在《伽利略的手指》一书中，作者彼得·阿特金斯借助优美、智慧的语言以及诲人不倦的精神，带领读者逐步走向对科学全貌本质的理解：从进化和复杂性的萌芽到宇宙中一切变化之源——熵；从计量的普遍化——能量，到美学的量化——对称性；以及从现实世界的拓展一宇宙学，到事物相互作用的舞台——耐空。

    在《伽利略的手指》一书中，作者彼得·阿特金斯通过深入浅出的讲解，带领我们逐步领略科学的全貌与本质，深入了解当今十个核心科学思想。无论是你身处其中而不自知的能量，还是一切变化之源——熵，从宇宙学到时空，从DNA到对称，你能接触或想到的人类任何知识，作者都已等在那里，用你能听懂的话讲给你听。

    从未有某个科学家摘得诺贝尔文学奖之桂冠。但现在是时候了——彼得·阿特金斯就是我心目中的候选人，他运用其炉火纯青的文字功底，为我们展示了深奥科学所具有的诗意魅力，其优美的散文赋予我们灵感和活力，以及内心的充实和满足感。
    ——理查德·道金斯，《自私的基因》作者

    彼得·阿特金斯(Peter Atkins)，英国牛津大学化学系教授，并且也是该校林肯学院的特别会员。他是世界著名的多产科普作家，已撰写了20多部书，其中包括影响甚广、知名度颇高的Moiecules和在世界范围内广被采用的教科书Physlcal Chemistry。

第1章  进化  复杂性的萌芽
第2章  DNA  生物学的理性化
第3章  能量  计量的普遍化
第4章  熵  变化发生的源泉
第5章  原子  物质的产生
第6章  对称  美的量化
第7章  量子  认识的简化
第8章  宇宙  真实的纵览
第9章  时空  互作用的舞台
第10章  数学  理性的局限
后记  认识的未来
索引
译后记

    为什么我们选择伽利略的手指呢？因为伽利略标志着科学史上的一个转折点，即从那时起科学探索开始朝着一个新的方向转变，而“科学家们”——当然，这个词用来指代当时的研究者其实并不恰当——则从先前的“摇椅式”空想中解脱出来，并对先前囿于权威的各种探求世界本质的方法的有效性提出质疑，从而在通往现代科学的道路上迈出了蹒跚的第一步。在此过程中他们摒弃了没有实证的所谓权威，但他们并没有完全放弃那些“不着边际”的猜想和内心沉思，而使其与可公开验证的实验观察方法进行有机的结合，并共同铸就了一个新兴的、强有力的联合体系。上述体系所体现的伽利略的思想已“染指”目前的所有科学领域：在首先激发出这种思想的物理学中可以看到，在19世纪初的化学中也开始显现，同样在生物学中也可以看到它的身影，尤其在19世纪和20世纪，生物学已不仅仅是一门“展示”大千奇观的学科的时候。
    简而言之，本书赞扬了伽利略的具有象征意义的“手指”在揭示真理方面的有效性。尽管其生理意义上的手指被收藏在博物馆里，但是伽利略的实证技巧却传了下来并且发扬光大，这也透射出了个人的短暂存在与知识的永恒不灭这一道理。因此，伽利略的手指代表了“具有科学性的方法”这个模糊的概念。他不是唯一的或第一个提出这种获取新知方法的人，但是他是历史上提出这种实证思想的举足轻重的人，因此把他作为实证思想的代言人也在情理之中。这种可以探索真理的神奇有效的方法中的一个方面就是强调了实验的核心性，从而将真正的科学与其主要对手——即那些令人印象深刻但也是极其无用的空想的表述划清了界限。深入研究领域并在严格控制条件的情况下所做的实验观察极大地避免了我们认识的主观性，并且在原则上使得实验观察可以面对大众的监督。
    伽利略还发展了科学简化法，即将问题的本质剥离出来的方法，其思想之光穿透了在现实事件中笼罩在事物本质上面的乌云。这种对复杂问题的简化处理，即从复杂性中看到了简单性，恰恰像伽利略通过他自制的望远镜从“简单”的天穹中看到其复杂性一样。他把在泥泞中前行的吱嘎作响的小车（具体的现实生活事件）放在一边，取而代之的是研究从斜面上滚下的小球（抽象的一般的事件）这种简单的状态，或是从高点落下的钟摆的摆动状态。从现实中喧嚣和杂乱无章的事件中剥离出事物的一般本质是科学方法的关键部分。科学家往往能够从牡蛎中发现珍珠，从皇冠中发现宝石。
    当然有些人认为这种简化法存在缺陷。他们宣称，真正的认识来源于对喧嚣的现实事件的深入理解，比如小车的停滞不前，情人悲伤，云雀冲天等，并且认为科学家们将蝴蝶作为对象去研究其机制是对认识的抹杀。这种异议虽然不太合理，不过我们应正确地看待它，而不能将其完全抛弃。大多数科学家认为，作为人，情感只是我们与周围世界发生互动的一个极其重要的因素，而只有少数科学家认为这种情感因素是发现真理的可靠途径。他们喜欢解析令人惊愕的复杂性问题，通过将问题化整为零，然后再重新组合起来，尽可能去逐步深入地获得理解。他们通过研究斜面上小球的运动来获得对山坡上的小车的运动的理解；通过研究钟摆运动来更好地理解运动员腿部的摆动机理。反对者则对这种研究方法提出质疑，他们疾呼，对声音振动的物理学理解并不能阐明音乐的美感，且将一曲交响乐分割为一组单个的音符会破坏对其完整性的理解。
    科学家则回应，我们首先应该理解单个音符的本质，然后再去理解为什么有些和音令人愉悦，有些则如梦魇，而后——可能用不了多长时间——再尝试着去理解一段乐曲所产生的心理和艺术效应。科学的目标是获得对事物本质及其发展规律的详尽的认识，当然科学家们也从不会忘记追求这个终极目标，更不会因为失去耐心而半途而废。至于科学家们是否明白我们认识世界身心与共的快乐，是否理解哲学家、艺术家、预言家以及神学家各自领域的重大问题，都是无关紧要的，我们只知道伽利略改进的简化方法非常重要。
    说到伟大的思想，我想它应该是一种内含和外延皆极其丰富的简单概念，它好比橡子，能生长成枝繁叶茂的可用之材；它又如蜘蛛，能通过来回盘旋织成大网然后享用盛宴。总之，思想能够产生理论，从而可以阐释事物的本质及其发展规律，同样它也能够用于指导实践。
    科学史上存在诸多璀璨的思想，但我们不能奢望对其一一进行探讨，因此在这里我不得不有所选择。毫无疑问，其他人或许可以选择别的“超级蜘蛛”来获取科学思想中的其他肉肥味美的“猎物”，但本书所罗列的就是我的选择。
    我的关注点集中于科学思想而非实际应用。我只写了很少一部分有关黑洞和星际旅行的东西，而且几乎没有写——除了在经过认真考虑后的结语中——诸如我们正处于信息技术和计算科学大行其道的年代中，正经历着科技对生活的巨大推动这种程式化的叙述。我的目的是理出能够为技术进步指明方向，或在大多数情况下能够为技术的进步提供理论基础的那些思想。继承了伽利略学术思想的想象力丰富的科学家——弗里曼·戴森，将理论驱动型科学与技术驱动型科学作了区分。
    我所考虑的几乎都是理论驱动型科学。在上述分类中，戴森呼应了另外一个著名的思想家——弗朗西斯·培根。培根把思想分为两种：一种是fructifera，即带来果实的使者（引申为面向实践）；另一种为lucifera，即带来光明的使者（引申为启迪智慧）。我则专注于后者。对于分子生物学和DNA结构的发现，到底是lucifera还是fructifera，是理论驱动型科学还是技术驱动型科学，以及是否应该将其纳入本书的讲述范围尚存在争论。不过在上述每种情况中我倾向于选择前者，因为在生物学领域中，没有任何发现能够像DNA结构的发现那样极大地拓展了我们对生物学的理解和应用，因此把它排除在外无疑是十分荒谬的。也许将lucifera和fructifera完全割裂开来是不切实际的，在分子生物学中我们将会看到lucifera和fructifera在盛况空前的科学体系中的完美融合。
    科学阐释不同于小说阅读，因为小说中的事件往往是以简单的线性方式展开的。要理解一个科学思想，你首先应该快读一遍，跳过文中那些较难理解或太乏味（但愿本书不会如此）的部分。诚然，尽管我认为文章的铺展有其正常的顺序，比如从晦涩迷离的基础原理开始，逐步攀升而看到熟悉事物的曙光；或者由熟悉的事物开始挖掘而揭开更深层次的原理（我采用后一种叙述方式），但是由于本书各章之间或多或少是相对独立的，因此读者可以按照任意顺序去阅读。
    还需要谨记一点：科学方法的抽象化塑造了现代科学。抽象化是伽利略手指的另一个重要方面，我们应该对其在现代科学中扮演的角色及其重要性有所觉察。首先，抽象法并不意味着没有价值，事实上它能够产生巨大的实际效应，因为它可以指出我们原本意想不到的现象之间的联系，并且使源于某个领域的思想可以举一反三地应用到其他领域中去。最重要的是，抽象法使我们能够站在一系列实验观察的结果背后，以一个更广阔的的视角来看待它们。科学史上或阅读科学史时，一个最令人赞叹的“我发现了！”时刻是一种类似科特斯(Cortez-like)的体验，即发现一些海洋能够合并为统一的整体，并由此认识到先前看起来不同的现象之间所存在的内在联系。我的目的是带领本书读者攀上科学的制高点，去领略令人快慰的科学思想的融合，并且随着旅行的深入，我们将逐步揭开更伟大的抽象性，并体会其中的乐趣。因此，我将从猴子和豌豆开始叙述，然后是原子，再过渡到对称美，而后是时空，最后在对数学那种令人敬畏的抽象性的颂歌中达到高潮。如果你是按照章节的编排顺序进行阅读的话，那么你就会发现你对已读部分的理解逐章深入。
    我们即将启程踏上充满挑战但同时会带给你深深的满足感的奇妙科学旅程。科学是文艺复兴精神的典范，而文艺复兴是对人类灵魂解放和貌似微不足道的人类大脑的思想力量的极好的注解。我期待着能够随着这趟旅程，小心翼翼地引领读者到达认识的极致，届时你将会感受到只有科学才能带给你启迪的无穷乐趣。

    有这样一本书，如果你在茶余饭后随手翻阅，你会为科学的某个方面而激动：如果你有足够的耐心和勇气，或在琐碎的时间里逐章品味，或沏上一杯清茶一气读完，无以复加的感动和震颤将会涌上心头——无论你将她看作生物的进化史、物理的革新史、字宙的演化史、化学的编年史、数学的断代史；还是观念的变迁史、思维的抽象史、知识的嬗变史、科学的思想史。科学在这里已经不是单纯的指代名词，她囊括了你能想象的一切；她就如同永不消逝的圣光，指引着愚昧的人在渺小的时间尺度上保持着矜持和自信，勇敢地叩问自心，探究世界，执着地披荆斩棘，一如既往地前行。作为理性的典范。她犹如第二位上帝，将弱小的人笼罩在宗教般的辉光中，让他们充满了无穷的精神力量，——这就是《伽利略的手指》能够给予我们的。
    尽管作者在书中已经一再强调，这里我们依然有必要重复：看到本书的目录时，千万不要被貌似庞杂和晦涩的内容吓倒。如果你就此放弃，你将错过了一处满目繁花的理性的花园。一次与科学、与理性、与人内心的孱弱和强大面对面交流的机会：如果你能鼓起勇气继续读下去，等待着你的将是一场无与伦比的科学的盛宴，数轮极具挑战的头脑风暴，以及许许多多对科学理念颠覆性的认识。
    我们将随着作者的生花之笔遍览科学的胜景，科学在此如一泓碧泉，已无层次之分：不同的领域融会贯通，共同汇成了人类恢宏的思想以及螺旋上升般认识的层层变迁。我们就在作者的引导下，或驻足远观其思想的轮廓，撷取片叶品味：或大步流星地穿越重门与认识相拥，坐拥繁花满地。
    我们从生物学。从熟知的生物的进化开始。久久囹国于高楼水泥中的我们被妙曼的大自然当头一棒，这是回归自然回归大地，并且在寻根溯源中的心灵的颤动。自然选择作为生物进化的准则，不仅仅为人类的反省打开了理性之窗，也将生命置于科学的解剖台，驱去几千年来的种种神秘。我们将乘着理性的飞毯，越过重重真实与抽象的高山。在科学的大地上寻觅如岩石般充满质感的真理。
    生命在广袤的大地上何以生生不息？从孟德尔的豌豆杂交实验到多利羊的诞生，遗传学的发展把上帝之手赋予人类，上世纪最伟大的科学发现之一——DNA的发现一举将分子生物学推进到新的纪元：洞悉了DNA，也就明察了生物的灵魂，包括我们人类自身。这时，我们将在分子的基础上重新认识自己。科学的力量让造物主黯然失色。
    但我们依然不满足，为何分子能够充满活力，从而造就充满活力的大自然？我们把目光投向能量。分子运动的原料。从此刻开始，我们推开基础物理的大门，能量借科学之名出现于理性的舞台。与此同时，我们的思维正不知不觉地从现象步入抽象，并且随着讨论的继续，我们将翻越越来越高的抽象的山峰，但是，也慢慢逼近现实背后的本质。 我们都知道能量守恒定律，但是不同性质的能量（热能、势能、动能等）没有任何本质区别吗？在能量守恒的过程中，真的没有什么发生变化吗？什么驱使能量在不同的状态间转变？这时，熵作为热力学第二定律的核心给出令人信服的答案。热力学第二定律告诉我们，宇宙中的总熵是不停增加的，即宇宙永远朝着越来越混乱的状态发展。我们终于能够理解无论是简单如咖啡冷却还是复杂如生老病死等现象。但是，疑问接踵而来，既然熵会不断搅乱我们的世界，那么日益精致复杂的人类社会，诗歌绘画雕塑如是如何产生的呢？以宇宙的衰亡为大背景，熵和引力之间的暧昧关系又是怎么回事？ 暂且放下这些疑问，我们从抽象的能量、熵中全身而退，深入分子，一头扎进物质世界更加基础的原子中去。人类对物质本源的兴趣与生俱来。从两千多年前到现在，执着的追求从未停歇。特别是近两百年以来，突破性的发现接踵而至。对我们尚还孱弱的灵魂，恍若隔世。年轻的物理学家还在为自己新的发现雀跃，蓦然回首却发现已经落后于主流。元素周期表和原子结构的发现相映成趣，后者紧随前者，为元素周期表的排列奠定了坚实的理论基础。但是，不能不提到的是，直到半个多世纪后扫描隧道显微镜的发明，人类才第一次真真切切地“看”到了单个原子。 然后，我们又一次从物质回归到抽象，这次是与基本粒子息息相关的对称问题。虽然人类的想象力无穷，可是由于对称的存在，图案在平面上的排列方式变得寥寥可数，对称限制了美；也是因为对称的原因。s轨道和p轨道电子的能量有微小差异，同一轨道不能容纳两个以上电子，同一轨道的电子的自旋必须成对，这些制约因素导致了性质各异的原子的出现，从而组成我们大干世界。不仅仅是原子，甚至四种基本作用力（万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力）在极高能量下是完全相同的。只是因为能量的降低，出现对称破缺。从而逐步分道扬镳，变成四种截然不同的力。但是，要在实验上验证这一理论需要无穷大的能量，这是人类永远也无法企及的。理论与实验的壕沟越来越大，会不会有一天，虽然理论预测与当前的一切完美吻合，可就是无法被实验证实，那个时候，科学还能称之为科学吗？ 仅仅浅尝辄止地了解物质的基本结构不是我们的终极目标，无数的艰难险阻等待着我们。只有当我们理解了微观世界的运行机制，也才有一点点权力声称我们对微观世界略微知晓。这时，量子成为我们永远也无法回避的话题。不同的理论有不同的特征常数，比如热力学中的玻尔兹曼常数、相对论中的光速、量子物理的特征常数是普朗克常数——一个小得我们无法想象的数。描述量子世界的量子力学的建立波澜壮阔，诸多轶闻故事至今人们还津津乐道。但是接受量子力学的代价也是苦涩的，我们不得不抛弃习以为常但是陈腐的观念，比如我们只能知道一个粒子所处位置的概率信息而无法绝对定位，比如我们不能同时得知粒子的动量和位置。固执的爱因斯坦对量子力学深恶痛绝，认为“上帝是不会掷骰子的”，可是一次次实验都向世人宣告量子力学的完备性和正确性。巨人已老去，但是阵痛依然会伴随着观念的变迁深入骨髓。 接着，我们再一次从抽象重回现实的物质世界，像坐过山车一样从最细微的原子、电子飞跃到浩渺的宇宙。在对字宙一次次重新认识的过程中，人类的地位愈见卑微；然而我们这些微不足道的人却可以触摸到造物主的思想。这让我们足够自信自豪地继续我们的探究。这里，我们将纵览宇宙演化的恢弘长卷，从字宙大爆炸的一瞬间基本粒子在致密至热的空间自由驰骋，到原初物质核子的形成；从核子邂逅形成原子核以及不断充实披上层层电子的霓虹羽衣，到大量氢氦云团凝聚为不同质量的恒星：从瞬间灿烂的超新星爆炸到新的核素散布空间重新组成恒星：从百万亿年后恒星形成时期的完结到黑洞的消亡。虽然我们能够自豪地勾勒出宇宙诞生乃至未来的图景，但我们对宇宙的认识依旧只是皮毛，视界、平坦性、暗能量、磁单极以及更深层次的字宙的不对称性和三维性问题俨然摆在我们面前。 当我们还在宇宙的“新大陆”上畅想，时间如同无形的鞭绳将我们抽醒，开始与空间一道在更为抽象的时空中调侃我们幼稚的思想。人类以不竭的智慧为红娘，历经几千年的努力，终于令时空在四维联姻。作为一个整体出现。对于时间、空间、质量、引力、几何的理解，从未如此简洁明了，在爱因斯坦的引导下，我们终于明白质量扭曲时空。引力表现时空几何结构。可谓叹为观止的成就。 最后，我们的旅途终于到达高潮，一个绝对的抽象世界，纯粹的、显然的、不存在实体的抽象——数学。我们目睹了逻辑妄图鲸吞数学却将自己胀得漏洞百出，而数学哲学也被希尔伯特的最重要的两个难题击中要害。哥德尔以惊人的智慧，将数学命题与素数联系到一起。并以此为光芒，毫不留情地将数学的不完备性暴露于阳光下。但是，这并非数学的末日，以此为契机将引导人们更加深刻地去认识数学的本质，追究数学与人类大脑的关系。我们听到窃窃私语道数学乃世界的深层结构，包括物理在内的其他科学仅仅是她的化身。如果确实如此，我们便无暇顾及数学的自洽与否，我们深深沉浸于无以复加的感动之中——为我们能够感知，借助科学的伟力感知万事万物！ 毫无疑问，这不仅是一部关于科学的翘楚之作，也是一部波澜壮阔的文学作品，其优美程度甚至不亚于任何经典之作。虽然我们已经尽力保持原作的风格，但是还是建议读者最好能够对照英文读下去，这样一方面有助于更加深刻地理解作者的思想，一方面可以领略文学性与科学性的完美结合。后者至少证明：科学在保持其严谨性的同时，在文字上亦可以做到环环相套、丝丝入扣，美丽优雅且严格。我们无需赘述，大家在字里行间自然领略得到如歌如诗般的科学的思想史，以及戴着科学的脚镣起舞的感觉。 以科学之名，追逐理性，革新思想，以至无极。