我的科学启蒙书： 如何提高科学素养

     《我的科学启蒙书》是一本介绍当代科学主要门类（物理、化学、天文、地理、生物、电子等）的基础概念与理论的科普图书，是一本百科全书式的知识普及读物。

    本书不同于以往晦涩的科普读物，将枯燥的科学术语、复杂的数学难题以通俗易懂又不失优美的语言呈现给大众读者，适合作为大众科学素养基础入门读物。作者从独特的视角向公众传播科普知识，让不懂专业知识的普通读者在从粒子物理到生物科技的科学世界里自由徜徉。本书将有助于读者搭建科学知识的基本架构，提高科学素养，提升在工作和生活中认识外部世界的科学能力。 

 罗伯特·哈森：美国卡内基研究所高级研究员，乔治梅森大学地球科学教授。已发表350多篇著作和20多本图书，涵盖地球科学、材料学、生命起源、历史、音乐等多个领域。作者长期通过广播、电视、讲座和视频课程等面向公众传播科学。曾获得美国矿物学学会及其杰出公众传播奖、美国化学学会伊帕季耶夫奖、蒂姆斯·泰勒奖、教育学会奖、伊丽莎白·伍德科学写作奖等。其科普著作《地球的故事》已在国内出版。

    詹姆斯·特雷费尔： 美国弗吉尼亚州乔治·梅森大学克拉伦斯·J.罗宾逊讲席物理学教授。他不仅是一位国际知名的科学家，而且擅长将复杂的科学知识讲述得通俗易懂。2007年，美国物理研究所授予他“科学写作奖”。除了发表过100多篇学术论文以外，他还是众多科普杂志的撰稿人，已出版50多部科普图书。他与妻子住在弗吉尼亚州的费尔法克斯。其著作《美国国家地理科学大百科》已在国内出版。 

前言：浅谈科学素养 I

第一章 了解世界  001

了解世界的方式 / 002

如钟表般规律的宇宙 / 005

运动 / 006

重力 / 010

科学方法 / 016

科学家 / 017

科学前沿：复杂的混沌系统 / 021

第二章 能量 023

功 能量 功率 / 024

能量的类型 / 025

好的一面——热力学第一定律 / 027

不好的一面——热力学第二定律 / 032

科学前沿：新的能量来源 / 037

第三章 电和磁  039

麦克斯韦方程组 / 040

电路 / 048

电磁辐射：光的本质 / 049

科学前沿：无线世界 / 058

第四章 原子 060

我们怎么知道它们的存在？  / 061

原子结构剖析 / 063

玻尔原子 / 066

元素周期表 / 067

科学前沿：原子图像和超重元素 / 070

超重元素 / 071

第五章 量子世界  073

小原子里的大世界 / 074

测不准原则 / 075

波函数  / 077

是波还是粒子？  / 078

量子力学：破解原子之谜 / 080

量子纠缠 / 082

科学前沿：量子隐形传态 / 083

第六章 化学键 085

导电性和化学键 / 094

科学前沿：特殊导电材料 / 101

第七章 原子结构  104

物质形态 / 105

化学反应 / 110

物理特性 / 113

机械性能 / 114

磁学性能 / 118

光学性能 / 120

科学前沿：相变 / 123

第八章 核物理 125

原子核  / 126

核能 / 127

放射性  / 132

科学前沿：核聚变 / 138

第九章 物质的基本结构 139

原子核和亚核粒子 / 140

四种力  / 142

粒子加速器 / 145

统一场论 / 146

科学前沿：对重力的重新思考 / 148

第十章 天文学 149

太阳系  / 155

太阳系速览 / 157

类木行星 / 158

其他行星系 / 159

银河系  / 159

科学前沿：搜寻类地行星 / 163

第十一章 宇宙 164

宇宙膨胀 / 165

宇宙大爆炸 / 167

宇宙大爆炸的证据 / 169

宇宙的结构 / 170

暗物质和暗能量 / 171

科学前沿：什么是暗物质？  / 173

第十二章 相对论 175

参照系  / 176

狭义相对论 / 178

广义相对论 / 186

广义相对论实验 / 189

科学前沿：引力波探测 / 192

第十三章 不安分的地球 194

板块构造论 / 196

板块的发现 / 200

观察固态地球的窗口 / 205

科学前沿：寻找地下宝藏 / 207

第十四章 地球的周期  210

周期变化 / 211

岩石周期 / 212

水循环  / 215

大气周期 / 221

科学前沿：碳循环系统 / 224

第十五章 生命的阶梯  226

生命分子 / 227

生命的化学工厂 / 233

生命的结构 / 238

科学前沿：蛋白质结构 / 242

第十六章 生命的密码  245

孟德尔的豌豆 / 246

DNA 和 RNA：基因密码的信使 / 249

生命的繁衍 / 256

科学前沿：人类基因组计划 / 260

第十七章 生物科技  263

DNA 指纹图谱 / 264

基因工程 / 267

克隆 / 270

干细胞  / 272

第十八章 进化 274

化学进化 / 276

生物进化 / 279

进化的证据 / 283

进化的故事 / 285

灭绝 / 289

科学前沿：分子进化和分子钟 / 292

第十九章 生态系统  295

生命之屋 / 297

能量和食物链 / 299

养分和碳循环 / 301

人类与环境 / 302

结语 科学的作用  311

     《我的科学启蒙书》是一本介绍当代科学主要门类（物理、化学、天文、地理、生物、电子等）的基础概念与理论的科普图书，是一本百科全书式的知识普及读物。

    本书不同于以往晦涩的科普读物，将枯燥的科学术语、复杂的数学难题以通俗易懂又不失优美的语言呈现给大众读者，适合作为大众科学素养基础入门读物。作者从独特的视角向公众传播科普知识，让不懂专业知识的普通读者在从粒子物理到生物科技的科学世界里自由徜徉。本书将有助于读者搭建科学知识的基本架构，提高科学素养，提升在工作和生活中认识外部世界的科学能力。 

 罗伯特·哈森：美国卡内基研究所高级研究员，乔治梅森大学地球科学教授。已发表350多篇著作和20多本图书，涵盖地球科学、材料学、生命起源、历史、音乐等多个领域。作者长期通过广播、电视、讲座和视频课程等面向公众传播科学。曾获得美国矿物学学会及其杰出公众传播奖、美国化学学会伊帕季耶夫奖、蒂姆斯·泰勒奖、教育学会奖、伊丽莎白·伍德科学写作奖等。其科普著作《地球的故事》已在国内出版。

    詹姆斯·特雷费尔： 美国弗吉尼亚州乔治·梅森大学克拉伦斯·J.罗宾逊讲席物理学教授。他不仅是一位国际知名的科学家，而且擅长将复杂的科学知识讲述得通俗易懂。2007年，美国物理研究所授予他“科学写作奖”。除了发表过100多篇学术论文以外，他还是众多科普杂志的撰稿人，已出版50多部科普图书。他与妻子住在弗吉尼亚州的费尔法克斯。其著作《美国国家地理科学大百科》已在国内出版。 

某一天，我们拿起报纸，看到头版上这样的新闻标题：《科学家发现干细胞新奥秘》，或者《科学家提出全球变暖新理论》。这些报道十分重要，相关议题的讨论直接影响着人们的生活。而“读懂议题”是我们加入这些讨论，表达观点和看法的基础。

从全球气候变化的讨论到关于进化论的表述以及美国竞争力逐渐下降等问题的相关研讨，科学与技术从未像现在这样主导着公共议题的讨论。理解这样的讨论正如我们能够阅读一样重要。

即使经过几十年艰苦的、持续的努力，科学家和教育工作者们仍未能让公众掌握应对当前和未来复杂的科学技术世界所必需的、基本的背景知识。

什么是科学素养？

科学素养是指人们理解公共议题的知识和能力。它是一个复杂的知识体系，包括事实、术语、概念、历史、哲学等，并不针对某个专业领域，而是政治话语中更通俗、更宽泛的知识。如果你能理解与科技相关的新闻，能消化干细胞研究、温室效应等报道，并能将它们与现实生活联系在一起，或者简单说，你能像读其他新闻那样读懂科技类相关新闻，那么你就具备了科学素养。

这样的标准对于大部分专业学者来说相当低，而且看起来并无太大意义。但那些持有人人必须深入理解科学论调的专家，混淆了科学知识重要但并不相同的两个方面：“做”科学和“用”科学。这是两个不同的概念。我们所指的科学素养仅与“用”科学相关。

普通民众不需要像科学家一样精通科学。我们不需要懂得芯片是怎样设计的，基因是如何排序的，我们只需要理解日常生活中与科学有关的所见所闻。就像我们想要了解飞机是如何飞行的，并不需要跑去弄明白飞机是怎样设计的。

只是，即使我们不需要弄明白飞机是怎样设计的， 也至少应该明白飞机如何改变着我们的生活，纳米科技、生物工程等领域的科技进步如何影响着生活的方方面面。这就需要人们有足够的背景知识来理解这些变化。我们只有理解科技进步带来的重要影响，才能够结合现实参与相关的讨论。

与文化素养一样，科学素养并非详细的、专业的知识，那些深奥的专业知识是专家们的事情。当我们在新闻报道中遇到“超导体”这个术语的时候，我们只要知道超导体是一种损耗极小的导电材料就可以了。由于超导体只能在超低温环境下才能发挥特性，所以它的应用领域有限。当前材料学重要的科研方向即是如何突破超低温的限制，在更广泛的领域应用超导材料。即使不懂原子层面超导体的工作原理，只要能明白超导体分为哪几种类型，如何制造超导材料等问题，就可以说具备了基本的科学素养。

深入研究某一科学领域并不意味着已经拥有了基本的科学素养。有的科学家在相关研究领域无所不知，但超出他们的专业领域，常常表现得像个科学“文盲”。本书作者做过这样一个实验：请24名物理学家和地质学家分别解释 DNA 和RNA 之间的区别。结果令人出乎意料，只有三位科学家讲清楚了生命科学最基本的两个概念，且三位科学家所从事的研究需要这两个概念的相关知识。尽管本书作者没有针对生物学家进行过类似的调研，比如请生物学家解释超导体和半导体的区别，但我们相信结果大同小异。实际上，科学家接受的教育普遍局限于某个特定的领域，他们可能和普通人一样在很多科学问题上表现出无知。记得下次听诺贝尔奖得主煞有介事地讲他们专业之外领域的话题时，千万不要忘了他们也许和你一样，在某些问题上一知半解。

    最后，需要指出的是知识的某个层面常常与科学素养混为一谈。比如有人说“新员工普遍不知道如何使用黑莓手机”，“普通人的生活离不开科技，但遇到家里没人的时候甚至不知道如何使用录像机”。 这些观点本身没错，反映了生活中的一些问题。但它们讨论的并不是科学素养，更准确地说是“技术素养”。