气候与天气是非常复杂的现象（严格来说，气候只是天气的统计数据，是将时间均化后，特定性质可能性的平均值，例如表面温度或冰盖）。我在这里给出了一个相当简化的概述。考虑到由于人类活动导致的气候变化的紧张态势紧急性（这正在发生，这只是物理学，争议免谈），你可能希望能够随时更新信息。可参见：www.noaa.gov/climate，http://climate.nasa.gov，及www.metoffice.gov.uk/climate-guide。
强有力的台风（印度洋或西太平洋）或飓风（东北太平洋或北大西洋）统一被称为热带气旋，它们实在是令人震惊。你会发现科学家们为了转化其中所含的力量，用了各种方法：这样的风暴一天之内的能量就等于几百颗核弹，或者整个人类文明运转几年所需的能量。
太阳光改变了化学这一点可是个大事。光化学不仅对地球很重要，也是整个太阳系及系外会发生的事。有一篇专业性很强，但易于理解的文章：Renyu Hu et al., “Photochemistry in Terrestrial Exoplanet Atmospheres I: Photochemistry Model and Benchmark Cases,” The Astrophysical Journal 761, no. 2 (2012): 166。
我试图找到一种方法，用非常人性化的术语来表达对地球的愿景。于是，“有人类曾从太空看到过我们的世界”的想法一下子击中了我。我知道有很多人写过他们的体验，但我却没有意识到有这么多的回忆和如此的豪言壮语。这些语录公开记录在这里，还有很多很多并未收录在此。我希望这些资料能稍稍丰富一下我们的国家和文化。参见：www.spacequo tations.com/earth.html。
6．生命的法则，未曾停止的探索
你可能会对我在这章谈到意识感到十分诧异。我也没想到。但是我要开始思考我们世界的哪一方面在其量级上最让人震惊。关于生物，例如人类、大象、鸟等，有哪些以前没怎么讨论过的东西能拿出来说说呢？我认为认知、自我认知、科学以及我们称之为意识的东西这些难题是最难以回答的问题。
另一大难题包括地球上所有生命系统是如何互相关联的，不只是现在，还包括过去。这有一点刻板，但如果你从未读过查尔斯·达尔文、阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace）、亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt）和其他作家所写的让我们对进化有所了解的那些作品的话，那么你值得一探究竟。达尔文在线资源非常不错：http://darwin-online.org.uk。你能从在线资源中找到华莱士关于自然选择的很多资源（他甚至考虑过宇宙生物学）。此外，迈克尔·舍默写过一本经典的传记：Michael Shermer, In Darwin's Shadow: The Life and Science of Alfred Russel Wallace: A Biographical Study on the Psychology of History (Oxford, UK, and New York: Oxford University Press, 2002)。要了解洪堡，可参考这本精彩的著作：Andrea Wulf, The Invention of Nature: Alexander von Humboldt's New World (New York: Knopf, 2015)。
生物量的估测十分复杂。你没法在地球表层的每立方米里进行抽样然后数一下有多少生物；你不得不根据某些局部数字、食物和垃圾的通量数据等来进行一些推论。关于森林总生物量的估算，可参考一篇评论文章：Yude Pan et al., “The Structure, Distribution, and Biomass of the World's Forests,” Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics 44 (2013), 593–622。另有一篇论文认为微生物的总生物量数值有大幅下降，从而对估测值进行了修改，该论文为：Jens Kallmeyer et al., “Global Distribution of Microbial Abundance and Biomass in Subseafloor Sediment,” Proceedings of the National Academy of Sciences 109, no. 40 (2012): 16213–16。
在这本书中我需要做的最大决定，可能就是随着我们的旅程来到了地球，我究竟应该从哪开始缩放尺度。避免过去已经提及的那些事似乎十分重要（老生常谈肯定很无聊），此外还要避免有太多来自西方或北半球的偏见。现代人类全都源自非洲，这也是一块有着明显地理和生物多样性的大陆。而非洲大峡谷是如此壮观，在这里，地球的地壳达到了最薄，提醒着我们即使身处于一大群生物之中，我们也仍有危急的时刻。我也喜欢大象。它们特殊又迷人，别样又美丽，需要我们的欣赏与保护。
关于能人与直立人的信息有很多，但有部精彩的论著提出了该领域的最新观点，这就是：Yuval Noah Harari's Sapiens, A Brief History of Humankind (New York: HarperCollins, 2015)。
“生命之树”是现下流行的一种生命分支进化概念模型，这一点可以追溯到达尔文。完全基于化石记录和分类的树版本有其局限性，更现代的系统发育树会更有说服力。两者都会帮助我们得到一幅某物与某物相关的总体图。参见以下在线资源：www.tolweb.org，www.wellcometreeoflife.org/interactive，及tree.opentreeoflife.org。
昆虫的智力与认知是个极其有趣的话题，因为我们与它们如此不同。部分近代研究表明（在我印象中，非常有说服力），黄蜂不仅能够通过“创新”来解决物理问题，而且那些掌握了这一技能的黄蜂还能“教会”其他黄蜂（或至少能够从它们成功的亲属黄蜂那迅速学会）。一旦教会，黄蜂便能够将之作为模板传递给下一代。相当奇特吧！参见：Sylvain Alem et al.,“Associative Mechanisms Allow for Social Learning and Cultural Transmission of String Pulling in an Insect,” PLOS Biology 14, no. 10 (2016): e1002564。
究竟不同物种的大脑能够做些什么？这是个非常难以回答的问题。这一章的图里存有很多不确定性。没关系，这就是科学。
我提到了“偶然性”这一术语。这在进化生物学中有着重要的内涵，尤其是在斯蒂芬·杰·古尔德（Stephen Jay Gould）的著作中。他所有的书都非常有趣且极具吸引力，即使你并不同意他的观点中的某些细节，其中一部著作仍应成为你的必读书目，那就是：Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History (New York: W. W. Norton, 1989)。
7．消失在宇宙背景中的物质碎片
“复杂性”和“复杂系统”已经变成了现代科学术语的重要部分，这当然是有原因的：宇宙充满了复杂性。但复杂性挑战了还原论的倾向，也是我们有待解决的问题。关于这方面有很多著作，某些很流行，某些技术性很强。参见经典著作：James Gleick, Chaos: Making a New Science (New York: Viking Penguin, 1987); Stuart Kauffman, At Home in the Universe: The Search for the Laws of Self-Organization and Complexity (Oxford, UK, and New York: Oxford University Press, 1995)。这项工作的大多成果的研究机构也值得一看，如新墨西哥的圣塔菲研究所（Santa Fe Institute）：www.santafe.edu。
关于微观世界，列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）的作品值得一读，他先驱性地开创了显微术，而且可能是第一批真正看到细菌的人之一，时间大概在15世纪和16世纪早期。
我选择用人类的手来体现生命的粒度，因为它是我们如此亲密的附属物，它的外形对我们而言是如此熟悉。它使得我们能够掌管世界。数学家及知识分子雅可布·布洛诺夫斯基（Jacob Bronowski）曾经说过：“手是思想的利剑。”
人们认为，地球上最早的多细胞生命证据藏匿于距今21亿年前的加蓬化石之内。参见：Abderrazak El Albani et al., “The 2.1 Ga Old Francevillian Biota: Biogenicity, Taphonomy and Biodiversity,” PLOS One 9, no. 6 (2014): e99438。当然了，这只是目前所发现的年代最早的生命。据称多细胞在地球上被“发明”（通过自然选择和环境压力）出来了多达45次。
基础代谢率和生物质量的数学关系令人印象深刻。参见：Geoffrey B. West et al., “A General Model for the Origin of Allometric Scaling Laws in Biology,” Science 276 (1997): 122–126。
比例法则和人类城市也令人惊奇。参见论文：Geoffrey West, “Scaling: The Surprising Mathematics of Life and Civilization.”
虫群和鸟群是迷人的，有些学者通过研究这些，试图了解复杂现象如何从简单规则中产生，了解生命如何学习并适应环境。这种研究领域通常被称之为“群体行为”或“群体动力学”。它通过软件模拟和机器学来进行自检。
蚂蚁群的“最短路径”优化引起了一部分研究，并促使人们以计算或代数方法来解决一些可用图表展现的棘手问题：最短路径就是其解。这真的全都是从研究蚂蚁开始的。参见：J.L. Deneubourg et al., “Probabilistic Behaviour in Ants: A Strategy of Errors?” Journal of Theoretical Biology 105 (1983): 259–271。
在这一章的最后，我提到了“熵”。熵本身就可以自成一书。这一概念与现代物理的核心密切相关，很难掌握，并且仍未被人们完全理解。
8．亚原子世界，开启尺度颠覆之门
关于如何书写这一章，我有好几个选择。一个是向前猛冲，忽略我们在物理上无法像观测更大尺度的东西那样“观测”这些尺度。相反，我选择了另一个方向：直面这些尺度的怪异性，并试图展现向原子过渡的历程。接下来的几章也是如此。
DNA长度的数据可能是这一章最令人震惊的东西了（好吧，几乎和揭露量子世界一样让人震惊）。这个数字十分确定：如果你能够将一条人类的DNA链（超过30亿个核苷酸）以不扭曲、伸直的状态展开，它将会是一条1.8米长的隐形线。所有其他的数字都来自这里，一旦你认可人类身体中约有40万亿细胞的估算（更新、更严谨的估算结果是，该数字超过100万亿，这一数字也经常被引用）。人类DNA的总长度数据令人疯狂，我知道，但这确实如此。
并非所有的细菌都长得一样。我们选择了一种有尾巴、药片形状的细菌，因为这样可能更具视觉冲击力。事实上单细胞组织千奇百怪。
微生物是我们行星的真正掌控者。它们也是我们的真正掌控者。如果你想自寻烦恼（以一种比较好的方式），可以读一读这本著作：Ed Yong, I Contain Multitudes: The Microbes Within Us and a Grander View of Life (New York: HarperCollins, 2016)。
等一下，如果微生物是真正的掌控者，那么病毒是什么？有可能病毒“掌控”在它们之上的微生物，正如微生物掌控我们一样；我们只是很难将病毒定义为“活着”。另一本颇受欢迎的著作是：Carl Zimmer, A Planet of Viruses (Chicago: University of Chicago Press, 2011)。
应该有人写写一位读者关心的核糖体（可能已经有了吧），但我没有遇到过什么好的作品。细胞中的核糖体比RNA加上50个蛋白质还多。这可真是奇特。几年前，佐治亚理工学院的尼克·胡德（Nick Hud）曾在亚特兰大的一个闷热的日子里给我上了一堂速成课，其中有一些好的参考文献，包括他的研究小组的成果：Anton S. Petrov et al., “History of the Ribosome and the Origin of Translation,” Proceedings of the National Academy of Sciences 112, no. 50 (2015): 15396–401。
我提到了物体在微小尺度上的带电的黏性。这提醒了我们，化学全是关于电磁学的。虽然电磁学事实上是由质子交换引发的，但这并不是你在人类尺度所能“看到”的那些质子。
穿过一扇门时你被衍射，是一个古老的物理比喻。我曾在学术界听到一个如何利用这一点虎口脱险的笑话：跳进一个小木屋，站在老虎的衍射图形达到最小的地方。这类故事可以追溯到物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）笔下有趣的教育故事：Mr. Tompkins in Wonderland, published in 1940; a modern collection is Mr. Tompkins in Paperback (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1993, 2012)。汤普金斯（Tompkins）的旅程包括进入原子内部。
为了明确当你以人类的正常大小穿过一扇正常大小的门时，你究竟会被衍射多少，你必须先解决你的德布罗意波长并利用德布罗意等式，你能通过这些来计算你需要怎样的速度才能达到一个明显的衍射量。结果显示，你必须得非常非常慢，速度不超过10-34米每秒。如此一来，你将会花费比宇宙年龄还要长上几万亿倍的时间来通过那扇门。
我经常被问及自然是否能使用其他元素而非碳元素来制造生命。这是有可能的，但是碳元素确实直击要害，我在文中给出了原因。它形成的化合物，反应性和稳定性都相当特殊。
想象一颗碳原子的一生是个很有趣的话题，但也很有挑战性，因为你身体内的任何单个碳原子都有相当多的路径可以选择。在最后，我决定让我们摄取粘在马铃薯上的碳形成的“有机物”。否则，它不得不在形成一颗植物之前经历大气中的另一次循环。
了解恒星制造碳的过程是20世纪天体物理学和核物理学的重要胜利之一。但这也引起了一些关于宇宙“细微调整”的讨论。最近有一篇相当有趣但又很有技术含量的论文，对此做了更进一步的探讨：Fred C. Adams and Evan Grohs, “Stellar Helium Burning in Other Universes: A Solution to the Triple Alpha Fine-Tuning Problem。”
人本原理确实值得讨论。你能找到很多研究这一话题的资源（包括我早先的一本书）。近来的一本是：Martin Rees, Just Six Numbers: The Deep Forces That Shape the Universe (New York: Basic Books, 2000)。
9．难以置信的空洞
在这一章我再次抱怨了宇宙之空，正如第2章一样。物质的原子所占据的空间如此之小，令人震惊。不过当然了，电子占据了原子里的所有空间，但它们只是以概率的方式来占据空间的。
量子力学的本质，及其关于原子和亚原子世界的描述是非常难以传达的。这里我决定尽量诚恳。量子力学可以说是相当成功的架构，然而在根本性质的最佳模型这一部分，它也不是非常明确。我们想用薛定谔的猫的实验来阐述不同的理论解释，但是最终发现理论间的差异不够清晰。两缝，或者说双缝实验却正中目标。
德布罗意–玻姆理论在今日似乎得到了更多关注。这部分是因为某些引人注目的实验性工作。参见：Dylan H. Mahler et al., “Experimental Nonlocal and Surreal Bohmian Trajectories,”Science Advances 2, no. 2 (2016): e1501466。
在多世界解释中，经过双缝实验的电子会被那些平行世界的电子所“冲击”，这一想法来自最近的一些论文。这里的平行世界在某种程度来说是“传统的”，量子效应单纯由于其他世界的相互作用而得以表现，如果你去掉其他世界，就会留下一个非量子的传统世界（这想必也意味着我们玩完了）。参见：Michael J. W. Hall et al., “Quantum Phenomena Modeled by Interactions Between Many Classical Worlds,” Physical Review X 4, no. 4 (2014): 041013。
纠缠和非局域性是个能把你搅得晕头转向的怪物。在此我推荐一部优秀作品：George Musser, Spooky Action at a Distance: The Phenomenon That Reimagines Space and Time—and What It Means for Black Holes, the Big Bang, and Theories of Everything (New York: Scientific American /Farrar, Straus and Giroux, 2016)。
我提到了同位素，因为它让我好奇对我们而言，这样一个性质仍然成谜的基本层级（原子核）究竟是什么。这些原子核一点都不优雅。与此同时，同位素对于我们挖掘宇宙的运作过程十分有用。我会毫不犹豫地引证以下论文：L. G. Santesteban et al., “Application of the Measurement of the Natural Abundance of Stable Isotopes in Viticulture: A Review,” Australian Journal of Grape and Wine Research 21, no. 2 (2015): 157–167。我敢打赌这是这篇文献第一次在书中被这样引用。
你怎样制造超重原子核，比如oganesson,第118号元素？你可以猛击其他重核，期望某些新东西由此产生。方法大抵如此。随着重元素经历了辐射衰减（通常非常迅速），你能找到衰减产物并发现形成了什么东西。
我决定在这一章不要太深入粒子物理，只介绍了夸克、胶子并绘制了粒子族谱。这方面的科学提供了很多好东西，可以追溯到几十年前。我希望保持这样的沉浸感。一路走过这一量级中的丰富多彩的结构，我们能够抓住其中的瞬息流光，但我们必须跳出来。
爱因斯坦的确发表过关于不可理解性（incomprehensibility）的观点，但他的原话并非如此。原始资料中的措辞不太一样（“一说为‘世界的终极谜题即其可理解性’”），参见爱因斯坦的文章：Albert Einstein, “Physics and Reality,” 1936, reprinted in Einstein, Ideas and Opinions (New York: Crown, 1954, 1982)。
10．时空深处的旅程终点
我们面临着两个选择：描述19个量级的未知结构，探讨虚拟粒子，就像在所有量级上所做的事一样；或者跳过其中大部分。我想我们做了正确的决定。但不能掉以轻心。我们只是假设跨越这些微小的尺度有点无聊，但我们并不知道是否如此。
将重点从“粒子和波”转移到“场和量子”，我认为非常重要。由此我们引入了现代物理所使用的数学机制，但它同样（我希望）有助于给我们一种感觉，一种我们正在迈进终极的、最为基本的宇宙的感觉。
一篇优秀的经典读物是理查德· P.费曼的《QED：光和物质的奇异性》：Richard P. Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter (Princeton: Princeton University Press,1986)。他的其他著作与演讲笔记也同样经典。
描述最后的尺度（普朗克10-35米）是个大挑战。老实说，在这里我们可以做几乎任何事，并且行之有效。最终，我对我们的视角所具有的质感及深度非常满意：有节制却又让你的眼睛有一点刺痛。
“量子泡沫”的想法显然来自物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）与他同事查理·米斯纳（Charle Misner）在20世纪50年代中期进行的讨论，参见其论著：John Archibald Wheeler with Kenneth Ford, Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics (New York: W. W. Norton,1998)。尝试测试量子泡沫的特征所带来的成果包括费米实验室的μ介子g-2实验。关于弦理论和其他神秘的超物理学，可读的资源包括：Brian Greene, The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory (New York: W. W. Norton, 1999, 2003)。
这里提供的最后一张信息图是一种描述方法，描述的对象是我们在理解周围的宇宙时用到的“翻译”层，这个“翻译”层由纯数学开始，并逐渐向物理转移。这张图里的方程只是我所选择的最有趣的一部分工具。从这个角度来说，它们反映出了这本书的整体思路：这是一个大大的宇宙，有很多有趣的旅程，而我们只是选择了其中一段而已。
在文章的最后我再次提到了电脑，其实是在暗指人工智能。最新的深度学习系统（有10层“隐藏的”神经网络软件层）正在完成一些我们之前在计算方面从未见过的事。这听上去有点可怕，却又让人心潮澎湃。我们可能正处于思想延伸到生物界限之外的转折点。等待着我们的，将会是一个多么精彩的未来！
致谢
这本书的最初想法来自早先与马兰穆文学社的黛尔德利·马兰（Deirdre Mullane），以及法勒、施特劳斯与吉鲁出版社（Farrar, Straus and Giroux）的阿曼达·木恩的对话。没有他们的热忱与耐心，这本书可能连最初1厘米的尺度都写不下去。
经过最初几轮思考，我们将重点放在了自然世界与其本身的关系上（在尺度、时间和能量等方面）。在结合了复杂性理论、涌现理论和混沌理论的基础上，这本书的视野得以升华。“从几乎所有事到几乎空无一物”成了一段有趣的旅程。能够与罗恩·米勒共事，让我感到十分荣幸，他有着极其高超的插图绘制技巧与想象力，来自5W Infographics公司的塞缪尔·韦拉斯科（Samuel Velasco）与胡安·韦拉斯科（Juan Velasco）也一样有着高超的图表能力。你们所有人一遍又一遍地向我展示了与真正专业的人士一起工作是什么样的感觉。与此同时，我想要感谢FSG小组的所有成员，尤其是乔纳森·利平科特（Jonathan Lippincott）和斯科特·博彻特（Scott Borchert）。另外还要特别感谢安妮·戈特利布（Annie Gottlieb），他用自己的编辑技巧为本书做了无数的改进。
本书的部分章节是我在纽约至东京的长途航班上，以及在日本禅修的许多时刻构思成型的。我要向东京工业大学地球生命科学研究所的所有科学家和工作人员表达敬意，他们为本书的许多部分添砖加瓦。我尤其感谢皮特·胡特（Piet Hut），正因他播下种子，才有了此后发生的所有事，才有了我所期待的在未来结出的果实。
至于其他朋友与同事，包括玛丽·沃伊泰克（Mary Voytek）、弗里茨·佩雷尔斯（Frits Paerels）、戴维·赫尔方（David Helfand）、安博·米勒（Amber Miller）、米歇尔·韦（Michael Way）、纳尔逊·里韦拉（Nelson Rivera）、丹尼尔·萨文（Daniel Savin）、阿林·科罗茨（Arlin Crotts）、福井绫子（Ayako Fukui）、温德尔·威廉斯（Windell Williams）、阿比盖尔·温德尔（Abigail Wendell）、刘易斯·温德尔（Lewis Wendell）、埃里克·戈特黑尔夫（Eric Gotthelf）和费尔南多·卡米洛（Fernando Camilo），感谢你们的支持与鼓励。
最后，一如既往，我要感谢我的家庭成员：邦尼（Bonnie）、莱拉（Laila）、阿梅莉娅（Amelia）和玛丽娜（Marina），感谢你们为我付出的一切。
——凯莱布·沙夫
纽约，2016年
我总是对非常非常大的事物和非常非常小的事物感兴趣：前者可能源于我对天文和太空旅行的兴趣，这种兴趣贯穿了我的一生。后者可能来自刚上映我就看了的电影《奇怪的收缩人》（The Incredible Shrinking Man），但我可能是因为读过一篇亨利·哈赛（Henry Hasse）的短篇小说《他缩小了》而想要去看这部电影，这篇小说颠覆了整个宏观–微观宇宙。我也记得我在小学时废寝忘食地看完的一本书，叫作《通往原子的13步》（The Thirteen Steps to the Atom），这本书通过图片让我从我熟悉的世界一步步进入几乎无限小的世界。同一时期，我发现了经典的《宇宙观》（Cosmic View）一书，我到现在还保留着其最初版本。我记得当查尔斯·埃姆斯和蕾·伊姆斯的《十的次方》在1977年上映时，我看了无数次，甚至根本不清楚到底看了多少回。所以当我有机会给这样一本书配插图时，我立马抓住了这个机会，如果说还有别的理由，那便是因为它提出了一个巨大的挑战。之前我从来没有参与过这样的事。从宇宙边缘缩小到地球，这没问题，毕竟这还是我熟悉的领域。但随着这本书不断深入到极其渺小的量级，我开始探索新的主题、想法和技术。有一个特殊的挑战在于，需要画出那些实际上看不到甚至无法测量的东西。就此而言，这些东西在很多情况下压根儿就没有实体。
这本书也给了我与阿曼达·木恩再次合作的机会，以及第一次与凯莱布·沙夫合作的机会，他的著作让我相当钦佩。更不用说与这本书的优秀团队的其他成员乔纳森·利平科特和斯科特·博彻特的愉快合作了。最后，一如既往地，我要向曾是病人的朱迪斯·米勒脱帽致敬。
——罗恩·米勒
南波士顿，弗吉尼亚，2016年
关于作者
凯莱布·沙夫是《如果，哥白尼错了》与《重力引擎》的作者，以及哥伦比亚天体生物学中心主任。他曾为《纽约客》《纽约时报》《科学美国人》《鹦鹉螺》《自然》等媒体及其他出版社写过文章。现居于纽约。
关于插图
罗恩·米勒是本书的插画作者，其作品曾刊登于《国家地理》《科学美国人》，还有销量最高的手机应用“系外行星之旅”（Journey to Exoplanets），他还为《海底两万里》《地心游记》以及其他多部作品配图。他目前是美国国家航空航天博物馆爱因斯坦天文馆的主任，现居于弗吉尼亚。
