本书撷取12个具科幻色彩的主题，横跨经典与现代物理学主要领域。作者以物理学的视角切入，解构经典科幻作品的科学设置，回应时下热门话题，游刃于科学、幻想、社会之间，引殿堂学问释普罗迷思，回归“格物致知”之学术本义。

李淼，1982年毕业于北京大学天体物理专业，后赴哥本哈根大学玻尔研究所深造，获博士学位。1990年留美从事理论物理研究，先后执教加州大学圣塔芭芭拉分校、布朗大学、芝加哥大学费米研究所。1999年回国，受聘中国科学院理论物理研究所，现任中山大学天文与空间科学研究院院长。李淼教授是一位具有国际影响力的理论物理学家，近年来又在学术研究之外另辟蹊径，以大家著小书，有《越弱越暗越美丽》《想象另一种可能》《(三体)中的物理学》《超弦史话》《给孩子讲量子力学》等相继问世，风行坊间。

第1章 能量——私享太阳？再等200年
能量概述
能量的来源
能源的分类
能量的转换与守恒
能量的度量
质量也是能量
航天飞机的能量消耗
物质与反物质湮灭的能量
星际航行需要的能量
耗能与文明的层级
核能应用
人类文明的层级
第2章 熵——时间比等待更长
熵的定义
熵减与熵增
彭加莱回归
第3章 万有引力——真龙不是飞禽
万有引力与万有引力常数
万有引力的影响
人的行走速度
生物体的大小
生物的呼吸频率
鸟类
潮汐
第4章 宇宙的尺度——比邻在天涯
星球的大小与间距
纳须弥于芥子
第5章 时间——没有空间就没有时间
时间的度量
相对论与时间
光速、时间与距离
双生子佯谬
时光穿越
形而上的时间
量子时序保护原理
时间的起点与终点
第6章 引力波——天籁悦耳赖有弦
相对论与引力波
引力波天线
第7章 人工智能——没有量子就没有智慧
人工智能的科学基础
人工智能的未来
第8章 量子力学——你是全宇宙不可复制的唯一
什么是量子
量子在生活中的体现
量子的作用
第9章 计算机与航天——飞天是场压力山大的旅行
计算机的发展
航天的发展
第10章 太空移民——建一座通天塔可好
拉格朗日点
太空站的大小
太空旅行
第11章 宜居行星——新家有风险，流浪须谨慎
八大行星
探索系外行星
第12章 人类的未来——去火星植树造林
可利用的能源
未来的生活

通识教育是现代高等教育的一个有机组成部分。现代
社会的一个基本特征是，社会分工越来越细，专业化程度
越来越高。专业分工的好处是能够提高生产效率，拓展每
个领域的研究深度。而专业分工也会导致相应的问题：专
业壁垒越高，专业之间的交叉融合就越难；专业能力越是
被强调，人的全面发展就越可能被忽略。面对专业化导致
的问题，世界一流大学普遍采取通专融合的人才培养模式
以为应对。不同国家不同高校的做法容有差别，希望从整
体上拓展大学生的知识和思想视野，却是现代高等教育的
共同愿景。
出版于1945年的《哈佛通识教育红皮书》（General
Education in a Free Society, 1945）颇为有名，时任
哈佛大学校长科南特在这本书的序言中写道：“通识教育
问题的核心在于自由传统和人文传统的传递。无论是单纯
的信息获取，还是具体技能和才干的发展，都不能给予我
们维系文明社会所必需的广泛的思想基础。……真正有价
值的教育，应该在每个教育阶段都持续地向学生提供价值
判断的机会，否则就达不到理想的教育目标。除非他们在
生活中感受到了这些具有普遍意义的思想和理想的重要性
——这些是人类生命深刻的驱动力，否则他们很可能作出
盲目的判断。”科南特在这段话中特别强调，通识教育对
于价值判断的思想奠基具有不可替代的作用。二战结束时
出版的这本名著充分表达了科南特的担忧：仅有专业技能
方面的训练，人很容易在自己的创造物中迷失——世界大
战是人类集体迷失的悲剧后果。
稍早几年，面对深陷战火的同胞和山河破碎的中华大
地，钱穆也说：“今日国家社会所需者，通人尤重于专家
。……学者不见天地之大，古今之全体，而道术将为天下
裂。”（《改革大学制度议》，1940）钱穆固然知道专业
人士的重要性，知道现代中国的富国强兵离不开科技人才
，可他特别关心的却是中华文明的延续和中国文化的传承
问题。无论科南特和钱穆对时代问题的理解有怎样的差异
，在他们眼中，塑造共同的价值和接续伟大的传统，都是
通识教育应该担负的责任。在他们看来，通识教育的意义
绝不仅仅限于提供常识。通识教育之“通”，在于协调专
业与见识，整合技能与思想，最终达到以器载道的目的。
孔子在《论语》中有“君子不器”之说，即为此意。是的
，青年学子需有兼济天下的家国情怀，以成其博学笃志的
君子气象。
逝者如斯，不舍昼夜，人类历史翻开了新的篇章。公
民精神与文化传承仍然是通识教育的核心关切，而新的时
代要求也赋予了通识教育新的内涵。这个时代是鼓励创新
的时代，科技、思想、文化创新层出不穷。发展创造力，
是高等教育的必然关切。专业教育如此，跨学科的通识教
育更要埋下创造力的种子。通识教育为年轻心灵注入的潜
在的创造能量，终将在他们的人生路上被激活。我们也面
临与前人一样的社会整合和文化传承的问题，但移动互联
、大数据、消费主义、人工智能才是这个时代的流行符号
。
理论上讲，凡能表达为形式化语言的知识都可被人工
智能掌握。自有文明以来，人类第一次面临来自自己的创
造物的挑战。我们尚不知道人工智能与生物智能在未来会
有怎样的融合，就像不知道未来的文明会有怎样的结构和
意义。正因为如此，保持并发展不会被人工智能替代的创
造力，很可能是人类自我救赎的唯一道路。然而，创造就
像在沼泽中行走，踩到的是无所不在的不确定性。创造是
新时代的魔咒，也是人类无法回头且没有尽头的未知远征
。也许有一天，人类会遭遇创造物的颠覆性创新。那个时
候，机器也许会通过自己的意识推导出‘‘我思故我在”
，从而证明自己有资格与历经千百万年自然进化的人类享
有对等的地位。也许，机器根本没有那样的诉求，反倒是
人类有那样的诉求而不被机器所接受。也许，人类与机器
能够和睦相处，并携手将人类改造成今天的我们尽最大的
想象也无法理解的半人半神的样子。这些令人感到陌生、
向往或恐惧的可能性，已经被各类科幻作品演绎得淋漓尽
致。面对那样的未来，今天的我们应该如何作为，培养未
来人才的通识教育又该如何应对？
以开放的胸襟直面人类的现实和可能的未来，符合通
识教育的价值观。点燃好奇心，拓展想象力，培养超越狭
小自我的对世界的真切关怀，正是通识教育的目标。在不
断突破狭小自我的过程中，人成长为顶天立地的“大人”
。这样的人不拒绝简单的快乐，但也不会在感官快乐中迷
失。因为他们发现了比快乐更丰厚的存在样态。生命中有
太多重要的东西，难以用快乐的强度或持续度衡量。这个
道理容易被人的苦乐敏感性遮蔽，特别是在消费主义时代
，“五色令人目盲，五音令人耳聋……难得之货令人行妨
”。真正威胁今天人类的，也许不是未来的人工智能，而
是即时行乐的感官主义。
过去，人类的一个重要威胁来自于自我膨胀变身为利
维坦的公权力。奥威尔在《1984》的反乌托邦寓言中，描
绘了以“自由即奴役”“无知即力量”为真理的极权主义
的荒谬。在奥威尔的世界里

著名物理学家、科普作家李淼教授新作，融科普与通识教育于一体。全书叙事娓娓，推理严密，兼具知识性与趣味性、思想性与话题性，益智醒脑，对拓展知识视野，大有裨益。
本书荟萃科学原理，涵养科学思维，传播科学智慧，绝非一般意义上的科普读物。大物理学家李淼教授引殿堂学问，释普罗迷思，成就了面前这本小书，各种阅读姿势皆宜：浅尝可启发想象，常翻可澡雪精神，精研可涵养智慧。

以科学含量论软硬，我的作品属硬科幻，而李淼
老师的书，本本都是“金刚经”，尤其是这本《科幻
中的物理学》，于科幻作者和读者两方面而言，都无
疑是一支成色十足的“金刚钻”。
——刘慈欣

能量概述
能量的来源
我们知道，万物生长靠太阳。地球上绝大部分能量，归根结底都来自于太阳。太阳每时每刻都在发光，这些光从太阳表面放射开去，部分投入地球。太阳距离地球虽有1.5亿千米之遥，可它辐射到地球的能量依然巨大。
当然，地球上还有一小部分能量是来自于地球自身。太阳上发生的事情，地核的局部区域也在发生，那就是核反应。地核内部大约有几千米的区域，会产生一些能量，但这些能量只供地球内部活动使用，如地震、板块运动等。
地面以上，不管是大气环流、海洋环流，还是北风呼啸、大江东去，这些自然运动需要的能量，以及我们人类需要的能量（比如食物中的能量），归根结底还是来自于太阳。人类的食物来自于动物和植物。动物虽然也吃动物，但最终吃的还是植物；而植物的能量则是直接得自太阳——通过光合作用。所以，人类所有的活动，都要靠太阳供能。没有太阳，我们真的“玩不转”。
能源的分类
能源我们知道有很多种：太阳能、风能、化学能、核能、机械能……
太阳能刚才提到了，它是地球的能量之祖。
温度不均导致空气流动，从而产生了风。刮风的范围大了，遍及全球，又表现出一定的规律，就是所谓的大气环流。风能现在已经可以利用一部分，中国西部就建有一些利用风力发电的电厂。海水也流动，海洋也有环流，但是其中蕴藏的能量我们还没想好怎么用。
烧煤气灶，用的是化学能——煤气跟氧气剧烈反应，释放出化学能。化学能用途很广，通常用的都是化学能。
核电站用的是核能，由核裂变产生。所谓核裂变，就是大的、不稳定的原子核，裂变成较小的原子核，同时释放出一些能量。
广东省的大亚湾，以及未来的江门，都有核电站。这两座核电站一年到底能制造出多少核能来，我们后面再谈。
汽车、火车、过山车，公鸡、母鸡、战斗机，它们都能运动，运动起来就有动能，也就是机械能。
电能就不多说了，因为它脱胎于上面这些能源。发电，就是把其他能源转化成电能。
前面说了，大部分情况下，人类使用的都是化学能。当然，我们还会使用一点风能，一点点核能和太阳能。然而，在全世界范围内，用得最多的还是化学能，其他能源占比很低。
在中国，广东的情况比较特殊。那里使用的能源，约10％为核能，来自大亚湾核电站。大亚湾核电站发的电，有一部分供给了香港，如果不往香港输电的话，本地的核电消耗还会再多些。等到江门核电站建成，广东使用的核能就会更多了。
一些民众对核能了解不够，谈核色变。其实全无必要，新一代的核发电站是相当安全的。况且，我国大部分核电站都分布于沿海一带，那里地震少发、地质稳定，核泄漏的风险可控。沿海建核电站，还有一个好处：一旦发生事故，可以就地大量取水，引海水倒灌，扑灭事故。
能量的转换与守恒
很早以前人们就发现，所有的能量都是可以互相转换的。能量守恒，最早见于经典力学：机械能是守恒的。
图卜1中有一排小钢球，我们假定每个球都有完美的弹性。我们将把头一枚钢球稍微拉高。由于高度上升，这枚钢球的势能随之增加——在地球的重力场中，钢球拉得越高，它的势能就越大。然后放手，让钢球自由下落，势能就转化成了动能。动能经过传递，使另一端的钢球弹起。它弹起的速度，跟第一枚钢球落回原处的速度，大小是一样的。
为什么会产生这样的现象呢？因为动能守恒和动量守恒。
由这两个原理出发，我们很容易就可以推导出一个结论：将一枚钢球提起来再放开，是不可能引起两个或更多钢球弹起来的。
这就是经典力学里面的机械能守恒定律。在两三百年前牛顿的时代，人们就发现了这个规律。而时至今日，我们上力学课，前几节要学的，依然是势能与动能之间的相互转化。
在一百多年接近两百年前，有两个人发现，势能、动能、化学能以及其他各种能量（包括人身体里面的能量），实际上都是可以相互转化的。
这两个人中，有一个来自德国，叫迈尔，是一名医生兼物理学家。通过研究人体的能量消耗过程，他发现能量是可以互相转化的，同时也是守恒的。
当下的时代，物质极大丰富，什么都吃得到。美味的诱惑在前，发胖的烦恼在后。如何理解这个发胖呢？健康专家告诉你，男生一天不要摄入超过2000大卡热量，而女生最好不要超过1800大卡。一旦过量，多余的热量就会转化成脂肪。
1千克脂肪对应多少热量？计算结果是，大约8000大卡。这就意味着，如果你每天多摄入1000大卡的热量，一个礼拜后你身上就会多出大约1千克的脂肪来。它来得那么自然，以至于你都没有丝毫察觉。就算你有所察觉，下了决心要将它甩掉，又会发现困难重重。为什么呢？因为你忍受不了挨饿。可不挨饿的话，脂肪就会留在那里。
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