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第一篇 序幕：星星和原子 1

第1章 科学的方法：经验和理性 3

1.1星星的微尘：邀请你访问科学 3

＊1.2观察夜空 5

＊1.3古希腊理论：地心宇宙 8

＊1.4哥白尼理论：日心宇宙 14

＊1.5开普勒理论：以太阳为焦点的宇宙 17

＊1.6科学：大自然与心智的对话 20

＊1.7哥白尼革命：近代科学的黎明 24

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题 27

第2章 原子：事物的本性 30

2.1古希腊的原子：最小的碎片 30

2.2原子和分子 32

2.3原子解释事物的能力：紫罗兰的香味 34

2.4公制长度和10的乘方 37

2.5原子的不可思议之小 39

2.6原子唯物论：原子和虚空 41

2.7三种原子模型：古希腊模型、行星系模型和量子模型 43

2.8化学与生命：原子曾为你做过些什么 44

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题 47

第二篇 牛顿式宇宙：一个像钟表一样运转的王国 53

第3章 物体怎样运动：伽利略的问题提得恰当 53

3.1亚里士多德物理学：常识性的看法 54

3.2我们是怎么知道的？亚里士多德物理学的困难 54

3.3惯性定律：牛顿物理学的基石 57

3.4运动的量度：速率和速度 60

3.5运动的量度：加速度 62

＊3.6自由落体 64

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 66

第4章 物体为什么这样运动 71

4.1力：使物体加速的原因 72

4.2把力和加速度联系起来 74

4.3牛顿运动定律：牛顿物理学的核心 76

4.4重量：物体所受的重力 78

＊4.5作用力与反作用力定律：你不能只做一件事 80

＊4.6牛顿遇到汽车 82

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 85

第5章 牛顿心目中的宇宙 90

5.1万有引力的观念：苹果和月亮 91

5.2万有引力定律：推动最远的星球 93

＊5.3引力坍缩：太阳系的演化 98

＊5.4引力坍缩：质量更大的恒星的死亡 100

5.5牛顿世界观：一个平权的、机械的宇宙 104

5.6超越牛顿：牛顿物理学的局限性 106

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 108

第三篇 向新物理学过渡 115

第6章 能量守恒：你不能超支 115

6.1功：用一个力移动一个物体 116

6.2功和能：一个简单例子 117

6.3对能量的定量考察 118

6.4能量：做功的本领 120

6.5能量定律：能量是永恒的 122

6.6能量的转化 124

6.7功率：能量转化的快慢 126

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 128

第7章 热力学第二定律：连不盈不亏也不行 134

7.1热传递 134

7.2热机：用热能做功 136

7.3能量的品质：逐步降级 138

＊7.4熵增加定律：为什么连不盈不亏也不行 139

＊7.5汽车 142

＊7.6运输效率 146

7.7蒸汽发电厂 149

＊7.8资源使用与指数增长 151

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 156

第8章 光与电磁 161

8.1波：行进的某种特别的东西 161

8.2干涉：波独有的行为 164

8.3光：是粒子还是波 167

8.4电：电磁力的一部分 169

8.5磁：电磁力的另一部分 171

8.6内部有电的原子 172

8.7原子的行星系模型：一个有用的理论 176

8.8力场：空间的扰动 177

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 181

第9章 电磁辐射与全球气候变化 186

9.1光的电磁波理论 186

9.2牛顿宇宙观的衰落 190

9.3完整的波谱 191

9.4太阳辐射：来自我们的恒星的光 194

＊9.5全球臭氧枯竭：一颗脆弱的行星 195

＊9.6全球变暖：激怒这头猛兽 201

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 212

第四篇 后牛顿宇宙观：观察者的闯入 219

第10章 狭义相对论 219

10.1爱因斯坦：反传统的叛逆者 219

10.2伽利略相对性：牛顿物理学中的相对性 221

10.3相对性原理 223

10.4光速的不变性：奇怪，然而是真的 224

10.5时间的相对性 228

10.6时间旅行：你不能再回到原处 232

10.7空间和质量的相对性 234

10.8E＝mc2：能量有质量，质量有能量 237

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 242

＊第11章 广义相对论和新宇宙学 247

11.1爱因斯坦的引力：广义相对论 248

11.2大爆炸 254

11.3宇宙的各种可能的几何 256

11.4宇宙的形状 258

11.5暗物质 260

11.6加速膨胀的宇宙和暗能量 262

11.7宇宙暴胀和宇宙简史 264

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题 269

＊第12章 探寻地外智能 273

12.1还有别的适合于生命的“好”地方吗？ 274

12.2在“好”行星上有生命发源吗？ 277

12.3智能是生命的特征吗？ 281

12.4智能生命会发展技术吗？ 283

12.5星际交流和旅行：我们能够进行接触吗？ 284

12.6费米的问题：他们在哪儿？ 287

12.7不明飞行物和伪科学 290

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 296

第13章 量子观念 300

13.1后牛顿革命 300

13.2光的量子化 302

13.3量子世界 307

13.4电子干涉：实物的波动性 308

13.5物质的量子奥秘 314

13.6大自然是非局域的，并且是不确定的 315

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 319

第14章 量子论的宇宙 322

14.1不确定原理：未来不由过去决定 322

14.2观测的效果 326

＊14.3量子非局域性：不可思议的超距作用 331

14.4这是什么意思？量子实在 335

14.5朝向一个后牛顿世界观 338

＊14.6我们是怎么知道的？观察原子光谱 339

＊14.7原子的量子理论 342

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 348

第五篇 原子的内部：原子核之火、太阳之火 353

第15章 原子核和放射性：一种新力 353

15.1核力：第三种胶 354

15.2核能和核结构 355

15.3放射性衰变：原子核的自发蜕变 357

15.4半衰期：一个原子核在何时衰变 361

＊15.5放射性年代测定：我们开始出现于何时？ 362

＊15.6人体受致电离辐射照射 366

＊15.7风险评估：技术社会对风险的处理 370

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 373

第16章 聚变和裂变：一种新能量 377

16.1聚变：太阳的天火 378

16.2核能曲线 380

16.3元素的起源：我们由恒星材料构成 382

16.4裂变的发现：过渡到一个新时代 383

16.5链式反应：打开锁着的核力 387

＊16.6曼哈顿计划和裂变武器 390

＊16.7聚变武器：地球上的天火 395

＊16.8核恐怖主义 398

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 400

＊第17章 能量的挑战 404

17.1能量简史 405

17.2今天和明天的能量使用 407

17.3核动力：它是怎样工作的 412

17.4技术评估：一个例子 415

17.5核动力引发的争议 418

17.6未来的能量选择：可再生能源 422

17.7未来的能量选择：节能 427

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 429

＊第18章 量子场：相对论与量子联姻 434

18.1量子化的场：存在粒子的原因 434

18.2量子电动力学：关于电子和光的奇妙理论 436

18.3反物质 439

18.4电弱统一和中微子 443

18.5强作用力和夸克 448

18.6量子引力：普朗克尺度上的物理学 453

概念检查答案，关键概念，复习题，思考题，习题 459

跋：总结 462

奇数题号思考题和习题答案 465

术语词汇 480

汉英对照索引 496

译后记 516

照片版权声明 518

元素周期表 521