了不起的物理（簡體書）

自　序：和物理交個朋友

這本《了不起的物理》不是我一個人完成的書，而是網絡上超過500萬訂閱者與我共同完成的。我從2018年年底開始在網絡上製作短視頻，介紹各種各樣的科學知識。原本我以為科學普及是一個相對冷門的領域，卻沒有想到在第YI條《黑洞是什麼？》的視頻之後，就獲得了近30萬訂閱者。也在之後的兩年多時間裡，收穫了一個又一個100萬的新增訂閱者。這讓我覺得備受鼓舞，原來大家對於物理學的求知欲這麼旺盛！

在與訂閱者們交流的過程中，我清楚地瞭解到大家對於科學的興趣點、關注點在什麼方面，也從大家的問題當中打磨出了一套如何把複雜、艱深的知識用通俗易懂的方式傳遞出去的方法。在此，我總結了物理學中的100個有趣話題進行深入講解。這100個話題涵蓋物理學的方方面面，有生活中的物理學和黑科技，例如5G、裸眼3D、超級高鐵；有廣闊如宇宙的物理學原理，如引力波、黑洞和宇宙大爆炸理論；還有微小如量子的內涵哲理，如薛定諤的貓、量子糾纏和不確定性原理；更有對重要物理學定律的總結，像能量守恆定律、愛因斯坦方程和熵增原理。

這100個話題的撰寫，都是經過與訂閱者們的交流才逐漸細化、深化並做到通俗化的，所以這是一本500萬人參與完成的物理學科普書籍。

我想這本書是面向所有對物理學感興趣的人們的。不論你學歷高低、對物理學知識的積累是否足夠，只要你對物理學有興趣，那這本書就一定適合你。在這個基礎上，如果你是正在學習物理的中學生，《了不起的物理》作為課外的科學補充讀物，相信更能激發起你對物理學的熱情，並能拓寬你在物理學中的知識面。

我們生活在一個科技高度發達的世界中，我們生活中的方方面面都有物理學。相信讀完這本書，你對生活中大部分接觸到的科技產品都會建立比較清楚的概念，瞭解它們的工作原理。而像宇宙學、量子力學、相對論這種在過去看來極為艱深的物理學知識，現在

1　為什麼坐飛機不讓托運充電寶？ 001

2　保溫杯如何做到一晚上水都不冷？ 004

3　二維碼的工作原理 007

4　降噪耳機如何降噪？ 009

5　為什麼磁懸浮列車沒有車輪？ 012

6　這也許是以後沒有人坐飛機的原因：超級高鐵 015

7　高鐵為什麼這麼快？ 018

8　微波爐和蕩秋千有什麼關係？ 020

9　為什麼5G網速那麼快？ 022

10　5G有輻射嗎？ 024

11　核輻射是什麼？ 026

12　為什麼網絡連接要用光纖？ 029

13　為什麼大地震以後會斷網：海底光纜 032

14　為什麼海市蜃樓常常倒立？ 035

15　核磁共振對人體有危害嗎？ 038

16　會車的聲音為什麼忽高忽低：多普勒效應 040

17　太陽能為什麼還沒普及？ 043

18　如何一攬子解決電學問題：麥克斯韋方程組 046

19　為什麼看3D電影要戴眼鏡？ 048

20　不戴眼鏡的3D電影如何實現？ 051

21　衛星定位是怎麼做到的？ 053

22　發明Wi-Fi的是個女演員？ 056

23　為什麼世界上沒有兩片相同的雪花？ 058

24　為什麼煙花五顏六色？ 061

25　為什麼隱形戰機是黑色的？ 064

26　飛機遇到氣流為什麼會顛簸？ 066

27　直升機為什麼至少有兩個“螺旋槳”？ 069

28　硬碟存儲了檔以後會變重嗎？ 072

29　霧霾到底是什麼？ 074

30　為什麼吸鐵石只吸鐵？ 076

31　溫度是怎麼定出來的？ 080

32　地球的南北極會顛倒？ 082

33　萬有引力真的是牛頓發現的嗎？ 084

34　太陽系如何運轉？ 087

35　太陽系的邊緣在哪兒？ 090

36　為什麼天體之間的會面如此規律：軌道共振 092

37　為什麼我們看不到月球的背面？ 095

38　土星為什麼有個遊泳圈：洛希極限 098

39　所有物質都很懶：能量ZUI低原理 101

40　如何知道星星離我們有多遠？ 103

41　宇宙越變越大：哈勃定律 106

42　為什麼說銀河系轉得過快了？ 109

43　宇宙是怎麼來的？ 112

44　宇宙的盡頭在哪裡？ 115

45　比宇宙還老的恒星 117

46　愛因斯坦：引力並不存在 120

47　引力的本質：時空扭曲 122

48　如何用一句話解釋黑洞？ 124

49　你真的進得去黑洞嗎？ 127

50　為什麼無法從黑洞裡逃出來？ 129

51　如果黑洞進不去，它是怎麼吸東西的？ 131

52　黑洞不光往裡吞，也往外吐：霍金輻射 133

53　如何製造一個黑洞？ 135

54　不可能存在的黑洞：中等質量黑洞 137

55　什麼是引力波？ 140

56　為什麼過了100年我們才探測到引力波？ 143

57　基本粒子分哪兩種？玻色子和費米子 146

58　太陽的宿命是什麼？ 148

59　宇宙的燈塔：超新星 151

60　如何把喜馬拉雅山壓縮到一個橘子大小？ 154

61　製造火箭的關鍵是什麼？ 157

62　為什麼星際航行常常要繞遠路：彈弓效應 159

63　霍爾推進器：長距離星際航行的必備技術 162

64　曲率引擎：超光速旅行可能實現嗎？ 165

65　天體物理和羅馬神話的關係 168

66　為什麼冥王星被踢出去了？ 171

67　量子物理的誕生：黑體輻射 174

為什麼坐飛機不讓托運充電寶？

為什麼坐飛機的時候充電寶不讓托運？這不是充電寶的責任，而是鋰離子電池的責任，充電寶用的電池是鋰離子電池，在擠壓、高低溫、遇水等極端情況下容易起火。所以，不僅是充電寶，只要帶有鋰離子電池的電器用品都不能托運，例如筆記型計算機。

在飛機上，由於氣壓驟變、行李會因顛簸而相互擠壓，這些因素都會使鋰離子電池有著火的風險。如果鋰離子電池是在客艙著火，還能拿滅火器人工撲滅；但在飛機飛行過程中，鋰離子電池在行李艙裡起火的話，由於行李艙裡沒人，這就非常危險。

既然這樣，為什麼還要用鋰做電池呢？因為鋰充放電性能好，且儲電量大，電動汽車之所以能夠普及，就是因為鋰離子電池的儲電量大，使得電動車有足夠的續航裡程。

普通乾電池靠化學反應放電，化學反應完了，電就用完了，很難通過充電讓反應物回到反應前的狀態。而鋰元素在元素週期表上排行第三，一個鋰原子裡有三個電子，它的電子結構導致ZUI外層的一個電子很容易被拔出來，相應地也容易被裝回去，因為這個特性，鋰的化合物成了優質充、放電材料。

除此之外，鋰是ZUI輕的金屬，同樣質量的不同金屬，鋰的原子數ZUI多，因此，同樣質量的金屬，鋰原子可用的電子也是ZUI多的。理論上，其他材料都不如鋰的儲電量更大。

因為充、放電容易和儲電量大的特點，所以鋰離子電池被廣泛應用於電子產品中。不過鋰元素易於充、放電的特性是把“雙刃劍”，它的化學性質極其活躍，容易發生置換反應，比如把鋰放在水裡，鋰會輕易地把水裡的氫元素給置換出來，從而生成氫氧化鋰和氫氣。由於氫氣有易燃易爆的特性，所以鋰有一定的危險性，這也是充電寶在坐飛機時不讓托運的根本原因。

其實很多技術都具有兩面性，它們一方面可以滿足我們的性能需求，另一方面也可能對其他方面產生隱患。例如，核能雖然產生能量的效率高，但是核電站的爆炸事故對環境的影響是災難性的。技術的進步往往是舉步維艱的，它們對我們並非永遠有益。

二維碼的工作原理

二維碼現在存在於我們生活中的方方面面，微信和QQ加好友可以掃二維碼，收付款可以用二維碼，取電影票可以用二維碼。但你知道二維碼的原理是什麼嗎？為什麼二維碼只有三個角有小方塊，而不是四個角都有小方塊呢？當然，現在的二維碼形態多種多樣，未必都是方形，也有圓形的二維碼，但它只要是二維的，其工作原理都是類似的。

其實不管是二維碼，還是超市裡商品上的條碼，它們的工作原理都跟你考試填的答題卡是類似的。計算機能夠理解的信號都是二進位信號，也就是計算機只認識0和1兩個信號。但是現實生活中的信息多種多樣，我們要怎樣讓計算機只通過二進位信號，就能處理那麼複雜的信息呢？這裡就涉及二進位信號和其他信號的轉換問題。首先要理解二進位，二進位就是“逢2進1”。譬如1+1=2，但是在二進位的情況下，2是不存在的，碰到2，就要進一位，這就好像我們平時用的數學是十進位，9加1就要進一位元變成10，而二進位中，滿2就要進一位元，2用二進位信號表示就是“10”。記住，這裡的“10”不是“十”，而是“1”和“0”，那麼3等於2+1，其實就是“10”+“1”就等於11，同樣的，這裡的“11”不是“十一”，而是“1”和“1”。再進一步，4要怎麼用二進位表示呢？4=3+1，那就是“11”+1等於“1”和“2”，對吧？但是2在二進位的情況下又是“10”，所以4就是“20”，但是2用二進位表示又是“10”，所以4用二進位表示就是“100”，它不是“一百”，而是“1”和“0”和“0”。用這樣一套方法，我們就可以把各種各樣複雜的信號轉換為二進位信號，讓計算機讀懂，並進行處理。

二維碼其實就是把0和1的信號變成了小方格，一個二維碼當中，黑色的小方格代表1，白色的小方格代表0，手機一掃就知道一個二維碼裡面的0跟1是怎麼排列的了，二維碼本質上就是給你手機裡的計算晶片一串0和1的信號，手機接收到信號以後就開始運算了。

二維碼裡有三個小方塊是分佈在三個角上的，這是幫助二維碼進行定位的，不管你的手機是橫著掃、豎著掃，還是斜著掃，它都知道二維碼應該從哪個方向開始讀。四個方塊反而不行，因為這樣的話，手機無法辨認出這個二維碼從什麼位置開始才是第一行。

其實在二維碼出現之前，我們常用的是條碼，條碼傳遞信息的原理跟二維碼是一樣的，那為什麼不直接用條碼而要更多地使用二維碼呢？因為條碼的信息量有限，它只有一行，但是二維碼有很多行，所以二維碼傳遞的信息量更大。手機普及以後，網絡世界的信息越來越豐富，我們的手機要處理的網絡信息也越來越複雜，能夠傳遞更大信息量的二維碼，會更加貼合我們的資料需求，於是二維碼就變得越來越主流了。