我父親有一次和我談起了他在布痕瓦爾德集中營的同室獄友。那個人瘦骨嶙峋，學習過算術。你可以根據別人聽到「派」（π）時的想法判斷出他是什麼樣的人。對於「數學家」而言，它是圓的周長同直徑之間的比率。如果問我父親——他只上到七年級——他會說「派」是裡面夾著蘋果的麵包圈。有一天，數學家室友不顧他們之間的鴻溝，給我父親出了一道數學題。我父親想了好幾天還是無法解答。當他再見到這個獄友的時候，他向這個人求教解題方法。這個人不願意說，讓我父親必須自己找出答案。過了一陣子，父親又和他談及此事，但那人嚴守他的秘密，好像答案是一塊金子。父親嘗試著打消掉自己的好奇心，但他做不到。儘管集中營裡臭氣熏天，時時有死亡的威脅，他卻像著了魔似的想知道這道題的答案。最終，另一個獄友向我父親提出做一筆交易——如果父親願意拿麵包圈交換，他就把這道題的答案告訴他。我並不清楚父親當時的體重是多少，但在美軍把他解救出來時，他只有85磅（38.56千克）重。在那種環境裡，父親想要知道這道題答案的慾望是如此強烈，以至於他願意拿自己的麵包來換答案。
父親給我講這件事的時候我還是個毛頭小子，但這件事對我產生了巨大的影響。父親的家人都已過世，他的財產也被沒收，他食不果腹，憔悴不堪，還遭到毆打。納粹奪走了他的一切，但他思考、推理和求知的動力還在。他的身體雖被囚禁，思想卻自在遨遊，事實也確實如此。那時我就意識到求知慾乃是人類所有慾望中最重要的，儘管我們身處的環境不同，但驅使我認識世界的熱情和父親是一樣的。
在我上大學以及之後研究科學的過程中，父親詢問我最多的不是我所學的各種術語，而是它們隱含的意義——這些理論是如何得出的，為什麼我覺得它們很美，對於人類它們又有什麼意義。這本寫於幾十年之後的書，算是我最終對這些問題的回答。
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數百萬年之前，人類開始站直身體，這改變了我們的肌肉和骨骼，使我們能夠以一種直立的姿勢行走，我們的雙手因此得到解放，可以去探索和操控周圍的物體；這還拓寬了我們的視野範圍，使我們可以去更遠的地方探索。在站立起來的同時，我們的思考能力也超出其他動物一大截，這讓我們可以不只是用眼睛去看，還可以用大腦去探索這個世界。我們站了起來，但最重要的是，我們開始思考。
人類之所以高貴，是因為我們有求知的動力。作為一個物種，人的獨特性體現在經過上千年的努力，我們成功地破解了自然的密碼。假若給古代的人一台微波爐去加熱野牛肉，他或許會認為這個盒子裡有一群辛苦工作、像豌豆那麼大的神仙，他們在食物下面生起小小的篝火，在盒子打開的一瞬間又會神奇地消失。但事實就是如此神奇——宇宙中的萬事萬物都遵循一組簡單卻不可違背的抽像法則，從微波爐的工作原理到我們周圍的各種自然奇觀皆是如此。
隨著對自然世界的認知不斷演進，我們從過去將潮漲潮落視為女神的旨意，發展到後來認識到這只是月球引力的結果而已。我們不再把星星看成是天上的諸神，而是看成原子反應堆在向我們投射光子。今天，我們清楚距離我們1億英里的太陽[1]的內部情況，也知道相當於我們10億分之一的原子的結構。我們能夠破解這些以及其他自然現象的密碼不僅僅是個奇跡。它同時也是一個扣人心弦的神話，一部史詩。
前一陣子，我為熱播的電視劇《星際迷航：下一代》寫了一季劇本。第一次開劇本討論會的時候，在座的都是這部戲的其他編劇和製片人，我為其中一集想到了一個點子，為此我激動不已，因為這個點子涉及太陽風真正的天體物理學原理。當我激情四溢地描繪著我的觀點及其背後的科學依據時，大家都看著我這個新來的傢伙——他們中間的物理學家。當我說完後——整個過程不到一分鐘——我心滿意足，驕傲地看著我的老闆。他是一個脾氣不好的中年製片人，曾經是紐約市警察局刑事犯罪科的偵探。他直勾勾地瞪了我一會兒，臉上的表情不可捉摸，然後大聲說：「閉嘴，你這該死的書獃子！」
當我從尷尬中恢復過來，我明白他想告訴我的是，他們之所以雇我，是因為我講述故事的能力，而不是要我給他們上一堂關於星星的物理學拓展課。我完全接受他的觀點，從那之後我就照此方法進行寫作。（他另一個讓人記憶猶新的建議是：如果你感覺自己快被炒魷魚了，趕緊關掉你家游泳池的加熱器。）
科學在錯的人手裡會非常枯燥，但關於我們知道什麼以及我們是如何知道的的故事卻一點兒也不乏味。這將會是超級令人振奮的。人類探索的過程就如同一部電視劇，它和《星際迷航》或者人類第一次登上月球一樣引人入勝，劇中有激情四溢、怪異有趣的角色——就像我們在藝術、音樂以及文學作品中見到的一樣，也有永遠充滿好奇心的探索者，正是他們的好奇心將人類這個起源於非洲大草原上的物種帶到了今天我們所生活的這個社會。
他們是怎樣做到的？我們又是怎樣從一個幾乎不會直立行走，只能通過雙手採集堅果、漿果以及植物根莖來果腹的物種，發展成為今天能駕駛飛機、全球實時發送信息、在巨大的實驗室裡再造宇宙初期條件的現代人類的？這就是我想要講述的故事，瞭解了這個故事，你就會明白作為人你究竟繼承了怎樣的遺產。
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「世界是平的」這句話在今天已經成為陳詞濫調。但如果國與國之間的距離和差異可以有效地縮小，那今天和明天之間的差別就會增大。人類在大約公元前4000年的時候建造了第一批城市，長途旅行最快的方式就是靠駝隊，可這平均每小時也只能走上幾英里而已。大約在1 000或2 000年之後，人類發明了馬車1，最快速度提高到了每小時20英里（32.19千米）。直到19世紀，蒸汽動力機車的出現才使快速旅行成為現實，到19世紀末最高時速達到了100英里（160.93千米）。從學會以每小時10英里（16.09千米）的速度奔跑，到以每小時100英里的速度疾馳，人類用了200萬年。但一種飛行速度高達每小時1000英里（1 609.34千米）的飛機的發明，使人類只花費了50年的時間就給這個數字後面加上一個零。到20世紀80年代，人類可以乘坐宇宙飛船以超過每小時17 000英里（27 358.85千米）的速度旅行。
其他科技的發展也顯示了類似的加速過程。以通信為例，19世紀初期，路透社還在使用信鴿在城市之間傳遞股票市場的消息。2到了19世紀中期，電報獲得了廣泛的應用，到了20世紀，電話出現了。固定電話花費了81年才獲得75%的市場份額，手機達到這一市場份額卻只用了28年，而智能手機則只用了13年。近些年，手機作為一種通信的工具，其功能先是被電子郵件取代，接著被短信取代，同時手機越來越被當作能裝進口袋裡的電腦，而不是為了打電話。
「今天這個世界，」經濟學家肯尼思·博爾丁說道，「跟我出生時的那個世界之間的不同就像我的世界和尤利烏斯·愷撒時代的世界不同一樣。」3博爾丁出生於1910年，於1993年逝世。他所目睹的變化——和隨後發生的其他變化——是科學以及由此衍生出來的技術的產物。這些變化在人類生活中所佔的比重越來越大，而我們要想在工作和社會上獲得成功，也越來越依靠我們接受創新和開拓創新的能力。今天，即使我們所從事的工作和科學技術沒多大關係，我們也要面臨依靠創新來保持競爭力的壓力。所以對我們所有人來說，探索的本質是一個重要的話題。
要想對我們今天所處的位置有一個清晰的認識，也為了讓我們有望理解我們將走向何方，我們必須要知道我們從何處而來。人類智力發展歷史上的偉大勝利——書寫、計算、自然哲學以及其他各個學科——通常都是孤立的，就好像它們之間不存在任何關聯一樣，但這種看法是「只見樹木，不見森林」。它忽略了人類知識的整體性，而這才是它最本質的特性。現代科學的發展——比如通常被認為是像伽利略和牛頓這樣「孤立的天才」的作品——並不是從一個真空的社會或者文化中出現的。它深深扎根於古希臘人對知識的求索過程中；它成長於宗教提出的重大問題中；它與藝術創作的新手法一同發展；煉金術賦予了它斑斕的色彩；如果沒有社會的進步，諸如歐洲那些偉大的大學的繁榮發展，或者連接城市與鄉村的郵政系統的世俗發明，就不可能實現。同樣，希臘的啟蒙運動，也是源自生活在美索不達米亞和埃及這些土地上的早期先民那讓人歎為觀止的智慧發明。
正是因為這些影響和關聯，人類對宇宙的理解才不會是一個個孤立的片斷。就如同一本優秀的科幻小說，它有內在的敘事結構，形成了統一的整體，內部線索盤根錯節，相互勾連，故事從人類起源的初期開始講起。在接下來的文章中，我將選擇性地帶領大家瞭解這個艱難的探索之旅。
我們的旅行從現代人類大腦的發展開始，並重點突出那些人類大腦掌握認識世界新方法的重要時代以及轉折點。同時，我還將描繪那些讓人著迷的人物，他們有著獨特的個性，他們的思維模式在那些創新領域發揮了重要的作用。
像許多神話故事一樣，這部大戲由三部分構成。第一部分，我們將跨越數百萬年的時間，去追尋人類大腦的進化，以及它愛問「為什麼」的傾向。這些疑問推動著人類初期的精神求索，並最終催生了書寫和計算，以及定律的概念——科學不可或缺的工具。最終，這些疑問促成了哲學的誕生，其洞察力讓我們瞭解到物質世界是依據某種規律和原因運行的。
我們旅途的第二部分將探索自然科學的誕生。這是一個關於創新者的故事，他們擁有非同一般的認識世界的天賦，他們耐心、堅韌、聰明，即使有時候需要花費數年，甚至是數十年去完善他們的理論，他們也會奮勇向前。這些先驅——像伽利略、牛頓、拉瓦錫，以及達爾文——同他們所處時代已經確立的教條進行了長久的、卓絕的鬥爭，他們的故事無一例外都是個人抗爭的故事，付出的代價甚至包括他們的生命。
最後，就像許多完美的故事一樣，當主人公有理由相信自己已經接近旅程的尾聲時，劇情又發生了意想不到的轉折。正當人類認為已經破譯了自然的各種法則，劇情又發生了奇怪的轉折，愛因斯坦、波爾以及海森堡發現了一個全新的存在領域，這是一個不可見的領域，它的法則還不曾為人類所熟知。「那個」世界——以及它不同尋常的法則——由於太小以至於很難被直接理解：這是一個被量子物理學統治的原子的微縮宇宙。正是這些法則導致了我們經歷的那些滄海桑田般的變化，並且這些變化仍在加劇。正因為我們理解了量子理論，我們才能夠發明電腦、手機、電視、激光、互聯網、醫學成像、基因圖譜，以及大部分讓現代生活發生革命性變化的新技術。
本書第一部分跨越了數百萬年的歷史，而第二部分卻只涵蓋了數百年，第三部分的時間跨度則只有數十年，這反映出人類知識的累積在以指數速度加快——以及我們認知這個陌生新世界的渴望。
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人類艱苦的探索之旅延續了多個世紀，但是我們認知世界的特點卻始終如一，因為這就是我們人類的天性。其中一個特點對於那些在創新和探索領域工作的人來說應該非常熟悉——構想一個不同於已知世界或概念的新世界或新概念是有難度的。
在20世紀50年代，艾薩克·阿西莫夫，這個最偉大、最有創新能力的科幻小說作家寫出了基地三部曲，這部系列小說描繪了未來數千年的故事。在這些書裡，男人每天去辦公室上班，女人則留在家裡。沒過多少年，這種對遙遠未來的幻想就已經成為過去的事情了。我之所以提起這個，是因為它展示了人類思維最普遍的局限性：我們的創新能力受到傳統思維定式的束縛，這些束縛深植於我們的信仰之中，無法擺脫，甚至讓我們不敢去質疑。
構想變革的難度的另一面是接受變革的難度，這也是我們故事的另一個繞不開的特點。人類發現難以接受變革。變革對我們的頭腦提出新要求，迫使我們走出舒適區，打破了我們的思維定式。它讓人困惑和不知所措。它要求我們放棄舊有的思維方式，而這種放棄不是我們的自主選擇，是強加在我們身上的。更重要的是，科技進步所帶來的變革經常會終結我們的信仰體系，而絕大多數人——或許他們的職業和生計——全都要仰仗於此。其結果就是科學領域的新概念常常會遭到抵制、怒斥以及嘲諷。
科學是現代技術之魂，現代文明之根。它和我們今天生活中的許多政治、宗教和道德問題息息相關，它所隱含的觀念正在以前所未有的速度改變著我們的社會。但正如科學會影響人類的思考方式一樣，人類的思考方式也在科學理論的構建中發揮著重要的作用，這一點無可置疑。正如愛因斯坦所說，科學「如同人類其他努力一樣主觀和充滿心理暗示」。4這本書試圖本著這種精神去描繪科學的發展——把它當成一項思想上以及文化上決絕的事業，只有通過對塑造它的個人的、心理的、歷史的以及社會的條件的全面審視，我們才能更好地理解這項事業的理念。以這種方式看待科學，不僅能讓我們認識這項事業本身，也能瞭解創造力和創新的本質，以及更普遍的人類的現狀。
[1] 太陽與地球的平均距離為14 959.787萬千米。——編者注