第一性原理：21堂科學通識課

【文科生的科學自救：如何用物理學重塑認知】 物理學對文科生來說，聽上去就像是塊啃不動的硬骨頭。更別說這本書，把原子、中微子、熱力學第二定律、量子糾纏、黑洞、反物質全塞進了21堂課。大多數人看這些詞，可能第一反應就是放棄。 但我讀完了。 說實話，讀的過程中有幾次感覺腦袋要“炸”了。中微子是什麼鬼？每秒幾十億個穿過我身體，竟然不留痕跡？熱力學第二定律，這不是大家常提的熵增嗎，還能學出點什麼新東西？量子計算，谷歌剛剛發佈的Willow量子芯片這到底是真的，還是量子物理的“魔法秀”？ 這種炸裂的體驗，不僅讓我對科學肅然起敬，還讓我意識到一個事實：世界的底層邏輯比我們想象得要複雜得多。但只要稍稍撥開迷霧，你會發現，所謂科學的“神祕”，其實也只是更高級的常識。 就在我還沒完全理解量子理論的時候，谷歌就“跑”到了前面，發佈了他們的“Willow芯片”。五分鐘，解決了一個超級計算機需要十的25次方年才能完成的任務。這是什麼概念？連宇宙的年齡都沒那麼久。 量子計算機爲什麼這麼快？簡單說，它用的是量子態的疊加和糾纏——就像打開薛定諤的貓的盒子，你看到的不是一隻活貓或者死貓，而是無數個盒子裏的無數種狀態同時在計算。所有的可能性疊加起來，同時“運行”，最後你得到唯一的答案。你說這是不是開掛？ 但這本書讓我明白，量子計算並不是魔法，而是建立在真實的物理規律之上。谷歌的這一突破，也讓我第一次從感性上理解，科學不是抽象的，它是實打實地改變我們的生活——或者至少正在改變我們的未來。 熱力學第二定律這條“宇宙法則”其實並不新鮮，甚至可以說是過去印象的“回鍋肉”。熱力學第二定律的核心就是：一切都在走向混亂，無序比有序多得多。你想讓一個東西變得井井有條，需要花費大量的能量，而混亂只需要靜靜地等着。 書中對這一概念的闡述讓我“啞口無言”。它不是單純的物理規律，它是世界運行的“潛規則”。比如，你的家庭、你的團隊、你的公司，如果沒人去刻意維持秩序，它就會逐漸陷入混亂。這就像宇宙，它的最終歸宿是“熱寂”，一切都歸於冷冷的、毫無波瀾的熵增狀態。 這讓我重新思考，爲什麼我們總覺得生活中“維持”比“創造”還要難。原來，這不是人的問題，而是宇宙的規則。你對抗混亂，就已經是對抗宇宙了。 中微子是這本書裏最讓我震撼的存在。想象一下，每秒鐘有數十億個中微子穿過我們的身體，它們來自太陽的核聚變、超新星爆發，甚至地球內部的放射性衰變。中微子的質量微乎其微，它們不帶電，幾乎不與物質發生相互作用，因此可以穿過我們的身體而毫無阻礙。 它們的存在讓我明白，所謂的“實心世界”其實充滿了無盡的空隙和未解的奧祕。 薛定諤的貓和彩票的類比是這本書中對我最友好的解讀。開獎之前，你的彩票上寫着無數個可能的中獎號碼——所有的可能性疊加在一起。開獎之後，坍縮爲一個結果：要麼中獎了，要麼沒有。 這就是量子態的本質：在被觀測之前，它可能是任何一種狀態。你的觀測行爲不僅記錄了現實，還“創造”了現實。 這種理論雖然抽象，但讓我重新審視生活中的“選擇”。我們每天都在做選擇，而每一次選擇都是一次“觀測”，是對未來可能性的坍縮。你觀測什麼，就決定了什麼。而那些永遠不敢觀測的人，或許一輩子都無法觸碰屬於他們的那種“中獎結果”。 它不只是科學，它是一把鑰匙，能打開許多鎖。 有人會問，讀物理課的意義何在？我是文科生，我不會用這些公式和原理去發明量子計算機，也不會設計反物質推進器。那麼，爲什麼還要了解？這本書的答案很簡單：因爲你無法迴避這些規律。它們在你看得見和看不見的地方，操控着你的生活。瞭解它們，你就能看得更深、想得更遠。 我們大部分人讀書，喜歡的是那些能立刻用到的知識。比如某些雞湯教你如何賺錢，某些勵志文告訴你如何奮鬥。但這本書告訴我，真正改變世界的，是那些看起來“用不到”的知識。 熱力學第二定律告訴你，爲什麼保持秩序如此難。中微子告訴你，隱形的力量有多強。量子理論告訴你，選擇是如何改變現實。 這些概念或許不能直接讓你多賺一分錢，但它們讓你理解了你所處的世界。 而理解世界，纔是真正強大的起點。

此“第一性原理”非彼“第一性原理”，和馬斯克毫無關聯。就是一本普通的現代物理科普書，一半的內容都是量子力學和相對論，標準模型及其延伸的內容。此類科普我更推薦《改變世界的17個方程》。 對於科普書，如果一個方程都沒有，我是不看的，沒有數學的科普，普什麼？沒有方程的數學還是數學嗎？數學其實不算science，它並不研究什麼物質世界，而是一種探索工具，數學是研究世界本源的學科。狄拉克說，任何物理公式都應該具有數學美，全球也搞過最美方程評比，現在的標準模型，大家都不太滿意，覺得還有更優化的統一模型，就是因爲不簡潔，缺乏數學美。那麼數學美究竟是什麼美呢？對稱，簡潔，自然數，這些都是數學美。你去看看歐拉方程，麥克斯韋方程，質能方程，你覺得它美不美？ 曾經有主持人問數學家丘成桐，你能想象所研究的“Manifold”的樣子嗎？數學家說，我不能，中文翻譯爲“流形”就是取自陶淵明的“雜然賦流形”，但你用數學表達式寫下來我就知道它是什麼樣子了，它就是數學公式表達的樣子。所以，我無法告訴你它是什麼樣子，你懂數學，你就能看懂它是什麼樣子而不需要我的描述，方程是最好的描述。我國算是一個理工科教育不很發達的國家，雖然整個社會是“重理輕文”，但實際上，理科的普及率並不高，很多人一看到書裏有方程就怕了，看都不敢看。在認知角度上，我們還是非常“文科化”的。當你跟外行描述一個你行業的專業術語，我們最習慣的方法還是“賦比興”，打個比方，舉個例子，而不會使用定義，邏輯，推理這種思維方式。我們很喜歡問它是什麼樣子，而不習慣問哪些屬於它 哪些不屬於它。 基於此，任何科普作品都值得推薦。 ———————————————— 受書友的評論啓發，我挺想談談我心中的理工科教育。一個國家想創造盛世，必然需要有廣博開放的文化，但一個國家想開放，必須先保證自己的強大，又弱又開放的國家，無異於穿着暴露又輕浮的女子走在黑夜的馬路上，誰不想佔你的便宜？要想強大靠的必然是理工科教育。 我想談談蘇聯。這個紅色帝國倒了，肯定做錯了一些事情；但他能憑一己之力抗衡美帝半個多世紀，一定是做對了一些事情。 英國首相丘吉爾對於斯大林有過這樣一段評價：“當他接管俄國的時候，那是一個還在使用木犁的國家，而在他離開人世的時候，那是個擁有核武的國家。”我個人很認可蘇聯的教育體系，很推薦《蘇霍姆林斯基全集》，我覺得蘇聯的沒落有一部分原因是他們不再這樣搞教育了。這套體系從宏觀看就是人的德智體美勞全面發展，從微觀看就是喪心病狂的理工科教育。小學除了語文數學，二年級開《自然》，跟我小時候一模一樣，四年級開生物，五年級開物理，六年級開化學，這麼卷，才捧出了17個諾貝爾獎。 至於蘇聯的軍工航空有多麼猛就更不用說了。我不是軍迷說不出很多戰鬥機的型號，就說米格25，北約代號foxbat。是迄今爲止能夠突破2.5馬赫熱障的三種有人駕駛機型之一。它的速度可以接近3個馬赫（一馬赫等於一個音速，1224公里/小時）。一般的空空導彈根本打不到它，以色列的飛機曾向它發射響尾蛇導彈，在當時1971年已經是最快的空空導彈，速度可達2.5馬赫，也追不上米格25。美國人一直認爲米格25這個會飛的板磚一定用了什麼了不得的合金材料才能飛得這麼快。結果1976年蘇聯飛行員別連科駕駛米格25叛逃日本，拆開飛機一看，才發現其實裏面的製造工藝是落後於美國的，外層材料根本不是鈦合金而是鎳合金。靠的是蘇聯設計師的絕頂設計，他們已經把空氣流體動力學研究到登峯造極的地步了。現在都還有一個彎道超車現象的形容叫“米格25現象”。 蘇聯解體後，前蘇聯科學家失業流浪他國，但他們都是軍工科學家，根本找不到對口的工作，華爾街看到了這個優勢。他們都擁有優秀的數學背景，讓他們做一些數學題，通過就可以去華爾街搞精算搞統計謀生，可見蘇聯的數理基本功有多紮實。 不止蘇聯一個國家，德國意大利也是很注重數學的基本功——計算能力。在我小時候，語文的基本能力就是練字，但凡讀完初中的70後，你會發現他寫字都還可以，比現在的大學生好看得多。數學的基本能力就是計算，兩位數乘兩位數都是要求口算的，我的奧數班同學三位數乘三位數都是秒算不用草稿紙。我的高中數學老師是個小老頭，他的外語學的是俄語，聽他用俄語念普希金的詩都覺得特別美好，他特別要求計算能力，他常說，你算都算不對，數學學什麼呢？計算得又快又準是一個苦功，也是個硬功夫，就跟背古文練字一樣，沒有哪篇古文非背不可，但也沒有哪篇古文背了是白背了。可這些基本功現在被我們的教育忽略了，覺得有了計算器，加減乘除就不必下苦功練了，正如有了百度就不必背古文了。我們去強調這思維那思維，殊不知，沒有這些硬功夫，啥思維都只是招數而沒有內功，記憶力和計算力是學生最基本的內功。行家功夫一出手就知有沒有，高手過招，全在內力。

曾經也是個理綜270的選手，我看完了前兩章，認爲這本書跟科普不沾邊，跟第一性原理也沒有任何關係。因爲裏面的知識，我很明顯地感覺到，如果不是已經有基礎就不可能看得明白。涉及到高中知識的部分，比如質能方程、第一第二第三宇宙速度，電磁波之類的我可以看得懂，但但量子理論、弦理論這些是完全不會解釋的。在引力那部分，包括電磁場轉換的部分，我敢肯定絕不是這些沒頭沒尾又缺乏細節和根源解釋的文字就能看明白的，甚至連那些公理怎麼來的也沒說，當時我們的物理老師得上多少堂課才能讓我們明白其中一個領域的基本原理啊，就靠這些短短的東西來解釋根本是誤人子弟。有任何人說能通過這個看懂的話，我得讓他做做高考物理題。 我覺得我有絕對的說服力，因爲裏面有我認真學習過的，也有我沒學過的，看起來的差別非常明顯。最最最關鍵的一點是，跟第一性原理沒有任何關係。如果你說這是一個哲學概念，那我得好好跟你談談，科學和哲學的界限在哪。如果你只是要在每個領域指出最基本的可以延伸出所有該領域知識的基本原理，那這本書也沒做到，因爲根本沒有對此進行詳盡的解釋，反而着眼於拓展出了哪些知識，有什麼樣的發展。 總之，這是掛羊頭賣狗肉的僞科普，純粹是營銷號文章集合，也像看了幾個b站視頻。

英文原版書名是the one thing you need to know，和所謂的“第一性原理”概念上有很大差別。出版社編輯選擇這個書名，十分不妥，有蹭馬斯克熱點之嫌。 the one thing 在英文原書中，也僅在前言出現過三次。之後的全書正文裏，竟一次也未出現過。。。前言我已貼在最後 我認爲最直觀、最容易被普通人理解的所謂“第一性原理”（儘管不夠嚴謹），就是歐幾里得在《幾何原本》中開頭的那23條定義+5條公設+5條公理。因爲我們初高中學習的平面和立體幾何都屬於歐氏幾何，而整座歐氏幾何大廈就是由那23條定義+5條公設+5條公理推導出來的。這是最經典的第一性原理實踐樣本。 Recently, I was asked to give a talk to a law firm about quantum computers. Warned that I could not assume any scientific knowledge in my audience, I thought: ‘What is the one thing you need to know to understand quantum computers – the one thing from which everything else follows?’ As I put together my presentation, it occurred to me that I could do exactly the same for a myriad other scientific concepts and that, in a world where most people are time-poor, telling them the one thing they need to know to understand a topic, and showing how everything else follows as a logical consequence, might be a novel and fun way to communicate a lot of deep stuff in a compact and digestible form.

誤打誤撞看了這本書，本來是想看馬斯克所說的第一性原理，看到的本書卻是科學通識課。 一共21個主題，除了少數幾個生物進化類的外，大部分都屬於物理的範疇。草草看了一遍，囫圇吞棗不求甚解。 上一次看物理還是因爲看了哲學，這次看物理又感受到了濃濃的哲思，這是帶着科學邏輯，有着科學實驗的研究成果，與幾千年前思想實驗的哲學思考有着驚人的相似。 時空從本質上說就像個指南針，我們只能看到它的兩個影子——“時間”和“空間”，但不同的觀察者（處於不同的速度下）所看到的時間和空間也不同。一個人看到收縮的空間和膨脹的時間，另一個人可能看到膨脹的空間和收縮的時間。時間和空間可以互換，因爲它們都不是本體，真正的本體是時空。像極了柏拉圖的洞穴比喻。 時間並不是永恆的，而光速卻是不變的。當有着超光速時，時間流逝的速度是會變化的。在我們現在身處的宇宙膨脹階段，時光是往後流淌的，如果有一天，宇宙收縮或者坍塌，時間又會倒流。難以想象，時間倒流會是怎樣的場景。可能失去的仍會復得，遺憾的終有了機會彌補。其中一個關於超過一秒光速長度的桌子移動的思想實驗，芝諾的詭辯論，似乎更有了意義。 這世界這宇宙，都是由各種粒子構成的，連我們用的力、熱、光，都是由粒子構成，與德謨克利特提出的原子論殊途同歸。 時間是物質的連續變化，空間是物質的共同存在。結合最近聽到的世界可能是假的，是我們人類或者高級智能生物製造的大型沉浸式角色扮演遊戲，讓我陷入思想的困局，又感受到了深深的虛無...

第一性原理（First Principles）是一種哲學和科學思維方法，它要求我們通過最基本的事實和不可辯駁的真理來理解複雜問題，而不是依賴傳統的信念或者經驗性的結論。這種方法強調從根本出發，通過逐步構建的方式理解現象。 第一性原理的主旨可以概括爲以下幾點： 1. **回溯基礎**： - 識別和理解問題最基本的組成部分或假設。 2. **質疑傳統**： - 不接受傳統觀念或者普遍接受的信念，而是通過邏輯和證據來重新評估。 3. **分解問題**： - 將複雜問題分解成更小、更易於管理的部分。 4. **重建理解**： - 從最基本的事實出發，重新構建對問題的理解。 5. **邏輯推理**： - 通過邏輯推理來建立不同概念之間的聯繫。 6. **避免類比**： - 避免使用類比或者類推法，因爲它們可能基於不準確的假設。 7. **尋找真理**： - 追求對事物本質的深刻理解，而不是滿足於表面現象的解釋。 8. **創新思維**： - 鼓勵創新和創造性思維，因爲它們能夠從新的角度解決問題。 9. **簡化複雜性**： - 通過簡化複雜系統到最基本的組成部分來理解複雜性。 10. **跨學科應用**： - 將第一性原理應用於多個學科，以促進跨學科的理解和創新。 在科學、工程、哲學和商業領域，第一性原理思維方法被用來推動創新和深入理解。例如，SpaceX和Tesla的創始人埃隆·馬斯克（Elon Musk）就經常提到他在使用第一性原理來解決複雜的工程和商業挑戰。通過這種方法，他能夠提出創新的解決方案，而不是僅僅依賴於傳統的做法。來自kimi

首先要吐槽一下這個譯名，頗有蹭熱度嫌疑，如果你是被微信讀書推薦這本書，並且奔着馬斯克所推崇的第一性原理來的話，可以關掉了，毫無關係。 再說內容，作爲一本科普讀物還是不錯的，主要的章節對應高中物理，部分大學物理和初高中生物知識，都是通識級別的。 如果是文科生，可以看一遍，不過我個人認爲看下來不如直接看一些教材或者教學視頻，每章的第一小節，講的更好些。 如果是理工科，高中物理能及格的話，前面十來章可以直接跳過，看最後三五章即可，量子相關的內容是高中教學裏面提及不多的。 最後，本書對於量子計算機的一些描述有些誤導之疑。 量子計算機最大的問題是，即使不談工程上的實現難度，僅看理論，計算錯誤或許理論上可以解決，但是通用計算依然沒有辦法實現，也就是說，無法作爲現階段計算機的高階替代品。 加密算法設計之初就需要滿足“當前技術架構下無法簡單破解”，換句話說，設計時就是要讓當前架構下低效，量子計算機在這方面的優勢，並不能拓展到通用場景。 當量子計算機有望量產（即使只是爲了解密）時，密碼算法也會往成當前架構和量子計算機都解密低效的方向設計。 目前量子領域和現實應用最接近的是量子通信，但是也非常遙遠。

第一次聽到“第一性原理”這個詞是從網絡短視頻上，具體是什麼話題已經記不清了，但帶來的啓發還是有的，“第一性原理”是否和“底層邏輯”這個話題相同？帶着這個疑問，平時一直在探索答案。 翻開本書目的是想尋求答案，但正如書友所言，此“第一性原理”非彼“第一性原理”，作爲一個理工男，翻開本書一眼就認出了本書描繪的內容是從物理科學角度，解釋我們所處這個世界是怎麼運行，介紹人類步入工業文明後那些偉大的科學如何被發現，學科如何發展... “通識”，更多的是幫助我們構建起知識體系的框架，“知識”在沒有納入到個人知識體系時只能稱爲“信息”，知識的掌握是爲了指導實踐，不加整理的信息在大腦中只會是雜亂無章且提取困難，這種狀態更談不上理論指導實踐。 知識體系搭建可以借鑑“松樹”的結構，主框架（主樹幹）明確，分支（樹枝）清晰，條理邏輯分明，通過“主樹幹、樹枝分杈”可以順利到達每一根“松針”。 當然，本書作者對於“第一性原理”還是給出了明確的定義，第一性原理是從根本出發，通過最基本的事實和真理解決問題，一切知識都可從這個概念延伸出來。 至此，可以理解，世事發生髮展的底層邏輯，是歸納、理解、掌握世事第一性原理有效的方法之一。 再來說下本書的具體知識，本書無論對於文科羣體，還是理科羣體都具有一定的挑戰，太高深，太深奧，太難理解，不過有理科基礎的人羣可能更容易理解點而已，所以，書友不用懷疑自己，我們普通人都有點讀不懂！🤣🤣 開卷有益，在自己水平範圍內，盡力概括一些內容！😜😜

書名｜《第一性原理：21堂科學通識課》 作者｜馬庫斯·喬恩 👀什麼是第一性原理？🤔 👉簡單來說，第一性原理就是那些最基礎、最原始的道理或事實，它們可以推導出其他所有的知識。比如，牛頓發現萬有引力定律，愛因斯坦提出相對論，這些都是基於對自然界最基本現象的理解和觀察。 📖｜21 堂課內容 第 1 堂課：引力 引力是物體之間相互吸引的力，遵循牛頓萬有引力定律，即兩物體間引力大小與它們質量的乘積成正比，與距離的平方成反比。不過，牛頓理論無法解釋水星近日點進動等現象。愛因斯坦廣義相對論指出，引力源於物體對時空的彎曲，質量和能量會使時空扭曲，物體在彎曲時空中沿測地線運動。目前，科學家試圖通過弦理論統一引力與量子理論，但尚未成功。引力在天體運動、星系演化等方面起關鍵作用，塑造了宇宙大尺度結構。 💡：根據蘋果落地，牛頓受此啓發發現萬有引力定律。在天體層面，月球繞地球運動、地球繞太陽公轉，皆因引力作用。地球上的潮汐現象也是引力的體現，主要由月球和太陽對地球不同區域引力差造成，白天出現的海水漲落爲潮，夜晚的爲汐。 第 2 堂課：電 電由正電荷與負電荷構成，電荷不平衡產生電流。電場和磁場相互關聯，變化電場產生磁場，變化磁場產生電場，統一爲電磁力，由麥克斯韋方程組描述。電在生活中應用廣泛，從日常電器到生命活動（如神經信號傳導依靠生物電）都離不開它，還爲現代科技發展提供基礎動力。 💡：生活中靜電現象隨處可見，如冬天脫毛衣時的電火花，是電荷積累後的放電。電池供電是化學能轉化爲電能，手電筒、遙控器等靠電池供電。發電機利用電磁感應原理髮電，大型發電廠的發電機將機械能轉化爲電能，供人們日常使用。 第 3 堂課：全球變暖 太陽輻射到地球的能量，部分被地表吸收後以紅外線形式輻射回太空，二氧化碳等溫室氣體能吸收紅外線，使熱量在大氣層積蓄，增強溫室效應，導致全球氣溫上升。人類活動（如大量燃燒化石燃料）排放大量溫室氣體，加劇全球變暖。全球變暖引發冰川融化、海平面上升、極端氣候事件增加等問題，嚴重威脅生態系統和人類社會，需全球合作減少溫室氣體排放應對。 💡：北極海冰面積持續縮小，過去幾十年間，夏季北極海冰覆蓋範圍大幅減少，影響北極熊等生物棲息地。冰川加速融化，像喜馬拉雅山脈的冰川退縮明顯，增加了下游地區洪水風險。極端天氣事件增多，如暴雨引發的洪澇、乾旱導致的森林大火，都與全球變暖有關。 第 4 堂課：太陽爲什麼是熱的 太陽能量來自內部核聚變反應，在高溫高壓核心，氫原子核聚變成氦原子核，依據愛因斯坦質能公式(E=mc^2)，此過程質量虧損轉化爲能量釋放。太陽已穩定進行核聚變約 46 億年，處於主序星階段，未來約 50 億年仍將如此。太陽能量輸出爲地球提供光和熱，是地球上生命存在和演化的基礎。 💡：太陽內部核聚變反應如同持續燃燒的超級 “大火球”。以質子 - 質子鏈反應爲例，四個氫原子核聚變成一個氦原子核，釋放出巨大能量，以光和熱形式輻射到地球，地球上的光合作用依賴太陽輻射能。 第 5 堂課：熱力學第二定律 孤立系統的熵總是趨向於增加，從有序走向無序。例如熱傳遞自發從高溫物體傳向低溫物體，而不會反向進行。熵增原理揭示了自然過程的不可逆性，如一杯熱水會自發冷卻，而不會自動升溫。在生活中，如汽車發動機工作時，燃料燃燒產生的能量一部分以廢熱形式散失，無法全部轉化爲機械能，體現了熱力學第二定律對能量轉化效率的限制。 💡：熱咖啡放置一段時間會變涼，熱量從高溫咖啡自發傳遞到低溫環境，無法自動反向傳遞。汽車發動機工作時，燃料燃燒產生熱量，一部分轉化爲機械能驅動汽車，另一部分以廢熱形式散失，不能全部用來做功。 第 6 堂課：板塊構造 地球岩石圈由多個板塊組成，板塊漂浮在軟流層上，不斷運動。板塊運動有分離、匯聚和轉換三種邊界類型。分離邊界如大西洋中脊，地幔物質上湧形成新地殼，使板塊擴張；匯聚邊界分俯衝帶（大洋板塊俯衝到大陸板塊下，如太平洋板塊與亞歐板塊交界處形成海溝）和碰撞帶（大陸板塊碰撞形成山脈，如喜馬拉雅山脈）；轉換邊界板塊相互平移錯動。板塊運動塑造地球地形地貌，引發地震、火山活動等地質現象，對地球演化和生命發展有重要影響。 💡：喜馬拉雅山脈的形成是板塊碰撞的結果，印度板塊向北擠壓亞歐板塊，地殼隆起形成山脈。太平洋板塊與美洲板塊交界處的聖安德烈亞斯斷層，板塊間相互錯動引發頻繁地震，1906 年舊金山大地震就是該斷層活動所致。 第 7 堂課：量子理論 量子理論描述微觀世界現象，微觀粒子具有波粒二象性，既表現出粒子特性，又有波動特性。海森堡不確定性原理表明，無法同時精確測量粒子位置和動量。量子隧穿效應指粒子有一定概率穿越高於自身能量的勢壘。量子理論在解釋原子結構、光譜現象等方面取得巨大成功，是現代半導體技術、激光技術等的理論基礎，深刻改變了現代科技和人類生活。 💡：掃描隧道顯微鏡利用量子隧穿效應工作，電子能穿越常規情況下無法逾越的能量勢壘，從而實現對物質表面原子級別的成像。在量子計算中，量子比特可同時處於多個狀態的疊加態，相比傳統比特大大提升計算能力。 第 8 堂課：原子 原子由原子核和核外電子組成，原子核包含質子和中子（氫原子無中子）。不同元素原子的質子數不同，質子數決定元素種類。原子結構模型經歷道爾頓實心球模型、湯姆遜葡萄乾布丁模型、盧瑟福行星模型、玻爾量子化軌道模型等發展階段，逐漸完善。原子是物質的基本組成單元，瞭解原子結構有助於理解化學反應本質、物質性質及材料特性等。 💡：盧瑟福的 α 粒子散射實驗中，用 α 粒子轟擊金箔，大部分 α 粒子直接穿過，少數發生大角度偏轉，極少數甚至被反彈回來，揭示了原子內部有一個帶正電的原子核，原子大部分空間是空的。不同元素原子光譜獨特，如霓虹燈中充入不同氣體（如氦、氖等），通電後因原子能級躍遷發射特定顏色光。 第 9 堂課：演化 達爾文自然選擇學說認爲，生物個體存在遺傳變異，在生存競爭中，有利變異個體更易存活並繁衍，將變異傳遞給後代，不利變異個體逐漸被淘汰。如樺尺蛾在工業革命前後，因環境變化，深色和淺色個體比例發生改變，體現自然選擇對物種特徵的影響。演化是生物在漫長時間內適應環境變化的過程，推動生物多樣性形成，解釋了地球上生命的起源和發展。 💡：加拉帕戈斯羣島上的地雀，因不同島嶼環境和食物資源差異，喙形發生適應性演化。以昆蟲爲食的地雀喙尖細，便於捕捉昆蟲；以種子爲食的地雀喙粗壯，利於咬開堅硬種子外殼。在抗生素使用過程中，細菌通過基因突變產生抗藥性，不具抗藥性的細菌被殺死，有抗藥性的細菌存活並繁殖，這是自然選擇在微觀層面的體現。 第 10 堂課：狹義相對論 基於光速不變原理（任何慣性參考系中，真空中光速恆定）和相對性原理（物理定律在所有慣性參考系形式相同）。狹義相對論得出時間膨脹（運動時鐘變慢）、長度收縮（運動物體在運動方向長度縮短）、質速關係（物體質量隨速度增加而增大）等結論。這些效應在高速運動場景顯著，如宇宙飛船接近光速飛行時，飛船上時間流逝變慢，長度縮短。狹義相對論改變了人們對時空的傳統認知，是現代物理學重要基礎。 💡：高速運動的 μ 子壽命變長，μ 子是一種不穩定粒子，在實驗室靜止狀態下壽命很短，但在宇宙射線中以接近光速運動時，其壽命顯著延長，符合狹義相對論時間膨脹效應。全球定位系統（GPS）需考慮狹義相對論，衛星高速運動，其攜帶的時鐘會比地面時鐘走得慢，若不校正，定位誤差將迅速增大。 第 11 堂課：腦科學 大腦由大量神經元組成，神經元通過突觸連接形成複雜神經網絡。大腦不同區域有不同功能，如額葉與決策、計劃相關，顳葉與聽覺、記憶有關。神經元通過電信號和化學信號傳遞信息，當接收足夠刺激產生動作電位，沿軸突傳播，到突觸釋放神經遞質作用於下一個神經元。腦科學研究大腦結構和功能，以及與行爲、意識關係，但意識產生機制仍是未解之謎，對理解人類認知、情感、行爲有重要意義。 💡：通過功能性磁共振成像（fMRI）技術可觀察大腦活動，當人進行視覺任務時，大腦視覺皮層區域血流量增加，fMRI 圖像顯示該區域活躍。大腦海馬體與記憶密切相關，海馬體受損的患者會出現記憶障礙，難以形成新記憶或回憶舊記憶。 第 12 堂課：廣義相對論 愛因斯坦廣義相對論認爲，引力是時空彎曲的表現，質量和能量使時空彎曲，物體沿彎曲時空中的測地線運動。廣義相對論成功解釋水星近日點進動，預言光線在引力場中彎曲、引力紅移等現象，得到觀測證實。在天體物理中，用於研究黑洞、中子星等緻密天體以及宇宙大尺度結構演化，是現代宇宙學基礎理論。 💡：光線在經過太陽附近時發生彎曲，1919 年日全食期間，科學家通過觀測恆星光線在太陽引力場中的偏折，驗證了廣義相對論。黑洞周圍時空高度扭曲，物質形成吸積盤，發出強烈輻射，這是廣義相對論中時空彎曲和引力強大的體現。 第 13 堂課：人類演化 現代人類屬於智人種，人類演化經歷漫長過程。從靈長類動物演化出直立行走的南方古猿，雙手得以解放，隨後出現能人制造簡單石器工具，接着直立人學會使用火併遷徙，智人是最後階段。演化過程中，大腦體積增大，智力提高，語言能力發展。通過研究化石、基因等證據，可瞭解人類演化歷程，但仍有許多細節和爭議有待探索，對理解人類起源和自身本質有重要意義。 💡：北京周口店發現的北京猿人化石，展現了直立人階段人類的特徵，如直立行走、腦容量相對較大等。從南方古猿到現代人類，腦容量逐漸增大，南方古猿腦容量約 400 - 500 立方厘米，現代人類腦容量平均約 1300 - 1500 立方厘米，反映人類智力不斷發展。 第 14 堂課：黑洞 黑洞是引力強大到光都無法逃脫的天體，由大質量恆星坍縮形成。根據質量分恆星級黑洞（由 10 - 100 倍太陽質量恆星坍縮形成）、中等質量黑洞（100 - 100000 倍太陽質量）和超大質量黑洞（位於星系中心，可達數百萬至數十億倍太陽質量）。黑洞周圍物質形成吸積盤，釋放強烈電磁輻射，可間接探測。黑洞對星系演化有重要影響，如調節星系恆星形成速率，其形成和演化機制是天體物理研究熱點。 💡：天鵝座 X - 1 是典型黑洞候選體，通過觀測其伴星運動軌跡異常，推測出有看不見的大質量天體，即黑洞。超大質量黑洞位於星系中心，如銀河系中心的人馬座 A*，通過觀測其周圍恆星高速繞轉，可推斷黑洞存在及質量大小。 第 15 堂課：標準模型 描述基本粒子及其相互作用，將基本粒子分爲夸克（六種味，通過強相互作用結合成質子、中子等）、輕子（如電子、中微子，不參與強相互作用）和規範玻色子（傳遞相互作用，如光子傳遞電磁相互作用，膠子傳遞強相互作用，W 和 Z 玻色子傳遞弱相互作用）。標準模型成功解釋許多實驗現象，但無法解釋暗物質、暗能量以及引力的量子化問題，科學家正探索超越標準模型的新理論。 💡：大型強子對撞機（LHC）發現希格斯玻色子，驗證了標準模型對粒子質量起源的解釋。在加速器實驗中，粒子碰撞產生新粒子，其性質和相互作用符合標準模型預測，如頂夸克的發現。 第 16 堂課：量子計算機 利用量子比特（qubit）的疊加態和量子糾纏特性進行計算。量子比特可同時處於 0 和 1 疊加態，相比傳統計算機二進制比特有更大信息存儲和並行計算能力。如肖爾算法利用量子計算機可快速完成大規模數據因式分解，遠超傳統計算機效率。量子計算機在密碼學、優化問題、量子模擬等領域有巨大應用潛力，但面臨量子比特穩定性、糾錯等技術挑戰。 💡：量子計算機在某些特定算法上展現強大能力，如用肖爾算法分解大整數，傳統計算機可能需數萬年，量子計算機理論上可在短時間內完成，對密碼學領域影響巨大。谷歌的量子計算機實現 “量子霸權”，在特定任務上計算速度遠超傳統超級計算機。 第 17 堂課：引力波 由質量巨大物體加速運動（如黑洞合併、中子星碰撞）產生的時空漣漪，是廣義相對論重要預言。2015 年 LIGO 首次直接探測到引力波，利用激光干涉原理，通過測量兩條幹涉臂長度微小變化探測引力波。引力波探測爲天文學研究開闢新窗口，可研究宇宙中劇烈天體物理過程，瞭解黑洞、中子星等天體性質和演化，未來還可能應用於通信等領域。 💡：2015 年 LIGO 首次探測到引力波，源於兩個黑洞合併。合併過程中巨大質量加速運動產生時空漣漪，被 LIGO 的激光干涉儀探測到。未來引力波觀測站如 eLISA 計劃，將在太空構建探測器，有望探測到更多不同類型天體產生的引力波。 第 18 堂課：希格斯場 瀰漫於整個宇宙空間的量子場，粒子通過與希格斯場相互作用獲得質量，不同粒子相互作用強度不同，質量也不同。希格斯玻色子是希格斯場的量子激發態，2012 年發現希格斯玻色子，證實希格斯機制，完善粒子物理學標準模型，解釋粒子質量起源，對理解物質基本組成和相互作用有重要意義，科學家仍在深入研究其性質和與其他粒子相互作用。 💡：在大型強子對撞機中，通過高能粒子碰撞，模擬早期宇宙環境，尋找希格斯玻色子產生跡象，驗證希格斯場賦予粒子質量的理論。不同粒子與希格斯場相互作用強度不同，導致質量差異，如電子質量小，頂夸克質量大。 第 19 堂課：反物質 與普通物質電荷等性質相反，如電子反粒子是正電子，質量相同帶正電。物質與反物質相遇發生湮滅，質量根據質能公式(E=mc^2)轉化爲能量。宇宙中反物質罕見，實驗室可通過高能加速器製造少量反物質。研究反物質有助於理解宇宙起源和演化，如解釋爲何宇宙中物質主導、反物質稀少，是當前物理學研究重要方向。 💡：在歐洲核子研究中心（CERN），通過加速器實驗製造出反氫原子，反氫原子由一個反質子和一個正電子組成，與氫原子電荷相反。反物質與物質相遇湮滅，釋放巨大能量，若能利用，將爲能源領域帶來革命性突破。 第 20 堂課：中微子 質量極小、幾乎不與其他物質相互作用的粒子，有電子中微子、μ 中微子和 τ 中微子三種類型。太陽內部核聚變等過程產生大量中微子。中微子振盪現象表明中微子在傳播過程中會從一種類型轉變爲另一種類型，意味着中微子有質量。中微子研究對理解宇宙能量傳輸、恆星演化、物質與反物質不對稱性等有重要意義，科學家正通過各種實驗深入研究中微子性質和行爲。 💡：日本超級神岡探測器用於探測中微子，中微子與探測器中的水發生相互作用，產生微弱閃光被探測到。太陽內部核聚變產生大量中微子，每秒有大量中微子穿過地球，且幾乎不與物質相互作用。 第 21 堂課：宇宙大爆炸 宇宙起源於溫度極高、密度極大的奇點，某時刻奇點爆炸，宇宙誕生並不斷膨脹降溫。初期充滿夸克、輕子等基本粒子，溫度降低後，夸克結合成質子和中子，形成原子核，約 38 萬年後電子與原子核結合形成原子，宇宙變得透明，光子自由傳播，形成宇宙微波背景輻射。隨着時間推移，物質在引力作用下聚集形成恆星、星系等天體。宇宙大爆炸理論有宇宙微波背景輻射、哈勃定律（星系退行表明宇宙膨脹）、元素丰度等觀測證據支持，但仍有暗物質、暗能量等未解之謎，科學家不斷完善該理論，探索宇宙起源和演化奧祕。 💡：宇宙微波背景輻射均勻分佈於宇宙空間，溫度約 2.725K，是宇宙大爆炸 “餘暉”，爲大爆炸理論提供關鍵證據。哈勃定律表明星系退行速度與距離成正比，說明宇宙在不斷膨脹，支持宇宙大爆炸理論中宇宙從初始奇點膨脹的觀點。 👇👇👇👇👇👇 📚｜推薦書籍 《幾何原本》｜歐幾里得 《自然哲學的數學原理》｜艾薩克・牛頓 《物種起源》｜查理・達爾文 《人類簡史：從動物到上帝》｜尤瓦爾・赫拉利 《世界觀：現代人必須要懂的科學哲學和科學史》｜理查德・德威特 《西方哲學史》｜羅素 《科學革命的結構》｜托馬斯・庫恩 《失控：全人類的最終命運和結局》｜凱文・凱利 《複雜》｜梅拉妮・米歇爾 《自私的基因》｜理查德・道金斯 《時間簡史》｜斯蒂芬・霍金 《果殼中的宇宙》｜斯蒂芬・霍金 《萬物簡史》｜比爾・布萊森 《極簡萬物史》｜大衛・貝克 《世界科學技術通史》｜詹姆斯・E・麥克萊倫第三、哈羅德・多恩 《中國科學技術通史（五卷本）》｜傅熹年、劉鈍、廖育羣等 《從一到無窮大：科學中的事實和臆測》｜喬治・伽莫夫 《上帝擲骰子嗎？量子物理史話》｜曹天元 《這就是物理（升級版）》｜美國環球影業等 《能量無處不在：萬物運轉的物理學》｜詹姆斯・卡卡里奧斯 《萬物的尺度：看得見的單位》｜丸山一彥 《給忙碌青少年講科學系列》｜尼爾・德格拉斯・泰森等 《牛津通識讀本：科學哲學》｜薩米爾・奧卡沙 《創新者的窘境》｜克萊頓・克里斯坦森 《精益創業》｜埃裏克・萊斯 《從 0 到 1：開啓商業與未來的祕密》｜彼得・蒂爾、布萊克・馬斯特斯 《窮查理寶典：查理・芒格的智慧箴言錄》｜彼得・考夫曼 《黑天鵝：如何應對不可預知的未來》｜納西姆・尼古拉斯・塔勒布 《刻意練習：如何從新手到大師》｜安德斯・埃裏克森、羅伯特・普爾 《終身成長：重新定義成功的思維模式》｜卡羅爾・德韋克

《第一性原理：21堂科學通識課》用通俗語言闡述科學知識，涵蓋引力、電、熵增等21個話題。引力是萬物間吸引力，牛頓與愛因斯坦理論逐步深化對它的認知；電能量強大，其發現歷程和廣泛應用改變人類生活；熵增原理揭示世界從有序到無序的發展趨勢。 在世界觀層面，它啓發我們認識到世界存在底層規律，科學是不斷探索、修正認知的過程，培養我們以科學思維、理性態度看待事物，打破常規思維，理解世界的複雜與統一。 從商務業務角度，書中第一性原理可助於抓住核心需求和問題本質，避免被表象迷惑。像分析市場時，基於基本經濟規律和用戶需求找方向；制定策略時，依據行業本質和自身優勢，突破傳統經驗束縛，開拓創新，實現更高效決策與發展。