這裡有一道老掉牙的趣味智力題，講的是某天有個修道士在日出前離開他的修道院，步行去一座位於高山頂峰的教堂的故事。上山的路只有一條，非常狹窄和蜿蜒，因為有些地段相當陡峭，他有時候會走得很慢，但他可以在日落前不久抵達教堂。第二天早上，他沿原路返回，還是在日出前動身，回到修道院的時間又是在日落時分。問題是：在這條路上有沒有一個地點他會在兩天中的同一時間經過？你不需要找出這個地點，只需要回答有——還是沒有。1
這個問題和那些謎語不同，靠的不是什麼花招和隱瞞的信息，或者對某些詞的新奇解釋。這條路上沒有什麼祭壇讓修道士在每天中午做禱告，你也不需要知道他上下山的速度，也沒有你為了解答這道題必須猜測的遺漏信息。它也不像下面這個謎語：有一個身高6英尺的屠夫問他的重量是什麼，答案是「肉」。不，這道題的情景設置很直接，你很有可能只需要讀一遍就能完全理解該怎麼回答它。
仔細想一會兒吧，因為要想成功地解答這個謎題，需要耐心和毅力，就和科學家花費多年時間嘗試著去解決的許多問題一樣。但更關鍵的是，正如所有優秀科學家所知道的，這取決於你以正確的方式提出問題的能力，退後一步，以一個略微不同的視角來審視這個問題。一旦你這麼做了，就可以輕鬆地找到答案。但問題難就難在你該如何找到這個視角。這也就是為什麼只有具備超常智力和創造力的人才可以創造出來牛頓的物理學、門捷列夫的元素週期表以及愛因斯坦的相對論——然而當它們經過恰當的解釋，今天的任何物理學專業和化學專業大學生都可以理解它們。這也就是為什麼讓前一代人吃驚的東西在下一代人這裡就變成了常識，並使科學家攀登上更偉大的高度。
為了找到回答修道士這個問題的辦法，而不是在你的腦子裡回放修道士頭一天上山第二天下山的畫面，來讓我們做一次思想實驗，以一種不同的方式來想像這個問題。現在設想這裡有兩個修道士——一個上山，一個下山，這兩人都是在同一天的日出時分出發。很明顯，他們會在路上碰面。他們碰面的這個地點就是那個問題中修道士在兩天中的同一時間到達的地點。所以這道題的答案是「有」。
修道士在路上會經過一個特別的地點，他會在上山和下山的相同時間經過，這看上去像一個不太可能出現的巧合。但一旦你打開思路，想像有兩個修道士在同一天上山和下山，你就會發現這並不是巧合——而是必然會發生的事情。
從某種程度上說，人類理解能力的進步靠的正是一連串諸如此類的想像，它們每一個都是由那個以略微不同的視角看待世界的人創造的。伽利略想像物體在一個沒有阻力的理論世界下落。道爾頓想像如果元素由不可見的原子構成，它們將如何發生反應來形成化合物。海森堡想像原子王國是由一種和我們在日常生活中體驗到的定律完全不同的奇異定律統治的。這種幻想式的思維方式一頭貼著「瘋狂」的標籤，另一頭貼著「遠見」。正是靠著一代又一代觀點介乎這兩點之間的思想家勤懇的努力，我們對於宇宙的理解才會發展到今天這個境界。
如果我達到了我的目標，前面的這些篇章將會使讀者理解人類對於物理世界思考的根源、研究者所關切的問題、理論和研究的本質，以及文化和信仰體系影響人類探索的方式。這對於理解我們這個時代的許多社會、職業以及道德問題非常重要。但這本書的大部分內容也同樣與科學家和其他創新家思考問題的方式有關。
2 500年前，蘇格拉底把不曾進行過批判和系統性思考的人比喻成工匠，比如陶工那樣的人，他們在從事自己的技藝時不會遵循正確的流程——實際上製作陶器看上去似乎很簡單，但它一點兒都不簡單。2在蘇格拉底的時代，這牽涉到從雅典南部的一個黏土坑中取土，將黏土放在特製的轉盤上，以恰當的速度旋轉它來獲得準備製作的器皿的直徑，接下來還要進行揩拭、刮擦、粉刷、上釉、晾乾，然後進窯燒製兩次，每一次的溫度和濕度都要恰到好處。缺少任何一道流程，做出的陶器都會變形，開裂，變色，或者單純就是難看。蘇格拉底指出，強大的思考力也是一種技藝，它值得你去把它做好。畢竟，我們都知道那些不擅長思考的人所過的生活要麼殘缺，要麼充滿了悲哀的缺憾。
我們沒有幾個人研究原子或空間和時間的本質，但我們對所生活的這個世界都形成了自己的理論，並使用這些理論來指導我們的工作和娛樂，就像我們該如何投資、什麼是健康飲食，甚至怎樣才讓我們感到幸福。並且，和科學家一樣，我們在生命中也必須進行創新。這或許意味著當你沒有多少時間或精力時你打算拿什麼來做晚餐；當你的筆記丟了，你的電腦又死機了，你該如何臨時做出一篇陳述——或者一些可以改變人生的事情，比如懂得何時放下過去的思想包袱，何時又該抓牢支撐你繼續前行的傳統。
生活本身——尤其是現代生活——給我們帶來的智力挑戰和科學家面對的挑戰不相上下，即使我們自己並不這麼認為。因此，在所有你能從這段冒險中收穫的經驗教訓裡，最重要的或許是那些成功的科學家所展現的性格特徵：靈活多變和不墨守成規的思考方式，耐心的探索，對他人相信的東西缺乏忠誠，改變自己看法的價值，以及對於一定存在答案並且我們也將發現答案的信念。
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我們對宇宙的理解現在處在哪裡？20世紀在各個前沿取得了巨大的進步。物理學家解決了原子的謎題並發明出量子理論，這些進步轉而又使其他進步成為可能，因此科學發現的步伐變得越發匆忙。
在諸如電子顯微鏡、激光和電腦等新量子技術的協助下，化學家開始理解化學鍵的本質，以及分子的形態在化學反應中發揮的作用。同時，創造和利用這些化學反應的技術也經歷了爆炸式的發展。到20世紀中葉，世界已經完全變了模樣。我們不再依靠自然界中的物質，而是學會了如何創造新的人造材料，並通過改造使舊有材料具備了新用途。塑料、尼龍、聚酯纖維、硬化鋼、硫化橡膠、精煉石油、化肥、消毒劑、抗菌劑、氯化水——這份名單可以一直羅列下去，結果，食品產量不斷增長，死亡率持續降低，我們的生命週期急速增加。
與此同時，生物學家也取得了巨大的進步，他們詳細論述了細胞作為分子機器是如何運行的，破譯了遺傳信息是如何在代際間傳遞的，並為我們這個物種描繪了藍圖。今天，我們可以從體液中提取DNA片段進行分析，從而找出神秘的傳遞媒介。我們可以把DNA片段接入現有生物體內從而創造出新物種。我們可以把光導纖維植入老鼠的大腦來像控制機器人一樣控制它們。我們可以坐在電腦前觀察人的大腦如何產生思想，或經歷情緒。在某些情況下，我們甚至可以解讀人的思想。
儘管我們走了這麼遠，但如果就此認為我們接近任何一個終極答案，這種想法幾乎可以肯定就是錯誤的。這樣的認識是一個貫穿整個人類歷史的錯誤。在古代，巴比倫人相信大地是女海神提亞瑪特的屍體形成的。幾千年後，希臘人在理解自然的本質方面取得了不可思議的進步，大多數人也同樣相信陸地世界中的所有物體都是由土、氣、火和水的某種結合構成的。又一個2 000年過去了，牛頓學說的信奉者相信已經發生的或將會發生的一切，從原子的運動到行星的軌道，在理論上都可以使用牛頓運動定律進行解釋和預測。這些曾經都是虔誠的信仰，然而它們都錯了。
無論我們生活在哪個時代，人類都傾向於認為自己處於知識的巔峰——儘管我們之前的那些人的信仰是錯誤的，但我們自己的答案卻是正確的，並且也不會像他們的信仰那樣被取代。科學家——甚至是那些偉大的科學家——他們的這種傲慢傾向並不比任何人少。看看斯蒂芬·霍金在20世紀80年代發表的宣言吧，他說到這個世紀結束時物理學家將擁有他們的「大一統理論」。
今天的我們是否像霍金在幾十年前預言的那樣，處在已經回答了我們對於自然界所有根本問題的邊緣了？或者我們的處境是否類似19世紀和20世紀之交，在那個時候我們認為正確的理論將很快被一些完全不同的東西取代？
在科學的地平線上籠罩著的疑雲不在少數，這表明我們或許處於後一種情況。生物學家依然不知道生命是何時以哪種方式在地球上誕生的，或者在另一顆類似地球的行星上出現生命的可能性有多大。他們不瞭解推動有性繁殖進化發展的選擇優勢是什麼。或許最重要的是，他們不清楚大腦是如何產生思維體驗的。
化學同樣也有很多尚未解答的重大問題，從水分子如何與其鄰居形成氫鍵從而產生那種重要液體的神奇性質，到氨基酸鏈可以折疊的長度從而構成對生命至關重要的、意大利面般的精確蛋白質。然而，物理學才是最具爆炸性的潛在問題存在的領域。在物理學中，開放性的問題具備修正所有我們認為我們知道的關於自然最基本層面的東西的潛在可能。
比如，儘管我們已經建造了一個統一電磁學和兩種原子核力的非常成功的作用力和物質「標準」模型，但幾乎沒有人相信這個模型可以被當作最終的答案。這個模型的一個主要缺點是它排除了重力。另一個問題是它有很多可以調整的參數——「修正係數」——它們與實驗測量的基礎密不可分，但卻無法通過任何一種重要理論加以解釋。弦理論/M理論曾經似乎擁有迎接這兩個挑戰的希望，但它的發展看起來也停滯了，使許多物理學家對曾經寄予它的厚望產生了懷疑。
同時，我們現在懷疑我們使用最強大的設備觀測到的宇宙也只是未被探明的宇宙的極小一部分，宇宙空間的大部分區域就像幽靈般的冥界，注定是一個——至少在一定時間內——難解之謎。有人更精確地指出，我們通過感官和實驗室器材探測到的普通物質和光能似乎只佔到宇宙中物質和能量的5%，而一種看不見的，從未被探測到的被稱為「暗物質」的物質類型，以及一種看不見的、從未被探測到的被稱為「暗能量」的能量形式被認為構成了其餘的部分。
物理學家之所以會假定暗物質存在，是因為我們在宇宙中能夠看見的物質似乎被某種來源不明的重力牽引著。暗能量也同樣神秘。這種觀點的流行始於1998年，當時科學家發現宇宙正在以一個前所未有的加速度擴張。這種現象可以通過愛因斯坦的重力理論——廣義相對論——加以解釋。這種理論允許宇宙具有被注入一種奇特的、可產生「反重力」效果的能量形式的可能。但這種「暗能量」的起源和本質目前尚未被發現。
暗物質和暗能量會被證明符合我們現有理論——標準模型和愛因斯坦的相對論——的解釋嗎？或者，它們會像普朗克常數一樣讓我們得出一個完全不同的宇宙觀嗎？弦理論會被證明是正確的嗎？或者，如果不正確，我們能不能發現一種統一自然界所有作用力的理論，一種沒有「修正係數」的理論呢？沒有人知道答案。在所有我希望自己可以長生不死的理由中，活著知道這些問題的答案排在我這張名單的前列。我猜這就是我成為一個科學家的原因吧。