物理是高科技范儿的人文教育

能源、全球变暖、反恐、健康、互联网、卫星和遥感、导弹和反弹道导弹、DVD和高清电视——现在，全球政治经济新闻中的高科技内容越来越多，但很多关心现实的人却没学过多少物理，不了解相关的科学和技术。甚至，在我工作的学校加州大学伯克利分校（UCB），物理学也不是一门必修课。如果误解了科学，我们将来就会做出错误决策，本书想解决的就是这一问题。物理学是高科技范儿的人文教育，理解了物理，你就不会再被科技的飞速进步吓倒。本书的主旨，就是引起年轻读者的兴趣，帮你们掌握必要的物理与技术知识。

科学太难了？不，只是教学方法不对。我来举个类似的例子：查理曼大帝是个半文盲——他会读，但不会写。对古人来说，写作曾经也是一件难事，就像今天的物理学一样。但是如今世界上的大部分人都有读写能力，很多孩子在上幼儿园之前就会阅读了。在中国，有84%的人口拥有读写能力（据经济合作与发展组织的报告）。其他国家也必须在科学素养方面达到同样的水平。

学物理的时候能绕过数学吗？当然！数学是一种计算工具，但它并不是物理的精髓。我们经常会劝导优秀的学生：“用物理学思考，而不是用数学思考！”不必研究音乐理论，你就能理解音乐甚至作曲；不了解麦克斯韦方程，你也能理解光是什么。这门课的目的并不是制造小小物理学家。

每学期当我上第一节课时，都会给学生们讲一个小故事，让他们知道这门课要教的内容，接下来，我把这个故事告诉你，你也会了解我的目的。

理想的学生是什么样

利兹是我以前的学生，有一天，她来到我的办公室，迫切地想要分享她几天前的一次奇妙经历。她们家邀请了一位物理学家来共进晚餐，这位物理学家在劳伦斯利弗莫尔国家实验室工作。

晚餐时，他给大家分享了工作上的故事，介绍了受控热核聚变以及该技术在满足能源需求方面的广阔前景。利兹说，当这位科学家讲述自己的丰功伟绩时，她的家人都惊呆了。利兹对核聚变的了解比她的父母多，因为我在课堂上讲过这方面内容。

晚餐的最后，家人们都静静地沉浸在敬仰之情当中。但利兹终于忍不住开口了：“太阳能也是很有前景的。”

“呵！”物理学家笑道。（他并不是故意盛气凌人，但是物理学家的语气经常会产生这样的效果。）“如果你想给加州供应足够的电力，”他说，“你就得把整个国家都铺上太阳能电池板！”利兹马上做出了回应。“你说得不对，”她说，“1平方千米的光照，就能产生1吉瓦的电力，核电站的产能大致也是这样。”

物理学家惊愕得说不出话来。他皱了皱眉，最后回答道：“嗯，你的数据听起来没错。当然，现在的太阳能电池只能达到15%的效率……但这并不重要。嗯，我得再回去查一下数据。”

没错！我希望读者获得的正是这种敢于质疑的能力。不是微积分，不是花式计算，不是对科学方法夸夸其谈，也不是阐述角动量守恒的深层含义，而是能让一个没做好作业的高傲物理学家闭嘴！利兹不仅记住了事实，也掌握了关于能源的足够的知识，在面对所谓“专家”时，她能自信地展示她的证据。倘若你知道太阳能只是这门课的一小部分，她的表现就会更让人钦佩了。之所以能记住重要数据，是因为她觉得这些知识既有趣又重要。她不只记住了数字，也思考过这些信息并和同学们一起讨论，这些知识融入了她的身体，可以在需要时回想起来并加以运用。

写给未来人的物理学

本书不是速成的物理学，而是一种高级的物理学。本书覆盖了一些最有趣、最重要的科学主题。在认识了自己所学知识的价值后，人们自然有动力去深入学习。在每一章中，读者都能找到想要与人分享的内容。我没有把学生们放在数学的琉璃穹顶下仰望它，而是让他们置身于其上。“你没有时间，也没有意愿学数学，”我告诉他们，“所以我们跳过这部分，直接学习重要的东西。”接下来，我会教给他们一些连物理学专业学生在读到博士之前都可能忽略的知识。

一般的物理学专业学生，甚至有的物理学博士都不太清楚本书要讲的内容。他们对以下事物知之甚少：核武器、光学、流体、电池、镭射、红外线、紫外线、X射线、伽马射线、MRI（磁共振成像）、CAT（X射线计算机辅助断层成像）以及PET（正电子发射计算机断层扫描）扫描。你可以问一个物理学专业的学生：核弹的工作原理是什么？他只会告诉你他在高中学过的知识。

正因如此，我们在伯克利分校也向物理学专业的学生开设了这门课程。这里的大部分内容对他们来说都是崭新的。这不是什么“少儿物理学”，而是一门高级的物理学。

我必须承认，我对伯克利分校的学生做了一个重大让步。他们特别想了解相对论和宇宙学，这两个主题有些深邃，但对喜欢思考的学生来说则特别有吸引力。所以，我在本书结尾多加了两章，其中的话题是受过良好教育的人都应该了解的。

这种新的教学方法在伯克利分校引起了出乎意料的反响。通过学生们口口相传，这门课的选课人数从最开始的34人（2001年春季）增长到了500多人（2006年秋季），已经让伯克利分校最大的物理教室人满为患。我的很多学生以前都讨厌物理，并且发誓高考完以后再不学它了。但是，如今他们就像被火光吸引的飞蛾一样扑了过来：他们发现，这门课不仅引人入胜，而且还和当下的国际实事紧密相关。我的任务就是满足他们对知识的渴求。这里必须再次说明，学生们之所以选这门课，并不是因为它简单。它一点也不简单。这门课包含了大量的知识，显而易见，每一章都充满了重要信息。学生们报这门课，不是为了找乐子，而是想好好学一门有用的课程，借此了解重要的信息，并且获得运用这些信息的能力。选择这门课，让他们感到自豪，但更让他们自豪的是，这门课让他们乐在其中。

正文赏读

能量的大小

猜一猜：1磅爆炸物（比如黑色炸药或TNT）和1磅巧克力薄片曲奇相比，谁含有的能量更大呢？先别往下读，猜猜看。

答案是：巧克力薄片曲奇的能量更大。不仅如此，两者的差距还很大——曲奇饼干中含有的能量是TNT的8倍！这个事实让绝大多数人都感到震惊，甚至包括很多物理学教授。你可以试试向你学物理的朋友提出这个问题。

怎么会这样呢？TNT炸药之所以这么出名，不就是因为它能释放很多能量吗？我们稍后再来解释。首先，我们要列出几种物质的能量，还有很多惊喜等着我们。

为了方便对比，我们来看看就几种不同的物质来说，1克物质蕴含着多少能量。（1克是1立方厘米水的重量，1便士硬币的重量是3克，1磅是454克。）我会用几种不同的单位来衡量能量：大卡、卡路里、瓦·时以及千瓦·时。

表1.1显示了各种不同物质的近似能量值。你可能会发现这张表是整本书中最有意思的表之一。里面到处是惊喜，而最有趣的是最右侧的一列。

仔细思考一下这张能量表，集中注意力观察最右边一列。寻找一下让你吃惊的数据。你能找到多少？把它们划出来。我认为以下事实都很令人震惊：

巧克力薄片曲奇含有超多的能量

电池所含的能量非常少（和汽油相比）

流星的能量很高（和子弹或TNT 相比）

铀-235 中含有非常巨大的能量（和表中所有其他物质相比）

试着考考你的朋友，看看他们知道多少。就连大多数物理学专业的学生都会大跌眼镜。这些惊人之处和表中的其他特征值得我们好好讨论一下，对于人类能源的未来而言，这些结论将会影响深远。

选自《头条物理学》著者：[美]理查德·A.穆勒 ；译者：李盼；出版社：理想国丨山西教育出版社

来源：理想国

编辑/韩世容