第6章　鴨子為什麼不會腳冷—原子之舞

鹽和糖的真面目


　　鹽是一種再平凡不過的商品，它總是默默待在櫥櫃裡，從來不會成為人們關注的焦點。不過，如果你有機會近距離觀察一撮鹽粒，尤其是在明亮的光線下，你會發現它簡直熠熠生輝。你湊得越近，鹽的反光就越強烈。要是再有一個放大鏡，你會看到鹽粒的形狀也是有規則的，它的表面幾乎沒有任何凸起。每一粒鹽都是一個美麗的立方體，表面光滑平坦，邊長約半公釐。這就是它閃耀的原因。
　　這樣的表面會像鏡子一樣反射光線，如果在光下移動這撮鹽，你的眼睛就會看到來自不同鹽粒的反射光。鹽罐子裡平凡無奇的調味料實際上由無數微型雕塑組成，每座雕塑的形狀都一模一樣。這不是製鹽者有意為之的結果——鹽會自然地形成規整的形狀，我們從中看到了關於物質結構的蛛絲馬跡。
　　鹽的化學成分是氯化鈉，這種化合物擁有等量的鈉離子和氯離子。1你可以把它們看成大小各異的球——氯離子的直徑差不多是鈉離子的2倍。在鹽成形的過程中，每個離子都會在特定結構中擁有一個固定的位置。
　　你一定見過超市裡的盒裝雞蛋，氯離子就像盒子裡的雞蛋一樣整齊地排列成行，形成一張立體的網格，較小的鈉離子就嵌在網格內的空間中。在這裡，每個離子周圍都會有6個不同類型的離子。鹽晶體就是這樣一張巨大的立體網格，網格的每一條邊都由數百萬個原子組成。這種晶體總是一層一層的，立方體的各個面始終保持平整。在原子的層面上，每種元素各安其位，完美無瑕。每個立方體的每一個平面都會像鏡子一樣反光。
　　我們看不到單個原子，卻能看到它們組成的結構體現出來的樣子。鹽的整個晶體就是同一個模式不斷地自我重複而形成的。鹽非常簡單，無論大小，鹽粒內部的結構總是相同的。鹽晶體光滑的反光表面之所以會存在，是因為在這套精確的網格系統中，每個原子必須出現在固定的位置。
　　糖也是這樣的。近距離觀察糖的晶體(尤其是顆粒較大的砂糖)，你會看到更加美麗的景象。糖晶體是十二面體。糖分子由45個不同的原子組成，每個原子都有固定的排列方式。糖分子都長得一模一樣，每一個糖分子都是晶體結構中的一塊磚，不過這些磚塊本身的形狀非常複雜。和簡單的鹽晶體一樣，糖分子也會以唯一特定的模式堆疊起來形成網格。我們同樣看不到組成糖的原子，卻能看到它們內在的模式，因為整個糖晶體是由同一個模式不斷自我重複而形成的分子構建的一座摩天大樓。其表面也會像鏡子一樣反光，所以糖和鹽一樣晶瑩閃亮。
　　麵粉、白米和香料粉沒有這麼閃耀，因為它們的結構要複雜得多。這些食材由許多活生生的微型工廠組成，這些小工廠就是細胞。糖晶體和鹽晶體之所以擁有平坦的表面，是因為它們結構單一，千千萬萬個原子以固定的模式排好即可。這兩種物質的每一層都是對其他層的完美重複。當你舀起一勺糖放進茶裡的時候，它的閃光總會提醒你這一點。





花粉和愛因斯坦


　　雖然無法直接看見原子，但我們能看到微觀世界發生的事如何對我們的生活產生影響。不過首先，你得相信原子真的存在。
　　如今，我們覺得原子的存在天經地義。所有事物都由物質微粒組成，這個概念並不複雜，而且聽起來很有道理，我們從小就一直聽人這麼說。但是，沿著歷史的長河回溯，你會發現，就連1900年的科學界都沒有完全確認原子的存在。那時候，攝影、電話和無線電的誕生已經拉開了技術時代的大幕，但「物質」到底由什麼組成，人們仍未得出確定的結論。對很多科學家來說，原子的概念聽起來很有道理。化學家早已發現，不同的元素似乎總是以特定的比例發生反應，如果從原子理論的角度去理解(比如，形成一個分子總是需要一個A原子和兩個B原子)，那麼這個問題就有了合理的解釋。但總有人有所疑慮：你該如何確認這麼小的東西真的存在呢？
　　幾十年後的一句名言完美地概括了科學發現的典型過程，這句話出自科幻作家艾薩克·阿西莫夫(Isaac Asimov)筆下：「在科學界，最激動人心的一句話，最有可能通往新發現的一句話，並不是『我知道了』，而是『唔……這很有趣……』」原子的發現完美地印證了這句話，不過這個過程花費了差不多80年。
　　我們從1927年開始講起，當時一位名叫羅伯·布朗(Robert Brown)的植物學家正通過顯微鏡觀察懸浮在水中的花粉。有一些極小的微粒從花粉上脫落下來，這差不多是古往今來的光學顯微鏡能觀察到的最小的東西。羅伯特·布朗發現，儘管水幾乎完全靜止，但這些微粒仍會在水中振動。起初他覺得這些微粒是活的，但是不久後他又在無生命的物質上觀察到了同樣的現象。這很奇怪，布朗找不到合理的解釋，但他記錄下了這件事。隨後的幾十年裡，又有很多人觀察到了同樣的現象。這種奇怪的振動被稱為「布朗運動」。它永遠不會停止，而且只有最小的微粒才會表現出這種性質。人們提出了各式各樣的假說，但誰也沒有真正解開謎團。
　　1905年，瑞士的一位專利局職員以自己的博士畢業論文為基礎發表了一篇新論文。此人就是大名鼎鼎的愛因斯坦。他最廣為人知的成就當然是他對時空特性的研究，也就是狹義相對論和廣義相對論。但他博士論文的主題是用液體測定分子的大小。在1905年至1908年，愛因斯坦為布朗運動做出了嚴謹的數學解釋。
　　他提出了一個假說：液體由大量分子組成，而且這些分子總在不斷地發生碰撞。根據愛因斯坦的理論，液體是一種無固定結構、動態變化的物質，液體分子時時刻刻都在彼此碰撞，每一次碰撞都會讓分子的速度和方向發生變化。那麼，如果液體中出現了一種比分子大得多的粒子，它會遭遇什麼？顯然，較大的粒子會受到更多粒子的撞擊。由於這些碰撞完全是隨機的，所以有時候粒子某個側面遭到的碰撞更加猛烈，於是它會向相反的方向移動一點點。緊接著，如果向上的隨機碰撞超過了向下的碰撞，粒子又會向上移動一點。因此，大粒子的振動背後是成千上萬個小得多的分子的碰撞。羅伯·布朗看不到這些分子，但能看到較大的花粉微粒。愛因斯坦的描述完全吻合布朗的觀察結果。既然如此，那麼液體的確由大量不斷碰撞的分子組成，單個的物質小團(原子)也必然存在。更棒的是，愛因斯坦還根據人眼觀察到的振動預測了原子的大小。
　　1908年，法國物理學家尚·佩蘭(Jean Perrin)通過實驗進一步驗證了愛因斯坦的理論，他提供的新證據徹底堵住了懷疑者的嘴巴。世界的確由無數微小的原子組成，這些原子總在不停地振動。這兩個發現互為表裡，密不可分。原子的持續振動也不是偶然事件，後來我們發現，這可以解釋宇宙中一些最基本的物理法則。





濕衣服和煎起司


　　確認了原子和分子的存在以後，我們就必須運用統計學手段來解釋布朗運動之類的現象。你無法追蹤單個原子的運動，也無法精確計算兩個原子相撞時到底發生了什麼事，更無法追蹤一滴液體中的數十億個原子。我們只能從統計學的角度計算無數次隨機碰撞可能造成什麼結果。你不能斷言布朗運動中的粒子一定會在某一刻向左移動1公釐，但你可以說，如果重複實驗的次數夠多，那麼平均而言，某個粒子最後的位置可能會比初始時刻偏移1公釐。你可以非常精確地計算平均值，但也僅止於此。與1850年相比，現在的物理學變得複雜了，也變得清晰了。一旦你知道了原子的存在，許多司空見慣的東西都會變得有趣起來，比如濕透的衣服。
　　我第一次與BBC(British Broadcasting Corporation，英國廣播公司)合作時參與了一檔介紹地球大氣和全球天氣模式的節目。拍攝過程中，我體驗了三天印度的雨季。這種氣候現象規模很大，在全世界都很有名。印度每年都會出現週期性季風，在6月到9月引發大量降雨。我們之所以會去印度，正是為了介紹這麼多水都是從哪裡來的。
　　我們駐紮在一棟小木屋裡，木屋坐落在印度最南端喀拉拉邦一處非常安靜的海灘上。拍攝的第一天顯得格外漫長。雨季天氣多變，而我們拍攝特定素材的時候需要天氣狀況在幾個小時不變，這就很麻煩了。明明剛才還是烈日當空，緊接著就是持續一個小時的暴雨，然後狂風颳來，豔陽又回到了空中。不過那裡一直很暖和，所以我也不太介意淋雨。要是又濕又冷，那就完全是另一回事了。每次一下雨我都會被淋得渾身濕透，然後就得趕緊想辦法弄乾衣服，不然等到太陽出來了沒辦法接著拍攝。作為需要入鏡的人，我的難題在於每次出現在鏡頭上的時候我都得穿著同一件衣服。我找了個頭頂有遮蔽物又能照到陽光的角落晾衣服，但穿穿脫脫幾次下來，我感覺並沒有多少時間真的在拍攝。我就這樣費力地配合著節目需要，然而大約晚上7點的時候，天氣又有了變化。這時太陽已經下山，我們只能收工。
　　我用力擰一擰，再拿毛巾擦一擦，濕透的上衣和短褲變得只是有點潮了。把衣服掛起來以後，我就去吃晚飯了。這兩件衣服一直在外面晾到了第二天早上6點，也就是我們起床開工的時間。不過，當我把短褲收回來的時候，我發現它還是有點潮——甚至比前一天晚上更濕。不光是潮，衣服還變得很涼，因為晚上外面的氣溫很低。真糟糕！但我沒有準備一模一樣的衣服，所以只能重新穿上原先那一身，然後迎著朝陽在海灘上行走，試圖讓自己看起來還算精神，而不是凍得瑟瑟發抖。
　　一般而言，氣體分子之間幾乎不存在任何引力，所以無論容器有多大，它們都會向外擴散，填滿整個空間。液體的情況就有點不一樣了。液體分子也會像氣體分子一樣互相碰撞，但分子之間的距離拉近了很多。室溫下，空氣中氣體分子之間的平均距離大約是單個分子長度的10倍。可是在液體裡，分子之間幾乎沒有空隙。這些分子不斷碰撞、振動，它們仍在運動，但速度比氣體分子慢得多。所有這些決定了一點，液體分子更容易相互吸引，抱團形成液滴。分子的活躍程度也和溫度有關。液滴的溫度較低，分子運動的速度也較慢，此時它們更像是在貼著彼此擠來擠去。如果加熱液滴，那麼所有分子的平均速度都會變快，部分分子得到的能量會比別的夥伴多。
　　分子要想逃離液體，變成氣體飛走，就需要足夠的能量來擺脫其他分子。這個過程叫作蒸發。得到了足夠從液體中逃離的能量，分子就會飄起來進入空氣。我濕漉漉的衣服裡有很多液態水，分子在液體中懶洋洋地運動，卻沒有足夠的能量逃離這個環境。
　　在那三天裡，我把弄乾衣服的辦法試了個遍。要把衣服晾乾，你得創造一個環境，讓液態水分子有機會得到足夠的能量，這樣它們才能飄走。在烈日炙烤大地時，液態水會吸收太陽的能量，水分子開始慢慢逃逸。而等到雲層再次遮蔽太陽，我又陷入了必敗的苦戰。問題在於空氣裡的水實在太多，因為這裡有來自大洋的濕潤海風。太陽照在溫暖的海面上，表層海水的溫度上升，大海裡的水分子也活躍了起來。海水的溫度越高，分子運動速度越快。隨著海面溫度的升高，越來越多的分子得到了足夠的能量，從液態變成了氣態，而溫暖潮濕的海風又把它們吹向陸地，吹到我們身邊。
　　穿上被雨水澆濕的衣服，我的體溫會加熱衣服，讓衣物中的部分水分子得到足夠的能量蒸發出去，於是衣服會比原來乾一點點。可是，空氣中滿滿的水分子總有一部分會撞上我的衣服，然後沾在上面。有了這些生力軍的加入，衣服又變得更濕了。衣服之所以老是乾不了，是因為蒸發的水分子正好平衡了重新凝結的液態水。也就是說，這裡的濕度達到了100％——每一個蒸發的水分子都會被另一個凝結的水分子取代。如果濕度低於100％，那麼蒸發的分子數量就會大於凝結的分子數量。這個差值越大，衣服就乾得越快。
　　晚上的情況更糟。隨著氣溫降低，所有分子的運動速度都變慢了。空氣裡有些水分子變得遲緩，如果它們恰好碰到了我的衣服，就會變成液體分子賴著不走，而衣服裡本來就有的水也很難蒸發出去。如果凝結的水分子多於蒸發的水分子，那麼溫度就達到了露點，這裡的「露」指的是「露珠」。這種情況下，依然有一部分水分子可以蒸發掉，但在數量上比不上凝結的水分子。如果我能設法加熱衣服，那麼就能增加蒸發的水分子數量，也許足以扭轉態勢，讓衣服變乾。然而事與願違，我只能和整個印度一起浸泡在濕漉漉的雨季裡。
　　重點在於，這樣的過程時時刻刻都在進行。觀察某一個分子是蒸發還是凝結，這對於一件衣服的狀態沒有什麼幫助。不過，如果從統計學的角度觀察分子的變化，就算每個分子總在做不同的事情，我們也可以最終發現蒸發和凝結達到平衡的結果。
　　一團分子中不同的個體表現不同，這一點有時候非常有用，比如，汗水蒸發時，逃逸的都是那些攜帶能量最多的分子，而留下來的分子則相對安穩，所以出汗有利於降溫，因為逃逸的分子帶走了大量能量。
　　一般而言，衣服變乾的速度很慢，這是個平緩的過程。在水面上，某個能量特別多的分子突然得到了足夠逃逸的能量，於是它飄了起來。不過在另一些時候，蒸發的過程比這激烈得多。狂暴的蒸發有時候也很有用，尤其是在做飯的時候，比如，「炸」這種烹飪方式就與水密切相關。
　　哈羅米起司是我最喜歡的油炸食品，我一直覺得它在素食者心目中的地位相當於食肉者眼裡的培根。它的製作過程如下：先把油倒進平底鍋，過一會兒再放入彈性十足的起司。油溫靜靜地升高到了180℃左右，但除了散發熱量，鍋裡的油和剛才並沒有別的不同。不過，就在第一塊起司進鍋的瞬間，響亮的劈啪聲打破了原來的平靜。起司剛一接觸熱油，它的表層溫度就在幾分之一秒內升高，達到和油溫接近的程度。起司表面的水分子突然從熱油中得到大量的能量，遠遠超過了液體蒸發的需要。於是，這些水分子在汽化的同時快速膨脹，產生一系列規模極小的爆炸，在起司表面上形成一個個肉眼可見的氣泡，這就是那一陣劈啪聲的來源。
　　這些氣泡還起著重要的作用。上面提到的過程會將油阻攔在起司的表面，使其無法浸入起司內部。傳入起司的熱量也得到了限制。如果油溫過低，氣泡形成的速度不夠快，那就沒辦法把油擋在外面，最後食物會被油浸透，變得十分油膩。在我們油炸起司的過程中，部分熱量進入起司內部，讓內裡變熱。外層則被高溫剝奪了大量水分，被炸乾了，變得脆脆的。起司中的蛋白質和糖在受熱後發生化學反應，製造出迷人的焦褐色。從液態水到蒸汽的突然變化是油炸的核心。只要你在烹飪中操作正確，油炸食品一定會發出響亮的劈啪聲。





海冰和「前進號」


　　我們周圍隨時都在發生氣體與液體的相互轉換，但液體和固體的轉換就沒那麼常見了。大多數金屬和塑膠的熔點都遠高於日常溫度，而氧、甲烷和酒精之類的小分子熔點又很低，要讓它們凝結成固體，甚至需要特製的冰箱。相比之下，水的性質相當特殊，因為水結冰和蒸發的情況都很常見。不過，說到冰凍，大多數人立即就會想到南極和北極。那裡總是潔白一片，嚴寒難耐，完全不適合居住，前往南北極的旅程堪稱20世紀人類最偉大的冒險。凍結的水給探險家們造成了很多問題，不過有時候，它也會帶來出乎意料的解決方案。
　　物質從氣態變成液態的關鍵在於，分子的距離需要近到足以發生接觸，卻又能自由地相對流動。而液態變成固態時，分子的位置徹底固定了下來。水結冰就是最常見的例子，其實水結冰的過程相當獨特。在冰天雪地的北極，我們可以清晰地看到其中的古怪之處。
　　如果有機會前往挪威最北方，站在海岸邊向北遠眺，你就能看到北冰洋。夏天，24小時不間斷的陽光滋養著微型海洋植物形成的森林，季節性的自助盛宴引來了魚兒、鯨和海豹。夏天慢慢過去，陽光也越來越蒼白無力。
　　哪怕在夏天最熱的時候，北冰洋的海面水溫最高也只能達到6℃，隨著極晝結束，這個溫度還會下降。水分子的運動開始變慢。這裡的水鹽度很高，所以哪怕水溫降到—1.8℃，它也能保持液態。在一個晴朗漆黑的夜晚，海水終於還是開始結冰了。或許最開始只是有一片雪花飄落在海面上，那些運動速度最慢的水分子一撞上雪花就跑不了了。不過，水分子附在雪花上的位置並不是隨機的，每個新來的分子都會有一個合適的位置，原本雜亂無章的水分子逐漸形成晶體，每個分子都在六角結晶中找到了屬於自己的角落。隨著溫度進一步下降，冰晶開始生長。
　　水結晶的過程有這樣一個奇特之處：原本左衝右突的分子形成了有規律的固定結構，與此同時，它們占據的空間也變大了。絕大多數分子在站好隊、變成固體時，分子間的距離都會縮小，水卻不是這樣。冰的密度小於周圍的液態水，於是它漂了起來。正在凝結的冰層不斷增大面積。如果冰的密度大於水，那麼新形成的冰就會沉到水底，極地附近的海洋也會呈現出截然不同的另一番面貌。但在現實中，溫度越低，冰層覆蓋的範圍就越廣，海洋披上了一層白色固態水外套。
　　冰封的北冰洋上有許多令人嘆為觀止的東西：北極熊、冰和北極光。我尤其鍾愛北極的一段歷史故事，這個故事生動地體現了水凝結成冰的獨特之處，也展示了人類與自然合作而非對抗的歷程。故事的主角是一艘矮墩墩的小船，它熬過了極地探險史上最艱苦的旅程，它的名字是「前進號」(Fram)。
　　19世紀末，探險家紛紛盯上了北極，這片土地離西方文明的距離已不再遙遠。加拿大、格陵蘭、挪威和俄羅斯的最北部都已有人踏足並完成了初步測繪，但北極點仍籠罩在未知的迷霧中。那裡是陸地還是海洋？沒有人到過北極點，所以誰也不知道答案。探險之旅失敗了一次又一次，因為海冰總在不斷地擴張、收縮和轉移。有時，天氣變化還會讓海冰堆積起來，形成冰脊和裂縫。冰層的推擠足以將船隻碾為齏粉。
　　1881年，美國軍艦「珍妮特號」(USS Jeannette)在西伯利亞北海岸外的海冰中困了好幾個月，對那個年代的北極探險船來說，這樣的遭遇簡直就是家常便飯。天氣越來越冷，海水分子不斷加入冰層，擴張的冰層緊緊凍住了船殼。接下來的幾個月裡，海冰在凝結和融化間反覆，一下一下擠壓船身。「珍妮特號」不堪重負，最終解體。被迫棄船的探險家們還將面臨新的危險：海冰可能融化形成一片汪洋，不乘船就別想離開。北極圈周圍所有國家的領土離冰雪世界都有好幾百公里的距離，變幻莫測的海冰成了橫亙在探險家們面前的天塹。
　　「珍妮特號」失事3年後，它的殘骸被沖到了格陵蘭島附近。這是個令人震驚的發現，誰也沒想到船隻的殘骸竟能穿越整個北極圈，從極地的一邊漂流到另一邊。海洋學家開始思考：是否有一條洋流從西伯利亞岸邊一路穿越北極直達格陵蘭？
　　挪威一位名叫弗里喬夫·南森(Fridtjof Nansen)的年輕科學家由此產生了一個大膽的想法。如果能造出一艘不會被冰碾碎的船，他就可以乘著這艘船前往西伯利亞「珍妮特號」沉沒的地方，故意讓這艘船陷入海冰的包圍之中。3年以後，他或許會出現在格陵蘭。關鍵在於，他在這趟旅程中可能會路過北極點。不需要艱苦跋涉，不需要揚帆遠航，冰和海風自然會替你完成這項壯舉。唯一的問題是，這需要耐心等待。這個主意傳出去以後，有些人將南森奉為天才，還有一些人覺得他是個瘋子。但無論如何，他都已經下定決心。南森籌了一筆錢，僱來了當時最優秀的造船工程師，因為這艘船必將不同於以前的任何船隻。「前進號」就這樣誕生了。
　　這裡難點在於，水凍結成冰時，水分子在規則的結構中排列整齊。只要溫度夠低，它們就會一直停留在原地。如果周圍沒有足夠的空間容納它們，這些分子就會想盡一切辦法向外擴張，不惜推開任何擋路的物體。困在海冰中的船隻必將面臨這樣的窘境：周圍的冰層不斷擴張，船隻的容身之地越來越小。船隻無法承受這些冰的擠壓，而且北冰洋中央的冰層厚度可能遠超人們的估測。
　　「前進號」以一種極其簡單的方式解決了這個問題。這艘船設計得圓乎乎的，長39公尺，寬11公尺，船殼呈光滑的弧形，幾乎沒有使用龍骨，引擎和船舵可以直接抬升到水面上。冰擠過來的時候，「前進號」就變成了一個漂浮的大碗。如果你試圖從下方擠壓一個弧形底的器皿，那麼它一定會向上運動。按理來說，如果來自海冰的擠壓力量太大，「前進號」會被擠到冰面上，但不會損壞。這艘船是木製的，某些位置的木材厚達1公尺，船身的隔熱效果也很好，艙內的船員不會受凍。1893年6月，「前進號」在萬眾期待之下載著13位船員離開了挪威，駛過俄羅斯北部海岸，來到「珍妮特號」沉沒的位置。9月，它在北緯78°附近遇到了海冰，不久後，它就被海冰包圍了。剛剛被冰圍起來的時候，「前進號」發出吱吱嘎嘎的呻吟聲，不過隨著冰層的膨脹，它的船身漸漸被抬了起來，和工程師預計的完全一樣。被海冰封凍的「前進號」就這樣踏上了計劃之中的旅程。
　　接下來的3年裡，「前進號」隨著海冰一起向北漂流，它移動的速度慢得驚人，每天只能前進約1.6公里，有時候還會倒退或者原地打轉。周圍的冰塊不斷推擠然後放鬆，「前進號」的船身也隨之起伏不定。在此期間，南森一直在指揮船員進行各種科學測量，但緩慢的進展讓大家越來越不耐煩。「前進號」抵達北緯84°的時候，人們已經非常清楚，它永遠也到不了410海里外的北極點了。南森帶著一位搭檔離開船隻，駕著雪橇試圖前往「前進號」無法抵達的區域。
　　南森創下了北極探險的新紀錄，但他最後到達的地方離北極點還有4°。接下來，他穿越北冰洋前往挪威，並於1896年在法蘭士約瑟夫地群島遇到了另一位探險家。「前進號」載著剩下的11位船員繼續順著海冰漂流，它最遠到達過北緯85.5°，距離南森創下的新紀錄只有幾公里。1896年6月13日，這艘船在斯匹茨卑爾根島附近掙脫了海冰的束縛。
　　雖然「前進號」不曾抵達北極點，但它在旅途中留下的科學測量記錄仍是一份無價的寶藏。人們由此知曉，北極是一片大洋而非陸地，北極點隱藏在變幻莫測的海冰層下，俄羅斯和格陵蘭之間的確存在一條洋流。後來，「前進號」又載著船員完成了另外兩次偉大的航程。第一次是在加拿大北極地區的測繪探險，為期4年。第二次是在1910年，它載著阿蒙森和他的隊員前往南極，最後他們搶在史考特船長之前到達了南極點。
　　今天，「前進號」靜靜地安放在奧斯陸的博物館裡，它已經成為挪威極地探險最偉大的標誌。通過這艘船我們可以看到，人類沒有硬生生地對抗海冰，而是藉助它的力量，成功抵達了世界之巔。





冰塊、玻璃和體溫計


　　我們太熟悉冰了，甚至忽略了冰的膨脹。飲料裡的冰總會浮起來，這樣理所當然的場景就在告訴我們，冰比水密度低。我們還可以看到，結了冰的水依然是水，只不過會占據更多空間。如果你在透明的玻璃杯裡倒一些水，然後加入幾塊比較大的冰，你會發現冰塊大部分都在水面之下，只有大約10％的部分露在上面。你可以用記號筆在玻璃杯外面畫一條線，記錄此時的液體表面高度。問題來了：隨著冰塊慢慢融化，杯子裡的水面會上升還是下降？冰塊融化後，凍結的水分子全都會融入液體。這是否意味著水面將會上升？這個物理學遊戲很適合雞尾酒派對，只要你有足夠的耐心(或者足夠無聊)，盯著杯子裡的冰塊看它融化。
　　答案很簡單：水面的高度不會有任何變化。如果不相信的話，那你大可親自嘗試。冰塊裡的分子變成液體以後，它們之間的距離會變得更加緊密。剛融化的液體正好能填滿它們作為冰塊在水面之下占據的空間。之前冰塊露在水面上的部分正是結冰後多出來的體積。你看不到緊密排列的原子，但是你可以看到它們結冰時額外占據的空間。2
　　從液態變成固態，意味著散漫的水分子排好了隊，組成了晶體結構。雖然這種晶體並不像王冠上的水晶一樣閃閃發光，但它的確也是晶體。晶體內部的原子、離子、分子按固定方式排列。鹽和糖都符合這個條件。
　　另一種固體內部的分子排列沒有這麼嚴格。這些固體在凝固的時候顯得更加隨心所欲。原子的排列都發生在微觀世界裡，我們根本不可能憑肉眼看見。不過有時候，我們完全可以通過宏觀物體看到微觀結構造成的影響，最明顯的例子就是玻璃。
　　還記得8歲的時候，我和家裡人一起去懷特島旅行，在那裡我第一次看到了吹玻璃的人。熔化的玻璃團閃閃發光，圓滑可愛，一刻不停地改變著形狀。我瞬間就深深地迷上了這一幕，最後大人們不得不把我拖走，否則我能盯著這巫術般的場景看上整整一天。在工人的努力吹製下，玻璃團先變成氣泡，又變成花瓶。直到很多年後，我才有了一個夢想成真的機會：我可以親自嘗試吹製玻璃了。2016年，一個寒冷刺骨的清晨，我和一位表親走進了一座石頭穀倉，在這間小作坊裡，神祕的大幕即將拉開，魔術背後的祕密呼之欲出。
　　起初，一灘熔化的玻璃被裝在一個小爐子裡，發出明亮的光，因為它的溫度達到了1080℃。在特製手套的保護下，我們小心地把長鐵棍伸進玻璃池塘攪動，蜂蜜般黏稠的液態玻璃開始黏附在鐵棍上。我們加熱玻璃讓它變軟，靜置液態玻璃，讓重力拉著它向下滴墜，如果鐵棍是中空的，還能在熔化的玻璃裡吹泡泡。這些步驟比較簡單，後面的工作會越來越難。
　　我們輪流練習了以上幾項工作，並且驚訝地發現玻璃會以極快的速度自然變化。當玻璃離開爐子的時候，你必須用好鐵棍，因為這時的玻璃很容易滴到地上。幾分鐘後，我們就能在金屬工作檯上擀壓這團玻璃了，現在它的黏度和橡皮泥差不多。僅僅3分鐘後，它會在工作檯上發出清脆的響聲——「叮」——和你印象中的固態玻璃一模一樣。有趣之處在於，處理玻璃時，你擺弄的是順滑柔軟的液體。冰冷的固態玻璃只是變硬後的形態，就像童話裡被凍結在時間裡的人物一樣。
　　玻璃的特質和內部原子的運動方式有關。我們吹製的是最常見的玻璃，也就是鈉鈣玻璃，它的主要成分是二氧化矽(SiO2)，這也是沙子的主要成分，但這種玻璃還含有少量的鈉、鈣和鋁。玻璃內部的原子並未形成規則的隊列，而是錯綜複雜地互相結合。每個原子都和周圍的原子緊緊相連，沒有太多自由空間。玻璃受熱時，這些原子更是亂成了一鍋粥，它們開始緩慢地分開。由於原子最開始就沒有固定的位置，所以它們可以輕而易舉地彼此滑動。我們把玻璃從爐子裡倒出來的時候，玻璃內部的原子攜帶著大量熱能，在重力的作用下很容易向下滑落。隨著原子在空氣中逐漸冷卻，它們運動的速度會放緩，彼此間的距離變短，液體變得更加黏稠。
　　玻璃的妙處在於，在冷卻的過程中，原子沒有足夠的時間形成規整的結構，所以它們索性順其自然。原子間的距離變得越來越小，相對運動變得越來越慢，直至徹底停止，液態的玻璃也就變成了固體。你甚至很難說液態玻璃與固態玻璃之間有什麼確切的界限。
　　我們的第一個任務是每人做一件小器皿，這真是個冠冕堂皇的說法。實際上我們只是一人吹了個玻璃泡泡，然後看著老師在每個泡泡上加了個熔化的玻璃環。吹泡泡的技術不好做，我的臉頰鼓得生痛，感覺就像拚命吹了個特別厚的氣球。最需要技巧的是最後一步：把做好的器皿從鐵棍上取下來。
　　經過一番拉扯和塑形，我的作品上留下了一段細細的頸，按理說事情就要收尾了。用銼刀在這段頸上磨出纖細的裂紋，然後把它送上成品工作檯，輕輕敲擊鐵棍，玻璃器皿就會安穩地落下來。但是真動起手來，事情又沒這麼簡單。新產生的裂紋迫不及待地急速擴大，導致器皿直接從鐵棍上掉了下去。此時玻璃沒有完全冷卻，所以它兩次從地板上彈了起來。老師趕快把它撿了起來，這件作品安然無恙，但脆弱的玻璃膜已經變了形。要是這玩意兒掉下去的時間再晚一分鐘，玻璃的溫度再下降一點點，那它鐵定會摔個粉碎。
　　這就是玻璃的啟示。原子的行為和溫度有關。高溫可以讓原子自如地動起來。冷卻冷卻，原子們會更靠近，這時候玻璃能在地上彈跳。再冷卻一些，原子就會完全站住。這時，任何變數都會在這脆弱的固體上製造出裂縫，這時候玻璃很容易被砸碎。
　　玻璃有著液體之美，但它又不像水那樣難以控制。事實上，儘管軟化的玻璃很像液體，但它卻是如假包換的固體。水泥地面上的彈跳洩露了這個祕密：固體才會有彈性，液體不可能具備這種性質。重點在於玻璃這種結構帶來的特性：溫度的變化很容易改變材料的表現。
　　現在我們或許應該澄清一下與玻璃窗有關的諸多流言。有人說，有300年歷史的玻璃窗下半部分要比上半部分厚，因為隨著時間的流逝，玻璃會緩慢地向下流動。這完全是無稽之談。玻璃不是液體，它根本不會流動。之所以會出現下厚上薄的情況，是因為這些玻璃窗採用了一種非常精妙的製作工藝。人們將熔化的玻璃團絞在鐵棍上，棍子以極快的速度旋轉，將玻璃團攤成平坦的圓盤。3等到圓盤冷卻下來，人們就會把它切割成窗玻璃。這種工藝的缺點在於，圓盤靠近中央的部分總會比外面厚一些，所以將它切割成玻璃窗以後，總會有一頭要厚一些。人們在裝玻璃窗的時候總愛把較厚的那頭朝下安裝，這樣有利於快速排幹雨水。所以，玻璃並沒有向下流動，它本來就是那樣的。
　　我們的玻璃器皿並沒有直接放在外面冷卻，而是被送進了回溫爐過夜。爐子的溫度會在整整一夜的時間裡緩慢地降低，直至清晨到達室溫。之所以要這樣做，是因為即便玻璃凝成了固體，原子的位置仍然不是完全固定的。加熱某件物品，即便升高的溫度不足以讓它從固體變成液體，內部的原子排列依然會發生細微的變化。玻璃器皿冷卻時也會發生同樣的事情：原子會發生位移。我們之所以需要回溫爐，正是為了讓這樣的位移來得儘量舒緩一些、均勻一些。否則，失衡的力可能會讓玻璃碎裂。這裡有一條簡單的定律：原子的位置或許是固定不變的，但相鄰原子之間的距離卻不是。受熱的物體會膨脹。
　　●
　　現代的電子測量設備能帶來許多便利，但也有不利的一面：離開了原始的測量手段，我們逐漸忘記了這些量度的本意。其中最令人傷感的例子就是玻璃溫度計被電子溫度計替代。
　　過去250年間，玻璃溫度計一直是實驗室和普通家庭的基本測量工具。現在你還能買到玻璃溫度計，我在實驗室裡也使用它，但在很多地方，人們已經改用電子溫度計。兒時記憶中閃閃發亮的水銀柱早已被紅色酒精取代，但從本質上說，現代溫度計與華倫海特(Fahrenheit)在1709年發明的設備並無區別。
　　華倫海特的溫度計實際上是一根中空的細玻璃棍，其中一端膨脹形成一個小囊，裡面裝滿了液體。將溫度計的這一端放進需要測量溫度的東西(比如洗澡水、腋窩、大海)裡，你就可以優雅而便捷地完成任務。
　　溫度越高，物體分子和原子運動越活躍，攜帶能量也越多。假設你把溫度計放進浴缸，冰冷的玻璃管被熱水包圍，那麼熱水中快速運動的分子會撞擊玻璃，把能量賦予玻璃的原子，讓後者活躍起來。玻璃裡面的原子不會亂跑，卻可以在原地劇烈振動。就這樣，玻璃的溫度升高了。玻璃裡的原子又會在活躍的振動中衝撞液態酒精分子，再次傳遞能量。於是，溫度計的小囊開始升溫，最後溫度等同於浴缸裡熱水的溫度。
　　所有物品在受熱時都會膨脹，因為活躍的分子和原子需要更大的活動空間。但酒精分子膨脹的幅度比玻璃大得多。同樣的溫差下，酒精體積膨脹的幅度大約是玻璃的30倍。現在，小囊裡的酒精需要更多的空間，於是它只能進入中空的細管裡。酒精在管內上升的距離與酒精分子的受熱情況直接相關，溫度計上的刻度會做出合適的標定。如果小囊裡的液體冷卻下來，酒精分子運動速度減緩，需要的空間也隨之縮小，達到的刻度線也會降低。一切就是這樣精妙，通過玻璃溫度計上的刻度，你可以直接讀出原子無規則運動的劇烈程度。
　　不同材料受熱後的膨脹率不同。打不開果醬瓶蓋的時候，你可以用熱水沖一沖整個瓶子。玻璃瓶身和金屬瓶蓋都會膨脹，但金屬的膨脹率遠大於玻璃。因此在受熱之後，瓶蓋更容易打開。儘管這些物體體積的變化小得微不可察，但你能夠清晰地感受到變化的結果。
　　一般來說，固體受熱時的膨脹率小於液體。這種膨脹看似微不足道，實際上可以產生很大的影響。下次步行經過公路橋的時候，你不妨注意一下，橋上每過一段距離就會有一道橫貫路面的金屬條。它可能由兩塊互相咬合的梳狀金屬板拼成。這是工程師為橋面膨脹預留的伸縮縫。你會發現這樣的東西幾乎無處不在。伸縮縫的意義在於，隨著溫度的升降，這根金屬條允許橋面建築材料發生輕微的膨脹和收縮，而不影響橋面的平整。如果橋面膨脹，梳板的榫齒就會咬合得更緊；要是橋面收縮，榫齒就會鬆開一些，但不至於出現大的裂縫。
　　對溫度計來說，受熱膨脹非常實用，但在別的地方，這可能造成嚴重的後果。海平面上升就是這樣的一個問題。由於溫室效應，目前全球海平面上升的速度大約是每年3公釐，而且這個速度正在逐年加快。隨著冰川和冰蓋逐漸融化，曾經被封鎖在陸地上的水正在回歸海洋，所以整體而言，全球的海水總量正在增加。不過，這部分水對海平面上升的貢獻大約只有總量的一半，另一半要歸因於受熱膨脹。海洋變暖，海水必然需要占據更多空間。目前最準確的估計是，全球變暖產生的額外熱量大約有90％最終被海洋吸收，導致海平面上漲。





鴨子的絕活


　　南極高原的秋天靜謐而安寧。北半球正沐浴在夏日的陽光中，南極大陸卻被極夜的黑暗籠罩。在橫貫這片高原的高山上，長達數月的極夜才剛剛開始。這裡幾乎沒有雪花飄落，但地表的冰層厚度仍然達到了600公尺。這裡的天氣格外平靜，來自大地的熱量不斷流失到星夜之中，沒有任何陽光來彌補損失的能量。熱量的入不敷出帶來了超乎想像的低溫，在這片高海拔山區，冬季氣溫時常徘徊在—80℃左右。2010年8月10日，某一片山麓的氣溫甚至下降到了—93.2℃，這是地球上有記錄可查的最低氣溫。
　　雪花由細小的冰晶組成，而組成冰晶的是排列整齊的原子，這些原子會在原地振動，振動和能量、溫度息息相關。如果要問最冷的冰有多冷，這裡可以給出一個直接的答案：所有原子都靜止不動的時候，物質就達到了最低溫度。
　　要知道，至少在我們這顆星球上，即便是在沒有光也沒有生命的極寒之地，原子依然在發生微弱的振動。整個南極高原都由顫動的原子組成，如果將這裡的溫度提升到0℃，那麼需要讓現有能量翻倍。如果你設法剝奪一切能量，原子就會達到最低溫度，也就是「絕對零度」，即—273.15℃。在這個溫度下，無論周圍是什麼條件，任何原子都會徹底停止運動，也不再擁有任何能量。與絕對零度相比，哪怕是地球上最冷的南極洲之冬也相當溫暖了。
　　不過，讓原子徹底停止運動其實非常困難。你必須花費很多心思來確保周圍的任何物體都不會傳來能量，有一點差池就會前功盡棄。儘管如此，仍有科學家殫精竭慮，想盡一切辦法消除物質中蘊含的能量。這些科學家研究的是低溫物理學，這並不像聽起來那樣沒有實用性，醫學成像技術的發展就得益於這類研究。
　　大多數人哪怕只是想一想極低的溫度也會覺得很不舒服，看著鴨子赤腳在冰水裡游來游去，你不免總會有幾分困惑。
　　溫徹斯特是英格蘭南部一座可愛的小城，城裡有一座古老的大教堂，還有幾家正宗的英式茶館。漂亮盤子裡裝著分量十足的司康餅。夏天，五彩繽紛的花朵和蔚藍如洗的天空將小城裝點得像明信片一樣漂亮。有一年，我和一位朋友在飄雪的冬日去了一趟溫徹斯特，結果發現了更加美妙的東西。我們把自己裹得密不透風，沿街一路向前，最後走到了一條小河邊。河畔無人沾染的雪地彷彿兩條潔白的毯子。在溫徹斯特，我最喜歡的不是那些石頭建築，也不是亞瑟王的傳說，更不是司康餅。在那個冰寒徹骨的冬天，我執意拉著朋友去看的東西其實再平凡不過：我想看的是河裡的鴨子。我們沿著河邊小道在雪中艱難地走了一小段路，終於看到了此行的目標。
　　就在我們到達的時候，正好有一隻鴨子搖搖擺擺地走過河邊最後一段冰面，義無反顧地跳進了水裡。然後它和周圍的所有同伴一樣，開始迎著流淌的河水，一邊飛快地划動腳掌，一邊低頭在水中尋找食物。這一段河道相當狹窄，河水流速很快。鴨子在水下不深的地方就可以找到食物，但必須全力游泳才能停留在原地進食。溫徹斯特的小河就是鴨子的跑步機，它們對這個遊戲樂此不疲。所有鴨子面朝同一個方向不斷划動腳掌，彷彿永遠都不會停止。
　　我們旁邊的一個小女孩低頭看了看自己被雪覆蓋的靴子，然後指著站在岸邊冰面上的鴨子，問了媽媽一個特別棒的問題：「它的腳為什麼不會冷呢？」媽媽沒有來得及回答，因為就在那一刻，真正精彩的一幕出現了。一隻鴨子不小心游得離同伴太近，由此引發了一場混亂。兩隻鴨子嘎嘎亂叫，拍打著翅膀，激得水花四濺。有趣的是，混亂讓這兩隻鴨子都忘了游泳，所以它們雙雙被河水沖往下游。幾秒鐘後，它們突然發現自己漂遠了，於是這兩隻鴨子又迅速忘記了彼此的恩怨，開始奮力游泳、逆流而上，試圖回到剛才的位置。這耗費了它們不少時間。
　　河水的溫度幾近冰點，但這些鴨子似乎一點也不覺得冷。在那冰冷的水面下，鴨子擁有腳部保暖的獨門祕方。要解決的關鍵問題攸關熱的傳遞。如果你把高溫物體放在低溫物體旁邊，那麼高溫物體中運動速度較快、攜帶能量較多的分子或原子必然會衝撞低溫物體的分子或原子，從而將能量傳給後者。於是，能量總是從高溫物體向低溫物體流動，一邊是遲緩的微粒，一邊是活躍的微粒，顯然後者更容易感染和帶動前者。
　　一般而言，如果不同溫度的物體靠在一起，那麼它們的溫度最終會變得一樣，這也是一種平衡。說到鴨子，我們首先要了解流經它們腳部的血液，這些血液來自鴨子的心臟。作為身體的核心，鴨子心臟的溫度大約是40℃。當盛著溫暖血液的腳丫進入近乎冰點的河水時，二者之間的溫差會讓血液失去能量。變涼的血液繼續在身體裡循環，必然和鴨子的整個身體產生溫差，於是整隻鴨子的溫度都會下降。鴨子可以略微限制流向腳部的血量，但這不能徹底解決問題。實際上它們運用的是一條更加簡單的法則：兩件相互接觸的物體溫差越大，高溫物體向低溫物體散失能量的速度就越快。換句話說，兩件物體的溫差越小，能量的流動就越慢。這才是鴨子真正的祕訣。
　　鴨子快速划動腳掌的時候，溫暖的血液沿著它的雙腿動脈向下流動，動脈旁邊就是靜脈，後者負責把變涼的血液送回心臟。顯然，溫暖血液中的分子會碰撞動脈壁，動脈壁分子又會碰撞靜脈壁分子。最終，能量從動脈血傳往相鄰的靜脈血。流向鴨子腳部的動脈血會變涼一點，而流回心臟的靜脈血又會變熱一點。
　　沿著鴨腿繼續往下，靜脈和動脈的整體溫度都會下降，但動脈還是要比靜脈暖和一點。因此，在整個腳丫的任何一段，動脈血總會溫暖相鄰的靜脈血。來自鴨子軀幹的溫度並不會只順著動脈往下送，這些血液在輸送的過程中一直在將自己的能量分給旁邊的靜脈血。等到動脈血最終到達帶蹼的鴨腳時，它的溫度已經變得跟水溫差不多了。鴨腳並不比河水暖和多少，所以它損失的能量也極其有限。而靜脈血在向上流動的過程中則不斷吸收來自動脈的能量。這個過程叫作逆流熱交換，這種方式可以最大限度地減少能量的損失。只要鴨子能確保能量不流向腳掌，那麼它的腳自然就不會成為能量散失的黑洞。鴨子之所以能夠愉快地站在冰面上，正是因為它們的腳掌本身就是冷的。而且它們對此毫不在意。
　　動物王國中有不少物種獨立演化出了類似的策略。海豚、海龜尾巴和鰭足裡的血管也採取了相似的排列方式，所以它們在冷水中游動時也能有效維持體溫。北極狐體內也是這種機制。這些狐狸的爪子需要直接接觸冰雪，但它們仍能保證體內關鍵器官的溫度。這種方法非常簡單，卻又十分有效。
　　我和我的朋友沒有這些動物的本領，所以我們只在雪地裡待了一小會兒。我們又看了另外幾場爭鬥。表達了對這些鴨子的羨慕之後，我們就回去吃司康餅了。





滾燙的湯匙和冰冷的食物


　　幾代科學家從數千次實驗中得出結論：熱量的流動方向遵循一個簡單的規則，總是從較熱的物體流向較冷的物體。這是一條基本的物理學定律。不過，它並未給出熱量流動的速度。把沸水倒入陶瓷馬克杯的時候，你可以一直握著杯子的把手，直到裡面的水徹底冷卻下來。這個過程中你絕不會受傷，因為把手的溫度不會升高太多。但是，如果你把金屬湯匙放進沸水裡，然後一直抓著勺柄，那麼幾秒鐘後你就會被燙得哇哇亂叫。金屬傳熱的速度極快，而陶瓷傳熱的速度極慢。我們可以說，金屬更容易被身邊活躍的微粒所帶動。金屬和陶瓷的基本成分都是排列整齊的原子，這些原子都只能在原地振動，而不能隨意流竄，為什麼它們的導熱性能差別如此巨大？
　　陶瓷杯體現的是靠整個原子傳遞振動的結果。正如我們曾經說過的，每個原子都會推擠身旁的原子，能量就這樣沿著整道鏈條層層傳遞。你之所以能夠抓著杯子把手而不會被燙傷，是因為這種方式傳遞能量的速度很慢。而且，大量能量來不及傳到你的手上就已流失到空氣中。陶瓷、木頭和塑膠都是熱的不良導體。
　　金屬湯匙卻走了一條捷徑。和陶瓷一樣，金屬原子要老實地待在原地。不同之處在於，每個金屬原子的周圍都有幾個活潑的電子(我們稍後會聊到電子)。相鄰的金屬原子可以輕而易舉地交換電子，這是陶瓷原子做不到的。金屬原子只能乖乖站在隊伍裡，這些電子卻能在整個結構中往來穿梭。它們在所有金屬原子間形成了一片電子之海，一有風吹草動，馬上波濤洶湧。金屬導熱的關鍵就在這裡。
　　你將沸水倒進杯子裡的時候，灼熱的水分子會將部分熱量傳遞給陶瓷杯壁，這些熱量又會緩慢地從一個陶瓷原子傳向下一個原子。而對於金屬湯匙來說，接觸熱水不僅僅意味著水分子的振動會傳遞給固定在原地的金屬原子，還意味著電子之海開始動蕩。小小的電子在金屬結構內以極快的速度運動。當電子在金屬湯匙內部四處流動時，它們傳遞熱振動的速度要比完整的金屬原子快得多。電子以極快的速度將熱量傳到湯匙頂端，整個金屬湯匙的溫度隨即升高。
　　不同金屬的導熱速度也不一樣。銅的導熱性能更好，銅勺傳熱的速度大約是鋼勺的5倍。因此，有些烹飪鍋具的鍋身是銅的，柄卻是鐵的。人們希望銅質鍋身能夠快速均勻地將熱量傳遞給食物，卻不希望鍋柄也被燒得滾燙。
　　一旦證明了原子的存在，你自然會好奇這些小東西在不同的環境裡會有什麼變化。這直接引出了下一個問題：「熱」是什麼？當我們提到傳熱時，「熱」似乎是一種液體，在各種物體之間流動。實際上，「熱」是一種動能，不同的物質發生接觸時，這種動能會在它們各自的微粒間分享。溫度是直接體現這種動能的量度，我們可以利用不同的材料(比如導熱性能良好的金屬和導熱性能很差的陶瓷)來控制熱能在不同物體之間的分配。細想之下，你不難發現，控制溫度對人類社會而言至關重要，極大地影響著我們的生活。人類花了很多時間來為自己保暖，與此同時，食品藥品行業又為製冷投入了大量人力物力。在本章的末尾，我們不妨了解一下各式各樣的冰箱和冷凍機。
　　起司受熱時，它內部的分子會變得活躍，能量增多，這意味著可用於化學反應的能量也增加了。也就是說，起司表面的微生物可以開動身體內部的工廠，開啟腐壞的進程。因此，我們需要冰箱。冰箱冷卻了食物，安撫了分子，微生物的能量來源也被掐斷了。所以冰箱裡的起司比室溫下的起司保存得更久。冰箱真是了不起，它可以讓外部的空氣更熱，內部的空氣更涼。4
　　低溫有利於食物的保存，因為這樣限制了分子的變化。你不妨想像一下，沒有冰箱的生活會是什麼樣。你失去的絕不僅僅是冰淇淋和冰啤酒。你得大幅增加購物的頻率，因為買回來的蔬菜總是放不了兩天就會壞掉。要想吃到牛奶、起司或者肉類，你必須住在農場附近；要是想吃魚的話，就不能離海邊太遠。新鮮的蔬菜沙拉只有在應季的時候才會出現在餐桌上。我們可以利用酸漬、乾燥、鹽醃、罐裝等辦法保存部分食物，但無論如何，你都沒辦法在12月吃到新鮮番茄了。
　　超市背後隱藏著倉庫、船隻、火車和飛機組成的一整套冷藏供應鏈系統。在羅德島採摘的藍莓也許一週後就會被送到加利福尼亞州出售，從離開枝頭到送上超市貨架的整個過程中，它都不可以從周圍的環境中得到足以升溫的能量。正因如此，我們才相信自己買到的食物是安全的。需要冷鏈配送的不僅僅是食物，很多藥品也需要保冷。疫苗在溫暖的環境中特別容易失效，開發中國家推廣疫苗的一大障礙正是他們難以保障全程冷鏈。環環相扣的冷鏈在我們這顆星球上縱橫交錯，連接著農場、城市、工廠和消費者，人們廚房裡的冰箱和醫生手術室裡的冷凍機不過是這條長鏈的最後一個環節。牛奶一離開乳牛的身體就會進入工廠進行巴氏消毒處理。而它下一次受熱八成得等到你打開盒子準備做熱飲的時候。在整個冷鏈配送的過程中，牛奶中的分子一直維持著低能量的狀態，能讓牛奶腐壞的化學過程幾乎被徹底關閉了。我們不讓分子活躍起來，透過這種方法來保證食品安全。
　　下次往飲料裡加冰塊的時候，你可以觀察一下冰塊融化的過程。你可以想一想，在熱量從水流向冰塊的過程中，微不足道的原子如何傳遞能量。哪怕看不到原子，你依然能夠發現它們對周邊的事物造成的影響。
　　

註釋
　　1　離子是原子得到或失去電子後形成的微粒。在這裡，鈉原子給了氯原子一個電子，變成帶正電的鈉離子；與此同時，氯原子變成負離子。聽起來似乎有些不合常理，但現在它們攜帶不同的電荷，所以二者會互相吸引。
　　2　冰塊浸沒在水面下的體積正好等於它融化後產生的水所占的體積，這個現象完全可以用浮力定律來解釋。無論冰塊占據的「洞」裡填充的是水還是冰，杯子裡剩餘的水都必須托起它的重量。只要這個洞的體積不變，那麼洞裡裝的是什麼東西根本無關緊要。冰塊填在洞裡的時候，多餘的體積會被排除在外，也就是露出水面的那個部分。
　　3　以這種工藝製作的玻璃被稱為「冕玻璃」，你也許好奇過這個名字的來歷。很多古老的酒吧窗玻璃中央都有一個圓形斑點，那是鐵棍留下的痕跡。靠近中央的玻璃是最便宜的，因為它的厚度很不均勻。當然，今非昔比，現在這樣的「特質」已經身價百倍。正如我的北方親戚們所說：「你在高級餐廳裡還得為這些東西多付一筆錢。」當然，在我們提到的高端酒吧裡也是一樣。
　　4　這裡用到的其實是我們在第1章中介紹的氣體定律，冰箱透過控制氣體的膨脹和收縮來影響它的溫度。冰箱裡有臺馬達，可以推動製冷劑在連通內外的迴路中流動。首先，液體膨脹，溫度降低。低溫液體通過背面的管路進入冰箱內部，在這裡，液體吸收熱量，冷卻冰箱裡的空氣。然後，這些液體重新回到冰箱外，壓縮升溫。多餘的熱量散發到空氣中，然後液體再次膨脹，循環重新開始。