总统不必学数学，但需要懂物理。哪些效应最重要，哪些效应可以忽略？世贸中心为什么坍塌？朝鲜的核爆炸为什么失败？送人上太空的科学价值是什么？全球变暖的主要原因是什么？什么办法能真正解决问题而不仅仅是“感觉良好”的“样板”工程？太阳能、风能、蓄电池和核能的前景如何？本书为美国新任总统奥巴马提出了5个物理方面的忠告。

·恐怖主义：许多人可能担心发生核恐怖的悲剧，但恐怖分子更容易用普通爆炸物来制造大量杀伤。

·能源：告诉人们，他们可以随便调节空调的温度，但要让他们相信，他们家的墙壁可以用某些很好(也可以很便宜)的绝缘材料。

·核能：政治家认为核废料问题从本质上说是技术的，而科学家和工程师相信问题是政治的。总统先生需要向公众解释核废料问题已经解决了。

·空间：如果过分担心宇航员的安全，不如把他们的工作交给了不起的机器人去做。

·全球变暖：要阻止全球变暖，重点应该帮助发展中国家实现二氧化碳储藏。

开场白／1

I 恐怖主义／5

 1.9·11／7

 2.恐怖核弹／18

 3.下一次恐怖攻击／28

 4.生物恐怖／35

 恐怖攻击 总统备忘录／41

Ⅱ 能源／45

 5.能源惊奇／47

 6.太阳能／58

 7.石油的终结／66

 能源 总统备忘录／71

Ⅲ 核能／73

 8.放射性与死亡／75

 9.放射性衰变／89

 10.核武器／lOl

 11.核疯狂／122

 12.核能／129

 13.核废料／143

 14.受控核聚变／151

 核 总统备忘录／158

Ⅳ 空间／161

15.空间与卫星／164

16.引力应用／177

17.人在太空／188

18.“看不见的”侦察／193

 空间 总统备忘录／208

V 全球变暖／211

 19.气候简史／214

 20.温室效应／223

 21.一个很可能的原因／233

 22.证据／238

 23.非解决办法／258

 24.落地的果实／269

 25.新技术／281

 全球变暖 总统备忘录／294

索引／297

译后记／321

2001年9月11日的恐怖袭击，其物理实质出人意料。基地组织用的武器释放了相当于1.8千吨TNT的能量，1远远超过了朝鲜在2006年10月9日的核武器试验的能量。

造成破坏的不是飞机。飞机重131吨，速度为每小时600英里。我们可以用物理公式E=mv2／2来计算运动的能量即动能。用这个公式时，还要选择正确的单位(这通常是最紧要的部分)；2计算可以发现，能量只有1吨TNT当量——比恐怖分子实际产生的能量小18000倍。动能不是摧毁大楼的罪魁。其实，世贸中心的双子塔楼在受到飞机撞击时几乎没有动摇。再看看录像(如果你能忍受)，仔细看大楼顶部飞机撞击部位以上的地方。你可以看到顶部几乎没动。撞击本身没什么影响。

破坏性能量的真正来源简单极了，就是每架飞机携带的驱动着它飞过美国领空的那60吨喷气燃料。飞机撞击的背后隐藏着一个惊人的物理事实：1吨燃料或汽油在空气中燃烧时，释放出15吨TNT的能量。所以60吨油料释放了900吨TNT能量。两架飞机释放的总能量就是1800吨TNT当量。

汽油比TNT还厉害？是啊，厉害得多呢。实际上，巧克力饼干都比TNT能量大。炸一辆小汽车需要一捆TNT，而同样重量的巧克力饼干(例如抡大锤的小伙子们吃的)，破坏力就大多了。每克(大约两个巧克力碎末的重量)巧克力饼干释放大约5食物卡路里的能量，随便一本食谱都能找到这个数字。而每克TNT只有0.65食物卡路里——小了9倍。

这个事实令多数人惊讶，但仔细想想，就会明白其中的道理。原来，用TNT不是看它的能量大小，而是因为它能非常迅速地释放其能量。原因在于，它(不同于汽油或巧克力)释放能量不必与空气发生反应。TNT分子的原子就像固定的被压缩的弹簧，放松弹簧，能量就跑出来。打破TNT的一个分子，就等于解开相邻的弹簧扣，于是引爆TNT的链式化学反应。弹簧能量可以在百万分之一秒内转化为动能，因而分子具有很高的速度，这意味着它们有很高的温度。

度量能量的方式很多，核武器谈判中，标准单位是吨TNT当量。按照武器管理者们的定义，1吨TNT当量等于100万食物卡路里(这可不是玩笑)，尽管TNT实际上只释放了其中的三分之二。物理学家不喜欢食物卡路里，而喜欢焦耳；一食物卡路里大约等于4200焦耳。

不同材料的能量含量是一个关键因子，不仅恐怖分子关心，在很多正当的应用中它也很重要。例如，高效计算机电池释放的能量只是同等重量的汽油能量的3％。这么低的能量转化率，正是我们现在还开不上电动车的基本物理原因。我们将在专讲能量的第二部分细说电池问题。现在我们还是深入9·11袭击的物理学。

汽油(包括其不同形式，如石油和喷气燃料)包含着巨大的能量，因而早就成为武器的理想物质。其应用的历史大概可以追溯到拜占庭时代的希腊人，也许正是神秘的“希腊火”(可查阅维基百科)。20世纪30年代西班牙用的莫洛托夫鸡尾酒的关键成分就是汽油。(后来它们有了俄文名字。)2在两次世界大战中，火焰喷射器喷出的就是燃烧的汽油。在越南战争中，以汽油制造的凝固汽油弹臭名远扬。在阿富汗，美国人用“油气弹”摧毁了塔利班军队。这些可怕的事情与9·11攻击的成功都是同一个原因：汽油有着巨大的能量密度。7吨汽油混合着空气，从降落伞点燃下来，会释放100吨TNT的能量。所以，你用不着放TNT炸弹，那是在浪费飞机的升空能力。带着汽油就行了，它比炸药的能量高15倍呢。

9·11恐怖分子没用强力武器来摧毁世贸中心。他们用的是高能量的喷气燃料。释放的能量产生极高的温度——其实就是建筑物的钢筋中高速运动(振动)的分子。分子前后振动时，会推开邻近的分子。这就是热物体膨胀的原因。但金属分子之间拉开的距离会削弱它们之间的吸引力，结果热钢比冷钢软。钢结构的弱化最终导致了大厦的坍塌。  9·11恐怖分子可怕地利用了这个事实。穆罕穆德·阿塔(Mohamed Atta)在波士顿登上美国航空公司11号班机时，没带枪，没带炸药，也没带长刀——他随身的唯一非法的东西就是他的图谋。尽管所有航空安检存在诸多缺陷，但阿塔和他的同伙也没胆量冒险携带武器。也用不着。

9·11行动的天才在于它风险很低。不需要炸药，不必在飞机上偷藏武器。其实连一个组织机构也不需要。计划暴露的危险也很小，因为只需要一个恐怖分子知道任务的细节，那就是飞行员。阿塔的计划还取决于当时的飞行政策——即鼓励飞行员与劫机者合作，不争吵，不恐吓，照劫机者说的做——这样的政策在那时很有效，但以后不会了。这种措施在过去救过很多人的生命(也包括飞机)。

阿塔和他的同伙搭乘早班飞机，是害怕错过了计划时间，也是为了更容易地同时攻击纽约和华盛顿。更重要的是，他们选择了横贯美国大陆的航班，以确保飞机装满了油料。

阿塔明白，9月11日将是轻松劫机的最后时机。过了9月11日，空中警察几乎没有必要了，因为没有哪个飞行员愿意让恐怖分子来操纵。即使劫机者杀了飞行员，也将激起乘客和机组人员的勇气和怒火。就在世贸中心被袭击一小时一刻钟后，联合航空公司的93号航班上就发生了这一幕：乘客冲进了驾驶员的座舱。

P7-10

你害怕物理吗？你对全球变暖、间谍卫星、洲际弹道导弹(ICBM)、反弹道导弹(ABM)、核裂变、核聚变等东西感到神秘吗？你想过核弹的核与核电厂的核在本质上是一样的吗？有人说我们正在耗尽化石燃料，反对者却说没有，你感到疑惑吗？有些大科学家说关于全球变暖的争吵已经结束了，而你看到它正如火如荼，是不是感到无所适从呢？你是不是觉得物理学和高技术令人头晕眼花呢？

如果是，那么你还成不了世界的领导者。世界的领导者必须懂得这些问题。如果有人报告恐怖分子在曼哈顿中心留下一颗炸弹，这时候你该不会打电话给你当地的科学顾问，要他告诉你问题有多严重吧？当然你也不能简单地往最坏了想，把所有政府资源都从其他项目抽出来应对眼下的事件。你必须对问题有充分的认识，明智、迅速而恰当地采取行动。

也许你学过物理，喜欢它，或以它为专业，甚至今天已经得了学位，但你可能仍然不明白铀弹与钚弹有什么不同，不明白臭氧耗损与温室效应有什么关系。当朋友问你间谍卫星的事情，你也只能说你在报纸上看到的东西——因为你在课堂上从来没学过它们的细节。

如今许多(虽然不是全部)重要决策都要高技术的支持。如果你不懂太阳能，不知道煤可以转化为天然气，你怎么可能给你的国家带来一个清洁能源的未来？如果你只知道政治问题而不懂技术问题，怎么可能在研究基金、军控谈判和恐怖威胁等重大问题上做出决策呢？即使你不想做世界的领导者，如果不懂这些问题，你又如何理智地投票呢？

想了解现代世界的物理学，同样重要的是忘掉那些你以为正确其实并不正确的东西。人们常引用据说是马克·吐温的一句话：

大多数老百姓的麻烦不在于他们无知，而在于他们知道太

多不是那么回事的事情。

有讽刺意味的是，这句话不是马克·吐温说的——真是应验了这句格言。原话出自比林斯(Josh Billings)，19世纪的一个幽默作家。

你还不知道你应该知道的物理吧？幸运的是，你已经找到解决办法了，或者至少已经开始了。本书要讲的现代的物理学，就是世界领导者需要知道的基本常识。我不讲数学，因为你可能没时间(也许不愿意)去掌握它。我只讲重要的问题。当你明白了高技术背后的基本原理(也就是物理学)，就不会再为它感到害怕了。如果你还需要具体的计算，可以雇一个物理学家。

如果你讨厌物理学，那不是你的错：也许当年的老师不好。有些物理学家把他们的物理学知识藏在数学的迷雾里，把外行人都吓跑了。在他们圈子里，却要小心翼翼把数学与物理学分开。导师常常警告研究生，“想物理——不要想数学”。但每当问题有点儿难解释时，物理学老师就会走捷径：“现在我给你们看一个你们不懂的方程，这样你们就不会怪我教得不好了。”

我只提出一点警告：本书并不是对任何问题都综合评述的长篇大论。就是说，关于恐怖与反恐，关于能源、卫星和全球变暖，我都忽略了很多东西。除物理学而外，未来总统还有更多需要知道的东西。许多人希望他们的总统是技术专家。我更现实，我想本书只讲最基本的事实和思想，即那些能帮助总统做出更好决策的概念。我可以写一本更大的书，但未来总统有那么多时间来阅读和研究它吗？

我从恐怖主义说起，因为它迫在眉睫，也因为它碰巧把我们卷入能量问题。毕竟，炸弹不过就是将大量能量在小空间释放的一种快捷方式。当你明白了物理，世贸中心发生的事情就会更加清楚了。当你明白了相关的物理，就连生物武器也会更容易理解了。

我要讲的第二个主题是能源，这是未来所有的世界领导者的一个核心问题。经济的成败在于能源；国家为能源打仗；生态因为能源的浪费而遭破坏。我们从哪儿获取能源？如何使用它？我们能避免浪费吗？关于能量有很多惊奇的事情，不论是可能的氢经济还是煤、石油和太阳能的未来——它们决定并限制着未来的技术。其实，我们喜欢化石燃料有着它的物理学基础。

与能量密切相关的是原子核：放射性、原子弹、反应堆，以及核废料的危险——这是本书第三部分的主题。总统必须保护公众，但该用核还是废除核呢？我们没有简单的答案，决策在于细节——物理学的细节。

我们的未来显然在太空——是不是呢？阿波罗11号已经过去39年了，我们还没有重返月球，出了什么事情？我们为什么倒退了？是因为经济水平或人的愿望，还是因为物理学？空间的价值在哪里？进入轨道意味着什么？什么才是真正的限制？本书第四部分就讲空间、卫星和重力的潜能与局限。

最后我讲一个最火爆的题目——全球变暖。它跨越了很多不同的物理学领域，所以需要用整整一篇来细说。而且，这是一个误会与真相同样流行的领域。当你做总统时，也许不得不忘掉一些你以前喜欢的事情，但你必须那么做，才可能做出更明智的决策。

总的说来，这些都属于物理学。如果你感到某个问题困惑，不要为它耽误太长的时间。就把它当一门外语来学：下水、游泳、颠簸着前行——然后享受它的乐趣。有些材料在多个章节出现，因为世界本来就是相互交织的；核牵连着恐怖、能量、空间和全球变暖。如果这儿没有你喜欢的题目，我表示遗憾；本书只讨论那些最急迫和最有意义的问题。(像UFO那样的问题，就留待后来了。)我用心地回避了政治、商业和外交问题。经济确实在踟蹰前行，但那不是重点。本书要讲的是你做领导者需要了解的物理。其余的就看你自己了。

这本书写得正是时候。作者写这本书，是认为麦凯恩和奥巴马以及千百万老百姓都不太懂物理；但本书出得不是时候，尽管它赶上了一个“未来总统”走进白宫，却遭遇了金融海啸的冲击。近几个月里，最热闹的话题是“救市”，bailout在很短的时间内借着股票跌落反弹扶摇直上为Merriam Webster 2008年度的最热词。回看2007年那个洋溢着热情和奇想的woot，真是恍然如隔世焉。

不过物理课还是要上的，何况很多读过物理的人已把它忘得差不多了；还有些东西，我们在大学课本里也没见过。穆老师开头就说，“如果你恨物理学，那不是你的错，你可能没遇到好老师。”说实在的，我们不缺好老师，但缺好教材——很多教材都“经典”几十年了——现在，我们有了本新鲜的好教材。

穆老师是伯克利加州大学(UC)物理学家，近些年来获得过很多教学奖，温伯格(诺贝尔桂冠物理学家)说他“给人的印象是一个可亲而又多才艺的教授……感谢穆勒化解了我的心里阻隔”。“未来总统的物理课”是他在伯克利加州大学讲的课，并经过学校在YouTube网向大众公开。本书有两个版本，一个是学生的课本；一个是面向大众的普及本，即读者眼前的这本。

穆老师开这门课，大概与他的学术经历有关。他原来跟阿尔瓦雷兹(因发现大量共振态获1968年诺贝尔物理学奖)读研究生，在泡沫室中做粒子物理实验(还跟他学过开飞机)。后来，穆勒博士改做地球科学的研究，兴趣涉及冰期、核幔边界动力学、生物灭绝和生物多样性。他和同事在80年代初提出著名的“复仇女神”假说：太阳有一颗未见的伴星，当它的轨道周期性地经过奥尔特云(荷兰天文学家奥尔特发现的绕着太阳运行的一个彗星区域)时，干扰了彗星的轨道，于是就有大量彗星落到地球，导致以2600万年为周期的生物灭绝。这个假说也是在为他的老师寻找根据。1980年6月，阿尔瓦雷兹和他学地理的儿子瓦尔特(Walter)在《自然》杂志发表了彗星撞击地球导致恐龙灭绝的假说。现在，老师的假说很多人接受了，学生的复仇女神却还不见踪迹。2005年，穆勒又和他的学生在《自然》杂志报告了他们根据化石发现的6200万年的生物多样性周期。他关于全球变暖的见解，应该留下了这些研究的痕迹。

本书讲了五个方面的问题：恐怖主义、能源、核能、空问和全球变暖。在回答一个朋友的邮件中，穆老师提出未来总统应该知道的一些细节，可以借来作为我们阅读和思考的指南：

总统不必学数学，但需要懂物理。哪些效应最重要，哪些效应可以忽略？世贸中心为什么坍塌？朝鲜的核爆炸为什么失败？送人上太空的科学价值是什么？全球变暖的主要原因是什么？目前变暖有多严重？能预见什么后果？什么办法能真正解决问题而不仅仅是“感觉良好”的“样板”工程？太阳能、风能、蓄电池和核能的前景如何？

在奥巴马当选之际，穆老师写过“给奥巴马的五个物理忠告”，可以作为这些问题的“决策式”的回答：

1.恐怖主义：许多人可能担心发生核恐怖的悲剧，但恐怖分子更容易用普通爆炸物来制造大量杀伤。

2.能源：告诉人们，他们可以随便调节空调的温度，但要让他们相信，他们家的墙壁可以用某些很好(也可以很便宜)的绝缘材料。

3.核能：政治家认为核废料问题从本质上说是技术的，而科学家和工程师相信问题是政治的。总统先生需要向公众解释核废料问题已经解决了。

4.空间：把人送上太空不仅非常危险，而且时常拖科学的后腿。

5.全球变暖：要阻止全球变暖，重点应该放在发展中国家，帮助他们实现二氧化碳储藏。  不要埋怨物理学家考虑问题太简单或者太天真，很多观点是针对美国“有感而发”的，不一定适合其他地方。但不管怎么说，他说的都是实话。这些事实不仅是领导者和老板要明白，关心自己未来的普通公民也需要了解。通过这门课，我们能学会一些总统需要的智慧——更确切说，可以学习像物理学家那样思考。很多人向往像CE0一样思考，但眼下的金融危机说明，CE0的智慧出毛病了。CE0们常说“细节决定成败”，什么细节呢？在他们津津乐道的细节之外，本书也提供了很多细节，就是简单的物理事实和事实里的简单数字。

本书的副标题是“大新闻背后的科学”，看穆老师对全球变暖问题的论述，我们惊讶地发现，原来“大新闻”后面藏着那么多“难以忽视的真相”：

问题在于多数公众认为这些联系是确定的科学结论。实际上，公众“知道”的有关全球变暖的很多事情都是基于曲解、夸张或“摘樱桃”。

戈尔因为有效唤起了美国公众对二氧化碳和全球变暖危险的警惕而赢得诺贝尔和平奖。他做到这一点，靠的是艺术、言辞和夸张的结合，并混杂着一定程度的曲解和大量挑拣的事实。他的杰作《难以忽视的真相》是有力的宣传，但和所有宣传一样，其中也隐藏着危险。

我们希望，读过本书的记者在写新闻时，会少一点浮夸，多一点实在；读过本书的读者在读新闻时，能多一些思考，少一点盲从。正如作者说的，“同样重要的是忘掉那些你以为正确其实并不正确的东西”。我们特别需要记住作者在开场白里引用的那句“传说”是马克·吐温的话：大多数老百姓的麻烦不在于他们无知，而在于他们知道太多不是那么回事的事情。

译者

2009年2月9日

领导者的物理速成班。

——查尔斯顿邮报

通向白宫的物理路。

——国家评论在线

穆勒给人的印象是一个可亲而又多才多艺的教授……感谢穆勒化解了我心里的阻隔。我希望麦凯恩和奥巴马也能分享他的智慧。

——诺贝尔物理学奖获得者S·温伯格《芝加哥太阳报》