看到湛藍(lán)的天空，明亮的陽光和彩虹，你可能會(huì)想到一大堆你現(xiàn)在還無法回答的科學(xué)問題。讀下去，就知道答案了。
每年，美國政府大約花費(fèi)600億美元資助科學(xué)研究，而美國大學(xué)出色的科學(xué)與工程研究項(xiàng)目吸引著世界各地最杰出的學(xué)生?？茖W(xué)無處不在，無論是自動(dòng)取款機(jī)、通訊工具，還是超市里保留著原始味道的轉(zhuǎn)基因西紅柿，美國人在科學(xué)方面是不是相當(dāng)聰明？
那么，再猜一下。令人不安的事實(shí)卻是，美國的成年人在基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)方面知之甚少。2009年的哈里斯互動(dòng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，只有53%的人知道地球圍繞太陽轉(zhuǎn)一圈需要一年時(shí)間，只有59%的人知道最早時(shí)期的人類和恐龍并不同時(shí)存在，“摩登原始人”也是這樣的。并且僅有47%的人正確說出（10%的誤差范圍內(nèi)）地球表面70%都被海水覆蓋。只有五分之一的美國成年人能答出上述三個(gè)問題。密歇根大學(xué)2011年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，只有28%的美國成年人具備一定的科學(xué)知識(shí)來讀懂并理解《紐約時(shí)報(bào)》的周二科學(xué)部分。不可否認(rèn)的是，相較于1988年研究顯示的只有10%的成年人能理解《紐約時(shí)報(bào)》的科學(xué)文章，這有極大的提高。
所以很顯然，通往全民科學(xué)素養(yǎng)的道路還很長。但是，當(dāng)別人說到希格斯粒子，大規(guī)模并行的超級(jí)計(jì)算機(jī)，或爭論恐龍是否長羽毛時(shí)，迫切想要切換這些話題的你們，不要害怕。以下10個(gè)每個(gè)人都知道答案的基礎(chǔ)科學(xué)問題，將會(huì)讓你輕松地走進(jìn)科學(xué)。
10.天空為什么是藍(lán)色的？
路易斯·阿姆斯特朗（Louis Armstrong）在他1968年發(fā)行的歌曲”What a Wonderful World”中唱到：“我看見藍(lán)天和白云?！币?yàn)樗母枞绱丝鞓?，他?yīng)該真的看到藍(lán)天了。歐洲研究人員發(fā)現(xiàn)，光譜中的藍(lán)色對情緒有著積極的影響，讓我們更好地回應(yīng)情緒刺激并更加適應(yīng)情感變化。
噢，我們離題了。天空是藍(lán)色的是因?yàn)樯⑸涞挠绊?。陽光穿過地球充滿氣體和微粒的大氣層，就像彈球機(jī)的緩沖器一樣，將陽光散到各處。但是，如果你曾把玩棱鏡，你就知道，實(shí)際上，陽光由不同顏色的光線組成，各自有不同的波長。藍(lán)光的波長相對較短，所以它比波長較長的光更易透過濾波器，同時(shí)藍(lán)光在大氣層中分散更廣。因此，當(dāng)太陽出現(xiàn)在天空高處時(shí)（這實(shí)際上是根據(jù)你的地點(diǎn)來看的，因?yàn)橄鄬τ谔?，你所在的星球是移?dòng)的），天空看起來就是是藍(lán)色的。
日出和日落時(shí)，陽光必須穿過很長的距離才能到達(dá)你的位置。這就抑制了藍(lán)光波長的優(yōu)勢，我們就能看到其它顏色。這就是我們在日落時(shí)能看到紅色、橘色和黃色的原因。
9.地球多大了？
長久以來，人們都在激烈地爭論地球的年齡。1654年，一位名叫約翰·萊富的學(xué)者在《創(chuàng)世紀(jì)》一書的基礎(chǔ)上，宣稱地球是在公元前4004年10月26日上午9時(shí)形成的。18世紀(jì)末，一位名叫布豐伯爵的科學(xué)家加熱地球的復(fù)制試驗(yàn)品，并檢測它的冷卻速率，基于這些數(shù)據(jù)，估計(jì)地球的年齡約75000歲。19世紀(jì)，物理學(xué)家開爾文用不同的方程計(jì)算出地球的年齡在2000至4000萬年。
1800年代末、1900年代初發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)，然后很快計(jì)算出各種放射性物質(zhì)的衰變率后，這些估測都不成立了。地球科學(xué)家們運(yùn)用這些知識(shí)來計(jì)算地球巖石的年齡，以及宇航員從月球帶回的隕石和巖石樣本的年齡。比如，他們觀察巖石中鉛同位素的衰變，然后基于鉛同位素隨時(shí)間的變化的計(jì)算，同大規(guī)模的鉛同位素相比較。由此，他們計(jì)算出地球大約于45.4億年前形成，誤差不超過1%。
8.自然選擇如何進(jìn)行？
就像地球的年齡，進(jìn)化論——19世紀(jì)中期首次由生物學(xué)家查爾斯·達(dá)爾文提出——人們開始研究這個(gè)主題了。如果你曾經(jīng)看過經(jīng)典電影《向上帝挑戰(zhàn)》（Inherit the Wind），你應(yīng)該就知道1925年臭名昭著的猴子審判。著名律師克拉倫斯·達(dá)羅在與因違反田納西州法令——禁止在課堂上講授“人是從低等動(dòng)物進(jìn)化來的”，違背圣經(jīng)是唯一而被捕入獄的高中生物老師約翰·斯科普斯的庭審辯論中，失敗了。近年來，反進(jìn)化論者在法院和立法機(jī)構(gòu)抗議并要求孩子在學(xué)校學(xué)習(xí)“創(chuàng)世科學(xué)”，除了進(jìn)化論。
如果說有一個(gè)令反進(jìn)化論者發(fā)瘋的概念，那就是達(dá)爾文提出的核心概念，叫做自然選擇。這并不是一個(gè)讓人難以理解的概念。在自然界中，突變——也就是說，生物體基因的永久性改變讓它們形成了與它們祖先不同的特點(diǎn)——并在自然中隨機(jī)出現(xiàn)這些變化。但是進(jìn)化，是動(dòng)物和植物長期的，經(jīng)過多代的變化，并非偶然性的。相反，如果改變有利于生物體更好地生存和繁殖，它們往往會(huì)隨著時(shí)間的推移而變得更加普通。
例如，想象一下一些甲蟲是綠色，但是，一個(gè)突變讓一些甲蟲變成棕色。棕色的甲蟲比綠色的甲蟲更容易融入環(huán)境中，所以被鳥吃的更少。因此，更多棕色甲蟲生存并繁殖，并可能將這種基因遺傳給下一代，下一代也變成棕色的了。隨著時(shí)間的推移，甲蟲就會(huì)逐漸都變成棕色了。這就是最簡單地例子。在實(shí)踐中，自然選擇是基于大眾，而不是個(gè)別，而這個(gè)自然選擇過程也并不那么順利、有序。
7.太陽會(huì)停止發(fā)光發(fā)熱嗎？
這個(gè)問題讓我們想起這樣一首流行歌，1962年斯基特·戴維斯的“世界末日”（ The End of the World），這首歌里，歌手很好奇為什么她的男朋友把她甩了之后，太陽還這么明亮。歌詞的背后就有這么個(gè)現(xiàn)實(shí)在我們身邊——不管是耀眼的太陽還是枝頭唱歌的小鳥——都比我們脆弱的情感更長久。然而，事實(shí)上，這位失戀的姑娘不幸出生太早——約55億年前，發(fā)著光或吸著熱。關(guān)鍵點(diǎn)就在于太陽，它像其它的星星一樣是個(gè)巨大的聚變反應(yīng)堆，將耗盡其核心的氫氣，燃燒發(fā)光，然后又開始燃燒周邊的氫氣層。
這就是太陽死亡的開始。它的核心將萎縮，周圍會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，然后變成一個(gè)紅色的巨星。最終消亡的時(shí)候，太陽以它最后的光和熱炙烤太陽系，這或許會(huì)讓寒冷的冥王星和柯伊伯帶附近（海王星外）變成天體桑拿。很有可能，內(nèi)部行星，包括地球也會(huì)被吸入這面臨消亡的巨星，或者變成灰燼。
另一方面，除非人類殖民管理其它星球的太陽系，沒有人能經(jīng)歷這最后的地獄。已經(jīng)過了預(yù)期壽命一半的太陽，已經(jīng)逐漸升溫，并且從現(xiàn)在起10億年后，太陽將會(huì)比現(xiàn)在更加明亮10%。太陽輻射的增加將足以蒸發(fā)掉地球上的海洋，讓我們失去賴以生存的水資源。
6.磁鐵是如何起作用的？
“[嗶嗶]磁鐵：它們是如何起作用的？”這個(gè)問題是幾年前說唱藝人Insane Clown Posse在他們的單曲“奇跡”中提出的，這讓那些重金屬樂愛好者在“周六夜現(xiàn)場”無情地嘲笑他們。不幸地是，這個(gè)問題又非常值得思考。磁鐵是帶有磁場的任何物質(zhì)——那是一束圍繞它的同方向的電子流?，F(xiàn)在，電子——就像來自底特律的戴著小丑面具的說唱者，一邊謾罵，一邊喝著品牌可樂——喜歡成雙成對，鐵有大量單獨(dú)的電子也想跟上一對對電子的腳步。所以，固態(tài)鐵或含大量鐵的釘子——都會(huì)被吸向有磁力的磁鐵。被磁鐵吸引的物質(zhì)或物品叫做鐵磁性物質(zhì)。
人類知道磁力現(xiàn)象有很長、很長時(shí)間了。有天然磁鐵，比如天然磁石，而中世紀(jì)時(shí)的旅行者想到了用那些磁石打磨鋼鐵指南針，因此它們產(chǎn)生電子變得有磁力，這就意味著它們產(chǎn)生了自己的磁場。這種磁鐵并不特別耐用，但在20世紀(jì)，研究人員研發(fā)了一種新型材料和充電設(shè)備，制造出磁力更強(qiáng)更久的磁鐵。實(shí)際上你也可以制作出一種磁鐵，叫做電磁鐵。用電線繞著鐵塊纏成線圈，然后線的兩端連接電源兩極。
5.是什么原因形成了彩虹？
自古以來，這種大氣現(xiàn)象激發(fā)了人們的敬畏?！秳?chuàng)世紀(jì)》中，上帝在洪水過后把彩虹掛在空中并告訴諾亞這是“我和地球之間立約”的見證。古希臘人更甚，他們認(rèn)為彩虹實(shí)際上是一個(gè)女神，他們稱之為彩虹女神。但是，他們讓彩虹女神變成了一個(gè)不祥的象征——成為奧林匹斯山眾神關(guān)于戰(zhàn)爭和報(bào)復(fù)的消息使者。過去的幾個(gè)世紀(jì)，從亞里士多德到笛卡爾等偉人一直試圖找出形成彩虹的原因。
不過，從那以后，科學(xué)家們很好地解釋了這個(gè)過程。根本來說，暴雨后懸浮在大氣中的水滴是形成彩虹的原因。水滴與周圍的氣體密度不同，所以當(dāng)陽光照射到水滴時(shí)，水滴就像微型棱鏡折射了光線，然后彩虹呈現(xiàn)在我們面前。由此我們看見不同顏色。因?yàn)樗畏瓷潢柟?，為了看見彩虹，我們必須背對著太陽。我們還需要從地面40度角方向看彩虹，這是彩虹的偏向角度——比如，它反射陽光的角度。有趣的是，如果你在飛機(jī)上看彩虹，它實(shí)際上看起來像一張光盤，而不是一道弧。
4.什么是相對論？
當(dāng)人們提到“相對論”時(shí)，他們通常涉及了兩個(gè)理論，狹義相對論和廣義相對論。20世紀(jì)初，物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦提出了這個(gè)理論。不管你怎樣稱呼愛因斯坦的理論，這無疑難倒了一大批非科學(xué)家。愛因斯坦卻用了一個(gè)很聰明的方法來解釋：“當(dāng)一個(gè)男人和一個(gè)美女坐在一起一個(gè)小時(shí)，卻就像是一分鐘。但是讓他在熱爐上坐一分鐘，感覺卻比一個(gè)小時(shí)還長。這就是相對論?！?/p>
這句話很好地做了概括，盡管細(xì)節(jié)更加復(fù)雜。在愛因斯坦之前，幾乎每個(gè)人都認(rèn)為空間和時(shí)間都是固定不變的。但是愛因斯坦用數(shù)學(xué)證明了絕對的東西是一種錯(cuò)覺。事實(shí)上，他解釋道，空間和時(shí)間都可改變——空間可以融合、擴(kuò)大或彎曲，并且時(shí)間可以以某種速率流逝。同樣的，如果一個(gè)物體受到較強(qiáng)引力或移動(dòng)非常快速，時(shí)間也會(huì)改變。
此外，空間和時(shí)間的出現(xiàn)取決于你從哪個(gè)角度看待它們。想象一下，比如，你看老式時(shí)鐘指針知道時(shí)間?，F(xiàn)在，假如把時(shí)鐘放在地球軌道，相較于你所處的位置，它會(huì)轉(zhuǎn)得非常快。如果你仍能夠看到指針，它們會(huì)比你在地球上看到的小得多，時(shí)鐘的滴答聲也會(huì)變得更慢一些。
時(shí)鐘移動(dòng)的更慢是因?yàn)橐环N叫做“時(shí)間膨脹”的現(xiàn)象?？臻g和時(shí)間實(shí)際上是一個(gè)東西，叫做時(shí)空，它可以因重力和加速度而扭曲改變。所以如果一個(gè)物體移動(dòng)速度非?？欤蛘哂泻軓?qiáng)的重力影響它，時(shí)間對于這個(gè)物體相較于那些不受這些力影響的物體就會(huì)變慢。通過科學(xué)計(jì)算，有可能預(yù)測一個(gè)移動(dòng)速度極快的物體的時(shí)間會(huì)慢多少。
這聽起來似乎很怪異。但我們知道實(shí)際上這是真實(shí)的。GPS衛(wèi)星依賴于精確的時(shí)間來提供地圖位置信息就是最好的例證。衛(wèi)星每小時(shí)繞地球飛行約8700英里（14,000公里），如果工程師們不調(diào)整時(shí)鐘來彌補(bǔ)相對差異，在一天之內(nèi)，我們手機(jī)上的地圖信息距離就會(huì)相差6英里（9.86公里）。
3.為什么泡泡是圓的？
不知你以前吹肥皂水泡泡時(shí)注意過沒有, 實(shí)際上，吹出來的泡泡并不總是圓的。但泡泡自身形狀會(huì)朝著球形靠攏，即使你最開頭吹出的是類似雪茄形狀的泡泡，它也會(huì)自動(dòng)調(diào)整形狀。由于泡泡是由液態(tài)薄層構(gòu)成，其分子始終凝聚在一起，因?yàn)槠涮匦约词腔ハ辔?，這被叫做內(nèi)聚現(xiàn)象。這也構(gòu)成了我們對表面張力的認(rèn)知——一種屏障阻礙了其中的物質(zhì)通過。在該薄層中，即使氣體分子一直在給水施加推力，它們還是被困在其中無法出去。但這并非是作用于該薄層中的唯一動(dòng)力。在薄層外，許多空氣又被推進(jìn)薄層中。而液體層中子最有效的阻止這些動(dòng)力的方法就是形成一種最緊湊的形狀，從曲面面積和容積比來看，碰巧形成了球形。
有趣的是，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了可以讓泡泡不呈球形的方法，這使得他們可以研究曲面幾何?？茖W(xué)家可以讓泡泡變成立方體或者矩形形狀，通過將液態(tài)薄層懸掛在接線框上，他們可以塑造自己想要的形狀。
2.云是怎么形成的？
云并非由天使頭發(fā)和冰淇淋構(gòu)成，希望這不會(huì)使瓊尼·米歇爾（Joni Mitchell）的粉絲失望。云，是由大量可見水滴，或者冰晶體，或者兩者混合物并懸浮在大氣層上形成的。暖空氣在濕潤天氣下就會(huì)形成云。隨著暖空氣上升更高，并到達(dá)更冷的高度，濕潤的暖空氣便冷卻下來。一定溫度下，水蒸氣凝結(jié)成水滴，或者冰晶體，或者兩者混合物。這些水滴和冰晶體因粘結(jié)理論而大量聚集在一起形成云，這也是我們之前討論過的。有一些云看起來要比其他云厚，是因?yàn)樗鼈兊乃蚊芏容^大。
云是地球水循環(huán)的關(guān)鍵部分，因?yàn)樗婚g斷地從水表面向大氣層移動(dòng)，狀態(tài)從液體到水蒸氣再到液體。要是該循環(huán)中沒有水的作用存在，地球上或許不會(huì)存在生命。
1803年，一名叫做盧克·霍華德（Luke Howard） 的氣象學(xué)家把云用拉丁語分為四類：積云，拉丁語意為“堆”，形容常見的塊狀云。卷云，拉丁語意為“頭發(fā)”，形容看似纖細(xì)像頭發(fā)的高層云。扁平狀，沒有特點(diǎn)的云，稱之為層云，拉丁語意為“層”。最后一種云，云霧云是一種灰色烏云。有時(shí)候，我們把暴風(fēng)雨之前看到的非常高的灰色塊狀云，稱之為積雨云。
1.為什么室溫下水就汽化了？
人類總自認(rèn)為現(xiàn)實(shí)是唯美并且一成不變的，各種事物保持著其原有的狀態(tài)，除非人為地挪動(dòng)了它。然而事實(shí)上，只要你以水分子級(jí)別去觀察水，水分子猶如一群擠在一個(gè)窩里的小狗，相互碰撞，爭奪空間。當(dāng)空氣中充滿水蒸氣時(shí)，水分子會(huì)在水面相互碰撞并黏住。這也就解釋了為什么在潮濕天氣下水珠會(huì)在凝結(jié)在冷飲表面。
相反地，空氣干燥時(shí)，杯中的水分子躍到空氣中，并和其他漂浮的水分子凝結(jié)。這就是汽化過程。要是空氣足夠干燥，相對黏住空氣中的水分子，杯中的水分子會(huì)大量躍入空氣中。久而久之，杯中的水逐漸消失，最終看到一個(gè)空杯子。
液體的分子躍入空氣中并相互凝結(jié)的能力稱之為蒸汽壓力，因?yàn)樘S的分子施加了一種力，正如氣體或固體相互排斥。不同的液體有不同的蒸汽壓。例如丙酮液體——指甲油清洗劑——具有很高的蒸汽壓，就很容易汽化分散到空氣中。相比之下，橄欖油蒸汽壓較低，所以室溫下汽化量不大。
翻譯/夏久梅
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