这里有一道老掉牙的趣味智力题，讲的是某天有个修道士在日出前离开他的修道院，步行去一座位于高山顶峰的教堂的故事。上山的路只有一条，非常狭窄和蜿蜒，因为有些地段相当陡峭，他有时候会走得很慢，但他可以在日落前不久抵达教堂。第二天早上，他沿原路返回，还是在日出前动身，回到修道院的时间又是在日落时分。问题是：在这条路上有没有一个地点他会在两天中的同一时间经过？你不需要找出这个地点，只需要回答有——还是没有。1
这个问题和那些谜语不同，靠的不是什么花招和隐瞒的信息，或者对某些词的新奇解释。这条路上没有什么祭坛让修道士在每天中午做祷告，你也不需要知道他上下山的速度，也没有你为了解答这道题必须猜测的遗漏信息。它也不像下面这个谜语：有一个身高6英尺的屠夫问他的重量是什么，答案是“肉”。不，这道题的情景设置很直接，你很有可能只需要读一遍就能完全理解该怎么回答它。
仔细想一会儿吧，因为要想成功地解答这个谜题，需要耐心和毅力，就和科学家花费多年时间尝试着去解决的许多问题一样。但更关键的是，正如所有优秀科学家所知道的，这取决于你以正确的方式提出问题的能力，退后一步，以一个略微不同的视角来审视这个问题。一旦你这么做了，就可以轻松地找到答案。但问题难就难在你该如何找到这个视角。这也就是为什么只有具备超常智力和创造力的人才可以创造出来牛顿的物理学、门捷列夫的元素周期表以及爱因斯坦的相对论——然而当它们经过恰当的解释，今天的任何物理学专业和化学专业大学生都可以理解它们。这也就是为什么让前一代人吃惊的东西在下一代人这里就变成了常识，并使科学家攀登上更伟大的高度。
为了找到回答修道士这个问题的办法，而不是在你的脑子里回放修道士头一天上山第二天下山的画面，来让我们做一次思想实验，以一种不同的方式来想象这个问题。现在设想这里有两个修道士——一个上山，一个下山，这两人都是在同一天的日出时分出发。很明显，他们会在路上碰面。他们碰面的这个地点就是那个问题中修道士在两天中的同一时间到达的地点。所以这道题的答案是“有”。
修道士在路上会经过一个特别的地点，他会在上山和下山的相同时间经过，这看上去像一个不太可能出现的巧合。但一旦你打开思路，想象有两个修道士在同一天上山和下山，你就会发现这并不是巧合——而是必然会发生的事情。
从某种程度上说，人类理解能力的进步靠的正是一连串诸如此类的想象，它们每一个都是由那个以略微不同的视角看待世界的人创造的。伽利略想象物体在一个没有阻力的理论世界下落。道尔顿想象如果元素由不可见的原子构成，它们将如何发生反应来形成化合物。海森堡想象原子王国是由一种和我们在日常生活中体验到的定律完全不同的奇异定律统治的。这种幻想式的思维方式一头贴着“疯狂”的标签，另一头贴着“远见”。正是靠着一代又一代观点介乎这两点之间的思想家勤恳的努力，我们对于宇宙的理解才会发展到今天这个境界。
如果我达到了我的目标，前面的这些篇章将会使读者理解人类对于物理世界思考的根源、研究者所关切的问题、理论和研究的本质，以及文化和信仰体系影响人类探索的方式。这对于理解我们这个时代的许多社会、职业以及道德问题非常重要。但这本书的大部分内容也同样与科学家和其他创新家思考问题的方式有关。
2 500年前，苏格拉底把不曾进行过批判和系统性思考的人比喻成工匠，比如陶工那样的人，他们在从事自己的技艺时不会遵循正确的流程——实际上制作陶器看上去似乎很简单，但它一点儿都不简单。2在苏格拉底的时代，这牵涉到从雅典南部的一个黏土坑中取土，将黏土放在特制的转盘上，以恰当的速度旋转它来获得准备制作的器皿的直径，接下来还要进行揩拭、刮擦、粉刷、上釉、晾干，然后进窑烧制两次，每一次的温度和湿度都要恰到好处。缺少任何一道流程，做出的陶器都会变形，开裂，变色，或者单纯就是难看。苏格拉底指出，强大的思考力也是一种技艺，它值得你去把它做好。毕竟，我们都知道那些不擅长思考的人所过的生活要么残缺，要么充满了悲哀的缺憾。
我们没有几个人研究原子或空间和时间的本质，但我们对所生活的这个世界都形成了自己的理论，并使用这些理论来指导我们的工作和娱乐，就像我们该如何投资、什么是健康饮食，甚至怎样才让我们感到幸福。并且，和科学家一样，我们在生命中也必须进行创新。这或许意味着当你没有多少时间或精力时你打算拿什么来做晚餐；当你的笔记丢了，你的电脑又死机了，你该如何临时做出一篇陈述——或者一些可以改变人生的事情，比如懂得何时放下过去的思想包袱，何时又该抓牢支撑你继续前行的传统。
生活本身——尤其是现代生活——给我们带来的智力挑战和科学家面对的挑战不相上下，即使我们自己并不这么认为。因此，在所有你能从这段冒险中收获的经验教训里，最重要的或许是那些成功的科学家所展现的性格特征：灵活多变和不墨守成规的思考方式，耐心的探索，对他人相信的东西缺乏忠诚，改变自己看法的价值，以及对于一定存在答案并且我们也将发现答案的信念。
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我们对宇宙的理解现在处在哪里？20世纪在各个前沿取得了巨大的进步。物理学家解决了原子的谜题并发明出量子理论，这些进步转而又使其他进步成为可能，因此科学发现的步伐变得越发匆忙。
在诸如电子显微镜、激光和电脑等新量子技术的协助下，化学家开始理解化学键的本质，以及分子的形态在化学反应中发挥的作用。同时，创造和利用这些化学反应的技术也经历了爆炸式的发展。到20世纪中叶，世界已经完全变了模样。我们不再依靠自然界中的物质，而是学会了如何创造新的人造材料，并通过改造使旧有材料具备了新用途。塑料、尼龙、聚酯纤维、硬化钢、硫化橡胶、精炼石油、化肥、消毒剂、抗菌剂、氯化水——这份名单可以一直罗列下去，结果，食品产量不断增长，死亡率持续降低，我们的生命周期急速增加。
与此同时，生物学家也取得了巨大的进步，他们详细论述了细胞作为分子机器是如何运行的，破译了遗传信息是如何在代际间传递的，并为我们这个物种描绘了蓝图。今天，我们可以从体液中提取DNA片段进行分析，从而找出神秘的传递媒介。我们可以把DNA片段接入现有生物体内从而创造出新物种。我们可以把光导纤维植入老鼠的大脑来像控制机器人一样控制它们。我们可以坐在电脑前观察人的大脑如何产生思想，或经历情绪。在某些情况下，我们甚至可以解读人的思想。
尽管我们走了这么远，但如果就此认为我们接近任何一个终极答案，这种想法几乎可以肯定就是错误的。这样的认识是一个贯穿整个人类历史的错误。在古代，巴比伦人相信大地是女海神提亚玛特的尸体形成的。几千年后，希腊人在理解自然的本质方面取得了不可思议的进步，大多数人也同样相信陆地世界中的所有物体都是由土、气、火和水的某种结合构成的。又一个2 000年过去了，牛顿学说的信奉者相信已经发生的或将会发生的一切，从原子的运动到行星的轨道，在理论上都可以使用牛顿运动定律进行解释和预测。这些曾经都是虔诚的信仰，然而它们都错了。
无论我们生活在哪个时代，人类都倾向于认为自己处于知识的巅峰——尽管我们之前的那些人的信仰是错误的，但我们自己的答案却是正确的，并且也不会像他们的信仰那样被取代。科学家——甚至是那些伟大的科学家——他们的这种傲慢倾向并不比任何人少。看看斯蒂芬·霍金在20世纪80年代发表的宣言吧，他说到这个世纪结束时物理学家将拥有他们的“大一统理论”。
今天的我们是否像霍金在几十年前预言的那样，处在已经回答了我们对于自然界所有根本问题的边缘了？或者我们的处境是否类似19世纪和20世纪之交，在那个时候我们认为正确的理论将很快被一些完全不同的东西取代？
在科学的地平线上笼罩着的疑云不在少数，这表明我们或许处于后一种情况。生物学家依然不知道生命是何时以哪种方式在地球上诞生的，或者在另一颗类似地球的行星上出现生命的可能性有多大。他们不了解推动有性繁殖进化发展的选择优势是什么。或许最重要的是，他们不清楚大脑是如何产生思维体验的。
化学同样也有很多尚未解答的重大问题，从水分子如何与其邻居形成氢键从而产生那种重要液体的神奇性质，到氨基酸链可以折叠的长度从而构成对生命至关重要的、意大利面般的精确蛋白质。然而，物理学才是最具爆炸性的潜在问题存在的领域。在物理学中，开放性的问题具备修正所有我们认为我们知道的关于自然最基本层面的东西的潜在可能。
比如，尽管我们已经建造了一个统一电磁学和两种原子核力的非常成功的作用力和物质“标准”模型，但几乎没有人相信这个模型可以被当作最终的答案。这个模型的一个主要缺点是它排除了重力。另一个问题是它有很多可以调整的参数——“修正系数”——它们与实验测量的基础密不可分，但却无法通过任何一种重要理论加以解释。弦理论/M理论曾经似乎拥有迎接这两个挑战的希望，但它的发展看起来也停滞了，使许多物理学家对曾经寄予它的厚望产生了怀疑。
同时，我们现在怀疑我们使用最强大的设备观测到的宇宙也只是未被探明的宇宙的极小一部分，宇宙空间的大部分区域就像幽灵般的冥界，注定是一个——至少在一定时间内——难解之谜。有人更精确地指出，我们通过感官和实验室器材探测到的普通物质和光能似乎只占到宇宙中物质和能量的5%，而一种看不见的，从未被探测到的被称为“暗物质”的物质类型，以及一种看不见的、从未被探测到的被称为“暗能量”的能量形式被认为构成了其余的部分。
物理学家之所以会假定暗物质存在，是因为我们在宇宙中能够看见的物质似乎被某种来源不明的重力牵引着。暗能量也同样神秘。这种观点的流行始于1998年，当时科学家发现宇宙正在以一个前所未有的加速度扩张。这种现象可以通过爱因斯坦的重力理论——广义相对论——加以解释。这种理论允许宇宙具有被注入一种奇特的、可产生“反重力”效果的能量形式的可能。但这种“暗能量”的起源和本质目前尚未被发现。
暗物质和暗能量会被证明符合我们现有理论——标准模型和爱因斯坦的相对论——的解释吗？或者，它们会像普朗克常数一样让我们得出一个完全不同的宇宙观吗？弦理论会被证明是正确的吗？或者，如果不正确，我们能不能发现一种统一自然界所有作用力的理论，一种没有“修正系数”的理论呢？没有人知道答案。在所有我希望自己可以长生不死的理由中，活着知道这些问题的答案排在我这张名单的前列。我猜这就是我成为一个科学家的原因吧。