针对学校教育制定的《少年时》分级阅读指南。 

纵观目前已经出版的主题，你会发现历年来《少年时》的难度分布，是经过精心设计和考 量的，会有贴近生活、容易理解的主题，也会有需要读者稍微往上够一够，挑战自己认知 的高难度读本。

少年时 • 10年级分级阅读（套装14册）

42|硅谷带动世界

如果要评选出二战结束至今七十多年来对全世界影响最大的地区，那么，我们认为，位于美国加州的这个面积只有500平方千米的湾区——硅谷，可能会独占鳌头。

这不仅仅是因为硅谷创造出了人类科技史和工业史上的奇迹，改变了人类的生活方式，直接或间接地成为世界经济发展的主要动力之一;还在于它孕育出了一代又一代堪为典范的公司，催生出了当代风险投资机制;更在于它实践了基于变革创新、追求卓越、宽容叛逆、多元化、共享、自由等的硅谷精神，影响了几代人的思维方式。

从一间小小的车库里开发出的音频振荡器，到晶体管、集成电路、个人电脑、互联网乃至社交媒体;从仙童八叛逆，到集成电路和摩尔定律的发明者，直至PayPal的“黑帮”、沙丘路的风险投资人……我们将从几个切入点导引你“进入”硅谷。

44|物质的本源——基本粒子和它们的相互作用

物质是否可以无限分割？构成物质的基本成分有哪些？它们之间有什么样的相互作用？物理学家希望能把它们的关系都理清楚，然后建立一个统一的理论，解释自然界所有的基本现象和本质规律。

物理学是一门基于实验的科学，探测物质深层秘密的粒子物理学实验就是“碰撞”。想知道一颗坚果里有什么样的核，你可以用石头来砸它或者用两颗坚果相撞。从卢瑟福开始，科学家应用粒子来轰击物质，继而让粒子与粒子高速对撞。人们利用粒子加速器发现了绝大部分新的元素，又发现了包括夸克、胶子、陶子、w/z玻色子等若干基本粒子，直至发现最令人振奋的“上帝粒子”——希格斯玻色子。

到此，基本粒子和它们的相互作用关系被很好地呈现，构成了一个用来表述的“标准模型”。标准模型囊括了实验中发现的所有基本粒子，是迄今为止最成功的描述微观世界的理论。

然而，标准模型并不能描述我们最熟悉的相互作用——引力。一旦纳入引力，科学家长久以来憧憬的“大一统理论”就能完成了。为此，科学家提出了超对称理论、弦理论等。而如果想继续使用“碰撞”的办法来验证这些假说和猜想，加速器的能量则需要大幅提高……

本书涉及的都是现代科学最高深的理论。在艰难的编辑过程中，本书得到中国科学院国家天文台的金洪波博士和他指导过的博士生郝振翔、博士生陶雅正，以及美国费米实验室的吴进远博士、法国物理学家让-皮埃尔·博笛博士、马赛粒子物理研究中心何塞·布斯托教授、欧洲核子研究中心前粒子物理和高能物理研究员基尔·达高斯迪尼博士等专家的鼎力协助。在此编者对上述专家表示由衷的谢意。

58|我们该怎么学习

学习是什么？我们是如何学习的？我们该怎么学习？学习和教育是人类社会诞生以来一个永恒的话题;而到了我们这个时代，关于学习的讨论变得更加热烈、更为广泛、更具全民性。

近百年来，在教育观念和学习模式上，我们正面临一场全世界范围的深刻变革。我们将改革几个世纪以来人们已经习以为常的传统，创造出一种在真正意义上尊重人的主体性、激发人的创造性、相信并开发人的潜力、便于人与人交际与合作的新的教育观念和学习模式。

就如人本主义心理学家亚伯拉罕·•马斯洛(AbrahamMaslow)所说：“生活的全部都是教育，每个人都是老师，每个人都永远是学生。”那么，对于学习这个主题，我们每个人都可以、也必然会参与讨论。

不过，讨论学习并不是一件那么简单的事。每位专家都有自己的长篇大论;每位老师、学生和家长都有自己不同的体会。在这里，我们组织了包括专职的教育工作者、正在上学的学生、教育理论研究者和心理学等相关学科的专家，就近几十年来出现并正在被接受的新的学习理论、学习方法和学习形式进行讨论。

这种形式的讨论并不是为了推荐某一种思想或方法，而是希望把关于学习的一些思考分享给大家，与本书的小读者和家长朋友一起思考和讨论。每个孩子都是一个珍贵而美好的生命，而“教育的终极目的是让人学习如何展现自己独特的美”。

67|21世纪的新材料

“隐形斗篷效应”，也就是电影《哈利·波特》里能把人身体变透明的法术，也许在21世纪就可以通过材料科学的手段实现了。这里的关键是开发一种新型的材料。

在一百多种化学元素及其所产生的化合物、混合物里，人类一直都在寻找、挑选能够用于制造有用物品的物质，任何物质一旦被选上，我们就称之为材料。通常，材料科学家致力于研究材料的成分、结构和由此产生的性能。一旦科学家了解了结构和性能的相关性，他们就可以继续研究该材料在实际应用中的性能以及各种潜在的用途。在此同时，他们还要研究材料合成与加工的可行性。

人类文明的任何技术进步，几乎都建立在某些专门材料的基础上，以至于我们用材料名称来划分时代，如石器时代、青铜时代、铁器时代、硅器时代等。而材料科学和技术也一直伴随着人类文明向前发展。到了21世纪，材料科学和技术也和能源、信息技术、生物工程等一起，成为当代科学技术的主要支柱。事实上，能源、信息技术、生物工程等领域的突破很大程度上依赖于新材料的开发和应用。由此我们可以想象到，大多数技术都有过时的时候，但是材料技术似乎永葆青春。

在这本书里，我们将回顾古老的陶瓷、青铜、织物、玻璃、钢铁和现代的金属合金、高分子材料、工业陶瓷;我们将以主要篇幅来审视和展望21世纪高科技所需要的新材料性能——高强度、高敏感度、高能量转换效率、超导、超轻、智能;我们将看到进入人体的合成材料，示踪生命现象的荧光蛋白、捕捉彩虹的超材料、封存历史的时间晶体……

70|换一个角度看生命——生物学研究的范式转移

从雅典学院到文艺复兴，从19世纪工业革命到如今的信息时代，生物学走过了一段瑰丽的旅程：从宏观的生物种群与个体，到微观的细胞、分子、结构与功能，再到不同单元之间的复杂相互作用所形成的系统，在日新月异的观点、研究方法与工具的运用中，人们对生命的认识越发深入、全面，并已步入探索应用的阶段。

春华秋实，鸿雁南飞，蝌蚪变青蛙，蹒跚学步的婴儿长成白发苍苍的老人……或多或少，我们都对这五彩斑斓的生命世界感到好奇，想要知晓那些关于自身与其他生命的奥秘。不过，探索生命世界的规律却并非易事。

生物学在人类世界的发展中扮演着重要的角色。生物学研究生命的所有方面，包括起源、演化、分布、构造、发育、功能、行为、与环境的互动关系，等等。科学家在探索生物世界的过程中，不断发展出更新的思想观念、理论模型、实验方法，在不同层面上探索着生物的规律。光学显微镜、X射线、电子显微镜、分子克隆与测序技术等技术工具的发展，以及化学、物理学、数学、计算机等其他学科已有工具的引入，也都让生物学家对自然的探索越来越深入、越来越复杂，也越来越成体系。

纵观生物学史，我们隐约看到两种不太相同的研究方向：在一个方向上，生物学家对研究对象逐层“解剖”，力图弄清更微小尺度上更精细的规律；在另一个方向上，生物学家认为精细的“解剖”不足以还原事物之间错综影响产生的现象，他们把生命看成“复杂系统”，研究系统中各种具体事物之间的普遍联系，探寻整体的规律。在生物学发展史上，这两种研究有时此消彼长，有时携手并进，它们还与其他科学学科紧密配合，使生物学变成一种高度交叉的前沿科学。

如今，全世界每天都产生出成百上千个新的生物学研究成果，成百上千种不同的技术手段和研究方法被生物学家运用在实验室中。你是否想过，这浩如烟海的知识，这已经高度成熟的研究范式，都是怎样被前人从这个奥妙无穷的世界中采撷而出的呢？在螺旋式发展的生物学历史上，一代代生物学家曾走过哪些弯路？他们如何推翻了前人的认识，又总结出了哪些可供后人参考的经验？本书的目的，正是要回答这些问题。

80如何构建自己的“知识图谱”

我们进入知识爆炸时代已经有半个世纪了。现在，我们身边充满了各种必修和选修的课程、层出不穷的概念、海量的读物……然而，置身知识海洋，我们往往盲目、焦虑，或者只是随波逐流。可以说，我们现在缺的不是知识，而是构建自己知识体系的能力。而正是这种能力，往往决定了一个人一生的进取和各种形式的成就。

知识是人类积累的认知、思想、技艺、方法论，等等。知识按照一定的规律，高度有序地整合起来，形成严谨的关联，就是知识体系。一个人基于自己的背景，从自己的兴趣、需求、特长出发而拥有的认知、经验、能力，构成了个人知识体系。

那么，我们每个人可以有什么样的知识体系？我们都是人类社会的一员，显而易见，在构建个人知识体系之前，我们有必要了解，现代人类知识究竟有什么体系，有什么学科门类，有多大的框架。

这可是一个大命题，并不是一般人可以轻易涉足的。不过，我们可以从侧面来做一些粗略的理解。比如，我们可以了解图书馆的文献分类、科学技术发展与学科的演变过程、通识学科教育的传统；还可以看看图书推广人如何选定书单，专家学者如何编撰教科书……

在不同的人生阶段，当我们有了目标规划，就可以尝试描绘达到目标需要的知识图谱。我们要根据人类的基本知识架构和社会的基本规范来拟定学习的框架；我们要学会搜集、积累信息和知识点的技能，学习验证和判断各种信息、知识、文献的真伪和价值；我们会通过解决实际问题，分享个人所学，让知识融合在个人的认知系统中，最终形成外部的、可成文的实体知识（显性知识）、内在的知识储备（隐性知识），进而形成能够指导行动、洞察未来的智慧。

82大气与天气

闲暇时分，你爱观察天气吗？

天上仿若铺着一幅无垠的幕布，永不停歇地上演着一场面向全球观众的免费大戏：春日里，温暖的东风常常携着鸟语花香拂面而来；盛夏闷热的午后，雷阵雨总是倏忽间倾盆而至；秋高气爽的日子里，往往是西风摘下金色落叶，作为纪念品；数九寒冬中，有时一觉醒来，道旁的树木挂满糖霜一般的雾凇。云舒云卷、电闪雷鸣、狂风大作、雪雨冰霜、雾霭沉沉……“天气”这场戏，时而静谧，时而清朗，时而肃穆，时而壮丽，它是美的源头，无怪乎文人墨客在描绘它时从不吝惜笔墨。

从古至今，科学家也对天气的“剧本”进行着无尽的探索。他们深知天气对人们生活的各方面至关重要，因而从一开始就怀着想要预知未来天气的雄心壮志踏上征途。从用旗帜来观测风向起，先人渐渐发展出各类观测设备：古代的雨量筒，数百年前的温度计、湿度计、气压计，近代的无线电探空仪、雷达，还有如今的携带雷达等复杂设备的气象卫星。科学家以此把握气象的“脉搏”，获取尽可能丰富的信息。

为了建立气象学模型以对气象过程给出恰到好处的分析，近代以来，他们将物理学、化学的理论与实验方法广泛地应用于对天气的研究中，逐渐抽象出各类天气系统，并对它们彼此间的关系进行动态研究。在此过程中，他们也使用了许多数学工具和日新月异的计算机技术。接着，他们依据多年积累的理论模型与眼下的观测数据，结合定性分析、定量计算与过往的统计规律，试图给出未来可能的天气动向，并不断提高预报的精确度。

想知道科学家是怎样解读天气“剧本”的吗？与我们一起跟随他们的脚步，在气象学的奇妙世界里畅游一番吧。

86细胞大世界

大约40亿年前，地球诞生了最初的生命，它们由简单的有机化合物演化而来。而我们现在所有生命的共同祖先也在其中，它就是LUCA。它很像现在的单细胞生物：具有原始的细胞膜，含有遗传物质并可翻译成蛋白质，能为自身提供能量，可进行自我复制。这些也成为现有生命的特点。

今天纷繁多样的生命都是由最原始的细胞演化而来的。而构成生命的最基础结构也是细胞，众多的细胞能进一步形成组织，再形成器官、系统，最终形成生物体。很难想象，自然界中形态各异的花草虫鱼、飞禽走兽，都由这样无数相似的微小结构组成。

这些微小结构由膜结构包裹着，内里盛满了各种细胞器和凝胶状物质。其中的细胞核容纳了生命体的遗传物质，精密地调控着细胞内的生命活动，使细胞时刻不停地进行着转录、翻译、生长分裂、能量合成、物质代谢、信息交流等工作，形成了一套复杂的生物系统。细胞精妙的运行机制吸引着科学家的目光。

我们今天不仅可以通过显微技术观察细胞内部结构、追踪生物大分子的踪迹，我们还可以对单个细胞进行分离和研究。从细胞生物学再到分子生物学，随着细胞研究的深入，化学、物理、数学和计算机等学科的交叉研究方法也越来越多应用于细胞机制的探索中。对细胞的研究有助于我们进一步了解疾病发生的根源，尤其是癌症，甚至有可能揭示生命的奥秘。

在这本书中，我们会带你一同了解细胞研究的历史、细胞生命活动的细节、细胞研究的最新进展和技术手段。当你越深入地了解细胞，越会发现其中“别有洞天”，还有更多的未知等待着你去探索……

88计算机软件如何工作

跟计算机相关的学科，包括计算机科学、计算机技术、计算机工程等，已经成为一个庞大的学科领域。我们每个人都可以想象到，自己未来可能从事与计算机相关的工作，包括研发、设计，或者应用等。作为一个学生，学习计算机的知识，宜早不宜迟。

“少年时”已经出版了一系列跟计算机相关的专集，包括《计算机大穿越》《互联网50年》《数据驱动的时代》《一往无前的人工智能》《解构机器人》等，这一本我们将集中在计算机软件方面。

计算机系统是由硬件和系统软件组成的，它们共同工作来运行应用程序；软件需要硬件才能运作，反之亦然。软件是包含若干可运行程序和各种资料文档的有机集合体；程序是一系列按照特定顺序组织的电脑数据和指令；算法是程序用来实现特定功能的技巧；编程语言是被选择用来完成计算机程序的形式语言。程序员熟练地掌握了程序设计语言的语法，设计出巧妙的算法，加上软件工程的精心组织，才能做出一个实用的软件。

据统计，全世界有将近3000万名软件工程师，虽然我们每个人每天都在使用他们开发出来的产品，但是我们却几乎没有接触到他们的工作，哪怕是一行只包括十几个字符的代码。那么，这本书就可以让我们走近他们，看看他们每天在做些什么事情。我们将从计算机最基本的原理开始，包括基本的硬件和软件系统、算法和数据库、程序的日常应用和高端应用、软件项目如何运作，我们还将模仿他们，自己动手写一个实用的软件，做一个属于自己的App……

96认识基因：从破解到操控

本书讲述了基因研究在一百多年中的发展历程，人类对基因的认知从破解走向了操控。二十世纪初，科学家开始认识到生物体的性状是由细胞核中的遗传物质决定的；1953年，沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构，随后克里克建立了遗传信息从DNA流向RNA，再到蛋白质的中心法则；2000年,“人类基因组计划”初步完成，由此进入对基因系统性研究的组学时代；2012年，科学家发现了CRISPR/Cas基因编辑系统，并将其发展成了强大的基因改造工具。与以上这些里程碑式事件同时发展的是基因工程，随着限制性内切酶的发现，人们开始在分子水平上对基因进行操作，“兴建”了各种细菌工厂以生产特定的蛋白质，准确修改动植物的基因组以获得期望的表型。众多与各种疾病相关的基因和基因突变被发现，让我们可以采取针对性的治疗，使临床医学进入了分子时代。

从学科归属看，基因研究属于分子生物学和分子遗传学的范畴。当科学家明确了DNA分子是构成基因的主要成分，并发现DNA决定表型的认知范式，就使“经典遗传学”进入了“分子遗传学”时代；而随着DNA双螺旋分子结构的确认，以及随后通过生物大分子特性对生命现象进行了深入的研究，分子生物学也逐渐从生物化学和分子遗传学分离出来，成为上个世纪末至本世纪生命科学的热点。

基因分子生物学研究是现代生物学与医学研究的基石。“少年时”丛书涉及大量生物学与医学的内容，撰写这些章节的作者有时会假定读者已经掌握了基因的基本知识，而直接在此基础上展开内容。我们希望本书可以作为一本比较系统的基因分子生物学基础书，为读者铺垫这方面的基本知识，或者解答读者阅读其他“少年时”生物学与医学书籍相关文章时可能产生的疑问。

98|机器的构造

机械，是最古老也是最先进的人类文明产物。从公元前5000多年出现的陶轮到现在漫步火星的装备多种先进设备的探测车，机械一直陪伴着人类文明的发展、进步、成熟。

一根杠杆、一颗螺钉、一个轮轴是简单机械，它们组合成更复杂的机械—自行车、汽车、火星车……我们通常把这些比较复杂的机械叫作机器。英国机械学家罗伯特·威利斯（RobertWillis）在1841年的《机构学原理》中表述：“任何机械都是以各种不同方式连接起来的一组构件，使其中一个构件运动，其余构件将发生一定的运动，这些构件与最初运动之构件的相对运动关系取决于它们之间连接的性质。”

要创造更精妙、更高效的机器，我们需要理解其中的构造、力的传递关系。学习机械原理是一件非常有趣又充满挑战的事情。我们进入了一种新的思维，我们的大脑要从二维的示意图里，构筑出三维的物体，从静止的图片里，想象出这个三维物体的动作和运动过程。我们要推敲，这个物体的每个部位将承受什么样的、多大的力，这个力从哪里来。而且，这个过程中还伴随着热、电、声、光等物理过程和一些化学过程。

我们的世界正在进入人工智能、机器人的时代，但无论怎么变化，机械的重要性都不会减弱。现代机械不仅在向高速、重载、巨型、高效、低能耗、低噪声等方向发展，还有微细灵巧、柔性、智能、自适应等方向的需求。

机械的工作要求越来越苛刻：有的用于宇宙空间，有的要在深海作业，有的速度数倍于声速，有的小到能沿人体血管爬行，有的又要做亚微米级甚至纳米级的微位移……在这种情况下，机械原理领域的新课题不断涌现，研究方法日新月异，引领了机械工业的前进。带领读者走进这一领域，就是我们编辑这本书的初衷。

99市场与选择

经济学是一门研究人和社会如何通过决策将有限的资源最大化利用的学问。

在这个世界上，用于人类生存和发展的资源（时间、资金、土地、人力、信息……）永远都是稀缺的，因为人的欲望一直在膨胀。

在这样的背景下，每个人都需要有所取舍。

我们的生活离不开市场与选择。理性的人会寻找、利用对自己最有用的资源，有计划、有目的地实现个人目标。经济学研究的就是在有限的资源面前，我们如何权衡、取舍，做出最有利的选择。

经济学家认为社会的经济有客观的规律，能够通过观察、收集和分析数据，建立理论并验证，再通过推理演绎来证明和探索经济现象，所以经济学是科学。对于专业人士来讲，这里面有一套套精深的理论体系；而对于每一个追求知识的青年人来讲，这是一门通识学科，它会带给我们一种更理性、更智慧的看待世界的方式。

经济学能帮助我们理解这个世界，理解人类行为，理解让人困惑的现象背后的原因，比如，我们的薪酬由什么决定？物价为什么上涨？为什么有的国家穷、有的国家富？经济学能让我们更精明地做出生活中的决策，从我们的学习时间安排到未来的深造、就业，从如何分配收入用于生活、储蓄与投资到未来如何让一个企业赚钱……从宏观层面看，经济学使我们更好地理解国家经济政策、国民收入、社会资源配置、进出口贸易等这些大问题，让我们对所处的这个社会、这个时代有比较深入的了解……

经济学家萨缪尔森说：“在人的一生中，你永远都无法回避经济学。”

104透明的身体：人体系统与健康体检

现代医学的检验检查，包括生化、免疫、细胞学、内分泌、微生物、分子生物学等检验，以及放射、超声医学、病理、内窥镜等检查，在临床诊断和治疗中起到了关键作用。

它们可以帮助医生确定疾病的存在和类型。例如，通过血液检验可以确诊贫血、糖尿病；可以提供有关疾病范围、严重程度和进展的信息，帮助医生评估患者的病情，决定治疗方案；可以指导医生选择最适合的药物，并确定剂量和疗程；可以监测治疗的效果，以便医生及时地进行调整；可以帮助个体发现潜在的健康问题，从而采取早期干预措施，减少疾病的发生风险；可以评估个体患某些疾病的风险，如基因检测提供关于患遗传性疾病风险的信息。此外，检验检查还为科学研究提供了数据和样本，有助于深入了解疾病的发病机制和治疗方法。而在日常生活中，检验检查可以帮助我们了解自己的健康状况，鼓励我们采取健康的生活方式。

这些检验检查，我们每个人多多少少都经历过，或将会经历。那么，我们也许会问：各项检验检查是针对我们身体的哪个部位、哪些方面而做的？它们是通过什么样的设备，基于什么样的科学技术原理完成的？也许我们还会问：我们需要什么样的检验检查？我们在检验检查中该注意些什么？本书将从科普的角度，来回答这些疑问。从另一角度看，本书对于了解我们的身体、了解生物化学与医学知识、了解医学工程技术知识，都会有一定的帮助。

114宇宙的拼图:宇宙学标准模型探秘

我们的宇宙诞生于大爆炸。从那一点开始，有了我们的时间，到现在已经有138亿年了；有了空间，我们不知道这个空间有多大，但是我们所能看见的这一小片，直径已经有930亿光年。近一百多年来，科学家一直致力于用一个最简洁的框架来描绘我们的宇宙。

这么大跨度的时间和空间，科学家是如何研究的呢？首先，科学研究要基于两个假设：一是无论在宇宙哪个地方，物质的存在形式应该是大致相同的；二是人类在地球上发现的物理规律，无论在宇宙哪个地方，都应该适用。

1916年，爱因斯坦提出广义相对论。这个理论的场方程描述了物质和能量如何影响时空的曲率，以及这种曲率如何决定物体的运动路径，从而形成了一个自洽的系统。科学家从广义相对论中提取出一套认知空间的方式，并用它描述宇宙组分如何汇聚在一起，形成当今宇宙的理论。

在此以后，天文观测领域也有了几个里程碑式的发现。一是1929年哈勃发现宇宙正不断膨胀；二是1965年彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景，这是早期宇宙留给我们研究的“化石”；三是1998年天文学家通过研究Ia型超新星，发现宇宙在加速膨胀。

在这些基础上，科学家建立了若干的宇宙模型，而“ΛCDM”就是现阶段主流科学界所公认的比较成熟的模型。

通过ΛCDM宇宙模型这个框架，我们可以理解宇宙的历史和演化，从大爆炸开始，经历暴胀、物质与辐射的统治，到现今由暗能量主导的加速膨胀阶段；我们可以了解宇宙的构成—大约5%的原子物质，68%的暗物质和27%的暗能量；我们可以解释星系、星系团以及更大尺度结构的形成和分布，这是通过暗物质的引力作用促进普通物质聚集并形成天体来实现的……

科学家认为，21世纪的宇宙学研究已进入精确宇宙学时代。

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