圖解100個(gè)科學(xué)基本名詞

圖解100個(gè)科學(xué)基本名詞目錄\h物理學(xué)Physics\h運(yùn)動\h力和場\h能量\h功\h引力\h重量和質(zhì)量\h慣性和離心力\h矢量\h光譜\h分子、原子、離子\h基本粒子\h量子\h熱能\h熵\h射線和放射性\h希沃特和貝可勒爾\h核裂變和核聚變\h中微子\h希格斯玻色子\h納米\h專欄1“只有神知道”是真的嗎？偶然性和概率\h電磁學(xué)Electricity\h電荷和電場\h電流、電壓、電阻\h磁\h電磁感應(yīng)和電磁波\h半導(dǎo)體和晶體管\h超導(dǎo)\h激光\hLED\h太陽能電池\h人工智能\h量子計(jì)算機(jī)\h量子隱形傳態(tài)\h專欄2買彩票前應(yīng)該知道的事期望值\h化學(xué)Chemistry\h元素、同位素、化合物\h元素周期表\h酸、堿、中和\h化學(xué)鍵\h化學(xué)反應(yīng)、氧化、還原\h固體、液體、氣體\h潛熱\h卡路里\h催化劑\h硅和硅橡膠\h臭氧和氟利昂\h碳納米管\h稀土元素\h專欄3可以相信這個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)嗎？有意義的統(tǒng)計(jì)結(jié)果\h生物學(xué)Biology\h細(xì)胞\h病毒\h細(xì)胞呼吸和線粒體\h光合作用和葉綠體\h蛋白質(zhì)和酶\h基因和基因組\hDNA和RNA\h細(xì)胞分裂和生殖\h進(jìn)化\h激素和信息素\h免疫、疫苗、過敏\h克隆和iPS細(xì)胞\h基因操控和基因組編輯\h端粒\h自體吞噬\h生物量\h專欄4這個(gè)和那個(gè)，有什么關(guān)系呢？因果關(guān)系和相關(guān)關(guān)系\h地理學(xué)Geography\h低氣壓和高氣壓\h鋒\h臺風(fēng)\h極光\h地殼、地幔、板塊\h火山和地震\h地震烈度和地震震級\hP波和S波\h地震液化作用\h熱液噴口\h厄爾尼諾和拉尼娜\h頁巖油、頁巖氣、可燃冰\h專欄5迂回與轉(zhuǎn)折的循環(huán)摸索前進(jìn)的科學(xué)之路\h宇宙學(xué)Cosmology\h光年、天文單位、秒差距\h太陽系、行星、衛(wèi)星\h小行星\h彗星\h恒星\h星系\h星系團(tuán)和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)\h黑洞\h宇宙大爆炸和暴脹宇宙\h引力波\h系外行星\h暗物質(zhì)和暗能量\h專欄6論文與科學(xué)家正確的科學(xué)物理學(xué)

Physics在物理學(xué)的研究中，理論和實(shí)驗(yàn)就像前后車輪，兩者相互配合，共同前進(jìn)。理論物理學(xué)家預(yù)測出的各種現(xiàn)象，可以由實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家利用精密的儀器，投入時(shí)間進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證。反過來，在實(shí)驗(yàn)和觀測中發(fā)現(xiàn)的意想不到的現(xiàn)象，也可以由理論物理學(xué)家提出理論加以解釋，推動物理學(xué)理論的發(fā)展。光有理論沒有實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)就像空中樓閣；光有實(shí)驗(yàn)沒有理論，物理學(xué)就會變成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的無謂堆疊。只有兩者的研究進(jìn)入良性循環(huán)時(shí)，物理學(xué)才能進(jìn)步。運(yùn)動許多詞語的意義在日常生活中和科學(xué)世界中是有區(qū)別的。

對這樣的詞語，如果不仔細(xì)區(qū)分，就很容易望文生義。

“運(yùn)動”這個(gè)看起來再簡單不過的詞就是如此。物體的移動日常生活中的“運(yùn)動”，是指人或動物自發(fā)地進(jìn)行移動。但在科學(xué)領(lǐng)域，“運(yùn)動”所指的并不僅是自發(fā)的移動，只要物體發(fā)生了移動，就都算“運(yùn)動”。小船靠風(fēng)力前進(jìn)，不會自發(fā)地運(yùn)動。從科學(xué)角度看，這也算運(yùn)動。保齡球在球道里滾動時(shí)，球體并未自發(fā)運(yùn)動，僅僅是靠慣性向前移動，但這也算運(yùn)動。觀察者不同，運(yùn)動情況也不同相對性有一列正在運(yùn)行的列車，在乘客看來，列車司機(jī)幾乎沒有運(yùn)動（圖①），但在站臺上的人看來，列車司機(jī)卻和列車以相同的速度進(jìn)行高速運(yùn)動（圖②）。相反，列車上的乘客看到站臺上的人，也會認(rèn)為站臺上的人在向后運(yùn)動（圖③）。對物體所做運(yùn)動的判斷，會因?yàn)橛^察者所選取參照物的不同而不同，這就叫運(yùn)動的相對性。發(fā)現(xiàn)運(yùn)動具有相對性的人是伽利略?！跋鄬Α钡囊馑际恰皶S著與對方關(guān)系的改變而改變”。你可能會認(rèn)為這是理所當(dāng)然的廢話，但若深入地研究運(yùn)動的相對性，你將被引向愛因斯坦的相對論理論。什么是動量重量大的卡車，就算只是緩緩前行，撞到你時(shí)也可能會帶來巨大的傷害。然而，小小的蚊蟲若以同樣的速度撞上你，卻連一點(diǎn)痕跡都不會留下，這就是因?yàn)樗鼈冞\(yùn)動的作用效果不同。若想用數(shù)值表示運(yùn)動作用效果的強(qiáng)弱，可以用物體的質(zhì)量（\h見此處）乘以物體運(yùn)動的速度。這樣計(jì)算得出的數(shù)值稱為物體的動量。例如，將質(zhì)量為1噸（1噸=1000000克）的汽車以10千米的時(shí)速行走時(shí)的動量，與一只質(zhì)量為0.001克的蚊子以相同速度飛行時(shí)的動量進(jìn)行比較的話……由此可見，即便運(yùn)動速度相同，質(zhì)量不同的物體運(yùn)動的作用效果也會有很大的不同。動量是守恒的在冰面上站立的兩個(gè)人如果相互推開對方，體重較輕的人就會以更快的速度滑走。這是因?yàn)橥崎_前和推開后，兩個(gè)人的動量總和不變。這一規(guī)律稱為動量守恒定律。在科學(xué)研究中經(jīng)常會用到“守恒”一詞，“守恒”的意思就是“數(shù)值不變”。動量守恒互相推開之前，兩個(gè)人都沒有運(yùn)動，動量的總和為0。因此，在互相推開并以相反的方向滑走后，A向左運(yùn)動的動量與B向右運(yùn)動的動量一定相等。然而，A的體重是B的2倍，所以B的運(yùn)動速度就是A的2倍。動量和速度都是矢量（\h見此處），因此，在計(jì)算動量的總和時(shí)，必須使用矢量的加法運(yùn)算。實(shí)際上，火箭能夠飛上太空，靠的也是動量守恒定律。燃料從火箭的噴射口向下方噴出，擁有向下的動量。這個(gè)運(yùn)動讓火箭本身擁有了向上的動量，所以火箭才能向上飛行。力和場手施加的壓力、風(fēng)吹過的力、磁力……

力的種類有很多，但所有的力都有一些共同的性質(zhì)。

力的性質(zhì)是什么？到底什么是力呢？力的作用請你先想一想力有什么作用。力與運(yùn)動用力投出手中的棒球，原本靜止的棒球就會開始運(yùn)動。用球棒擊打飛過來的棒球，就能改變棒球的運(yùn)動方向。這幅圖中所示的力，擁有改變物體運(yùn)動狀態(tài)的作用。風(fēng)力、摩擦力、磁力等，任何種類的力都有這個(gè)作用。例如，風(fēng)吹拂樹木時(shí)，樹葉就開始擺動；在粗糙地面上滾動的球，會因摩擦力而逐漸停止下來。力在非接觸的情況下作用有些力，如磁力、重力等，可以在物體不接觸的情況下作用。想象一下，簡直就像念力一般不可思議。從原子的層面進(jìn)行觀察與之相比，在球棒和棒球直接接觸后發(fā)生作用的力似乎更加直觀，更加容易理解。但是，即便是這樣的力，若從原子（\h見此處）的層面進(jìn)行觀察，其實(shí)也是在并非完全接觸的情況下發(fā)生作用的。因此，世界上所有的力，都是在物體不互相接觸的情況下發(fā)生作用的。力真的很神奇！什么是場為了闡明力的一些不可思議的性質(zhì)，19世紀(jì)物理學(xué)家法拉第提出了場的概念。場是一個(gè)“空間”，含有能量，彌散在物體的周圍，對不發(fā)生接觸的其他物體施加力的作用。以磁力為例拿來一塊磁鐵，磁鐵周圍的空間就產(chǎn)生了磁場。在磁場范圍內(nèi)放一個(gè)指南針，指南針就會受到磁場施加的磁力，發(fā)生偏轉(zhuǎn)。類似的，與電場力相關(guān)的場叫電場，與重力相關(guān)的場叫重力場。不同種類的力，能形成各種各樣的場。場的本質(zhì)那么，究竟什么是場呢？如果從比原子和分子更小的基本粒子（\h見此處）的級別上進(jìn)行觀察，你就能明白場的本質(zhì)了。場是由粒子構(gòu)成的互相傳遞力的兩個(gè)粒子，屬于被稱為規(guī)范粒子的一大類特殊的基本粒子。這兩個(gè)規(guī)范粒子正在玩“接球游戲”。在游戲中，它們時(shí)而互相接近，時(shí)而互相遠(yuǎn)離。規(guī)范粒子飛來飛去的空間就是場。規(guī)范粒子互相進(jìn)行的“接球游戲”，是所有力的作用的源頭。其實(shí)，規(guī)范粒子只能分成4類。我們在日常生活中見到的千千萬萬種力，在基本粒子的尺度上考慮，歸根結(jié)底只有4類而已。這4類力為：引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力。電場力和磁力本質(zhì)上是同一種力（\h見此處）。能量提到能量，你首先想到的一定是石油、天然氣之類的東西吧？

然而，能量本身指的并不是這些燃料。

能量是支配著自然界的一個(gè)重要概念?？茖W(xué)研究中的“能量”擁有能量的物體，能夠?qū)ζ渌矬w施加力的作用，讓其他物體運(yùn)動。也就是說，能量是一種讓其他物體運(yùn)動的“力量”。各種各樣的能量運(yùn)動的物體撞擊其他物體時(shí)，能向被撞擊的物體施加力的作用，并讓其開始運(yùn)動，這種能量稱為動能。位于高處的物體，在下落時(shí)能夠帶動其他物體，這種能量稱為勢能。除此以外，還有電能、磁能、熱能等各種各樣的能量。能量的種類雖多，但共同性質(zhì)是能使其他物體發(fā)生運(yùn)動。勢能是物體因所在的位置不同而具有的能量，也叫位能。能量是守恒的雖然在我們的感覺里，能量似乎可以被“使用”，其實(shí)能量無法憑空增加，也無法憑空減少。能量只能轉(zhuǎn)化成不同的種類，但總量不變。這就叫能量守恒定律，也叫熱力學(xué)第一定律。勢能與動能位于高處的物體在下落時(shí)高度逐漸降低，勢能逐漸減少，與此同時(shí)，下落的速度卻在提高，因此動能逐漸增加。化學(xué)能與熱能燃料燃燒時(shí)，其擁有的化學(xué)能在減少，減少的部分轉(zhuǎn)化成了熱能。這部分熱能使發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)熱能減少，減少的部分轉(zhuǎn)化成了發(fā)動機(jī)的動能。話雖如此，但能量中也分“好用”的能量和“不好用”的能量。將燃料儲存起來，在需要時(shí)可隨時(shí)進(jìn)行燃燒，所以燃料中的化學(xué)能就是“好用”的能量。然而，若將溫度高的物體放置不管，其內(nèi)部的熱能就會向周圍的環(huán)境發(fā)散，而物體自身的溫度會降低，所以熱能就是“不好用”的能量。為了高效利用能量，我們要想辦法活用“好用”的能量。說到底，“節(jié)能”就是要我們珍惜使用那些“好用”的能量。功在科學(xué)領(lǐng)域，“做功”指的并不是“為了掙錢而工作”。

實(shí)際上，功是一個(gè)與力和能量有極大關(guān)系的概念。用科學(xué)解釋“功”功，就是其他物體對某物體施加了力，增加了該物體的能量（\h見此處）。比如，用手將一個(gè)物塊抬高，這個(gè)物塊的勢能就增加了。此時(shí)，我們就說“手對物塊施加的力對物塊做了功”。什么是功若僅用手將物塊抬高一點(diǎn)點(diǎn)，手對物塊施加的力就只做了很少的功，物塊增加的勢能也很少。若用手將物塊抬高至很高的地方，力對物塊做的功就很多，物塊增加的勢能也很多。除了勢能以外，其他能量也可以通過做功來增加。各種各樣的功發(fā)動機(jī)做功，小汽車運(yùn)動的速度就會提高，動能也增加。風(fēng)力發(fā)電機(jī)遇到風(fēng)時(shí)，風(fēng)做功，就能轉(zhuǎn)化為電能。功與能量的關(guān)系如圖所示，物體A對物體B做功，物體B的能量就會增加。然而，根據(jù)能量守恒定律（\h見此處），這兩個(gè)物體的能量總量不會增加。因此，物體B的能量增加時(shí)，對其做功的物體A的能量必定減少。從能量的角度來看，可以說物體A的能量，通過做功轉(zhuǎn)移到了物體B上。功=能量的轉(zhuǎn)移功的單位和功率不論做功多少，功都以焦耳（J）為單位。而且上面講過，做功能使能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，因此能量的單位也用焦耳來表示。不過，焦耳到底是個(gè)多大的單位呢？功的單位：焦耳將質(zhì)量為1千克的物體抬高1米，所做的功大約為10焦耳。一節(jié)干電池帶有的電能，大約為4000焦耳。同樣多的功，若在更短的時(shí)間內(nèi)做完，其作用就會更大。因此，我們將在1秒內(nèi)所做的功的多少稱為功率，用單位瓦特（W）來表示。微波爐上標(biāo)注的“500W”這樣的字眼，就是“在1秒內(nèi)利用500焦耳的電能來溫?zé)崾澄铩钡囊馑?。焦耳?9世紀(jì)英國物理學(xué)家，瓦特是18世紀(jì)英國工程師。引力在地球上，人人都能感受得到引力。

引力是我們身邊的力，但我們卻又覺得它似乎和壓力、磁力完全不同。

引力又和愛因斯坦的一個(gè)著名理論相關(guān)。特殊的力引力有一個(gè)特殊的性質(zhì)，那就是它存在于所有的物體上。磁力只能存在于金屬鐵等少數(shù)幾種物體上，這就是磁力與引力的一個(gè)很大的區(qū)別。舉個(gè)例子，從樹上掉下來的蘋果，除了受到地球的引力，也會受到其他蘋果對它施加的引力。但其他蘋果的引力太弱了，幾乎測定不到，所以可以忽略。蘋果也會受到引力一個(gè)物體所受引力的大小，是該物體的重量（質(zhì)量，\h見此處），與物體之間的距離共同決定的。質(zhì)量越大，物體所受引力就越大；物體之間的距離越遠(yuǎn)，它們之間的引力就越小。研究出這個(gè)規(guī)律的人，是17世紀(jì)英國物理學(xué)家牛頓。引力大小的決定因素用數(shù)學(xué)的語言來說，物體間引力的大小與物體的質(zhì)量成正比，與物體間距離的平方成反比。引力還有一個(gè)性質(zhì)，就是引力只能產(chǎn)生吸引作用。比較引力和磁鐵的磁力，磁鐵既能吸引物體也能排斥物體，如果把多塊磁鐵放在一起，吸引力與排斥力基本抵消，整塊磁鐵的磁力并不會增強(qiáng)。但引力只能吸引物體，所以如果把多個(gè)物體結(jié)合在一起，其引力也會增強(qiáng)。地球和其他星球的引力如此之大就是這個(gè)原因。從相對論的角度看引力愛因斯坦認(rèn)為，引力的本質(zhì)是時(shí)空的扭曲。這到底是什么意思呢？請你將整個(gè)宇宙空間想象為一張用松緊帶編成的網(wǎng)，這張網(wǎng)就像立體的攀登架，布滿宇宙的前后、左右、上下各方向。在這張松緊帶網(wǎng)的中心有一個(gè)星球，于是松緊帶被星球壓彎了。在離星球遠(yuǎn)的地方，松緊帶幾乎不會發(fā)生變化，但星球周圍的松緊帶被星球拉拽，發(fā)生了強(qiáng)烈的扭曲。相對論中的引力這時(shí)，來了一艘太空船。太空船本來不想改變自己的行進(jìn)方向，只想沿著松緊帶飛行。然而，由于松緊帶本身已經(jīng)發(fā)生了扭曲，太空船也就不知不覺地向星球的方向行進(jìn)了，就好像被某種力量牽引著一樣。愛因斯坦認(rèn)為這就是引力的本質(zhì)。星球的質(zhì)量很大，所以能讓空間中距離它很遠(yuǎn)的地方都發(fā)生扭曲。太陽的質(zhì)量非常大，所以能讓太陽系內(nèi)的全部空間都扭曲。和太陽相比，地球的質(zhì)量很輕，只能讓地球到月球之間的空間范圍發(fā)生扭曲。時(shí)空與引力的這種關(guān)系，就是愛因斯坦提出的廣義相對論中最重要的論點(diǎn)。相對論分為狹義相對論和廣義相對論兩種?！蔼M義”的意思是只在特殊情況（不考慮引力和加速度的情況）下適用，而“廣義”指的是在所有情況下都適用。廣義相對論提出得比較晚，也使用了更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論。重量和質(zhì)量其實(shí)，重量和質(zhì)量的意思完全不同。

在地球上，你可能看不出它們的區(qū)別，但在宇宙中，它們的區(qū)別就非常明顯了。

而且，這兩個(gè)詞和愛因斯坦的相對論也有很深的關(guān)系。地點(diǎn)不同，引力變化什么是重量重1千克的物體在地球上會受到1千克對應(yīng)的引力的吸引，物體受到的引力大小才是重量的真正含義。如果把這個(gè)物體放在秤上，物體所受的地球引力就會和秤內(nèi)彈簧的彈力平衡，秤的指針就會指向“1千克”。在地球上，這是再平常不過的景象。但是，如果你把這個(gè)物體帶到月球上，它所受到的引力就會變?yōu)榈厍蛏系?/6，如果把它放到秤上，指針大約只能指向0.17千克的位置。也就是說，物體的重量變?yōu)榈厍蛏系?/6。如果你再把這個(gè)物體帶到宇宙空間站，它實(shí)際上就不再受地球引力作用了，秤的指針會停在“0”的地方不動。此時(shí)，物體的重量是0。其實(shí)在宇宙空間站內(nèi)，物體受到的引力與空間站旋轉(zhuǎn)的離心力（\h見此處）相互抵消，感覺就像沒有引力一般。在不同地點(diǎn)，相同物體的重量會發(fā)生變化。在引力強(qiáng)的地方重量大，在引力弱的地方重量小。什么是質(zhì)量那么，“質(zhì)量”又是什么意思呢？用同樣的力量，分別推動一個(gè)質(zhì)量1千克和一個(gè)質(zhì)量2千克的物體，自然是質(zhì)量2千克的物體更難被推動了。用相同的時(shí)間推動它們，質(zhì)量2千克的物體前進(jìn)的距離也只有質(zhì)量1千克物體前進(jìn)距離的一半。也就是說，推動質(zhì)量2千克物體前進(jìn)的難度是推動質(zhì)量1千克物體前進(jìn)難度的2倍。質(zhì)量=運(yùn)動的難度因此，用力使物體運(yùn)動的難度就是質(zhì)量。使物體運(yùn)動的難度和物體受不受引力無關(guān)。同樣的物體，在地球上和在宇宙空間站里的質(zhì)量是一樣的。這樣定義的“質(zhì)量”，指的是物體的“慣性質(zhì)量”。物體在宇宙中也有質(zhì)量即便在宇宙空間站里，質(zhì)量小的物體也更容易用手推動，但巨大的零件等質(zhì)量大的物體只能用機(jī)械手臂移動。綜上所述，重量和質(zhì)量的意義完全不同，但一般生活中我們都以千克（kg）為單位。愛因斯坦還針對這兩種物理量提出了“等效原理”，這也是廣義相對論的一個(gè)基本原理，是非常重要的一條物理規(guī)律。慣性和離心力我們騎自行車轉(zhuǎn)彎或坐在過山車上飛馳時(shí)，

會感覺身體像被某種力量向外推。

但這種力是虛擬的，實(shí)際上并不存在。什么是慣性任何物體都有保持其原有運(yùn)動狀態(tài)不改變的性質(zhì)。原本靜止的物體會想要保持靜止，原本運(yùn)動的物體會想要保持其速度和運(yùn)動方向不變地繼續(xù)運(yùn)動。如果對一個(gè)物體施加外力，物體會對其運(yùn)動狀態(tài)的改變表現(xiàn)出一種阻抗。這個(gè)性質(zhì)叫作慣性。任何物體都具有慣性，這就是牛頓第一運(yùn)動定律，又稱“慣性定律”。運(yùn)動狀態(tài)不會突變給運(yùn)動中的物體施加一個(gè)橫向的力，它不可能突然轉(zhuǎn)向90°。由于慣性，它只能一邊抵抗這個(gè)力的作用，一邊緩慢改變運(yùn)動方向。物體慣性的強(qiáng)度，也就是物體抵抗外力作用的能力，由這個(gè)物體的質(zhì)量決定。質(zhì)量大的物體慣性大，即便施加外力也難以改變其運(yùn)動狀態(tài)，這就是牛頓第二運(yùn)動定律。在\h此處（重量和質(zhì)量）中講到的“用力使物體運(yùn)動的難度”，本質(zhì)上就是慣性。離心力怎樣發(fā)生作用由于慣性作用而被定義出來的一個(gè)力就是離心力。運(yùn)動與離心力汽車在彎道上轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，乘客的身體也跟著一起改變運(yùn)動方向。但由于慣性，你的身體會想要保持運(yùn)動方向不變，繼續(xù)向前運(yùn)動，你會感覺像有一種外力把你往車外牽引。雖然實(shí)際上并沒有這么一種力存在，但你能感受到力的作用，這種虛擬的力就是離心力。月球和人造衛(wèi)星能一直圍繞地球公轉(zhuǎn)，其實(shí)也是由于離心力。月球受到地球引力的吸引，會漸漸貼近地球。這樣下去，月球就會離地球越來越近，直到最終相撞。然而，月球始終在做曲線運(yùn)動，因此會受到離心力的影響。這個(gè)離心力和地球引力強(qiáng)度相同、互相抵消，月球也就既不會貼近地球也不會遠(yuǎn)離地球，而是始終與地球保持一定的距離進(jìn)行公轉(zhuǎn)了。月球也會受到離心力矢量“矢量”一詞近來在日常對話中經(jīng)常出現(xiàn)，卻很少有人了解它的意思。

了解“矢量”的意思后再理解很多物理學(xué)的專業(yè)用語，就一下變?nèi)菀琢?。什么是矢量“矢量”（vector）原本是拉丁語里“運(yùn)輸”的意思。在運(yùn)輸某個(gè)物體時(shí)，運(yùn)輸多少米、向東南西北哪個(gè)方向運(yùn)輸，這兩個(gè)條件是必要的。在地圖上可以用一根箭頭同時(shí)表示這兩個(gè)信息。運(yùn)輸?shù)木嚯x用箭頭的長短來表示，運(yùn)輸?shù)姆较蛴眉^的方向來表示。這個(gè)箭頭就是“矢量”。矢量=箭頭矢量能夠表示的信息還有很多。各種各樣的矢量若要表述飛機(jī)的飛行情況，飛行速度和飛行方向兩個(gè)信息是必要的。因此，飛機(jī)的飛行情況也可以用矢量來表示。

力也是一樣，力的大小和施力的方向兩個(gè)信息也可以用矢量來表示。

風(fēng)也一樣，箭頭的方向可以表示風(fēng)的方向，箭頭的長度可以表示風(fēng)的速度，這也是矢量。然而，質(zhì)量、體積、溫度等物理量卻沒有方向，只有大小。它們被稱為標(biāo)量。矢量的應(yīng)用舉例來說，在流動不息的河水中劃一艘小船，小船實(shí)際會向哪個(gè)方向前進(jìn)，以多快的速度前進(jìn)呢？要回答這兩個(gè)問題，必須知道河水流動的方向和流速，以及小船初始的方向和前進(jìn)速度。這些信息都可以用矢量來表示，通過矢量計(jì)算，答案很快就出來了。用矢量畫出平行四邊形在紙上畫出表示河水流向和速度的矢量A和表示小船初始方向及速度的矢量B，就可以畫出一個(gè)平行四邊形了。此時(shí)畫出平行四邊形的對角線矢量C，就是在河岸上觀察到的小船的實(shí)際前進(jìn)方向。像這樣用矢量來理解，我們就可以在河岸上明顯觀察到小船實(shí)際前進(jìn)的方向；通過觀察矢量的長度，我們也可以求出小船的速度。這種將矢量“合二為一”的運(yùn)算，叫作矢量的合成，也是矢量的加法。如果想在不使用矢量的情況下得出答案，就需要使用三角函數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。但使用矢量可以避開復(fù)雜的計(jì)算，通過畫圖就能直觀地解決問題了。光譜“光譜”這個(gè)詞聽起來復(fù)雜，但理解之后就變得簡單了。

光譜在物理學(xué)中的應(yīng)用很廣泛，在日常生活中也有很多作用。光的顏色太陽射出的白色光，實(shí)際上是很多種顏色的光混合而成的。將所有顏色的光混合到一起，就呈現(xiàn)為白色。但是，為什么白色的光透過棱鏡時(shí)會被分解成7種顏色的光呢？光的顏色有區(qū)別，其本質(zhì)是光的波長（\h見此處）不同。紅色光的波長最長，紫色光的波長最短，其他顏色的光波長居中。光在射入和射出棱鏡的玻璃時(shí)，傳播的方向都會發(fā)生偏折，偏折的角度也會因波長的不同而不同。彩虹的七種顏色波長最長的紅色光偏折的角度最小，波長最短的紫色光偏折的角度最大。因此，從棱鏡中射出的光就會按波長順序排列出來，形成一條擁有7種顏色的光帶。觀察這條光帶，就能知道原來的光中含有什么顏色（波長）的光，也能知道每種單色光的明度各為多少。這樣將復(fù)色光內(nèi)部的各種單色光分開排列，且能夠顯示各種單色光明度的光帶，叫作光譜。不同的光擁有不同的光譜在太陽光的光譜中，所有單色光的明度都差不多，也就是說，各種單色光在復(fù)色光中的含量都差不多。而觀察日光燈光的光譜，可以發(fā)現(xiàn)光譜內(nèi)有許多黑暗的區(qū)域。這說明在日光燈發(fā)出的白光中，有許多單色光是不存在的。聲譜收音機(jī)在沒有調(diào)出電臺時(shí)，你能聽到一陣“沙——沙——”的聲音。這種聲音中，各種高度的聲音基本上以同樣的響度被混合起來。因此，和太陽光中各種顏色的單色光混合形成白色光類似，這樣的聲音也被稱為白噪聲。表示聲音的高低聲音也可以使用譜來進(jìn)行分析。你知道嗎？播放音樂的軟件就可以顯示聲譜的模式。使用聲譜，人們就能看出不同高度的聲音對應(yīng)多大的響度。使用光譜進(jìn)行分析不同種類的物質(zhì)能吸收的色光種類也不同。因此，若想探明某種物體由什么物質(zhì)組成，只要調(diào)查該物體發(fā)出的光或能透過該物體的光的光譜就可以了。通過分析光譜，我們就可以知道組成該物體的物質(zhì)種類了。這種分析方法經(jīng)常被用在食品檢測和刑偵搜查當(dāng)中，同時(shí)也是調(diào)查遙遠(yuǎn)星球的物質(zhì)構(gòu)成等科學(xué)研究的重要方法。光譜是分析物質(zhì)的有用工具。分子、原子、離子把一種物質(zhì)細(xì)分下去，究竟可以分到多小呢？

最終，物質(zhì)將被分解成無法再細(xì)分的微小粒子。構(gòu)成物質(zhì)的粒子把水分成越來越小的水滴，最終會變成一個(gè)個(gè)直徑只有0.0000001毫米（0.1納米，\h見此處）的微小粒子。這種微小粒子就是水分子。水分子以幾萬億的巨大數(shù)量級聚集在一起，就形成了液態(tài)的水。分子仔細(xì)觀察分子，可以看出分子也由幾個(gè)更小的球體構(gòu)成。在純凈水中，所有的分子都是同樣的形態(tài)，擁有同樣的性質(zhì)。物體的種類不同，分子的形狀和性質(zhì)也不同。反過來說，分子的形狀和性質(zhì)決定了物質(zhì)的種類。進(jìn)一步細(xì)分觀察構(gòu)成分子的更小粒子就是原子。原子也有許多種類，但大多數(shù)原子都不喜歡“獨(dú)居”，它們會和其他原子結(jié)合起來形成分子。將原子進(jìn)一步放大，可以發(fā)現(xiàn)原子中心還有一個(gè)更小的球體，其周圍是云朵一樣的物質(zhì)。原子的構(gòu)造原子中心的小球叫作原子核，大小約是原子的萬分之一。原子核太小了，所以再精密的顯微鏡也看不到。在原子核周圍云朵一樣的物質(zhì)中，有另一種粒子—電子—在來回運(yùn)動。多個(gè)電子來回運(yùn)動的速度極快，因此看起來模糊不清，就像云一樣。原子核帶有正電荷（\h見此處），而電子帶有負(fù)電荷。正電荷與負(fù)電荷相互吸引，但電子總以非?？斓乃俣葒@原子核來回運(yùn)動，因此二者不會合體。什么是離子在分子和原子中，原子核的正電荷和電子的負(fù)電荷能夠達(dá)到平衡，因此原子和分子整體不帶電。然而，如果某種原因?qū)е路肿踊蛟邮チ瞬糠蛛娮?，或得到了部分額外的電子，正電荷與負(fù)電荷的平衡就會被打破，分子或原子整體就會帶電。這種帶電的分子或原子，就叫離子。離子有兩種整體帶負(fù)電的離子叫陰離子，整體帶正電的離子叫陽離子。我們常常能聽到“負(fù)離子”這個(gè)詞，其實(shí)就是指空氣中的水分子和氧氣分子帶上了電子，變成了陰離子。常有人說負(fù)離子對健康有益，但這種說法目前還沒有科學(xué)依據(jù)?；玖Ｗ邮褂庙敿獾膶?shí)驗(yàn)裝置，

還可以將原子與原子核再繼續(xù)細(xì)分下去。

最終，逐漸趨近構(gòu)成物質(zhì)的最基本粒子。構(gòu)成原子核的粒子位于原子中心的原子核，也是由一些更小的粒子構(gòu)成的。這些粒子分為兩類，即質(zhì)子和中子。質(zhì)子和中子的大小約為一萬億分之一毫米，這種微小的程度簡直超乎人類想象。原子核的構(gòu)造質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電荷。在一個(gè)原子核中，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)基本上是相同的，中子偶爾會多一些。原子核整體帶正電。細(xì)化到終點(diǎn)到了這個(gè)程度，細(xì)化還沒有結(jié)束。質(zhì)子和中子，分別由3個(gè)更小的粒子構(gòu)成，這些更小的粒子叫夸克。穩(wěn)定的夸克有兩種，分別為上夸克和下夸克?！翱淇恕币辉~出自愛爾蘭作家詹姆斯·喬伊斯的小說，在小說中其實(shí)是一種鳥叫聲，與“啾——啾——”類似。雖然有點(diǎn)奇怪，但要形容這么微小的粒子，也確實(shí)沒有什么別的詞更合適了，于是物理學(xué)家就給它們起了這么個(gè)好玩的名字。質(zhì)子的構(gòu)造質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克構(gòu)成，中子由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克構(gòu)成。其實(shí)還有另外4種夸克，但這4種夸克只能在物理學(xué)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生，并會在極短時(shí)間內(nèi)變化為其他種類，因此并不存在于現(xiàn)實(shí)生活中。另外，夸克種類的量詞是“味”，但這并不是說夸克本身有什么味道。比夸克更小的粒子目前還沒有發(fā)現(xiàn)，所以夸克就是構(gòu)成物質(zhì)的最基本粒子。在原子核周圍運(yùn)動的電子也不能再細(xì)分，所以電子也是構(gòu)成物質(zhì)的基本部分。像夸克和電子這樣無法再細(xì)分的粒子是物質(zhì)最為“基本”的構(gòu)成組分，因此被稱為基本粒子。嚴(yán)格來說，質(zhì)子和中子并不屬于基本粒子，但人們常常會把這些比原子核更小的粒子統(tǒng)稱為基本粒子。把物質(zhì)一步一步地細(xì)分，總結(jié)起來如下圖所示：物質(zhì)的結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代物理學(xué)中有一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論，描述了共計(jì)17種基本粒子。其中，構(gòu)成我們身邊的物質(zhì)的有電子、上夸克、下夸克3種。這3種基本粒子以不同的組合形式，構(gòu)成了我們身邊所有的物質(zhì)。量子到了超微觀世界，宏觀世界的常識就不再適用了。

但是，不管微觀世界的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象多么奇異，

我們也只能接受科學(xué)的事實(shí)。不可思議的微觀世界原子、基本粒子（\h見此處）等超微觀粒子的世界，會發(fā)生很多讓我們意想不到的事。不可思議的世界①一個(gè)粒子可以像會分身一樣同時(shí)存在于多個(gè)地方，但若有人想要進(jìn)行觀測，粒子則會突然只存在于一個(gè)地方。原子和基本粒子這些微小的粒子，在以粒子的形式進(jìn)行運(yùn)動的同時(shí)，在特定的范圍內(nèi)也會以波的形式進(jìn)行傳播。根據(jù)觀測實(shí)驗(yàn)方法的不同，人們有時(shí)可以觀察到粒子的性質(zhì)，有時(shí)可以觀察到波的性質(zhì)。微觀粒子的這種性質(zhì)被稱為“波粒二象性”。②與地球的自轉(zhuǎn)類似，原子和基本粒子等微觀粒子也會“自轉(zhuǎn)”。它們的“自轉(zhuǎn)”稱為自旋。但一個(gè)粒子可能會同時(shí)向左自旋和向右自旋，這種性質(zhì)叫作量子態(tài)疊加。③兩個(gè)粒子可以像有心靈感應(yīng)一樣共享信息。不論距離多遠(yuǎn)，它們都可以利用“心靈感應(yīng)”瞬間傳遞信息，這種性質(zhì)被稱為量子糾纏。④如果想確定粒子的位置，那么就無法精確測得它的速度；相反，若要精確測出一個(gè)粒子的速度，那么就無法確定該粒子的位置。這就是粒子的不確定性原理。以上這些奇異的現(xiàn)象，絕不是一個(gè)粒子一時(shí)性起所發(fā)生的，而是嚴(yán)格地遵循了物理學(xué)的法則。人們把這些法則總結(jié)起來，就形成了量子力學(xué)這門學(xué)科。“力學(xué)”的意思是研究物體的運(yùn)動情況并說明其中的規(guī)律，那么“量子”究竟是什么呢？什么是量子在日常宏觀世界中，不管物體的運(yùn)動速度出現(xiàn)了多么微小的改變，物體的動能（\h見此處）都會隨之改變。勢能、電能、熱能，所有種類的能量都有類似的規(guī)律。這就像盛一勺白砂糖，你可以一點(diǎn)點(diǎn)地調(diào)整勺中白砂糖的量。然而，在超微觀世界中卻做不到這一點(diǎn)。在這里，能量就像一個(gè)個(gè)體積較大的糖塊，它們的變化形式只能是一大塊、兩大塊、三大塊……這樣的“一塊”能量就是量子。能量塊“量子”一詞聽起來和“原子”“基本粒子”等似乎屬于同一類別，但量子不是粒子，量子本質(zhì)上是一塊一塊的能量。但是，為什么微觀世界和宏觀世界會有如此巨大的區(qū)別呢？這是因?yàn)椋腿粘：暧^世界里的能量相比，量子中的能量實(shí)在是太小了。宏觀水平上的能量也是量子化的，但由于有數(shù)萬億個(gè)量子的等級，所以無法將量子一個(gè)一個(gè)地分出來。這就像一勺白砂糖實(shí)際上是由無數(shù)微小的砂糖粒組成的。熱能人人都能夠感受到熱和冷，但熱的本質(zhì)到底是什么？

這就沒人能答出來了。

其實(shí)，“熱”的本質(zhì)也和能量有關(guān)。熱能和能量具有熱能的物體能夠如下圖所示一般做功（\h見此處）。熱能做功加熱活塞中的氣體，氣體就能推動活塞運(yùn)動，這就是汽車發(fā)動機(jī)的基本工作原理。“做功的能力”或者說“對其他物體施力，讓其他物體運(yùn)動的能力”，就是能量（\h見此處）。因此，熱能也是能量的一種。熱能不是什么實(shí)體，而是物體本身具有的一種能量。熱能的本質(zhì)那么這種能量是從哪里來的呢？如果我們從分子的尺度上看，就能看出熱能的本質(zhì)了。分子熱運(yùn)動將水加熱，水分子的運(yùn)動就會變得更加激烈，與容器壁也會更加激烈地碰撞。如圖所示，熱能就是分子激烈運(yùn)動所產(chǎn)生的能量。熱的物體分子的運(yùn)動激烈，就具有更大的動能；冷的物體分子運(yùn)動相對和緩，動能就小。加熱后的氣體推動活塞，在這個(gè)過程中，激烈運(yùn)動的氣體分子碰撞活塞，分子的動能轉(zhuǎn)化為活塞的動能。什么是溫度分子具有多大的動能呢？衡量這一動能的尺度叫作溫度。熱運(yùn)動激烈的分子溫度就高，熱運(yùn)動和緩的分子溫度就低。因此，我們就可以理解為什么有的物體溫度高，有的物體溫度低了。熱能可以傳遞溫度高的物體與溫度低的物體接觸時(shí)，高溫物體的分子會與接觸面發(fā)生激烈碰撞，振動低溫物體的分子。被振動的分子運(yùn)動就會漸漸變激烈，溫度就會升高。與此同時(shí)，高溫物體的分子運(yùn)動就會漸漸和緩，溫度就會下降。最終，高溫物體和低溫物體分子運(yùn)動的激烈程度將趨于相同，溫度也趨于相同。熱能的本質(zhì)是在19世紀(jì)由焦耳（\h見此處）等物理學(xué)家逐漸闡明的。熵只從字面看這個(gè)物理量，

我們似乎對它的含義完全摸不著頭腦。

那么我們就來看看這個(gè)物理量的由來吧。熱能會產(chǎn)生浪費(fèi)在利用熱能（\h見此處）做功（\h見此處）讓活塞動起來時(shí)，無論如何都會有一些熱能“逃離”這個(gè)系統(tǒng)，被白白浪費(fèi)掉。此時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)的工作效率就會因?yàn)楣ぷ鞣绞胶蜔崮軄碓吹牟煌煌?。熱能做功的效率讓發(fā)動機(jī)盡全力運(yùn)轉(zhuǎn)確實(shí)能讓工作的速度變快，但同時(shí)也會造成熱能的浪費(fèi)，所以工作效率一直不高。19世紀(jì)，德國人克勞修斯決定將這種熱能利用的效率用數(shù)值表示出來。他致力于研究熱能做功時(shí)，溫度每下降1℃，系統(tǒng)所浪費(fèi)的熱能，并將這一物理量命名為熵。效率高的做功方式對熱能的浪費(fèi)少，因此熵的值就小。相反，效率低的做功方式對熱能的浪費(fèi)多，因此熵的值就大。熵的英文為“entropy”，其中“en-”意為“內(nèi)部”，“-tropy”意為“變化”，你也可以認(rèn)為“entropy”有“系統(tǒng)內(nèi)部熱能發(fā)生變化，產(chǎn)生浪費(fèi)”的意思。分子在進(jìn)行無規(guī)律的運(yùn)動熱能是分子的運(yùn)動（\h見此處）。分子運(yùn)動狀態(tài)的不同使熱能利用效率（也就是熵）產(chǎn)生不同。奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼注意到，數(shù)量龐大的分子運(yùn)動的混亂程度就是熵的本質(zhì)。什么是熵熵只能增大，不能減小熵與分子熱運(yùn)動從容器左側(cè)倒入熱水，右側(cè)倒入冰水。剛剛倒入時(shí)，激烈運(yùn)動的水分子都位于容器左側(cè)，和緩運(yùn)動的水分子都位于容器右側(cè)，非常明晰，整個(gè)容器中分子運(yùn)動的混亂程度并不高，因此熵值較小。

然而經(jīng)過一段時(shí)間，激烈運(yùn)動的水分子與和緩運(yùn)動的水分子逐漸融合，整個(gè)容器中分子運(yùn)動的混亂程度增加，熵值變大。熱水和冰水混合可以形成溫度適中的水，但溫度適中的水絕對不可能再分開變成熱水和冰水。這是因?yàn)椴豢赡軐?shù)量龐大的分子一個(gè)一個(gè)地左右分開。所以，熵也只能增大不能減小。這個(gè)法則就叫熵增原理。根據(jù)熵增原理可以判斷，任何物體的熵都會隨著時(shí)間逐漸增大，熱能的利用效率也一定會逐漸降低。射線和放射性這兩個(gè)詞看起來很相似，但意義卻大不相同。

如果不能正確地區(qū)分它們，就很容易出現(xiàn)荒謬的錯(cuò)誤，

所以要好好理解它們的意思。射線的本質(zhì)有很多種特殊的原子（\h見此處），只要經(jīng)過一段時(shí)間，就會變成其他種類的原子。這個(gè)過程叫作衰變。所謂“衰變”，并不是說一個(gè)原子衰老了，而是指它變成了其他種類的原子。衰變與射線原子在發(fā)生衰變時(shí)，會以極高的速度放射出某種粒子，這時(shí)放射出的粒子就形成了射線?！吧洹边@個(gè)字的意思就是向四面八方放出，加上此時(shí)粒子都沿直線方向射出，因此稱為“射線”。由于粒子放射的速度極快，具有極高的動能（\h見此處），所以射線碰上其他物體時(shí)就會破壞那個(gè)物體的分子。但放射的粒子與物體碰撞之后動能就會降低，因此放射的粒子射線無法持續(xù)輻射一個(gè)物體。射線主要有α射線（阿爾法射線）、β射線（貝塔射線）、γ射線（伽馬射線）三種，這三種射線的性質(zhì)各不相同。放射時(shí)射線的種類是由發(fā)生放射的原子種類決定的。三種射線α射線就是氦原子核，雖然能量較高，但用布甚至空氣就能輕易地遮擋住。

β射線是電子（\h見此處），用鋁箔就可以遮擋住。

γ射線是高能的光子，必須用厚的鉛板才能遮擋。什么是放射性同一種類的原子大量存在時(shí)，它們不會同時(shí)發(fā)生衰變，而是一個(gè)一個(gè)地獨(dú)立發(fā)生衰變。因此，具有大量可衰變原子的物質(zhì)會一點(diǎn)點(diǎn)地放出射線。于是我們將這種逐漸放出射線的物質(zhì)叫作放射性物質(zhì)，物質(zhì)放出射線的性質(zhì)就叫物質(zhì)的放射性。什么是半衰期一個(gè)原子只能發(fā)生一次衰變，因此物質(zhì)的放射性一定會隨著時(shí)間逐漸減小。一個(gè)物質(zhì)中半數(shù)的原子都發(fā)生衰變所需的時(shí)間稱為該物質(zhì)的半衰期，半衰期的長短是由原子的種類決定的。自然界的射線和放射性在自然界，能夠放出射線的放射性物質(zhì)并不罕見。在我們的身體中就含有不少放射性物質(zhì)鉀-40。在空氣中存在放射性氣體氡，茫茫宇宙也在不斷向地球射出宇宙射線。射線對人體的影響人體受到射線的輻射時(shí)，雖然體內(nèi)細(xì)胞中有些分子會被損害，但受損的身體機(jī)能基本上都能自愈，這就和你被陽光曬傷后皮膚能自愈一樣。然而，如果輻射的劑量過大，使身體受損程度超過自愈能力，就會對人的健康產(chǎn)生危害。因此我們無法斷言射線對人體一定有害，而是要根據(jù)輻射的劑量判斷其對人體是否有害。希沃特和貝可勒爾在上一節(jié)我們講過，射線和放射性的意義是不同的，

因此它們的測量單位也不同。

這一點(diǎn)也請你注意區(qū)分。輻射的劑量射線輻射對人體影響的大小，取決于射線給人體帶來能量（\h見此處）的大小。因此，射線產(chǎn)生的影響（輻射的劑量），可以用射線帶來的能量與人體體重的比值來表示，這個(gè)物理量的單位是希沃特（Sv），也稱西弗。希沃特原本是一位瑞典生物物理學(xué)家的名字。單位：希沃特體重50千克的人接收到射線帶來的5焦耳能量時(shí)，該輻射的劑量就是5÷50=0.1希沃特。然而，三種射線中只有α射線對人體的影響較大，其劑量一般是這個(gè)數(shù)值的20倍。使用希沃特這一單位表示大部分輻射的劑量時(shí)，大部分輻射劑量的數(shù)值都非常小，因此，人們把1希沃特的千分之一設(shè)定為1毫希沃特（mSv），0.005希沃特就是5毫希沃特。然而，輻射的劑量可能比毫希沃特還要小。人們就把1毫希沃特的千分之一設(shè)定為1微希沃特（μSv），0.000005希沃特是0.005毫希沃特，也就是5微希沃特。如果被射線輻射相當(dāng)長的時(shí)間，射線能帶來的能量就會成倍增加，輻射劑量的數(shù)值也會逐漸增大。此時(shí)，若想表示單位時(shí)間內(nèi)的輻射劑量，比如1小時(shí)內(nèi)的輻射劑量的話，就需要用“Sv/h”來表示，若想表示1年內(nèi)的輻射劑量，就需要用“Sv/年”來表示。放射性的大小某種物質(zhì)放射性的大小，可以用該物質(zhì)的原子1秒內(nèi)發(fā)生衰變（\h見此處）的次數(shù)來表示，稱為放射性活度，單位為貝可勒爾（Bq）。貝可勒爾是發(fā)現(xiàn)鈾原子具有放射性的法國物理學(xué)家。如果物質(zhì)比較多，物質(zhì)中含有的放射性原子數(shù)必然也多。因此，想要表達(dá)一定質(zhì)量的物質(zhì)放射性活度的大小時(shí)，經(jīng)常以1千克物質(zhì)為單位，此時(shí)的單位為“Bq/kg”。單位：貝可勒爾若某物質(zhì)在1秒內(nèi)發(fā)生了500次衰變，則稱該物體的放射性活度為500貝可勒爾。如果該物體的質(zhì)量為10千克，則該物體的放射性活度濃度即為500÷10=50Bq/kg。大自然的放射性自然界的射線其實(shí)是交錯(cuò)密布的，劑量大約為2mSv/年。在不同的地區(qū)，這個(gè)劑量也有好幾倍的差距。而且，由于地球上空宇宙射線較多，在坐飛機(jī)時(shí)，你身體受到的輻射也會變強(qiáng)。大自然中具有放射性的物質(zhì)隨處可見。人體內(nèi)自帶鉀-40（\h見此處），因此人體本身就具有約7000貝可勒爾的放射性，用放射性活度濃度來表示，就是大約100Bq/kg。也就是說，人類其實(shí)一直與自然界中一定強(qiáng)度的射線共生。請各位一定要冷靜地思考，如果大自然的放射性增強(qiáng)，對人類健康會帶來多大的影響。核裂變和核聚變原子核發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，有時(shí)會伴隨著巨大的能量放出。

這樣的變化一共有兩類，原理各不相同。

如果人類能善用這兩種反應(yīng)，它們就能成為支持現(xiàn)代社會文明的重要力量。什么是核裂變由較多質(zhì)子和中子構(gòu)成的原子核（\h見此處），由于體積較大，性質(zhì)也更不穩(wěn)定，更容易分裂。若用一個(gè)外來的中子（\h見此處）來轟擊這種原子核，原子核就會“一分為二”。這種將原子核“一分為二”的核反應(yīng)就叫核裂變。核裂變發(fā)生時(shí)，重原子核會放出幾個(gè)中子，同時(shí)釋放大量能量。鈾的核裂變舉例來說，像鈾-235這樣的重原子，若被一個(gè)外來的中子轟擊，其原子核就會裂變成兩個(gè)，同時(shí)放出2～3個(gè)中子。由重原子核放出的中子也會轟擊別的重原子核，引起別的重原子核發(fā)生裂變，放出更多中子，從而不斷引起新的核裂變反應(yīng)，這種反應(yīng)形式被稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的狀態(tài)被稱為臨界狀態(tài)。臨界狀態(tài)在核反應(yīng)堆中，核裂變釋放的能量使水沸騰變?yōu)樗魵?，推動發(fā)電器運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。核能比石油等燃料燃燒的效率更高。2000升石油燃燒放出的能量，只需1克鈾原子發(fā)生核反應(yīng)就能釋放。而且核反應(yīng)不放出二氧化碳，不會引起地球的溫室效應(yīng)。然而，核裂變生成的原子核也帶有放射性，能讓核反應(yīng)堆的內(nèi)壁等都帶上放射性，因此在使用時(shí)必須極為注意。什么是核聚變由于原子核帶正電，會互相排斥，所以一般來說不會互相接近。然而，在太陽的中心，氫的原子核卻在不斷地以極高的速度運(yùn)動，并在這種趨勢下兩兩碰撞聚合。這個(gè)過程就叫核聚變。核聚變反應(yīng)和核裂變反應(yīng)一樣釋放大量能量，這些能量變成光和熱，讓太陽的光輝始終閃耀。氫的核聚變核聚變比核裂變的能量效率還要高，可達(dá)石油的800萬倍。核聚變的燃料就是氫，而水中就有取之不竭的氫元素。核聚變反應(yīng)不會產(chǎn)生具有放射性的核廢料，如果可以用來發(fā)電，就能一舉解決人類的能源問題。然而，發(fā)生核聚變需要幾千萬度的高溫和幾億倍大氣壓的超高溫高壓條件。目前世界各國都在建造大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施，并不斷進(jìn)行著研究，希望將來能實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電。中微子宇宙中存在大量中微子，但我們卻幾乎捕捉不到。

它們像幽靈，卻是解開宇宙和物質(zhì)終極謎題的關(guān)鍵。難以捕捉的基本粒子中微子也屬于基本粒子（\h見此處），卻沒有構(gòu)成我們身邊的物質(zhì)。中微子的“中”是指它們是中性的，不帶電，“微”是指它們非常微小。中微子在各處廣泛存在、運(yùn)動不息，能悄無聲息地穿透任何物質(zhì)，所以即便能觀測到，也很難捕捉。能穿透任何物質(zhì)的中微子每秒鐘都有幾萬億個(gè)中微子穿透人體，就連地球都無法阻止中微子穿越而過。但是，為了闡明遙遠(yuǎn)宇宙的景象和物質(zhì)構(gòu)成的奧秘，我們必須找到中微子，并研究它們的性質(zhì)。觀測中微子在日本岐阜縣礦山的深地下實(shí)驗(yàn)室中有一個(gè)名叫神岡探測器的大型探測裝置。1987年，日本物理學(xué)家小柴昌俊在這里成功探測到了從宇宙中飛馳而來的中微子。捕捉中微子神岡探測器是一個(gè)能儲存數(shù)千噸純水的巨大水槽，在這個(gè)水槽的內(nèi)壁上排列著大量具有超高敏感度的光電倍增管。當(dāng)中微子罕見地與水分子發(fā)生碰撞時(shí)，能發(fā)出極微弱的光，光電倍增管能捕捉到這些光信號，進(jìn)而觀測到中微子。被神岡探測器探測到的中微子，是在距離地球15萬光年（\h見此處）以外的超新星爆炸（\h見此處）中形成的。這些中微子的發(fā)現(xiàn)使我們能詳細(xì)地了解超新星爆炸的過程。小柴昌俊也因此獲得了2002年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。中微子振蕩中微子有三種：電子中微子、μ子中微子、τ子中微子。過去，人們并不知道中微子有沒有質(zhì)量。如果中微子有質(zhì)量的話，運(yùn)動中的中微子就應(yīng)該在這三個(gè)種類之間發(fā)生轉(zhuǎn)化，這種現(xiàn)象叫作中微子振蕩。所謂“振蕩”，并不是說中微子本身搖來搖去，而是指中微子的種類發(fā)生了改變。如果中微子有質(zhì)量1996年，日本物理學(xué)家梶田隆章利用神岡探測器的升級版——超級神岡探測器，測量了在大氣層中形成的μ子中微子的個(gè)數(shù)，并證明了中微子振蕩現(xiàn)象真實(shí)存在。觀測中微子振蕩在觀測設(shè)施上空形成的μ子中微子迅速進(jìn)入探測器，因此無暇“變身”，然而，從地球另一端形成的μ子中微子在穿越地球飛入探測器的過程中，由于運(yùn)動了極長的距離，已經(jīng)發(fā)生了振蕩。此時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)μ子中微子的個(gè)數(shù)減少了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了中微子有質(zhì)量，梶田隆章也因?yàn)檫@一成就獲得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。中微子在宇宙各處都大量存在，了解中微子是否有質(zhì)量對判斷宇宙整體的質(zhì)量有很大的影響。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果甚至能夠改變?nèi)藗儗ξ磥碛钪孀罱K結(jié)局的判斷。希格斯玻色子物體為什么有質(zhì)量？仔細(xì)想想，這其實(shí)是個(gè)謎。

物理學(xué)家為了找到這個(gè)問題的答案想破了腦袋。

通過許多大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，他們對這個(gè)問題進(jìn)行了證明。質(zhì)量的本質(zhì)任何物體都有質(zhì)量（\h見此處），也許你會以為這是理所當(dāng)然的，但從物理學(xué)的理論來看，就算所有物體的質(zhì)量都是0也不足為奇。物體也許只是碰巧獲得了質(zhì)量，如果宇宙的某個(gè)條件發(fā)生了變化，物體的質(zhì)量也許就消失了。那么，在我們這個(gè)宇宙中，到底是什么原因使物質(zhì)都產(chǎn)生了質(zhì)量呢？1964年，英國物理學(xué)家希格斯提出了以下理論：空間中有一種看不見的特殊基本粒子（\h見此處）在進(jìn)行相互作用，物體運(yùn)動時(shí)，如果不將這些相互作用的特殊基本粒子排開就無法向前運(yùn)動。前面我們說過，質(zhì)量就是使物質(zhì)運(yùn)動起來的難易程度（\h見此處），因此，必須把這種基本粒子排開才能運(yùn)動，這就是物體產(chǎn)生質(zhì)量的原因。什么是質(zhì)量這種假想的基本粒子就是希格斯玻色子。宇宙空間中充滿了希格斯玻色子，所以萬物都有質(zhì)量。希格斯玻色子也可以叫希格斯粒子。希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的存在被預(yù)言后，世界各國的科學(xué)家就開始尋找這種基本粒子了。2011年，科學(xué)家終于在建于法國和瑞士邊境上的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）中發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了希格斯的假說，希格斯由于闡明了質(zhì)量的起源而獲得2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（與比利時(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒共同受獎(jiǎng)）。大型強(qiáng)子對撞機(jī)大型強(qiáng)子對撞機(jī)是將質(zhì)子（\h見此處）束加速至很高的速度并進(jìn)行對撞，以此來產(chǎn)生希格斯玻色子的裝置。實(shí)驗(yàn)生成的希格斯玻色子，可由重達(dá)數(shù)千噸的檢測器探測到。但是，為什么希格斯玻色子這么難發(fā)現(xiàn)呢？因?yàn)檫@種粒子太普遍了，反而很難被發(fā)現(xiàn)。這就好像我們很容易忽視空氣的存在一樣。在大型強(qiáng)子對撞機(jī)中，質(zhì)子以極高的速度對撞，產(chǎn)生了新的希格斯玻色子，因此才能探測成功。在發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子后，基本粒子的相關(guān)理論就完整了。但有待解決的謎團(tuán)還有很多，世界各地的科學(xué)家和粒子加速器都在進(jìn)行著實(shí)驗(yàn)。納米普通人都把“納米”一詞當(dāng)成“微觀世界”的同義詞，

但最初，“納米”其實(shí)就是個(gè)單純的長度單位。長度的單位在表示長度時(shí)，比米（m）小的單位還有厘米（cm）和毫米（mm）。厘米中“厘”的意思是百分之一，20厘米是20米的百分之一，也就是0.2米。同理，“毫”的意思是千分之一。如果要表示更短的長度，還有一個(gè)單位叫作納米（nm）。納米中“納”的意思是十億分之一。1納米是1米的十億分之一，也是1毫米的百萬分之一。以納米為單位測得的長度級別，一般可以稱為納米級。納米的世界納米材料的活用那么，納米為什么會成為熱點(diǎn)話題呢？這是因?yàn)?，一旦材料和機(jī)械被做成納米級的大小，就會出現(xiàn)許多新的特性和用途。比如：納米材料的活用將碳加工到納米級，可以變成超強(qiáng)纖維和超導(dǎo)體（\h見此處）。將金和銀加工到納米級，可以變成優(yōu)秀的催化劑，可用于傳感器和太陽能電池。將膠囊加工到納米級，就可能實(shí)現(xiàn)只針對癌細(xì)胞的靶向給藥。將傳感器加工到納米級，就可能24小時(shí)監(jiān)視體內(nèi)的狀態(tài)。關(guān)于納米材料的用途，有一些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，但還有很多是想象，目前的研究正在繼續(xù)。在宇宙開發(fā)、能源產(chǎn)業(yè)、量子計(jì)算機(jī)（\h見此處）、人工智能（\h祥見此處）等許多方面，納米技術(shù)還有很大的發(fā)揮空間。另外，許多納米材料的安全性還未經(jīng)證實(shí)，納米材料是否會對人體造成危害，這一點(diǎn)科學(xué)界也必須注意?！凹{米級”聽起來似乎很厲害，但有些商品不是“納米級”卻要冠以“納米級”的名頭，也請你一定要注意分辨這種夸大宣傳。專欄1“只有神知道”是真的嗎？

偶然性和概率在商場抽獎(jiǎng)的時(shí)候，誰也沒見過能連續(xù)中獎(jiǎng)的人吧！由于代表中獎(jiǎng)的小球數(shù)量有限，所以連續(xù)中獎(jiǎng)幾乎不可能。你可能會想，不會是商場在騙我吧？其實(shí)，抽獎(jiǎng)是由偶然性決定的概率事件，連續(xù)中獎(jiǎng)也可能發(fā)生。再舉一例，純粹由偶然性決定的概率事件還有擲硬幣。首先擲一次普通的硬幣，出現(xiàn)正面和出現(xiàn)反面的概率各為1/2。第一次擲出正面時(shí)，第二次擲出正面和反面的概率各是多少？還是各1/2。第一次擲出背面時(shí)，第二次擲出正面和反面的概率還是各1/2。也就是說，不論第一次擲出的是正面還是反面，第二次擲出正面或反面的概率都是不變的，不會因?yàn)榈谝淮螖S出正面，第二次就更容易擲出反面。第三次擲硬幣情況也是一樣的，以前擲出正面和反面的情況并不能影響以后擲出結(jié)果的概率。仔細(xì)想想，這也是理所當(dāng)然的，硬幣并不會記得自己之前被擲出的結(jié)果。這樣不會受到以前結(jié)果影響的概率事件，叫作獨(dú)立事件。若要計(jì)算相互獨(dú)立事件的概率，如擲硬幣兩次都出現(xiàn)正面的概率，則應(yīng)將第一次出現(xiàn)正面的概率1/2和第二次出現(xiàn)正面的概率1/2相乘。也就是說，若有無數(shù)個(gè)人擲硬幣兩次，應(yīng)該差不多每4個(gè)人中有1個(gè)人兩次都能擲出正面。同理，擲10次硬幣，10次都能擲出正面的概率就應(yīng)該是：也就是說，差不多每1000個(gè)人中有1個(gè)人10次都擲出正面。你自己擲10次硬幣，也許無法10次都擲出正面，但如果擲硬幣的人夠多，其中有人連續(xù)10次擲出正面也就不奇怪了。那么，假如你一個(gè)人擲許多次硬幣，在這個(gè)過程中能連續(xù)擲出幾次正面呢？經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算可得，如果你擲硬幣100次，連續(xù)5次擲出正面的概率大約為80%；擲硬幣1000次，連續(xù)10次擲出正面的概率約為40%。擲硬幣次數(shù)足夠多時(shí)，連續(xù)幾次擲出正面就成為很平常的事了。在商場抽獎(jiǎng)時(shí)，每次抽獎(jiǎng)，抽獎(jiǎng)箱中的小球都會減少一個(gè)，因此中獎(jiǎng)的概率也會逐漸變化，嚴(yán)格地講，每次抽獎(jiǎng)就不能算是獨(dú)立事件了。不過，如果抽獎(jiǎng)箱里的小球足夠多，那么抽獎(jiǎng)過程也可以近似地看成獨(dú)立事件。所以，當(dāng)抽獎(jiǎng)的人數(shù)夠多，一次次地抽獎(jiǎng)時(shí)，連續(xù)幾次中獎(jiǎng)就理所當(dāng)然了。使用概率來理解的話，直覺上認(rèn)為不可能發(fā)生的事，其實(shí)很有可能會發(fā)生。比如，和身邊的路人搭話，發(fā)現(xiàn)對方和自己同一天出生。這聽起來似乎是極為幸運(yùn)的事件，但仔細(xì)考慮一下，其實(shí)一點(diǎn)也不奇特。自己的生日與某個(gè)特定的人相同的概率確實(shí)很低，但在你的一生中會遇到成千上萬的“路人”，其中有一個(gè)與自己同一天出生的人，概率并不會很低。如果樣本量足夠大，小概率的事件就很可能發(fā)生。電磁學(xué)

Electricity表示“電”的英語單詞“electricity”，來自希臘語中表示“琥珀”的單詞“elektron”。生活在兩千多年前的人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了摩擦能使琥珀帶電，從而吸引灰塵的現(xiàn)象，柏拉圖在著作中就寫到過這種現(xiàn)象。另外，表示“磁”的英語單詞“magnetism”，據(jù)說來自希臘和土耳其產(chǎn)出的氧化鎂礦石。這種礦石帶有磁性，能吸引鐵。亞里士多德就曾論述過磁鐵的性質(zhì)。電荷和電場電能夠儲存，能夠流動，但電并不是物質(zhì)。

實(shí)際上，電來源于電子和質(zhì)子的某種屬性。什么是電場力電子（\h見此處）和質(zhì)子（\h見此處）等微觀粒子都有一種叫作電荷的物理性質(zhì)。電荷分正電荷和負(fù)電荷兩種，電子帶負(fù)電荷，質(zhì)子帶正電荷。帶電荷的粒子互相受到力的作用，這個(gè)力就是電場力。帶正電荷的粒子與帶負(fù)電荷的粒子之間，電場力的作用是互相吸引的。帶正電荷的粒子與帶正電荷的粒子，以及帶負(fù)電荷的粒子與帶負(fù)電荷的粒子之間，電場力的作用是互相排斥的。對電場力的性質(zhì)做出正確解釋的是18世紀(jì)的法國物理學(xué)家?guī)靵?，因此在部分情況下，電場力也叫庫侖力。電場和電場線用“場”（\h見此處）的思維來理解電場力就容易多了。帶電粒子周圍會形成一種類似于氣場的物質(zhì)向周圍擴(kuò)散，這就是電場。電場可以用圖像形式清晰地表現(xiàn)出來，這種圖像就是電場線。電場線是多條帶箭頭的曲線。觀察電場線的方向，我們就能理解帶電粒子互相吸引或排斥的原理了。電場線的分布電場線從帶有正電荷的粒子中出發(fā)，到帶有負(fù)電荷的粒子處終止。

正電荷與正電荷，以及負(fù)電荷與負(fù)電荷之間的電場線互相接近但不相交，粒子相互排斥。正電荷與負(fù)電荷之間，從正電荷出發(fā)的電場線到負(fù)電荷終止，兩個(gè)粒子就好像被繩子綁住了一樣，相互吸引。提出電場和電場線概念的是19世紀(jì)英國物理學(xué)家法拉第。法拉第沒上過學(xué)，原本只是個(gè)學(xué)徒，后來卻成了名垂青史的偉大科學(xué)家。電能綜上所述，帶有電荷的粒子能夠在電場力的作用下吸引或排斥其他帶電粒子，因此這些粒子就具有能量（\h見此處）。有了電能，電器就可以啟動做功。不過，為了讓電器做功，帶電粒子光存在是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，它們必須“流動”起來（請繼續(xù)閱讀下一頁）。電流、電壓、電阻所謂的“讓電流動起來”，到底是什么在流動呢？

用水的流動來打比方，就好理解多了。電的流動在電線等能讓電流動起來的物質(zhì)中，原本在原子中運(yùn)動的電子跑了出來，在物質(zhì)里游蕩。此時(shí)的電子被稱為自由電子。這些自由電子在外力的作用下一同朝一個(gè)方向運(yùn)動時(shí)，電線中就有電的流動了。電子的流動電子總是從負(fù)極向正極流動，而電流動的方向則正好相反，是從正極向負(fù)極流動的。這是因?yàn)殡娏鲃拥姆较蚴且獯罄锢韺W(xué)家伏特在18世紀(jì)末發(fā)明電池時(shí)規(guī)定的，當(dāng)時(shí)的人們還不知道電子的存在。電子流動的方向和電流動的方向很容易混淆，但事到如今也只好死記硬背了。電路回路為了讓電子運(yùn)動起來形成流動的電，電線就必須組成閉合回路，而且這個(gè)閉合回路中，必須各處都能夠讓電子始終流動。電在閉合回路中流動想象一條水渠，在水渠中電子始終流動著。這樣想就很容易理解了。

將水從低處汲向高處的水泵就相當(dāng)于電路中的發(fā)電機(jī)或電池，利用水下落時(shí)帶來的能量運(yùn)轉(zhuǎn)的水車就相當(dāng)于馬達(dá)或電燈。水渠是完整的環(huán)狀，所以水可以一直流動下去。要了解電路回路中電子的流動情況，就需要知道電流、電壓和電阻三個(gè)數(shù)值。1秒內(nèi)通過電路任意一處的電量叫作電流。電流的單位是安培（A），通過普通燈泡的電流大約為0.1安培\h\h(1)。發(fā)電機(jī)或電池推出電子的強(qiáng)度叫作電壓，在水渠中相當(dāng)于水泵抽水的高度。電壓的單位是伏特（V），普通干電池的電壓為1.5伏特。在電路中，電線中的原子等粒子成了障礙物，阻擋電子順利前進(jìn)。電子在電路中前進(jìn)的困難程度就叫電阻。電線中的障礙物越多，電子就越難前進(jìn)。電阻的單位是歐姆（Ω）。如果知道電壓和電阻的數(shù)值，用電壓除以電阻就可以算出電流的數(shù)值。這是19世紀(jì)德國物理學(xué)家歐姆發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，因此叫作歐姆定律。歐姆定律是所有電路都遵守的基本法則。歐姆定律磁實(shí)際上，電和磁有著密不可分的關(guān)系，

但它們也有一個(gè)巨大的區(qū)別。什么是磁力磁體都有南極（S極）和北極（N極），相同磁極之間磁力的作用表現(xiàn)為相互排斥，不同磁極之間磁力的作用表現(xiàn)為相互吸引，這和電場中正電荷和負(fù)電荷（\h見此處）表現(xiàn)出的性質(zhì)完全相同。參考電場和電場線（\h見此處）的概念，我們可以畫出磁場和磁感線，這對我們理解磁力也很有幫助。磁感線的分布磁感線從磁體的北極出發(fā)，在磁體的南極終止。南極和北極相互吸引，北極和北極、南極和南極相互排斥。在電場中，帶正電荷的粒子和帶負(fù)電荷的粒子是分別獨(dú)立存在的，但一個(gè)磁體必須同時(shí)擁有南極和北極。只擁有北極或只擁有南極的磁體目前還未發(fā)現(xiàn)。這就是電和磁的主要區(qū)別。電生磁那么，磁場是怎樣產(chǎn)生的呢？其實(shí)，磁場是由于電的流動而產(chǎn)生的。磁場的產(chǎn)生直電線中有電流通過時(shí)，電線的周圍就會產(chǎn)生磁場。如果此時(shí)把指南針靠近電線，指南針的指針就會動起來，這就是磁場存在的證據(jù)。

將電線繞成螺線管再通電，螺線管就能變成條形磁鐵一樣的磁體，這就是電磁鐵。地球帶有磁性，就是因?yàn)榈厍虻睾颂幍蔫F不斷熔化的同時(shí)又有電流通過，因此變成了電磁鐵。電和磁之間的關(guān)系由19世紀(jì)丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)，并由安培提出理論，因此電和磁之間的關(guān)系也叫安培定則。磁體和非磁體的區(qū)別觀察磁體內(nèi)部在原子中，電子始終在運(yùn)動。大多數(shù)原子都帶有磁性。如圖所示，在磁體內(nèi)部，原子排列整齊，磁極面向相同方向，各個(gè)原子的磁場可以合起來，讓磁體整體帶上磁性。而在非磁體中，原子排列不規(guī)律，磁極面向不同方向，彼此的磁場相互抵消，整體不帶有磁性。鐵在受到磁力時(shí)的變化將鐵置于磁體附近時(shí)，每個(gè)鐵原子都可以自由轉(zhuǎn)動。若把鐵置于磁體北極附近，鐵原子就會轉(zhuǎn)動，以南極面向磁體，產(chǎn)生互相吸引的磁力；若把鐵置于磁體南極附近，也會發(fā)生同樣的變化。綜上所述，電和磁的關(guān)系十分密切。不僅如此，它們之間還有更深刻的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系（請繼續(xù)閱讀后續(xù)內(nèi)容）。電磁感應(yīng)和電磁波電和磁不僅性質(zhì)相似，還可以互相轉(zhuǎn)化。

理解電和磁最好的辦法就是將兩者總結(jié)在一起來學(xué)習(xí)，

這也是現(xiàn)代電子學(xué)的基礎(chǔ)。電磁感應(yīng)其實(shí)，強(qiáng)度在變化的電場或磁場能夠產(chǎn)生新的電場或磁場。電和磁可以互相轉(zhuǎn)化當(dāng)電線接近或遠(yuǎn)離磁體時(shí)，電線附近的磁場強(qiáng)度就會發(fā)生變化，電線中就會產(chǎn)生電場，進(jìn)而出現(xiàn)電流。這個(gè)現(xiàn)象是法拉第（\h見此處）發(fā)現(xiàn)的，他將其命名為電磁感應(yīng)。同理，如果電場的強(qiáng)度發(fā)生變化，其周圍也能產(chǎn)生磁場。電磁爐就是利用變化的電流產(chǎn)生磁場的裝置。通過磁場的變化，電磁爐使鐵制的鍋產(chǎn)生電流，然后利用電流的熱效應(yīng)加熱鍋中的食物。發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)就是利用電磁感應(yīng)的原理，在外力作用下使線圈發(fā)電的裝置。發(fā)電機(jī)的原理發(fā)電機(jī)的線圈在磁場中轉(zhuǎn)動，穿過線圈的磁場不斷發(fā)生變化，因此線圈中就能產(chǎn)生電流。發(fā)電廠就是利用這個(gè)原理發(fā)電的。電磁波電場和磁場不斷互相轉(zhuǎn)化時(shí)，還能逐漸向外擴(kuò)散。電磁波變化的電場周圍能產(chǎn)生磁場，這個(gè)磁場變化時(shí)還能在周圍產(chǎn)生電場，這樣循環(huán)往復(fù)，電場和磁場就能逐漸擴(kuò)散。電場和磁場像這樣向外擴(kuò)散時(shí)，就像水面上的波紋，因此也叫電磁波。光的本質(zhì)就是電磁波，肉眼可見的光（可見光），其波長大約為0.0005毫米（500納米）。除了可見光，無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線等都屬于電磁波，它們的波長和能量各不相同，性質(zhì)也不同。各種各樣的電磁波無線電波的波長最長，能夠繞過障礙物，所以在大樓的陰面也能聽收音機(jī)。微波和紅外線的波長正好能使水分子發(fā)生激烈振蕩，所以能讓食品或人體等含水的物質(zhì)溫度升高。紫外線帶有的能量能破壞人體內(nèi)的蛋白質(zhì)和DNA，所以人體會通過使皮膚變黑的方式抵御紫外線。X射線帶有的能量很高，很容易穿越物質(zhì)，因此可以透視人體內(nèi)部。英國物理學(xué)家麥克斯韋曾將這里提出的電場和磁場的性質(zhì)總結(jié)成了4個(gè)方程，這就是麥克斯韋方程組。以這個(gè)方程組為基礎(chǔ)，人們才發(fā)展出電磁學(xué)的各種應(yīng)用。半導(dǎo)體和晶體管以計(jì)算機(jī)為代表，現(xiàn)代社會中所有電子設(shè)備都要用到的元件究竟是什么？

它的原理又是怎樣的呢？導(dǎo)體和絕緣體電可以在其中順暢流動的物質(zhì)，如銅、銀、鋁等，被稱為導(dǎo)體。在導(dǎo)體的內(nèi)部，有很多從原子中跑出來的自由電子（\h見此處），所以電流可以在其中流動。而且，自由電子還能將原子的運(yùn)動傳遞到遠(yuǎn)處，所以導(dǎo)體也能傳熱（熱是由原子的運(yùn)動產(chǎn)生的，\h見此處）。另外，自由電子還能阻擋并反射光，使導(dǎo)體呈現(xiàn)金屬光澤。什么是導(dǎo)體相反，電無法在其中順暢流動的物質(zhì)，如空氣、紙、橡膠等，被稱為絕緣體。絕緣體無法導(dǎo)電，是因?yàn)槠鋬?nèi)部沒有自由電子從原子中跑出來。然而，絕緣體在遇到高壓電時(shí)也會被擊穿，使電流一瞬間流過。在空氣中發(fā)生的放電現(xiàn)象，就是雷。什么是半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品中經(jīng)常用到的元素硅，其內(nèi)部電子會在原子和原子之間移動，因此電阻會比較大，電流只能少量通過，這種物質(zhì)叫作半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體中加入少量其他物質(zhì)，就能產(chǎn)生其他不同的性質(zhì)。在硅中加入少量的磷，電子就會增加一些，導(dǎo)電性變強(qiáng)，這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體（N代表英文“negative”，意為負(fù)電）。在硅中加入少量的硼，電子就會減少一些，因此沒有電子存在的地方就會出現(xiàn)空洞（稱為空穴），空穴在半導(dǎo)體中移動也可以導(dǎo)電，這種半導(dǎo)體就叫P型半導(dǎo)體（P代表英文“positive”，意為正電）。晶體管的原理利用半導(dǎo)體的性質(zhì)，我們可以制造出許多電子元件，在電子產(chǎn)品中有廣泛應(yīng)用的晶體管就是其中之一。1948年，美國人巴丁和布拉頓共同發(fā)明了晶體管。翌年，兩人的老板肖克利闡明了晶體管的工作原理。晶體管晶體管是由兩個(gè)N型半導(dǎo)體和中間的一個(gè)薄薄的P型半導(dǎo)體構(gòu)成的（這種結(jié)構(gòu)的晶體管叫作NPN型晶體管）。晶體管的發(fā)射極和基極兩個(gè)電極之間有電流（基極電流）流過時(shí)，由于P型半導(dǎo)體很薄，大部分電子都會勢頭很猛地沖向集電極，在發(fā)射極和集電極之間就產(chǎn)生了很大的電流（集電極電流）。因此，就算基極電流只產(chǎn)生很小的變化，集電極電流也會有很大的變化。利用這種性質(zhì)，人們就可以放大電子信號，從而進(jìn)行很多計(jì)算了。相反，用兩個(gè)P型半導(dǎo)體夾住一個(gè)薄薄的N型半導(dǎo)體的晶體管，稱為PNP型晶體管。電腦的處理器和內(nèi)存等元件，都是將數(shù)量巨大的晶體管嵌入一個(gè)小小的芯片中制成的。可以說，半導(dǎo)體是現(xiàn)代化生活的支柱。超導(dǎo)在極低溫的條件下，日常的物體也會顯示出量子力學(xué)的特性，

產(chǎn)生神奇的效果。

這些神奇的性質(zhì)對我們也很有用。什么是絕對零度溫度是表示原子運(yùn)動激烈程度的一種物理量（\h見此處），原子的運(yùn)動越和緩，物體的溫度就越低，如果原子的運(yùn)動完全停止，那么溫度就會降到最低，此時(shí)的溫度被稱為絕對零度，大約是-273℃。絕對零度的世界在絕對零度時(shí)，原子靜止。準(zhǔn)確地說，在絕對零度時(shí)，粒子還存在量子力學(xué)上最低限度的運(yùn)動。不存在比絕對零度更低的溫度了\h\h(2)，因?yàn)椴粫儆斜韧耆o止更不劇烈的運(yùn)動了。-500℃或者-1000℃這樣的溫度是絕對不會存在的。這就是熱力學(xué)第三定律。將絕對零度（約-273℃）表示為0K（開爾文）的溫度表示方法，被稱為熱力學(xué)溫標(biāo)。使用熱力學(xué)溫標(biāo)時(shí)，任何溫度都可以表示為正值。0℃約等于273K，100℃約等于373K。超導(dǎo)將水銀冷卻到-269℃以下時(shí)，水銀的電阻會突然消失，能夠讓電流完全通過。這種現(xiàn)象是在1911年由荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)的，稱為超導(dǎo)（意為“超級導(dǎo)電”）。能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)（超導(dǎo)體）除了水銀之外還有好幾種，但其超導(dǎo)特性基本都要在接近絕對零度的極低溫時(shí)才會顯現(xiàn)?？罩酗h浮將超導(dǎo)體置于磁體上時(shí)，超導(dǎo)體會飄浮在空中。這種現(xiàn)象由德國物理學(xué)家邁斯納于1933年發(fā)現(xiàn)，被稱為邁斯納效應(yīng)。這種現(xiàn)象在普通狀態(tài)下并不會發(fā)生。那么，超導(dǎo)現(xiàn)象到底是如何產(chǎn)生的呢？電子對在極低溫的情況下，由于量子力學(xué)的作用，電子會兩兩組合成對，稱為庫珀對。這些電子對能夠越過一切障礙物，因此導(dǎo)體的電阻就可以顯示為零。1986年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種類似陶瓷的銅氧化物材料可在相對較高的溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)（這里的“高溫”指的是-200℃左右），這種現(xiàn)象稱為高溫超導(dǎo)。時(shí)至今日，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了能在約-140℃的溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的物質(zhì)。超導(dǎo)的應(yīng)用由于具有電阻為零、電流可以完全通過的特性，超導(dǎo)體可以用來制造超強(qiáng)力的電磁鐵。超導(dǎo)電磁鐵已經(jīng)被應(yīng)用在磁共振成像等醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備以及高鐵列車等設(shè)施上，將來勢必也會成為核反應(yīng)堆中不可或缺的材料。如果使用超導(dǎo)體制造電線，就可以實(shí)現(xiàn)長距離無損耗輸電和長時(shí)間蓄電。然而，現(xiàn)階段令導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)還需要極低溫的條件，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模利用還很難。如果能發(fā)現(xiàn)在常溫下就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的物質(zhì)，就能一舉解決現(xiàn)代社會的電力問題，從而讓社會面貌煥然一新。激光在DVD和條碼掃描儀上，激光是常被用到的工具，

在光纖通信、精密加工、精密測定等尖端科技領(lǐng)域，

激光也發(fā)揮著巨大的作用。

除了能量巨大，激光還有很多特別的性質(zhì)，這就是它的可貴之處。什么是激光太陽光、燈光等光線，都由長波長的電磁波（\h見此處）和短波長的電磁波混雜而成，在介質(zhì)中不同光波傳播的速度也不同。觀察光線通過棱鏡后產(chǎn)生的光譜（\h見此處），可以看到它的范圍很寬。與之相反，激光僅由一種電磁波構(gòu)成，波長、波速均相同，觀察其光譜，也只能看到一條明亮的線，其余部分均為黑色。普通光線和激光的差異由于激光具有這樣的特殊性質(zhì)，因此可以匯聚到一個(gè)方向，向很遠(yuǎn)的距離放射，同時(shí)也可以形成非常強(qiáng)烈的光線。激光器的原理那么，激光是怎樣產(chǎn)生的呢？激光器中裝配著含有金屬的寶石、某種半導(dǎo)體（\h見此處）等特殊材料。這種材料被施加電壓后，材料中所有原子就都處于同一狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，當(dāng)從外部射來一束微弱的光，處于邊緣的原子就會受到刺激，發(fā)出具有同樣波長和速度的電磁波。這些邊緣原子再刺激其鄰近的原子，以此類推，直到所有的原子都集中向外發(fā)出同樣的電磁波。激光器實(shí)用的激光器中配有兩面反光鏡來回反射光線，以獲得更長的反射距離。激光的應(yīng)用用光信號代替電信號進(jìn)行通信的技術(shù)叫作光纖通信，使用的就是激光。在光纖中，不同波長的電磁波前進(jìn)的速度是不同的，因此，各種波長的電磁波混雜的普通光線在光纖中前進(jìn)時(shí)，所帶有的信號就會逐漸散逸、消耗。由于激光電磁波的波長都一致，所以在長距離傳輸時(shí)信號不會消耗，可以無損地傳遞信號。用激光探索宇宙在探索宇宙時(shí)，人們也可以使用激光。讓飄浮在宇宙中的探測器張開一面帆，然后從地球射出一道強(qiáng)力的激光，就可以使探測器加速。這樣，探測器就可以在不攜帶燃料的情況下加速到接近光速的程度。目前，人類正在構(gòu)想通過這種方法讓探測器前往距離地球約4光年（\h見此處）的比鄰星進(jìn)行探測。LEDLED具有發(fā)光明亮、耗電量少的特征，

在照明、顯示、信號等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

LED和晶體管一樣，都利用了半導(dǎo)體的技術(shù)。發(fā)光的半導(dǎo)體LED是發(fā)光二極管的簡稱。二極管也是用半導(dǎo)體制成的一種電子元件，具有電流在其中只能單向流動的特性。普通的二極管并不會發(fā)光，但若使用特殊的半導(dǎo)體材料制作，在通電時(shí)就可以發(fā)出帶顏色的光。LED發(fā)光的原理LED由一個(gè)N型半導(dǎo)體和一個(gè)P型半導(dǎo)體貼合構(gòu)成。給LED加上電壓，N型半導(dǎo)體中的電子就會向P型半導(dǎo)體移動，并和其中的空穴復(fù)合，此時(shí)電子會釋放能量，能量以光的形式輻射而出。電子與空穴復(fù)合時(shí)釋放的能量不會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，所以發(fā)光二極管不會發(fā)熱，電能也就不會產(chǎn)生浪費(fèi)。LED發(fā)光的顏色由半導(dǎo)體材料的種類決定，如下表：半導(dǎo)體的種類和光的顏色因此，單個(gè)LED無法發(fā)出多種顏色的光。藍(lán)光LED的開發(fā)LED的亮度很高，將多個(gè)LED排列起來，人們就能造出巨大的室外顯示屏。但若要顯示彩色內(nèi)容，LED就必須和液晶顯示屏一樣，至少要能發(fā)出紅色、綠色、藍(lán)色三種顏色（三原色）的光。此外，如果想用LED制造明亮的照明設(shè)備，就需要LED混合紅色、綠色、藍(lán)色三種顏色的光，形成白色光。能發(fā)出紅色和綠色光的LED很早以前就被開發(fā)出來了，但能發(fā)出藍(lán)色光的半導(dǎo)體材料銦鎵氮（InGaN）由于和LED的基板材料（藍(lán)寶石）的原子間隔相差太大，相容性差，因此在藍(lán)寶石基板上很難制得平整的銦鎵氮，所以LED中只有藍(lán)光LED最難實(shí)現(xiàn)。榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的創(chuàng)意日本科學(xué)家赤崎勇和天野浩將原子間隔處于銦鎵氮和藍(lán)寶石之間的氮化鋁（AlN）作為緩沖材料放在銦鎵氮和藍(lán)寶石的中間，終于成功地在基板上制造出了高品質(zhì)的銦鎵氮晶體。后來，日裔美籍科學(xué)家中村修二又劃時(shí)代地開發(fā)出了量產(chǎn)藍(lán)光LED的方法。20世紀(jì)90年代，藍(lán)光LED終于得以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造，從那以后，LED的用途大大增加了。由于上述成就，赤崎勇、天野浩和中村修二獲得了2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。太陽能電池太陽能電池也是使用半導(dǎo)體材料制成的裝置。

它被譽(yù)為解決人類能源問題的“王牌”，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，

或許人們也能開發(fā)出太陽能電池的許多新用途。利用太陽的能量在受到光照時(shí)能夠發(fā)電的裝置稱作太陽能電池，如太陽能電池板。太陽的光能照射向地球的功率約為18億億瓦特（\h見此處），是如今全人類利用能量的1萬多倍。除去空氣吸收的部分，地球上每一平方米受到陽光輻射的功率大約還有1000瓦特。沒理由不去利用這部分能量。太陽能電池就是一塊P型半導(dǎo)體薄板和一塊N型半導(dǎo)體薄板貼合在一起的裝置，其基本結(jié)構(gòu)和LED（\h見此處）類似。LED是用電能發(fā)光的裝置，而太陽能電池則是利用光能發(fā)電的裝置，和LED的作用相反。在科學(xué)和工程技術(shù)的世界中，“由A可以做到B，那么由B是否可以做到A”是很自然的想法。太陽能電池的原理光線照射到P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的分界線上時(shí)，光能就會讓電子（\h見此處）從原子中飛出，同時(shí)制造出一個(gè)空穴（\h見此處）。飛出的電子將向N型半導(dǎo)體運(yùn)動，而空穴將向P型半導(dǎo)體運(yùn)動。將兩個(gè)半導(dǎo)體接入回路，電子就能在回路中流動，形成電流。普通太陽能電池使用的半導(dǎo)體都是利用硅元素制造的。在制造其他半導(dǎo)體時(shí)，硅比其他元素更常用，因此制造技術(shù)更完善，造價(jià)也更低。住宅用的太陽能電池板和光伏發(fā)電站中使用的太陽能電池基本上都是硅制的。然而，硅的收光能力不太強(qiáng)，不造出一定的厚度，就無法獲得較高的發(fā)電效率，所以硅制的太陽能電池一般都很重，也很難彎曲成需要的形狀。各種各樣的太陽能電池因此，科學(xué)家近來一直在研發(fā)不使用硅材料的太陽能電池。其中，使用CIGS材料制造的太陽能電池厚度僅千分之一毫米，卻能高效地發(fā)電。在開發(fā)中的還包括有機(jī)半導(dǎo)體材料涂料，涂在任何物體上都能讓其變?yōu)樘柲茈姵?。將來，我們或許會迎來這樣一種時(shí)代——把這種涂料涂在住宅外壁，就能讓住宅自己發(fā)電。CIGS材料中的“CIGS”，分別為銅（Cu）、銦（In）、鎵（Ga）、硒（Se）四種元素符號的首字母。歷史與問題1954年，美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室最先開發(fā)出實(shí)用的太陽能電池。在那之后，日本開始積極投入這一領(lǐng)域，到2005年已經(jīng)占有了世界太陽能電池的半數(shù)以上的市場。隨后，中國等生產(chǎn)商后來居上，目前日本的市場占有率已降至10%左右。但是，太陽能電池也有缺點(diǎn)。太陽能電池只能在陽光充足的時(shí)候使用，夜間無法發(fā)電，還被氣候所左右，無法保證穩(wěn)定的電力供給。而且，太陽能發(fā)電的成本居高不下，光伏發(fā)電站的增加勢必導(dǎo)致電費(fèi)的提高。同時(shí)，光伏發(fā)電站占據(jù)的土地面積很大，對環(huán)境也會產(chǎn)生一定的破壞?？傮w來看，任何發(fā)電的方法都是瑕瑜互見的，最重要的是搭配利用包括傳統(tǒng)發(fā)電方法在內(nèi)的各種發(fā)電方法。人工智能在新聞中，我們常常能聽到許多令人驚嘆的人工智能故事，

仿佛科幻小說里的情節(jié)。

下面就讓