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少年时19 正能量的房子

每个家庭都在耗能。

美国是耗能最“肆无忌惮”的国家。美国每个住宅年耗电量约1.1 万千瓦·时，民用住宅用电占全国总用电量的38%，这些电能基本来自天然气、煤和石油。

要保证人们的衣食住行，房子理所当然是耗能的，但是所使用的电来自不可再生能源就不应该是理所当然的了。那么，有没有可让使用现代电器的房子自己运转起来呢？

能源顺差房屋就是这样的房子，它们通过自身装置，从太阳能、风能等可再生能源中吸取能量供自身使用，还将用不完的电能输送给商用电网。这样的房子真是“正能量的房子”！

从节约能量、零耗能再到正能量，这是对现代科技和社会经济的综合性考核。这里有新能源和新的建筑技术的尝试，还有大量的研究和分析，比如精确掌握传统建筑和新型建筑的能源消耗情况，利用计算机模型等预测建筑设计的能耗比。当然，你还要考虑建造这样一个房子需要花多少钱，“正能量的房子”这笔账该怎么算。

让我们一起来看看一个天才的想法如何一步步实现。

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少年时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。

少年时61 美丽的乐声从哪里来

- 本期内容简介 -

大约四万年前，一根细长的、带有五个孔的骨笛被遗弃在中欧的一个山洞里。它的发现，让我们知道，人类与音乐的关系至少已经有这么久了。达尔文认为，音乐行为是人类“最神秘的天赋”之一。

不知道经过多少年，人类可以分辨某种声音与其他声音的差别，开始安排这种声音的不同音调、响度、时值，并按照某种规律排列(音阶与音律)和组合(和弦)，以产生好听的旋律。发展至今，这些规则可以让全世界不同的人、不同的乐器所使用。同样，人类尝试各种材料和组合和造型，让它们产生悦耳的声音，形成具有宽广音域、准确音高和瑰丽音色的乐器。我们现在知道，上述这些都是基于一些基本的声学原理。

我们很多人可能都接触过某件乐器，如管乐器、弦乐器、打击乐器，等等。即使没有，我们也拥有人体本身这件“乐器”——我们可以歌唱。会乐器的人可能会熟练地演奏，但是我们是否了解乐器本身，了解里面的每一个结构细节?是什么样的原理让我们的吹奏、弹拨、敲击变成优美的乐声?

为此，我们特意请到对音律和声学，对钢琴、小号、小提琴、打击乐器、古琴、电吉他以及人声演唱等有专门研究的作者撰写了相关文章。

了解了音乐背后的科学原理，再看乐谱，或信手拨弦时，在看到的音符指示和听到的声音背后，在我们头脑中，会浮现一根将两者联系起来的线。

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少年时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……

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少年时77 从静电、动电到“飞翔”的电

人类真正从科学的角度，定量研究电 的特性、电磁互生，始于 18 世纪。在这 200 多年的不断探索中，人类发现了电磁 感应、电学原理、电磁波，发明了动力发 电、电力驱动和各类电子系统，用电力照 亮了世界，带动人类文明向前飞速发展。 库仑、安培、欧姆、法拉第、麦克斯韦、 赫兹等，这些先驱者的名字被铭刻在一个 个公式里，铭记在一个个物理量纲里。

电子，这种物质的基本粒子，它的周 围，自带电场;它的自旋，是磁性的来源;在导体中流动，形成了电流和磁场;遇到 电阻，发光发热;由电子设备精密控制， 在空中荡开“涟漪”，让电磁波自由“飞 翔”;通过传感技术，把物理世界的声音、图像、温度、距离、速度等，转换成电的 强弱信号;再通过电信号，去控制物理世 界。电的各种特性和功能，被广泛发掘和 应用。电灯、电话、电视、手机，各种发 明层出不穷。现代社会已经无法与电分开，现代人也无法适应没有电的生活了。

2000 多年前，屈原在《天问》中写到：“薄暮雷电，归何忧。”2021 年 5 月 15 日 7 时 18 分，中国“天问一号”火星着 陆器成功着陆火星北半球，那片平原名为 乌托邦平原——“辰时电波，报无忧!”

1901 年，马可尼发出的第一束跨大 西洋无线电波，已经在 120 光年之外。 如果在这个距离之内有先进的地外文明存 在，他们或许会察觉到，这颗蔚蓝的星球 上，有生命掌控了电和电磁波，也具备了 跨越星际、与星空对话的基本资格。

畅想未来，有没有一种比电更好的方法或物质，为我们传递能源、传输信息?

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少年时91 | 碳的轮回

碳是构成地球和生命的元素，它在大气、海洋、地球内部，也在生命体中。它有多个“化身”，可以是石墨，是钻石，也可以是石墨烯，是巴基球。它既藏于石油和煤炭之中，也存在于柔软的塑料和坚硬的大理石中，是生命体重要的分子“骨架”。它太重要了，以至于科学家推测其他星球如果存在活的生命体，也可能是由碳构成的。不仅如此，它驱动了工业革命以来人类文明的快速发展，它以“一己之力”撑起了一门学科——有机化学，这门学科专门研究碳如何和不同元素结合，产生几乎无限种化合物。

自然界中的碳，虽然会变幻不同面目，却从未消失。现在我们所认识的碳，仍然是地球诞生时的碳、恐龙称霸时的碳，只不过它们搬了家、变了模样。当生物体死去，碳的化合物会被留下，它们变成岩石，变成黑色的石油和煤炭，形成的能源材料又通过燃烧被释放到大气。这样的轮回大概花费几百万年。

而随着我们对地球内部、海洋、大气、周围的事物，甚至对我们自身了解的加深，碳在自然界的循环路径也越来越清晰地展现在我们眼前。有的科学家在研究地核中的碳，它可能揭示地球形成的秘密;有的科学家在研究深海热液喷口中的神秘有机物，它可能发展出最初的生命形式……碳不仅在地球大气圈、生物圈、水圈、岩石圈之间循环，它还串起了整个地球的历史，主导了生命演化的脚步。

与此同时，我们也确切地认识到，人类对高碳能源的使用已经加速了碳循环，对地球的生态平衡造成了破坏。我们要学习如何摆脱对碳能源的依赖，这个过程不仅仅是等待新技术的诞生和应用，也关系到我们的消费选择和生活方式的改变。

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