拆书笔记：《第一性原理——21堂科学通识课》

大家好，今天要跟大家分享的书是《第一性原理：21堂科学通识课》。这本书的作者是英国科学家马库斯·乔恩，由周自恒翻译，出版于2024年6月。书中探讨了从引力到量子计算机等21个科学话题，并以通俗易懂的方式解释了每个话题的第一性原理。

为什么选择“第一性原理”？

在开始之前，我想先问大家一个问题：什么是第一性原理？

简单来说，第一性原理就是那些最基础、最原始的道理或事实，它们可以推导出其他所有的知识。

比如，牛顿发现万有引力定律，爱因斯坦提出相对论，这些都是基于对自然界最基本现象的理解和观察。

引力：无处不在的力量

你可能觉得引力很神秘，但其实它就在我们身边。‘

当你跳起来时，很快就会被拉回地面；当你把一个苹果扔出去，它也会掉在地上。这些现象背后都是引力在起作用。

引力是宇宙中最普遍的一种吸引力，任何两个物体之间都存在这种力。虽然我们日常生活中感受到的引力很小，但在天体尺度上，引力的作用就显得尤为重要。

书中提到，引力在质量较小的物体间几乎可以忽略不计，但在行星、恒星甚至整个宇宙中，引力的效果是非常显著的。

想象一下，地球上的每一个原子都在互相吸引，最终形成了我们熟悉的球形结构。这听起来是不是有点不可思议呢？

电磁力与电的应用

电磁力是一种既可以表现为吸引力也可以表现为排斥力的自然力量。它比引力强得多，而且在我们生活中无处不在。

例如，手机信号、Wi-Fi连接、电力传输等都离不开电磁波的作用。

书中讲述了尼古拉·特斯拉如何利用交流电实现了长距离输电的故事。特斯拉发明了一种变压器，通过改变电压来实现高效传输。

这一创新彻底改变了人类的生活方式。现在，我们不仅可以在家里使用各种电器，还可以通过互联网随时随地获取信息。这一切都要感谢电磁学的发展。

全球变暖与气候变化

全球变暖是我们不得不面对的一个严峻挑战。

二氧化碳等温室气体能够吸收地表辐射出的热量，并将其储存在大气层中。如果没有水蒸气这样的蓄热气体，地球将会变得异常寒冷，不适合生命存在。

书中提到了一位名叫尤妮斯·富特的女科学家，她在1856年发现了不同气体对太阳光的吸收能力差异。她注意到水蒸气和二氧化碳（当时称为“碳酸”）具有较强的升温效应。这一发现为后来的气候变化研究奠定了基础。

如今，随着工业化进程加快，大量温室气体排放导致全球气温上升，我们必须采取行动保护我们的家园。

热力学第二定律：熵增原理

物理学中有许多重要的定律，其中热力学第二定律尤其引人深思。

这条定律告诉我们，孤立系统中的无序程度总是倾向于增加。

换句话说，世界总是从有序状态向无序状态发展。比如，一座城堡会随着时间坍塌成废墟，而不会自动复原；鸡蛋一旦打破就很难再恢复原状；人只能长大却不能变年轻。

作者用了一个形象的例子来说明这个道理：假设有一个完整的花瓶，它可以保持一种形态；但如果摔碎了，则会有无数种碎片组合方式。因此，在概率相等的情况下，花瓶更可能从完整变成破碎。

这种现象反映了自然界不可逆的时间箭头，也提醒我们要珍惜眼前的美好时光。

自然选择与演化理论

1859年，达尔文发表了《物种起源》，提出了生物通过自然选择逐渐演化的观点。他认为，地球上所有现存的生命形式都是由共同祖先经过亿万年的演变而来。

这一理论打破了传统宗教观念中上帝创造万物的说法，引发了广泛讨论。

书中还讲述了桦尺蛾颜色变化的故事。工业革命期间，英格兰北部城市的树木被黑烟染黑，浅色桦尺蛾因此更容易被捕食者发现。相反，深色个体则能在这种环境中更好地生存下来。随着时间推移，深色桦尺蛾逐渐占据了主导地位。

这个例子很好地展示了自然选择如何影响物种特征的变化。

此外，作者还指出，进化是一个漫长且充满不确定性的过程。只有那些适应环境变化并具备有利性状的个体才能存活下来并繁衍后代。

正如美国生物学家刘易斯·托马斯所说：“进化是一场冗长、无穷尽的生物赌局，唯有赢家才能留在桌上。”

总结

通过阅读《第一性原理：21堂科学通识课》，我们可以更加深入地理解自然界的基本规律以及它们对我们生活的影响。

无论是引力、电磁力还是热力学定律，这些看似抽象的概念其实都与我们的日常生活息息相关。

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