一块曲奇饼干所含的能量，其实比等量的TNT炸药还多，那为什么不用饼干去爆破大楼？物理学上的卡、千卡，减肥人士所说的“大卡”是什么意思？有哪些物理学减肥窍门？电动车清洁、便利，但它至今没有取代汽油车的关键原因是什么？如何利用波的知识避免台风、海啸、地震对我们的伤害？全球变暖是真实的，还是媒体炒作的？人类要对全球变暖负责吗？要负多少责任？核弹的“核”与核电厂的“核”，在本质上是一样的吗？有人说，人类正在耗尽化石燃料，有人却矢口否认，这让你心存担忧吗？

你知道吗？物理其实是一种高科技范儿的人文教育。懂点物理，能改变生活，开阔眼界，让我们了解和关心身边的世界。大到头条国际大事，小到日常活动，都涉及许多重要和前沿的物理知识。

本书源自美国著名物理学家穆勒在加州大学伯克利分校（UCB）开设的通识课，连续几年受学生热捧，教室座无虚席。成书后十余年里多次再版，成为15所美国名校教科书，获《科学》杂志高度赞誉。

作者以全新的视野、幽默的语言，从热、声、光、电、原子能、量子、宇宙论等13个角度，阐述了新能源、核安全、太空探索、减灾防灾、全球变暖等热门话题中的物理知识，同时解释了减肥、开车、听歌、购物等日常生活背后的科学。

跳过烦人计算，摆脱复杂公式，直达精髓，培养智识。

本书不仅帮助我们消除对物理的刻板印象，更是新时代每个人必修的科学人文课。

理查德·A.穆勒（Richard A. Muller），1944年生，加州大学伯克利分校荣休物理教授，劳伦斯伯克利国家实验室教职高级科学家、麦克阿瑟基金会研究员。34岁时，他由于在天体物理、放射性同位素定年和光学等领域的发现和创新，获得了美国国家科学基金会颁发的“艾伦· 沃特曼奖”。38岁时又获得“麦克阿瑟天才奖”。2010年，为解决全球变暖问题，他组建了伯克利地球组织（Berkeley Earth）。成员包括他的学生、2011年诺贝尔物理学奖得主索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）。他的导师路易斯·阿尔瓦雷茨（Luis Walter Alvarez）也是世界著名实验物理学家、1968年诺贝尔物理学奖得主。著有科普书《三次大爆炸》《速成物理学家》等。

能量、功率以及爆炸

白垩纪末期正值恐龙生活的黄金时代，但当时一颗直径约为10英里的小行星或彗星以每秒20英里左右（比现在最快的子弹还要快10倍以上）的速度冲向了地球。很多这样的大型天体都曾经和地球擦肩而过，但是这一颗却真的击中了地球。这个天体几乎没有遇到空气的阻力，它在瞬间穿过了大气层，并在身后短暂地留下了一条真空通道。它撞击地球时的力量如此之巨，以至于它和周围的岩石瞬间升温至1000000℃以上，这比太阳表面的温度还要热一两百倍。小行星、岩石以及水（如果击中了海洋）全部瞬间汽化。爆炸释放的能量比1亿兆吨TNT爆炸所产生的能量还要大，这比美国和苏联的核武器能量总和还大1万倍……不到1分钟的时间，不断扩大的陨石坑就达到了60英里宽、20英里深。这个坑还会变得更大。撞击产生的炽热的汽化物质已经喷射到大部分大气层中，高达15英里。1分钟前仍然是发光等离子体的物质，现在开始冷却，凝结成尘埃和岩石。它们会散布到世界各地。

——理查德·A. 穆勒，《涅墨西斯星》

假如一颗像珠穆朗玛峰那么大体积的小行星撞击地球，没人会怀疑它能造成多么巨大的破坏。同样，我们也不会怀疑这样的天体是否存在（图1.1）。这种威胁是很多灾难电影的主题，包括《彗星撞地球》（Deep Impact）、《地球浩劫》（Meteor）、《天地雄心》（Armageddon）等。小行星和彗星经常会从地球旁边飞过。每隔几年，我们就会看到报纸头条上“侥幸脱险”的标题，报道中会出现一个“只差几百万英里”就撞上地球的天体。这还远远称不上侥幸。地球的半径大概为4000英里，所以，相距400万英里的擦肩而过就相当于从千倍于地球半径的地方掠过，这样击中地球的概率之低堪比在标靶上击中一只蚂蚁。

图1.1　苏梅克-列维9号彗星撞击了木星。相比于6500万年前那颗小行星或彗星击中地球时引发的爆炸，这次的规模要小得多。该图片由彼得·麦格雷格摄于澳大利亚国立大学（ANU），所用设备为天文与天体物理研究院赛丁泉天文台的2.3米望远镜。图片来源：澳大利亚国立大学

虽然在你的一生中遭遇小行星撞击事件的概率非常低，但一旦遇上，后果就不堪设想了，几百万甚至数十亿的人会因此而丧命。正因如此，美国政府一方面持续资助小行星搜索，借以识别潜在的撞击天体；一方面资助可以移动或摧毁类似天体的研究。

但是，小行星是岩石而非炸药构成的，那为什么小行星撞击会导致爆炸呢？而且，为什么爆炸规模如此之大？说到底，爆炸是怎么回事？

爆炸和能量

当处于存储状态的大量能量，突然在有限的空间中转化为热时，爆炸就发生了，对手榴弹、原子弹，或者撞击地球的小行星来说都是如此。爆炸释放的热使物质汽化，成为温度极高的气体。这样的气体具有巨大的压力——也就是说，它给周围所有物质都施加了很大的力。没有东西能抵御如此强大的力，所以气体能迅速膨胀并把所有邻近的物体都推开。在爆炸中真正带来伤害的是飞散的碎片。在这里，能量的最初形式并没有严格的限制，它可以是动能（由运动产生），就像小行星携带的能量，或者化学能，就像三硝基甲苯（TNT）所蕴含的能量。从能量到热的快速转化，才是大部分爆炸的真正原理。

你可能已经注意到了，我在上一段使用了很多术语，但是我并没有解释它们。诸如“能量”和“热”这样有其日常的含义的词，在物理学中，它们也有各自确切的含义。物理学可以像几何学那样，借助演绎推理获得知识，但是用这种方法学习会有点困难。所以我们先从最直观的定义开始，随着对物理的逐步深入，再让这些定义变得更准确。下面有一些你可能会觉得很有用的初始定义，它们的确切含义会在接下来的三章中逐渐清晰。