在这本书里，没有深奥的术语，没有繁杂的计算和论证，却能从现实生活人手，将各学科的相关知识信手拈来，融会贯通，帮你架构起科学知识理论的基本框架。阅读本书，会发现原来学科学也可以这么轻松有趣，而且与我们的生活是那样密不可分。阅读本书，能学会以一种全新的视角去看待从学校或电视、网络上所学的知识，甚至改变一个人看待生活和世

界的方式。

热爱科学的你，快快打开夏芸编著的《百年哈佛给学生的13堂趣味科学课》这本书，跟哈佛名师们一起快乐学科学吧。

《百年哈佛给学生的13堂趣味科学课》汲取了哈佛大学300多年来科学教育思想的精髓，以科普大讲堂的方式，讲述百年哈佛认为青少年应该理解和掌握的科学常识，将科学世界的纷繁严密、万千神奇浓缩于13堂课中，将科学知识、重要原理用青少年最喜闻乐见的方式娓娓阐述，达到寓教于乐、润物无声的效果。在内容选择、讲述方式、语言风格等方面，则尽量保持其原汁原味，从中可以领略哈佛名师广博的学识、深厚的科学素养和独特的个人魅力。

夏芸编著的《百年哈佛给学生的13堂趣味科学课》全书分“科学是如何诞生的”“什么是物质”“人类所能感受到的作用力”“置身于宇宙中”“地球上的能量”“地球上的生命”“我们是谁”“我们的未来”等13章，从物质循环到能量守恒，从亚原子微粒到宇宙天体，从万有引力到时空隧道，从生态系统到生命的进化，从地球的历史到宇宙的未来，涉及物理学、化学、生物学、生命医学、天文学、地球地理、数学等各学科门类。书中介绍了一些基本的科学知识，解释了科学中一些非常重要的概念及其相互关联的方式。这些科学概念会帮助你理解科学的本质。随着书中娓娓的讲述，你会欣欣然踏上一段穿越时空的奇妙科学之旅。

第一课 科学是如何诞生的

最早的科学家

好奇心拯救人类

我们为什么要学习科学

科学的研究与学习

科学时代的到来

停下来，想一想

第二课 2加2等于HIP-HOP

科学的想法有大有小

一个令人敬畏的观点

为什么是HIP-HOP？

系统构成了整个行星

停下来，想一想

第三课 什么是物质

从92到数百万

原子

原子是一种系统

原子的组成部分

作为一个整体的原子

作为更大系统一部分的原子

停下来，想一想

第四课 什么是能量

能量的探索

能量的形式

运动的能量

化学能

为什么物质是可触摸的

现在停下来，写一写

停下来，想一想

第五课 人类所感受到的作用力

普遍存在的百万引力

比万有引力更强的作用力

电磁等量吗？

电磁作用力相当于物质之间的黏合剂

原子内部的作用力

物质、能量与作用力

力场

停下来，想一想

第六课 置身于宇宙之中

字母U

1光年有多长

现实水平

恒星的诞生

能量物质

其他物质从何而来？

太阳系的诞生

几何相似模型

总结／

第七课 美好的家园

太阳系中的地球

地球是一个整体

地球上的固体物质

地球上的液体物质

水循环

地球上的气体物质

碳循环

物质的封闭系统

停下来，想一想

第八课 地球上的能量

“金发姑娘”行星

开放的系统

传导

电磁辐射

太阳能

温室效应门

地球内部的能量

地球的能量预算

停下来，做一做

第九课 地球上的生命

网状系统

谁处于网络之中

生命的呼吸

生态系统

生态系统如何发生改变

停下来，想一想

第十课 我们是谁？

生命是什么？

生命的系统观点

细胞

大分子

蛋白质

DNA

双语的地球生物还具备一套遗传密码

停下来，想一想

第十一课 关于进化

我所知道的进化

结识夏威夷的食肉毛虫

死去的生物所告诉唐·弗里曼

生命树

活着的生物所告诉唐·弗里曼

分子所告诉唐·弗里曼

进化是怎样发生的

被继承的变化

选择随机的变化

停下来，想一想

第十二课 地球生命史

地球的生命历史

放射性测定年代

深邃的时间

大规模的物种灭绝

12月26日午夜

铱

冒烟的手枪

一门科学观点

宗教与进化

停下来，想一想

第十三课 我们的未来

迷信

太阳的运行

拯救地球

地球的臭氧层

今天的碳循环

地球气候

地球上的生物网

不是结尾的结尾

作为一个整体的原子

我们在前一节就三个系统问题深、人地研究了原子。对原子组成问题的解答，已使得我们在某种程度上比古希腊人更加聪明。

直到19世纪，许多欧洲人都在尝试把一种元素变成另一种元素，他们尤其希望能把铅变成黄金。但是没有人能成功，这是因为他们不懂那些有关元素与亚原子微粒的相关知识。在他们进行尝试的所有方法中，没有一种能够改变原子的内部构造。进行这些实验的甚至包括一些十分著名的科学家，例如伟大的艾萨克·牛顿爵士，他提出了牛顿运动定律，并首次解释了万有引力作用于地球与太阳系的方式，而且还连续27年被评选为英国皇家科学大师。了解原子的构成，虽然不能把铅变成黄金，但却让你拥有了牛顿宁愿花费大量金币都要学习的知识。

第二个系统问题是：作为一个整体，原子是如何运作的？要回答这个问题，首先要研究各个组成部分是如何相互联系构成一个整体的。

直到1900年，科学家才知道原子内部有正负两种电荷，并且他们一直以为这些电荷在原子中均匀分布。直到1908年，一位新西兰科学家欧内斯特·卢瑟福想到，通过让带正电的高速粒子轰击薄金箔来验证这一想法。

做这个实验时，卢瑟福带有两个疑问：

（1）带正电的高速粒子击中很薄的金箔后，会有何后果？

（2）关于原子的内部结构，这个实验能帮我们证实些什么？

卢瑟福原以为带电粒子会全部通过薄金箔，因为与原子内部微粒相比，这些粒子的尺寸都很大。

结果，他却惊讶地发现有些高速粒子从金箔上弹了回来。这一实验结果不仅震惊了卢瑟福本人，也震惊了整个科学界。卢瑟福曾说这一发现令他非常吃惊，就好像是向一张纸发射一枚炮弹，而炮弹却朝自己弹了回来。

卢瑟福通过这个实验发现了原子核，即原子中央很小但却几乎等于整个原子质量的区域，并推出了我们至今仍在使用的原子结构模型。实验中，有粒子弹回来是因为它们撞到了原子核。但由于原子核只占原子内很小的空间，因此大部分粒子都打在了原子核周围，顺利通过了原子，只是路径稍有改变。

下面这个亚原子微粒的表格中增加了表示位置的一栏。质量较大的质子和中子位于原子核内，而质量很轻的电子位于原子核外。

你们可能曾经见过电子围绕中央原子核运动的原子结构图。但是，没有一种图能精确地表示出原子的内部结构，因为它不可能在纸、白板或电脑屏幕上平面地显示出来。假设用美国路易斯安那超大圆顶中央的大理石代表原子的原子核，那电子就相当于建筑物外飞舞的灰尘。  原子中的绝大部分区域都是真空。你们可能会认为这很不可思议。对于我们来说，确实存在且可触摸的物体怎么会由绝大部分区域都是真空的原子构成的呢？这一疑问的解答会留到下一课讲解。

在本课开头部分，我们曾经说过能仅仅利用装有不同元素的92个大容器制造出一个行星。这些不同的元素可以相互结合生成不同的物体。由于元素由原子构成，因此，相互结合的实际上就是元素的原子。

以水为例，它对于人类而言是最重要的液体，由两个氢原子和一个氧原子组合而成（简写为H2O）。而同样的氢原子和氧原子以另一种方式结合，则会生成可用于漂白或杀菌的过氧化氢，由两个氢原子和两个氧原子构成（简写为H2O2）。

由此可见，同样的两种元素却可以结合生成截然不同的物质。人类需要水才能生存，而过氧化氢则会让人丧命。

水和过氧化氢都属于由两个或两个以上原子相互结合生成的更大系统，都具有与其组成元素（氢原子和氧原子）完全不同的属性。我们把两种或两种以上元素相互结合而生成的产物称为化合物。化合物的属性与其组成部分完全不同。前面讲过把黄金切成越来越小的部分，最终将获得最小的颗粒，以至于若再继续切割，就会改变其黄金的本质。我们把这保持黄金属性的最小颗粒称为“原子”。

那么，如果同样情况下水的体积不断减少，又会怎样呢？最终，直到体积不能再变小为止，我们就得到了由两个氢原子和一个氧原子构成的物质．

那么应该如何称呼最小体积的水呢？我们不能把它称为水原子，因为只有对元素才能使用“原子”这个词。水是化合物，而不是元素。因此，科学家不得不使用全新的词语给最小化合物命名，这个词就是“分子”。

我们在前面把分子定义成化合物的最小单位。在这里，我们将给出一个更加精确的定义。即两个或两个以上的原子结合在一起，就会形成分子。所以说，分子就是由两个或两个以上的原子结合而成的微粒。

最简单的分子仅仅由两个原子组合而成，而最大的分子则由成百上千个原子以一种非常精确的方式结合生成。例如，塑料、蛋白质、DNA和淀粉都属于大分子。

P36－39

创建历史比美国还要早一百多年的哈佛大学，堪称高等学府王冠上的明珠，是各国学子神往的学术圣殿。哈佛的成功，关键在于先进的办学理念，以及崇尚科学、追求真理的可贵精神。重视科学，历来是哈佛大学的传统，科研优先则是哈佛大学的一项基本发展战略。在最新的世界高校科研能力排行榜中，哈佛大学以满分的傲人成绩高居榜首。哈佛培养出的40位诺贝尔奖获得者中，科学方面就占30多位，比例高达80％。

百年哈佛的成功经验和智慧告诉我们，科学及科学思维方式在现代社会中的作用将越来越不可替代。尊重科学，掌握基本的科学知识，不断探索科学世界的奥秘，是人类进步的主因，也是个人迈向成功人生的阶梯。秉承这一理念，哈佛大学对学生的科学普及教育是最新颖独特的。对于初涉人世的青少年来说，哈佛的科学课不会给人仰之弥高、无法得其门而入的感觉，它举重若轻，深入浅出，妙趣横生，是引导全世界青少年向科学进军的便利桥梁。

本书汲取了哈佛大学300多年来科学教育思想的精髓，以科普大讲堂的方式，讲述百年哈佛认为青少年应该理解和掌握的科学常识，将科学世界的纷繁严密、万千神奇浓缩于13堂课中，将科学知识、重要原理用青少年最喜闻乐见的方式娓娓阐述，达到寓教于乐、润物无声的效果。在内容选择、讲述方式、语言风格等方面，则尽量保持其原汁原味，从中可以领略哈佛名师广博的学识、深厚的科学素养和独特的个人魅力。

全书分“科学是如何诞生的”“什么是物质”“人类所能感受到的作用力”“置身于宇宙中”“地球上的能量”“地球上的生命”“我们是谁”“我们的未来”等13章，从物质循环到能量守恒，从亚原子微粒到宇宙天体，从万有引力到时空隧道，从生态系统到生命的进化，从地球的历史到宇宙的未来，涉及物理学、化学、生物学、生命医学、天文学、地球地理、数学等各学科门类。书中介绍了一些基本的科学知识，解释了科学中一些非常重要的概念及其相互关联的方式。这些科学概念会帮助你理解科学的本质。随着书中娓娓的讲述，你会欣欣然踏上一段穿越时空的奇妙科学之旅。

你可在太空中来场大冒险，了解空间的广度、时间的深度，以及宇宙大爆炸时产生的星尘为何直到今日还遗留在地球甚至我们的体内；你会明白真空为何不存在，能量和物质间的关系，以及著名的爱因斯坦方程式……回到地球上，你能了解我们的星球是怎样运转的，现在的地貌是如何形成的，生态是如何达到平衡的；也可以去探索一下生物体的细胞内部，看看蛋白质分子是怎样工作的，见识一下神奇的携带着生命基因密码的DNA分子；最后再来读读地球的生命史，畅想一下我们的未来，探讨一下困扰我们的环境问题……  在这本书里，没有深奥的术语，没有繁杂的计算和论证，却能从现实生活人手，将各学科的相关知识信手拈来，融会贯通，帮你架构起科学知识理论的基本框架。阅读本书，会发现原来学科学也可以这么轻松有趣，而且与我们的生活是那样密不可分。阅读本书，能学会以一种全新的视角去看待从学校或电视、网络上所学的知识，甚至改变一个人看待生活和世界的方式。

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