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. 引言
科学家们在不时地作出一些永远改变世界的发现。没有人想回到没有麻醉就做手术的日子、没有电的黑夜和没有电脑的生活。 科学发现让我们看清了人类世界所面临的危险，如小行星和气候变化，并给了我们防御这些灾害的手段。科学也解答了一些不可思议的问题，如时空的起源、地球生命的起源，以及粒子之间的相互作用如何决定了物质的行为。所有这些突破都来自科学家的天才和努力。有些突破是多年研究的成果，有些突破则是偶然的发现，如抗生素的发现和大爆炸理论的证据。这些“意外发现”证明了并无预设目标的蓝天研究（blue-sky research）的价值。 本书选取了人类历史上最重要的100个科学发现，它们塑造了我们的世界，并让我们一窥宇宙的全貌。本书将按照年代顺序介绍这些发现，从最基础的计数开始，最后以2010年合成生命的成功创造收尾。 有些突破各位可能都听说过，如激光、抗菌防腐剂和冰期的发现。还有一些突破可能对你们来说很新奇，例如纳维-斯托克斯方程和富勒烯。纳维-斯托克斯方程是流体力学的核心，而富勒烯是新型碳，具有非凡的工程特性。本书也囊括了最“热门”的发现，它们对人类知识作出了重大贡献，如相对论、量子理论、计算机和进化论。 但或许其中最大的突破是科学方法，即提出理论并设计实验进行验证的方法。11世纪时，伊拉克科学家海什木首先提出了科学方法。正因有了科学方法这个简单的前提，才有了之后一切的发展和突破。 未来会怎样？ 科学在不断发展，今后还会有更多新的发现。例如，天文学家正在寻找太阳系外行星上的生命。我们明白了地球并非宇宙中唯一的生命包容所，因而改变了对生命、宗教以及人类作为一个社会整体如何行事的看法。按照研究发展的速度，外星生命如果存在，那么我们可能会在未来几十年内发现他们。其他研究人员正在利用量子理论的定律打造计算机，来完成现在的“经典”计算机不可能完成的任务。量子计算机可以破解“经典”计算机难以理解的代码，搜索速度快如闪电，甚至能够通过改变处理信息的方式来改变银行的业务方式。理论家认为，这些计算机的强劲性能源于对平行宇宙中自身副本的利用。科学家已经在实验室中制造出了原型量子计算机，并预计不出20年就会出现台式量子计算机。 同时，物理学家正在努力寻求可能的最重要的突破：引力量子理论。爱因斯坦的广义相对论（人类现有最好的引力理论）与现代量子理论互不相容，后者是研究亚原子粒子的物理学分支。然而，阐述宇宙起源的大爆炸理论，必然需要引力的量子描述。因此，如果能推导出正确的引力量子理论，这将是一大进步，我们从而可将引力和其他基本力（电磁力、强相互作用和弱相互作用）统一起来，得出一个“万用理论”。 水晶球 当然，未来最令人振奋的发现将是那些我们无法预测的。例如2010年，科学家在美国加利福尼亚州的一个湖泊中，发现了能依靠砷元素生长壮大的细菌，而砷对其他已知的生命形态来说都是有毒物质。至本书写作时为止，所有生命形态都是基于六种化学元素——氢、碳、氧、氮、硫和磷。但这些细菌却用砷代替了其他生物体内的磷。如果地球上的生命都有这样的多样性，那么我们也就没有理由非要在其他世界寻找跟地球上一样的生命形态了。 有些发展，人们已经有所预见，但并不知道它们具体会带来怎样的影响。未来学家雷·库兹韦尔认为人工智能，即致力于模仿人类决策和思维能力的计算机，便是如此。他表示，计算机智能超越人类智能后，它们就会不断重新设计自己，直至其智能提升速度接近无穷大。库兹韦尔称这种状态为“奇点”，这个词最早是由科幻作家弗农·维格创造的。如果奇点存在，那么奇点来临后的生命会是什么样的呢？谁也不知道答案。但库兹韦尔相信，奇点会在21世纪结束前降临。 这就是未来。尽管还有许多突破尚未到来，但我想各位势必都会认同，今天的科学已经是基于一些了不起的成就之上了。愿各位能享受阅读这些科学发现的乐趣。 定义 发展出数字的概念，并运用数字标记实际数量、记录价值 发现 列朋波骨（Lebombo Bone）大约出现在公元前3.5万年，骨片上有用来计数的刻痕，是最早的计数证据 突破 石器时代的人类懂得了用无生命的物体来代替最基本的手指计数 意义 对计时、财务和早期数学等有重大意义，并最终影响了科学的未来
不论是要计算出总共卖出了多少面包，还是要计算摩天大楼整体结构的重量分布，学习如何计数绝对是人类历史中的重大进步。没有计数，就不可能有现代文明。人类思维的这一进步发生在距今约3.7万年前。 很早以前，人类的所有计数能力可以用两个词语概括：“一个”和“许多”。但在石器时代的某一时期，情况发生了变化，早期人类终于有能力准确计量并记录大数字。 科学家之所以能够了解到这一点，还要归功于20世纪70年代在非洲一个岩洞中发现的一件文物。这件文物出土于南非和斯威士兰之间的列朋波山脉，因而被叫做列朋波骨。这块骨头是狒狒的一块小腿骨，这本身并不奇特，激起考古学家兴趣的是骨头上的29道刻痕。几乎可以肯定的是，这些刻痕是计数符号，骨片的主人当时用它来记录某个东西的数量。不过，究竟是什么东西就不得而知了。 南非金伯利的麦克格雷戈博物馆的考古学家彼得·博蒙特（Peter Beaumont）指出，列朋波骨让人想起日历棍，纳米比亚的有些族落至今仍然用日历棍来记录度过的日子。实际上，29非常接近阴历月份的天数。列朋波骨的年代后来确定约为公元前3.5万年。不管它的确切用途是什么，很多历史学家都认为它是世界上已知的最古老的数学文物。 世界其他地区也发现了类似的计数棍。1937年，一位考古学家在捷克斯洛伐克的摩拉维亚发现了一根有刻痕的狼骨。骨头上一共有55道刻痕，每5道刻痕一组。一般认为这根狼骨的年代约为3万年以前。 上图：买卖代币，伊朗，公元前3500年至公元前3100年。这些刻有图案的“硬币”是最古老的一种货币形式。随着商贸活动的增加，贸易文化产生了标准的书写符号来表示更大的数字。
更复杂的计数 在刚果民主共和国伊桑戈（Ishango）附近一处考古现场发掘出的一根计数棍，引起了人们的特别兴趣。这根骨头被称为伊桑戈骨，它和列朋波骨一样，也是狒狒的一块小腿骨，整根骨头上面按顺序刻着纹印。不过，伊桑戈骨上的刻痕要复杂得多，不仅仅是简单的计数。 伊桑戈骨上的刻痕分为三列，每列又分为若干组。中间一列先是三个刻痕组成的一组刻痕，紧接着是六个刻痕的一组，然后又是四个刻痕的一组，紧接着是八个刻痕的一组（第一组和第三组的刻痕数各自乘以2）；接着是十个刻痕的一组，然后是五个刻痕的一组（第一组除以2）。这一列的刻痕似乎说明骨头的拥有者知道乘法和除法。 左边一列和右边一列的刻痕都分成了四组，每组皆为奇数，两边所有的数字加起来是60。左边一列的所有数字（11，13，17，19）都是质数，即只能被自己和1整除的数字。而右边一列的所有数字（11，21，19，9）都遵循10±1和20±1的规则。伊桑戈骨大约出现在两万年前。 如果一个人不用累加的方法，而是采用二进制进行手指计数，可以算到1023这么大的数字。
十进制 当然，简单的累加计数不是记录大数字的最佳办法，任何想用十指计算10以上数字的人对此都应深有体会。现代计数系统用高数位和低数位组合的方法解决了这一问题。例如，我们的系统使用个、十、百等，每个数位的数字由0至9中的一个数字表示。因为这种系统中共有10个基本数字，所以称为十进制。我们可以用这种系统很简洁地写出126这样的大数字，而不需要写一长串的1（也可能用9的累加，共写14组，这样不会那么长，但还是很麻烦）。 也有其他的进制系统。最简单的是二进制，这种方法只使用0和1两个数字，但比简单累加的效率高得多。事实上，如果一个人不用累加的方法，而是采用二进制进行手指计数，可以算到1023这么大的数字。公元前4世纪至公元前2世纪，印度人发明了二进制。由于0和1很容易在电子转换中表示，因此现在的所有计算机和计算器都采用二进制。 60秒 现代计算器的鼻祖是算盘，算盘是古苏美尔人（其居住地位于现在伊拉克）约在公元前2700年发明的计算工具。古苏美尔人和古巴比伦人，开创了世界上首批先进的计数系统。 巴比伦人采用了逢六十进一的数字系统，也就是六十进制。如果觉得不太好理解，那么请再仔细想想，正是有了这种系统，我们才有了今天时-分-秒的计时系统。六十进制也用于几何，圆的内角分为360度，每度又分为60弧分，每弧分又分为60弧秒。 这种系统对巴比伦人很有用，因为巴比伦人研究天文，需要一种可靠的方法记录天体在天球上的角度。而推动世界其他地方早期计数发展的多是日常活动，包括计时、航海，以及可能最重要的——交易以及正式商贸活动的萌芽。 上图：古美索不达米亚的每个帝国都有自己精密的计数系统。图为伊拉克出土的石灰岩库存记录板，年代为公元前四世纪。每部分表示不同的货品，三角形凹陷则代表货品的数量。
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