1700951210
1700951211
由于一些人类感兴趣尺度的生理学研究史与物理定律研究史在某些方式上相类似，在讨论物理学与外在世界之前，让我们用一些时间来思考一下我们自己以及我们更加熟悉的身体内部工作机制吧。
1700951212
1700951213
领骨（collarbone）是一个其功能只能在解剖学的角度被理解的有趣例子。它表面看上去像一个衣领，因此而得名。然而科学家在探查人体内部结构时发现，领骨上有一个像钥匙模样的部位，因此它又被命名为一个我们常用的名字：锁骨（clavicle）。
1700951214
1700951215
17世纪早期，生理学家威廉·哈维（William Harvey）做了一系列志在探寻人类和动物心脏、血管系统细节的细致实验之前，没有人理解血液循环或者连接动脉与静脉的毛细血管系统。虽然哈维是英国人，但他的药学知识是在帕多瓦大学习得的。在那里，哈维从导师西罗尼姆斯·法布里休斯（Hieronymus Fabricius）那里获益良多。法布里休斯也对有关血液流动的课题感兴趣，却误解了静脉及其瓣膜所扮演的角色。
1700951216
1700951217
哈维不仅改变了我们对实际事物图景的认识，即从动脉到静脉再到毛细血管的枝状网络，血液在越来越小的尺度上循环；他还发现了一个重要的过程。在人们真正看到血液在细胞之间流入流出时，没有人能明白它的形式。哈维的发现并不只是一种分类法：他发现了一个全新的系统。
1700951218
1700951219
然而，哈维当时没有能看到这些毛细血管的技术工具，这个成就由马尔切洛·马尔比基（Marcello Malpighi）在1661年首次完成。哈维的意见包括了一些建立在理论探讨之上的假说，而这些假说不久之后就被实验证实了。即便哈维对此进行了详尽的说明，他对自己理论的坚信程度也不如后世显微镜使用者们如列文虎克（Leeuwenhoek）那般。
1700951220
1700951221
循环系统中有血红细胞的参与，这些内部元素仅有7微米长，它大致是一米的十万分之一。它是一张信用卡厚度的1/100，与雾滴的尺度相当，是我们肉眼能见最小尺度（略细于一根头发丝）的1/10。
1700951222
1700951223
血流与血液循环并非医生随着岁月的推移而可以解读的唯一事物，对人类内部结构的探索也没有终结在微米尺度上。从那之后，全新的元素与系统在越来越小的尺度上不断被发现，不管是人体系统，还是无生命的物理系统。
1700951224
1700951225
下到1/10微米的尺度，即一米的一千万分之一，我们可以看到DNA这一编码基因信息的基本生命基石。这个尺度依旧是原子尺度的1000倍，此时分子物理学（即化学）已经开始扮演重要的角色了。即便没有完全被理解，与DNA共同出现的分子层级进程也蕴含于遍布地球的丰富生命广谱之下。DNA分子包含数以百万计的核苷酸，因此无疑它们遵守量子力学所支配的原子规则。
1700951226
1700951227
DNA本身可以被归入很多尺度中。它们具有扭曲的螺旋分子结构，因此人类DNA的总长度可以以米来计量。然而DNA的宽度仅有一微米的2‰，即2纳米。这略小于微处理器上最小的晶体管门电路，后者的大小约为30纳米。单独的核苷酸长度仅有0.33纳米，与水分子尺度的量级差不多。基因的长度是核苷酸的1000～100000倍，对基因最有用的描述牵涉到问题的类型之广远多于单个的核苷酸。因此，DNA在不同的尺度上以不同的方式运作着。关于DNA，科学家们提出了许多问题，并且在不同的尺度上建立了不同的理论。
1700951228
1700951229
在描述小单元共同构成可见的大尺度结构时，生物学与物理学有一些相似之处，然而生物学牵涉的内容远比理解生命系统的个体组分要广泛。生物学的目标更加雄心勃勃。即便我们坚信隐藏在人体工作机理之下的是物理定律，机能性的生物学系统却曲折复杂，它往往有着难以预料的结果。理解这些基本单位与错综复杂的反馈机制非常困难，而当它们以遗传密码的形式组合在一起时，问题就更复杂了。即便我们已经掌握了有关基本单位的知识，解决一些更加复杂的突现科学问题依旧是一件艰深的任务，尤其是那些要为生命负责的问题。
1700951230
1700951231
物理学家也是这样，理解了个体子单位的结构并不意味着能理解更大尺度上的过程，然而大多数物理系统就这些方面而言，比生物学系统简单。即便组合结构可能极为复杂，而且有着与小单位截然不同的特性，反馈机制和演化而来的结构往往并不影响什么。于物理学家而言，找到最简单、最基本的组分才是重要的目的。
1700951232
1700951233
在人体与原子之间
1700951234
1700951235
当我们离开生命系统的机理，“跋山涉水”以寻求能够理解基本物理元素本身的尺度时，我们将立即停在原子尺度，即100皮米（1皮米=10-12 米）上，它大约是一米的一百亿分之一。原子的精确尺度难于确定，因为它包含着永不停息地围绕原子核旋转的电子。但习惯上，我们把电子到原子核的距离称为原子的尺度。
1700951236
1700951237
人们想象出各种解释那些小尺度上物理过程的图景，然而它们必须以类比为基础。我们别无选择，唯有应用我们所熟悉的、日常生活中大尺度上的语言，以描述那些呈现出奇异、反直觉行为的完全不同的结构。
1700951238
1700951239
想以我们最惯常使用的生理学基础，即感官与人类尺度上的手工灵敏度，忠实地画出原子的内景是不可能的。例如，视觉需要借助电磁波组成的光才能使现象变得可见。那些光谱中的光波波长分布在380～750纳米的范围之内，这比尺度仅有1/10纳米的原子要大多了（见图5-2）。
1700951240
1700951241
1700951242
1700951243
1700951244
图5-2 即便与最小的可见光波长相比，一个单独的原子也只是一个微粒而已。
1700951245
1700951246
这意味着，试图以观测可见光的方式直接通过肉眼了解原子的行为，犹如试图戴着拳击手套穿针引线。这些问题牵涉到的波长迫使我们使用那些过度延展的、分辨率永远不够的光波，以将更小尺度上的信息模糊掉。所以从本质上来讲，我们是不可能在字面意义上“看到”夸克甚至质子的——我们没有准确看到那里存在什么的能力。
1700951247
1700951248
然而，混淆我们描绘现象的能力以及我们对其实在性的信心，是科学家们所不能承受的错误。不能看到或者不能在脑海中想象，并不意味着我们不能推断出物理元素或者在那些尺度上正在发生的物理过程。
1700951249
1700951250
从我们假设的原子尺度的优越地位来看，世界会变得无比奇妙，因为这个尺度上的物理定律与以我们熟悉的尺度上适用的物理定律截然不同。原子的世界与人眼可见的物质世界是全然不同的（见图5-3）。
1700951251
1700951252
1700951253
1700951254
1700951255
图5-3 原子由原子核与围绕原子核旋转的电子构成；原子核由带一个单位正电荷的质子与不带电的中子构成。
1700951256
1700951257
人们已经发现的最震撼的事实是，原子内部空无一物（当然，其间存在电磁场，然而实际上并不存在真正的物质）。原子核，即原子的中心，其半径是电子绕其旋转的轨道的万分之一。原子核的平均大小约是10-14 米，即10费米。氢原子核的大小是这个数值的1/10。与原子半径相比时，原子核的大小可以类比为与太阳系相比时，太阳的大小。原子的内部几乎是“空的”。原子核的体积只有原子体积的一万亿分之一。
1700951258
1700951259
这与我们把拳头打在门上或者用吸管饮用冷饮时所见到或者触及到事物时的感觉完全不同。感官让我们相信物质是连续、致密的。然而在原子尺度上，我们发现物质的内部却空空如也。这仅仅是因为我们的感官将小尺度取了平均值，因此物质都看似是连续、致密的。然而，在原子尺度上却并非这样。