当我们凝视着大自然的非凡现象时，我们可能会感到敬畏、好奇和理解我们所看到的东西的决心。这当然是麻省理工学院的艾伦·莱特曼（Alan Lightman）的普遍回应。莱特曼是一位训练有素的物理学家，也是一位多产的作家，写过很多关于物理、科学和我们对周围世界的理解的书。
“我最喜欢爱因斯坦的一句话是，我们所能拥有的最美好的体验就是神秘，”莱特曼说。“这种基本情感是真正艺术和真正科学的摇篮。”
莱特曼在他的新书《来自物质的奇迹》（The miracle from The Material）中探讨了这些概念，这本书今天由企鹅兰登书屋出版。在这本书中，莱特曼写了35篇关于科学理解的文章，每篇文章都附有壮观的自然现象的照片，从蜘蛛网到日落，从星系到蜂鸟。
莱特曼是麻省理工学院的人文实践教授，他称自己为“精神唯物主义者”，他在发现世界奇迹的同时，将自己对自然的理解建立在科学解释的基础上。
艾伦·莱特曼提供文章
关于科学认识，各有对应
最后是壮观的自然现象的照片，包括北极光、秋叶和土星环。图片来源：艾伦·莱特曼提供
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“了解这些壮观现象的物质和科学基础并没有丝毫减少我的敬畏和惊奇，”莱特曼在书中写道。《麻省理工学院新闻》与莱特曼聊了聊这本书的几个章节，以及视觉与科学好奇心之间的关系。
北极光
2024年，许多人冒险到户外一睹由太阳风暴引起的灿烂现象——北极光。当来自太阳的异常大量的电子为上层大气中的氧和氮分子提供能量时，就会出现极光。地球磁场创造了这些折叠的形状。
在许多其他现象中，北极光和南极光，在南纬地区，证明了不寻常的事物是如何激发我们的好奇心的。
莱特曼说：“我认为我们在情感上和智力上都做出了反应，对自然充满了欣赏和敬畏。”“如果我们回到人们进行科学思考的最早时期，与自然世界的情感联系可能与智力联系同样重要。夜空激发的奇迹和好奇心让我们想要了解它。”
他补充说：“北极光当然非常引人注目，让我们意识到我们是宇宙的一部分；我们不只是生活在桌子、椅子和房子的世界里。它确实给了我们一种宇宙感，让我们觉得自己是在宇宙中的一颗行星上。”
伽利略创造了“北极光”一词，指的是罗马的黎明女神和希腊的北风之神。人们创造了许多关于北极光的暗示性描述。正如莱特曼在书中所指出的那样，美洲印第安人认为这些光是天空中死去的灵魂；阿尔冈昆人把它们看作是造物主制造的火焰；因纽特人认为灯光是精灵在玩耍；对维京人来说，这些光是女武神盔甲上的反射。直到20世纪，地磁太阳风暴才被提出作为一种解释。
“这一切都是对意义和理解的探索，”莱特曼说。“在我们有现代科学之前，我们仍然想要意义，所以我们构建了这些神话。随着科学的发展，我们有了其他的工具。但非科学的解释也试图解释我们所处的这个奇怪的宇宙。”
秋天树叶
北极光是不可思议的；落叶和它们的颜色确实是一件很实际的事情。不过，莱特曼说，虽然北极光“更具异国情调”，但秋天的树叶也能让我们惊叹不已。在他的书中，他对这个问题进行了多层次的解释，从树叶中的化合物到颜色的特性，再到行星运动的力学。
首先是树叶。秋天的色调来自于树叶中的一种叫做类胡萝卜素（产生黄色和橙色）和花青素（产生红色）的化合物。这些影响通常是隐藏的，因为叶绿素的存在，帮助植物吸收阳光和储存能量，并发出绿色色调。但是秋天的日照减少意味着植物体内的叶绿素减少，所以绿叶会变成黄色、橙色或红色。
我们先跳到前面，地球之所以有季节，是因为地球并不是在相对于它绕太阳公转的轨道平面的垂直轴上旋转。它的倾斜度约为23.5度，所以在绕太阳公转的一年时间里，地球的不同部分接收到的阳光量是不同的。
这种倾斜源于数十亿年前的宇宙碰撞。太阳系是由旋转的气体云和尘埃云形成的，行星和卫星由于重力而凝结。当松散的物质撞击地球时，地球很可能被撞出了它的垂直轴，这在大多数行星上都发生过：在我们的太阳系中，只有水星几乎没有倾斜。
莱特曼若有所思地说：“我认为，理解美丽的秋叶部分是由40亿年前的一次宇宙事故造成的，这是一种诗意。这既诗意又令人兴奋。”
Mandarinfish
看到鳜鱼，你可能会觉得很惊讶，这种原产于太平洋的鱼身上鲜艳的颜色图案只比伊卡特地毯简单一点。
但是，从物质的角度来看，这种近乎奇迹的现象也可以得到很好的解释。从查尔斯·达尔文（Charles Darwin）到现在，许多科学家都认识到，鲜艳的颜色对进化有好处。
莱特曼说：“书中有许多具有显著特征的生物体。”“我认为科学家们一致认为，生物体的大多数特征都有一些生存优势，或者是曾经有生存优势的特征的副产品。”
不寻常的颜色可以作为伪装，帮助吸引配偶或警告捕食者。在这种情况下，鳜鱼是有毒的，它壮观的皮毛有助于提醒它的主要捕食者，蝎子鱼，错误的零食会带来不幸的后果。
“对于鳜鱼来说，这与它有毒的事实有关，”莱特曼说。在这里，我们可能感受到的惊奇感与一种科学机制有关：在食物链中，壮观的东西也可能具有高度功能性。
草履虫
草履虫是一种单细胞微生物，它依靠成千上万的微小纤毛来推进自己，纤毛像桨一样来回移动。17世纪显微镜发明后，人们首次观察到草履虫；它们最早可能是由荷兰科学家安东尼·范·列文虎克发现的。
列文虎克写道：“我判断其中一些小生物比我在奶酪皮上见过的最小的生物要小一千倍。”
“17世纪的第一台显微镜在很小的尺度上揭示了整个宇宙，”莱特曼观察到。
当我们看草履虫的照片时，我们在一定程度上是在观察我们自己的聪明才智。然而，莱特曼最关注的是草履虫的进化进展。在书中，他强调了它们在6亿年前的到来所代表的新兴的复杂性，它们处理了大量的能量并将其应用于运动。
“草履虫让我感兴趣的不仅是它是最早发现的微生物之一，”莱特曼说，“还有它的运动机制，那些来回摆动的小纤毛，可以推动它以相对较快的速度前进。”这是进化史上的一个重要里程碑。它需要能量和机械系统，所有这些都是通过自然选择发展起来的。”
他补充说：“由此产生的一个美妙的想法是，地球上所有生物都有共性。我们都以一种深刻的方式联系在一起。”
土星环
20世纪70年代末，莱特曼在哈佛-史密森天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）使用望远镜，第一次观测到大约有1000个土星环。
“我看到了土星的光环，我完全被震撼了，因为它们是如此完美，”莱特曼说。“我简直不敢相信会有这么大规模的建筑。那种惊奇的感觉一直伴随着我。它们是一种视觉上令人惊叹的自然现象。”
这些光环在统计上也很惊人。这些环的宽度约为24万英里，与地球到月球的距离大致相同。但这些环的厚度仅相当于一个足球场的厚度。“这是直径和厚度之间相当大的比例，”莱特曼说。土星环的质量仅为月球的百分之一的五十分之一。
最有可能的是，土星环是由一颗接近土星的卫星（已知有146颗卫星）的物质形成的，但卫星被撕裂了，它的物质散落到土星环中。随着时间的推移，重力把这些环拉成了圆形。
莱特曼在书中写道：“行星的圆度、行星环的圆度，以及许多其他美丽的现象，都自然地遵循着物理定律。”“它们本身就是美丽的。”
多年来，他已经能够多次观察土星环，总是把它视为一个“自然奇迹”。
莱特曼说：“每次看到它们，你都会感到惊讶。”
