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内容简介

是宇宙里恒星的数量多还是地球上沙子的数量多？鸭嘴兽是爬行动物还是哺乳动物？在动物界，为什么总是雄性更漂亮？你是不是有很多不好意思问出来的不解问题？这本书就是为你而写的！

作者希望通过本书在广义的层面上探讨科学，而不是专注于某一个特定的领域，所以本书的内容涉及物理学、生物学、数学，甚至博弈论和行为经济学在内的众多学科。书中的章节编排完全不遵从任何逻辑，每章都是一个独立的主题，每个主题都是引人入胜的科学想法。作者以生活中与女儿们的对话作为每一章的起始，用通俗易懂的语言，循循善诱，让你渐入佳境，走进迷人的科学世界。

作者简介

大卫•卢阿普尔，基础物理学博士，研究方向为“无限大与无限小的统一”，物理学研究者、科普传播者，致力于在互联网上推广应用物理。

译者简介

孙佳雯，英法双语译者、自由撰稿人，擅长翻译科普类、社科类作品。拥有理学学士、社会学硕士学位。法国巴黎社会科学高等研究院博士候选人，旅居法国多年。愿以翻译为桥梁，沟通古今上下东西文化，跨越知识与日常之鸿沟，让科学变得亲切，让眼界更加宽广，让心灵获得自由。

目 录

1  宇宙里的恒星比地球上的沙子数量还多吗

无边无际的宇宙

一大堆的沙子

2  地球上初的那些小生命是怎样出现的

奥帕林猜想 16

米勒实验 18

改变大气的需要

3  鸭嘴兽是哺乳动物还是爬行动物

一种十分奇怪的动物

进化树上何处安放你，小小鸭嘴兽？

哺乳动物的进化树

进化的分叉

4  原子究竟有多小

原子与分子

富兰克林的实验：一次错失的机会

一杯水里有多少分子？

5  不想环绕地球，可怎么能知道它的周长呢

井底的太阳光

灯塔的阴影

在骆驼背上

现在轮到读者们了

6  地球的内部是液态的吗

一层薄薄的地壳

不，地幔不是液态的

大陆板块的漂移

地幔之下

关于地球内部，我们怎么会知道得这么清楚呢

7  我们的体内一共有多少细菌

比例 10∶1

我们到底是谁

不要动我的细菌

你属于哪种粪便型

8  数学研究总是那么难以理解吗

一个如此简单的猜想

另一个难解的猜想

费马大定理

9  月亮是从哪里来的

我的老乌龟们正好走在一位忍者上

让我逃离月球

注意注意，忒亚来啦

没有月亮，就没有生命

10  宇宙是某天突然诞生的吗

爱因斯坦创造的广义相对论

宇宙正在膨胀中

多普勒红移

我们的未来将何去何从

宇宙往事回眸

11  吃亏上当的总是老好人吗

分享还是盗走

每个游戏都不一样

那么，在日常生活中呢

否决博弈

敌人还是朋友

阿克塞尔罗竞赛，在宽恕与惩罚之间

12  为什么漂亮的总是雄性

贝特曼原理

武器与装饰

可是为什么还有那些样貌平庸的雄性呢

两性战争

13  为什么法国茴香酒加水会变混浊

脆弱的“三人行”

会变混浊的法国茴香酒

一个科学的魔术技巧

14  我们买下的商品总是想买的那件吗

一则有趣的广告

一个关于比较的问题

损失规避

接受沉没成本

大量的偏见

15  原子是在哪里被“制造”出来的

原子结构面面观

一场不太高产的大爆炸

在恒星的大熔炉中

超新星

我们在创造原子的过程中做了些什么

16  有益还是有害？奇妙的分子镜像

分子式并不能说明一切……

镜像分子

生命都是左撇子

关于味道

镜子里的另一端

17  克罗马农人是我吗

人类、猴子和树

“东区故事”理论，一个关于气候变化的故事

从非洲到世界各地

走出非洲

亲爱的消失者

18  化验结果呈阳性，我们一定是生病了吗

一个反直觉的结论

如何正确看待概率

辛普森悖论

悖论困境及其影响因子

啤酒与性欲

19  我们所做的事情总是出于自愿吗

一个令人不安的实验

无意识与做决定

我们可以预测自己的行为吗

当科学遇到哲学

自由意志与社会

20  是谁捉住了希格斯野牛

潜入物质结构的深处

微粒子万花筒

粒子物理学的标准模型

古怪的媒介子

“希格斯”的舞台

事实上，我不喜欢希格斯玻色子……

延伸阅读

致 谢

图片致谢

前 言

从很小的时候开始，我就立志成为一名科学家。哦，当然啦，我也曾经想过成为消防员和宇航员，但终，我很幸运能够早早地感受到我的使命在召唤着我，那就是科学。不过，具体要投身哪个领域的科学呢？我曾犹豫了很长一段时间，迟迟不能决定，而那一锤定音的瞬间终于在我 18 岁上下的时候到来了。彼时我正在住院，好几天卧病在床，主要的消遣就是读书，我读的那本书叫《时间简史》，是史蒂芬•霍金的书。这位著名的英国天体物理学家在书中讨论了宇宙的起源、大爆炸理论、黑洞，以及很多其他关于时间与空间的不可思议的话题。就在那一刻，我下定了决心：我，也要成为一名天体物理学家！

几年过去了，在付出了大量辛勤的汗水之后，幸运女神向我招手了：我进入了博士阶段的学习，并且主攻一个魅力无穷的研究方向，即“量子引力”。量子引力属于理论物理学的领域，旨在试图回答无限大和无限小的理论如何统一的难题。所以我在力所能及的范围内，用我自己的方式，开始了关于“万有理论”的探索，这对于更好地理解大爆炸之后的初时刻及空间 − 时间的结构至关重要。霍金在他的书里也提到了同样的理论，而之后他也一直在为继续构建这个理论而努力着。

在这样一个激动人心却又令人生畏的研究领域工作，经过博士阶段 3 年的调查研究，我当然也取得了一定的成就，但是，就像在物理学领域中常见的那样，我的这点儿成就对于推动这个著名理论进展的过程来说，只是一点儿小小的积累而已。还有一点，如果我想要继续在这条路上走下去，尤其是想要找到一份专业对口的稳定工作几乎是不可能的，因为这个领域的学术职位实在是太稀少了。因此，在我获得博士学位之后，就决定转行了。

在此之前，已经有很多导师建议我说：你得有一个备用计划。彼时，对于博士毕业的我来说，有两条路摆在面前，其一是成为一名教师，其二是转向应用研究。几经犹豫之后，我选择了后者，于是我决定去敲一敲工业领域的大门。

我进入了法国一家大型工业集团的研发部门，我的工作让我有了两个至关重要的发现，没有这两个发现，可能也就不会有这本书的问世。首先，我发现除了黑洞和大爆炸，还有让人血脉贲张的科学研究课题。在我读博士的时候，我觉得只有基础物理学才是棒的，而其他的科学领域对我来说都是那么苍白无趣，但是相信我，液态泡沫的物理化学、应用数学，以及材料力学都是非常令人兴奋的研究领域……

而第二个发现，则是我发现自己热爱科普事业。在工业研发领域和学术领域工作，一个根本的区别就在于，在大学里，我们通常只会和学术同行们打交道，但在企业里，我们要花时间向那些不是研究者的人解释我们的工作。而也正是在这样的过程当中，我意识到自己很欣赏这种教育实践，并且，我也很擅长做这样的事情……

在过去的 5 年时间内，我一直在业余时间从事面向大众的科普工作，这算是我的爱好，也让我觉得很好玩。开始我采用的是博客的形式，几年之后，我开始录制视频，然后在视频网站上建立了个人频道并发布录制内容。科普工作能让我把对科学的热情转化为满足另一种更深层次目标的动力。我们正生活在这样的一个世界里，在这个世界，科学与技术的发展和影响越来越大，但是滋养科学文化的土壤却无比贫瘠。不信吗？让我给你描述一个启发性的画面吧！当你开口说出“文化”这个词，大多数人会联想到“文学”“绘画”“古典音乐”或者“历史”……但几乎不会有人想到科学！就好像科学文化并不属于文化领域一样。这种现象会导致什么结果呢？在法国——在其他国家可能也是一样——科学对孩子们不再具有吸引力。中学生、大学生们都不再渴望成为“科学家”，这一点也造成了社会普遍的忧虑，因为很多专家指出，经济的繁荣将会来自于科学研究和创新。简而言之，对我来说，科普工作就等于尝试着——不太谦虚地说——改变世界。

因此，出于以上种种原因，这本书问世了。我希望能够在广义的层面上探讨科学，而不是专注于某一个特定的领域；这也就是为什么你会在书里看到物理学，也就是我的老本行，以及生物学、数学，甚至还有一些社会科学。书中的章节编排完全不遵从任何逻辑，每一章的主题都是独立的，与其他章节没有联系，可以放心阅读，而每一个主题都是曾经吸引我的科学想法，它们让我珍视科学，我非常愿意与大家一起分享这些科学知识。

在前言里，我还要做一个重要的声明：你完全不需要具备长时间的科研经历就能读懂这本书的内容。你应该大概知道原子是什么吧？你听说过基因吧，还有概率。行了，你一定能看懂这本书！

你是不是有很多不好意思问出来的不解问题？这本书就是为你而写的！探索进化的奥秘或者了解希格斯玻色子的复杂性让你对本书望而却步？放轻松吧，这本书里，每一章都会循循善诱，让你渐入佳境，因为每一章的开头，都是一段与孩子们的对话！我真的非常幸运能有 3 个可爱的女儿，她们的存在让我有了更多作为一名科学研究者的觉悟，也常常能够激发我对科普工作的热情。和她们聊科学、向她们解释科学原理，真的是一种非常好的科普技巧的训练。

对于那些想要了解得更深入的读者，我在本书的后列了一份推荐书单，有一些是介绍性的书籍，另外一些则更具专业性（基本上都是英文的科学类出版物）。读罢此书，别忘了也可以在互联网上找到我，因为那里也是我开始科普征程的起点，尤其是在社交网站上（我的推特账户是 @dlouapre），我在YouTube上的频道名称叫作“令人称奇的科学”（Science étonnante）。

在线试读

18  化验结果呈阳性，我们一定是生病了吗

2015年10月27日

这一回，今年的秋老虎是真真正正地过去啦。过去几周里，天朗气清，惠风和畅，温度适宜，然而突然一阵寒流袭来，猝不及防。因为气温骤降，所以人体对于秋季的到来多多少少有点儿不适应。

我小的女儿阿加莎在换季的时候咽喉肿痛，我们有点儿担心她得了咽炎。慎重起见，医生向我们建议做一个化验，看一看到底是什么毛病。如果是细菌引起的咽炎，那么可以通过抗生素治疗。如果是病毒引起的，那抗生素是没有用的。

阿加莎乖乖地接受了化验。后，结果呈阳性，说明阿加莎的咽炎是细菌引起的。

“爸爸，阿加莎的化验是什么结果啊？”玛丽娜很关心她的小妹妹，向我问道。

“化验结果呈阳性，意味着是细菌引起的咽炎，用抗生素就能治疗。”

“医生们经常做化验吗？”

“对，经常，通过做这样的化验可以确定很多种疾病。”

“那化验的结果永远都是对的吗？”

“也不一定，要看是什么病、什么化验。有的时候化验结果呈阳性，但是我们并没有真的生病。我们称之为‘假阳性’。”

“那样的话，我们不就白担心了吗？”玛丽娜不安地说道。

为了理解为什么说化验的可靠性问题并不是那么简单的，你可以想象这样一种情况。你刚刚做了一项化验，发现自己可能患上了一种在人群中发病率只有 0.1% 的疾病。医生向你宣布化验结果：很不幸，结果呈阳性。

然后，你问医生，化验结果的准确率是多少。“很简单，”医生道，“如果您真的患上了这种病，化验结果有 90% 的可能呈阳性。如果您没有患病，化验结果有97%的可能呈阴性。”这话听起来挺耳熟的，对吧？如果化验结果呈阳性，那么你很有可能患上了这种疾病。然而，在你看来，你患上这种病的概率是多少呢？ 97%、90%、87% 或者更低？

好吧，正确的答案是：概率比你们想的低得多！为了证明这一点，让我们一起算算看。

一个反直觉的结论

假设我们在人群中随机抽取1万人进行测试。然后我们假设上面医生说的这种疾病在人群中的发病率是 0.1%，也就意味着，在这组抽样当中，大约只会有10人患病。对于患者们来说，测试结果有90%的可能呈阳性。因此，10个病人中的9人会获得阳性测试结果， 1人会获得阴性的测试结果（这是一种“假阴性”）。

现在，让我们来看一看另外9990个没有患病的人。根据医生给出的数据，未患病人群中有97%的人测验结果呈阴性，但是还有3%，也就是说大约300人，化验结果呈阳性，这就是我们所说的“假阳性”。

后，让我们看看在这1万人的抽样当中所有化验结果呈阳性的人：有9个真的患了病的患者，还有300个假阳性的“患者”！因此，如果你的测试结果呈阳性，那么你只有2.9% 的概率真的患上了这种疾病。（图1）

你是不是觉得这个结果太违反常理了？其实不光是你，有一些健康专家也对这个结果一头雾水。看破这个悖论的关键在于，当我们的化验结果呈阳性的时候，我们往往直观地低估了假阳性的概率。然而，对于一个在人口中患病率很低的疾病来说，通常假阳性的数量比真阳性的数量要多得多。

如何正确看待概率

为了解答在面对此类奇怪的悖论之时自然而然产生的困惑，我们需要简单地了解一下什么是所谓的“条件概率”。当我被告知化验结果呈阳性的时候，我会考虑我是不是真的生病了，我一定会问自己：“如果已知的化验结果呈阳性，那我患病的概率到底是多少呢？”

所以，当医生告诉我说，如果我真的生病了，化验的结果有 97% 可能呈阳性，那么他回答的其实是：“如果已知自己生病了，那么我化验结果呈阳性的概率是多少？”

你看出这两者之间的区别了吗？还没有？那么再想想看下面这两个类似的问题：

“如果已知自己是前总统，那么我是一个人的概率是多少？”

“如果已知自己是一个人，那么我是前总统的概率是多少？”

我们可以看到，这两个问题的答案是大相径庭的！当概率问题涉及“如果已知”这个条件的时候，数学家们会告诉你这个叫作“条件概率”。这几个字看上去不起眼，但是正如我们刚才所看到的那样，这不但在医学诊断当中是一个至关重要的问题，在我们日常生活中也是常见的社会辩论话题。

假设我正在编辑一本犯罪统计数字的相关图书，然后我简单直接地告诉你说：“95% 的偷车贼穿红色的衣服。”

我敢肯定，此后你每当看到一个穿着红色衣服的人经过车旁的时候，小心脏都会抖一下。然而，这是完全没有道理的，因为我并没有说“穿红色衣服的人中有 95% 是偷车贼啊”！

下一次，当你遇到这种类型的统计数据时，花点儿时间想一想，这个数据究竟意味着什么，也想一想其中可能的陷阱在什么地方。考虑一下“条件概率”的情况，对于更好地理解数据会更有帮助。

既然我们常常遇到统计学的陷阱，下面让我再介绍一个更匪夷所思的悖论。