科学是美丽的，科学往往是生活中真善美的现场，好奇、怀疑和智慧运行的疆域。长期以来，那么多人让自己停留在动人的科学探索现场之外，多么遗憾！

恒星的一生与赫罗图、黑洞、太阳系的边界在哪里？戴上口罩才想起环保？蜡烛在人造卫星上燃烧得更快些还是更慢些？……天文、地理、生物、物理、化学……尽在其中！

一个科学家，特别是“身经百战”的科学家，对古今科研事例，包括对自身科研经历的体验，梳理一下表达出来，就会是对思想和科学方法很好的普及。于是我们把编写的方式定为“科学家讲科学”，并以此作为丛书的名称。计划自2004年开始分辑出版。每辑准备刊载30篇左右适于中小学教师使用，并适合于中学生阅读的科普短文。每篇讲述一项科学知识和过程，并在正文之外加旁注和跋作为导读，着重阐明其中的科学思想和方法，以引发读者思考和探究。

书中文章各自独立，一事一讲，互不牵制。不同学科之间的篇数上保持大致的平衡。文章分两类，一类是新的创作，是主体；另一类是若干科普佳作的直录。两者的正文均保持作者自己的风格，作者以及编者利用旁注和后跋以实现导读和提示。

创新探索

 从东亚环流突变到全球变化研究——叶笃正院士毕生耕耘不息/高登义

天地奥妙

 黑洞/苏宜

 恒星的一生与赫罗图/卞毓麟

 空间和空间天气/王水

 地球上的生命起源/王谷岩

 光与生命/王谷岩

 热与生命/傅亚珍

 蛋白质、水与生命/傅亚珍

 森林功能知多少？/胡舜士

 北极的奥秘/刘嘉麒

探源究理

 太阳系的边界在哪里？/李竞

 用树木阻挡能治理“沙尘暴”吗？/蒋高明

善事之器

 测量太阳辐射功率的故事/林元章

 与噪声作斗争的微弱信号检测技术/陈佳圭

前瞻溯望

 提丢斯-波得定则的故事/马星垣

 魏格纳和“大陆漂移说”的故事/张少泉

 温带的“萨王那”——中国未来最大的野生动物乐园/蒋高明

 α射线的研究和原子核的发现/沈慧君 郭奕玲

 航天员选拔中的科学思维/李龙臣

科学现在时

 谈谈外来物种的入侵/钱迎倩

 在城市里创造自然/蒋高明

 淀粉，我们的糖源/孙万儒

 氢能——本世纪的新能源/尹冬冬

警示与反思

 戴上口罩才想起环保？/蒋高明

体验与启示

 看见原子/张开逊

 发明高温传感器/张开逊

小明求知

 胃为什么不会消化掉自己/宋心琦

 请不要责备道尔顿/宋心琦

 荧光棒的妙用/宋心琦

 蜡烛在人造卫星上燃烧得更快些还是更慢些？/宋心琦

行万里路

 珠穆朗玛峰现代环境变化/高登义

读万卷书

 “B模式”的启示——《B模式：拯救地球 延续文明》简介/刘静玲

馆长导游

 走进海淀公共安全馆/闫新民

黑洞概念源自广义相对论的理论计算。广义相对论认为，时间和空间都是相对于物质而存在的，如果所有物质没有了，时间和空间也就没有了；有天体存在的宇宙空间是弯曲的，就像重球压在一块橡皮布上橡皮布会弯曲一样。天体的质量越大，离天体越近，那里的空间弯曲就越严重。在弯曲的宇宙空间里，光和所有电磁波都不走直线，而是沿着弯曲的路径传播。1919年5月29日的日全食，太阳刚好位于金牛座的一些亮星之间。英国天文学家爱丁顿(A. S. Eddington，1882-1944)带领观测队在非洲西海岸的普林西比岛拍下了全食太阳旁边的这些亮星的照片；拿半年之前的夜间，太阳不在那里时拍下的照片来对比，发现星星们的位置确实改变了，改变的程度与广义相对论预言的完全一致。这就是星光弯曲的证明，这表明相对论是正确的。对此，媒体竞相以通栏标题报道，成为轰动世界的热点新闻。

1915年，爱因斯坦发表广义相对论不久，德国天文学家史瓦西(K. Schwarzchild，1873-1916)应用相对论的理论计算出，如果某个天体的全部质量都压缩到很小的称为“引力半径”的范围之内，该范围内的空间就弯曲到完全封闭的状态，所有的物质、能量和信息，当然包括传播光线的光子都被囚禁在里面，不可能发射出来。从外界看，这个天体就是绝对黑暗的。1968年美国天文学家约翰·惠勒(John. A. Wheeler，1911- )为这种天体取名“黑洞”。

引力半径的大小只与天体的质量有关。像太阳这样质量的恒星，引力半径是2.95千米。若把太阳的全部质量都压进直径5.9千米的球，太阳将成为永不发光的黑洞。与地球质量相当的引力半径只有8.9毫米。如果把属于地球上连带着大气、海洋、山脉、河流、人和其他生物的一切物质，统统压缩到直径1.78厘米的小球内，地球也会为一个黑洞。当然，地球和太阳都永远不会具备被压缩成黑洞的条件。然而，1939年美国物理学家奥本海默(J. Robert Oppen-heimer，1904—1967)却计算出，一颗质量超过太阳质量3倍而又没有任何热核反应的“冷恒星”，一定会在自身引力的作用下塌缩成为黑洞。

没有任何热核反应的“冷恒星”其实已经不是恒星。准确地说，它是恒星已经死亡的遗骸。“活着的”恒星有两个最重要的特征：第一个特征是拥有巨大的质量，由质量产生的引力使恒星物质聚向中心；第二个特征是有极其强烈的热核反应，由热核反应产生的压力，使恒星物质向外扩散。引力和压力相干衡，才能使恒星保持稳定。一旦所有核燃料都消耗殆尽。再也没有能力进行熱核反应的时候，恒星就要死亡了。死亡的方式是塌缩：塌缩的原因是它自身的重量一一引力。所以说：恒星的一生是对其自身引力持久、拼死的反抗。持久。是因为在每个演化阶段都有新的热核反应来反抗引力，维持自己：拼死，是因为这种反抗注定是要失败的。或迟或早，反抗终将失败，恒星终将塌缩。

恒星寿命的长短取决于它的质量；恒星死亡取何种结局，也取决于它生前的质量。像太阳这样质量的恒星，寿命约100亿年，死亡方式较为平稳，结局是白矮星加一片硕大而稀薄的星云一一行星状星云，不会成为黑洞。

大于8倍太阳质量的大恒星，寿命只有几千万年，临终之时，会发生一场猛烈的超新星爆发。短时间内倾泻出巨大的能量，比有生以来正常辐射能量的总和还要多。超爆之后，恒星死亡。外围物质被炸飞，成为一片遗迹星云，残留的核心物质就是奥本海默所说的“冷恒星”。如果残留质量小于3倍太阳质量。塌缩为中子星；如果残留质量大于3倍太阳质量。则塌缩为黑洞。

黑洞的奇妙性质匪夷所思。黑洞的引力半径所决定的球面，是该天体能被看见的最后边界，也称视界，也就是说，恒星塌缩至小于视界面之后，就再也看不见了。但视界不是黑洞物质的实体边界，而是由引力决定的一个几何界面。全部黑洞物质都集中在视界中心的奇点上。视界以内，所有物质只能向中心集聚，任何两点之间或它们同视界以外都不可能有任何物质或信号联系。视界内部的时空与外部世界完全隔绝。里边发生的一切，外部将永无消息。中心奇点处体积为零，密度为无穷大；在那里，所有物质都被压缩到极限，时空无限弯曲，因而时空不复存在。这就是黑洞。说它“黑”，是因为任何物质和能量，包括光子，都不能从中逃脱出来，它是绝对黑暗的：说它是“洞”，是因为任何外界物质一旦坠人，将立即葬身其中，永无出头之日，落人多少就被吞噬多少，它是一个无底深洞(图5)。

假设一个人坠人黑洞，因为到引力中心的距离不同。这个人的头和脚所受到的引力大小不同，他的身体将会被拉长。这种将身体拉长的力被称为引潮力。地球上的海水正是因为受着月球和太阳的引潮力而出现潮汐现象。在地球表面上，人体受到地球的引潮力只有0.6克，不会有什么影响。可是，一个10倍于太阳质量的黑洞。其视界直径不到60千米，它对外界物体的引潮力大到难以想象的程度。用普通材料建造的飞行物。在距离视界400万千米之内，就会被黑洞的引潮力撕成碎片。假设经特殊设计的宇宙飞船和宇航员本身都具有神奇的刚性，能够抗拒强大的引潮力而免遭被撕碎。那么，到达视界时。宇航员所承受的引潮力，相当于把他的头悬吊在地球上一根具有绝对刚性的钢梁上，而在他脚下绑吊着2000万个人的总重量。引潮力使任何物体在一个维度上被拉长，而在别的维度上被挤压。栽入黑洞视界的宇航员在到达奇点时将被拉成无限长，而横向却被压得没影儿了。他的头和脚都被拉进奇点，但却分离无限远；虽已身长无限却不能将头钻出视界，这真是不可思议的奇妙性质。

相对论告诉我们，在运动系统中，时间的流逝比在不动的系统中要慢一些：引力强的地方比引力弱的地方，时间流逝也要慢一些。当一艘探访黑洞的飞船飞速前进的时候，飞船上的时间会比地球上越来越慢。地球上通过电视屏幕观看飞船行踪的人们，也许已经变老了几代人，而看到的宇航员依然年轻。对宇航员来说，飞船一旦进入黑洞的视界便一头栽进奇点，立即灰飞烟灭，一切荡然无存，时间和空间都消失了。可是，地球上的人却永远看不到飞船抵达视界的情景，因为飞船上的时间已经慢到极限，信号传递需要无穷长的时间。事态的发展永远“定格”在那里，时间被“冻结”了。同时，黑洞引力场已经将电视信号的波长拉成无限长。丧失了传播能力，屏幕上什么也，看不到了。P6-9

小学、初中学生的科学素质培养，关系到“科教兴国”的基础，是目前我国教育和科普工作中的一项重要而艰巨的任务。

两年前在一次科学家茶话会上，几位科学家提出：面对这样的任务，科学界能够做些什么？自己能够做些什么？经过几番讨论，有了一个构想：编写一套适应高小、初中教师和学生的需要、以阐明科学思想和科学方法为主的科普丛书。

目前，高小、初中阶段的科学素质教育，仍是一个需要积累经验、力求完善的课题。为此编写的教材和以介绍博物知识为主的科普读物，一直得到重视并不断有所增益。而以阐明科学思想和科学方法为主的读物，尽管更加贴近素质教育，却相对薄弱。本套丛书的目的就是尝试使这个薄弱的方面得到一些加强。

科学思想和科学方法，有理念的乃至哲学的一面。而实践体验，则必须结合具体的“一事一物”。这使得这方面的科普不同于系统知识和博物性质的科普。但是，科普的内容归根结蒂是出自科学家的工作，而科学家的工作——研究科学，正是针对着“一事一物”运用其科学思想和科学方法的过程。因此，一个科学家，特别是“身经百战”的科学家，对古今科研事例，包括对自身科研经历的体验，梳理一下表达出来，就会是对科学思想和科学方法很好的普及。

于是我们把编写的方式定为“科学家讲科学”，并以此作为丛书的名称。这种构思得到了北京理工大学出版社的支持。我们陆续组织了不同学科、热心于青少年科普的科学家们草拟结构、分工编写，邀请同行们参加撰稿，并于2004年出版了第一辑作为实验本。现对第一辑进行修订，与其后组织的稿件一同出版，共结成5辑。每辑包括30余篇适于中小学教师使用，并适合于中学生阅读的科普短文。文稿的编撰原则是每篇讲述一项科学知识和过程，并在正文之外加旁注和跋作为导读，着重阐明其中的科学思想和方法，以引发读者思考和探究。

书中文章各自独立，一事一讲，互不牵制。不同学科之间在篇数上保持大致的平衡。文章分两类，一类是新的创作，是主体；另一类是若干科普佳作的直录。两者的正文均保持作者自己的风格，作者以及编者利用旁注和跋以实现导读和提示。

思想和方法都是发展的。我们希望帮助读者领悟，但更重要的是启发读者思考。科学思想和科学方法都是用于科学问题的处理，而处理问题的途径从来都不会是独一无二的，都必须依靠判断和选择。所以我们主张在导读中不但不去回避，而且要尽力表达不同的观点。有了分歧和比较就有了更加宽阔的思考空间，而往往是从思考碰撞出的火花中人们找到了发展的种子。

当前，我国中小学的科学素质教育任重而道远，对教师队伍的科学素养和创造性劳动提出了更高、更迫切的要求。希望这套丛书能够成为奋斗在中小学教育第一线的老师们乐于相携、便于咨询的伙伴。

科学是美丽的，科学往往是生活中真善美的现场，好奇、怀疑和智慧运行的疆域。长期以来，那么多人让自己停留在动人的科学探索现场之外，多么遗憾！

——沈致远