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1分钟懂科学：图解100个科学基本名词

1 Fenzhong Dong Kexue: Tujie 100 Ge Kexue Jiben Mingci

作者：[日] 水谷淳(Jun Mizutani)

译者：吴勐

出品方：未读·探索家

出版社：海峡书局

KAGAKU YOGO ZUKAN

Text by JUN MIZUTANI and Illustrations by SAKI OBATA

Text copyright © 2019 JUN MIZUTANI

Illustrations copyright © 2019 SAKI OBATA

Original Japanese edition published by KAWADE SHOBO SHINSHA Ltd. Publishers

All rights reserved.

Chinese (in Simplified character only) translation copyright © 2021 by United

Sky (Beijing) New Media Co., Ltd.

Chinese (in Simplified character only) translation rights arranged with

KAWADE SHOBO SHINSHA Ltd. Publishers through Bardon-Chinese Media Agency, Taipei.

目录

前言

物理学　Physics

运动

力和场

能量

功

引力

重量和质量

惯性和离心力

矢量

光谱

分子、原子、离子

基本粒子

量子

热能

熵

射线和放射性

希沃特和贝可勒尔

核裂变和核聚变

中微子

希格斯玻色子

纳米

专栏1　“只有神知道”是真的吗？偶然性和概率

电磁学　Electricity

电荷和电场

电流、电压、电阻

磁

电磁感应和电磁波

半导体和晶体管

超导

激光

LED

太阳能电池

人工智能

量子计算机

量子隐形传态

专栏2　买彩票前应该知道的事期望值

化学　Chemistry

元素、同位素、化合物

元素周期表

酸、碱、中和

化学键

化学反应、氧化、还原

固体、液体、气体

潜热

卡路里

催化剂

硅和硅橡胶

臭氧和氟利昂

碳纳米管

稀土元素

专栏3　可以相信这个统计数据吗？有意义的统计结果

生物学　Biology

细胞

病毒

细胞呼吸和线粒体

光合作用和叶绿体

蛋白质和酶

基因和基因组

DNA和RNA

细胞分裂和生殖

进化

激素和信息素

免疫、疫苗、过敏

克隆和iPS细胞

基因操控和基因组编辑

端粒

自体吞噬

生物量

专栏4　这个和那个，有什么关系呢？因果关系和相关关系

地理学　Geography

低气压和高气压

锋

台风

极光

地壳、地幔、板块

火山和地震

地震烈度和地震震级

P波和S波

地震液化作用

热液喷口

厄尔尼诺和拉尼娜

页岩油、页岩气、可燃冰

专栏5　迂回与转折的循环摸索前进的科学之路

宇宙学　Cosmology

光年、天文单位、秒差距

太阳系、行星、卫星

小行星

彗星

恒星

星系

星系团和宇宙大尺度结构

黑洞

宇宙大爆炸和暴胀宇宙

引力波

系外行星

暗物质和暗能量

专栏6　论文与科学家正确的科学

后记

参考文献

索引

前言

我平时主要翻译面向大众的科普书，因此也想承担起一份责任，让广大普通读者了解科学，成为他们与科学之间的桥梁。没有科学就没有现代社会，但很多人觉得科学艰深难懂，也不明白科学家在说什么。造成这种情况的原因有很多，但我认为最主要的还是晦涩的科学术语。

翻译科技文章时，我常常有一种感触。这类文章里有大量日常生活中用不到的新词，或者词义和日常使用时不同的术语。比如“量子”这个词就是科学家创造的新词。科学家对“量子”的词义了然于心，所以同行之间对话时无须多做解释，但对我们这样的普通人来说，别说准确的词义了，大多数人连基本的认知都不一定有。因此，我们无法理解科学家的话，对科学的理解也就不了了之了。

除了新词之外，像“做功”这种常用词，谁都知道意思，科学家却给这个词赋予了完全不同的意义。当普通人日常理解的词义和科学家理解的词义不同时，误解就产生了。无论如何，科学家和普通人对术语的理解存在差异，我认为这是一个很大的问题。

因此，如果有一本书能让普通人对科学术语也有准确的理解，那么一直以来晦涩难懂的科学文章就“接地气”了。这本书就是在这样的背景下诞生的。我选择了各学科的多个术语，用图文并茂的方式解释了它们的大致含义和常被误解的原因，并配上日常生活中的实例，尽可能让大家对它们的印象更具体。

本书选择了各学科最基本却常被误解的术语，以及在近年的新闻中经常出现的热点词语。各章节的词语基本上也按先基础词后热词的顺序排列。当然，除了本书提到的，各学科的重要术语还有很多，但记住了这些重要术语再前进，脚步就会轻快许多。本书所选的术语共分为六类，有些术语可能属于多个分类，也有的术语可能不属于任何现成的分类，但为了方便，我还是将它们放进某个分类了。

本书的目的在于让读者了解科学术语的大概意义，因此没有过于细致地解释，而是用比喻的方式较为直观地说明。为了给读者加深印象，书中还添加了术语的词源、相关的科学家故事等内容。此外，与图片搭配的说明性文字也很重要，所以请不要略过，可结合正文共同阅读。

在各章之间的专栏中，我以不误解科学的态度，尝试探索了科学究竟是什么。偶尔会有人说，科学世界的道理和一般社会的道理有所不同，但也正因为科学世界拥有其独特的道理，科学的完备性才得以保全，进而发展出对社会实际有益的技术。

这本书的任意一页都可以是你的阅读起点，我们这就开始吧！

物理学
Physics

在物理学的研究中，理论和实验就像前后车轮，两者相互配合，共同前进。

理论物理学家预测出的各种现象，可以由实验物理学家利用精密的仪器，投入时间进行发现和验证。反过来，在实验和观测中发现的意想不到的现象，也可以由理论物理学家提出理论加以解释，推动物理学理论的发展。

光有理论没有实验，物理学就像空中楼阁；光有实验没有理论，物理学就会变成实验数据的无谓堆叠。只有两者的研究进入良性循环时，物理学才能进步。

运动

许多词语的意义在日常生活中和科学世界中是有区别的。
对这样的词语，如果不仔细区分，就很容易望文生义。
“运动”这个看起来再简单不过的词就是如此。

物体的移动

日常生活中的“运动”，是指人或动物自发地进行移动。但在科学领域，“运动”所指的并不仅是自发的移动，只要物体发生了移动，就都算“运动”。

小船靠风力前进，不会自发地运动。从科学角度看，这也算运动。保龄球在球道里滚动时，球体并未自发运动，仅仅是靠惯性向前移动，但这也算运动。

观察者不同，运动情况也不同

相对性

有一列正在运行的列车，在乘客看来，列车司机几乎没有运动（图①），但在站台上的人看来，列车司机却和列车以相同的速度进行高速运动（图②）。相反，列车上的乘客看到站台上的人，也会认为站台上的人在向后运动（图③）。

对物体所做运动的判断，会因为观察者所选取参照物的不同而不同，这就叫运动的相对性。发现运动具有相对性的人是伽利略。“相对”的意思是“会随着与对方关系的改变而改变”。你可能会认为这是理所当然的废话，但若深入地研究运动的相对性，你将被引向爱因斯坦的相对论理论。

什么是动量

重量大的卡车，就算只是缓缓前行，撞到你时也可能会带来巨大的伤害。然而，小小的蚊虫若以同样的速度撞上你，却连一点痕迹都不会留下，这就是因为它们运动的作用效果不同。

若想用数值表示运动作用效果的强弱，可以用物体的质量（见此处）乘以物体运动的速度。这样计算得出的数值称为物体的动量。

例如，将质量为1吨（1吨=1000000克）的汽车以10千米的时速行走时的动量，与一只质量为0.001克的蚊子以相同速度飞行时的动量进行比较的话……

由此可见，即便运动速度相同，质量不同的物体运动的作用效果也会有很大的不同。

动量是守恒的

在冰面上站立的两个人如果相互推开对方，体重较轻的人就会以更快的速度滑走。这是因为推开前和推开后，两个人的动量总和不变。这一规律称为动量守恒定律。在科学研究中经常会用到“守恒”一词，“守恒”的意思就是“数值不变”。

动量守恒

互相推开之前，两个人都没有运动，动量的总和为0。因此，在互相推开并以相反的方向滑走后，A向左运动的动量与B向右运动的动量一定相等。然而，A的体重是B的2倍，所以B的运动速度就是A的2倍。

动量和速度都是矢量（见此处），因此，在计算动量的总和时，必须使用矢量的加法运算。

实际上，火箭能够飞上太空，靠的也是动量守恒定律。燃料从火箭的喷射口向下方喷出，拥有向下的动量。这个运动让火箭本身拥有了向上的动量，所以火箭才能向上飞行。

力和场

手施加的压力、风吹过的力、磁力……
力的种类有很多，但所有的力都有一些共同的性质。
力的性质是什么？到底什么是力呢？

力的作用

请你先想一想力有什么作用。

力与运动

用力投出手中的棒球，原本静止的棒球就会开始运动。用球棒击打飞过来的棒球，就能改变棒球的运动方向。

这幅图中所示的力，拥有改变物体运动状态的作用。风力、摩擦力、磁力等，任何种类的力都有这个作用。例如，风吹拂树木时，树叶就开始摆动；在粗糙地面上滚动的球，会因摩擦力而逐渐停止下来。

力在非接触的情况下作用

有些力，如磁力、重力等，可以在物体不接触的情况下作用。想象一下，简直就像念力一般不可思议。

从原子的层面进行观察

与之相比，在球棒和棒球直接接触后发生作用的力似乎更加直观，更加容易理解。但是，即便是这样的力，若从原子（见此处）的层面进行观察，其实也是在并非完全接触的情况下发生作用的。

因此，世界上所有的力，都是在物体不互相接触的情况下发生作用的。力真的很神奇！

什么是场

为了阐明力的一些不可思议的性质，19世纪物理学家法拉第提出了场的概念。场是一个“空间”，含有能量，弥散在物体的周围，对不发生接触的其他物体施加力的作用。

以磁力为例

拿来一块磁铁，磁铁周围的空间就产生了磁场。在磁场范围内放一个指南针，指南针就会受到磁场施加的磁力，发生偏转。

类似的，与电场力相关的场叫电场，与重力相关的场叫重力场。不同种类的力，能形成各种各样的场。

场的本质

那么，究竟什么是场呢？如果从比原子和分子更小的基本粒子（见此处）的级别上进行观察，你就能明白场的本质了。

场是由粒子构成的

互相传递力的两个粒子，属于被称为规范粒子的一大类特殊的基本粒子。这两个规范粒子正在玩“接球游戏”。在游戏中，它们时而互相接近，时而互相远离。

规范粒子飞来飞去的空间就是场。规范粒子互相进行的“接球游戏”，是所有力的作用的源头。

其实，规范粒子只能分成4类。我们在日常生活中见到的千千万万种力，在基本粒子的尺度上考虑，归根结底只有4类而已。

这4类力为：引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。电场力和磁力本质上是同一种力（见此处）。

能量

提到能量，你首先想到的一定是石油、天然气之类的东西吧？
然而，能量本身指的并不是这些燃料。
能量是支配着自然界的一个重要概念。

科学研究中的“能量”

拥有能量的物体，能够对其他物体施加力的作用，让其他物体运动。也就是说，能量是一种让其他物体运动的“力量”。

各种各样的能量

运动的物体撞击其他物体时，能向被撞击的物体施加力的作用，并让其开始运动，这种能量称为动能。位于高处的物体，在下落时能够带动其他物体，这种能量称为势能。除此以外，还有电能、磁能、热能等各种各样的能量。

能量的种类虽多，但共同性质是能使其他物体发生运动。

势能是物体因所在的位置不同而具有的能量，也叫位能。

能量是守恒的

虽然在我们的感觉里，能量似乎可以被“使用”，其实能量无法凭空增加，也无法凭空减少。能量只能转化成不同的种类，但总量不变。这就叫能量守恒定律，也叫热力学第一定律。

势能与动能

位于高处的物体在下落时高度逐渐降低，势能逐渐减少，与此同时，下落的速度却在提高，因此动能逐渐增加。

化学能与热能

燃料燃烧时，其拥有的化学能在减少，减少的部分转化成了热能。这部分热能使发动机运转，此时热能减少，减少的部分转化成了发动机的动能。

话虽如此，但能量中也分“好用”的能量和“不好用”的能量。将燃料储存起来，在需要时可随时进行燃烧，所以燃料中的化学能就是“好用”的能量。然而，若将温度高的物体放置不管，其内部的热能就会向周围的环境发散，而物体自身的温度会降低，所以热能就是“不好用”的能量。

为了高效利用能量，我们要想办法活用“好用”的能量。说到底，“节能”就是要我们珍惜使用那些“好用”的能量。

功

在科学领域，“做功”指的并不是“为了挣钱而工作”。
实际上，功是一个与力和能量有极大关系的概念。

用科学解释“功”

功，就是其他物体对某物体施加了力，增加了该物体的能量（见此处）。比如，用手将一个物块抬高，这个物块的势能就增加了。此时，我们就说“手对物块施加的力对物块做了功”。

什么是功

若仅用手将物块抬高一点点，手对物块施加的力就只做了很少的功，物块增加的势能也很少。若用手将物块抬高至很高的地方，力对物块做的功就很多，物块增加的势能也很多。

除了势能以外，其他能量也可以通过做功来增加。

各种各样的功

发动机做功，小汽车运动的速度就会提高，动能也增加。

风力发电机遇到风时，风做功，就能转化为电能。

功与能量的关系

如图所示，物体A对物体B做功，物体B的能量就会增加。然而，根据能量守恒定律（见此处），这两个物体的能量总量不会增加。因此，物体B的能量增加时，对其做功的物体A的能量必定减少。从能量的角度来看，可以说物体A的能量，通过做功转移到了物体B上。

功=能量的转移

功的单位和功率

不论做功多少，功都以焦耳（J）为单位。而且上面讲过，做功能使能量发生转移，因此能量的单位也用焦耳来表示。不过，焦耳到底是个多大的单位呢？

功的单位：焦耳

将质量为1千克的物体抬高1米，所做的功大约为10焦耳。一节干电池带有的电能，大约为4000焦耳。

同样多的功，若在更短的时间内做完，其作用就会更大。因此，我们将在1秒内所做的功的多少称为功率，用单位瓦特（W）来表示。微波炉上标注的“500W”这样的字眼，就是“在1秒内利用500焦耳的电能来温热食物”的意思。

焦耳是19世纪英国物理学家，瓦特是18世纪英国工程师。

引力

在地球上，人人都能感受得到引力。
引力是我们身边的力，但我们却又觉得它似乎和压力、磁力完全不同。
引力又和爱因斯坦的一个著名理论相关。

特殊的力

引力有一个特殊的性质，那就是它存在于所有的物体上。磁力只能存在于金属铁等少数几种物体上，这就是磁力与引力的一个很大的区别。举个例子，从树上掉下来的苹果，除了受到地球的引力，也会受到其他苹果对它施加的引力。但其他苹果的引力太弱了，几乎测定不到，所以可以忽略。

苹果也会受到引力

一个物体所受引力的大小，是该物体的重量（质量，见此处），与物体之间的距离共同决定的。质量越大，物体所受引力就越大；物体之间的距离越远，它们之间的引力就越小。研究出这个规律的人，是17世纪英国物理学家牛顿。

引力大小的决定因素

用数学的语言来说，物体间引力的大小与物体的质量成正比，与物体间距离的平方成反比。

引力还有一个性质，就是引力只能产生吸引作用。比较引力和磁铁的磁力，磁铁既能吸引物体也能排斥物体，如果把多块磁铁放在一起，吸引力与排斥力基本抵消，整块磁铁的磁力并不会增强。但引力只能吸引物体，所以如果把多个物体结合在一起，其引力也会增强。地球和其他星球的引力如此之大就是这个原因。

从相对论的角度看引力

爱因斯坦认为，引力的本质是时空的扭曲。这到底是什么意思呢？

请你将整个宇宙空间想象为一张用松紧带编成的网，这张网就像立体的攀登架，布满宇宙的前后、左右、上下各方向。在这张松紧带网的中心有一个星球，于是松紧带被星球压弯了。在离星球远的地方，松紧带几乎不会发生变化，但星球周围的松紧带被星球拉拽，发生了强烈的扭曲。

相对论中的引力

这时，来了一艘太空船。太空船本来不想改变自己的行进方向，只想沿着松紧带飞行。然而，由于松紧带本身已经发生了扭曲，太空船也就不知不觉地向星球的方向行进了，就好像被某种力量牵引着一样。爱因斯坦认为这就是引力的本质。

星球的质量很大，所以能让空间中距离它很远的地方都发生扭曲。太阳的质量非常大，所以能让太阳系内的全部空间都扭曲。和太阳相比，地球的质量很轻，只能让地球到月球之间的空间范围发生扭曲。

时空与引力的这种关系，就是爱因斯坦提出的广义相对论中最重要的论点。

相对论分为狭义相对论和广义相对论两种。“狭义”的意思是只在特殊情况（不考虑引力和加速度的情况）下适用，而“广义”指的是在所有情况下都适用。广义相对论提出得比较晚，也使用了更加复杂的数学理论。

重量和质量

其实，重量和质量的意思完全不同。
在地球上，你可能看不出它们的区别，但在宇宙中，它们的区别就非常明显了。
而且，这两个词和爱因斯坦的相对论也有很深的关系。

地点不同，引力变化

什么是重量

重1千克的物体在地球上会受到1千克对应的引力的吸引，物体受到的引力大小才是重量的真正含义。如果把这个物体放在秤上，物体所受的地球引力就会和秤内弹簧的弹力平衡，秤的指针就会指向“1千克”。在地球上，这是再平常不过的景象。

但是，如果你把这个物体带到月球上，它所受到的引力就会变为地球上的1/6，如果把它放到秤上，指针大约只能指向0.17千克的位置。也就是说，物体的重量变为地球上的1/6。

如果你再把这个物体带到宇宙空间站，它实际上就不再受地球引力作用了，秤的指针会停在“0”的地方不动。此时，物体的重量是0。

其实在宇宙空间站内，物体受到的引力与空间站旋转的离心力（见此处）相互抵消，感觉就像没有引力一般。

在不同地点，相同物体的重量会发生变化。在引力强的地方重量大，在引力弱的地方重量小。

什么是质量

那么，“质量”又是什么意思呢？用同样的力量，分别推动一个质量1千克和一个质量2千克的物体，自然是质量2千克的物体更难被推动了。用相同的时间推动它们，质量2千克的物体前进的距离也只有质量1千克物体前进距离的一半。也就是说，推动质量2千克物体前进的难度是推动质量1千克物体前进难度的2倍。

质量=运动的难度

因此，用力使物体运动的难度就是质量。使物体运动的难度和物体受不受引力无关。同样的物体，在地球上和在宇宙空间站里的质量是一样的。

这样定义的“质量”，指的是物体的“惯性质量”。

物体在宇宙中也有质量

即便在宇宙空间站里，质量小的物体也更容易用手推动，但巨大的零件等质量大的物体只能用机械手臂移动。

综上所述，重量和质量的意义完全不同，但一般生活中我们都以千克（kg）为单位。爱因斯坦还针对这两种物理量提出了“等效原理”，这也是广义相对论的一个基本原理，是非常重要的一条物理规律。

惯性和离心力

我们骑自行车转弯或坐在过山车上飞驰时，
会感觉身体像被某种力量向外推。
但这种力是虚拟的，实际上并不存在。

什么是惯性

任何物体都有保持其原有运动状态不改变的性质。原本静止的物体会想要保持静止，原本运动的物体会想要保持其速度和运动方向不变地继续运动。如果对一个物体施加外力，物体会对其运动状态的改变表现出一种阻抗。这个性质叫作惯性。任何物体都具有惯性，这就是牛顿第一运动定律，又称“惯性定律”。

运动状态不会突变

给运动中的物体施加一个横向的力，它不可能突然转向90°。由于惯性，它只能一边抵抗这个力的作用，一边缓慢改变运动方向。

物体惯性的强度，也就是物体抵抗外力作用的能力，由这个物体的质量决定。质量大的物体惯性大，即便施加外力也难以改变其运动状态，这就是牛顿第二运动定律。

在此处（重量和质量）中讲到的“用力使物体运动的难度”，本质上就是惯性。

离心力怎样发生作用

由于惯性作用而被定义出来的一个力就是离心力。

运动与离心力

汽车在弯道上转弯的时候，乘客的身体也跟着一起改变运动方向。但由于惯性，你的身体会想要保持运动方向不变，继续向前运动，你会感觉像有一种外力把你往车外牵引。虽然实际上并没有这么一种力存在，但你能感受到力的作用，这种虚拟的力就是离心力。

月球和人造卫星能一直围绕地球公转，其实也是由于离心力。月球受到地球引力的吸引，会渐渐贴近地球。这样下去，月球就会离地球越来越近，直到最终相撞。然而，月球始终在做曲线运动，因此会受到离心力的影响。这个离心力和地球引力强度相同、互相抵消，月球也就既不会贴近地球也不会远离地球，而是始终与地球保持一定的距离进行公转了。

月球也会受到离心力

矢量

“矢量”一词近来在日常对话中经常出现，却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学的专业用语，就一下变容易了。

什么是矢量

“矢量”（vector）原本是拉丁语里“运输”的意思。在运输某个物体时，运输多少米、向东南西北哪个方向运输，这两个条件是必要的。在地图上可以用一根箭头同时表示这两个信息。运输的距离用箭头的长短来表示，运输的方向用箭头的方向来表示。这个箭头就是“矢量”。

矢量=箭头

矢量能够表示的信息还有很多。

各种各样的矢量

若要表述飞机的飞行情况，飞行速度和飞行方向两个信息是必要的。因此，飞机的飞行情况也可以用矢量来表示。
力也是一样，力的大小和施力的方向两个信息也可以用矢量来表示。
风也一样，箭头的方向可以表示风的方向，箭头的长度可以表示风的速度，这也是矢量。

然而，质量、体积、温度等物理量却没有方向，只有大小。它们被称为标量。

矢量的应用

举例来说，在流动不息的河水中划一艘小船，小船实际会向哪个方向前进，以多快的速度前进呢？要回答这两个问题，必须知道河水流动的方向和流速，以及小船初始的方向和前进速度。这些信息都可以用矢量来表示，通过矢量计算，答案很快就出来了。

用矢量画出平行四边形

在纸上画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，就可以画出一个平行四边形了。此时画出平行四边形的对角线矢量C，就是在河岸上观察到的小船的实际前进方向。

像这样用矢量来理解，我们就可以在河岸上明显观察到小船实际前进的方向；通过观察矢量的长度，我们也可以求出小船的速度。这种将矢量“合二为一”的运算，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况下得出答案，就需要使用三角函数进行复杂的计算。但使用矢量可以避开复杂的计算，通过画图就能直观地解决问题了。

光谱

“光谱”这个词听起来复杂，但理解之后就变得简单了。
光谱在物理学中的应用很广泛，在日常生活中也有很多作用。

光的颜色

太阳射出的白色光，实际上是很多种颜色的光混合而成的。将所有颜色的光混合到一起，就呈现为白色。但是，为什么白色的光透过棱镜时会被分解成7种颜色的光呢？

光的颜色有区别，其本质是光的波长（见此处）不同。红色光的波长最长，紫色光的波长最短，其他颜色的光波长居中。光在射入和射出棱镜的玻璃时，传播的方向都会发生偏折，偏折的角度也会因波长的不同而不同。

彩虹的七种颜色

波长最长的红色光偏折的角度最小，波长最短的紫色光偏折的角度最大。因此，从棱镜中射出的光就会按波长顺序排列出来，形成一条拥有7种颜色的光带。

观察这条光带，就能知道原来的光中含有什么颜色（波长）的光，也能知道每种单色光的明度各为多少。这样将复色光内部的各种单色光分开排列，且能够显示各种单色光明度的光带，叫作光谱。

不同的光拥有不同的光谱

在太阳光的光谱中，所有单色光的明度都差不多，也就是说，各种单色光在复色光中的含量都差不多。

而观察日光灯光的光谱，可以发现光谱内有许多黑暗的区域。这说明在日光灯发出的白光中，有许多单色光是不存在的。

声谱

收音机在没有调出电台时，你能听到一阵“沙——沙——”的声音。这种声音中，各种高度的声音基本上以同样的响度被混合起来。因此，和太阳光中各种颜色的单色光混合形成白色光类似，这样的声音也被称为白噪声。

表示声音的高低

声音也可以使用谱来进行分析。你知道吗？播放音乐的软件就可以显示声谱的模式。使用声谱，人们就能看出不同高度的声音对应多大的响度。

使用光谱进行分析

不同种类的物质能吸收的色光种类也不同。因此，若想探明某种物体由什么物质组成，只要调查该物体发出的光或能透过该物体的光的光谱就可以了。通过分析光谱，我们就可以知道组成该物体的物质种类了。

这种分析方法经常被用在食品检测和刑侦搜查当中，同时也是调查遥远星球的物质构成等科学研究的重要方法。光谱是分析物质的有用工具。

分子、原子、离子

把一种物质细分下去，究竟可以分到多小呢？
最终，物质将被分解成无法再细分的微小粒子。

构成物质的粒子

把水分成越来越小的水滴，最终会变成一个个直径只有0.0000001毫米（0.1纳米，见此处）的微小粒子。这种微小粒子就是水分子。水分子以几万亿的巨大数量级聚集在一起，就形成了液态的水。

分子

仔细观察分子，可以看出分子也由几个更小的球体构成。在纯净水中，所有的分子都是同样的形态，拥有同样的性质。物体的种类不同，分子的形状和性质也不同。反过来说，分子的形状和性质决定了物质的种类。

进一步细分观察

构成分子的更小粒子就是原子。原子也有许多种类，但大多数原子都不喜欢“独居”，它们会和其他原子结合起来形成分子。

将原子进一步放大，可以发现原子中心还有一个更小的球体，其周围是云朵一样的物质。

原子的构造

原子中心的小球叫作原子核，大小约是原子的万分之一。原子核太小了，所以再精密的显微镜也看不到。在原子核周围云朵一样的物质中，有另一种粒子—电子—在来回运动。多个电子来回运动的速度极快，因此看起来模糊不清，就像云一样。

原子核带有正电荷（见此处），而电子带有负电荷。正电荷与负电荷相互吸引，但电子总以非常快的速度围绕原子核来回运动，因此二者不会合体。

什么是离子

在分子和原子中，原子核的正电荷和电子的负电荷能够达到平衡，因此原子和分子整体不带电。然而，如果某种原因导致分子或原子失去了部分电子，或得到了部分额外的电子，正电荷与负电荷的平衡就会被打破，分子或原子整体就会带电。这种带电的分子或原子，就叫离子。

离子有两种

整体带负电的离子叫阴离子，整体带正电的离子叫阳离子。

我们常常能听到“负离子”这个词，其实就是指空气中的水分子和氧气分子带上了电子，变成了阴离子。常有人说负离子对健康有益，但这种说法目前还没有科学依据。

基本粒子

使用顶尖的实验装置，
还可以将原子与原子核再继续细分下去。
最终，逐渐趋近构成物质的最基本粒子。

构成原子核的粒子

位于原子中心的原子核，也是由一些更小的粒子构成的。这些粒子分为两类，即质子和中子。质子和中子的大小约为一万亿分之一毫米，这种微小的程度简直超乎人类想象。

原子核的构造

质子带正电荷，中子不带电荷。在一个原子核中，质子数和中子数基本上是相同的，中子偶尔会多一些。原子核整体带正电。

细化到终点

到了这个程度，细化还没有结束。质子和中子，分别由3个更小的粒子构成，这些更小的粒子叫夸克。稳定的夸克有两种，分别为上夸克和下夸克。“夸克”一词出自爱尔兰作家詹姆斯·乔伊斯的小说，在小说中其实是一种鸟叫声，与“啾——啾——”类似。虽然有点奇怪，但要形容这么微小的粒子，也确实没有什么别的词更合适了，于是物理学家就给它们起了这么个好玩的名字。

质子的构造

质子由两个上夸克和一个下夸克构成，中子由一个上夸克和两个下夸克构成。

其实还有另外4种夸克，但这4种夸克只能在物理学实验中产生，并会在极短时间内变化为其他种类，因此并不存在于现实生活中。另外，夸克种类的量词是“味”，但这并不是说夸克本身有什么味道。

比夸克更小的粒子目前还没有发现，所以夸克就是构成物质的最基本粒子。在原子核周围运动的电子也不能再细分，所以电子也是构成物质的基本部分。像夸克和电子这样无法再细分的粒子是物质最为“基本”的构成组分，因此被称为基本粒子。

严格来说，质子和中子并不属于基本粒子，但人们常常会把这些比原子核更小的粒子统称为基本粒子。

把物质一步一步地细分，总结起来如下图所示：

物质的结构

在现代物理学中有一个“标准模型”理论，描述了共计17种基本粒子。其中，构成我们身边的物质的有电子、上夸克、下夸克3种。这3种基本粒子以不同的组合形式，构成了我们身边所有的物质。

量子

到了超微观世界，宏观世界的常识就不再适用了。
但是，不管微观世界的实验现象多么奇异，
我们也只能接受科学的事实。

不可思议的微观世界

原子、基本粒子（见此处）等超微观粒子的世界，会发生很多让我们意想不到的事。

不可思议的世界

①一个粒子可以像会分身一样同时存在于多个地方，但若有人想要进行观测，粒子则会突然只存在于一个地方。

原子和基本粒子这些微小的粒子，在以粒子的形式进行运动的同时，在特定的范围内也会以波的形式进行传播。根据观测实验方法的不同，人们有时可以观察到粒子的性质，有时可以观察到波的性质。微观粒子的这种性质被称为“波粒二象性”。

②与地球的自转类似，原子和基本粒子等微观粒子也会“自转”。它们的“自转”称为自旋。但一个粒子可能会同时向左自旋和向右自旋，这种性质叫作量子态叠加。

③两个粒子可以像有心灵感应一样共享信息。不论距离多远，它们都可以利用“心灵感应”瞬间传递信息，这种性质被称为量子纠缠。

④如果想确定粒子的位置，那么就无法精确测得它的速度；相反，若要精确测出一个粒子的速度，那么就无法确定该粒子的位置。这就是粒子的不确定性原理。

以上这些奇异的现象，绝不是一个粒子一时性起所发生的，而是严格地遵循了物理学的法则。人们把这些法则总结起来，就形成了量子力学这门学科。“力学”的意思是研究物体的运动情况并说明其中的规律，那么“量子”究竟是什么呢？

什么是量子

在日常宏观世界中，不管物体的运动速度出现了多么微小的改变，物体的动能（见此处）都会随之改变。势能、电能、热能，所有种类的能量都有类似的规律。这就像盛一勺白砂糖，你可以一点点地调整勺中白砂糖的量。

然而，在超微观世界中却做不到这一点。在这里，能量就像一个个体积较大的糖块，它们的变化形式只能是一大块、两大块、三大块……这样的“一块”能量就是量子。

能量块

“量子”一词听起来和“原子”“基本粒子”等似乎属于同一类别，但量子不是粒子，量子本质上是一块一块的能量。

但是，为什么微观世界和宏观世界会有如此巨大的区别呢？这是因为，和日常宏观世界里的能量相比，量子中的能量实在是太小了。宏观水平上的能量也是量子化的，但由于有数万亿个量子的等级，所以无法将量子一个一个地分出来。这就像一勺白砂糖实际上是由无数微小的砂糖粒组成的。

热能

人人都能够感受到热和冷，但热的本质到底是什么？
这就没人能答出来了。
其实，“热”的本质也和能量有关。

热能和能量

具有热能的物体能够如下图所示一般做功（见此处）。

热能做功

加热活塞中的气体，气体就能推动活塞运动，这就是汽车发动机的基本工作原理。

“做功的能力”或者说“对其他物体施力，让其他物体运动的能力”，就是能量（见此处）。因此，热能也是能量的一种。热能不是什么实体，而是物体本身具有的一种能量。

热能的本质

那么这种能量是从哪里来的呢？如果我们从分子的尺度上看，就能看出热能的本质了。

分子热运动

将水加热，水分子的运动就会变得更加激烈，与容器壁也会更加激烈地碰撞。

如图所示，热能就是分子激烈运动所产生的能量。热的物体分子的运动激烈，就具有更大的动能；冷的物体分子运动相对和缓，动能就小。

加热后的气体推动活塞，在这个过程中，激烈运动的气体分子碰撞活塞，分子的动能转化为活塞的动能。

什么是温度

分子具有多大的动能呢？衡量这一动能的尺度叫作温度。热运动激烈的分子温度就高，热运动和缓的分子温度就低。因此，我们就可以理解为什么有的物体温度高，有的物体温度低了。

热能可以传递

温度高的物体与温度低的物体接触时，高温物体的分子会与接触面发生激烈碰撞，振动低温物体的分子。被振动的分子运动就会渐渐变激烈，温度就会升高。与此同时，高温物体的分子运动就会渐渐和缓，温度就会下降。最终，高温物体和低温物体分子运动的激烈程度将趋于相同，温度也趋于相同。

热能的本质是在19世纪由焦耳（见此处）等物理学家逐渐阐明的。

熵

只从字面看这个物理量，
我们似乎对它的含义完全摸不着头脑。
那么我们就来看看这个物理量的由来吧。

热能会产生浪费

在利用热能（见此处）做功（见此处）让活塞动起来时，无论如何都会有一些热能“逃离”这个系统，被白白浪费掉。此时，这个系统的工作效率就会因为工作方式和热能来源的不同而不同。

热能做功的效率

让发动机尽全力运转确实能让工作的速度变快，但同时也会造成热能的浪费，所以工作效率一直不高。

19世纪，德国人克劳修斯决定将这种热能利用的效率用数值表示出来。他致力于研究热能做功时，温度每下降1℃，系统所浪费的热能，并将这一物理量命名为熵。效率高的做功方式对热能的浪费少，因此熵的值就小。相反，效率低的做功方式对热能的浪费多，因此熵的值就大。

熵的英文为“entropy”，其中“en-”意为“内部”，“-tropy”意为“变化”，你也可以认为“entropy”有“系统内部热能发生变化，产生浪费”的意思。

分子在进行无规律的运动

热能是分子的运动（见此处）。分子运动状态的不同使热能利用效率（也就是熵）产生不同。奥地利物理学家玻尔兹曼注意到，数量庞大的分子运动的混乱程度就是熵的本质。

什么是熵

熵只能增大，不能减小

熵与分子热运动

从容器左侧倒入热水，右侧倒入冰水。刚刚倒入时，激烈运动的水分子都位于容器左侧，和缓运动的水分子都位于容器右侧，非常明晰，整个容器中分子运动的混乱程度并不高，因此熵值较小。
然而经过一段时间，激烈运动的水分子与和缓运动的水分子逐渐融合，整个容器中分子运动的混乱程度增加，熵值变大。

热水和冰水混合可以形成温度适中的水，但温度适中的水绝对不可能再分开变成热水和冰水。这是因为不可能将数量庞大的分子一个一个地左右分开。所以，熵也只能增大不能减小。这个法则就叫熵增原理。根据熵增原理可以判断，任何物体的熵都会随着时间逐渐增大，热能的利用效率也一定会逐渐降低。

射线和放射性

这两个词看起来很相似，但意义却大不相同。
如果不能正确地区分它们，就很容易出现荒谬的错误，
所以要好好理解它们的意思。

射线的本质

有很多种特殊的原子（见此处），只要经过一段时间，就会变成其他种类的原子。这个过程叫作衰变。所谓“衰变”，并不是说一个原子衰老了，而是指它变成了其他种类的原子。

衰变与射线

原子在发生衰变时，会以极高的速度放射出某种粒子，这时放射出的粒子就形成了射线。“射”这个字的意思就是向四面八方放出，加上此时粒子都沿直线方向射出，因此称为“射线”。由于粒子放射的速度极快，具有极高的动能（见此处），所以射线碰上其他物体时就会破坏那个物体的分子。但放射的粒子与物体碰撞之后动能就会降低，因此放射的粒子射线无法持续辐射一个物体。

射线主要有α射线（阿尔法射线）、β射线（贝塔射线）、γ射线（伽马射线）三种，这三种射线的性质各不相同。放射时射线的种类是由发生放射的原子种类决定的。

三种射线

α射线就是氦原子核，虽然能量较高，但用布甚至空气就能轻易地遮挡住。
β射线是电子（见此处），用铝箔就可以遮挡住。
γ射线是高能的光子，必须用厚的铅板才能遮挡。

什么是放射性

同一种类的原子大量存在时，它们不会同时发生衰变，而是一个一个地独立发生衰变。因此，具有大量可衰变原子的物质会一点点地放出射线。于是我们将这种逐渐放出射线的物质叫作放射性物质，物质放出射线的性质就叫物质的放射性。

什么是半衰期

一个原子只能发生一次衰变，因此物质的放射性一定会随着时间逐渐减小。一个物质中半数的原子都发生衰变所需的时间称为该物质的半衰期，半衰期的长短是由原子的种类决定的。

自然界的射线和放射性

在自然界，能够放出射线的放射性物质并不罕见。在我们的身体中就含有不少放射性物质钾-40。在空气中存在放射性气体氡，茫茫宇宙也在不断向地球射出宇宙射线。

射线对人体的影响

人体受到射线的辐射时，虽然体内细胞中有些分子会被损害，但受损的身体机能基本上都能自愈，这就和你被阳光晒伤后皮肤能自愈一样。然而，如果辐射的剂量过大，使身体受损程度超过自愈能力，就会对人的健康产生危害。因此我们无法断言射线对人体一定有害，而是要根据辐射的剂量判断其对人体是否有害。

希沃特和贝可勒尔

在上一节我们讲过，射线和放射性的意义是不同的，
因此它们的测量单位也不同。
这一点也请你注意区分。

辐射的剂量

射线辐射对人体影响的大小，取决于射线给人体带来能量（见此处）的大小。因此，射线产生的影响（辐射的剂量），可以用射线带来的能量与人体体重的比值来表示，这个物理量的单位是希沃特（Sv），也称西弗。

希沃特原本是一位瑞典生物物理学家的名字。

单位：希沃特

体重50千克的人接收到射线带来的5焦耳能量时，该辐射的剂量就是5÷50=0.1希沃特。

然而，三种射线中只有α射线对人体的影响较大，其剂量一般是这个数值的20倍。

使用希沃特这一单位表示大部分辐射的剂量时，大部分辐射剂量的数值都非常小，因此，人们把1希沃特的千分之一设定为1毫希沃特（mSv），0.005希沃特就是5毫希沃特。

然而，辐射的剂量可能比毫希沃特还要小。人们就把1毫希沃特的千分之一设定为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。

如果被射线辐射相当长的时间，射线能带来的能量就会成倍增加，辐射剂量的数值也会逐渐增大。此时，若想表示单位时间内的辐射剂量，比如1小时内的辐射剂量的话，就需要用“Sv/h”来表示，若想表示1年内的辐射剂量，就需要用“Sv/年”来表示。

放射性的大小

某种物质放射性的大小，可以用该物质的原子1秒内发生衰变（见此处）的次数来表示，称为放射性活度，单位为贝可勒尔（Bq）。

贝可勒尔是发现铀原子具有放射性的法国物理学家。

如果物质比较多，物质中含有的放射性原子数必然也多。因此，想要表达一定质量的物质放射性活度的大小时，经常以1千克物质为单位，此时的单位为“Bq/kg”。

单位：贝可勒尔

若某物质在1秒内发生了500次衰变，则称该物体的放射性活度为500贝可勒尔。如果该物体的质量为10千克，则该物体的放射性活度浓度即为500÷10=50Bq/kg。

大自然的放射性

自然界的射线其实是交错密布的，剂量大约为2mSv/年。在不同的地区，这个剂量也有好几倍的差距。而且，由于地球上空宇宙射线较多，在坐飞机时，你身体受到的辐射也会变强。

大自然中具有放射性的物质随处可见。人体内自带钾-40（见此处），因此人体本身就具有约7000贝可勒尔的放射性，用放射性活度浓度来表示，就是大约100 Bq/kg。

也就是说，人类其实一直与自然界中一定强度的射线共生。请各位一定要冷静地思考，如果大自然的放射性增强，对人类健康会带来多大的影响。

核裂变和核聚变

原子核发生核反应时，有时会伴随着巨大的能量放出。
这样的变化一共有两类，原理各不相同。
如果人类能善用这两种反应，它们就能成为支持现代社会文明的重要力量。

什么是核裂变

由较多质子和中子构成的原子核（见此处），由于体积较大，性质也更不稳定，更容易分裂。若用一个外来的中子（见此处）来轰击这种原子核，原子核就会“一分为二”。这种将原子核“一分为二”的核反应就叫核裂变。核裂变发生时，重原子核会放出几个中子，同时释放大量能量。

铀的核裂变

举例来说，像铀-235这样的重原子，若被一个外来的中子轰击，其原子核就会裂变成两个，同时放出2～3个中子。

由重原子核放出的中子也会轰击别的重原子核，引起别的重原子核发生裂变，放出更多中子，从而不断引起新的核裂变反应，这种反应形式被称为链式反应，引起链式反应的状态被称为临界状态。

临界状态

在核反应堆中，核裂变释放的能量使水沸腾变为水蒸气，推动发电器运转发电。核能比石油等燃料燃烧的效率更高。2000升石油燃烧放出的能量，只需1克铀原子发生核反应就能释放。而且核反应不放出二氧化碳，不会引起地球的温室效应。然而，核裂变生成的原子核也带有放射性，能让核反应堆的内壁等都带上放射性，因此在使用时必须极为注意。

什么是核聚变

由于原子核带正电，会互相排斥，所以一般来说不会互相接近。然而，在太阳的中心，氢的原子核却在不断地以极高的速度运动，并在这种趋势下两两碰撞聚合。这个过程就叫核聚变。核聚变反应和核裂变反应一样释放大量能量，这些能量变成光和热，让太阳的光辉始终闪耀。

氢的核聚变

核聚变比核裂变的能量效率还要高，可达石油的800万倍。核聚变的燃料就是氢，而水中就有取之不竭的氢元素。核聚变反应不会产生具有放射性的核废料，如果可以用来发电，就能一举解决人类的能源问题。然而，发生核聚变需要几千万度的高温和几亿倍大气压的超高温高压条件。目前世界各国都在建造大型实验设施，并不断进行着研究，希望将来能实现核聚变发电。

中微子

宇宙中存在大量中微子，但我们却几乎捕捉不到。
它们像幽灵，却是解开宇宙和物质终极谜题的关键。

难以捕捉的基本粒子

中微子也属于基本粒子（见此处），却没有构成我们身边的物质。中微子的“中”是指它们是中性的，不带电，“微”是指它们非常微小。

中微子在各处广泛存在、运动不息，能悄无声息地穿透任何物质，所以即便能观测到，也很难捕捉。

能穿透任何物质的中微子

每秒钟都有几万亿个中微子穿透人体，就连地球都无法阻止中微子穿越而过。

但是，为了阐明遥远宇宙的景象和物质构成的奥秘，我们必须找到中微子，并研究它们的性质。

观测中微子

在日本岐阜县矿山的深地下实验室中有一个名叫神冈探测器的大型探测装置。1987年，日本物理学家小柴昌俊在这里成功探测到了从宇宙中飞驰而来的中微子。

捕捉中微子

神冈探测器是一个能储存数千吨纯水的巨大水槽，在这个水槽的内壁上排列着大量具有超高敏感度的光电倍增管。当中微子罕见地与水分子发生碰撞时，能发出极微弱的光，光电倍增管能捕捉到这些光信号，进而观测到中微子。

被神冈探测器探测到的中微子，是在距离地球15万光年（见此处）以外的超新星爆炸（见此处）中形成的。这些中微子的发现使我们能详细地了解超新星爆炸的过程。小柴昌俊也因此获得了2002年的诺贝尔物理学奖。

中微子振荡

中微子有三种：电子中微子、μ子中微子、τ子中微子。过去，人们并不知道中微子有没有质量。如果中微子有质量的话，运动中的中微子就应该在这三个种类之间发生转化，这种现象叫作中微子振荡。所谓“振荡”，并不是说中微子本身摇来摇去，而是指中微子的种类发生了改变。

如果中微子有质量

1996年，日本物理学家梶田隆章利用神冈探测器的升级版——超级神冈探测器，测量了在大气层中形成的μ子中微子的个数，并证明了中微子振荡现象真实存在。

观测中微子振荡

在观测设施上空形成的μ子中微子迅速进入探测器，因此无暇“变身”，然而，从地球另一端形成的μ子中微子在穿越地球飞入探测器的过程中，由于运动了极长的距离，已经发生了振荡。此时，可以发现μ子中微子的个数减少了。

这个实验证明了中微子有质量，梶田隆章也因为这一成就获得了2015年的诺贝尔物理学奖。中微子在宇宙各处都大量存在，了解中微子是否有质量对判断宇宙整体的质量有很大的影响。这一实验结果甚至能够改变人们对未来宇宙最终结局的判断。

希格斯玻色子

物体为什么有质量？仔细想想，这其实是个谜。
物理学家为了找到这个问题的答案想破了脑袋。
通过许多大规模的实验，他们对这个问题进行了证明。

质量的本质

任何物体都有质量（见此处），也许你会以为这是理所当然的，但从物理学的理论来看，就算所有物体的质量都是0也不足为奇。物体也许只是碰巧获得了质量，如果宇宙的某个条件发生了变化，物体的质量也许就消失了。那么，在我们这个宇宙中，到底是什么原因使物质都产生了质量呢？

1964年，英国物理学家希格斯提出了以下理论：空间中有一种看不见的特殊基本粒子（见此处）在进行相互作用，物体运动时，如果不将这些相互作用的特殊基本粒子排开就无法向前运动。前面我们说过，质量就是使物质运动起来的难易程度（见此处），因此，必须把这种基本粒子排开才能运动，这就是物体产生质量的原因。

什么是质量

这种假想的基本粒子就是希格斯玻色子。宇宙空间中充满了希格斯玻色子，所以万物都有质量。

希格斯玻色子也可以叫希格斯粒子。

希格斯玻色子的发现

希格斯玻色子的存在被预言后，世界各国的科学家就开始寻找这种基本粒子了。2011年，科学家终于在建于法国和瑞士边境上的大型强子对撞机（LHC）中发现了希格斯玻色子。这一实验结果证实了希格斯的假说，希格斯由于阐明了质量的起源而获得2013年诺贝尔物理学奖（与比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒共同受奖）。

大型强子对撞机

大型强子对撞机是将质子（见此处）束加速至很高的速度并进行对撞，以此来产生希格斯玻色子的装置。实验生成的希格斯玻色子，可由重达数千吨的检测器探测到。

但是，为什么希格斯玻色子这么难发现呢？因为这种粒子太普遍了，反而很难被发现。这就好像我们很容易忽视空气的存在一样。在大型强子对撞机中，质子以极高的速度对撞，产生了新的希格斯玻色子，因此才能探测成功。在发现希格斯玻色子后，基本粒子的相关理论就完整了。但有待解决的谜团还有很多，世界各地的科学家和粒子加速器都在进行着实验。

纳米

普通人都把“纳米”一词当成“微观世界”的同义词，
但最初，“纳米”其实就是个单纯的长度单位。

长度的单位

在表示长度时，比米（m）小的单位还有厘米（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。

如果要表示更短的长度，还有一个单位叫作纳米（nm）。纳米中“纳”的意思是十亿分之一。1纳米是1米的十亿分之一，也是1毫米的百万分之一。以纳米为单位测得的长度级别，一般可以称为纳米级。

纳米的世界

纳米材料的活用

那么，纳米为什么会成为热点话题呢？这是因为，一旦材料和机械被做成纳米级的大小，就会出现许多新的特性和用途。比如：

纳米材料的活用

将碳加工到纳米级，可以变成超强纤维和超导体（见此处）。

将金和银加工到纳米级，可以变成优秀的催化剂，可用于传感器和太阳能电池。

将胶囊加工到纳米级，就可能实现只针对癌细胞的靶向给药。

将传感器加工到纳米级，就可能24小时监视体内的状态。

关于纳米材料的用途，有一些已经实现了，但还有很多是想象，目前的研究正在继续。在宇宙开发、能源产业、量子计算机（见此处）、人工智能（祥见此处）等许多方面，纳米技术还有很大的发挥空间。

另外，许多纳米材料的安全性还未经证实，纳米材料是否会对人体造成危害，这一点科学界也必须注意。

“纳米级”听起来似乎很厉害，但有些商品不是“纳米级”却要冠以“纳米级”的名头，也请你一定要注意分辨这种夸大宣传。

专栏1

“只有神知道”是真的吗？
偶然性和概率

在商场抽奖的时候，谁也没见过能连续中奖的人吧！由于代表中奖的小球数量有限，所以连续中奖几乎不可能。你可能会想，不会是商场在骗我吧？其实，抽奖是由偶然性决定的概率事件，连续中奖也可能发生。

再举一例，纯粹由偶然性决定的概率事件还有掷硬币。首先掷一次普通的硬币，出现正面和出现反面的概率各为1/2。第一次掷出正面时，第二次掷出正面和反面的概率各是多少？还是各1/2。第一次掷出背面时，第二次掷出正面和反面的概率还是各1/2。也就是说，不论第一次掷出的是正面还是反面，第二次掷出正面或反面的概率都是不变的，不会因为第一次掷出正面，第二次就更容易掷出反面。

第三次掷硬币情况也是一样的，以前掷出正面和反面的情况并不能影响以后掷出结果的概率。仔细想想，这也是理所当然的，硬币并不会记得自己之前被掷出的结果。这样不会受到以前结果影响的概率事件，叫作独立事件。

若要计算相互独立事件的概率，如掷硬币两次都出现正面的概率，则应将第一次出现正面的概率1/2和第二次出现正面的概率1/2相乘。

也就是说，若有无数个人掷硬币两次，应该差不多每4个人中有1个人两次都能掷出正面。同理，掷10次硬币，10次都能掷出正面的概率就应该是：

也就是说，差不多每1000个人中有1个人10次都掷出正面。你自己掷10次硬币，也许无法10次都掷出正面，但如果掷硬币的人够多，其中有人连续10次掷出正面也就不奇怪了。

那么，假如你一个人掷许多次硬币，在这个过程中能连续掷出几次正面呢？经过复杂的计算可得，如果你掷硬币100次，连续5次掷出正面的概率大约为80%；掷硬币1000次，连续10次掷出正面的概率约为40%。掷硬币次数足够多时，连续几次掷出正面就成为很平常的事了。

在商场抽奖时，每次抽奖，抽奖箱中的小球都会减少一个，因此中奖的概率也会逐渐变化，严格地讲，每次抽奖就不能算是独立事件了。不过，如果抽奖箱里的小球足够多，那么抽奖过程也可以近似地看成独立事件。所以，当抽奖的人数够多，一次次地抽奖时，连续几次中奖就理所当然了。

使用概率来理解的话，直觉上认为不可能发生的事，其实很有可能会发生。比如，和身边的路人搭话，发现对方和自己同一天出生。这听起来似乎是极为幸运的事件，但仔细考虑一下，其实一点也不奇特。自己的生日与某个特定的人相同的概率确实很低，但在你的一生中会遇到成千上万的“路人”，其中有一个与自己同一天出生的人，概率并不会很低。

如果样本量足够大，小概率的事件就很可能发生。

电磁学
Electricity

表示“电”的英语单词“electricity”，来自希腊语中表示“琥珀”的单词“elektron”。生活在两千多年前的人们已经发现了摩擦能使琥珀带电，从而吸引灰尘的现象，柏拉图在著作中就写到过这种现象。

另外，表示“磁”的英语单词“magnetism”，据说来自希腊和土耳其产出的氧化镁矿石。这种矿石带有磁性，能吸引铁。亚里士多德就曾论述过磁铁的性质。

电荷和电场

电能够储存，能够流动，但电并不是物质。
实际上，电来源于电子和质子的某种属性。

什么是电场力

电子（见此处）和质子（见此处）等微观粒子都有一种叫作电荷的物理性质。电荷分正电荷和负电荷两种，电子带负电荷，质子带正电荷。带电荷的粒子互相受到力的作用，这个力就是电场力。

带正电荷的粒子与带负电荷的粒子之间，电场力的作用是互相吸引的。带正电荷的粒子与带正电荷的粒子，以及带负电荷的粒子与带负电荷的粒子之间，电场力的作用是互相排斥的。

对电场力的性质做出正确解释的是18世纪的法国物理学家库仑，因此在部分情况下，电场力也叫库仑力。

电场和电场线

用“场”（见此处）的思维来理解电场力就容易多了。带电粒子周围会形成一种类似于气场的物质向周围扩散，这就是电场。电场可以用图像形式清晰地表现出来，这种图像就是电场线。电场线是多条带箭头的曲线。观察电场线的方向，我们就能理解带电粒子互相吸引或排斥的原理了。

电场线的分布

电场线从带有正电荷的粒子中出发，到带有负电荷的粒子处终止。
正电荷与正电荷，以及负电荷与负电荷之间的电场线互相接近但不相交，粒子相互排斥。

正电荷与负电荷之间，从正电荷出发的电场线到负电荷终止，两个粒子就好像被绳子绑住了一样，相互吸引。

提出电场和电场线概念的是19世纪英国物理学家法拉第。法拉第没上过学，原本只是个学徒，后来却成了名垂青史的伟大科学家。

电能

综上所述，带有电荷的粒子能够在电场力的作用下吸引或排斥其他带电粒子，因此这些粒子就具有能量（见此处）。有了电能，电器就可以启动做功。不过，为了让电器做功，带电粒子光存在是远远不够的，它们必须“流动”起来（请继续阅读下一页）。

电流、电压、电阻

所谓的“让电流动起来”，到底是什么在流动呢？
用水的流动来打比方，就好理解多了。

电的流动

在电线等能让电流动起来的物质中，原本在原子中运动的电子跑了出来，在物质里游荡。此时的电子被称为自由电子。

这些自由电子在外力的作用下一同朝一个方向运动时，电线中就有电的流动了。

电子的流动

电子总是从负极向正极流动，而电流动的方向则正好相反，是从正极向负极流动的。这是因为电流动的方向是意大利物理学家伏特在18世纪末发明电池时规定的，当时的人们还不知道电子的存在。电子流动的方向和电流动的方向很容易混淆，但事到如今也只好死记硬背了。

电路回路

为了让电子运动起来形成流动的电，电线就必须组成闭合回路，而且这个闭合回路中，必须各处都能够让电子始终流动。

电在闭合回路中流动

想象一条水渠，在水渠中电子始终流动着。这样想就很容易理解了。
将水从低处汲向高处的水泵就相当于电路中的发电机或电池，利用水下落时带来的能量运转的水车就相当于马达或电灯。水渠是完整的环状，所以水可以一直流动下去。

要了解电路回路中电子的流动情况，就需要知道电流、电压和电阻三个数值。

1秒内通过电路任意一处的电量叫作电流。电流的单位是安培（A），通过普通灯泡的电流大约为0.1安培(1)。

发电机或电池推出电子的强度叫作电压，在水渠中相当于水泵抽水的高度。电压的单位是伏特（V），普通干电池的电压为1.5伏特。

在电路中，电线中的原子等粒子成了障碍物，阻挡电子顺利前进。电子在电路中前进的困难程度就叫电阻。电线中的障碍物越多，电子就越难前进。电阻的单位是欧姆（Ω）。

如果知道电压和电阻的数值，用电压除以电阻就可以算出电流的数值。这是19世纪德国物理学家欧姆发现的规律，因此叫作欧姆定律。欧姆定律是所有电路都遵守的基本法则。

欧姆定律

磁

实际上，电和磁有着密不可分的关系，
但它们也有一个巨大的区别。

什么是磁力

磁体都有南极（S极）和北极（N极），相同磁极之间磁力的作用表现为相互排斥，不同磁极之间磁力的作用表现为相互吸引，这和电场中正电荷和负电荷（见此处）表现出的性质完全相同。参考电场和电场线（见此处）的概念，我们可以画出磁场和磁感线，这对我们理解磁力也很有帮助。

磁感线的分布

磁感线从磁体的北极出发，在磁体的南极终止。南极和北极相互吸引，北极和北极、南极和南极相互排斥。

在电场中，带正电荷的粒子和带负电荷的粒子是分别独立存在的，但一个磁体必须同时拥有南极和北极。只拥有北极或只拥有南极的磁体目前还未发现。这就是电和磁的主要区别。

电生磁

那么，磁场是怎样产生的呢？其实，磁场是由于电的流动而产生的。

磁场的产生

直电线中有电流通过时，电线的周围就会产生磁场。如果此时把指南针靠近电线，指南针的指针就会动起来，这就是磁场存在的证据。
将电线绕成螺线管再通电，螺线管就能变成条形磁铁一样的磁体，这就是电磁铁。地球带有磁性，就是因为地球地核处的铁不断熔化的同时又有电流通过，因此变成了电磁铁。

电和磁之间的关系由19世纪丹麦物理学家奥斯特发现，并由安培提出理论，因此电和磁之间的关系也叫安培定则。

磁体和非磁体的区别

观察磁体内部

在原子中，电子始终在运动。大多数原子都带有磁性。

如图所示，在磁体内部，原子排列整齐，磁极面向相同方向，各个原子的磁场可以合起来，让磁体整体带上磁性。

而在非磁体中，原子排列不规律，磁极面向不同方向，彼此的磁场相互抵消，整体不带有磁性。

铁在受到磁力时的变化

将铁置于磁体附近时，每个铁原子都可以自由转动。若把铁置于磁体北极附近，铁原子就会转动，以南极面向磁体，产生互相吸引的磁力；若把铁置于磁体南极附近，也会发生同样的变化。

综上所述，电和磁的关系十分密切。不仅如此，它们之间还有更深刻的相互转化关系（请继续阅读后续内容）。

电磁感应和电磁波

电和磁不仅性质相似，还可以互相转化。
理解电和磁最好的办法就是将两者总结在一起来学习，
这也是现代电子学的基础。

电磁感应

其实，强度在变化的电场或磁场能够产生新的电场或磁场。

电和磁可以互相转化

当电线接近或远离磁体时，电线附近的磁场强度就会发生变化，电线中就会产生电场，进而出现电流。这个现象是法拉第（见此处）发现的，他将其命名为电磁感应。同理，如果电场的强度发生变化，其周围也能产生磁场。

电磁炉就是利用变化的电流产生磁场的装置。通过磁场的变化，电磁炉使铁制的锅产生电流，然后利用电流的热效应加热锅中的食物。

发电机

发电机就是利用电磁感应的原理，在外力作用下使线圈发电的装置。

发电机的原理

发电机的线圈在磁场中转动，穿过线圈的磁场不断发生变化，因此线圈中就能产生电流。

发电厂就是利用这个原理发电的。

电磁波

电场和磁场不断互相转化时，还能逐渐向外扩散。

电磁波

变化的电场周围能产生磁场，这个磁场变化时还能在周围产生电场，这样循环往复，电场和磁场就能逐渐扩散。

电场和磁场像这样向外扩散时，就像水面上的波纹，因此也叫电磁波。光的本质就是电磁波，肉眼可见的光（可见光），其波长大约为0.0005毫米（500纳米）。

除了可见光，无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线等都属于电磁波，它们的波长和能量各不相同，性质也不同。

各种各样的电磁波

无线电波的波长最长，能够绕过障碍物，所以在大楼的阴面也能听收音机。

微波和红外线的波长正好能使水分子发生激烈振荡，所以能让食品或人体等含水的物质温度升高。紫外线带有的能量能破坏人体内的蛋白质和DNA，所以人体会通过使皮肤变黑的方式抵御紫外线。X射线带有的能量很高，很容易穿越物质，因此可以透视人体内部。

英国物理学家麦克斯韦曾将这里提出的电场和磁场的性质总结成了4个方程，这就是麦克斯韦方程组。以这个方程组为基础，人们才发展出电磁学的各种应用。

半导体和晶体管

以计算机为代表，现代社会中所有电子设备都要用到的元件究竟是什么？
它的原理又是怎样的呢？

导体和绝缘体

电可以在其中顺畅流动的物质，如铜、银、铝等，被称为导体。在导体的内部，有很多从原子中跑出来的自由电子（见此处），所以电流可以在其中流动。而且，自由电子还能将原子的运动传递到远处，所以导体也能传热（热是由原子的运动产生的，见此处）。另外，自由电子还能阻挡并反射光，使导体呈现金属光泽。

什么是导体

相反，电无法在其中顺畅流动的物质，如空气、纸、橡胶等，被称为绝缘体。绝缘体无法导电，是因为其内部没有自由电子从原子中跑出来。然而，绝缘体在遇到高压电时也会被击穿，使电流一瞬间流过。在空气中发生的放电现象，就是雷。

什么是半导体

在电子产品中经常用到的元素硅，其内部电子会在原子和原子之间移动，因此电阻会比较大，电流只能少量通过，这种物质叫作半导体。

半导体的结构

在半导体中加入少量其他物质，就能产生其他不同的性质。

在硅中加入少量的磷，电子就会增加一些，导电性变强，这种半导体称为N型半导体（N代表英文“negative”，意为负电）。

在硅中加入少量的硼，电子就会减少一些，因此没有电子存在的地方就会出现空洞（称为空穴），空穴在半导体中移动也可以导电，这种半导体就叫P型半导体（P代表英文“positive”，意为正电）。

晶体管的原理

利用半导体的性质，我们可以制造出许多电子元件，在电子产品中有广泛应用的晶体管就是其中之一。

1948年，美国人巴丁和布拉顿共同发明了晶体管。翌年，两人的老板肖克利阐明了晶体管的工作原理。

晶体管

晶体管是由两个N型半导体和中间的一个薄薄的P型半导体构成的（这种结构的晶体管叫作NPN型晶体管）。晶体管的发射极和基极两个电极之间有电流（基极电流）流过时，由于P型半导体很薄，大部分电子都会势头很猛地冲向集电极，在发射极和集电极之间就产生了很大的电流（集电极电流）。

因此，就算基极电流只产生很小的变化，集电极电流也会有很大的变化。利用这种性质，人们就可以放大电子信号，从而进行很多计算了。

相反，用两个P型半导体夹住一个薄薄的N型半导体的晶体管，称为PNP型晶体管。

电脑的处理器和内存等元件，都是将数量巨大的晶体管嵌入一个小小的芯片中制成的。可以说，半导体是现代化生活的支柱。

超导

在极低温的条件下，日常的物体也会显示出量子力学的特性，
产生神奇的效果。
这些神奇的性质对我们也很有用。

什么是绝对零度

温度是表示原子运动激烈程度的一种物理量（见此处），原子的运动越和缓，物体的温度就越低，如果原子的运动完全停止，那么温度就会降到最低，此时的温度被称为绝对零度，大约是-273℃。

绝对零度的世界

在绝对零度时，原子静止。

准确地说，在绝对零度时，粒子还存在量子力学上最低限度的运动。

不存在比绝对零度更低的温度了(2)，因为不会再有比完全静止更不剧烈的运动了。-500℃或者-1000℃这样的温度是绝对不会存在的。这就是热力学第三定律。

将绝对零度（约-273℃）表示为0K（开尔文）的温度表示方法，被称为热力学温标。使用热力学温标时，任何温度都可以表示为正值。0℃约等于273K，100℃约等于373K。

超导

将水银冷却到-269℃以下时，水银的电阻会突然消失，能够让电流完全通过。这种现象是在1911年由荷兰物理学家昂内斯发现的，称为超导（意为“超级导电”）。能够发生超导现象的物质（超导体）除了水银之外还有好几种，但其超导特性基本都要在接近绝对零度的极低温时才会显现。

空中飘浮

将超导体置于磁体上时，超导体会飘浮在空中。这种现象由德国物理学家迈斯纳于1933年发现，被称为迈斯纳效应。这种现象在普通状态下并不会发生。

那么，超导现象到底是如何产生的呢？

电子对

在极低温的情况下，由于量子力学的作用，电子会两两组合成对，称为库珀对。这些电子对能够越过一切障碍物，因此导体的电阻就可以显示为零。

1986年，科学家发现一种类似陶瓷的铜氧化物材料可在相对较高的温度下实现超导（这里的“高温”指的是-200℃左右），这种现象称为高温超导。时至今日，人们已经发现了能在约-140℃的温度下实现超导的物质。

超导的应用

由于具有电阻为零、电流可以完全通过的特性，超导体可以用来制造超强力的电磁铁。超导电磁铁已经被应用在磁共振成像等医学诊断设备以及高铁列车等设施上，将来势必也会成为核反应堆中不可或缺的材料。

如果使用超导体制造电线，就可以实现长距离无损耗输电和长时间蓄电。然而，现阶段令导体实现超导还需要极低温的条件，实现大规模利用还很难。如果能发现在常温下就可以实现超导的物质，就能一举解决现代社会的电力问题，从而让社会面貌焕然一新。

激光

在DVD和条码扫描仪上，激光是常被用到的工具，
在光纤通信、精密加工、精密测定等尖端科技领域，
激光也发挥着巨大的作用。
除了能量巨大，激光还有很多特别的性质，这就是它的可贵之处。

什么是激光

太阳光、灯光等光线，都由长波长的电磁波（见此处）和短波长的电磁波混杂而成，在介质中不同光波传播的速度也不同。观察光线通过棱镜后产生的光谱（见此处），可以看到它的范围很宽。

与之相反，激光仅由一种电磁波构成，波长、波速均相同，观察其光谱，也只能看到一条明亮的线，其余部分均为黑色。

普通光线和激光的差异

由于激光具有这样的特殊性质，因此可以汇聚到一个方向，向很远的距离放射，同时也可以形成非常强烈的光线。

激光器的原理

那么，激光是怎样产生的呢？激光器中装配着含有金属的宝石、某种半导体（见此处）等特殊材料。这种材料被施加电压后，材料中所有原子就都处于同一状态。在这种状态下，当从外部射来一束微弱的光，处于边缘的原子就会受到刺激，发出具有同样波长和速度的电磁波。这些边缘原子再刺激其邻近的原子，以此类推，直到所有的原子都集中向外发出同样的电磁波。

激光器

实用的激光器中配有两面反光镜来回反射光线，以获得更长的反射距离。

激光的应用

用光信号代替电信号进行通信的技术叫作光纤通信，使用的就是激光。在光纤中，不同波长的电磁波前进的速度是不同的，因此，各种波长的电磁波混杂的普通光线在光纤中前进时，所带有的信号就会逐渐散逸、消耗。由于激光电磁波的波长都一致，所以在长距离传输时信号不会消耗，可以无损地传递信号。

用激光探索宇宙

在探索宇宙时，人们也可以使用激光。让飘浮在宇宙中的探测器张开一面帆，然后从地球射出一道强力的激光，就可以使探测器加速。这样，探测器就可以在不携带燃料的情况下加速到接近光速的程度。目前，人类正在构想通过这种方法让探测器前往距离地球约4光年（见此处）的比邻星进行探测。

LED

LED具有发光明亮、耗电量少的特征，
在照明、显示、信号等领域被广泛应用。
LED和晶体管一样，都利用了半导体的技术。

发光的半导体

LED是发光二极管的简称。二极管也是用半导体制成的一种电子元件，具有电流在其中只能单向流动的特性。普通的二极管并不会发光，但若使用特殊的半导体材料制作，在通电时就可以发出带颜色的光。

LED发光的原理

LED由一个N型半导体和一个P型半导体贴合构成。给LED加上电压，N型半导体中的电子就会向P型半导体移动，并和其中的空穴复合，此时电子会释放能量，能量以光的形式辐射而出。电子与空穴复合时释放的能量不会转变为热能，所以发光二极管不会发热，电能也就不会产生浪费。

LED发光的颜色由半导体材料的种类决定，如下表：

半导体的种类和光的颜色

因此，单个LED无法发出多种颜色的光。

蓝光LED的开发

LED的亮度很高，将多个LED排列起来，人们就能造出巨大的室外显示屏。但若要显示彩色内容，LED就必须和液晶显示屏一样，至少要能发出红色、绿色、蓝色三种颜色（三原色）的光。此外，如果想用LED制造明亮的照明设备，就需要LED混合红色、绿色、蓝色三种颜色的光，形成白色光。

能发出红色和绿色光的LED很早以前就被开发出来了，但能发出蓝色光的半导体材料铟镓氮（InGaN）由于和LED的基板材料（蓝宝石）的原子间隔相差太大，相容性差，因此在蓝宝石基板上很难制得平整的铟镓氮，所以LED中只有蓝光LED最难实现。

荣获诺贝尔奖的创意

日本科学家赤崎勇和天野浩将原子间隔处于铟镓氮和蓝宝石之间的氮化铝（AlN）作为缓冲材料放在铟镓氮和蓝宝石的中间，终于成功地在基板上制造出了高品质的铟镓氮晶体。后来，日裔美籍科学家中村修二又划时代地开发出了量产蓝光LED的方法。20世纪90年代，蓝光LED终于得以实现大规模制造，从那以后，LED的用途大大增加了。由于上述成就，赤崎勇、天野浩和中村修二获得了2014年的诺贝尔物理学奖。

太阳能电池

太阳能电池也是使用半导体材料制成的装置。
它被誉为解决人类能源问题的“王牌”，但随着科学技术的进步，
或许人们也能开发出太阳能电池的许多新用途。

利用太阳的能量

在受到光照时能够发电的装置称作太阳能电池，如太阳能电池板。太阳的光能照射向地球的功率约为18亿亿瓦特（见此处），是如今全人类利用能量的1万多倍。除去空气吸收的部分，地球上每一平方米受到阳光辐射的功率大约还有1000瓦特。没理由不去利用这部分能量。

太阳能电池就是一块P型半导体薄板和一块N型半导体薄板贴合在一起的装置，其基本结构和LED（见此处）类似。LED是用电能发光的装置，而太阳能电池则是利用光能发电的装置，和LED的作用相反。

在科学和工程技术的世界中，“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。

太阳能电池的原理

光线照射到P型半导体和N型半导体的分界线上时，光能就会让电子（见此处）从原子中飞出，同时制造出一个空穴（见此处）。飞出的电子将向N型半导体运动，而空穴将向P型半导体运动。将两个半导体接入回路，电子就能在回路中流动，形成电流。

普通太阳能电池使用的半导体都是利用硅元素制造的。在制造其他半导体时，硅比其他元素更常用，因此制造技术更完善，造价也更低。住宅用的太阳能电池板和光伏发电站中使用的太阳能电池基本上都是硅制的。然而，硅的收光能力不太强，不造出一定的厚度，就无法获得较高的发电效率，所以硅制的太阳能电池一般都很重，也很难弯曲成需要的形状。

各种各样的太阳能电池

因此，科学家近来一直在研发不使用硅材料的太阳能电池。其中，使用CIGS材料制造的太阳能电池厚度仅千分之一毫米，却能高效地发电。在开发中的还包括有机半导体材料涂料，涂在任何物体上都能让其变为太阳能电池。将来，我们或许会迎来这样一种时代——把这种涂料涂在住宅外壁，就能让住宅自己发电。

CIGS材料中的“CIGS”，分别为铜（Cu）、铟（In）、镓（Ga）、硒（Se）四种元素符号的首字母。

历史与问题

1954年，美国的贝尔实验室最先开发出实用的太阳能电池。在那之后，日本开始积极投入这一领域，到2005年已经占有了世界太阳能电池的半数以上的市场。随后，中国等生产商后来居上，目前日本的市场占有率已降至10%左右。

但是，太阳能电池也有缺点。太阳能电池只能在阳光充足的时候使用，夜间无法发电，还被气候所左右，无法保证稳定的电力供给。而且，太阳能发电的成本居高不下，光伏发电站的增加势必导致电费的提高。同时，光伏发电站占据的土地面积很大，对环境也会产生一定的破坏。总体来看，任何发电的方法都是瑕瑜互见的，最重要的是搭配利用包括传统发电方法在内的各种发电方法。

人工智能

在新闻中，我们常常能听到许多令人惊叹的人工智能故事，
仿佛科幻小说里的情节。
下面就让我来告诉你其中的奥秘。

能思考的机器？

进入21世纪以后，电脑的能力不断增强，能和人脑一样学习、推断、判断的电脑，即人工智能，终将成为现实。如今，图像识别、语言翻译、声音识别等常规任务都已经实现了自动化。

但目前，实现不同操作的系统还各不相同。未来也许能够由一套系统完成各种操作，就像人脑一般。

深度学习

发展现代人工智能的一个重要方法就是深度学习。深度学习是指让机器将庞大的样本数据分成多个层次，进行统计和解析，利用程序对人脑的功能进行模仿的过程。

举例来说，利用照片对人物身份进行鉴定就是深度学习的一个课题（如下图）。

深度学习的“深度”，指的就是机器中的分析模块分为多层，路径很长。

首先，第一层的分析模块会从照片中随机抓取许多信息，然后从信息中分析出一些规律，送到下一层次。第二层的分析模块再次分析、总结从第一层来的信息，送到下一层次。像这样，逐层进行分析。

这样多层分析后得出的结果与目标人物的正确身份进行比对，得出的答案很可能还是错的。此时，人们会对各层的分析模块进行适当的调节，然后从头再来。经过一次次调节，机器的分析就会逐渐接近正确答案。不断重复这个过程，等机器再拿到新的照片时，基本上就可以得出正确的答案了。

谁也不知道每一层次的每个分析模块具体如何工作，因为整个系统经过多次调节后，才能输出正确的答案。人工智能的内在至今还非常神秘。

人脸识别的原理

人工智能的未来

有人说，人工智能不断进步，总有一天能够追上人类的能力。美国的未来学家雷·库兹韦尔把这个机器追上人类的时间点称为奇点。“奇点”一词既有“不可逆转的一点”的意思，也有“一旦人工智能追上人类，人类就再也无法回到过去”的意思。

当奇点到来，有人认为人类将迎来美好的未来，也有人声称人类将会遭遇灭绝，还有人断言人工智能无法进步到这种程度，奇点不可能来到。哪种判断才正确，也许只有那一刻到来时才可见分晓。

量子计算机

理论上，现在计算机的运算速度和量子计算机根本不可同日而语，
但量子计算机现在还未完全实现。
和传统计算机相比，量子计算机不仅速度更快，连计算的根本原理都不同。
其关键就在于“量子”。

过去的计算机原理

信息的表示方法

文字、图像等信息，都能够以0和1组成的阵列来表示。这里的0和1称为比特。传统的计算机将电流通过记录为1，电流不通过记录为0，利用电流的通断来表示比特的阵列，利用比特的不同阵列来计算数据和处理图像。

传统计算机若要处理100万个数据，就需要准备100万个比特的阵列，然后按顺序一个个地操作下去（这就叫逐次计算）。这种运算方式是很费时间的。

如果使用量子来计算

如果能将多个比特阵列一次总结、表示出来的话，就能一举解决传统计算机计算耗时的问题了。这就是量子计算机的基本原理。

量子计算机利用了量子态叠加（见此处）的性质，在一个比特中同时表示0和1。这里的比特称为量子比特。

量子比特

例如，量子计算机将电子向上自旋（见此处）记为1，向下自旋记为0，但电子可以进入向上自旋状态和向下自旋状态的叠加态，将这些进入叠加态的电子排列起来，就能用一个量子比特阵列来表达多个数据了。

因此，我们只要操作一个量子比特阵列，就能同时处理多个数据（称为并列计算）。不管数据量增加多少，计算时间都不会延长。

“量子比特”（qubit）中的“qu”是“量子”的英语“quantum”的缩写。量子比特不仅可以利用电子，也可以利用光子或原子核。

如果量子计算机能够实现

现阶段还无法制造能够实用的量子计算机，但如果量子计算机实现普及，则可以在极短的时间内处理大量数据。举例来说，训练人工智能时使用的深度学习（见此处），就需要计算机同时处理人像照片中的大量数据。现在的计算机需要多台合作，倾尽全力共同处理数据，而一台量子计算机一瞬间就能处理完毕了。

量子的叠加态是很脆弱的，稍有一点干扰就会崩溃，因此量子计算机的开发十分困难，全世界都在持续进行研究。

加拿大一家名叫D-Wave的公司宣称，他们已经实现了量子计算技术的商用，但他们的产品和真正的量子计算机在原理上还有差异，具体的计算能力大小目前还不清楚。

量子隐形传态

隐形传输听起来很像科幻小说里才会出现的技术，
然而最近，人们已经可以利用量子力学的原理远距离传输信息了。
这到底是怎么回事呢？

信息的远距离传输

假设把文字、图像等信息转换为以0和1表示的传统比特（见此处），然后用电子自旋的方向来表示比特。

用电子来表示信息

如果能将电子自旋的方向传递到另一个地方，信息就传输出去了。相距一段距离的两个电子能够像有“心灵感应”一样共享信息，这种令人惊叹的量子力学性质，称为量子纠缠（见此处）。

爱因斯坦一直主张量子纠缠这类不可思议的现象不可能存在，但在1964年，欧洲核子研究组织（CERN）的科学家贝尔利用数学的方法证明了量子纠缠现象的存在。

量子隐形传态

爱丽丝拥有记录着原始信息的电子A，她想要将信息传输给鲍勃。

首先，准备两个处于纠缠状态的电子（B和C），给爱丽丝和鲍勃各分一个。

爱丽丝需要进行某种操作，让记录着原始信息的电子A和电子B进入纠缠状态。

这时，鲍勃得到的电子C就会同时与爱丽丝的电子A进入纠缠状态，并接收到原始信息。

传输过后，爱丽丝拥有的信息就消失了。从结果来看，爱丽丝拥有的信息完成了向鲍勃的传输。和传统的信息传输不同，不管两者距离多远，信息都能瞬间传输完成，这就是量子隐形传态。

在量子技术的研究中，科学家经常使用“爱丽丝”“鲍勃”这样的人名，比冷冰冰的“A”“B”听起来要亲切多了。

量子隐形传态的原理最初是由美国物理学家查尔斯·贝尼特等人于1993年提出的，并由奥地利物理学家安东·塞林格于1997年完成了不完全的实验验证。1998年，日本物理学家古泽明的研究团队在美国加州理工学院实现了完整的量子隐形传态。

如果量子隐形传态能够投入使用，人类就可以实现长距离的高速通信。目前，人们已经成功地利用光纤将一个量子的状态传输到100千米以外，未来人类的通信网络或许就要基于量子隐形传态来构建了。

专栏2

买彩票前应该知道的事
期望值

靠买彩票能赚钱吗？彩票的中奖号码由一个类似轮盘的公平机器产生，购买者能否中奖完全是偶然事件。因此，买彩票是否能赚钱谁也说不好，全都要看运气。

但平均一注彩票能赚到多少奖金呢？这是可以计算出来的。例如，有种彩票每注100日元，共发行1000万注，奖金和中奖注数如右表所示。

如果有一个人把这种彩票全部买走，那他必然能买到5注一等奖彩票和100注二等奖彩票。在这种情况下，中奖就绝非偶然事件，也和运气没有关系了，能赚到的奖金也完全可以预先计算出来，即：

1亿日元×5注+10万日元×100注+100日元×10万注=5亿2000万日元

如果将1000万注该种彩票全部买走，平均每注可以得到的奖金为：

5亿2000万日元÷1000万注=52日元

也就是说，花100日元购买1注彩票，你平均可以得到52日元，这个数值就叫该种彩票奖金的数学期望值，也就是你能期望得到的奖金数额的意思。

如果你将某种彩票全部买走，那每一注确实可以得到期望值那么多的奖金，但现实中，能把一种彩票全部买走的人是不存在的。如果我们把购入的注数减少，比如只购入1000万注的一半，即500万注，那么结果会如何呢？购入数量减少时，能赚到的奖金金额就多少开始受到概率的影响了。中奖的彩票也许全部混在这500万注当中，你依然能得到5亿2000万日元；也有可能全部不在这500万注当中，你一分钱都得不到。然而，这两种极端情况发生的可能性都是很低的，基本上你还是能得到奖金总额的一半，即2亿6000万日元左右的金额。得到这个金额的概率还是比较高的，也就是说每注彩票的奖金期望值还是52日元左右。

然而，如果购入的注数进一步减少呢？如果最终购入的注数减少到1注，能否中奖就会变成一个完全的偶然事件了，也许会中一等奖，也许什么也中不了。但如果此时有1000万人，每人各买1注，那么平均下来每人（每注）的奖金期望值就还是52日元，相当于你买走1注这种彩票，就能得到52日元。当然，并不是你真的能拿走这52日元，实际上你并没有中奖，只是从数学的平均值上讲，你可以期待自己得到52日元。

综上所述，虽然彩票中奖完全是一个偶然事件，但你依然可以期待自己得到彩票奖金的期望值。如果你知道某种彩票的总奖金和中奖注数，就可以事先把这个期望值计算出来，然后把期望值（如这里的52日元）和每注的单价（100日元）进行比较，判断平均下来，你能否赚到钱。在本例中，你花100日元买彩票，只能得到52日元。当然，你运气好中了一等奖，自然能赚到大钱，但平均下来你还是亏损的。

实际上，日本的法律规定，在售的彩票，其奖金期望值不得高于销售单价的50%。换句话说，平均下来，你买彩票的钱至少一半会打水漂，确实算不上赚钱的好办法。也许有人会把买彩票当成投资梦想，还有人会安慰自己，花在彩票上的钱有一部分会被政府拿出来回馈社会。但不管怎么说，从平均值来看，买彩票是不能赚钱的，这一点请你一定记住。

化学
Chemistry

在日语中，“化学”和“科学”发音相同，人们常常把这两个单词弄混，把它们的汉字写错。幕府末期，日本人曾把化学称为“舍密”（即荷兰语中“化学”一词“chemie”的音译），后来改用了中文的译法“化学”，并以此为题出版了《化学新书》一书。“化学”一词从此普及开来。

“科学”一词则由日本明治时代的启蒙家西周从英语的“science”一词翻译而来。在不同情况下，请选择使用正确的词。

元素、同位素、化合物

世界上有数不清的物质，
但所有物质其实都是由种类有限的基本元素组成的。
这种思想古已有之。

过去的物质观

古希腊时代，哲学家恩培多克勒提出了“四元素说”，即全部的物质都是由土、水、气、火四种“元素”组成的。这个理论现在看来非常荒诞，但经过恩培多克勒的宣传，人们竟然信服了两千多年。直到17世纪，英国化学家波义耳提出要使用正规的实验方法来探究物质的本质，人们才逐渐发现了氧、氢等化学元素。20世纪初期，化学界确立了现代的“元素”概念。

原子的种类

原子的中心是原子核，外侧分布着电子（见此处）。决定原子性质的正是原子核外的电子。电子的个数不同，原子的性质也不同。（在原子中，核外电子的数目和原子核内质子的数目相同，所以也可以说原子核内的质子数决定了原子的性质。）因此，根据原子内电子的数目就可以对原子进行分类，每种原子称为一种元素。元素共有100多种。

元素的种类

只有1个电子的原子，属于氢元素

有6个电子的原子，属于碳元素

有26个电子的原子，属于铁元素

有92个电子的原子，属于铀元素

有些原子中电子和质子的个数相同，但中子数不相同。这样的原子被归为相同的元素，但每个原子的重量不一定都相同。因此，我们就把属于同种元素，但中子数不同的原子互称为同位素。为了区别表示同种元素的不同同位素，我们可以将原子中质子数和中子数的和标注在元素名称之后，如“碳-12”。质子数和中子数的和称为质量数。

同种元素的不同同位素的化学性质差异不大，能够发生的化学反应和在人体内的作用基本相同。但同种元素的同位素中，可能有些是没有放射性的稳定同位素，有些是具有放射性的不稳定同位素。

同位素

碳有3种同位素，其中碳-14不稳定，半衰期（见此处）约为5700年，可衰变为氮。

单质和化合物

钻石只由碳元素组成。像钻石一样只由一种元素组成的物质称为单质。

单质

那么水呢？水分子由氢原子和氧原子结合而成，水分子大量聚集，就形成了我们见到的水。像水一样由多种元素组成并只由一种分子构成的物质称为化合物。

然而，由两种以上分子混合而成的物质不属于化合物，属于混合物。混合物内，各种分子可以进行分离。比如，酒由水和酒精混合而成，并不属于化合物，而属于混合物。证据就是，将酒置于火焰上加热时，酒精可以蒸发掉。

化合物

混合物

由两种以上分子混合而成

元素周期表

元素共有100多种，每一种都有独特的性质，
如果不加以管理，就成了“乌合之众”。
为了让各种元素形成体系，科学家编写了元素周期表。

元素的并列

元素，即原子的种类，是由原子内的电子数决定的（见此处），原子内的电子数也叫原子的原子序数。将元素按原子序数进行排列，就可以编出一张表格。

由于书写元素的名称比较麻烦，人们也常常使用由一个或两个英文字母组成的元素符号。

19世纪，俄国化学家门捷列夫发现，在由元素排列而成的表格中，性质相似的元素总是每隔8个就循环出现，因此门捷列夫就把8个元素编为一行，让性质相似的元素都出现在同一个竖列之中。后来再经过种种改良，变成了如下方所示的表格。这是一张按元素的周期性编成的表格，于是被称为元素周期表。

实际上，门捷列夫当初并不是按原子序数而是按原子质量（即一个原子的重量）排列的。

读出元素的性质

只靠元素周期表，你就能读出各种元素的许多性质。首先是门捷列夫编纂元素周期表的原则，即排在一个纵列上的元素性质相似。其次，原子序数大的元素原子通常比原子序数小的元素原子重，所以处在元素周期表上方的元素，就比下方的元素更轻。此外，你还能在元素周期表上读出以下性质：

元素周期表

在元素周期表中，竖列称为族，横行称为周期。仔细观察第2周期和第3周期，你就能看出当初门捷列夫将8个元素排成一行的用心了。表中的镧系和锕系两类元素，本来安排在第3族和第4族之间，但为了不让元素周期表变得太长，就单独放在表外了。

○在元素周期表的右上方，聚集着常温下单质为气体的元素，如氮（N）、氧（O）等。○在元素周期表的中间至左边，聚集着金属元素，如铁（Fe）、镁（Mg）等。

○在自然界中，只存在第94号钚（Pu）元素之前的元素，但第43号锝（Tc）元素除外。在钚之后，位于元素周期表最下方的元素都是人工合成出来的。这些人造元素都是利用加速器使两种较轻的原子相互轰击制得的。

仔细观察可以发现，在第11族中，排列着金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）这些制造奖牌的金属元素。在右下方，还有第113号元素（Nh），这是首先由日本合成的人造元素，在日本国内轰动一时。

东京的国立科学博物馆等博物馆里，有将真正的元素（实物单质）排列起来制成的实物“元素周期表”。你也应该去近距离感受一下元素的实物，而不仅仅只阅读由元素符号堆叠而成的表格。

酸、碱、中和

酸和碱溶解在水里后，会让水变酸或变苦。
会出现这些味道，是由于某些特殊的离子的作用。

什么是酸

醋为什么是酸的呢？醋就是醋酸的水溶液，醋酸分子溶解在水中时，被分解成了带有正电荷（见此处）的氢离子（见此处）和带有负电荷的醋酸根离子。像醋酸这样，溶解在水中时会放出氢离子的物质称为酸。

酸在水中溶解时

氢原子和氢离子的性质完全不同。氢原子整体不带电，两个氢原子就能结合成氢分子，形成氢气，而氢离子往往只存在于水中。

醋的酸味正是氢离子带来的。酸对金属具有腐蚀性，这也是氢离子的作用。

氧元素最早被称为“酸素”。酸和“酸素”并没有直接关系，氧气即便溶于水也不能让水变成酸。法国化学家拉瓦锡在18世纪发现了氧元素，但他错误地认为酸的性质是由氧元素带来的，因此给这种元素命名为“酸素”。

什么是碱

把氢氧化钠溶于水，氢氧化钠就会放出带有负电荷的氢氧根离子。像氢氧化钠这样溶解在水中时会放出氢氧根离子的物质称为碱。

碱的英文“alkali”原本是阿拉伯语中“灰烬”的意思，如此命名，是因为燃烧草木得到的灰烬溶于水会显碱性。

碱在水中溶解时

碱通常都带有苦味，能分解蛋白质等有机物。

什么是中和

将酸的水溶液和碱的水溶液混合，氢离子就会和氢氧根离子结合成水分子，酸的性质和碱的性质全部消失，这个过程就是中和。

如果氢离子比氢氧根离子多，那么就会有氢离子残余，溶液呈酸性。如果氢氧根离子比氢离子多，那么就会有氢氧根离子残余，溶液呈碱性。如果想达到完全中和，就要精确地调节酸和碱的量，让氢离子和氢氧根离子的量相同。

在日常对话中，常常有“中和毒性”的说法，这里的“中和”与酸、碱无关，也并不是“中和”一词的原意，在使用时还请注意。

化学键

原子结合成分子的时候，
实际到底发生了什么呢？

原子也有偏好的电子个数

不同种类的原子（不同元素）各有固定的电子数（见此处）。然而，任何原子的电子个数必须达到特定的数量，原子的整体性质才能稳定，如2个、10个、18个、36个等。那么，如何让原子的电子数达到这些数量呢？有好几种办法。

共价键

氢原子只有1个电子，为了让电子数达到2个，就必须和另一个氢原子共享一个电子。以这种方法结合起来的两个氢原子就很难再彼此分开了。

这就是一种化学键，是一种基于共享电子的原子结合方式，因此被称为共价键。

离子键

钠原子有11个电子，若将1个多余的电子放出，就可以达到10个电子的稳定状态，因此，整个原子就会失去1个负电荷，形成阳离子。氯原子有17个电子，如果抓住钠原子放出的那个电子，就能达到18个电子的稳定状态，因此，整个原子就会多出1个负电荷，形成阴离子。这样形成的阴、阳离子，会由于电场力的作用而相互吸引。

这种化学键叫离子键，钠原子和氯原子就是靠离子键结合起来形成氯化钠的。氯化钠就是食盐。

金属键

铁原子大量聚集时，会各自放出一些电子，铁块整体呈大量电子自由飘浮的状态（这些电子被称为自由电子）。于是，失去电子的众多铁原子（此时已变为铁离子），就会和自由电子相互吸引，紧密结合。

原子间的这种结合方式，称为金属键。由此可见，化学键虽有好几种，但每种化学键都是依据电子的不同运行方式产生的。世界上能有各种各样的分子存在，也都要归功于电子。

化学反应、氧化、还原

把不同的物质混合在一起时会产生各种化学反应，形成新物质。
但发生化学反应时，变化的只有各原子之间的化学键。
化学反应并不会产生新原子，参与反应的原子种类也不会发生变化。

什么是化学反应

将氢气和氧气混合并点燃，就会发生爆炸并生成水。从分子的层面看，这个化学反应中到底发生了什么呢？

氢气和氧气的反应

氢分子是由两个氢原子构成的，氧分子是由两个氧原子构成的。这些分子的化学键被打开，原子的组合方式改变，就形成了新的化学键。水分子就是这样形成的。

旧有的化学键被打开，形成新的化学键，进而形成新分子的反应，就是化学反应。发生化学反应时，参与反应的原子种类不会发生变化。

就算不用实验室里的各种化学药品，我们的身边也在不断地发生着各种各样的化学反应。

各种各样的化学反应

将砂糖溶化在水中，这样的反应并没有打开、形成化学键的过程，砂糖的分子自身并未发生变化，因此不属于化学反应，只是简单的“溶解”。

氧化和还原

化学反应有许多种类，但最为常见、意义重大的有两种：氧化反应和还原反应。

氧化还原反应

在两种分子之间传递氧原子的反应统称为氧化还原反应。其中，得到氧原子的分子“被氧化”，失去氧原子的分子“被还原”。在左图的例子中，有机物分子被氧化，漂白剂被还原。

若将铁块放置在空气中，铁原子就会被氧化，变为氧化铁。氧化铁就是铁锈，这是一个缓慢进行的化学反应。

炭（主要是碳原子）的燃烧也是氧化反应。反应发生时，炭具有的化学能会迅速变成光能和热能，因此会放出火焰，温度升高，这就是燃烧的本质。

将有油污的餐具浸在厨用漂白剂中，食物的残渣会被分解，餐具就会被洗净。在这个过程中，漂白剂（次氯酸钠）分子和有机物分子之间传递了氧原子。得到氧原子的有机物分子就会变松散，从餐具表面掉落。

固体、液体、气体

相同的物质在不同的温度和压力之下，状态也会改变。这是为什么呢？
从分子的层面上看，一切就可见分晓了。

分子的运动方式不同

冰、水和水蒸气虽然是同一种物质，但形态却不同。形成不同状态的原因是水分子运动方式的差异。

三种运动方式

在冰中，水分子有序排列，运动空间小，所以冰很坚硬。在液态水中，水分子之间的距离适中，有一定的运动空间，所以液态水能够流动。在水蒸气中，水分子能够自由地到处飞散，所以水蒸气会散逸。

压力造成形态差异

物质的状态是固体、液体还是气体，其决定因素不只有温度。物质的状态是由温度和压力共同决定的。

高压锅中的压力很高，所以水在120℃时也不会沸腾，因此可以在高温下烹饪食材。

在珠穆朗玛峰上，气压还不到平地上的一半，水在70℃左右就会沸腾。将80℃的热水带到珠穆朗玛峰上，不需要再加热就能直接沸腾。

改变物质状态的方法

物质在固体、液体、气体之间转化的过程称为物态变化，不同类型的物态变化各有不同的名字。

也就是说，虽然在冰变成水时，我们常说“融化”，其实在科学上，只有“熔化”的说法才是正确的。

固态的干冰可以不经过液态，直接变为气态的二氧化碳，这种物态变化的过程称为升华。固体在受热时，是发生熔化还是发生升华由环境的压力决定。在火星表面等气压很低的地方，冰也可能不经过液态水的状态而直接升华成水蒸气。

其他的物质状态

在特殊条件下，物质也可以处于除固体、液体、气体外的其他状态。例如，在22个标准大气压的条件下，将水加热到370℃以上，就可以让水进入超临界态。此时的水处于气态和液态的中间状态，溶解性大大增强，所以也可以供工业使用。

将氢气等气体加热至数万摄氏度的高温后，原子（见此处）中的电子就会与原子核分离，让物质进入等离子态。等离子体是实现核聚变所必需的，有人说火焰的本质就是等离子体。

潜热

物质在发生物态变化时会吸收或放出热量，但温度不发生改变。
这其实是与日常生活紧密联系的一个现象。

物态变化与热量变化

冰的熔化

将-30℃的冰加热，冰的温度会逐渐升高，在温度升高到0℃时，冰就会开始熔化，在熔化过程中，就算继续加热，冰的温度也不会升高了。在冰完全熔化之前，即使持续加热，温度也会保持在0℃不变。

此时，物体吸收的热量，都会被用来让固态变为液态。固体由固态熔化（见此处）为液态时必须吸收的热量，被称为熔化热。

水的沸腾

同理，当水开始沸腾时，即使持续加热，水的温度也会保持在100℃不变。液体由液态汽化为气态时必须吸收的热量，被称为汽化热。

施加给物质的熔化热和汽化热，都会在物质之中积存，这些热量都被称为潜热，也就是“潜藏的热量”的意思。

不仅是剧烈的沸腾，在常温下，水缓慢蒸发时也需要吸收汽化热。如果不把身上的汗擦干净，你就会觉得很冷，这也是因为汽化热。汗水蒸发时所需要的汽化热，就从身体中被带走了。

从气体到液体，从液体到固体

反过来，水蒸气凝结成水时，在完全凝结之前，温度也会保持在100℃不变。此时，水蒸气将不再需要吸收潜热，而是会将潜热放出，此时的潜热就是凝结热。

同样，将水冷冻凝固，在完全凝固之前，温度会保持在0℃不变。此时，水也会将潜热放出，放出的潜热称为凝固热。

冷却的机制

空调、冰箱等装置，就是利用潜热让房间和内部变冷的。

空调的原理

在空调室内机和室外机之间，制冷剂一直在循环。在室内机中，液态的制冷剂汽化，从室内的空气中吸收汽化热。然后，气态的制冷剂又在室外机中凝结，向屋外放出凝结热。依照这个原理，空调就将室内的热量“搬运”到室外了。

卡路里

吃东西的时候，你一定十分注意食物的卡路里。
如果摄入的卡路里过多，人们就会觉得体内有脂肪堆积。
但“卡路里”一词，原本是物理和化学研究中表示能量的单位。

热量的单位

物理学上常用的能量单位其实是焦耳（见此处）。但1焦耳到底代表着多少能量呢？其实很难想象。因此，人们也常常使用卡路里（cal）作为能量的单位。1卡路里是在1个标准大气压下，将1毫升水加热升温1℃时所需的能量（1卡路里≈4.2焦耳）。

我们身边的热量

用家用燃气灶点燃1升城市燃气，大概可以放出11000卡路里热量，将这些热量全部用来加热水，大约可以将1.1升（1100毫升）水的温度提高10℃。

然而实际上，家用燃气灶会产生大量的热量损失，并不能让水提高这么多温度。

若使用卡路里作为单位来表示能量，数值一般会非常大，因此我们也可以将能量的数值除以1000，使用千卡（kcal，即通常说的“大卡”）作为单位。11000卡路里=11千卡。

用卡路里表示食物的营养

那么，卡路里和食物的营养有什么关系呢？从食物中摄取的养分会在细胞中代谢，代谢产生的能量被身体用来维持体温、驱动内脏和肌肉活动、维持大脑活动等。因此，人们就常用代谢后产生能量的数量表示食物中的营养量，其单位就是千卡。

食物中含有的能量

吃下100克白米饭，代谢后能够产生约170千卡能量。100克胡萝卜能产生的能量约为40千卡，100克牛肉能产生的能量约为100～300千卡。

最近，常有食品打着“零卡路里食物”的招牌进行宣传。这些“零卡路里食物”是指不含人体能够代谢的营养成分的食物，但这些食物本身也是具有能量的。如果你将“零卡路里”的甜味剂或果冻放在火上加热，它们也能燃烧并放出热能，这就是证据。

催化剂

有些化学反应的发生速度很慢。
如果能将这些化学反应的速度加快，对日常生活和工业生产都很有益。
该怎样让化学反应的速度加快呢？

加速化学反应

有些化学反应（见此处）能够在短时间内反应掉大量物质，例如炸药爆炸时，硝化甘油火药一口气全部发生反应，迅速放出大量热，于是引发了剧烈爆炸。

与此相反，铁在氧气中逐渐生锈的反应（氧化反应，见此处）则需要很长的时间缓慢进行。这个反应也放热，但由于反应速度极慢，所以温度上升很不明显。

化学反应的速度

然而，若将铁粉与食盐在空气中混合，就能加速铁生锈的化学反应，在短时间内让铁放出热量，提高温度。整个反应过程中，食盐没有发生任何变化，只是在加入食盐后，铁与氧气的化学反应加速了。能让化学反应的速度改变，自己却不参与化学反应的物质，叫作催化剂，也称触媒，即“接触反应物，成为化学反应的媒介”的意思。

催化剂的作用

一次性的“暖宝宝”就是利用这个化学反应生热的。

催化剂的实例

化学反应的种类不同，用来改变反应速度的催化剂也不同。请你回想一下初中化学课上学过的利用过氧化氢和二氧化锰制取氧气的实验。在这个反应中，过氧化氢分解产生氧气，二氧化锰作为催化剂加速了反应的过程。二氧化锰没有发生任何变化，但没有它这个反应就几乎进行不下去。

各种各样的催化剂

为了分解汽车尾气中的有害物质，车内一般装有带金属铂的尾气净化催化器。

二氧化钛在光照条件下可以加速有机物的分解，因此若在建筑物的外壁涂上二氧化钛，就可以在阳光下让污垢自然分解。

除此以外，化工产业等许多工业也都在使用各种催化剂。

例如，利用空气中的氮气合成氨时，就会使用含有氧化铁和氧化铝的催化剂。这是20世纪初由德国化学家弗里茨·哈伯和卡尔·博施发明的方法。氨是化肥的原料，在全世界的粮食生产中不可或缺。

再比如，制造塑料时需要使用钛和铝的化合物来做催化剂。这种方法是20世纪50年代德国化学家卡尔·齐格勒和意大利化学家居里奥·纳塔发明的。

这些催化剂都在化学反应中发挥了实际的作用，是现代社会的必需品。如果我们能让二氧化碳转化为其他物质的催化剂并实现工业化，也许就能解决全球变暖的问题了。

硅和硅橡胶

硅是制造电脑等机械内部电子器件的原料，
硅橡胶则是制造厨具、隆胸假体等硅胶制品的原料。
硅和硅橡胶是完全不同的物质，如果不加以区分就很容易引起误解。

硅：一种半导体

晶体管、集成电路等电子元件经常使用可以精准控制电流流通的半导体（见此处）。这些半导体材料的代表就是硅单质，因此我们也常把各类半导体都俗称为“硅”。

硅的制备方法

硅元素在砂土、岩石中以二氧化硅的形式大量存在，水晶、蛋白石等也是二氧化硅的晶体。将二氧化硅和碳混合并高温加热就可以制取粗硅，但若要将其制造成半导体材料，还需将其中的杂质排除，制成高纯度的硅。为此，需要使粗硅在高温下熔化后结晶，逐渐提纯出超纯硅。

用上述方法制得的超纯硅，纯度可以达到99.9999%以上，常被用来制造电子器件。

硅橡胶：一种橡胶

性质像橡胶的“硅胶”，学名应该叫硅橡胶，也就是有机硅高分子材料。

硅橡胶的分子构造

在有机硅分子中，硅原子和氧原子以链状方式交替连接着。同时，碳原子等原子在链上与硅原子结合。调节链的长度，就能控制有机硅变成油一样的液体或树脂一样的固体。

由于硅原子和氧原子之间的结合非常强劲，所以硅橡胶能耐高温，化学性质很稳定。普通的橡胶在100℃左右就会开始劣化变质，但硅橡胶在200℃以上的高温条件下依然能保持性能，因此它们可以用来制造厨具。而且，硅橡胶在人体内部既不分解，也不放出有毒有害物质，在医疗上也有广泛的应用。另外，硅橡胶还具有很强的疏水性，可以制造用于衣服和鞋子的防水喷雾。

综上所述，硅和硅橡胶都是现代生活中不可或缺的物质，如果它们的名字能更易区分就好了。

臭氧和氟利昂

20世纪70年代，地球环境污染问题逐渐进入了人们的视线。
目前，人们正在逐步解决环境污染的问题，但形势依然非常严峻。

另一种氧气

我们呼吸的普通氧气的分子由两个氧原子构成，但还有一种氧分子由3个氧原子构成，这就是臭氧。

臭氧的构造

臭氧是一种气体，有腥臭味。使用复印机时，你是不是总能在周围闻到一股轻微的臭味？那就是臭氧的味道。

高浓度臭氧有毒性，但低浓度臭氧完全是安全的，在食品保鲜、消毒脱臭等方面应用广泛。

臭氧的性质不稳定，极易变为普通的氧气，因此在利用臭氧时，必须先在空气中放电，制造出臭氧分子。

臭氧层

在自然界，臭氧由紫外线和雷电产生。如此生成的臭氧，会聚集在离地面大约20千米的地方，形成气体层，这就是臭氧层。虽说臭氧聚集于此，但总体的浓度却极低，仅有0.0003%左右。即便如此，臭氧层却能帮我们阻挡来自太阳的有害紫外线。如果没有臭氧层，地球上的人类就会遭到大量的紫外线辐射，极易患上皮肤癌等疾病。

臭氧层吸收紫外线

氟利昂

氟利昂是由碳、氟、氯等元素组成的一类分子，在过去是常见的冰箱、空调制冷剂（见此处）。

氟利昂分子的构造

然而，目前我们已经知道，泄漏的氟利昂若排到空气中，就会导致臭氧层的分解。实际上，南极上空的臭氧量已经大幅下降，照射到地面的紫外线变强。大气环流的规律使南极上空的臭氧层受影响最大，甚至已经形成了臭氧空洞。

照这样发展下去，不仅是南极，整个地球大气层的臭氧都会耗尽，酿成严重的后果。因此，从20世纪80年代开始，世界各国纷纷禁止了氟利昂的制造和使用。近年来，臭氧层已经开始恢复。环境问题再严重，只要世界各国携手合作就能得到有效解决，臭氧层问题就是一个实例。

碳纳米管

作为一种划时代的新型材料，碳纳米管吸引了全世界的关注。
碳纳米管完全由碳原子构成，但它与普通的炭有什么区别呢？

各种形态的碳

碳元素组成的物质有多种形态。铅笔芯（石墨）由碳元素组成，钻石也是，但同样都是碳，为什么石墨又黑又软，钻石却是世界上最硬的宝石呢？这和碳原子的结合方式有关。

结构的差异

在石墨中，碳原子按层排列，然后一层一层叠加在一起。每一层碳原子可以滑动，因此石墨质地较软。

在钻石中，碳原子在各个方向上呈网状排列，这种结构极其稳定，因此钻石也就十分坚硬。

像石墨和钻石这样，由同种元素组成却具有不同性质的单质（见此处），叫作同素异形体。请注意区分同素异形体和同位素（见此处）。

通过一些特殊的工艺，还可以制造出其他结构不同的碳单质。1991年，日本电气基础研究所的科学家饭岛澄男在真空容器中向两根石墨棒之间放电，制造出了一种细长的棒状碳单质。这根“碳棒”直径极小，约为1纳米（百万分之一毫米），是由多个碳原子编织而成的网状细管。根据制作工艺的不同，可造出任意长度。这种新的碳单质，被人们称作碳纳米管。

碳纳米管的结构

碳纳米管有许多优点。

首先，碳纳米管是由原子直接构成的细管状结构，因此既柔软又有很强的伸缩性，强度可达钢铁的20倍。有人说，碳纳米管未来可用于制造连接宇宙空间和地球的“太空电梯”的绳索。

另外，若对碳纳米管的直径和结构做出细微的调整，就可以造出性质优良的半导体（见此处）。这种半导体可以制造比现在运行速度更快的电子产品。

除此以外，碳纳米管还有高效发射电子、吸附性强等性质，十分引人注目。在不久的将来，碳纳米管或许可以成为尖端科技领域不可或缺的材料。

稀土元素

稀土元素是制造手机和电脑中的电子器件、混合动力汽车的电池、
DVD光盘等高科技电子产品时必需的一类元素。
但稀土元素也曾引起过许多国际上的大问题。

稀有的元素

稀土元素中的“稀”是稀有的意思，“土”是土地的意思，所以稀土元素就是“在土地中十分稀有”的元素。稀土元素并不是某一种元素的名字，而是17种元素的统称，分别为元素周期表上第三族里的两种元素和列于表外的所有镧系元素。

与“稀土元素”说法类似的还有稀有金属元素。稀有金属是所有储量稀少的金属元素的统称，除稀土元素外，还有镍、钨等，共约30种。

标红的元素的就是稀土元素

稀土元素具有其他元素不具备的特殊电磁学、光学和化学性质，因此是制造多种材料的重要原料，对现代社会十分关键。

各种各样的用途

稀土元素的替代品

顾名思义，稀土元素在地壳（见此处）上的储量非常稀少。储量最多的铈元素（Ce）在地壳中的含量也仅占约0.007%。而且，含有稀土元素的稀土矿，目前世界上几乎只有中国可以生产。2010年，日本的科技产业也曾因稀土元素的缺少濒临崩溃。

因此，世界各国都在抓紧寻找储量大且与稀土元素性质相似的其他元素。例如，人们进一步研究了电动机的制造工艺，目前已经造出了一种电动机，只装配不含稀土元素的普通电磁铁，却依然有强劲的输出功率。目前，科学界正在摆脱对稀土元素的高度依赖。

专栏3

可以相信这个统计数据吗？
有意义的统计结果

在养生节目或药品广告中，我们常常能听到这样的广告词：“吃了×××，就能预防×××疾病！”听着这样的台词，看着貌似可信的画面，再加上一句“科学研究已证明有效”，谁还能不信呢？但是，电视广告里的药品真的有效吗？

调查药品有效性的实验，有四个重要的注意事项。

第一，要注意吃药的实验人员和未吃药的实验人员各方面条件是否一致。我们把吃药的实验人员叫作实验组，把未吃药的实验人员叫作对照组。实验组和对照组的实验人员，除了是否吃药这一点，其他条件均应完全一致，如年龄、性别、身高、体重、既往病史、家族构成等，需要保持一致的条件有很多。通过掷硬币等方式，我们将所有实验人员一个一个地随机分配到实验组和对照组，这是让两组条件一致的一种常用方法。如此分配过后，实验组和对照组中实验人员的各方面条件就非常接近了。

第二，是给对照组的实验人员提供不含药品药效成分的“假药”（学名叫作安慰剂），但注意要让他们以为自己服用的是真药。为什么要这样呢？俗话说“病从心起”，人在接受正向的心理暗示后，身体也可能会变好。因此，即使服药的实验组人员中得病的人真的很少，也无法证明该药品有效，说不定这是心理暗示的效果。他们可能会对自己说：“我吃了这种药品，就不会生病了。”为了证明该药品成分的有效性，我们也必须给对照组施加同样的心理暗示。因此，在给对照组的实验人员提供安慰剂的同时，也必须让他们以为自己吃下了真正的药品。

第三，如果实验组和对照组的实验人员人数过少，出现偶然结果的概率就会升高，很可能会影响到最终统计出的患病人数。例如，如果实验组和对照组分别只有两人，那么四人中碰巧只有对照组的两人一起生病也很有可能。因此，我们必须尽可能地增加实验组和对照组的人数，人数越多，偶然结果出现的概率就越低。在参与人数众多的前提下，若能观察到实验组与对照组出现不同的实验结果，才能说实验药品有效的可能性高。

然而，就算实验组和对照组的人数众多，如果两组中患病的人数差异很小，那也很有可能是偶然结果，无法证明药品的有效性，这就是第四个注意事项。为了证明药品真的有效，实验组和对照组中患病的人数必须差异很大。我们可以使用统计学上的“检验”方法。比如，若实验的结果如下图所示：

乍看之下，服药和未服药的人中患病人数相差为10，可以认定该药品有效。但进行一下统计检验就可以发现，若只有10人的差异，偶然结果影响实验结果的可能性还是很高的。在这种情况下，患病人数差异必须至少达到12人，才可以认定该药品有效（参与实验的人数不同，差异的最少人数也会不同）。达到了这个条件，才可以说这个实验的结果大概率并非统计学上的偶然结果，而是一个有意义的统计结果。用统计学的术语，我们可以说：“这个实验产生了显著的差异。”

只有注意到上述事项，我们才有可能得出真正有意义的统计结果。电视节目随意拉来几个人，不明不白地就把实验做完了，这样不满足任何一条实验规范。在社会上，看似可靠的统计数据数不胜数，除了药品有效性的实验统计，还有保健方法、学习方法的调查统计，各种各样的民意调查，等等。采信这些看似正确的统计结论之前，不妨先质疑一下，这些统计数据都符合统计学的注意事项吗？这是很重要的事。

生物学
Biology

生物学，顾名思义，就是研究生物的科学。然而，所谓“生物”到底是什么呢？“吸取营养、能够增殖的东西”，我们对“生物”有一个模糊的概念，但却难以为其下一个准确的定义。不管你如何定义“生物”一词，在宇宙中的某个角落，都可能存在一种不符合定义的例外“生物”。而且，人们目前已经开发出了高度发达的人工智能，它也能被称为生物吗？

细胞

细胞是构建所有生物的基本零件，所有生物都由细胞构成。
细胞是理解生命活动的关键，也对生物的分类至关重要。

各种各样的细胞

人、蟑螂、向日葵、霉菌……这些生物都是由许多个细胞共同构成的，因而被称为多细胞生物。一个人的身体里约有60万亿个细胞。细菌是由一个细胞构成的生物体，所以对应多细胞生物，被称为单细胞生物。

细胞的种类不同，大小也不尽相同，但基本都是微米级（即1毫米的千分之几）。在这之中，也有肉眼可见的长达几毫米的细胞。从定义上看，鸡蛋也是一个细胞。

直到近代，人们才知道生物是由细胞构成的。但早在1665年，英国科学家胡克就发明了显微镜，并利用显微镜观察到软木组织中存在许多微小的“隔间”。他将这些“隔间”命名为细胞（cell），意思就是“小小的房间”。直到19世纪，人们才开始进行细胞研究，这要归功于德国生物学家施莱登和施旺。

生物的分类

根据细胞的基本结构，所有生物都可以分为两大类。第一类细胞中没有明确的结构，DNA（见此处）随意漂浮在细胞质当中，这种生物被称为原核生物。大肠杆菌等细菌都属于原核生物。第二类细胞中有各类微小的结构（细胞器），DNA处于细胞核当中，这种生物被称为真核生物。动物、植物，以及蘑菇、霉菌、酵母菌等真菌，都属于真核生物。

细胞的结构

细菌和真菌是完全不同的两类生物，请不要混为一谈。

根据构成细胞膜的物质种类，原核生物还可以再细分为真细菌和古细菌两类。因此，若按现行的理论将所有的生物进行大致分类，则可以分为真细菌、古细菌和真核生物三大类。

生物的分类

原核生物都是单细胞生物，而真核生物中既有人类这样的多细胞生物，也有酵母菌这样的单细胞生物。

病毒

近年来，人们发现了几种比细菌还要大的巨大病毒，
这动摇了人们对病毒的传统印象。
而且，病毒到底是不是生物这一点也还存在争议。
那么，病毒到底是什么呢？

病毒与细菌的区别

病毒和细菌用肉眼都看不见，都可以增殖，都可以在人体内引发疾病。流感就是病毒引发的疾病，食物中毒就是由细菌引发的疾病。然而，病毒和细菌却完全不同。

结构上的差异

细菌属于原核生物（见此处），细胞膜内有细胞质，DNA等物质在细胞质中自由漂浮，可以进行代谢、增殖等任何生命活动。

病毒由DNA或RNA（见此处），以及包裹着它们的蛋白质或脂质衣壳构成。病毒不具备独立维持生命活动的能力。

正因为如此，才会有人说病毒不属于生物。极端地说，病毒只是物质构成的微粒。细菌在有营养供给的条件下可以独立增殖，但病毒不能独立增殖，必须借助活细胞的力量才能繁殖。病毒增殖的过程如下：

病毒增殖的过程

①入侵细胞。
②衣壳裂开，释放内部的DNA。
③借助宿主细胞的DNA复制机制，病毒的DNA不断扩增。
④借助宿主细胞的蛋白质合成机制，合成新的衣壳。
⑤利用新的病毒DNA和新的衣壳装配新的病毒。
⑥使宿主细胞裂解，逃出宿主细胞。

病毒的发现史

19世纪，人们已经发现感染多由细菌引起，但也有些感染症，医生怎么都找不到引发的细菌。1892年，俄国生物学家伊万诺夫斯基在研究烟草花叶病时，发现这种植物疾病由一种比细菌小得多的病原体引发。后来，人们又发现多种感染症的源头都是这类病原体，于是就将这类病原体命名为病毒。“病毒”一词，在拉丁语中正是“毒素”的意思。1935年，美国生物学家斯坦利成功结晶了烟草花叶病毒，并利用电子显微镜观察到了病毒的真正结构。病毒可以被结晶，果然和我们印象里的“生物”还有差距。

医学上的应用

近年来，人们正在探索病毒在医学上的应用。例如，对只感染癌细胞的病毒进行基因工程操作，或许就能发明出癌症的新疗法。将人类的正常基因装配到病毒当中再感染人类，或许就能治愈那些由于基因异常而患病的患者。虽然这些想法目前还仅止于理论，但未来我们也许真的能开发出利用病毒治愈疾病的办法。

细胞呼吸和线粒体

人类为了生存，必须吸收营养和氧气，为身体供能。
但这个过程其实与一种细菌的感染分不开。

外呼吸和内呼吸

“呼吸”一词有两种含义，第一种是将氧气吸入体内，将人体不需要的二氧化碳排出体外的过程。人使用肺呼吸，昆虫使用气管呼吸，鱼类使用鳃呼吸。这样的呼吸被称为外呼吸。

第二种是将外呼吸吸入的氧气与营养物质结合，在细胞内进行反应，形成三磷酸腺苷（ATP）分子的过程。这种呼吸被称为内呼吸。

内呼吸

碳水化合物会经过糖酵解与三羧酸循环的过程，最终变为二氧化碳和水。在这个过程中会形成ATP。在三羧酸循环中生成的氢离子会进入电子传递链，参与生成更多ATP，氧气就是在这个阶段参与呼吸过程的。

ATP是一种储存能量的分子，人体需要能量的时候，ATP就会分解，释放能量。利用这些能量，人体就可以维持生命活动，使身体动起来，也能繁衍后代。

线粒体

负责内呼吸的，是一种叫作线粒体的细胞器。线粒体呈短棒状或细丝状，在每个细胞中都存在。

线粒体的英文是“mitochondrion”，“mito”在希腊语中意为“线”，“chondrion”意为“颗粒”。

线粒体的结构

线粒体有两层膜，内膜上有许多皱褶形成的嵴。细胞呼吸时，糖酵解在线粒体外的细胞质内进行，而三羧酸循环则在线粒体内部进行。电子传递链位于线粒体内膜的嵴上。

线粒体拥有自己的DNA（见此处），在细胞中可独立增殖。生物的精子与卵细胞结合并进行繁殖时，精子中的线粒体会全部消失，所以子代细胞线粒体中的DNA全部来自母亲。因此，对线粒体DNA进行分析，就可以探明母系的情况。

其实，线粒体在过去也是独立的生物。很久以前，在原始的真核细胞中共生着一些类似于立克次氏体的细菌。立克次氏体是引发流行性斑疹伤寒的病原体。这些细菌后来就演变成了今天的线粒体。线粒体拥有独立的DNA，就是这种说法的证据。

光合作用和叶绿体

植物利用光合作用捕获太阳的能量，而动物则靠吃掉植物获取营养。
从根本上讲，包括人类在内，所有的生物能够生存，几乎都是靠光合作用。

光合作用的原理

大多数植物都能借助阳光的能量，以二氧化碳和水为原料合成碳水化合物。这个过程就叫光合作用。光合作用的全过程分为光反应和暗反应两个阶段。

光合作用的两个阶段

发生光反应时，阳光中的能量首先被叶绿素分子捕获，然后叶绿素分子再利用这些能量将水分解为氢，并在这个过程中生成电子和ATP。
发生暗反应时，植物利用光反应生成的电子和ATP，以二氧化碳为原料，经过几次化学反应，最终合成碳水化合物。

叶绿素主要吸收蓝色光和红色光，绿色光不被吸收，全部被植物表面反射，所以植物看起来才是绿色的。

不同植物在发生暗反应时，二氧化碳最先转化成的碳水化合物不同。根据这个差异，可以将植物分成两大类。水稻、小麦等植物，会最先生成含有3个碳原子的碳水化合物，因此被称为C3（碳三）植物。C3植物的光合作用效率较低，一旦气温升高，光合作用效率还会进一步变弱。然而，玉米、甘蔗之类的植物，会最先生成含有4个碳原子的碳水化合物，因此被称为C4（碳四）植物。C4植物的光合作用效率较高，在气温升高、水分减少时依然可以保持活力。因此，人们正在研究将水稻等作物变为C4植物，提高生产效率的办法。

光合作用发生的场所

光合作用是在叶绿体中进行的。

叶绿体的结构

叶绿体和线粒体一样，都是细胞器的一种，拥有两层膜，内部是基质。在叶绿体基质中，有许多个绿色圆盘状的类囊体互相堆叠在一起。

类囊体表面的膜上有许多叶绿体分子，光反应就在这里进行，而暗反应则在叶绿体基质当中进行。

叶绿体和线粒体一样，最早都是独立的生物。远古时期，能够进行光合作用的蓝细菌存在于真核细胞中，最终变成了真核细胞里的叶绿体。这个理论的证据就是叶绿体也有自己的DNA。另外，科学家还发现，某种海蛞蝓能将吃下的海藻的叶绿体纳入自己的细胞，让自己也能够进行光合作用。

蛋白质和酶

蛋白质是构成生物的身体并支持各种生命活动的物质。
对生物来说，蛋白质可能是最为重要的物质了。

构成身体的蛋白质

细胞中70%都是水，剩下的30%中，有一半以上都是蛋白质。研究表明，人类的体内有1万～10万种蛋白质。

“蛋白质”一词，是从德语的“Eiweiß”直译而来的。在英语中，表示蛋白质的单词为“protein”，源于希腊语，意为“最重要的东西”。

蛋白质的结构

蛋白质由氨基酸分子连接形成。氨基酸分子彼此相连，并会以不同的形式进行折叠。若进行加热，氨基酸分子的连接和折叠就会被破坏，蛋白质就会发生变性。

氨基酸共有20种，不同的连接方式可以组合形成不同性质的蛋白质。氨基酸分子之间的连接被称为肽键。

按照分子的形态，可以大致将蛋白质分成两类。

蛋白质的种类

特征

举例

球状蛋白质

易溶于水，在细胞质、血液等
液体环境中发挥各种机能。

白蛋白（运输脂质）
血红蛋白（运输氧）
各种酶（见下文）

纤维状蛋白质

较为坚硬，一般用于构成身体结构。

胶原蛋白（构成皮肤、软骨）
角蛋白（构成指甲、毛发）
肌动蛋白、肌球蛋白（构成肌肉）

酶

有一类特殊的蛋白质，可以用作催化剂给许多化学反应加速，这类蛋白质就叫酶。例如，唾液中含有的淀粉酶能够催化淀粉的水解，如果没有淀粉酶，我们就几乎无法消化淀粉。

18世纪至19世纪，人们发现了各种各样的酶。1926年，美国生物化学家萨姆纳分离出了刀豆中的一种酶。将其结晶后，他分析、阐明了酶的本质是蛋白质。

酶的作用

酶在工作时，会将底物分子嵌入活性中心，并使其开始发生特定的化学反应。反应结束后，再将产物分子释放掉。在这个过程中，酶本身不产生任何变化。

大多数酶促反应都是人类在试管中无法复制的。从某种意义上说，人类的智慧不及生物体的构成巧妙。不过人类也常常借用这份“巧妙”。例如，有些酶可以分解蛋白质和脂肪，将其加入洗衣粉，就可以轻松洗掉衣物上的油污了。

基因和基因组

基因和基因组可谓现代生物学研究的核心课题。
同时，这两个词又极为相似，容易混淆。
让我们用菜谱做比喻，试着说明一下。

生物的“菜谱”

不同种类的蛋白质由不同种类的氨基酸按不同的顺序连接而成。氨基酸怎样组合，能形成什么蛋白质，这些都被记录在生物体内的“菜谱”里。这样一篇一篇的“菜谱”就叫基因。人类一共有约2万个基因。将所有的“菜谱”全部收集起来，出版为一整套“菜谱全集”，这就是基因组。人类的“菜谱全集”一共可以分为23卷，每一卷叫作一个染色体。

基因、基因组、染色体

“基因组”（genome）一词由英语中“基因”（gene）和表示“集合”的词缀“-ome”结合而来，意思就是“全部基因”。

人类从父亲和母亲那里各继承来一套基因，因此有两套基因组。也就是说，记载着同一个蛋白质制作方法的基因，在每个人体内都有两个。当来自父亲的基因和来自母亲的基因有细微差异时，人体参照不同基因制作出的蛋白质，会让身体表现出的外在特征也产生差异。这就是孩子更像父亲或者更像母亲的原因。形态不同的同种基因被称为等位基因。

比如说，控制有耳垂性状的基因F和控制无耳垂性状的基因f互为等位基因，其中F基因会被优先表现。在等位基因中，被优先表现的基因称为显性基因，相应地，另一个基因就被称为隐性基因。

显性基因和隐性基因在过去也叫优势基因和劣势基因，但为了不在叫法中显示出明显的优劣倾向性，目前学术界更加提倡“显性基因”和“隐性基因”的叫法。

拥有两个F基因的人一定会表现F基因的性状，外在特征表现为有耳垂。

分别拥有一个F基因和一个f基因的人会优先表现F基因的性状，外在特征表现为有耳垂。

拥有两个f基因的人一定会表现f基因的性状，外在特征表现为无耳垂。

有性、无性

哺乳动物、鸟类、昆虫等分雌雄两性的动物，体内都具有两套基因组。这样的动物被称为二倍体，写作“2n”。而细菌、霉菌等不分雌雄的生物，体内只具有一套基因组，称为单倍体，写作“1n”。人类是二倍体。

DNA和RNA

前面讲过，蛋白质是以基因为“菜谱”制作出来的，每个人的蛋白质都有独特的特点。
这与RNA和DNA这两种结构巧妙的分子关系密切。

“菜谱”的本质

基因组是记载蛋白质制作方法的“菜谱全集”，而这套全集的文字和纸张则是一种叫作DNA的细长分子。DNA是两根“细线”螺旋缠绕而成的，因此其结构也叫双螺旋结构。

DNA的结构

糖与磷酸相互结合，形成一条细长的链，每个糖分子还连着一个碱基。这样的链共有两条，两条链上对应的碱基之间通过力量较弱的氢键相互结合。
DNA的每条链长度可达数米，但宽度却只有2毫米的百万分之一，极为细长。碱基共有腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）四种。

每三个碱基可以形成一个密码子，每个密码子对应着构成蛋白质的一种氨基酸。比如密码子“AGC”对应着丝氨酸。这就好像在词典里，每个由三个字母组成的英文单词都对应着一个汉语词一样。这本“英文词典”是生物世界共通的。

因此可以说，糖和磷酸组成的长链就是“菜谱”的纸张，碱基就是“菜谱”上的文字。碱基A只能和碱基T通过氢键结合，碱基C只能和碱基G通过氢键结合，所以一旦一条链上的碱基排列方式确定了，另一条链上的碱基排列也就随之确定了，这就是碱基的互补性。

人类等真核生物（见此处）的DNA都非常细长，但如此细长的DNA，绝大部分都被收藏在只有百分之一毫米的细胞核（见此处）里。

染色体的结构

在细胞核内，DNA缠绕在圆盘状的组蛋白上，然后组蛋白进一步进行折叠，形成染色体。这就是染色体的本质。

只有在细胞分裂的时候，我们才能看到成形的染色体。

蛋白质的合成

合成蛋白质时，首先要将DNA上的碱基序列抄写到RNA分子（mRNA，即信使RNA）上，这一步称为转录。这就像从“菜谱全集”上抄下一篇菜谱。RNA分子和DNA相似，但它们只有一条链。DNA比RNA更稳定，适合长期保存遗传信息。与DNA相比，RNA可以在任务结束后分解再利用，适用于临时抄写DNA上的信息。

RNA中的糖分子和DNA不同，而且胸腺嘧啶（T）也会被尿嘧啶（U）取代。

转录和翻译

转录出来的mRNA从细胞核中出来，进入细胞质，结合到一种叫作核糖体的细胞器上。随后，另一种RNA分子（tRNA，即转运RNA）就会凑过来。tRNA带有和mRNA上密码子互补的三个碱基，可以转运密码子对应的氨基酸。被tRNA运过来的氨基酸，就会顺次形成肽键相互结合。最终，蛋白质就依照DNA上的碱基序列被合成出来了。

将DNA上的碱基序列变为蛋白质中的氨基酸排列顺序的过程叫作翻译，就好像将一个个排列起来的英文单词变为一个个中文单词一样。但这个“翻译”过程，绝对是忠实的直译。

细胞分裂和生殖

生物在成长的过程中身体变大，也会繁衍子孙后代。
这两种生命活动背后的原理既有相似也有不同。

基因组的复制

生物体成长的时候，构成身体的细胞（体细胞）会一分为二，进行增殖。在这个过程中，基因组全体（来自父亲的基因组和来自母亲的基因组，共两组）必须先进行复制。

复制的过程

DNA在进行复制时，会先打开双链，然后在DNA聚合酶的催化下，以每条单链为模板形成新的互补链，最终形成两条完全一样的DNA。

体细胞的分裂

复制出来的DNA（染色体）会在微管形成的细丝的牵引之下准确地分为两套。染色体分好之后，细胞间会形成新的细胞膜，将细胞整体一分为二（细胞分裂）。
新形成的两个子细胞和之前的细胞拥有完全相同的两套基因组。

减数分裂

然而，生物为繁衍后代而形成的精子和卵细胞（合称为配子）在形成时，细胞分裂的方法和体细胞分裂的方法还有些不同。

减数分裂的过程

①来自父亲的染色体和来自母亲的染色体发生部分内容的交换（交叉互换）。
②体细胞中的两套基因组不发生复制，直接一分为二。在这个过程中，来自父母双方的染色体各会进入哪个子细胞完全随机。
③分裂后得到的子细胞（配子），其内部只拥有一套基因组（单倍体）。因为这种细胞分裂的过程将基因组的数量从两套减为一套，因此叫减数分裂。

在减数分裂过程中，来自父亲的基因和来自母亲的基因会随机交叉互换，形成拥有各种基因组合的配子。因此，即便是兄弟姐妹，长相也不完全相同。

生殖和胚胎发育

精子与卵细胞结合形成受精卵时，受精卵会重新拥有两套基因组（二倍体）。受精卵进行分裂并形成胚胎的过程，在生物学上被称为胚胎发育。

生物体的胚胎发育

受精卵逐渐分裂（卵裂），会慢慢形成几十个细胞组成的桑椹胚和囊胚。
这些分裂出来的细胞在日后继续分裂，逐渐变化为皮肤细胞、肌肉细胞等各类细胞（分化），最终构成组织和器官，形成完整的胎儿。

这种由男性和女性共同繁殖，产生胎儿的过程，称为有性生殖。包括人类在内，许多动植物都是有性生殖的。而大多数细菌是不分“男”“女”的，它们采取无性生殖的方式来增殖。

正是因为有了如此复杂的繁殖机制，生物才能经历代代繁殖，一直生存下去。

进化

达尔文提出的进化论如今已被完全证实。
生物的性状及其进化的机制，全都可以以此为理论基础。
虽然还有很多人不相信进化论，但这确实是科学的事实。

生物在不断变化

生物的外观形态和活动方式等特征称为性状。随着生物的繁衍，性状不断变化，这个过程就叫进化。生物由于进化产生的性状变化绝对不是因为神或者其他超自然力量，而是由于受到自然环境与其他相关因素的影响自然产生的变化。

进化的过程与变异和选择两种机制不可分割。

变异和选择

生物体通过减数分裂产生配子（见此处）时，偶尔会产生错误，导致某些基因发生变化，让部分后代产生不同的性状（“变异”）。由于发生了变异，这些后代可能在幼体时期就会丧命，或者在长大后无法找到配偶，这些变化了的基因就无法遗传下去。然而，某些变异也会提高后代的生存能力或繁殖能力，控制这些变异的基因反而更容易遗传下去（“选择”）。经过几代的繁殖之后，几乎所有这种生物的后代都拥有了这些变异基因，而变化前的基因就慢慢消失了。

如上所述，一个生物种群整体产生性状变化的过程就是进化。

马的进化

最早的马有五根脚趾，在某个时候马的种群中产生了四趾性状的变异。这种变异对马的生存和繁殖有利，于是四趾的马多了起来，最终，所有的马都只有四根脚趾了。依据这个原理，马的脚趾数越来越少，发展到现在只剩单趾了。

马的单趾、孔雀巨大的装饰性羽毛、人类的高等智能，这些性状都是经过无数次的变异和选择之后才进化出来的。

难以预测的进化

然而，在生物生存和繁殖的过程中，大自然也不一定只会选择有利的性状。尤其是个体数量较少的种群，可能会出现具有有利性状的个体偶然早死，具有不利性状的个体繁衍后代的情况。这时，该种群的进化方向就很难预测了。这种现象叫作遗传漂变（意思是漂浮的物体发生变化，不知会往什么方向运动）。

例如，太平洋上某个小岛的居民中有很多色盲患者。这是因为有少数来此定居的移民是色盲，这种性状就偶然扩散开了。

在个体数量较少的种群中，如果出现这种意想不到的进化方向（发生遗传漂变），有可能会导致物种的灭绝。因此在保护野生动物时，一定要帮助它们维持一定的个体数量。

激素和信息素

人类依靠语言传达信息。
但人类体内的器官甚至某些生物之间并不使用语言交流，
而是用化学物质来传达信息。

什么是激素

激素又称“荷尔蒙”，是将指令从身体的某个部分传达到别的部位的化学物质。只需极少量的激素就可以达到明显的效果。分泌激素、发出指令的器官叫作内分泌器官。

“荷尔蒙”是“激素”（hormone）一词的音译，在希腊语中的原意是“刺激”。有种日式“内脏烤肉”与“荷尔蒙烤肉”同音，但和激素没有什么关系。

激素的实例

胰脏能够分泌胰岛素，这种激素能够感知血糖的上升。接受胰岛素命令的肝脏和肌肉能够听从命令，从血液中吸收糖分，将血糖值保持在一定的水平上。

如果胰脏受损，胰岛素分泌减少，命令传达不出去，就会导致血糖上升，这就是糖尿病。

激素的种类有很多，不同的激素代表不同的指令，其发出器官（分泌器官）和接收器官（靶器官）都是不同的。

各种激素

近年来，总有人说塑料、油漆中含有与激素类似的微量物质，被人体摄入后会使人体内分泌紊乱。这些物质被称为环境激素或内分泌干扰物质。然而，环境激素对人体能产生多大的影响至今还没有定论。

什么是信息素

在日常聊天中，信息素常被用来指代异性之间互相吸引时产生的物质，但它其实是非常严肃的生物学名词。激素（荷尔蒙）的作用是在体内传达命令，而信息素目的不同，它是向外界释放的化学物质，作用是向别的生物个体传达命令。也就是说，生物可以不用语言、声音或动作，而用化学物质向外界传递信息。也只需极少量的信息素就可以达到明显的效果。

信息素的实例

蚂蚁发现食物的时候，会在地面上涂擦跟踪信息素，并一路返回蚁穴。这样，其他蚂蚁就可以随着跟踪信息素找到食物了。

信息素也有很多种。例如，雌性蚕蛾在性成熟后，会散播性信息素。雄性蚕蛾感知到性信息素后，就会前来与雌性交配。再比如，黄蜂在受到攻击时会分泌报警信息素，指示同伴进入战斗状态。

人类由于语言能力发达，已经不再依赖信息素传达信息，所以有观点认为人类已经失去了释放和感知信息素的能力，但也有研究表明人类似乎还有感知信息素的能力。比如，女性闻到其他女性腋下的味道，她的月经周期可能会发生变化。但究竟是什么物质对人体产生了什么作用，还需要未来继续研究。

免疫、疫苗、过敏

生物不可能生活在完全无菌的环境中，
也就是说，生物每时每刻都承受着入侵者的攻击。
因此，建立针对入侵者的防御机制对生物来说极为重要。

生物体的防御系统

人体被病原体等异物入侵时，会启动免疫系统来排除异物。“免”就是“免除”的意思，“疫”就是“疫病”的意思，因此“免疫”就是“免除疫病”的意思。粗略地说，免疫过程大致分为两个阶段，是多种细胞协调合作的过程。

免疫的过程

○第一阶段（自然免疫）：巨噬细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞吞噬入侵的异物。
○第二阶段（获得性免疫）：树突细胞将异物蛋白质的一部分（抗原）表现在细胞表面，并传递给辅助性T细胞。
→受到抗原刺激的辅助性T细胞能够产生细胞因子，向细胞毒性T细胞和B细胞发送攻击指令。→接收了攻击指令的细胞毒性T细胞会攻击异物和被感染的细胞。
→B细胞在受到抗原刺激后会与免疫球蛋白结合，产生抗体。
→抗体会与异物结合，杀死异物。
→与此同时，受到抗原刺激的B细胞还会不断分裂，进一步制造更多抗体。

自然免疫对一切入侵异物进行攻击，获得性免疫则会为每种异物都留下一个抗原记号，对特定的异物进行更有效率的攻击。对于曾经入侵过的异物，获得性免疫系统会“留下印象”，当同种异物再次入侵时，就可以迅速出动进行攻击。

疫苗

为了进一步提高人体对病原体的抵抗能力，人们利用获得性免疫的原理发明了疫苗。

利用免疫反应预防疾病

将减毒风疹病毒接种到人体内，能够让B细胞认识风疹病毒并留下攻击的记忆。这样，当有毒性的风疹病毒入侵人体时，人体的免疫系统就可以迅速开展攻击并杀灭病毒。

有人探讨过疫苗的危险性，但目前并没有疫苗有害人体的证据。拒绝接种疫苗，自己染病之后再去传染他人，要比接种疫苗危险多了。

过敏

免疫系统由于过度反应，反而对身体产生恶劣影响的现象，叫作过敏。花粉症就是免疫系统对花粉产生的一系列过度反应，属于过敏的一种。特应性皮炎也是在皮肤上引起的一种过敏症。

免疫系统的过度反应

如果免疫系统过度产生抗体，过剩的抗体就会与肥大细胞和嗜碱性粒细胞结合，产生大量组胺和蛋白聚糖。组胺和蛋白聚糖能够引起炎症反应和低血压。

有一些过敏反应会造成非常严重的后果。例如，被蜜蜂蜇到或是服用不符合体质的药品，或者在接受输血时被输入了与自身血型不符的血液，都可能引起严重的过敏症，若不及时处理，很可能有致命的危险，因此必须注意。

研究表明，过敏体质与每个人的成长环境或者肠道菌群的状态有很大关系。通过进一步的研究，未来的医生也许能将过敏症彻底治愈。

克隆和iPS细胞

有人期待克隆技术成为人类战胜多种疾病的技术手段，
但也有人指责人类不应对自然的过程横加干涉。
然而在形成观点之前，我们必须了解克隆技术背后的原理。

什么是克隆

构成一个生物体的细胞，不管是什么种类，都拥有相同的基因组。那么，从生物个体中取出来一个细胞，利用这个细胞制作出一个新的个体，新的个体就和原来的个体拥有完全相同的基因组，这就是克隆。

对树木进行扦插，实际上就是在进行克隆操作。“克隆”（klōn）一词在希腊语中原意就是“嫩芽”。然而，人类等高等动物的体细胞已经高度分化（见此处），形成了肌肉细胞、神经细胞等不同的种类，若要制作新的个体，则需要卵细胞那样未经分化的细胞。但随着科学的发展，利用一个体细胞来制作新的动物个体也并非不可能。

克隆的方法

将预先准备好的卵细胞的细胞核去除，植入从体细胞中取出的细胞核，这样就可以制作出一个具有该体细胞的基因组并且未分化的细胞了。利用这个细胞，就可以制作出克隆个体。

使用这种方法，世界上第一只克隆羊“多莉”于1996年诞生了。“多莉”之后，人们又培育出了克隆牛、克隆犬等多种克隆哺乳动物。理论上，人也能够克隆，但这会引起无数伦理问题。

iPS细胞

如果能利用自身的体细胞制作器官，然后替换掉受损的脏器，就能治疗许多疾病了吧？为此，我们需要让已分化的体细胞回到未分化的状态，然后让其重新分化成所需种类的体细胞。

iPS细胞的制作方法

2006年，日本京都大学的科学家山中伸弥发现，体细胞中的4个基因组合起来，可以诱导细胞初始化，因此这4个基因的组合就被称为“山中因子”。这样制作出来的细胞被称为iPS细胞，可以在培养皿中分化成不同种类的细胞。

“iPS”是诱导性多能干细胞（induced Pluri-potent Stem cells）的英文简称，意为人工诱导制得的、可进行多种分化的原始细胞。“i”之所以用小写字母，据说是为了跟进“iPhone”和“iPod”的热点。

如今，利用iPS细胞制作器官，开发针对特定患者的定制药品的相关研究正在进行着。山中伸弥也因此成就获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。研究结果发表仅6年就荣获诺贝尔奖，iPS细胞受瞩目的程度可见一斑。

基因操控和基因组编辑

今天，我们已经开发出了编辑其他生物的基因再融入人体的技术。
正确利用这种技术可以为人类做出很大的贡献，
但若一步走错，也可能造成巨大的危险。

改变基因

在细胞中加入喜欢的基因，剪除不喜欢的基因，这种操作就是基因操控。

过去的基因操控

将含有目标基因的DNA用限制性内切核酸酶切成小段，再将含有目标基因的DNA片段与质粒（一种小型的环状DNA）相连。最后，再将重组好的质粒植入细胞，就可以让细胞按照植入的基因，制造新的蛋白质了。

在过去的基因操控工程中，人类已经制作出了抗农药、抗病虫害的土豆、玉米及高营养价值的大豆和大米。有人认为这种基因重组的操作对人体或环境有害，但这个观点并没有明确的证据支持。

最新的基因操控方法

过去的基因操控需要使用限制性内切核酸酶，实验人员无法指定含有目标基因的DNA链的酶切位点，限制性内切核酸酶在随机位置切断DNA链，这就需要实验人员进行无数次基因重组试验，很可能造成意想不到的恶劣结果。因此，在2014年，美国博德研究所的张锋和加州大学伯克利分校的詹妮弗·杜德纳、伊曼纽尔·夏彭蒂埃开发出了可以更自由地指定酶切位点，切割DNA也比限制性内切核酸酶更加精密的新方法，即CRISPR/Cas9。

基因组编辑的方法

①人工合成一段与DNA指定切断位置互补的RNA链，作为引导RNA。
②将这段引导RNA和Cas9酶一起导入细胞。
③导入细胞后，引导RNA就会和Cas9酶结合，正确找到DNA链上的目标位置，由Cas9酶将DNA链切断。

想关闭某个基因的功能，只要用这种方法将该基因所在的DNA片段剪掉就好了；想在基因组的指定位置加入新基因，只要剪开那个位置再植入新基因就好了。

这种基因操控的方法可以实现自由地编辑基因组，因此被称为基因组编辑。目前，人们正在研究利用基因组编辑技术预防遗传病、灭活入侵体内的病毒。如果这项技术被用在错误的地方，则可能引起重大的伦理问题，我们必须赶在悲剧酿成之前确定使用的方针。

端粒

长生不老、永葆青春，也许是每个人都拥有的梦想。
其实，长生不老的关键或许就在基因组中。

细胞分裂的“计次票”

人体内的体细胞不断死亡和新生。如果细胞长生不死，其功能就会渐渐减退，甚至伤及身体，因此经过一段时间，细胞就会“自行了断”，这种现象称为细胞凋亡。胃肠道的细胞对自己尤其严格，大概每过1天就会更新换代。血液中的红细胞几个月更新一次，骨骼中的成骨细胞大约10年更新一次。

更新换代的细胞是通过既有细胞的分裂形成的，然而，在细胞分裂时起作用的DNA聚合酶，其实并不能复制细胞中全部的基因。

DNA复制的“缺漏”

在DNA链的末端，总会有一组排序为“TTAGGG”的碱基序列重复出现，这段碱基序列会重复出现50～100次，这部分碱基被称为端粒。DNA聚合酶在合成DNA，引导DNA链复制时，无法复制其最初在DNA链上的附着点，即一组TTAGGG序列。因此，每次复制产生的新细胞，其DNA链的端粒就会减少一组TTAGGG序列。

端粒的英语“telomere”源于希腊语，是由表示“末端”的“telo-”和表示“部分”的“-mere”组合而成的，原意就是“末端部分”。

因此，在细胞不断分裂并不断形成新细胞的过程中，DNA链上的端粒就会越来越短。最终，在端粒耗尽后，DNA聚合酶在DNA链上失去了附着点，细胞也就无法分裂了。可以说，端粒就像DNA复制的计次票，细胞每分裂一次就会用掉一张，在计次票全部用完之后，分裂过程就终止了。

端粒与老化

如果细胞不再分裂，人体的脏器就会开始老化；如果全身的细胞都不再分裂，人体就会走向衰亡。因此可以说，正是端粒掌握了生物个体衰老和寿命的关键。

老化的本质？

比较儿童和老人的细胞，可以发现两者DNA端粒的长度明显不同。寿命只有1～2年的老鼠，其端粒的长度约为10组TTAGGG碱基序列；而寿命在100年以上的乌龟，其端粒的长度可达将近100组TTAGGG碱基序列。

在精子和卵细胞的形成过程中，一种名叫端粒酶的酶会发挥作用，将端粒延长，为新生的婴儿准备端粒更长的DNA。然而在体细胞中，端粒酶并不工作。如果能人为将端粒延长，或许就能实现长生不老的梦想。

自体吞噬

2016年，日本科学家大隅良典因对细胞自体吞噬的研究获得诺贝尔生理学或医学奖。
过去，没有人重视自体吞噬现象，但这其实与生存和老化非常相关。

细胞内的“垃圾”处理

细胞中有许多细胞器（见此处）和蛋白质井井有条地工作着。然而，随着工作的进行，它们可能会受伤，最终成为妨碍细胞工作的“垃圾”，甚至会对细胞产生不良影响。此时，细胞中负责清扫、处理受伤细胞器和废物蛋白质的“垃圾处理系统”就要开始工作了。

自体吞噬的过程

①用膜包覆受伤的细胞器和蛋白质。
②送入含有分解酶的溶酶体，溶酶体把受伤的细胞器和蛋白质分解。
③细胞将回收分解后的碎片（氨基酸等），制造新的细胞器，合成新的蛋白质。

这个过程就是自体吞噬。“自体吞噬”（autophagy）中的“auto-”意为“自己”，“-phagy”意为“吞噬”，合起来就是“细胞吞噬自己的一部分”的意思。

1988年，日本学者大隅良典首次在显微镜下观察到了正处于自噬过程中的细胞，并于1993年发现了参与自体吞噬的14个必要基因。

自体吞噬的意义

在细胞“忍饥挨饿”的时候，自体吞噬是有重要作用的生理过程。当养分不足时，细胞合成新细胞器与蛋白质的原料也不足，因此会启动自体吞噬机制，开始回收原料，以制造延续生命必需的细胞器与蛋白质。

同时，清除细胞内异物的免疫过程也与自体吞噬有关系。将异物以膜包覆，最终分解的过程也是自体吞噬。

机体老化的过程也与自体吞噬有关。

自体吞噬与阿尔茨海默病

神经细胞渐渐老化，其自体吞噬功能就会降低，令β-淀粉样蛋白在细胞内大量堆积，形成斑块，这被认为是阿尔茨海默病的重要病因。

β-淀粉样蛋白堆积形成的斑块不是老年人皮肤上长出的斑，而是阿尔茨海默患者大脑表面长出的黑色斑点。

俗话说“饭吃八分饱”，让细胞在一定程度上保持“饥饿”状态，就能激活自体吞噬，从而抑制老化的过程。通过对自体吞噬的研究，人类说不定真的能抑制衰老。

生物量

近年来，生物量能源是环保与能源领域的“明星”，
但“生物量”一词原本还有别的意思。
虽然生物量能源的优势不断被放大，但它其实也有许多缺点。

“生物量”的原意

表示“生物量”的“biomass”一词中，“bio-”表示“生物”，“mass”表示“质量”，这个词的字面意思是指某片地区内所有生物的总重量。

例如，被称为“生物宝库”的热带雨林，每平方米平均有45千克的生物栖息；而沙漠中几乎没有生物栖息，每平方米的生物量不到100克。

生态系统

在生态系统中，每种生物都以其他生物为食，因此形成了一条捕食链（食物链）。
同时，生物死后都会由于微生物的作用被分解，再次成为植物的营养来源。
动物吸收氧气，放出二氧化碳；植物吸收二氧化碳，放出氧气。

如此一来，各种生物制造的物质在生态系统中进行循环，这种循环保护了生态系统的稳定。如果这种循环正常进行，生态系统就是安稳的。然而，如果人类大量采伐森林、过多排放二氧化碳，打破这种循环，生态系统就会面临崩溃。

生物量能源的优势与缺点

石油、煤等化石燃料是越用越少的，最终将会枯竭。而以生物为原料转化成的物质，燃烧后还会返回自然环境中。近年来，人们也开始将这类可用于燃烧的生物资源称为生物量，并进行了大量研究。已达商用条件的生物量能源包括从家畜粪尿中发酵出的沼气，以及利用玉米生产的乙醇燃料等。

碳中和

燃烧生物量能源也会产生二氧化碳，但这部分二氧化碳可通过植物的光合作用在生态系统中进行循环，所以理论上并不会增加地球上的二氧化碳总量。这个概念就是碳中和，即“既不增加二氧化碳，也不减少二氧化碳，而是达到平衡状态”。

然而，美国、巴西等国由于在短时间内大量栽培生物量能源的原料植物，导致食品和经济作物减产，造成了粮食不足和粮食价格提高的后果。如今，各国都在根据自己的情况加紧制定生物量能源的相关政策。不论制定什么样的环境政策，最重要的都是正视优缺点，合理利用能源。

专栏4

这个和那个，有什么关系呢？
因果关系和相关关系

常常有媒体和评论家用一些不符合常识却又仿佛有科学证据的话迷惑大众，比如“增加派出所的数量，罪犯也会增加”“吃好早饭，成绩就会提升”或者“O型血的人更容易遭遇交通事故”。你也经常听到这样的论断吧？媒体在做出这样的论断时，一般还会配上详细的数据和图表，仿佛已经被科学证实过一样。但你千万别被骗了，这其实是想让你将“因果关系”与“相关关系”混为一谈。

顾名思义，“因果关系”就是“原因”与“结果”的关系，比如“好好学习，就能考入好大学”。因为“好好学习”，所以得到了“考入好大学”的结果。这种因果关系可以合理地解释。因为好好学习，所以学习成绩有了提升，因此就能考入好大学了，这是可以被广泛接受的理由。

“相关关系”则不同，从数据上看，一方发生的变化会导致另一方产生相应的变化，这与逻辑是否成立无关。刚刚举的“好好学习”与“考入好大学”的例子中，因果关系成立，但是相关关系也成立。如果学习更加刻苦，考入好大学的可能性也会提高，因此可以说，因果关系成立时，相关关系也一定成立。

然而，在相关关系成立时，因果关系却并不一定成立。也就是说，在数据上呈现关联的两件事，实际上并不一定互为因果。请你千万不要混淆这一点。

以本文开头提出的“增加派出所的数量，罪犯也会增加”这个论断为例。从数据上看，派出所多的地方，罪案的数量肯定多，这种相关关系确实成立，但并不能因此推断出是“增加派出所的数量”才导致“罪犯增加”的结果。这个因果关系并不能得到妥善的解释，一定是因为这个地区本来罪案就很多，才导致派出所的增加，这里的原因和结果搞反了。

【例1】

再看看第二句话：“吃好早饭，成绩就会提升。”从数据上看，好好吃早饭的孩子确实成绩都不错，相关关系成立。但通过“吃好早饭”这个原因，也不一定能推断出“成绩提升”这个结果。应该由“父母的教育得当”这个原因，推导出“孩子每天好好吃早饭”和“孩子成绩提升”两个结果。也就是说，是因为有了一个共同的原因，两个事件才产生了相关关系。这时，这两个事件之间的关系被称为假性相关。

【例2】

第三句话“O型血的人更容易遭遇交通事故”则是纯粹的巧合。人的性格、能力与血型完全无关，这一点已经被科学证明。世界上有海量的数据，很容易就能找到无数仅由于巧合而呈现相关关系的数据。这个论断就是其中之一。当然，相关关系不成立，因果关系就更不成立了。

【例3】

这里提出的这三个例子很极端，真正相信的人应该也没多少。但在社会上，我们常常能看到一些说法非常巧妙的谣言在不断传播。为了聚敛钱财，或是把自己的思想强加于人，将没有因果关系的数据伪装成因果关系的大有人在。尤其要注意与健康、社会问题、教育、食品安全、辐射安全等关注度高的话题相关的谣言，请你一定要记住：“在相关关系成立时，因果关系并不一定成立。”请不要一味地相信调查的数据，要用自己的头脑冷静地判断不同的事件是否构成因果关系。

地理学
Geography

我们可能会遇到地震、火山喷发、台风等自然灾害。为了在这些自然灾害中保护自己，掌握一定的地理知识是必要的。地理学就是研究地质和大气科学的学问。

地理学在各个学科中总有一种不那么重要的感觉，不过，我们都应该多关注一下地理学，目前初高中学校也已经把地理学设为必修课。

低气压和高气压

明白了这两个词背后的原理，你就基本了解了天气的形成原因。
下次听天气预报员的解说时，也就不会一头雾水了。

气压和风

所谓气压高，就是指某个地点空气多。相反，气压低就是指某个地点的空气少。因此，空气会从气压高的地方流向气压低的地方，也就形成了风。

气压以百帕斯卡（hPa）为单位，简称百帕。在平地上，气压平均为1000百帕。在气象图上常常画有等压线，表示这条线上的各个地点气压相等。每条等压线的气压值都不同，但同一条等压线上的气压值相等。

若等压线之间的间隔很小，就表示该地区不同地点之间的空气多少差异很大，因此风力就强，若等压线之间的间隔很大，则风力就弱。

等压线和风

如图所示，中间的等压线北侧的气压比1020百帕低，南侧比1020百帕高。在这幅图中，南侧的空气较多，风由南向北吹。但由于地球还在自转，风的方向会稍向右倾斜（以北半球为基准）。

低气压与高气压的影响

低气压来临时天气恶劣，高气压来临时天气晴朗。想明白其中原理，你只需了解以下两点：

①海拔越高气温越低，因此高山的山顶上很冷。

②空气中含有水蒸气，当空气遇冷时，水蒸气会液化成微小的水滴，形成云。相反，当空气变暖时，水滴就会汽化成水蒸气，云就消失了。

低气压和高气压

某地区比周围地区气压低，周围地区的空气就会流入该地区。流入该地区的空气由于无处可去，只能向上空流动，形成上升气流，而上空温度低，空气遇冷就会形成小水滴。这样就产生了云，天气也就变差了。

某地区比周围地区气压高，空气就会流出该地区，流向周围地区。同时，其上空就会降下等量的空气，以填补流走的空气，形成下降气流。在此过程中，上空空气逐渐变暖，云消失，天气也就放晴了。

高气压和低气压是相对的概念，在数值上并没有一个确定标准，比周围气压高就是高气压，比周围气压低就是低气压。

在北半球，风向都是相对于等压线向右倾斜的，所以风从高气压区域沿顺时针方向吹出，沿逆时针方向吹入低气压区域。记住这一点，看天气预报中的气象图时，你就能一下子看出自家附近的风向了。想要记住哪种气压沿哪个方向，只要记住“高气压时钟”就好了。

锋

锋也会导致天气变差，原因和低气压差不多。
但锋的威力有时比低气压更强。

空气的交界

在几十千米到几百千米范围的气象研究规模中，不同温度的空气其实不怎么互相混合。即便暖气团和冷气团相互接触，在一定的时间内，冷气团依然会保持寒冷，暖气团依然会保持温暖，它们的交界就叫锋。

暖锋

暖气团在前进时遭遇冷气团，更轻的暖气团就会上浮，上浮的暖气团在上空变冷，形成云，这就是暖锋。暖锋会在很大的范围内造成阴天。

暖锋过境时，暖气团将锋面向冷气团一侧推动，因此暖气团会向冷气团的方向移动。在气象图上，暖锋的前进方向用半圆来表示。

如果冷气团与暖气团的推动力几乎相同，锋的位置不动，此时的锋称为准静止锋。梅雨锋就是在梅雨季节形成的一种准静止锋。

冷锋

与暖锋相反，冷气团在前进时遭遇暖气团，更重的冷气团就会占据下方的空间，暖气团被迫爬升，在高处遇冷形成云，这就是冷锋。冷锋常会在小范围内形成强降雨，有引起洪水等自然灾害的危险。

冷锋过境时，冷气团将锋面向暖气团一侧推动，因此冷气团会向暖气团的方向移动。在气象图上，冷锋的前进方向用三角来表示。

还有一种锋—锢囚锋。暖锋被冷锋追上时形成的锋就是锢囚锋。

天气变化

日本的天气

在日本周边，尤其是春、秋两季，常常会有从热带来的暖气团与从北极来的冷气团相遇形成锋。锋形成后，在锋面上容易产生低气压，形成温带气旋。温带气旋接踵而来，使天气每隔几天就发生改变。

台风

台风原本形成于热带或副热带洋面，一旦登陆，就可能引起许多灾害。
台风着实是个令人头疼的东西。

形成和发展的机制

简而言之，台风就是在热带或副热带洋面形成的强劲热带气旋。

台风的形成

在赤道附近，从北方和从南方吹来的风相遇，就会形成气旋并上升。热带地区的海水温度较高，海平面附近的空气含有大量水蒸气。空气裹挟着水蒸气上升，就会形成大量积雨云。积雨云形成时放出大量凝结热（见此处），使该地区气温升高，进一步使上升气流变强，如此循环，台风就形成了。

中心最大风速达到12级（32.7米每秒）以上的热带气旋便可称为台风。热带气旋和台风在威力上有区别，但成因是一样的。发生在北美洲的热带气旋被称为飓风，发生在印度洋和南半球的热带气旋被称为旋风，其实这些都是同一种东西的不同叫法而已。

台风的发展

在台风当中，积雨云总是不断消失和新生。由上升气流产生的积雨云能够形成大量降雨，但积雨云周围空气的温度也会随着降雨而降低，气流遇冷下降，积雨云就逐渐消失了。然而，下降的强气流会迫使附近的空气上升，制造新的积雨云。这个过程不断循环，台风就逐渐发展起来。

强台风拥有台风眼。台风眼是由于上升气流过强，形成涡旋而产生的。你可以想象一下把浴缸的塞子拔起来之后洗澡水产生的漩涡，把这个漩涡上下颠倒就近似于台风。台风的中心（台风眼）反而没有风，也不产生云。

台风向日本接近

接近

日本在夏天受东南方海洋上的太平洋高压控制。由于高气压的风按顺时针方向吹（见此处），日本吹南风。受此风向影响，台风从热带逐渐接近日本。

在水温较高的海面上时，台风会吸收从海中蒸发的水蒸气，逐渐发展壮大。然而一旦登上陆地或进入温度低的海域，台风就会失去水蒸气供给，内部的积雨云逐渐消失，整体逐渐衰弱，最终变为热带气旋。如果此时热带气旋继续北上，进一步注入北方的冷空气，锋面继续向东西两向延伸，就会逐渐变为温带气旋。有些台风在变为温带气旋时威力不减，生成的温带气旋依然具有很强的推动力，此时虽然台风已经消亡，但依然不能掉以轻心。

台风的右侧和左侧

台风是低气压形成的气旋之一，其内部的风沿逆时针方向吹动（见此处）。在台风的右侧，台风自己的风和推动台风的南风风向相合，整体风力变强。因此，日本的大多数台风都是右侧的风力更强。下次电视上再发布台风信息的时候，你可以注意观察，表示台风的旋涡应该都是右边比较大。

极光

电视上总会介绍美丽的极光，人们都想一睹极光的风采。
极光在比云更高的地方产生，这种现象其实和太阳有很大的关系。

产生的原理

电子和质子等带电粒子以每秒数百千米的速度从太阳放射出来，这就是太阳风（虽然名字叫风，但太阳风并不是空气的流动）。

射向地球的太阳风

地球带有磁性，在周围的宇宙空间中能产生磁场（见此处）。从太阳放射出来的太阳风受到地球磁力的吸引，会在地球后侧的磁场中沉降（形成等离子体片）。最终，太阳风中的带电粒子会沿着磁感线逐渐流向地球的北极和南极。

极光的本质

太阳风中的带电粒子，在100千米以上的高空中与空气中的氧原子和氮分子碰撞，将能量传递给空气中的分子，使其发光。这个光就是极光。

在150千米以上的高空中，氧原子发红光。在更低一些的高度，100～150千米之间，氧原子会发出能量更高的绿光。因此，人们可以看到两种颜色的极光：在更高的高度上看到红光，稍低的高度上看到绿光。而在数百千米的更高高空，人们也可能会看到氮分子发出的紫色极光。

极光在哪里出现

极光出现的场所

地理北极和地磁北极相距近1000千米。以地磁北极为圆心，以2000千米为半径的圆形区域，是地球磁感线射入的区域。沿着磁感线流向地球的太阳风粒子主要落入这个区域，这个区域就是极光的主要发生地点（称为极光椭圆区）。

阿拉斯加、加拿大北部、瑞典北部等地经常可以见到极光，这些地区都接近极光椭圆区。

太阳表面常常会出现一种叫作“耀斑”的剧烈爆发现象。太阳耀斑发生或太阳风剧烈爆发时，射向地球的带电粒子辐射均会增强，因此极光会更常出现。此时，北海道等远离极光椭圆区的地区也能看到极光。红色的极光在地平线上闪现，人们常误以为是山林发生了火灾。

地壳、地幔、板块

虽然我们就生活在地球上，但由于地球体积大、硬度高，
所以很难直接探明其内部结构。
但人们使用了很多间接的方法，现已基本将地球内部的结构查明了。

地球的结构

地球一共有3层结构，正好可以比作鸡蛋。

窥探地球中心

地球的半径约为6400千米。地球的最外层是相当于鸡蛋壳的一层坚硬的岩石，这就是地壳，大陆地壳厚度平均为数十千米。地壳之下大约3000千米的范围，是相当于蛋白的柔软岩石，称为地幔。地幔以下是相当于蛋黄的地核，由铁、镍等金属构成。

地幔的“幔”是幕布的意思，由于包围着地核而得名。地核的“核”是核心的意思，和原子核、核聚变等没有关系。

地核进一步细分，还可以分为熔融的液态外核以及固态的内核。在外核中，熔融状态的铁、镍不断循环运动，内部有电流流动，因此产生了地磁场。

地幔虽然由固态的岩石构成，但由于其质地较软，在几百万年甚至几千万年的时间里始终在缓缓流动。地幔的外层接近宇宙空间，因此温度较低（虽说“较低”，但也有1000℃以上）；内层靠近地核，温度较高（5000℃左右）。这种温差使地幔中存在热对流。就像你在煮一锅汤时，在锅的下方加热，锅内就会产生从锅底至液面，再从液面至锅底循环的热对流一样。

地壳可分为不同板块

板块

地壳由坚硬的岩石构成，整体被分成若干块，每一块称为一个板块。地幔始终在流动，地壳板块也借此力量不断运动，这种现象被称为板块运动。

板块互相远离的地方，地幔中的物质会涌上地面，逐渐凝固，形成新的地壳板块。而在板块互相接近的地方，两边的板块会有一边落入地幔，逐渐熔化。日本列岛就处在这样的区域内。

如何探明地球的结构

在实际操作中，我们不可能把地球切开。那么，我们该如何探查地球的内部结构呢？科学家其实使用了一种类似鱼群勘察的技术。

利用地震波进行勘察

鱼群勘察是向海中发射声波，通过鱼群反射的声波探知鱼群位置的技术。同理，地震产生的地震波在地壳与地幔的交界线等结构发生改变的地方，反射的方向也会产生变化。因此，在特定的地点引爆炸药，人工引发小型地震，然后再在多个地点对产生的地震波进行探测并分析数据，就可以推测地球的内部结构了。

日本列岛位于不同板块的交界处，这样的地方经常会发生什么现象呢？（请看下一节）

火山和地震

位于不同板块交界处的地区，经常发生自然灾害。
了解这些自然灾害产生的原因，我们或许就能进行一些防范。

日本的地下

日本周边的板块

日本列岛位于亚欧板块和美洲板块的边缘，东侧是太平洋板块，南侧是菲律宾海板块。这些板块相互碰撞，太平洋板块和菲律宾海板块（海洋板块）在海水中被冷却，重量较大，因此会沉入另外两块板块（陆地板块）之下。

板块沉入海底的地方，海底会变深，因此被称为海沟或海槽。

海沟和海槽的区别在于深度。比6000米更深的叫作海沟，不到6000米的叫作海槽。

岩浆的形成

在一块板块俯冲到另一块板块之下时，海水会深入俯冲板块的岩石，使岩石的性质发生改变。当俯冲深度达到100～200千米的时候，温度上升到1000℃以上，此时岩石会逐渐熔化成黏稠的液体，这就是岩浆。

岩浆会渗入岩石的缝隙并逐渐上升，在地壳之中数千米深度的位置积聚，岩浆积聚的位置被称为岩浆房。岩浆房中的岩浆如果出于某种原因上升到地面之上，从地表喷出，就会形成火山。

由于岩石熔化形成岩浆的深度基本固定，所以火山一般与海沟间隔一定距离成排形成。排成一列的火山被称为火山弧。

地震的产生

海沟型地震

海洋板块向陆地板块之下俯冲时，由于相接部分有摩擦，陆地板块的边缘也会一起被拖曳并产生弯曲。当弯曲到一定程度时就会剧烈反弹，使板块恢复原状。这样引起的剧烈地震被称为海沟型地震。

引发“东日本大地震”（“3·11”日本地震）的日本东北地区太平洋近海地震就是海沟型地震的实例，而发生在日本兵库县南部的阪神大地震则是一场由于板块内部活动形成的地震，两者在成因上有区别。

内陆型地震

海洋板块俯冲时会对陆地板块产生冲击，在陆地板块的各处造成小的裂痕，这些裂痕被称为断层。这些断层运动产生的地震被称为内陆型地震，也叫直下型地震。

一般来说，内陆型地震规模较小，但经常发生在人群居住的场所，因此造成的损失很大。另外，由于无法确知板块何处产生了新的断层，因此内陆型地震难以预测。为了随时应对地震的发生，我们必须时刻做好准备。

地震烈度和地震震级

地震发生后，我们很快就能在新闻中看到相关报道。
在报道地震的新闻中，我们常常能听到烈度和震级两个数值，
它们的意义大不相同。

什么是地震烈度

某一地点地面摇晃的剧烈程度称为烈度。地震烈度越大，地面上的建筑物等物体受的力越大，摇晃的程度就越大。此时，建筑物倒塌、损坏等也就越严重。

20世纪90年代以前，地震烈度都是靠观测站的工作人员的身体感知来测量的。地震发生时，值班的工作人员会端坐在观测站中，用身体来判断摇晃的剧烈程度。这种办法非常不准确。20世纪90年代后，人们就开始使用地震仪来测量烈度了。

地震仪的原理

地震仪利用了钟摆的原理。将长长的钟摆固定在架台上，当架台左右晃动时，钟摆依然可以保持不动。如果在钟摆上固定一支笔，在笔下放一张纸，地震到来时纸会摇晃，而钟摆和笔保持不动，就可以在纸上记录下地震的摇晃情况了。

用算式分析摇晃时记录下的图像，就可以算出烈度并发布新闻了。

地震仪并不会把地面上的所有摇动都记录下来。如果地面缓慢摇动，架台会带着钟摆和笔一起摇动，地震仪上不会留下任何记录。最近，科学家发现存在这种缓慢摇动的地震，并将其称为慢滑现象或“慢地震”。据称，如果可以观测慢滑现象，或许就能对剧烈地震做出预测。

日本的地震烈度从0到7，共分10个等级，而美国、韩国和中国的地震烈度都是从I到Ⅻ，一共12个等级。这种标准本该世界通用，但如果现在进行更改，可能会引起混乱，所以只好如此沿用下去了。

什么是地震震级

与烈度不同，地震震级表示地震本身的大小。地震越大，放出的能量也就越多，用算式计算地震放出的能量，得出的数值就是震级。发生一场地震，不同的地点会有不同的烈度，但震级只会有一个。

“震级”的英语“magnitude”有“巨大”的意思。世界范围内，震级也称里氏震级，“里氏”代表提出地震分级方案的美国地震学家里克特。

里氏震级的计算

地震发生时，收集各地的地震仪的数据，就可以判断震源位置同时计算震级了。

里氏震级上升0.2，地震放出的能量就是原来的2倍。虽然数字只有微小的改变，放出的能量却有巨大的不同。震级上升1，地震放出的能量就差不多是原来的30倍；震级上升2，能量就是原来的1000倍。

截至目前人类观测到的最强地震，是1960年发生在智利的地震，震级为里氏9.5级。假如把地球从中心一分为二，根据计算，将引起里氏12级的地震。

P波和S波

回顾地震发生时的遭遇，你会发现特定的摇动方式也是地震的一大特征。
认真研究这个特征，我们就可以减少地震带来的危害。

两种摇动方式

地震发生时，一般都会先产生微弱的摇动，紧接着出现剧烈的摇晃。地震的摇晃通常由两种方式组合而来。

P波

地震发生时，震源地地下的板块会同时向所有方向一起摇晃。
板块在贴近或远离你的方向上（纵向）振动，传播速度约为6km/s。这种波叫“P波”，是你最初感到的摇动。

S波

板块横向振动的传播速度为4km/s，这种波叫S波，你对S波的感受会比P波稍晚一些。

P波的“P”是英文“primary”的缩写，意为“首先”的意思。S波的“S”是英文“secondary”的缩写，意为“其次”。

如果震源位置较近，P波和S波到达地表的时间差小，则会在最初的微弱摇动之后迅速出现剧烈摇晃。如果震源位置较远，时间差大，P波就会在传播的过程中大幅减弱，在最初的微弱摇动过去一会儿之后，才出现剧烈的摇晃。如果你几乎感受不到P波带来的摇晃，却直接感受到了S波，就可以推断为较远的地方发生了大地震。

P波和S波的差别

S波只能在地面等固体中传播，但P波还可以在空气中和水中传播。普通的声波和P波类似，在空气和水中也可以纵向振动传播。因此，在P波传至地面时，你常常也能同时听到“轰隆”的响声。P波在海中也能传播，所以如果发生大地震，在海上行驶的船也可以感受到摇晃。

紧急地震速报

发生普通地震时，P波造成的摇动并不会很强，随后而至的S波带来的摇晃往往更容易造成损失。因此，在捕捉到先来的P波的同时发出警报的话，就能在危险的S波到来之前做好准备。这就是“紧急地震速报”的工作原理。

日本共有1000多座地震台站，全部通过网络与日本气象厅相连。如果哪个台站检测到了P波，就会通过气象厅的计算机系统迅速估算出震源位置和震级，并推测出S波可能剧烈摇晃的地区，然后通过电视台和手机短信迅速通知国民。

然而，紧急地震速报并不能预告地震的到来，只能在检测到P波后发出警报，给人们的准备时间其实很短。如果震源位置较近，P波和S波到来的时间差很小，人们就几乎没什么时间进行准备。有很多人是在感到摇晃后才收到电视发布的地震速报的。

地震液化作用

2011年的东日本大地震发生时，东京湾沿岸填海造陆的陆地都变成了软塌塌的烂泥，
住宅倾倒、水管破裂，道路也全部裂开了。
那场地震造成的影响至今依然还在。

地面变成烂泥

容易发生地震液化作用的土地，基本上都是沙土地，并有地下水积于地表附近。

地震液化作用的原理

容易发生地震液化作用的不只沿海地区，通过填充河川、池塘、水田等制造的陆地，由于沙粒成分多、地下水位高，也容易产生地震液化作用。在1964年的日本新潟地震中，信浓川沿岸的建筑物就由于地震液化作用倒塌了，那次灾难让人们认识到了地震液化作用的存在。2004年，日本新潟县中越地区发生地震，由河道的沙土堆积而成的扇形陆地也发生了地震液化作用。

一旦发生地震液化现象，不但建筑物会倒塌，地面本身以及各种公共基础设施都会受损，需要极长的时间才能复原。在东日本大地震中受损的东京湾沿岸地区，花费了数年的时间才逐渐修复了各种公共基础设施。

应对之策

为了防止地震液化现象造成损失，人们想出了许多改良地表或强化建筑物的方法。

各种各样的应对方法

●改良地表

缺点

在建设建筑物前，先压缩地面进行加固

难以改良已有建筑物下方地面

在地表之下加入混凝土等材料，加固地表

成本高昂

在地下通入排水管，抽干地下水

造成地面塌陷

●强化建筑物

缺点

将地桩打得更深，使其到达更坚固的岩层

只能在新建建筑物时实行

减轻建筑物重量，改善其平衡

难以彻底解决问题

虽然人们不断在探索应对之策，但目前还没有找到很好的办法。如今，在填海造陆形成的陆地上有许多居民，所以我们必须尽快找到行之有效的应对方法。

热液喷口

我们常常以为深海是一片黑暗、寒冷刺骨的地方，与生命绝缘。
但那里的生命其实非常繁盛。
而且，大海深处据说存在着解开生命诞生谜题的关键，
更有探索地外生命存在的可能。

海底的烟囱

1977年，在太平洋东部的洋中脊区域约2600米深的海底，美国伍兹霍尔海洋研究所的“阿尔文”号深潜器有了不可思议的发现。那里排列着数个像烟囱一样的东西，其顶端还不断向外喷出高温的海水和黑色的烟气。在那之后，人们又在日本近海及全世界各大海域发现了许多这样的“烟囱”。后来，人们为其起名为热液喷口。

热液喷口

①热液喷口的地下有岩浆房（见此处）存在。
②渗入海底岩层的海水被岩浆加热，达到近400℃的高温。
③高温的水既不以液体形式存在也不以气体形式存在，而是处于超临界水（见此处）的特殊状态，溶解了岩石的成分。
④超临界水从海底岩层喷出，瞬间被冷却，溶解的岩石成分析出，变为固体。
⑤细碎的岩石颗粒不断被喷出，呈现为“黑烟”，同时慢慢在热液喷口周围形成石柱（被称为“烟囱”）。喷出的热液中含有硫氧化物。

深海海底的水压可达数百个标准大气压，因此水在几百摄氏度的高温下也不会沸腾（见此处）。

不依赖太阳的生物

在地面和浅海中生存的生物，要么像植物一样可以进行光合作用（见此处），要么就依靠植物光合作用形成的养分生存。也就是说，所有这些生物都是依靠阳光生存的。然而在海底的热液喷口附近，不依赖太阳的生态系统也非常繁荣。

海底的生态系统

热液喷口附近，栖息着一类名叫化能合成细菌的特殊细菌。这类细菌能将热液中的硫氧化物作为能量来源，利用海水中的二氧化碳合成有机物。其原理和光合作用类似，只是把阳光换成了硫氧化物。

化能合成细菌合成的有机物使许多贝类、虾、蟹和鱼类得以生存。同时，沙蚕的近亲管虫，还有属于贝类的白瓜贝等生物，还在体内“饲养”着多种化能合成细菌。由这些生物组成的生态系统，称为海底热液生物群落。

这些生物是真正依靠地球自身的能量生存的生物。有人认为，远古时期地球的生命并不是从环境恶劣的地表上诞生的，而是从深海的热液喷口附近诞生的。

地外生命也是从热液喷口附近诞生的吗？

人们推测，木卫二、土卫二的地层之下有广阔的海洋，其海底很可能有和地球海底类似的热液喷口。说不定，在这些星球的海洋深处，也有生命在繁荣地发展着。美国国家航空航天局（NASA）目前就正在积极开发可以前往木卫二探索生命的探测器。

厄尔尼诺和拉尼娜

这两个词常常在天气预报中出现，但听起来又有些古怪。
这两个词在西班牙语中的意思很普通，
但在今天却成了能给世界带来恶劣影响的天气现象的代名词。

太平洋的异常现象

位于赤道附近的太平洋海域，会吹一种名叫信风的东风。被赤道附近的强日光晒暖的海水，会在信风的作用下向西方（印度尼西亚周边）流动。因此，在东方（秘鲁沿岸），较冷的海水就会从深海涌上来，使整片海域的温度降低。

平常时

然而，信风的强度有时会变弱，海水的流动也就变弱了（具体原因未知）。此时，涌上海面的冷水减少，秘鲁沿岸的海水温度也就会比平时高。这种现象会持续一年左右的时间，称为厄尔尼诺现象。

厄尔尼诺现象

“厄尔尼诺”（El Niño）原本是西班牙语中“小男孩”的意思，引申义为“圣婴”。由于厄尔尼诺现象常在圣诞节期间发生，所以秘鲁的渔民就以此来称呼这种现象。

厄尔尼诺现象发生时，秘鲁附近海域的气温升高，降水量增加；印尼附近海域则相反，气温降低，降水量减少。另外，厄尔尼诺现象对全世界的天气都有影响。夏季，控制日本的太平洋高压势力减弱，常常引发“冷夏”和长时间降雨；冬天，“西高东低”型的气压减弱，容易形成“暖冬”。同时，人们也认为厄尔尼诺现象能引起异常天气的增加。

厄尔尼诺现象的反现象

与厄尔尼诺现象相反，由于信风增强，赤道附近海域海水的流动变剧烈，导致秘鲁附近海域的温度比平时低的现象，称为拉尼娜现象。

拉尼娜现象

“拉尼娜”（La Niña）原本是西班牙语中“小女孩”的意思，标志着它是厄尔尼诺现象的反现象。

拉尼娜现象常常在厄尔尼诺现象发生后的次年发生。

拉尼娜现象发生时，秘鲁附近海域和印尼附近海域的天气变化和厄尔尼诺现象相反。在梅雨季节和夏季，日本虽有降水量增加的趋势，但具体的影响也时有不同。不过，异常天气的增加是毋庸置疑的。

长期预报

厄尔尼诺现象和拉尼娜现象会在很长时间内影响天气，因此日本气象厅会定期测量太平洋东部的海水温度，提前6个月预测将会发生哪种现象，并将预测结果在其网站上发布。但即便如此，人们也不能准确地断言未来的情况，只能预告将来发生厄尔尼诺现象（或拉尼娜现象）的概率是多少。

页岩油、页岩气、可燃冰

作为石油、天然气等传统能源的替代品，
这三类新能源很受人们瞩目。
但它们也有各自的缺陷。

岩层中的石油和天然气

普通的石油和天然气储藏在地层与地层之间。人们在地面上打井，通到一定深度，就可以用油泵把石油、天然气抽取上来了。

然而，在地下2000～3000米深处的页岩中，也储藏有石油和天然气，这部分能源，我们称为页岩油、页岩气。过去，开采这部分能源技术难度较大，但进入21世纪后，水力压裂法逐渐普及，页岩油、页岩气的开采也变得比较容易了。

开采方法

在页岩层中水平打井，送入混有沙石的高压水流。

高压水流可在页岩上造成小裂口，让其中的石油和天然气渗出。此时就可以进行抽取了。

页岩油和页岩气主要集中分布在北美洲。21世纪初，国际原油价格走高，美国各地都掀起了页岩油和页岩气的“开采热”，美国成为全世界第一大产油国。“页岩革命”兴起了。

然而，水力压裂法会污染地下水，影响附近居民的健康。同时也有专家指出，水力压裂法会使地层破碎，提高地震发生的风险。

可燃冰

在深度500米以上的深海海底，天然气的主要成分甲烷会与水结合，形成稳定的固体物质，称为天然气水合物。1克天然气水合物中就含有180毫升甲烷气体，因其在靠近火时可以燃烧，故又被称为可燃冰。

在开采可燃冰时，需向地下通入管道，通过泵向下施加压力，让甲烷和冰分离，将甲烷抽取上来，但开采的管道立刻就会被泥沙堵塞。诸如此类的技术问题还有许多，因此目前还无法实现实际利用。

日本的资源丰富？

20世纪90年代，人们在日本近海海域发起了大规模调查，发现西日本太平洋沿岸和西南诸岛海域拥有大量的可燃冰。以日本目前的天然气消费量计算，探明的可燃冰储量可让日本利用100年。

甲烷引发温室效应的能力很强，如果大量甲烷从可燃冰中分离出来，很可能会使地球的气温一下子升高。

专栏5

迂回与转折的循环
摸索前进的科学之路

“科学”的原意

英语里表示“科学”的词“science”原本从拉丁语表达“知识”的词“scientia”而来。14世纪，这个词被引入英语，原意是“不以个人的意志为转移，基于事实的公理”。今天的“科学”似乎是指研究自然界的学问，但过去其意思的范畴却更为广泛。在16—17世纪的科学革命中，这个词被赋予了现代的意义，变成了“将自然界的现象总结成法则，并以实验进行验证的知识体系”的意思。

在日本明治初年（1868年），英语中的“science”被翻译成“科学”。汉字“科”有“种类、分类”的意思，比如医院里的“儿科”、生物学中的“人科”都是这种用法。所以说，“科学”最初的意思其实是“各种各样的学问”。

最初，“science”其实被翻译为“理学”。通过“自明之理”等词可以看出，“理”字有“事物的道理”的意思，所以“理学”就是“研究事物道理”的学问，更加贴合“science”现代意义的翻译。可惜“科学”一词已经占据了先机，更早地普及开来了。不过在高校中，至今依然沿用着“理学院”的说法。

科学是一门学问

在“科学”这个词还没有出现的公元前时代，人们就已经开始探索自然界的真理了。然而，当时的思维方式和现代的科学思想完全不同。当时的一种哲学思想相信“双眼所见的现象即为宇宙的真理”。比如，亚里士多德认为天界是秩序井然的完美世界，并以这种思想为基础解释天体的运动。当时，谁也没想过要实际观测，用实验来验证这个观点。伟大的哲学家说出来的话都是正确的，所有人都全盘接受。

然而，随着时代的变化，在这种“偏信权威”的学术体系中逐渐浮现出了越来越多不符合事实的现象。16—17世纪，终于有人发现这种做法不可取了，于是人们的思想产生了变化，不再囫囵吞枣地相信权威的观点，开始对自然界的现象进行观察，基于数学和公理对事物原理进行探索，并用实验的方式来验证。这就是科学革命。例如，牛顿对物体下落和行星运动的现象进行观察，而后通过数学推出了力学的法则。后来，牛顿的学说又经过了多人的观察、实验验证。现代科研的方法就是这样确立起来的。

教授学问的大学在12世纪就已经出现了。当时的大学类似于培养神职人员、官僚和医师的“职业培训学校”，并没有现在我们所谓“科学”类课程。进入18世纪以后，随着工业革命的发展，人们开始重视技术，各大学开始系统地教授自然科学和工程学。大学成为科学研究的中心，科学家这一职业也得到了社会的认可。为了发表研究成果，得到世人的评价，科学家们建立了学术会议、学术期刊等制度，这些制度至今依然是科研的基础。

人类探索自然界的历史已超过两千年，而我们熟悉的现代科学思想其实才诞生不过几百年。但是，也正是由于现代科技的发展，我们日常赖以生存的技术和丰富的文化才得以实现。

宇宙学
Cosmology

英语中“universe”和“cosmos”都可以翻译成“宇宙”。“universe”原本是“万物的总和”之意，可以说是“包罗万象”；而“cosmos”则是“chaos”（混乱）的反义词，即“世界的秩序”之意。

这两个单词指的是同一种东西，但在科学上一般用“universe”一词。不过，“cosmos”更有几分浪漫主义的意味，也让人难以割舍。

光年、天文单位、秒差距

宇宙非常广袤，如果以千米为单位衡量距离，
数值就会变得特别大，在使用中造成不便。
因此，表示宇宙中的距离，有特殊的单位。

用光表示距离

光在真空中的传播速度约为30万千米每秒，在1秒内就可以环绕地球7周半。但宇宙空间却极为广阔，光从一处到达另一处也需要花费不少时间。

比如，离太阳系最近的恒星（见此处）比邻星，与地球之间的距离约为40万亿千米。这颗恒星发出的光若要到达地球，则需要40万亿千米÷30万千米≈1.33亿秒，即4.22年。

因此，我们可以用光走过一段距离所花的年数来表示一段距离的长短，比邻星与地球之间的距离就可以表示为“4.22光年”。

1光年约为9.5万亿千米，“光年”一词中虽有“年”字，其实是个距离单位，请不要误用。

光的到达需要时间

假如某一时刻，在地球上看到了比邻星爆炸发出的光，那么它爆炸发出的光已经用了4.22年才到达地球。也就是说，爆炸实际发生的时间应为4.22年前。

光年的数值使我们可以立刻得知，在地球上看到的某颗星球的光线是它多少年前发射出来的。

太阳与地球之间的距离

若想表示更近一些的距离，比如太阳系内的距离，以光年为单位可能会得到小数点后有许多位的小数，这样使用起来并不方便。因此，我们也可以将太阳到地球的距离（1.5亿千米）定为一个测距的基准，这个距离称为1个天文单位。例如，太阳到木星的距离平均为7.8亿千米，使用天文单位来表示，即为7.8亿千米÷1.5亿千米=5.2个天文单位。看到这个数值，你就能立刻得知太阳到木星的距离平均为太阳到地球距离的5.2倍了。

用角度表示距离

在宇宙学中还有一个距离单位叫作秒差距。

什么是秒差距

观测某颗恒星时，首先观测一次，半年后再观测一次。在这半年中，地球由于公转改变位置，于是我们就称两次观测时地球与该恒星连线的夹角（又叫恒星的周年视差）为1角秒［1°（度）=60′（角分）=3600″（角秒）］时，该恒星与地球之间的距离为1秒差距。恒星与地球的距离越近，这个连线夹角就越大；距离越远，这个连线夹角就越小。

“秒差距”中的“秒”不是时间单位而是角度单位，请不要误用。

1秒差距约为3.3光年（31万亿千米）。秒差距的英文“parsec”中，“par”表示“视差”（parallax），“sec”意为“秒”，合起来就是“每1角秒的周年视差对应的距离”。这个单位常出现在专业性较强的文本中，如宇宙学研究的论著。

太阳系、行星、卫星

与辽阔无边的宇宙相比，太阳系只能算是地球附近的一小片地方。
但就算如此，太阳系的面积也超乎人类的想象。

太阳系之广

以“太阳系”为关键词搜索图片，你应该能搜出与下图类似的图片。

然而，这样的图片把各天体之间的距离画得极小，很容易让读者无法感知太阳系真正的广阔。如果按真实的比例尺进行缩放，太阳系的示意图应该如下。

按真实的比例尺缩放

如果想在这幅图中把太阳系最远处的行星——海王星也画进来，就要把纸张延长3.5米，这样你就能感受到太阳系超乎想象的广阔和空旷了吧？通过高科技将探测器送往目的行星，我们就能获取这些信息了。

行星的定义

太阳系中有多个大小不一的天体，最主要的就是8颗行星。国际天文学联合会将满足以下3个条件的天体称为行星。

太阳系内的天体

（1）不围绕其他行星运转，围绕恒星运转（公转）。

（2）形状近似球形。

（3）附近没有体积相近的天体。

针对上述条件，满足（1）（2）却不满足（3）的天体被称为矮行星。目前太阳系内共有冥王星、谷神星等5颗矮行星。谷神星位于火星和木星之间，围绕太阳公转，而冥王星等其余4颗矮行星则在海王星之外，位于太阳系最边缘的区域。冥王星很早就被发现，过去也属于行星，但后来人们才发现它的实际体积并没有那么大。

围绕行星运转的天体

卫星是围绕行星运转、体积相对较大的天体。土星等行星周围光环中的尘埃和小石块，不能被称为卫星。木星的卫星木卫三和土星的卫星土卫六虽为卫星，但体积却比水星这个行星都大。但不管卫星的体积多大，只要不围绕恒星而围绕行星公转，就会被称为卫星。

最近，有部分科学家提出，在距离太阳数百天文单位之外，比冥王星还要遥远的地方，存在着尚未被发现的太阳系“第九颗行星”，据说其体积和天王星、海王星差不多。如果真的发现了这颗行星存在的证据，人们对太阳系的认知也将彻底发生改变。

小行星

组成太阳系的天体，除了行星和卫星之外还有很多。
小行星虽然体积小，却启示了我们太阳系和地球形成的过程。

太阳系中的重要配角

在太阳系的天体中，除了行星、矮行星和卫星以外，其他天体全都属于小行星或彗星。小行星就是由岩石或金属构成，周围不喷出气体的天体。

至今，人们已经发现了数十万颗小行星。新的小行星不断被发现，人们会先按发现日期给它们分配一个临时编号，在轨道确定后，会给小行星制定一个永久编号，再让发现者进行命名。例如，临时编号为1998SF_36的小行星，其永久编号为25143，名称为“糸川”。

小行星有以下两种分类方法。

根据公转位置分类

主带小行星——在火星和木星之间公转

脱罗央群小行星——与木星同轨道

近地小行星——与地球接近

太阳系外缘天体——比海王星更远

根据主要构成成分分类

C型小行星——主要含碳

S型小行星——主要含硅

X型小行星——主要含铁等元素

太阳系中，体积最大的小行星是智神星（直径540千米，约为月球的1/7）；最小的就没有底线了，甚至发现过直径几十米的小行星。

“隼鸟”号的探索之旅

日本曾经发射过一艘“隼鸟”号探测器，它克服艰难险阻，最后终于将小行星“糸川”的样本带回了地球。“糸川”是一个长约500米的S型小行星，小而细长。

“隼鸟”号的推动力来自一种叫作离子引擎的新技术。离子引擎虽然加速较缓，但燃料利用效率高，可以持续提供动力长达数年，很适合无法携带大量燃料的探测器。

离子引擎的原理

用微波照射氙气，即可将气体分子分解成阳离子（见此处）和电子（见此处），这个过程叫电离。将阳离子在电场（见此处）中加速，从喷射口中喷出，即可获得推动力。电离出来的电子不能直接排出，需通过中和器后排出。

2014年，日本又发射了后继探测器“隼鸟”2号。“隼鸟”2号的目的地是近地的C型小行星“龙宫”，也许探测器会在那里发现生命的原料。同时，仔细研究小行星的结构和成分，也可以帮我们找到避免小行星未来撞击地球的方法。“隼鸟”2号的回收舱于2020年12月6日回到地球，它的探测器则继续太空之旅。虽然我们希望它能像它的“前辈”那样为我们带来感动，但更加重要的是期待它不要出现任何问题，一帆风顺地完成这趟“旅行”。

彗星

彗星有时会拖着长长的尾巴，在夜空中展现壮观的身姿，
但它们的本体其实是非常小的。

“扫把星”的真面目

彗星和小行星不同，由尘埃混杂着冰构成（因此也被人叫作“脏雪球”）。彗星的直径在几百米到几千米，本体部分被称为彗核。

彗星的结构

彗星原本是在太阳系周围的奥尔特云中飘浮的天体，出于某种原因开始接近太阳。随着彗星与太阳的距离越来越近，彗星中的冰升华（见此处），气体和尘埃扩散到了周围数百万千米的范围内，并反射阳光，产生光亮，这部分被称为彗发。彗星进一步接近太阳时，气体和尘埃会被太阳风（见此处）吹动，形成几亿千米长的彗尾。

彗星的彗尾其实有两条，一条是气体被太阳风朝反方向猛烈吹动而形成的离子彗尾，另一条是由于尘埃流速缓慢，落后于彗核而形成的尘埃彗尾。

要注意的是，彗尾和火箭喷出的烟气不同，并不朝向彗星前进方向的反方向。

大多数彗星在接近太阳一次以后就会远去，再也不会回到太阳系了，但偶尔也会有彗星在远去途中受到木星的引力吸引而最终绕日公转。这种彗星被称为周期彗星，会定期接近太阳，形成彗发和彗尾。著名的哈雷彗星就是大约每76年接近一次太阳的周期彗星。

周期彗星

到目前为止，人类发现并确定轨道的彗星已有数千颗，数量比小行星少，其中周期彗星就更少了，只有约700颗。

彗星探测

1986年哈雷彗星接近地球时，美国、日本等国纷纷向其发射了探测器，其中，欧洲空间局（ESA）发射的“乔托”号探测器飞到了离彗核仅有约600千米距离处，拍下了照片。

2004年，ESA再次发射彗星探测器“罗塞塔”号，这次的目的地是一颗名为“67P/丘留莫夫－格拉西缅科彗星”的周期彗星。“罗塞塔”号探测器花费10年时间到达了这颗彗星的表面并帮助搭载的“菲莱”登陆器成功着陆，成为有史以来第一个成功着陆彗星的探测器，帮助人类探明了彗星接近太阳时受太阳影响放出气体的原理。

不管是彗星、小行星，还是其他任何天体，都有很多情况是光靠望远镜无法了解清楚的，必须发射探测器实际探索。

恒星

恒星可以组成星座，装饰夜空，其实恒星和人类一样，也有生老病死。

什么是恒星

太阳系的行星和卫星不会发光，只会反射太阳的光，但我们在夜空中见到的大部分天体都和太阳一样，自己会发光。自己会发光的天体被称为恒星（太阳也属于恒星）。

虽然恒星也在运动，但由于相互距离很远，若不观察几十年，几乎察觉不到这种运动。因此，夜空中恒星与恒星之间的位置关系以及依靠这种位置关系画出的星座形状，多年来几乎没有发生变化。与此相比，太阳系内部的行星之间距离很近，只要观察几天或者几十天，就能察觉到行星的运动，因此，以星座为参考系进行观察，人们很容易看出行星每天的位置变化。

“恒星”一词的原意为“恒定不变的星球”，“行星”的原意为“四处移动的星球”。

包括太阳在内，行星都是依靠核聚变（见此处）产生能量并发光的。

星球为什么会发光？

太阳的中心部分（太阳核心）高温高压，氢原子核在其中发生聚变反应，生成氦原子核，同时在反应过程中放出γ射线（见此处）。γ射线将恒星的内部加热，产生的热量传到恒星表面就成了各种波长的电磁波（见此处），其中包括可见光。

恒星的一生

恒星和人类一样，也会出生和死亡。让我们来看一看恒星的一生吧！

从出生到死亡

分子云：
在宇宙空间各处，由氢气等气体组成的云状飘浮物。
原始恒星：
分子云中的气体由于引力开始集结成团，内部的温度和压力逐渐提升，开始发生核聚变反应，恒星诞生。
主序星：
已经形成一段时间后的恒星，会逐渐稳定发光。

质量越轻的恒星，其主序星时代越长；质量越重的恒星，其主序星时代就越短。太阳的这一阶段会持续约100亿年。如今，太阳已经形成了50亿年，正好处在生命的“巅峰时刻”。慢慢地，恒星中核聚变反应的氢气燃料逐渐减少，恒星就会迎来死亡，不同重量的恒星死亡的过程也不同。

重量在太阳3倍以下的恒星会慢慢向周围放出气体，形成星云，中心变为一种名叫白矮星的小型天体。

比太阳的3倍还重的恒星死亡时会剧烈爆炸，这一现象被称为超新星爆炸。原本已经暗到几乎看不见的恒星会突然发出耀眼的光芒，仿佛形成了新的恒星一般，因此叫作超新星。

超新星爆炸之后，恒星剩余的部分会变为又小又重的天体——中子星，或者变为黑洞（见此处）。

恒星死亡时放出的气体会再度在宇宙中集结起来，变成形成新恒星的原料，恒星也就在这个过程中完成了生命的轮回。

星系

如今，“星系”已经成了人尽皆知的词，但就在100年前，
宇宙中存在多个星系这样的科学事实还只是个天方夜谭。

恒星的集团

宇宙中有数不胜数的恒星，但这些恒星在宇宙空间中并不是均匀分布的。数百万甚至数千亿个恒星会由于彼此的引力集结起来，形成一个星系。银河系就是一个这样的星系。

恒星为什么能集结成星系？

形成星系的恒星如果是静止的，由于互相的引力作用，星系就会越缩越小，最终毁灭。实际上，星系中的恒星就和太阳系的行星一样，是绕着星系的中心公转的，这样一来，恒星彼此的引力就会和离心力抵消，各恒星都能与星系中心保持一定的距离。

有人认为宇宙中有超过1000亿个星系，每个星系的大小都在1万～10万光年之间，而星系的间距为数百万光年。可以说，星系在宇宙中的分布非常稀疏。

“天河”

我们生活的太阳系属于银河系，银河系常常被我们称为“天河”。

“天河”是一个扁平的、螺旋状的星系，直径约为10万光年，在星系中已经算很大的了。太阳系位于银河系靠边缘的位置上，距离银河系的中心约2.5万光年。在银河系的中心有一个膨胀的部分，称为核球；核球周围扁平的圆盘状区域称为银盘；银盘外侧，恒星和气体稀疏分布的区域称为银晕（“银晕”的英文“halo”也是“圣人头后的光环”的意思）。从地球上看，构成核球和银盘的恒星呈带状排列，似乎在一个球面上铺开，这就是在夜空中流淌的“天河”的本质。

“天河”银河系全图

在银河系附近还有很多小型的星系，其中有两个星系分别叫作大麦哲伦星系和小麦哲伦星系。在南半球可以很轻易地用肉眼观察到这两个星系。离银河系最近的大型星系是仙女星系，与银河系的距离约250万光年。在天气晴好时，仙女星系也肉眼可见。

哈勃的伟业

20世纪20年代之前，人们都以为宇宙之中只有一个银河系，其余的空间都是完全的“真空”，而仙女星系也只是银河系之中的一个小天体罢了。但美国天文学家哈勃则证明，仙女星系是距离银河系非常远的一个巨大的天体系统。他还发现了宇宙之中有无数个星系存在。

哈勃彻底颠覆了人类对宇宙的认识，但他却没等来诺贝尔奖就去世了。后来，NASA为了纪念他的伟业，将一代空间望远镜命名为“哈勃望远镜”，算是弥补了这个遗憾。

星系团和宇宙大尺度结构

恒星集结起来形成星系，同理，星系集结起来也可以形成更为巨大的结构。
如今，人们已经逐渐开始了解宇宙中类似的大尺度结构了。

星系的集团

在宇宙空间中，星系是均匀分布的吗？当然不是。几个甚至几千个星系会聚在一起形成星系群或星系团。我们所在的银河系以及仙女星系，就被人们合称为本星系群。

几个到几十个星系组成的集团通常被称为星系群，更大规模的集团则被称为星系团。

本星系群

星系群或星系团进一步集结，还可以形成超星系团。超星系团的大小在1亿光年以上，几乎没有固定的形状。在超星系团中存在星系较密集的地方，其他的星系会受到引力的影响而一起向密集处运动。

一直以来，人们都认为本星系群位于室女座超星系团的边缘，但2014年科学家发现，室女座超星系团其实是更大的拉尼亚凯亚超星系团的一部分。这个超星系团的直径在4亿光年以上，含有超过10万个大型星系。

宇宙最大尺度的结构

宇宙的故事还远未讲完。1990年以后，人们进行过多次测定星系位置、绘制星系分布图的研究，并得出结论：超星系团在宇宙中的分布也不是均匀的，如下图所示。

宇宙大尺度结构

图中的每个点都代表一个星系或星系团，整张图表示了数十亿光年的范围。

如图所示，如果将宇宙比作肥皂水，超星系团就都分布在肥皂水打起的气泡表面上，这个气泡表面被称为纤维状结构或“长城”，而气泡中心空余的部分被人们称为巨洞。

巨洞的直径可达几亿到十几亿光年。如此广阔的空间中，几乎不存在星系、恒星等天体。如果我们跑到巨洞的中心，会看到什么景象呢？

黑洞

其实，我们一次都没有见到过黑洞的实体。
但在所有人的印象里，黑洞都是能够吞噬一切并难以逃离的。

宇宙中的“黑暗洞穴”

极重的恒星在生命的最后阶段经历超新星爆炸（见此处），之后会向周围抛撒大量物质，其中心就只剩下一半左右的物质了。这些物质受自身引力的影响会逐渐被压缩，最后收缩到只剩下一个点的程度，这个点向周围产生极强的引力，强到连光都会被吸引，无法逃脱。从远处只能看到一片完全不发光的黑暗，这就是黑洞。

黑洞的形成方式

在黑洞的中心，物质被压缩成了一个点，理论上密度达到了无限大。这个点是难以用一般物理规律描述的“奇异之地”，因此被称为奇点。在黑洞周围光无法逃脱的边界称为事件视界，也就是处于此边界内的光均不可见的意思。

由于超新星爆炸而形成的黑洞被称为恒星级黑洞，其大小只有几十千米，以天体的标准来衡量是很小的。恒星级黑洞在银河系附近的星系中随处可见。

而几乎所有星系的中心都存在一个巨大的黑洞，其质量可达太阳的数百万倍，大小与整个太阳系相当。这样的黑洞叫作超大质量黑洞。我们所在的银河系，其中心也有一个超大质量黑洞，这种黑洞是如何形成的，至今还没有定论。

为了“看见”黑洞

使用望远镜观测黑洞，只会看到漆黑一片，并不能看清黑洞本身，但黑洞周围别的恒星会发光，借助它们的光，我们可以间接地“看到”黑洞。

黑洞也发光

构成恒星的气体会被黑洞猛烈地吸引过来，并被加热至超高温，发出明亮的可见光或X射线。同时，由于吸收气体的势头过于激烈，黑洞也会将发光的气体部分抛射出去，形成细长的宇宙喷流。有时，宇宙喷流喷出的长度可达数万光年。

如今，世界各国的多台望远镜正在合作，计划直接拍摄黑洞放出的宇宙喷流。让我们期待科学家拍出近距离的黑洞照片吧！

黑洞在蒸发？

虽说黑洞的名字里有个“黑”字，但从量子力学（见此处）的观点来考虑，黑洞其实是一边微微发光一边缓慢变小的。这一现象由英国物理学家霍金在理论上预言，因此也叫霍金辐射。但黑洞通常只放出极微弱的辐射，实际上和“一片漆黑”差不多。

然而，也有人认为在宇宙诞生或使用粒子加速器做实验时，会产生基本粒子（见此处）大小的“迷你黑洞”。这种黑洞的霍金辐射特别强，在发出耀眼光芒的一瞬间就消失不见了。这是不是黑洞“蒸发”呢？目前还没有定论。

宇宙大爆炸和暴胀宇宙

通过现在残留的许多证据，
我们可以渐渐推测出宇宙诞生的秘密。

宇宙的“婴儿期”

距今138亿年前，宇宙“嘣”的一声诞生了。这一声在英语里写作“Big Bang”，其实就是大爆炸的意思，但所谓“宇宙大爆炸”只是个比喻，宇宙并不是真的像炸弹一样炸开的。

最初，宇宙中所有的物质、能量和空间都被压缩在一个无法想象的超高密度、超高温度的点中。物质形成了基本粒子（见此处），基本粒子集结形成了“粒子团”（在此之前，我们一无所知）。

宇宙的历史

最早提出“宇宙大爆炸”一词的人是著名天文学家霍伊尔，但他却认为“大爆炸”理论是无稽之谈，给它起名完全是为了嘲笑这个理论，不料却为这一理论定下了正式名称。

“大爆炸”理论的证据

为“大爆炸”理论的提出打下基础的是天文学家哈勃（见此处）。1929年，他发现遥远的星系在急速远离我们，证实了宇宙正在膨胀，这一发现被称为哈勃－勒梅特定律。

但在20世纪60年代之前，质疑“大爆炸”理论这种抽象概念的科学家非常多。1965年，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊发现，宇宙中所有方向都会传来微波（见此处）辐射。

这一发现正是证明“大爆炸”理论正确的关键。

宇宙各处传来的微波

在宇宙大爆炸发生38万年后，由于宇宙放晴，从远处传播而来的光线穿越时空，波长被延长变成了微波，从各个方向以几乎同等的强度射向地球。这种微波辐射被称为宇宙微波背景辐射。

超剧烈的膨胀

然而，“大爆炸”理论也有重大的缺陷。在宇宙中从各方向进行观察，可以看到星系以同样的状态扩大着，只靠“大爆炸”理论无法说明这一现象的原因。因此在20世纪80年代，美国科学家阿兰·古斯和日本科学家佐藤胜彦等人提出了以下理论。

“大爆炸”之前的急速膨胀

宇宙大爆炸之前，在约一万亿亿分之一秒的超短时间内，宇宙突然剧烈膨胀到了原来的一万亿亿倍。由于这次剧烈膨胀，宇宙去除了不均匀之处，整体表现出了大致的均匀性。

这种突然的剧烈膨胀被称为宇宙暴胀。进一步研究“暴胀理论”，可以推断宇宙并不只有一个，我们的宇宙之外还存在无数个宇宙。要证明这一点，依靠今天的手段是做不到的，但如果这一理论正确，将会解决宇宙中的许多谜题。今后关于这一理论的研究还将继续进行。

引力波

2017年诺贝尔奖授予了关于引力波的研究，
从此引力波就成了热门话题。
“引力”和“波”两个词的意思我们都懂，
但它们合二为一之后又是什么意思呢？

空间的振动

在本书此处，我们讲到引力时，用在前后、左右、上下各方向上拉紧的松紧带做过比喻。恒星（见此处）等天体周围也有这样的“松紧带”，当宇宙飞船沿着“松紧带”接近天体的时候，就会不知不觉地被天体吸引，这就是引力的本质。那么，如果天体自己运动起来，会发生什么呢？

引力波产生的原理

如果天体突然开始运动，与之相连的“松紧带”（空间）也会开始振动，这种振动通过“松紧带”向四面八方传播，就会形成波（传播速度与光速相同），这样形成的波就是引力波。然而，引力波的振幅却比原子或原子核小得多。

即使来回挥动我们身边的物体（比如手腕），也可以产生引力波，但这样产生的引力波太弱了，现在的技术测定不出来。

要想产生能够测定出来的强引力波，则需要中子星或黑洞（见此处）那么重的天体剧烈运动才可以。两个重型天体彼此接近，绕着彼此旋转，最终碰撞、合并的话，就能产生相对较强的引力波。

如何捕捉引力波

100多年前爱因斯坦就已经预言了引力波的存在，但一直以来，探测引力波都是非常困难的。近年来，世界各国为了捕捉引力波，在多个地区修建了大型探测设备，各地设备的原理基本上是一样的。

引力波探测装置

将激光分成两束，使其在距离几千米的两个镜面之间来回传播，此时再将两束激光合为一束，就能让两束电磁波的波峰和波谷位置重合。引力波传来时，会使一方的波长发生微弱变化，进而使两束电磁波的波峰和波谷位置发生偏移，通过观察两束激光波峰和波谷的位置，就可以检出引力波了。

地震、空气流动或者汽车走过也可能让电磁波的波长发生改变，因此必须使用尖端的技术抑制这些多余的因素。

第一次探测到引力波

美国在两个地区建立了激光干涉引力波天文台（LIGO），并于2015年9月首次捕获到引力波，创世界之先。经过数据分析得知，该引力波是距离地球13亿光年的两个黑洞合并时产生的。

如果光线被遮挡，传统的观测设备就无法工作了，但引力波可以穿透任何物体。以前用望远镜无法观测到本质的天文现象，今后可以利用探测引力波的手段来分析。

为了详细地了解宇宙每时每刻在何处发生了什么现象，人们必须在全世界多个地点建立引力波探测器，只靠美国的探测器是远远不够的。因此意大利已经启动了“室女座”干涉仪（Virgo interferometer），德国启动了“GEO600”探测器，日本也已经开始在岐阜县地下的超级神冈探测器旁边建设高精度的神冈引力波探测器（KAGRA）了。

系外行星

太阳的周围有8颗行星，但太阳只是无数恒星中的一颗，
如果其他恒星周围也有行星围绕，那也不足为奇。
但使用传统的观测方法，我们找不到其他恒星周围的行星。

太阳系之外的行星

除了太阳以外，很多恒星周围都有行星绕其公转，这样的行星被称为太阳系外行星，简称系外行星。

系外行星所围绕公转的“太阳”，被称为系外行星的主星。

系外行星难以观测

系外行星距离地球好几光年，且主星光芒耀眼，所以在地球上很难进行观测，就像你观察好几千米以外一只飞到灯光附近的蚊子一样。

因此，直到20世纪90年代，人们才真正开始发现系外行星。

1995年，瑞士天文学家马约尔和奎洛兹在恒星“飞马座51”的附近首次发现了系外行星，使用了“多普勒方法”（见后文介绍）。这颗行星非常巨大，大小和木星相似，但与主星之间的距离却只有日地距离的1/20。我们把这种与主星非常接近的大型行星叫热木星。

系外行星的命名规则是在主星的名称后，按发现顺序标注“b”“c”“d”等字母（“a”是主星使用的字母）。上述系外行星就被命名为“飞马座51b”。

寻找系外行星的方法

直接用望远镜是观测不到系外行星的，因此我们用两种方法间接观测。

（1）凌日法

系外行星从主星面前经过时，会让主星的亮度变低一点点（“凌日”一词的英文“transit”本身也有“通过”的意思）。如果长时间观测一颗恒星的亮度，人们就会发现它会周期性变暗。

（2）多普勒方法

又名视向速度法。在系外行星围绕主星公转时，主星也会产生微弱的摆动，因此主星发出的光的光谱（见此处）也会产生周期性的变化（即多普勒效应），利用分光器就可以进行观测。

地外生命存在吗？

大小和温度都与地球相近的岩质行星上也许会有生命存在。2016年，人们在离太阳最近的恒星比邻星周围发现了这样的行星。2017年，在另一颗距离地球较近（39光年）的恒星“TRAPPIST-1”周围也发现了3颗这样的行星。这些行星上真的有生命吗？也许外星人就生活在这些星球上，希望人类有一天能够查出真相。

暗物质和暗能量

这两个词仿佛是“星球大战”系列电影里虚构的词，
但它们其实是真实存在的。
然而，它们的本质如今还是个谜。

看不见的物质

让星系团（见此处）稳定存在的关键是星系彼此由于引力相互吸引，同时都围绕星系团的中心公转，因此受到离心力的作用。

星系团将会分崩离析？

然而在1933年，瑞士天文学家茨威基发现，星系团中的每个星系似乎都在以快于预期的速度公转。从计算结果上看，各星系受到的离心力远大于彼此的引力，这样下去星系团就将分崩离析。

因此，茨威基认为，星系团中一定存在大量不发光的物质，人类还不了解这种物质，而正是这种物质的引力“聚拢”着星系团中的星系。这种物质就是暗物质，但暗物质的本质至今尚未被阐明。目前最有说服力的理论指出，暗物质的本质是一种叫作“WIMP”的基本粒子（见此处），但WIMP究竟存在与否还没有人确知。为了观测WIMP，科学家在世界各地建造了各种观测装置。日本也建造了“XMASS”暗物质探测器，争取首先发现暗物质，但却在2017年由于希望过于渺茫而遗憾地决定停止研究。

“WIMP”是“weakly interacting massive particle”的缩写，是“弱相互作用大质量粒子”的意思。

宇宙加速膨胀

20世纪末以前，人们都认为宇宙只是在利用大爆炸的惯性在膨胀，膨胀的速度会逐渐减慢。

过去的观点

但在1998年，物理学家布莱恩·施密特、亚当·里斯的研究团队以及索尔·珀尔马特的研究团队观测了数十亿光年以外的星系，发现宇宙其实是加速膨胀的。这一意想不到的发现令全世界的科学家瞠目结舌。

实际上

科学界认为，宇宙加速膨胀是由暗能量引起的。“暗能量”一词从“暗物质”派生而来，但暗能量与暗物质并没有直接关系。

宇宙各处都充满了暗能量。暗能量就像充满气球的空气，在不停地“挤压”着宇宙。然而不可思议的是，随着宇宙的膨胀，暗能量也在增加，也就是说，宇宙膨胀得越大，其膨胀的速度也就越快。

暗能量的本质至今不明。有人说爱因斯坦已经想到了暗能量的存在，但由于当时的常识认为宇宙不会加速膨胀，爱因斯坦很可能也会以为自己的观点是错的。

专栏6

论文与科学家
正确的科学

过去，日本科学界曾因为刺激触发采集多功能细胞（STAP细胞）出现过学术丑闻。STAP细胞是否存在？研究者本人是否应该进行重复实验？在此次丑闻中，研究机构和共同研究者是否应该承担责任？这些都是引起社会激烈讨论的问题。诚然，在普通民众眼里，这些问题可能极具争议，但对科研人员来说，讨论这些问题其实意义不大。在科学的世界里，最重要的就是诚实地写论文，将自己的研究内容真实地传达给其他的研究者，仅此而已。

研究者在进行实验、得出结论之后，工作还没有结束，他们还必须将实验的结果整理成论文。写论文的目的是将自己的研究内容共享给其他研究者，让研究成果为其他人的后续研究或实践做出贡献。大多数科学家都是在前人研究成果的基础上继续进行研究的，科学也在这种研究方法的推动下不断进步。而推动科学进步的重要工具就是论文。吸引媒体对研究成果进行大力宣传当然没什么不好，但如果只宣传而不写论文，这项研究成果就无法为后续的研究做出贡献，也就无法推动科学的进步了。

在写论文时，有一个原则必须遵守，那就是“不隐瞒、不夸大，详细地说明研究内容，让研究同一领域的科学家利用同样的实验方法能够得出同样的实验结果”。如果实验内容记录得不完善或者有隐瞒、夸大的行为，其他科学家就无法判断你的研究价值，你的实验成果也就无法应用于后续的科研和实践了。如果一个科研成果只有你做得出来，其他科学家读了你的论文之后无法得出同样的实验结果，那这项科研成果就毫无意义。

为了不让不完善甚至有错漏的论文出现在学术期刊中，科学界设置了同行评议制度。当有论文被投稿到学术期刊时，期刊的编辑部就会遴选几位能够充分理解论文内容并判断论文价值的同领域科学家，然后让被选出的科学家对论文进行审读，判断该论文是否适合刊载。参与评议的科学家需要判断该论文的研究是否有意义，对研究内容的说明是否完善，是否有虚假信息，最后将意见传达给期刊编辑。通过同行评议，论文才能发表在期刊上，向全世界公开。如果论文未通过同行评议，则证明该研究没有意义，研究者必须重新进行实验，再写一篇论文。

同行评议制度能够发挥一定的作用，但也并不完美。如果作者在论文中虚报成果，其他科学家只靠审读也可能看不出来。如果被作者蛊惑，其他科学家也可能会夸大一篇论文的价值。因此，其实谁也无法真正确保发表在学术期刊上的论文都正确且意义重大。

在研究成果被广泛接受之前，还有一关要过。在学术期刊上发表的论文通过同行评议之后，就会被无数科学家读到。有这么多双眼睛盯着，论文中的错误很容易就会被发现。每一位科学家都可以自由地对论文提出异议，如果提出的异议被证实，提出者就会得到好评。可以说，科研工作也存在一种“互相监督”的制度。而且，如果论文的重要性很低，它就会被大多数科学家忽略，也就对后续的研究起不到什么作用。被忘却的论文也推动不了未来的科学进步。只有整理成文、被期刊发表，且被多数科学家认可的研究成果，才是真正正确、有意义、能够名垂青史的。

STAP细胞的研究论文确实通过了同行评议，也被学术期刊发表了，但多数科学家读过论文之后，却发现其中存在许多不合理之处。这一事件引起了骚动，结果由作者自己把论文撤下了。最后不但论文没有留下，连作者的实验都备受质疑，整个研究项目都被撤销了。STAP细胞到底存不存在，与这位作者都已经没有关系了。将来确实有可能会有别的研究者用同样的方法制造出同样的细胞，但这就成了别的研究者的科研成果，与引起骚动的作者毫无关系了。科研的价值，其实只体现在论文当中。

后记

“在学校学了那么多科学知识，却只在考试时用过，在实际生活中用不到。”一定有好多人这么想吧！对我们一般人来说，在日常生活中当然不需要计算物体的加速度，但科学确实是所有人都应该掌握的必要知识。我这么说也许还是说服不了你，我们不妨一起来看看：科学知识究竟对我们有什么用呢？

面对这个问题，最常见的回答就是：“人类本身就有求知的本能，科学能满足我们的求知欲。”说得没错，人类之所以能主宰地球，就是因为拥有一种本能—想要了解自然，并想在有需要的时候操控自然。所有人都继承了这种本能，有意也好无意也罢，了解科学就是人类的宿命。

还有人说科学能丰富我们的心灵。越了解宇宙的知识，我们对宇宙广袤的感触就越深，越能感到自身的渺小。越了解生命活动的原理，我们就越感动于生命的神奇与脆弱，越能感到生命的重要。往大里说，科学知识能够陶冶我们的情操。

以上列举的两种说法都有一定的意义，但我觉得这两种观点都太偏向精神层面了。科学知识对我们有更加实际、更加直接的用途。

首先，科学知识可以用来保护我们自己。知道了天气的形成原理和地球的结构，我们就能有效防范自然灾害；知道了细菌、病毒和免疫的相关知识，我们就能预防疾病。而且，为了不上当受骗，我们也必须掌握科学知识，因为听信了“歪理邪说”而被骗取钱财的人实在太多了。掌握了正确的知识，就能识破骗子的诡计。常常有人制造关于化学物质的恐怖言论，掌握科学知识就能自主进行判断，以合理态度面对。为了保护自己的生命健康和财产安全，学习一定的科学知识必不可少。

但是，了解基本粒子物理学或者宇宙学这种与日常生活没有直接关系的科学知识，你可能认为没什么直接的益处。确实，不知道什么叫中微子既不至于生病也不至于被骗。不过科学是通过无数知识相互联系而不断深化的，科学家阐明中微子的性质，完善其理论，就能借此发展化学、生物学、地理学，对世界产生广泛的影响，而这样的影响也会一步一步地“传播”到与我们直接相关的事情上来。

还有，无数科研的副产物也会以意想不到的方式为我们的生活做出贡献。比如，在做基本粒子实验时，科学家之间共享庞大的数据系统，经过发展，逐渐变成了现代的网络系统；而为了宇宙探测开发出的各种材料和技术，也有些变成了电子器械和太阳能电池，在普通人的日常生活中起到了重要作用。

综上所述，科学知识对人类整体有十分具体的作用，每个人都应该适当掌握。虽然并不是每个人都必须学习精密的定理和复杂的计算，但至少都应该对科学有一个大致的印象，能或多或少地理解科学家（或者诈骗犯）讲述的内容。如果这本书能起到帮你掌握这部分知识的作用，那我将不胜荣幸。

在出版这本书的过程中，我受到了许多人的无私帮助。河出书房新社的编辑高野麻结子认真地整理我凌乱的草稿，提出了不少让本书内容变得更易理解的建议，并最终编成了这样精美的书籍。Bankto LLC.公司的设计师吉田健人，在有限的纸面空间里巧妙地搭配了文字和图片，出色地设计了一目了然的版面。还有各位校对老师，从统一表述到确认科学事实，他们没有放过原稿中的任何错漏。最后还有画家小幡彩贵，我把无数难题都抛给了她，她却能在思考过后以易于理解又非常有趣的画面将我的讲解描绘出来。有了小幡彩贵的插画，这本书的内容才能如此易读，页面才能如此精美。我衷心感谢各位的努力。

参考文献

長倉三郎、井口洋夫、江沢洋、岩村秀、佐藤文隆、久保亮五編『岩波理化学辞典』第五版、岩波書店

小田稔、野田春彦、上村洸、山口嘉夫編『理化学英和辞典』研究社

国立天文台編『理科年表平成30年』丸善出版

『ブリタニカ国際大百科事典小項目版』ブリタニカ・ジャパン

『日本大百科全書』小学館

『世界大百科事典』平凡社

左巻健男編著『知っておきたい最新科学の基本用語』技術評論社

大槻義彦、大場一郎編『新・物理学事典』講談社

鈴木炎『エントロピーをめぐる冒険』講談社

菊池誠、小峰公子、おかざき真里『いちから聞きたい放射線のほんとう』筑摩書房

ジョージ・ジョンソン『量子コンピュータとは何か』水谷淳訳、早川書房

甘利俊一『脳・心・人工知能』講談社

桜井弘『元素111の新知識』講談社

巌佐庸、倉谷滋、斎藤成也、塚谷裕一編『岩波生物学辞典』岩波書店

『ライフサイエンス辞書』（Isd-project.jp）

東京大学生命科学教科書編集委員会『理系総合のための生命科学』羊土社

D・サダヴァほか『カラー図解アメリカ版大学生物学の教科書』石崎泰樹ほか監訳、講談社

古川武彦、大木勇人『図解・気象学入門』講談社

杵島正洋、松本直記、左巻健男編著『新しい高校地学の教科書』講談社

岡村定矩ほか編『天文学辞典』日本評論社

谷口義明監修『新・天文学事典』講談社

索引

“XMASS”暗物质探测器

“室女座”干涉仪（VIRGO）

“隼鸟”号探测器

B细胞

C3植物，C4植物

GEO600

mRNA（信使RNA）

N型半导体

P波、S波

P型半导体

RNA

X射线

γ射线

A

阿尔茨海默病

阿兰·古斯

癌细胞

矮行星

爱因斯坦

安东·塞林格

安培

安培定则

氨基酸

暗反应

暗能量

暗物质

昂内斯

奥尔特云

奥斯特

B

板块

半导体

半衰期

暴胀理论

贝尔

贝尔实验室

贝可勒尔

本星系群

比邻星

比特

变异

标量

标准模型

病毒

波长

波义耳

不确定性原理

布莱恩·施密特

C

查尔斯·贝尼特

场

超导

超级神冈探测器

超临界水

超新星爆炸

超星系团

尘埃彗尾

赤崎勇

臭氧

臭氧层

茨威基

磁

磁场

磁力

磁力线

催化剂

D

大爆炸

大型强子对撞机（LHC）

大隅良典

代谢

单倍体

单细胞生物

单质

蛋白质

氮分子

导体

地壳

地幔

地震波

地震烈度

地震液化作用

地震仪

等离子体

等离子体片

等位基因

等效原理

等压线

低气压

第九颗行星

电场

电场力

电场线

电磁波

电磁感应

电磁力

电荷

电路

电能

电压

电子

电阻

动量

动量守恒定律

动能

独立事件

端粒

端粒酶

多普勒方法

多细胞生物

E

厄尔尼诺

恩培多克勒

F

发光二极管（LED）

发育（生物学）

法拉第

翻译

饭岛澄男

放射性

放射性物质

分裂

分泌器官

分子

分子云

锋

伏特

氟利昂

辅助性T细胞

G

伽利略

感染

高气压

高温超导

公转

功率

共价键

古泽明

固体

锢囚锋

惯性

光

光反应

光合作用

光年

光谱

光纤

规范粒子

硅

硅橡胶

过度反应

过敏

H

哈勃

哈勃－勒梅特定律

哈雷彗星

还原

海槽

海沟

海沟型地震

核聚变

核裂变

核球

黑洞

黑洞“蒸发”

恒星

呼吸

互补性

化合物

化学反应

化学合成细菌

化学结合

化学能

环境激素

彗星

混合物

J

积雨云

基本粒子

基本粒子理论

基因

基因操控

基因组

基因组编辑

基质

激光干涉引力波天文台（LIGO）

激素

极光

极光椭圆区

加速膨胀

加速器

减数分裂

碱

交叉互换

焦耳

金属键

进化

晶体管

巨洞

巨噬细胞

绝对零度

绝缘体

K

卡路里

开尔文

抗体

抗原

可见光

克隆

空穴

空中飘浮

库仑

库珀对

夸克

奎洛兹

L

拉尼娜

拉尼亚凯亚超星系团

拉瓦锡

蓝细菌

类囊体

棱镜

冷锋

冷却

离心力

离子

离子键

离子引擎

里氏震级

力

链式反应

量子

量子比特

量子传输

量子计算机

量子纠缠

量子力学

量子态叠加

临界状态

磷

凌日法

M

马约尔

迈斯纳

迈斯纳效应

麦克斯韦

麦克斯韦方程

慢滑现象（慢地震）

梅雨

酶

美国国家航空航天局（NASA）

门捷列夫

免疫

秒差距

木卫二

N

纳米

纳米技术

内分泌干扰物质

内呼吸

内陆型地震（直下型地震）

能量

能量守恒定律

凝固（固化）

凝固热

凝华

凝结

凝结热

牛顿

牛顿第一、第二运动定律

暖锋

诺贝尔生理学或医学奖

诺贝尔物理学奖

O

欧姆

欧姆定律

欧洲核子研究组织（CERN）

欧洲空间局（ESA）

P

帕斯卡

配子

Q

奇点（黑洞）

奇点（人工智能）

气体

汽化热

潜热

强相互作用力

氢离子

氢氧根离子

R

燃烧

染色体

热

热带风暴

热带气旋

热力学第二定律（熵增定律）

热力学第三定律

热力学第一定律

热木星

热能

热液喷口

热液生物群落

人工智能

人造卫星

溶解

熔化

熔化热

弱相互作用大质量粒子（WIMP）

弱相互作用力

S

三磷酸腺苷（ATP）

山中伸弥

熵

射线

深度学习

升华

生物量

矢量

矢量的合成（矢量的加法）

势能

事件视界

室女座超星系团

嗜酸性粒细胞

衰变

双螺旋

斯坦利

酸

索尔·珀尔马特

T

台风

太平洋高压

太阳风

太阳光

太阳能电池

太阳系

肽键

碳

碳纳米管

碳中和

特应性皮炎

天然气水合物

天文单位

天野浩

同素异形体

同位素

土卫二

脱氧核糖核酸（DNA）

W

瓦特

外呼吸

威尔逊

微波

梶田隆章

卫星

温带气旋

温度

X

希格斯

希格斯玻色子

希沃特

稀土

稀土元素

稀有金属

系外行星

细胞

细胞凋亡

细胞器

细胞因子

细菌

仙女星系

显性

线粒体

相对论

相对性

小柴昌俊

小行星

小行星“糸川”

肖克利

信息素

星系

星系团

行星

选择

Y

压力

亚里士多德

岩浆

岩浆房

阳离子

氧分子

氧化

耀斑

叶绿素

叶绿体

页岩层

页岩革命

页岩气

页岩油

液体

伊万诺夫斯基

胰岛素

遗传漂变

疫苗

阴离子

银河系

银盘

银晕

引力

引力波

隐性

有机硅高分子材料

诱导性多能干细胞（iPS）

宇宙放晴

宇宙空间站

元素

元素符号

原核生物

原始恒星

原子

原子核

原子序数

Z

詹妮弗·杜德纳

真核生物

真核细胞

蒸发（汽化）

质量

质子

中村修二

中和

中微子

中性粒细胞

中子

中子星

重力场

重量

周年视差

转录

状态变化

准静止锋

自体吞噬

自旋

自由电子

佐藤胜彦

做功

(1) 日本的民用电压有100V和200V两种。

(2) 已有科学家声称制造出温度低于绝对零度的量子气体。