序言　洞察力来自对身边事物的感知

早在远古时代，人类便通过听觉、视觉、嗅觉、味觉和触觉这5种感官彼此交流、与世界互动。在原始时期，要想生存，必须调动这5种感官并时刻保持最高警惕。那时，我们的祖先必须仔细听猛兽靠近时穿过矮树丛的声音，必须在攻击者接近时看到它们，必须闻到空气中正在逼近的野火的气味，必须在腐烂的食物中尝出危险的味道，必须能感觉到有毒昆虫在沿着他们的脊背爬行。失去了这些防御性感官中的任何一种，在毁灭性的威胁接近时，他们所承受的风险都可能会增加。

社会化过程中，为争夺资源，可能会出现欺骗、战争等社会现象。在这个过程中，个体的感官得到进化，为善于接收信息的大脑服务。人们悄声密谋的话语和声音、可疑的行为表现、空气中充斥的气味、水中某种物质的味道、某种正在发生的不同寻常的事情，都会向人发出警报，让人开始警觉。我们现在称为习语或成语的词和词组便源自感官的直接经验。

工业革命让人类社会出现了各种变化，然而让我们理解世界及其功能运行的，正是我们对于世界不断发展的洞察力。当工具、装置、机器和其他人造物品与系统的数量激增的时候，人类必须调整自我的感官。使用技术设备的人应察觉到可能出现的危险情况，例如，要能听到装进了不正确燃油的发动机的砰砰响声，看到逐步损坏的机器零件上的损伤，闻到过热的垫圈的气味，尝出燃烧油料的烟味，感觉到轮胎的异常振动。能否察觉到这类迹象并理解其意义，取决于人们对相关力的作用的经验以及对状况好坏的区分。

作为现代医学发展过程中的一个目标，拓宽我们的五感所能观察到的深度与广度，与手术器械的引进和药物的研发同样重要。听诊器放大了来自心脏、肺和消化道的声音；X射线让医生不用切开皮肤就能看到皮下的状况；对于活检组织与尸检组织的分析测试补充了鼻子对于腐烂气味的检测；化学分析让医生不需要品尝患者的尿液；磁共振和其他成像设备能够让医生获得比腹部触诊更多的信息。但发展这些技术需要时间，这个过程首先要想象，然后需要制造原型机并加以调整，直至技术精确可靠。

任何力都不可能超越科学的限制

任何新技术的发展都必须符合自然定律，因此，其中涉及的任何物质间的相互作用力、化学力、电力或者其他力，都不可能超越科学的限制。这就意味着，在牛顿物理学观点下，追求永动机是没有意义的。同时，研究与开发不能只考虑物理上的力，而应考虑更广阔的社会环境。技术的发展也受制于伦理、道德等社会条件，而这些社会条件无法轻易界定。

2020年初，由于担心身体接触会传染新冠病毒，人们都避免做触摸动作，如不握手、不拥抱，也不做其他人类常用来表达亲善、友谊甚至爱情的动作。为了替代以上这些具有确定意义的互动形式，我们触拳、碰肘、鞋子点地，甚至臀部相碰。人们设想，在未来人们表达亲密的方式可能会有所改变。

人类可以利用五感可靠地检测空气成分。另外，五感对感染也是最先做出反应的，是症状的最早发现者。当感染者感到呼吸困难的时候，人类的耳朵可以直接听到；感染者会流鼻涕或者发冷，人类肉眼可见这些症状；即使没有失去嗅觉和味觉，感染者的这两种感官也会变弱，这让他不想吃东西，可能会导致体重明显下降；感染者会发烧，我们用手触摸他的额头就能感觉到。有时候，呼吸受到的影响实在太大，感染者将不得不借助呼吸机进行呼吸。与此同时，要进入医院或者其他医疗单位的步骤也颇为繁多。为了进入一家诊所，我不得不接受无接触温度计的体温测量，在无接触滴药装置下伸手并接下一大滴擦手消毒液，按照地板上画出的标志站立以保持社交距离，在不接触面部的情况下戴上口罩。这或许会让我们中的一些人感到，我们的触觉变得越来越不敏感了。

中世纪的人们认为，疾病是通过瘴气传染的，瘴气是指由腐烂的肉体和其他疾病来源发出的臭气。为了保护自己不感染黑死病，“瘟疫医生”戴着形如鸟喙的鼻罩（见图0-1），其中填充着阻塞瘴气的芳香草药和花朵一类的物质。根据当时的书面描述，这些医生身穿黑色的斗篷和帽子，手持一根棍子，这样他们可以在不直接接触感染者的情况下进行检查。刻板印象中的“瘟疫医生”就是所谓的“鸟嘴医生”，他们成为死亡和疾病的一种象征。

直到19世纪末，医疗单位内的一些医疗工作者才开始遮盖自己的鼻子和嘴巴，但在几十年的时间里，这种做法还远远没有成为惯例。与此同时，美国和德国在第一次世界大战时开始有意识地使用口罩，但鼻子仍然暴露在外面。在研究了口罩的组成之后，人们在20世纪40年代开始使用可洗、可消毒的口罩。直到20世纪60年代，美国才首先使用用纸和羊毛制造的口罩，同时开始广泛使用一次性口罩。在21世纪20年代初新冠疫情期间的美国，双层口罩和医用外科口罩成为口鼻遮盖物的标配。

理解物质世界的运作，超越物质世界的表象

医用外科口罩是使用多层材料、沿水平方向打褶的大约90毫米×165毫米的长方形遮盖物。医用外科口罩的制造过程固定了其大小，所以其长方形的边缘无法拉伸，不能完美贴合大小各异的脸部形状。然而，口罩上的褶皱可使过滤材料在竖直方向上展开，确保口罩可以遮盖鼻子和嘴巴，而且这种结构能在口罩和脸之间形成空隙，使佩戴者能够更轻松地呼吸。在一种更好的口罩中，设计人员在口罩长方形的上边缘加入了一截易于弯曲的金属条或者金属片，这种口罩能大致适应鼻子的轮廓，但无法完全贴合。垂直边缘上带有弹性带子，可以拴在耳朵上，从而拉紧口罩，使口罩紧贴面部。但是，因为带子在口罩上的连接点之间的距离是固定的，所以无法拉伸口罩，只能收紧口罩，这就经常让口罩和佩戴者的脸颊之间出现缝隙。这两个缝隙和鼻子周围的缝隙，使得口罩无法完全密封，导致佩戴者呼出的气流从这些缝隙中泄漏，同时外界空气也能通过这些缝隙进入口罩内部，而不经过长方形的过滤区域。如果想要通过重新设计普通口罩来克服这些缺点，我们需要重新设计引导空气进入并通过过滤材料的力。例如，更短但更有伸缩性的垂直侧边，可以使口罩紧贴小脸的人的脸颊，同时弹性的设计可以让口罩伸展，以适应长脸形的人。

如果标准口罩无法适合所有成年人的面部大小，或者没有改进措施来解决口罩上力的重新分配问题，那么我们就应该在市场中提供不同大小的口罩。在疫情期间，我进入的所有医院、医疗中心或者医生的诊所，都只提供统一规格的口罩。尽管戴大小不合适的口罩很可能比不戴口罩要好，但如果有不同规格的口罩，哪怕只有有限的选择，如小号、中号、大号，也会大大提高口罩的作用。这也有可能消除单一规格带来的另一个明显瑕疵，即口罩时常会从佩戴者的鼻子上滑下来，而这会让口罩失效。我们可以很容易地找到口罩滑落的原因，即物质之力在起作用。

如果口罩无法沿垂直方向有效遮盖从鼻子到下巴之间的区域，那么在弯曲下颌以便有效地说话、使劲咬东西或者张大嘴打呵欠的时候，我们的下巴就会紧贴口罩的底部，并进一步将它拉到鼻梁下面。如果套在耳朵上的绳环无法拉紧口罩，使之紧贴鼻梁，就不会有多少力让口罩贴合人脸，口罩就会沿着鼻梁下滑，一直滑到鼻尖下面，暴露鼻孔。为解决这个问题，医务人员和其他人发明了一些聪明的方法，以使口罩能够拉紧，并紧贴面部。其中一个方法是把弹性带子扭成8字形，或在耳朵后面给带子打个结，这样可以进一步有效地拉伸弹性带子，增加拉住口罩的力。也可以用另一种方法解决问题，即重新设计口罩，例如，从一开始就用较短的带子，让口罩的边缘变短但具有更强的伸缩性，或者增加褶皱数量，让口罩更容易沿垂直方向拉伸，并在更大程度上运动，这样能适应长脸形的人并满足更大地张开嘴巴的要求。目前，对于医用外科口罩所做的一些大受欢迎的改进确实做到了更好地符合脸部形状，但其他的力学问题尚未得到解决。

当口罩无法在鼻子周围紧密贴合时，那些戴眼镜的人会遇到特别的问题。嘴里呼出的气流温暖、潮湿，这些气流会沿着口罩的上边缘露出的缝隙逃逸，并使镜片起雾。这会让口罩佩戴者暂时无法视物，对于正在横过马路或者进行精细加工的人来说特别危险。口罩如果遮盖了眼镜的下边缘，它与脸部的贴合效果会更差，因此我们一定要让眼镜遮盖口罩的上边缘。长期以来，眼镜起雾一直是手术室外科医生的苦恼。抗雾镜片膜能在一定程度上解决这个问题，但它们很容易被擦伤、脱落。一些聪明的外科医生使用手术胶带或黏性绷带，把口罩的上边缘固定在眼睛下面的脸上，这样做可以防止镜片起雾。但这种做法无法在手术室外广泛应用。佩戴隐形眼镜的人也会遭受来自面部和口罩上边缘之间缝隙的气流的困扰。这种温暖、潮湿的环境会促进细菌生长和加剧细菌对眼睛的感染。一次性软性隐形眼镜尤其容易干燥，并会引起眼睛疼痛，佩戴者甚至需要寻求眼科医生的诊治。

职业发明家与业余发明家总是在寻找新的挑战，其中许多人甚至因为对最普通的装置做出的改进而获得了专利。我们几乎可以肯定，在下一次疫情出现之前，将会有人对医用外科口罩做出重大改进。而且，这些新的改良型口罩很可能通过控制与利用物质之力，确保将口罩牢牢地固定在适当的位置。许多发明家被寄予厚望，毫无疑问，他们会对标准口罩中存在问题的部分，即整体形状、无法伸展的边缘、褶皱、套耳圈进行重点研究和改进，然后设计出改良型的口罩。一些发明家则更富探险精神，他们或许能够找出过去尚未发现的设计缺点，设计出革命性的模型，这些新设计的制造成本与价格都将更低。这也是所有发明家的梦想。

一般有两种接种疫苗的方式。其中一种方式似乎是那些不习惯为病人打针的医务人员采用的，即将针头放置在将要接受注射的位置上，然后抵住皮肤并缓慢地将其推进去，此时手臂上会产生一个看得见的碗状凹陷，人们可以清楚地看到开始时皮肤是怎样对抗穿刺，然后又在针头的力的作用下屈服并随后反弹的。另一种方式则是更有经验的护士采用的，她们迅速而又从容不迫地把针扎进胳膊。她们做得很迅速，皮肤表面没有发生肉眼可见的变化。当针头扎进去时，它在皮肤上施加了一个强劲的力，在皮肤尚未产生任何可以注意得到的变形之前便刺穿了皮肤。

本书的主题是机械力，它既能让一只口罩紧贴在脸上，又能让一只口罩滑动并产生缝隙。给某人接种疫苗时，力能够让针筒把疫苗从一个小瓶中吸出来，并通过针头把疫苗推入肌肉，而且针头本身也是通过力的作用刺穿皮肤的。而在机械世界中，力是一个关键的赋能因素，力在很大程度上依赖接触和触摸。将我们的其他感官聚焦在触摸上，能赋予我们感受与理解世界的新途径。

美国思想家、文学家爱默生在题为《自然》（Nature）的论文中，呼吁人类形成“与宇宙之间的天然关系”。在为先验论打下基础的同时，爱默生认为，研究自然将加深人们对于一切事物的理解。工程师或许没有开创全新的哲学运动的抱负，但他们相信，通过研究自然之力及其作用，可以拥有更广阔的视野来理解物质世界的运作方式，并由此延伸出超越物质世界的表象，深入理解其中的社会和文化结构，以及人类情感与物质世界的联系。尽管另一位先验论者梭罗曾断言，他“生来不会受到力的支配”，但在瓦尔登湖畔，当为了拼装房屋而用力挥动锤子砸钉子时，他也绝对不会手软。和超越自然表象、研究其内在微妙之处一样，思考钉子和使钉子发挥作用的原理同样具有启发意义，也同样能获得令人满意的结果。

无论何等庞大之力

都无法将最细小的绳子

拉成一条完全笔直的线

——胡威立（William Whewell）《初等力学教程》（An Elementary Treatise on Mechanics），1819