在一个更基础的层面上，我们所知的全部生命似乎都是由无数个微小的、反复变化并不断重组的结构互相作用而产生的新型产物。正如我们所见，这些分子基石是质子、中子、电子和电磁力间的物理作用所引发的直接结果。
如此微小的组成部分简单地遵循着基本的宇宙“规则”，而这一点早已在138亿年前便刻入了宇宙中。如今，这些微小的部分齐心协力，构筑了星系、恒星、行星、大象、人类、鸟、昆虫，以及宇宙中其他不知名物体。
这一切是如何发生的？这个问题正是科学和哲学研究的绝对核心，也是我们从自身利益出发，努力建构一个合理的自然场景的核心。这个问题仍悬而未决。
*不含细菌
地壳上的生命
关于存在物的这些难题，我们通过更好地量化自己在宇宙中的家而取得了一定的进展。这一量化过程开展得相当容易。例如，地球地壳外层的70%被液态水覆盖，这些区域代表着形形色色的生物栖息地。这里充满了大大小小的生命，从微观的单细胞到目前存在于世的最大的多细胞有机生物。
与水生生物完全不同的陆地生物占据着另一组栖息地，它们几乎与海洋处在平行维度上。即使是在同一套基本规则之下，这里的生命仍有机会扮演不同的角色。陆地涵盖了从灌木到沙漠，从巨大的冰川冰帽到热带岛屿，从山川到平原的各种景观。
两种有意识的物种（吉普车中的人类和车外的象群）在互相观察。
102米
当人类试图解析自身的起源时，最引人入胜的景点之一坐落在东非大裂谷。这一区域是一道不可思议的地理学鸿沟。在这个地方，地球的地壳板块实际上是撕裂的，使脆弱的矿物带变成了完全不同的铜绿。
在东非，从厄立特里亚到莫桑比克，大裂谷这个长度超过6 000千米的大规模地壳构造系统衍生出了一系列超常的地理特性：比如复式火山（stratovolcanoes），特别是海拔将近5 900米的乞力马扎罗山；山谷两侧到谷底的落差可达600米；大裂谷中有幽深的、海峡似的水体。维多利亚湖是世界上最大的热带湖，有面积将近70 000平方千米的热带淡水，滋润着今日的尼罗河。
在大峡谷内，我们发现了关于人类起源的线索：早期人类物种的化石残骸。这些残骸书写了我们的史前历史，改变了我们对这段历史的认知。
早期人类物种中的一种，被我们称为能人，他们似乎存在于280万年～150万年前。另一种是直立人，第一次出现在约190万年前。其他的原始人类化石也被一一附上了具有辨识度的标签，但事实上，我们尚未完整描绘出百万年前有哪些人种漫步于地球，他们之间又有怎样的联系。我们也并不知道这些人类物种的分布地有多广，但很可能，他们活动的范围只是区域性的，并未延展到整片大陆。
看看是谁在观察
尽管直立原始种占据了漫长的历史，但今天，按现代人类的标准来说，大裂谷仍然有很大一片区域的动植物，它们彼此毫无关联。
比如，在肯尼亚，我们跨越不同自然尺度的旅程来到了某个象群头顶上的一小片的空间。这群大象在观察四周，也在被观察：被金属吉普车里那些紧张不安的人类观察。
再旋转几下长焦镜头，我们就来到了一个厚皮动物个体上。一只啄牛鸟停在大象身上，从大象粗糙的皮肤褶皱中撬啄下一只肥厚的虱子。
10米
如果将其置于一个更宏大的背景中来考察，那么这一幕将是非常耐人寻味的。这是一只大型的哺乳动物，一只重达4～7吨的多细胞生物。它用身体内的子宫孕育后代，而且它的腺体能够在生产过后至少为后代提供5年营养丰富的乳汁。大象的大脑是一个巨大的、拥有3 000亿个神经元（比人类神经元数量多3倍）的大型网络。这些生物表现出了复杂的、显然利他的社交行为，几乎可以确定它们是有意识的。它们当然有智慧，即使这种智慧与人类的智慧并不完全一样。
另外，大象那羽毛浓密的共生伙伴则归属于不同的谱系，在3亿年前，它们与哺乳动物有着最后的共同祖先。就像所有的现代鸟一样，啄牛鸟是一种特定的族群“大蜥蜴”，即卵生恐龙的后代。在2.6亿年前到6 500万年前，啄牛鸟的祖先迅猛龙生活在同样的大陆景观中。在那个世界里，恐龙进化出了上肢，或者说至少把握住了进化的核心。
角色互换：曾经，最高级的物种是某些恐龙，而并非哺乳动物。
按照我们的认知标准来看，啄牛鸟显然是有意识且有智力的。很多鸟都表现出了自我意识，具备识数和使用工具的能力，尽管鸟的大脑在物理上比大象或人类的大脑要小得多，只包含1亿个神经元。
在鸟喙上的寄生虱子也有一个甚至能追溯到更久远历史的祖先。它属于无翅昆虫族，至少有4.8亿年的历史，从无脊椎动物进化而来。从这个角度来看，虱子可能是画面中最异形的有机物，不考虑它现在所处的困境的话，它几乎是最成功的有机物。
虱子有没有意识或智力呢？某些昆虫，比如蜜蜂，其行为往往被解读为具有自我认知或智力特征，并且有数量高达百万的神经细胞。虱子并非蜜蜂，而我们并不知道在它的神经系统中究竟发生了些什么。
100米
大脑的世界
大脑由神经元构成。神经元是一种特殊的细胞，由它构成的电敏感网络能够接收、处理和传递电化学信号。大脑是我们已知的最复杂的生物结构。
这简短的生命一瞥（几十亿年来无数拍照机会中的一瞬）包含了另一个重要的故事。
一头哺乳动物款待了一只鸟和一只昆虫。鸟吃掉了寄生虫，帮助了哺乳动物。鸟也喂饱了自己，无意中促成了虱子未来基因的变化，因为这只倒霉虱子的后代将不复存在。如果这只鸟没有落在这头大象上，没有找到这只虱子，一系列发生在未来的复杂事件都会变得不同。在某些未来中，单一事件不会产生什么影响。但在其他时候，原则上，某个单一事件正好充当了改变地球整个进化轨迹的雪球。
历史上像这样陷于混沌的突发事件只是冰山一角。大象不断改变着它们周边较大范围内的环境。它们食用植物，喝水，移动并改变了土壤和岩石。实际上，它们促进了外部熵（宇宙中可量化的无序）的增加。在该环境下的植物和其他生物感到了这些变化所带来的压力。自然选择（适者生存）以及基因漂变（幸者生存）导致了整个时间轴上的生物变化。
啄牛鸟也做着同样的事。它筑巢，排泄废物，和其他鸟类、其他生物竞争。既卑微又强大的虱子，也扮演着自己的角色。上述场景只是虱子社会的一部分，从生态系统整体来看，虱子是细菌和病毒的完美家园。
将大裂谷中这张看似无害的生命快照放大后，我们得以一探是什么造就了真正的行星生物圈。答案便是：相当复杂的、多层的、层次交错的原子、分子、生命、行星、恒星和宇宙热力学。
那些我们称之为意识和智力的奇特现象滑进了这个系统的缝隙。我们并不知道复杂生命是否总是需要进化出这些特点，以便更好地生存，或者这些是否只局限于地球上的生命。我们并不知道意识和智力如何精确地在虱子到大象之间以及这之外的尺度上分布，但我们人类的举动能够传播得很远，远到未来，远到太空。智力使我们有能力决定这些举动。真正的问题是，我们应该选择怎样的方式来对待这种能力。
10-1米
PART 3 10-2～10-35米的34个宇宙：万物从有到无的虚空
10-2米
7 消失在宇宙背景中的物质碎片
10-2米，10-3米，10-4米，10-5米
从1厘米到10微米
从人类指尖大小到一小滴水云或一个动物细胞大小
随着我们进一步缩放宇宙的尺度，我们称之为家园的这颗行星逐渐消失在背景中。地球上的所有色彩和戏剧性事件不过是一片比我们现在的新起点大10亿倍的模糊区域。但这个尺度和接下来的几个量级可一点儿都不无聊。在这里，你会遭到缤纷而又奇怪的观念的挑战。其中处在首位的就是我们所谓的复杂性。
复杂性是当前宇宙的中心。我们已经在浏览星系和星云时遭遇了这一概念，但它也充斥于我们的日常生活中。我们的身体结构以及与我们共同生存的多样物种种群都证明了这一点。虽然我们几乎没有注意到，但我们的确栖息于一个拥有复杂生物粒度的世界。
感官的局限性让我们没法完全了解这个世界究竟是什么样的。如果我们在自己面前的适当距离处拿着两个极其微小的物体，那么只有当它们的间距大于一根头发的宽度时，我们的眼睛才能分辨或解析出这对物体。若将这个间距减半，那么即使是人类中视力最好的人也无法区分眼前所见到底是一个物体还是两个物体。
由于这样的限制，我们在过去的几万年里，把大部分时间浪费在了我们无法察觉到的鼻下，指甲之下，血液、唾液和皮肤之内的世界。我们总是把自己的实体，以及其他任何生物都视为紧紧包裹住自身的整体。任何东西，从大怪兽到小昆虫，似乎都同样坚固，都不可分割。
然而，我们所有人就像宇宙的其他部分一样，是由碎片组成的。我们由原子、分子、分子复合物和细胞组成。而在这些部分之间，可能有着各式各样、不计其数的机械动作和化学反应。
以人类的手为例。你的双手，现在正忙着抓紧这本书，它们处于一种动态拉伸的状态。坚固的骨骼、肌腱、肌肉、神经纤维和皮肤协同行动，它们共同感受着这本书，并同步协调着彼此的活动，这样你才能专注地看着这些字。
许许多多不同颜色、不同肌理、大小各异的手，帮助我们在周围的世界里留下自己的印记。
手和细胞让我们能够与宇宙建立联系。
虱子的眼睛。
10-3米
生命的粒度
人类的手是一件精巧、复杂，装配了多种细胞、组织、结构和化学成分的艺术品。这些相互依赖的组成物让人类这一物种能够表达自己，能够将自身刻印在周围的世界中。一只典型的手有29个主要关节、123根韧带、34块肌肉、48处神经和30条动脉。
我们将脑中的概念提炼出来，并用岩石和铁器将它们雕刻成形状和图案，将自己的思想转化成实际的物理的东西，而这些思想反过来启发了我们，让我们的双手创造出新的东西，等等。灵活的手指让人类能够飞向天空，飞向月球，飞驰到太阳系的外层。这些手指制造出能够制造其他机器的机器，从机器人到自动组装计算机；也建造出由精心打磨的镜片和传感器组成的显微镜，以及巨大的电磁粒子加速器，用以在亚原子王国中进行更深的挖掘和探索。
然而你的手并不真的是一个单一的实体。这个部件由大约4 000亿个细胞组成，这些细胞是高度专业化、平均直径约0.03毫米、有膜包裹的囊状物。正是这些微小机器的协同行动让你能够抓住这本书，就像其他微小的机器让我能够敲打出这些文字一样。在更广阔的尺度上，正是这些机器的群体协作帮助人类进化。
对我们身体的其他部分来说，情况也是如此。对地球上的所有大型生命形式来说亦然。当我们将视野缩放到东非大裂谷，缩放到一头大象、一只鸟、一只昆虫，以及这只昆虫的细胞结构上时，我们能够看到生命的粒度。这些细小的部件合在一起所能做的事，实在是令人印象深刻。
复杂性的简单性
不过，这些细胞机器也会有生有死。人类的红细胞能够存活大概4个月；皮肤细胞大概能生存几周；其他的细胞，比如大肠中的那些细胞，只能存活几天。甚至当你离世时，你体内的很多细胞还会继续存活几小时甚至几天。构成多细胞生物的细胞会像对待自己一样对待它们的宿主。
生命间的集群合作已经在地球上存在了很久，可能至少存在了30亿年。如果算上蓝细菌第一次“殖民”的话，作为一种生物策略，多细胞体的变种被“再改变”了很多次。有着不同细胞形式的多细胞有机体，包括植物、动物、真菌，在大约15亿年前出现。在合适的环境条件下，细胞的合作与共生提供了各种进化优势。多细胞体衍生出了如今的生物，后者种类繁多，覆盖范围多达令人震惊的22个数量级（如果把病毒也算作生物的话，将会是27个数量级）。地球上的生命从最小的微生物（10-16千克）层级一直延伸到最大的植物和哺乳动物（106千克）层级。
虱子的复眼，及其晶须上的一粒花粉。
10-4米
合作的收益远远超过其他生物通过进化所取得的优势。所有细胞单元共同协作，便能够建造比各部分单独建造的总和多得多的东西。几十亿的细胞能够形成真菌、植物、昆虫、鸟和哺乳动物。它们能够形成像爱因斯坦、艾达·洛芙莱斯（Ada Lovelace，第一位计算机程序员，诗人拜伦的女儿）、牛顿、居里夫人这样的人，或者像莫扎特、巴赫、毕加索、雪莱和达·芬奇这样的人。
它们也能从复杂中创造出令人惊讶的简洁。例如，在动物世界，基础代谢率（动物休息时燃烧化学能的速率）和身体质量之间有着一种可观测到的数学关系。实际上，从细菌到小型鼩，再到体型庞大的蓝鲸，这种数学关系一直存在：基础代谢率随体重的三次幂的增加而增加。这条规律存在于全部1022种不同生物体中。
生命的数量级
地球生物的大小至少跨越了10个数量级——从单细胞到多细胞大型生物。它们也在质量上占有22个数量级的范围（如果算上病毒，将是27个数量级）。
一只老鼠和一头鲸鱼在两个不同的数量级上打量着对方。
神经元细胞体的代表。
不知为何，一个常规而又简单的法则在这些物种迥异、大小不一的不同组合形成的生物细胞中出现了。生物学中的其他特征也表现出令人惊奇的规律性。比如，生命扩张的方式、增长率，以及不同物种的物理尺寸也存在单纯的数学关系。
这怎么可能呢？我们相信这是一场公平的赌局，所有这些都是最优的表现形式，是由自然选择所青睐的那批生物促成的，严格地说，这正是这些生物尽最大努力所达到的效果。从烦琐中创造简单之所以能够成功，其实取决于一套复杂的系统，系统中的很多部件既能够单独运作，也能够跨越多个尺度互相合作。
对于多细胞生物的群体行为而言，情况也是如此。它们经常形成团体：兽群、鸟群、鱼群、蜂群等。这种集群就像有着自己发展法则的新型实体。其中的每个生物体成员都可能遵循着简单的规则，但作为整体，它们在全世界范围内活动的同时，形成了意想不到的合作模式。
多细胞生物的单个细胞。
10-5米
这些合作模式在很多完全不同的物种里都能看到。比如，椋鸟在它们的大型“自然奇观”中俯冲流动，就像海中的一群鲱鱼一般。对这两个物种来说，群体行为的优点在于给潜在的掠食者造成一种数量超载的错觉。但这种行为也会导致危险，比如吸引了掠食者的注意力。
人类不属于这个范畴。我们是社交动物，通过语言，通过几乎不用说话就能一起工作的优势，我们被绑定在了一起。研究表明，我们的城市也遵循着一些相当简单的数学编码。道路的长度、电力线缆以及加油站的数量，与城市的总人口息息相关。工作报酬、暴力犯罪和疾病也与人口有关，不过其背后是另一套数学编码。
自然选择也能用简明的规则解决计算问题。比如，单个蚂蚁用信息素标定巢穴到食物的路径，而当往返路径更短时，信息素更有效。因此，随着时间推移，越来越多的蚂蚁会追寻更短的路径。结果，这个群体“发现”了填饱肚子的最快路线。
对群体行为而言，计算成本与利益是所有生物都会进行的工作。这也是为什么有些生物是独行侠，而有些生物以百万级的数量群居生活。人类的社会、文明、经济体系以及个体行为显然受到这些规则的驱动。
从细胞组合成更大的生物体，到新行为和能力的产生，所有这些特性都根植于复杂性。但复杂性本身根植于一种更基本的宇宙特性，我们称之为熵。熵是对无序的一种测量值。随着我们的旅程延伸至更小的尺度，你会发现熵和不确定性越来越重要。它们是使你、你的手和你的细胞得以存在的要素。
8
亚原子世界，开启尺度颠覆之门
10-6米，10-7米，10-8米，10-9米，10-10米
从1微米到1埃（或者说0.1纳米）
从细菌（原核生物）大小到大约氢原子直径大小
在这段穿越宇宙尺度的伟大旅程早期，我们仅仅跨越了5个数量级，就从可观测宇宙的尺度来到了我们自身所在的银河系尺度。这是一个巨大的转折，从宇宙所在的尺寸（当然了，宇宙是所有我们已知的空间、时间和物理的总和）来到了一些零散星系的领域，而每个星系都有它自己的故事。
做好准备吧，因为接下来，你将踏上一段更魔幻的旅程。在这里，你会再次跨越5个数量级（从1微米到0.1纳米），这是一段让人震惊的简短旅程，我们从可能较为熟悉的现实世界来到了一处非常奇怪的地方，此地存在于离我们并不遥远的日常感知的区间内。
让我们想象一幅画面：你正途经一系列连在一起的房间，如同身处《爱丽丝漫游仙境》所描述的场景之中。每个房间都有一扇窄窄的门，与下一个房间隔离开来，而你需要打开每个门，穿过去。每经过一扇门，当下的世界就会比门后的世界大10倍。
你打开第一扇门。在这里，填满你面前这个房间的，是涂满了一层厚厚黏液的活的细菌。这种单细胞实体是一种活跃的生物与机械的混合体，被包裹在半透明的膜里，形成了一种类似胶囊的结构。在“胶囊”的一端是旋转的、抖动的尾巴，或者说是鞭毛。“胶囊”的表面有无数微小的头发似的延伸物，叫作菌毛。“胶囊”里面是一堆遗传物质：一条DNA链，小型双链脱氧核糖核酸回路（也就是质粒），以及一堆更小的化合物和分子结构。
*部分研究给出的这一生物量数据偏小，约为0.5亿～2.5亿吨碳。
这种细菌是一种完全成熟的生物实体。它的化学工厂热闹非凡，化合物无止境地在膜上滤进、透出。与细菌这种生物的出现同样奇异的是，它们的行为似乎也充满目的性。细菌通过化学信息和电化学变化感知周边的世界，并对这些情况做出回应。
一个细菌，其上带有鞭毛（尾巴），还附着了病毒入侵者。
10-6米
从这个生物旁挤过，你来到了通往下一间更小量级房间的门前。现在请深呼吸，然后，拉开门吧。一个更加奇特，更加令人不安的形体充斥在这间房里。这是一个单体病毒：分子结构集合在一起，包裹在一个有节的、豆荚般的盒子里。其要点在于紧凑拥挤的蛋白质分子形成了小圈遗传物质，这便是病毒的编码。它是活的吗？它可能不以你熟悉的方式活着，但它显然不是死的：就在你观察它的时候，它钻出了一条自己的路，进入其他无自保能力的细胞的基因结构中。
这间房子内目之所及，有些奇怪的事发生了。我们很难清晰地看到这种病毒。通常你用来感知这个世界的光线并不会以你期待的方式与这种小东西进行交互。事实上，可见光波长的峰值比这些病毒要大。这些波无法以一种连续的方式反射或穿过这个小家伙。这种病毒并不会直接地出现。相反，它只是混淆了光线。当你眯着眼看时，就会看到另一种场景。
在你向第三扇门前进的路上，你必须摸索并探查前方的路线。可见光在这里会丧失作用。相反，你会感受到在自己那收缩的身体内，静电正与潜藏在下一间房里的生命进行互动。这就像是你戴着眼罩，蹒跚地探索前路，并发现你的手正处于某种波浪般、不平整、黏黏糊糊的东西上。
这就是大型分子的房间。这种骇人的生物是一种核糖体集合，一种对于生命现象非常重要的结构。它是合成蛋白质的重要一环。你伸手去触碰时，这个复杂的形式会移动位置并改变形状。这种核糖体一般附着在其他分子结构中，并通过一系列行动完成自己的工作，仿佛流水线的一部分。分子臂和基准点会收集并操控更简单的分子（比如氨基酸）来形成更大的结构。
这个过程是优雅而精准的，即使过程中充满了激烈的运动和震颤。核糖体需要几分钟的时间来积累和组装细胞生命组成物的重要部分。你能感觉到崭新的蛋白质链从其母体脱离出来，翻滚着折叠在一起。
趁它工作时，你从中挤过去，躲开它那带电的黏性凸起，并继续来到下一间缩小的房间。通过第四扇门，繁忙的分子似乎被一系列薄薄的、有规律性和对称性的DNA链所代替，这条DNA链扭转着，漂浮在核糖体周边。
肌胃病毒噬菌体准备将它的基因组注入细菌的细胞质中。
10-7米
在这个尺度上，你真正感受到的是充斥着可能性的一方空间，是一屋子缥缈的静电推力和拉力。我们所能想到的与这种经历最接近的比拟，就是蒙眼尝试未知的食物和气味。这里有一份感官菜单，上面独特、繁复的感受首尾相连，排成一队。
我们将此处的一种实体称为碳原子。还有一些氧、氮、氢原子等，它们簇拥在一起，就像其他可识别的物体一样，形成相对简单的分子，我们称之为核苷酸：腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤、胞嘧啶，沿着朝任意方向弯曲的一对糖–磷酸轨道分布。
然而，讨论“这些东西看起来像什么”已经完全没有意义了。有意义的是这些实体的“状态”，它们的电磁能，它们的震动和旋转，它们仍然无形的存在模式。走在它们之中，你会受到众多声音与恳求的冲击，这些冲击以吸引力和排斥力的形式表现出来，然而这种看似无序的杂音，可通过规律和信息被记录下来。
跨越门槛来到奇特世界
现在，你来到第五扇门前，继续向下一级进发。然而这一次，在你跨越这个门槛后，一些极其古怪的事将会发生。你感到你自身发生了变化，这种改变在你意识的外围游走，在最后这扇门前徘徊，而现在，这种变化几乎成了你所感受到的全部。就好像你突然被抬升到极高处，向外呼气并发生了膨胀。
复杂的、运转中的核糖体。
10-8米
你不再是之前那个完整统一的你。你几乎同时在这儿，在那儿，在各个地方向外膨胀。而你面前的这个结构碰巧是个碳原子，它也一样奇怪。你无法以任何明确的方式感受到这颗原子。相反，你与时间和空间融为一体，分享彼此。你多半出现在原子前方，但也存在于原子的两侧。原子会对你的闯入做出反应。它的电磁场是一片充满负电荷的轻快移动着的云，然而这片云有自己的结构，即多少蓄着点电的区域。原子的深处，是一个正电荷，它保有对周身一切的决定性控制。
欢迎来到量子世界。事实上，经过这扇门的你并没有被改变，只是接触到了你本质的一个基本方面，而这一面一直存在。准确地说，你只是因为不断缩小的状态而被衍射了。
通常情况下，在你存身的那个量级，身体由无数的原子组成，组建完成后的身体比单个原子要大上几百亿倍。你以每秒几米的速度快速移动，在从一个量级来到下一个缩小10倍的量级时，任何衍射都会超出你的感知，突破目前任何测量设备的探查范围。但现在，在这样一个微小的，只有一亿分之一米的尺度，你无法迈着华尔兹舞步轻松穿过不同量级之间的大门，同时还指望着一切安好。作为现实的更深层本质，物质的波粒二象性充分地发挥了其效力。在这些微小的量级中，宇宙是一种概率，一种统计，一种拥有众多分叉路径和奇特关系的舞蹈。这种奇特性就是世界的核心，是让我们得以存在之物。
碳宇宙
正如我们目前所知的，生命建立在碳元素的基础上。为什么是碳？
碳原子只是恰好擅长构成所有种类的分子。它就像乐高积木中你最爱的那块，总能让你成功地完成最复杂的项目。
一条脱氧核糖核酸（DNA）。
10-9米
碳原子有6个电子。这些电子可以说排列得相当完美，其中4个（被称为价电子，valence electrons）能够轻易地被其他原子的原子核吸引，并与这些原子的电子共享空间。用量子语言来说，这些价电子占据了碳原子周边可能的空位，使得原子之间彼此有了联系，换句话说，形成了化学键。
举个例子，一个碳原子的价电子能够和另一个原子（比如氢原子）的价电子形成一个共价键，这个时候，有两个电子在原子之间高效共享，处于一种被称作“量子叠加”的状态（这是一种量子特异性，随着量级的进一步缩小，我们将越来越频繁地遇到这种现象）。新的碳–氢分子总体上会比之前的两种单独的原子拥有更低的能态。为什么这一点很重要？因为更低的能态提高了化学键形成的可能性。
当然，也有很多其他的元素像碳原子这样拥有4个价电子。比如，接下来，作为重元素的硅和锗也拥有这类电子结构。它们与碳原子间的区别在于，碳原子更轻，更小，形成或断开碳链所需的能量变化最少。最终的结局就是碳基分子在动力学上更加灵活，同时能够在无机化学发生反应的温度条件下形成、占有和破坏化学键。这一点在液态水的生成中尤其明显：碳基分子如同不可思议的溶剂一般，成为化学活动性的推动力。最重要的是，碳原子能够轻易地与其他碳原子连接，从而形成长的聚合物，或者链式和分支式结构，以及其他复杂的分子结构。
碳元素在宇宙中的来源也预示着量子物理的一个重要功能。如同其他所有更重的元素，碳元素是由恒星的核聚变（nueosynthesis，该词源于nuclear fusion）产生的。但碳含量之丰富（在当今宇宙中，其原子数量排行第四，位于氢、氦和氧之后）有赖于宇宙的几个关键特性。
大部分碳形态经历了三重α过程：两个氦原子核融合，形成铍–8原子核，接下来铍原子核与另一个氦原子核融合，形成碳。若抛开某些微妙的巧合不谈，这可能是个非常低效的形成碳的方法。这些巧合极具技巧，或许只有核物理学家才会喜欢，但它们还是值得了解的，因为它们能帮助你抓住基础物理与我们之间的联系。
第一个巧合发生在恒星的内部，铍–8原子核和氦原子核的组合能量刚好能匹配带电的碳–12原子核。这种能量上的“共振”是个关键；它在很大程度上提升了下一步聚变（制造碳–12）的速率。第二个巧合在于，铍–8原子核恰好保持了足够长的稳定状态，因而有机会捕获一个从周边经过的氦原子核。最后一个巧合是，新的碳–12原子核并不擅长迅速融合其他空余氦原子核从而形成更重的氧原子核，所以碳不仅不会被吞食、变成氧，还会一直存在，直到几十亿年后形成你身体里的DNA。
碳原子绑定4颗氢原子的概率密度电子云。
10-10米
碳原子的一生
在我们的生命中，没有其他任何一种元素扮演着如此重要的角色。我们复杂的生物化学完全依赖于碳能够形成强壮而又柔软的分子键的能力。你身体中的1026个碳原子的每一个都经历了一段悠久的，关于机会、偶然和聚合的历史。
审视这种现象的另一条路径就是去探讨，我们的存在以及我们已知的那些生命形式如何深刻地取决于这些深奥的物理学。某些思想家将此视为生命和宇宙学间的深层联系，视为一种“人择理论”认为，正是因为我们在此处观察宇宙，它才“刚好呈现出此般面貌”。对另一些人来说，万物不过是恰好呈现出这种效果，尤其是在考虑到我们的宇宙只是多重宇宙的其中之一后。对于宇宙是否被迫产生生命，你可能有你自己的想法。不论哪种观点，都是深夜辩论的绝佳话题。
这些关于原子核的故事和谜题，以及我们旅程的这一阶段中不断缩小的房间，都只是接下来的旅程中的调味剂。现在，我们已经一脚迈入量子宇宙的大门了，让我们向着存在的根源继续深入吧。
原子内部。
10-11米
9
难以置信的空洞
10-11米，10-12米，10-13米，10-14米，10-15米
从10皮米到1飞米
从X射线波长到大约一个碳原子核大小
握紧拳头。现在假想一下，你的拳头代表着原子的原子核大小。那么按比例计算，整个原子的半径大约是5千米。原子的99.9999999999999%都是空的（一个典型的原子核，体积只有整个原子的万亿分之一左右，却占据了原子99.9%的质量）。
因此，如果把所有空余的原子空间全部排除在外，你便能够将70多亿人挤压成一块方糖那么大。在地外空间，比如中子星上，引力正在做同样的工作：创造出一个由特殊状态的原子核物质（退化物质）组成的天体，直径只有10～20千米，然而其质量相当于一颗恒星。
这些空旷也意味着你的旅程的下一阶段——从10-11米（10皮米）到10-15米（1飞米）的量级，是一片让人难以置信的空洞。事实上，这比你之前经历的星系际和星际太空之旅要恶劣得多。至少在那里，偶尔还有一个分子或一颗星际尘埃陪着你。而在原子内部，哪怕是遇到一个转瞬即逝的电子都成了一种奢望。虽然电子的物理尺寸不太容易定义（甚至可以说，电子的物理尺寸并没有多大意义），但有些实验表明，电子的大小不及原子的原子核大小的千万分之一。
这段穿越空荡原子的旅程确确实实能使你拥有更多的时间，来思考包裹着你的空间的基本性质，以及这种性质是如何与你在上一章中从最细微层面上体验到的奇特现象相关的。
如果你的拳头是一个原子核，那么图中这块区域就是整个原子的大小。
在我们当前对宇宙的探索之旅中，概念上最具挑战性的问题便是基本现实的量子性质。虽然量子物理让人迷惑不已，但这显然就是宇宙运行的方式。
我们成功地将量子物理的数学描述与自然（比如原子物理学）融合起来，从而制造出一些目前人类所知的最精确、预测能力最强的工具。在量子领域，我们也推导出一些关于宇宙基本性质的最精确的实验测量数据。我们测量了一些古怪但又十分重要的对象的数量，例如所谓的电子反常磁矩（anomalous magnetic moment of the electron），其精度达到了惊人的小数点后11位。我们的量子电动力学（QED，包含相对论物理学）曾精确地预测出这一数值，达到了同等级别的精度。
仍然是原子内部；远处出现了一个小亮点。
10-12米
我们对这些微观现象进行的数学物理研究效果极好，应用了功能多样的研究工具，涉及范围从狄拉克矩阵和波函数的构建，到优雅直观地描述粒子相互作用的费曼图。我们也发明出了强大的、高度数字化的设备，它们的名字令人印象深刻，比如“对称环境”“希尔伯特空间”“运算符”，以及“特征值”。
然而，所有这些数学物理研究的核心都是一种让我们备感困惑的反常物理。海森堡不确定性原理告诉我们，物体和系统的特性是不可分割的，两者具有互补性。比如，我们无法同时精确地测量一个粒子的位置和动量：若其中一个数值测量得比较精准，那么另一个就无法确定。这种不确定性并不只是由我们的观测所导致的，它是一种固有的属性。
微小物体呈现出的特性，既可归于离散粒子，又可归于波型实体。而在我们传统的、宏观的世界中，粒子与波这两种特征通常是互不兼容的。
科学家仍在尝试解决所有这些问题，而我们也有一些选择能够帮助我们理解量子世界。
量子物理的三大阐释
举个例子，量子力学中所谓的“哥本哈根解释”表明，唯一的真实只来自概率和统计。这就像是沿路向下滚动的骰子一般。本质上，粒子既不在此处，也不在彼处，直到某物和粒子发生了交互作用后，这些粒子的位置才得以确定。它们的去向由概率云给定，由波函数描述，其精确的行为由一种叫作薛定谔方程的数学装置所获取。一旦对粒子进行观测（影响），波函数就会“坍塌”，并由此确定粒子的位置和性质。
哥本哈根解释认为，在波函数失效之前，根据方程所述，粒子本质上存在于任一位置、所有位置。如果我们不喜欢这一点，那可就不好办了，毕竟大自然才不关心我们是否开心。
虽然哥本哈根解释是关于量子力学基本性质的理论中最受欢迎的观点，但它并非唯一的。另一种观点曾在20世纪早期及中期被提出，该观点认为，粒子确实如离散的“传统”实体一般存在，它们有着明确的位置，但同时与一种叫作“导航波”的物质一起存在。导航波决定了粒子移动的路径及方式，例如，它们会衍射和干涉粒子（另外一种波状性质，我们可在10-10米这一量级中遇到，也就是最后一扇导致你身体衍射的缩放房门）。我们需要两个方程来描述对量子世界的这种解读：一个是波函数，另一个是将粒子行为与波关联起来的方程。
更远处，但仍然在原子内。
10-13米
量子力学的三种不同解释
虽然量子力学对于原子、量子及亚原子粒子等系统的描述十分出色，但物理学家仍然在争论，在更深层次上粒子究竟发生了什么。
这种所谓的量子力学德布罗意–玻姆理论（de Broglie–Bohm version）与哥本哈根解释中的许多预测是一致的，但它坚持认为粒子就是粒子，波就是波。这一理论也暗示宇宙是确定不变的。所以如果你知道宇宙中某一瞬间所有物质的性质，你应该（原则上）能够预测出未来会发生什么。
但是一个被称为非局域性（non-locality）的棘手问题出现了。本质上，两个粒子之间一旦互相有了联系（例如，两个粒子是在同一亚原子过程中产生的），那么当它们冲向宇宙时，它们仍会保持联系（纠缠）。一个粒子随后的状态将会影响另一个粒子的状态，即便它们的距离非常遥远。这种性质能够在对光子、原子甚至更微小的固体物质所进行的实验中得到证实。这也是量子领域中最奇特的方面之一。
波的干涉图形。
哥本哈根解释处理了这种“鬼魅般的超距作用”（爱因斯坦的说法，用来描述他对量子物理整体性质的怀疑），不过其处理方式基本相当于耸耸肩说：“事情就是这样的。”德布罗意–玻姆理论试图做出更进一步的处理，它表示一个系统的波函数没有空间限制，它确实遍及全宇宙。一个粒子的行为总是与其他任何由同一波函数掌控的粒子绑定在一起。
每一件事都会把一个世界拆分成无限多个可能的世界吗？
但是还有另一种理解量子力学的方法：多世界解释，或称埃弗雷特解释。用基本术语来说，多世界理论认为，波函数描述了某物既不“坍塌”也不“引导”粒子的发生概率。相反，所有能够发生的可能事件一定会发生，只不过它们不在同一个世界里发生。
这是一种非常具有挑战性的后设理论：宇宙中的一个电子发生碰撞的每一种可能的结果，每一个光子的折射和衍射，每一种放射衰变，每一个亚原子事件，都衍生出了一个独立的世界，都对应着一种平行的存在，特定世界会产生特定的结果。换句话说，我们所经历的这一瞬间的世界，只不过是这一瞬间所发生的无限可选路径中的一条。
有了类似这样的观点，还有谁能“指责”物理是无聊的呢？
颜色、气味以及复合材料
所有这些对于量子的思考都说能帮助你度过缩小量级时遭遇原子空白的时间。随着我们到达10-15米的量级，我们就可以仔细看看宇宙的一些原始成分了。我们即将近距离接触原子核物理。
在每个原子的中心处，是其原子核。最简单的原子就是一个单独的质子，一个具有正电荷、质量约为电子的1 836倍的粒子。将更多质子放在一起，那么中子的数量自然也会增加。中子，即电中性粒子，它几乎只比质子质量重0.14%。稳定的原子核倾向于有着几乎相同数量的质子和中子。但是总体来说，中子与质子的数量之比，会随着原子核大小的增加而增加。比如，最普遍的稳定元素铁，其原子核拥有30个中子和26个质子。
原子核是个棘手的问题。它们看上去很复杂，质子和中子通过一种原子核力（“强原子力”）“感受”所有其他质子和中子的存在。完整的原子核能够呈现一系列的行为，包括“令人激动的”能态，甚至那些双中子位于主原子核之外的情况，即晕核（halo nuclei）。过去几年里，物理学家给原子核建立的模型包括将它们描述成液态水滴，或者是有着能量外壳的全量子物体（与原子的电子极为相似）。
不同数量的中子可以与拥有同样数量质子的原子核绑定，这导致了同一元素中有差别的原子，即同位素，这一系列原子通常是不稳定的（放射性的）。每一种元素都有36种不同的同位素，元素氙和铯的同位素最多：氙有9种稳定的同位素和27种具有放射性的同位素，而铯有1种稳定的同位素和35种不稳定的同位素。
属于同一元素，但作为不同同位素的原子有类似的化学性质，因为它们分享和交换电子的方式大体相同。但是不同同位素的质量和电子能级的微妙变化，确实会导致一系列可检测到的不同行为。比如，生物通常更倾向于由更轻的同位素构成，最简单的原因就是，更轻的原子活动所需的能量更少。在观察某个环境样本中存在什么样的同位素时，这种倾向性能帮助我们检测生命系统的存在并解密其行为。温度也会对不同同位素的化学反应产生不同的影响。这改变了化合物中的同位素比率，留下了能够延续成百上千年，甚至亿万年的独一无二的特征。
之前游览星系区域时，我们便找到了地球的原子核花园之起源。因为我们的太阳系是星际物质浓缩而成的，所以地球上的所有原子核都有着一段长长的历史，深锁在它们10-15米的区域内。在自然界，恒星中的核聚变所生成的重元素中，最重的是铁元素（稳定的铁元素拥有56个质子和中子）。聚变反应吸收热量，意味着它们所释放的能量不再比开启聚变反应所需的能量多。这使得那些暴烈的超新星，或者古老又巨大的恒星能够形成更重的元素。在这种高能态的环境中，多余的中子和质子实际上能够被迫结合在一起，即使该过程吸收能量而非释放能量。这就是钴、镍、铀甚至钚等元素形成的地方。
我们也发明了形成更大、更重的原子核的方式，比自然界能够形成的还要大。超大原子核非常独特：一个相对稳定的有着非常多质子和中子的小岛，与原子核本身内部的倾向性能级相关。目前最大原子核的纪录持有者是oganesson（之前叫作ununoctium，源自拉丁文的“118”），其质子数为118（中子数176），但它只有890毫秒的半衰期。
