物理
总主编 韩启德
主 编 沈文庆
副主编 封东来
图书在版编目(CIP)数据
十万个为什么(第六版)/韩启德总主编.-上海:少年儿童出版社,2014.1
ISBN 978-7-5324-9285-5
I.①十……II.①韩……III.①科学知识-青年读物②科学知识-少年读物IV.①Z228.1②R-49
中国版本图书馆CIP数据核字(2013)第055411号
十万个为什么(第六版)
总主编 韩启德
出 版 上海世纪出版股份有限公司少年儿童出版社
地 址 200052上海延安西路1538号
发 行 上海世纪出版股份有限公司发行中心
地 址 200001上海福建中路193号
易文网 www.ewen.cc 少儿网 www.jcph.com 电子邮箱 posmaster@jcph.com 印 刷 上海中华印刷有限公司
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常熟市华通印刷有限公司
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上海一众印务中心
浙江新华数码印务有限公司
开 本 889×11941/16
印 张 221.5
出版日期 2014年1月第1版第1次印刷
书 号 ISBN 978-7-5324-9285-5/N.962
定 价 680.00元(全18册)
版权所有 侵权必究
十万个为什么 第六版 编辑委员会
总主编
韩启德
编辑委员
(以姓氏笔画为序)
干福熹 马宗晋 王 越 王占国 王阳元 王威琪 王振义 王恩多 王梓坤 王绶琯 王鼎盛 韦 钰 方 成 尹文英 邓子新 邓中翰 卢耀如 叶叔华 叶铭汉 叶朝辉 付小兵 匡廷云 戎嘉余 朱能鸿 刘嘉麒 池志强 汤钊猷 许健民 许智宏 孙 钧 孙宝国 孙晋良 孙鸿烈 严东生 严加安 李三立 李大潜 李幼平 李载平 李家春 杨 槱 杨芙清 杨宝峰 杨雄里 杨福家 吴启迪 吴征镒 吴孟超 吴新智 何积丰 谷超豪 汪品先 沈文庆 沈允钢 沈自尹 沈学础 沈寅初 张弥曼 张家铝 张景中 陆汝钤 陈 颙 陈 霖 陈凯先 陈佳洱 陈宜瑜 陈晓亚 陈润生 陈赛娟 林 群 林元培 欧阳自远 周又元 周良辅 周忠和 周福霖 冼鼎昌 郑时龄 郑树森 郑哲敏 孟执中 项坤三 项海帆 赵东元 赵忠贤 俞大光 洪国藩 洪家兴 费维扬 贺 林 秦大河 倪光南 倪维斗 郭景坤 唐孝炎 黄荣辉 黄培康 戚发轫 崔向群 葛均波 韩启德 韩济生 程 京 傅家谟 焦念志 童坦君 曾溢滔 雷啸霖 褚君浩 滕吉文 潘云鹤 潘建伟 潘家铮 潘德炉 戴汝为 戴尅戎
十万个为什么 第六版 物理
主编
沈文庆
副主编
封东来
板块负责人
朱克勤 高云峰 林博颖 曾和平 侯晓远 潘建伟 王 一 万维钢 王鼎盛 封东来 黄吉平
撰稿人员
(以姓氏笔画为序)
于浩淼 万维钢 王 一 王 田 王文浩 王纬芳 王振东 王敏中 韦 林 云无心 殳 蕾 方 妍 方 弦 方鸿辉 厉光烈 田丽亭 匡志强 吕存景 朱克勤 朱晨歌 乔灵芝 刘延柱 刘建秀 刘联胜 安克难 祁丽萍 许谢慧娜 李 力 李 淼 李文彬 李玉国 李尧臣 李剑龙 李晓辉 杨 光 杨 桦 肖能超 吴 光 吴卫东 何 龙 何 鋆 何泽尚 闵春华 沈文庆 宋志怀 张 权 张 亮 张天蓉 张少峰 张文卓 张河桥 张荣君 张家玮 张惠澍 陈 洁 陈桂芬 武 愕 武际可 林志方 林博颖 罗二仓 罗会仟 罗雷生 金文力 金哲岩 郑百林 郎君轶 孟卫东 封东来 赵 敏 赵洪英 赵艳波 赵章琰 俞家新 聂国熹 莫振伟 夏国强 殷立峰 殷雅俊 高云峰 资 剑 黄吉平 崔傅成 章德海 彭 杰 韩文钦 曾 琪 蔚安然 雒 婧 潘天俊
审稿专家
张天蓉 罗会仟 方鸿辉
责任编辑:孙正凡
美术编辑:张 怡
整体设计:袁银昌 李 静
版面设计:王 晖 王永容 董 鑫
科技插图:张 怡
美编助理:邓 晓 林劲帆 周妍玥 王传林 叶丹丹 汤思佳 孙 靖 赵 清 谭晓棠 王安丝 李宇辰 李虹庆
特别鸣谢:缪 瑾
序言
韩启德
经过数百位编委、作者和编辑历时三年的辛勤努力,第六版《十万个为什么》终于与广大读者见面了。对于中国的科技界、教育界和出版界,以及千千万万的少年儿童来说,这都是值得高兴的一件事。
《十万个为什么》是由少年儿童出版社于1961年出版的一套科普图书。在半个世纪的岁月里,这套书先后出版了五个版本,累计发行量超过1亿册,是新中国几代青少年的启蒙读物,在弘扬科学精神、传播科学知识、提高全民科学素质方面发挥了巨大作用。在我国,至今还没有一套科普读物能像《十万个为什么》那样经得起如此长时间的检验,并产生如此巨大的社会影响。
进入21世纪以来,科学技术的发展日新月异,尤其在网络通信、低碳环保、基因工程、航空航天、新能源、新材料等领域,研究进展更是一日千里,乃至从根本上改变着人们的生活与工作方式。为适应科技发展带来的深刻社会变革,提高国家的综合国力和竞争力,党和政府高度重视加强科学技术普及,重视提高全民科学素质,并将国家科普能力建设作为建设创新型国家的一项基础性、战略性任务,这对我国的科普出版提出了更高的目标。
2006年,国务院正式颁布实施《全民科学素质行动计划纲要》,其中特别强调要提升未成年人的科学素养,因为只有从青少年时期就开始养成科学的思维方式与行为习惯,将创新精神与实践能力并重,才能最终使得全民的科学素质得到根本性的提高。为此,编辑出版一套崭新的适应时代发展要求的《十万个为什么》,使其在繁荣我国科普创作的进程中发挥“旗帜”作用,其意义是非常深远的。
好奇心是青少年的可贵特质,是驱使他们亲近和接受科学的动力,一定要保护好。从50年来的经验看,“一问一答”是个好形式,也是《十万个为什么》被大家喜爱的重要原因,在编纂第六版《十万个为什么》时我们坚持了这一好形式,并力争在传授科学知识的同时,引导读者去思索问题,去感受科学文化和科学精神,去体会科学探索的乐趣。
出于积极参与科学普及工作,提高全民科学素质的社会责任感,中国科学院和中国工程院共有百余位院士应邀担任了第六版《十万个为什么》的编委。其中20余位院士在百忙之中担任了各分册的主编,具体负责组织相关分册的编纂工作,有40余位院士亲自撰稿。此外,还有700余位来自世界各地、各个学科的优秀科学家和科普作家参与了新版《十万个为什么》的编写。这么多高层次科学家参与到一套科普图书的编纂工作中来,这在我国科普出版史上是空前的。阵容强大的编委会和作者队伍,为新版《十万个为什么》的科学性、前沿性、权威性和可读性提供了最可靠的保证。在此,我也谨向所有参与第六版《十万个为什么》编纂工作的编委、主编、作者和社会各界表示衷心的感谢和深深的敬意。
第六版《十万个为什么》在总结前五版成功经验,并广泛征求各方面意见的基础上,综合考虑时代的发展和青少年读者的实际需要,将全书分为三大板块共18个分册。基础板块包括数学、物理、化学、天文、地球、生命,是传统六大基础学科;专题板块包括动物、植物、古生物、医学、建筑与交通、电子与信息,是由基础学科衍生出来的重点传统学科;热点板块包括大脑与认知、海洋、能源与环境、航空与航天、武器与国防、灾难与防护,则是近些年发展特别迅速,引起社会广泛关注的热点领域。在编纂每一分册的过程中,我们根据这个学科或专题的内容,充分考虑知识体系的完整性和科学发展的前瞻性,问题的设计和分布尽量与学科或专题的内在结构相吻合,从而使每一分册都成为具有完整的内在知识体系的读物。现代科学技术发展的一大特点是学科之间的交叉融合,相信小读者们在阅读过程中也会在不同的分册中发现一些共性的问题。
第六版《十万个为什么》在形式上适应了当代青少年的阅读需求,与国际上同类图书的最新出版潮流相接轨,首次推出彩色图文版,用大量彩色图片向读者展示当代科技前沿的无穷魅力。内容上具有鲜明的时代特色,从基础、前沿、关键、战略四个方面来组织问题和编写稿件,重点关注科技发展的前沿和当代青少年关心的热点问题。尤其值得称道的是,书中的大量“为什么”是通过各种形式向全国少年儿童征集来的,力求将当前孩子们最关心、最爱问的问题介绍给他们。同时,新版《十万个为什么》更加注重思考过程,提倡科学精神,引导创造探索,关注科学与人文、科学与社会的关系,通过“微问题”“微博士”“实验场”“科学人”“关键词”等小栏目激发青少年的好奇心和探究心理。
我们相信,第六版《十万个为什么》将以全新的问题、全新的体系、全新的内容、全新的样式,以及数字化时代全新的技术手段,再现《十万个为什么》每一版都曾有的辉煌,掀起中国科普出版和科学普及的又一个新高潮。第六版《十万个为什么》的出版,必将引领更多青少年走向科学,使共和国涌现出更多的栋梁之材。同时,这套书的出版,对于贯彻落实《全民科学素质行动计划纲要》精神,促使当代中国广大青少年科学世界观的形成和科学创新能力的提高,推进全社会在讲科学、爱科学、用科学上形成更加浓厚的氛围,使全民科学素质再上新台阶,发挥不可替代的关键作用。
导言
为什么要研究物理学
人类为什么要呼吸?因为维持生命需要吸入氧气,同时排出二氧化碳。为什么不是吸入二氧化碳,排出氧气?因为氧气与人体内的葡萄糖反应可以释放能量,为人类所利用。为什么氧化反应会释放能量?为什么地球上存在这么多氧元素?为什么宇宙中又能够形成氧元素……其实,在这么多为什么的背后,还会有无穷多为什么。
关于大自然,求知欲旺盛的人类,几乎每个人都会不断产生许多为什么。为了寻找答案,有时你要求助医学,有时你要贯通生物学,有时你要援引化学。不过,1979年诺贝尔物理学奖得主温伯格说,物理学的不同之处在于,如果你得到答案后继续追问为什么,连问几次之后,必然会将问题引入物理学的范畴,毕竟物理学是一门研究物质基本组构和运动规律的基础学科。从茹毛饮血、刀耕火种到遨游太空、探索宇宙,人类文明进程中的每一个足迹无不深深烙下物理学进展的印记。
牛顿的《自然哲学的数学原理》标志着现代物理学的开端
有物理学家曾自嘲,如果你让他研究鸡的特征,他会首先考虑真空中的球形鸡。这是因为物理学喜欢从令人眼花缭乱的现象中抽取最核心的部分,将复杂的问题转化成简单的模型。例如,物理学家会将物质不断分割,抽丝剥茧地分析最微小的基本粒子;又会将所观察的世界不断外延,高屋建瓴地研究最广袤的宇宙时空。物理学就是用这种特有的研究方式,涵盖了物质的组构及其运动规律的各个层次。
精确计时的铯原子钟(600万年才会误差1秒)
在物理学家的眼中,所有已知的世界都可以还原成时间、空间、物质(场、粒子)和能量等几个基本要素。它们间所有形式的互动都可以归结为万有引力、电磁力、弱力(在放射性衰变中起作用)和强力(在核反应中起作用)的相互作用。这些基本要素和基本相互作用就像计算机中的“0”、“1”和几条基本指令一样,通过千变万化的排列与组合,使它们呈现为固态、液态、气态或等离子态,可以化作导体、绝缘体、半导体或超导体,可以发声、发光、发热或发电,甚至可以生长、繁衍、拥有思想以及问为什么。
物理学是一门高度融合数学、理论和实验的学科,可以把看似无关的现象归纳成同一类理论,用抽象的数学语言书写理论的框架,再用严格的实验和观测检验理论预言,以期为我们了解大自然的法则提供真知灼见。例如,苹果下落和月亮转动都可以用万有引力来描述;根据牛顿的引力定律,人们又预言并发现了海王星的存在。在物理学中,这三个组成部分相得益彰,缺一不可。没有理论和实验,数学就是空中楼阁;没有数学和实验,理论就是空口无凭;没有数学和理论,实验就是无的放矢。只有将三者结合在一起,人类才能运筹帷幄之中,预言千里之外。
物理学的探索没有止境
基础物理学早已深入生活的每一个角落,可以说,生活中处处充满物理学原理。经典的热学、电以及电磁波、流体力学等物理学研究使得蒸汽机、各种电器和通信工具、飞机等得以发明,成为人类现代文明的柱石。而就现代物理来说,仅看一看诺贝尔物理学奖的获奖研究,我们就会发现运用物理学原理所推动的一系列技术创新已极大地改善了人类的生活方式。诸如运用原子核的放射性和磁共振的研究成果促成了医院里CT(X线计算机体层摄影)、PET(正电子发射计算机断层成像术)和其他一系列现代检测和治疗手段;晶体管、巨磁阻和光纤的研究又促成了大规模集成电路、大容量磁盘和互联网;激光、无线电、原子钟和相对论的研究则促成了工业控制、无线通信和卫星定位系统……可以想象,石墨烯、高温超导、量子操控、量子计算和量子通信,这些已初见端倪和仍在进行中的前沿物理学探究可望对人类的生存方式带来可喜的革命性的变化。
物理学的探究是没有止境的,因为我们每解决一个旧问题,又可以引入一系列新问题。尽管我们已经初步掌握了世界的基本组构和运动规律,却远远没有穷尽物质的所有可能形态,远远没有领会规律的基本内涵,更没有弄明白宇宙中占比很大的暗物质和暗能量。诸如基本粒子还可以进一步分割吗?时间和空间是连续的吗?宇宙的终极命运是什么?为什么我们的宇宙是这个样子?为什么不可以有另一个宇宙,拥有另外一种样子,甚至服从另外一套全新的物理学规律?更本质的问题还有:我们是谁?来自何处?欲往何方……看来,光物理学中的为什么已远不止十万个,我们可以永远追问下去。
有志于“赏天地之美而析万物之理”的青少年朋友们,任重而道远啊!(沈文庆)
物理学研究给我们的生活带来极大的便利
【微问题】你身边哪些现象可用物理学知识来解释?
【关键词】物理学 科学规律