水银球，着迷于它的与众不同，直到我知道了它有毒。不过，在很多古老的文明中，人们都认为水银可以益寿延年、愈合骨折，维持身体的健康状态。如今，我们已不清楚为何它会被赋予这些特性，也许是源于它的特殊性：唯一一种在室温条件下保持液态的纯金属。中国的第一位皇帝秦始皇，为了长生不老而服用含有汞元素的丹药，可他在49岁就驾崩了，或许是因为中毒。古希腊人将水银制成软膏来使用，而炼金术士们相信，水银与硫黄的组合是形成所有金属的基础，当水银和硫黄之间的配比达到完美平衡时，便可以得到黄金。迷信由此产生了，人们以为，不同的金属只要以恰当的配比混合就能制出黄金。尽管我们现在知道，这完全是天方夜谭，但是黄金可以在水银中溶解是千真万确的。如果在这种液体吸收了黄金后再将其加热，它便会挥发，留下固态的金块。对于很多古代人来说，这个过程就像变魔术。
水银并不是唯一一种能吞噬其他物质并纳入其中的液体。将食盐加入水中，食盐会很快消失。但食盐肯定还存在于某处，可究竟是在哪儿呢？但若是把水换成油，食盐就会纹丝不动，这是为什么呢？液态的水银可以吸收固态的黄金，但它对水十分排斥，这又是为什么呢？水可以吸收包括氧气在内的一些气体，如果不是这样，我们就将生活在一个完全不同的世界上。正因为氧气会在水中溶解，鱼类才能在水中呼吸。虽说水不能携带足够的氧气来供人类呼吸，一些其他的液体却可以。比如，全氟碳液体（全氟化合物），这是一种化学反应性与导电性都极低的物质。如果你将手机丢入盛有全氟化合物液体的烧杯中，这种液体的惰性会让手机正常运转。全氟化合物液体也可以吸收氧气，浓度高到足以供人类呼吸。呼吸液体由此代替了呼吸空气。这种可供呼吸的液体具有很多可能性用途，最重要的是用于治疗患有呼吸窘迫综合征的早产婴儿。
当然，液态水具有维持生命的终极特征。这是因为它不仅可以溶解氧气，还含有很多其他的化学物质，包括一些碳基分子，因此能为生命的出现、新生物的诞生提供必要的水环境。或者，至少在理论上说是这样。所以，科学家们在其他行星上探测生命时，会先去寻找液态水。不过，宇宙中的液态水十分罕见，木星的卫星木卫二的冰盖下倒是有可能存在液态水海洋。此外，土星的卫星土卫二上也可能存在液态水。但不管怎么说，地球是太阳系中唯一一颗在表面上就存在大量液态水并且可直接使用的天体。
一系列特殊的环境条件，使地球表面的气温与气压有可能维持液态水存在。特别是，如果没有地球中心那由熔融金属形成的液态地核，便不会形成让我们免遭太阳风袭击的磁场，地表的水很可能早在数十亿年前就消散殆尽了。总而言之，在我们的地球上，液体产生了液体，又孕育出了生命。
然而，液体也具有破坏性。泡沫之所以触感柔软，是因为它很容易被压缩。如果你跳上一条泡沫垫，会感到它在你的脚下收缩。液体不仅不会这样，还会流动一个分子移动到另一个分子所释放的空穴中。你可以在河流中看到此景，或是当你打开水龙头的时候、当你用小匙搅动咖啡的时候。当你从跳板上跳下，身体栽入水中时，水就会从你的身边向外流开。然而，水的流动需要时间，如果你冲进去的速度比水流的速度还快，它便会对你施加反向的推力。当你以腹部入水的姿势跳进泳池时，皮肤上的刺痛感便是源于这股推力。因此，从很高的位置落水与落在水泥地面上没什么两样。水的不可压缩性也解释了为什么浪涛具有致命的威力，以及它为什么能在海啸中摧毁建筑物和城市，像卷起一根浮木般卷起一辆汽车。2004年，印度洋发生地震并引发一系列海啸，造成周边14个国家23万人遇难，在有记录以来的最严重自然灾害榜上位居第八位。
液体还有个危险的特征：爆炸性。在牛津大学攻读博士学位的时候，我需要准备一些小样品用来测试电子显微镜，其中的步骤包括将一种叫作电解抛光液的液体冷冻至-20℃，而这种液体是乙二醇单丁醚、乙酸和高氯酸的混合物。实验室里的学长安迪戈弗雷为我演示了操作方法，我觉得自己已经掌握了。然而，几个月后，安迪注意到我在进行电解抛光的时候，经常会任由溶液的温度上升。有一天，他从我身后瞥见这一幕，大吃一惊：我可不会这么做！我问他原因，他指了指关于危险化学品的实验室操作守则：
高氯酸是一种腐蚀性强酸，对人体组织有破坏性，如果吸入、吞入高氯酸，或是将其溅到皮肤、眼睛等处，都会有损健康。一旦加热到室温，或是在浓度达到72%以上（任何温度）时使用，高氯酸都会变成一种强氧化性酸。有机物如果与高氯酸混合或接触，特别容易受其影响而自燃。在通风系统的管道中，高氯酸蒸汽有可能形成对冲击力敏感的高氯酸盐。
换句话说，它可以爆炸。
在调查过实验室后，我发现了很多相似的无色透明液体，大多数都无法和其他物质区分开来。比如，我们使用了氢氟酸，这玩意儿不仅是一种能钻透水泥、金属与鲜肉的酸，还是一种会干扰神经系统功能的接触性毒剂。这是一个潜在的风险，当这种酸腐蚀你身体的时候，你却察觉不到。意外地暴露于氢氟酸环境中，很容易被人忽视，它却能透过你的皮肤一直向体内渗入。
还有乙醇（也就是酒精），它也被列入了有毒物质的名单中。或许只是高剂量使用乙醇时才有毒，但被它杀死的人远远多于被氢氟酸杀死的人。在全球各地的社会与文化中，乙醇还扮演着各种各样的角色，它在历史上一直被作为杀菌剂、止咳药、解毒药、镇静剂和燃料使用。乙醇的独特魅力在于，它是一种精神药物，可以抑制神经系统。很多人要是每天不喝上一杯酒，就什么事都做不了，而大部分社交活动也是在提供酒精的场所里进行的。我们也许不会信任这种液体（这是对的），但不管怎么说，我们还是爱它。
当乙醇被血液吸收的时候，我们便可以感受到它引发的生理作用。每一次强有力的心跳都在提醒着我们，身体中的血液扮演着多么重要的角色，以及它需要不断地循环。我们要对心脏这台泵说上一句谢谢，当它停下来的时候，我们也就死了。在世界上所有的液体中，血液毫无疑问是最重要的液体之一。幸运的是，如今心脏也可以被替换、搭桥，或是在我们身体的里里外外被研究。血液本身也可以被输入或输出，进行储存、共享、冷冻或复活。事实上，如果没有血液库，每年都将有数百万人死于手术、战伤或交通事故。
然而，血液也会被一些传染病源感染，如HIV病毒或肝炎病毒，所以它在保护人体健康的同时也能带来伤害。由此看来，我们还得考虑到血液的两面性，所有液体都是如此。对于某种特定的液体来说，它是否可以被信任，是好是坏，是健康的还是有毒的，是可口的还是让人恶心的，这些都不太重要。真正重要的是，我们是否对它足够了解，是否能够驾驭它。
要想揭示我们从管控液体中获得的力量与快感，最好的方法莫过于乘坐航班时瞥一眼那些被禁止携带的液体。这也是本书要讲的，在一趟跨越大西洋航班上，提到了各种奇怪而又迷人的液体。我还能乘坐这趟航班，多亏当年读博的时候没把自己炸上天，反而继续从事了材料学的研究，最终成为伦敦大学学院材料研究所的主任，而我的科研工作也包括探寻液体如何伪装成固体。比如，修路时用的焦油、沥青和花生、黄油都是液体，而人们往往以为它们是固体。因为这项研究，我们受邀飞往全球各地参加会议，而这本书的内容就是这一趟从伦敦飞往旧金山的旅行报告。
这趟航班是用分子、心跳和海浪的语言来讲述的。我的目的是揭开液体的神秘面纱，并解释我们为何会变得如此依赖液体。飞机带着我们飞过冰岛的火山、格陵兰岛广阔的冰冻地带、哈德逊湾附近星罗棋布的湖泊，最终向南飞到太平洋的海岸。这是一张足够大的画布，我们可以探讨海洋、云中的水滴等不同尺寸的液体，还可以通过机上娱乐系统看看有趣的液晶，观察乘务员送来的饮料，当然，还有让飞机在平流层一直飞行的航空煤油。
在这本书的每一章里，我都介绍了一种液体的特性，也多亏了液体本身具有这么多特性，如可燃性、溶解性，以及可酿造性。我也将告诉你，液体的芯吸效应、液滴形成过程、黏度、溶解度、压力、表面张力以及其他不常见的特性是如何让我们绕着地球飞行的。与此同时，我还将揭示，水为什么会向树梢流动，却又顺着山坡下泄，油为什么是黏乎乎的，波浪如何涌向远方，物品为什么会干燥，液体怎么变成晶体，自己酿酒的时候如何避免酒精中毒，当然，还有如何泡出一杯好茶。所以，请跟着我一起飞，我向你保证，这将是一趟奇异而又非凡的旅程！

《迷人的气体》
我很害怕黑暗，自小便是如此。深更半夜，我听见鬼魂在我的窗前沉吟，走廊的地板被踩得吱嘎作响。科学能够很好地解释这些树枝在风中摇曳，而木材受冷时出现了热收缩；而我确信这般合理的解释我是个科学家。然而，总是有一些时候，我的大脑什么也听不进去，不理性的恐惧涌上我的心头。和众人一样，常有时候对我而言是独自守在黑暗中时我的潜意识主掌一切，将我的焦虑汇到一处，混入数千年来人类对存在于物质领域之外那些东西的惊恐与迷信中。
沐浴在白天的光照之下，我似乎感到，有一种力量让我们相信鬼魂或许真的就在床头，而我们之所以会给潜意识赋予这种力量，是当未知或看不见的威胁来临之时，我们非理性的大脑会处于主导地位。阴谋论有时会涉及一种隐形的力量5G手机信号。理性的多数群体对此嗤之以鼻，但他们却又继续秉持着自己的非理性信仰：因果报应、幸运数字、星座以及各路神灵。我并不认为人们拥有非理性信仰就是愚蠢的。恰恰相反，我认为非理性是我们人性之中固有的部分。这是对未知的一种回应，是对生活在这个复杂宇宙中的回应在这个宇宙中，因果关系的原动力很难被发现。
事实上，我们对大多数事情都视而不见。我们这个世界，似乎由那些我们可以触摸或感知到的东西组成，比如椅子、书籍和茶杯。然而，还有整整一大类物质不仅围绕着我们，而且是看不见的。这就是气体。深深呼吸一次，你就能感受到空气作为物质的真实性。它不可见的特性，并没有让它变得无足轻重：它有实体，平均每个人每天会吸入12千克空气。在外太空，正是看不见的气体创造出恒星；而在地球上，也是它让我们的行星变得宜居。我们被它所包围，我们呼吸着它，而它也浸透了我们：烟雾、蒸气、潮气、气味以及毒气，都会影响我们的情绪、健康和行为。然而，在生命的大部分时间里，我们都忽视了气体之奇妙。每一次呼吸，都被无视了。
这本书讨论了气体的活动，以及地球与生物体释放出诸多类型的蒸气与气息如何让我们充满活力，或是令我们陶醉或恐惧。这些气体最初就占据了地球，自此之后一直存在。它们古老而重要，它们的影响一开始却被解释成上帝、远古仙灵或亡魂的杰作。
话说回来，这些物质究竟是什么？从根本上讲，它们是我们呼吸的东西，是一杯啤酒中冒出的气泡，是让花闻起来很香的东西，是在医院里维系我们生命的东西，也是让我们笑得停不下来的东西。大多数气体我们都看不见，它们是无色无味的。即便是甲烷这种能为我们家里供暖的气体，人类的感官也无法探测到。你觉得你有时能闻到它们，其实是因为其中添加了一种气味很大的化学物质甲硫醇，这样气体一旦泄漏就可以被探测到。数千年来，我们将支撑这些气体作用的物理和化学碎片知识拼凑起来，并赋予它们氢气、烟雾、二氧化碳、蒸汽、空气和飓风之类的名字。我们那些有关气体原子性质以及它们流动、膨胀与发光能力的理论，解释了很多民间故事中的现象；对于那些看不见的气体如何让人中毒、产生幻觉乃至丧命，我们的理解也是如此。它们为童话故事、残忍诡计和亡灵之力提供了某些解释。
我们还成功地利用气体的力量创造出了多数人生活中离不开的技术。正是对燃料蒸气的精确操控，驱动着我们的汽车；蒸汽动力依然在给我们的家庭提供动力；瓶装氧气让我们挚爱的亲人能够活着；而清除空气并制造出真空的能力，成为帮助我们每个家庭清扫的魔法。然而，就像魔法师的学徒那样，我们已经雇用了这些强有力的灵魂，却没能正确地领会如何控制它们。举个例子，20世纪60年代，我们制造出氯氟（CFC）气体，其性质颇为奇妙，这就让它能够作为冰箱的制冷剂大展身手。直到20世纪70年代，科学家们才注意到大气高层的臭氧层出现了一个越来越大的空洞，并开始将其归咎于CFC气体。臭氧层让地球上的生命免于遭受太阳高剂量的紫外线辐射。如果没有臭氧层，我们都将面临极高患皮肤癌的风险。当臭氧层空洞首次被发现时，销售和使用CFC气体的工业机构都否认了这一点，他们的立场是：没有证据表明他们那些看不见的产品具有看不见的效应，并引发了这个看不见的问题。然而，不断扩大的臭氧层空洞对人类生命造成了严重威胁，因此，知晓到底发生了什么成了一个政治层面的重要问题。政府随后为研究提供了资金，但直到1985年，才有足够的科学证据确认导致臭氧空洞的元凶的确是CFC气体。于是，一项旨在保护臭氧层的全球框架被确立下来，为子孙后代保护臭氧层，也让数百万人避免过早地死亡。
这场无形的灾难得以避免，大多数人对此甚至都一无所知。如果天空的颜色因为CFC气体的排放开始改变，那么这种对我们大气的污染将会掀起轩然大波。可是，因为我们都无法看到它，人们往往对此并不相信。这里所说的人们也包括科学家，因为在面对破解因果关系的证据时，我们也不能免于非理性。举个例子，当氧气首次作为一种气体被提出时，几乎整个科学界都否认了它的存在。18世纪50年代，人们认为某种物质会燃烧，是因为它含有一种叫作燃素的成分。当木材燃烧的时候，这种燃素就会释放，火焰就是这种物质逃逸的结果。人们还相信，这种燃素随后被空气吸收，接着又被植物攫取，这又可以反过来解释植物能够燃烧的原因它们内部含有燃素。这看上去很合理，不是吗？道理也讲得通，因为生物材料可以燃烧，而岩石和金属则不会。直到有位名叫约瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley）的科学家发现，有种新的气体可以让木材燃烧，燃素理论才开始出现裂痕。普利斯特里本可以拒绝复杂的燃素理论，并自豪地向全世界宣布他发现了氧气，这种看不见的新物质是解释火焰的关键之所在。也就是说，某种东西能够燃烧，是因为它和氧气发生了化学反应。可是，即便面对自己发现的证据，普利斯特里还是坚持燃素理论，拒绝氧气。在他的一生中，有越来越多的证据表明氧气是一种实实在在的气体，但普利斯特里那个时代不可否认的最杰出的科学家之一对此固执而不理性，直到去世的时候也依然信奉燃素理论。
面对普利斯特里的固执，我们或许会摇摇头一笑了之，但是还有很多现代的例子表明，在涉及一些看不见的现象时，科学家们是如何坚持错误理论的。比如，仅仅在150年前，我们还在争论氦气是否真实存在，尽管它在可观测宇宙中是丰度排在第二的元素。不可见因果关系如何导致非理性行为，人为气候变化是最重要的一个例子。导致全球变暖的气体是看不见的，它们在大气中累积的浓度超过了百万分之四百（400ppm），人类的感官无法探测到。这种类型的事情很容易遭到否认。即便是那些口口声声认为人为气候变化是由二氧化碳堆积所引发的人，也没有采取紧急行动。有多少人正在改变他们的生活方式：真正去少买东西，少坐飞机，少用能源？在某种更深的层面上，我们中的多数人都不太相信这足以促使我们采取减排行动。二氧化碳气体似乎只属于科学的理性世界，但是因为它强大却又无影无踪，它就可以满足我们的狂妄与幻想。
这本书是一本指南，讲的是这颗星球上存在的那些气体。我们一直以来发现的这些气体不仅重要而有趣，更是我们的生命支持系统。24亿年前，氧气出现在地球上，从根本上让大气发生改变，并因此真正孕育了我们。在它创造了我们之后，我们又学会了将其制造出来并压缩到罐子中，这不仅从根本上提升了医疗健康服务，也让不适合居住的地方变得宜居。氧气还让我们得以探索外太空、地外行星以及海底世界。另外，在我们的生命支持系统中，二氧化碳常常是被误解的那一部分。我们需要大气中的二氧化碳，因为如果没有它，我们就会受冻，所有的植物都会死亡。然而，正如我们当前所经历的那样，二氧化碳已经过多，而我们得到的结果是全球变暖。可植物需要的不仅仅是二氧化碳，还需要氮气大气中最丰富的一种气体。话又说回来，植物并不能直接从空气中吸收氮气，这又限制了作物的产量。我们聪明的人类已经为此事找到了一种办法，以合成的方式从空气中获取氮元素并将其转化为肥料。保守估计，这种肥料如今可以养活目前世界一半的人口。
我们也依赖电力：它不仅通过为供暖、烹饪和照明提供能源来维持我们的生命，也是我们技术世界的生命维持系统，给我们的设备还有数字生活方式提供动力。发电厂通过用燃料给水加热来发电。这种燃料可以是煤炭、天然气或核能，它们都能将水转化为水蒸气，正是这种气体驱动涡轮机高速旋转从而产生电力。因此，蒸汽发电是地球上主要的供电方式，占到了70%。到22世纪，随着我们远离化石燃料，我们将依赖其他类型的气体技术，如风能和氢能。甚至太阳能也依赖于其制造过程中对气体和真空的精确控制，以确保太阳能电池板中的高纯度电子结构不受污染。气体技术为全世界提供能量，并且还将持续下去。
这种对气体的依赖影响着全球经济和政治。当天然气（甲烷）被武器化时，这一点得到了最为清晰的证明。这样的操作引发了政治和经济危机。肥料的价格也在飙升，因为甲烷是制造肥料的主要成分，而这又反过来提高了食品价格，并在全世界大部分地区造成了大规模的通货膨胀。其他气体在食物系统中也扮演了重要角色。氮气是薯片以及其他干燥食物包装中的气体，它被置于其中以取代空气，否则包装内的食物就会变质或受潮。二氧化碳气体是饮料中最受欢迎的添加剂，在苏打水、啤酒和起泡酒中产生气泡，没有了气这些饮料没人愿意喝。在新型冠状病毒感染流行期间，食品级二氧化碳供应短缺，这在英国民众当中几乎引起了恐慌，他们担心最喜欢的下午茶饮料金汤力会因此没了气泡。这太可怕了。
在香料行业中，气体也发挥着重要作用。香水和除臭剂所用的气体技术几乎和人类历史一样久远。它们被设计出来，是为了增加我们找到爱情的机会，以及影响我们的情绪。与香水同等重要的还有烹饪和饮食，它们甚至还更重要一些，而且，正是食物的气味它们也是气体分子构造出大部分味觉体验。没有气味，食物吃起来就会十分寡淡。这种寡淡会引起更深层次的遗失，即气味与记忆还有情感之间的联系。闻到烤箱中烤苹果派的味道，究竟会给我们的潜意识带来多少影响，以至于我们会因此回忆起童年和家的味道，这一点怎么强调都不为过那些早已离世的家庭成员，忽然就在我们的脑海中活了过来。有的时候，我们理解有意识的气味与记忆之间的直接联系，但是大多数时候我们并不会如此。某个想法或某段回忆，如同不速之客突然钻进我们的头脑中，却是看不见的气体在我们头脑中作用的结果。正是这种通往我们潜意识的捷径，使气体成为我们情感生活中如此重要的一部分。
在这本书中，我探讨的问题就是气体如何成为我们生理的、技术的以及情感的生命支持系统：它们如何让我们吸入活力、决定我们的气象和气候、为我们的技术和神秘信仰提供燃料，以及如何让食物如此美味。这是一次旅程：从收获于空气的氮气到产生电力的蒸汽，从医院里的氧气罐到那些最终让飞行持续下去的氢气罐，从骑自行车时充气轮胎带来的乐趣到夏日微风的抚慰，从放屁的喜剧效果到麻醉气体产生的幻觉。最重要的是，这是一个有关我们和无形物质之间的关系如何让人类在这个星球上生存繁荣的故事。

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