码厩开发者笔记

#7 现代医疗扫描技术

如果按医学技术发展史来看，大致顺序是：
心电图（1903） → 脑电图（1924） → X光（1895） → 超声（1940s） → CT（1971） → MRI（1977） → PET（1970s） → fMRI（1990s） → 7T MRI（21世纪） 。

#6 核磁共振（MRI）完整通俗科普

本文以高中物理水平、零专业门槛，系统讲透核磁共振的底层物理逻辑、人体成像原理、不同磁场设备差异、生物成像边界、诺贝尔奖背景、中外技术差距，以及国产便携式核磁共振的真实水平与技术逻辑。

#5 17 种基本粒子

根据粒子物理学的标准模型，基本粒子是构成物质的最基本单元，可分为费米子（构成物质）和玻色子（传递相互作用）两大类。以下是 17 种基本粒子的分类及简介：

一、费米子（物质粒子）

费米子是构成物质实体的基本粒子，自旋为半整数，遵循泡利不相容原理，共 12 种。

1. 夸克（6 种）

   • 上夸克（u）：电荷 +2/3，质量最轻，构成质子和中子。
   • 下夸克（d）：电荷 -1/3，与上夸克共同组成原子核。
   • 粲夸克（c）：电荷 +2/3，质量约 1.27 GeV，存在于高能粒子碰撞中。
   • 奇夸克（s）：电荷 -1/3，参与形成 K 介子等。
   • 顶夸克（t）：电荷 +2/3，质量最大（约 172 GeV），寿命极短。
   • 底夸克（b）：电荷 -1/3，质量约 4.2 GeV，常见于 B 介子。

2. 轻子（6 种）

   • 电子（e⁻）：电荷 -1，参与化学反应与电流传导。
   • μ 子：电荷 -1，质量约为电子的 207 倍，不稳定。
   • τ 子：电荷 -1，最重的轻子（质量约 1.78 GeV），迅速衰变。
   • 电子中微子（νₑ）、μ 子中微子（νμ）、τ 子中微子（ντ）：电中性，质量近乎为零，几乎不与物质作用（“幽灵粒子”）。

二、玻色子（作用力粒子）

玻色子传递基本相互作用，自旋为整数，共 5 种（胶子虽为 8 种但归为 1 类）：

1. 规范玻色子（传递基本力）

   • 光子（γ）：传递电磁力，无质量，电荷为零，形成光与电磁波。
   • 胶子（g）：传递强力，无质量，通过“色荷”束缚夸克（共 8 种，但作为一类）。
   • W⁺/W⁻ 玻色子：传递弱力，质量约 80.4 GeV，导致原子衰变。
   • Z⁰ 玻色子：传递弱力，质量约 91.2 GeV，电中性。

2. 希格斯玻色子（H⁰）

   • 通过希格斯场赋予其他粒子质量，自旋为 0，质量约 125 GeV/c²（2012 年由 LHC 发现）。

三、总结：17 种基本粒子列表

注：

• 标准模型中，胶子实际有 8 种（对应强力的“色荷”组合），但通常归为 1 类。
• 引力子（传递引力）尚未被实验证实，未计入标准模型。
• 反粒子（如正电子）未单独列出，因它们与对应粒子质量相同、电荷相反。

四、超出标准模型的候选粒子

尽管标准模型已解释绝大多数现象，但以下粒子可能存在于更深层理论中：

• 暗物质粒子（如轴子、WIMP）：占宇宙物质的 27%，尚未直接探测。
• 超对称粒子：理论预言每个标准模型粒子存在一个超对称伙伴（如“超电子”）。
• 引力子：量子引力理论中的假设粒子。

未来实验（如更高能对撞机、中微子观测）或将揭示新物理规律。

#4 转载：照明的历史

工业革命之前，世界是漆黑的，灯光极其昂贵，火是唯一的人造光源。

历史上，人造光一直是富人和有权势的人的特权，生产和维护既费力又肮脏，可用性和质量都很差。穷人很难获得人造光，总是生活在黑暗中。

古代房屋在夜晚有蜡烛照明，是巨大财富的标志。当时，蜂蜡制成的优质蜡烛是最好的光源，但天然蜂蜡的供应有限，加上手工制作的繁琐，除了最富有的人之外，其他人都买不到优质蜡烛。

一位作家写道："打开你的冰箱门，你召唤出的光线比 18 世纪大多数家庭所享受的光线总量还要多。"

后来人们发现，鲸油（鲸鱼的皮下脂肪）是更好的蜡烛材料，燃烧时发出干净、稳定的光，是工业革命早期了最好的照明，但它也非常昂贵。

捕鲸业为世界带来了照明，但也将一些鲸鱼物种推向了灭绝的边缘。仅在 1700 年至 1800 年间，为了得到鲸油，就至少有 300,000 头鲸鱼被屠杀。

1800 年代初，欧洲和美国出现了燃气照明，燃烧煤气来发光。然而，燃气照明的安装和维护费用昂贵，而且有危险。所以，煤气灯一般不用在家里，而用在工商业和大城市的路灯。

煤气灯很亮，比之前的任何灯至少亮 20 倍。使用燃气照明是人类第一次体验明亮的照明。

1846 年，天然气生产的副产品煤焦油（简称煤油）做成灯，用来照明。煤油开始取代鲸油，导致照明成本直线下降，并且燃烧时明亮、无味。

正是因为煤油，夜间第一次变得明亮了，天黑后也能生产和娱乐。

19 世纪后半期，托马斯·爱迪生（Thomas Edison）发明了电灯，电照明的时代从此来临。

#3 转载：交流电和直流电

交流电为什么获胜？

19世纪末，人类开始使用电力。当时有两派，一派主张直流电，另一派主张交流电。

最后，交流电获胜，主要原因是交流电长途传输的效率更高，直流电做不到长途传输。

当时，交流电已经可以做到高电压，但是直流电的电压一直做不上去。这导致大功率传输时，直流电就会产生很大的电流（因为 电压 * 电流 = 功率）。另一方面，电流通过导体产生的热量，与电流的平方成正比。这意味着，直流电的长距离传输会因为电流较大，而产生很大的热量损耗。交流电由于电压可以做得很高，就没有这个问题。

所以，高电压是长距离电力传输的关键，这就是交流电获胜的根本原因。直流电直到1960年代才有办法做到高电压，但是已经太晚了。目前，直流电的应用都局限在低压短距离的使用，传输距离往往在几米之内，最长不超过1公里。

两个新趋势

但是，最近出现的两个趋势，导致人们重新对直流电发生了兴趣。

第一个趋势是太阳能发电的兴起，使得发电变成了分布式，而不是集中式。哪里需要能源，哪里就放置太阳能板，这种场景下不需要长距离电力传输。此外，太阳能发电产生的是直流电，电池释放的也是直流电。

第二个趋势是越来越多的电器内部使用直流电，比如所有电子设备（包括计算机和手机）、固态照明 （LED）、平板电视、微波炉等等。专家预计，未来20年内，多达50%的家庭负载消耗的是直流电。

电流转换的损失

如果家庭使用的是太阳能发电，就要进行两次电流转换。

首先，光伏板的直流电通过逆变器转换为交流电，传输进入家庭。然后，交流电再次通过逆变器转换为直流电，才能被电脑、LED 和微波炉等直流设备使用。每一次电流转换，都会发生能量损失，最严重情况下，会损失掉20%~30%。

如果带有光伏板的建筑直接采用直流供电，就可以避免这种电流转换损失。

直流供电的好处

首先，一旦直流供电，就没有了电流转换的能量损耗，所需的光伏板变少了，存储能量的电池系统也可以变小。

其次，逆变器是一种昂贵的设备，而且寿命短于光伏板。不使用逆变器，可以节省不少钱。

再次，目前的很多直流电气设备，内部带有交流电到直流电的转换，去掉这个部分，可以使这些设备更简单、更便宜、更可靠、能耗更低。

最后，直流电的电压低。很多直流电器不超过24伏，没有电击或火灾危险，使得电工可以使用相对简单的接线，无需接地，也无需担心触电。这进一步节省了成本。

直流供电的缺点

低压直流电的最大问题是无法长距离传输。

前面说过，能量损失等于电流的平方乘以电阻。一根普通的铜线，在10米的距离内以12V的电压传输，100瓦的功率对应的电流是8.33A，会产生3%的能量损失，这可以接受。但是，电线长度为 50 米时，能量损失变为16%，长度为 100 米时，能量损失增加到了32%。这足以抵消直流电的效率优势。

由于线路损耗很高，大功率电器也很难使用直流电。如果在12V直流电网上运行 1,000 瓦的微波炉，在电线长度仅为1米的情况下，能量损失高达16%，在电缆长度为3米的情况下，能量损失会增加到47%。

所以，低压直流电网不适用于洗衣机、洗碗机、吸尘器、电饭锅、电烤箱或热水锅炉等大功率电力设备。另外，有些电器（比如冰箱）本身的功率比微波炉小，但是它每天 24 小时运行，长时间下来也会导致巨大的线路损耗。

同样的，线路损耗也限制了多台低功率设备使用同一根供电线缆。如果一根12V的电缆长度为 12 米，并且我们希望将线路损耗保持在10%以下，那么所有电器的总功率将限制在大约150瓦。这意味着，这根线路只能同时使用两台笔记本电脑（每台 20 瓦的功率）、一台直流电冰箱（45 瓦）、五个8瓦的 LED 灯（总共 40 瓦），还留下25瓦可以支持其它较小的设备。

解决方案

有几种方法可以避免低压直流电的线路损耗。

第一种方法是尽量减少配电电缆长度。比如，厨房、客厅、卧室这些用电最多的地方，尽量搬到屋顶光伏板的下方，减少电缆长度。

第二种方法是每一个或两个房间，设置一个独立的太阳能发电系统。

第三种方法是选择更高的电压：24V 或 48V 而不是 12V。但是，目前市场上的大多数低压直流电器都在12V下运行，而且更高的电压（高于24V）消除了直流系统的安全优势。美国有很多数据中心、办公室、住宅建筑使用的直流电系统升压到了 380V，这就需要跟 110V 或 220V 交流电一样严格的安全措施了。

第四种方法是使用两套供电系统，同时供应交流电和直流电。低功率设备使用直流电网，比如 LED 灯（< 10 瓦）、笔记本电脑（< 20 瓦）、电视（30-90 瓦）和冰箱（<50 瓦），大功率设备使用单独的交流电网。但是这样做，直流电带来的节能和成本降低效益，就微乎其微了，很容易被抵消。

#2 电磁波与可见光

光、电、磁三者好像完全没有关系。但是近代的一些科学研究表明它们其实是一种东西 —— 电磁波。

1873 年，42 岁的麦克斯韦出版了《论电和磁》，预言了电磁波的存在，同时认为光是电磁波的一种。
PS: 1879 年，48 岁的麦克斯韦因病去世，同年，爱因斯坦诞生。

1905 年，奇迹之年，最著名的“民科” —— 26 岁的专利局职员爱因斯坦发表了一篇论文《On the Electrodynamics of Moving Bodies》，中文翻译为“论动体的电动力学”。论文中指出，电和磁是在不同参考系中观察到的同一种现象。

最后，科学家发现 光、电、磁 的本质，和微观粒子，和量子力学有很大的关系。

我敢说，对于 光、电、磁 三者本质的认知，目前，最顶尖的科学家也不敢打包票。

什么是光？

我们所说的光，又称之为可见光，与紫外线、红外线、X 光等区分开。
实质上来讲，可见光只是电磁波谱上一小段频谱，我们的肉眼对这一段比较敏感而已。
PS: 不同动物对不同频段的电磁波敏感度不同，所以其他动物（比如昆虫）看到的世界和我们很大有很大差异。

高中物理就告诉我们：

1. 光是一种电磁波，波长在 500nm 左右。
2. 光是由光子组成的粒子流。
3. 光同时具有波的特性、粒子的特性，这叫做波粒二象性。

电和磁

我们初中就开始学习电，老师教我们，电是由于电子运动产生的物理现象。通过施加电压，电子就会沿着电场运动。

磁则来自磁铁，或者电流。

电磁波

电磁波是指同相振荡且互相垂直的电场与磁场，在空间中以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向。

1. 电场和磁场相互垂直，同生同灭。
2. 电场和磁场同相振荡。
3. 电磁波可以传输能量和动量。

左手定律，右手定律，相信很多朋友记忆深刻。

电磁波的频率

频率由低到高（波长由长到短）：

• 无线电波: 300GHz 1mm ~ 3KHz 100km
• 微波: 300MHz ~ 300GHz 1m
• 我们的微波炉 2.45GHz。
• 红外线 760nm ~ 1000nm (1mm)
• 可见光 380nm ~ 780nm
• 紫外线 10nm ~ 400nm
• X 射线 0.01nm ~ 10nm
• 伽马射线（γ射线）: 小于 0.01nm
• 用于医疗：放射治疗（放疗）、伽马刀
• 超新星爆发

为什么光能透过空气、水、玻璃，不能透过墙壁？

参考资料与拓展阅读

• 维基百科, 诸多词条
• 知乎，为什么玻璃是透明的，而金属不是？ - 贤超小和尚的回答

#1 重力加速度

基础认知

• 速度单位：米每秒 $m/s$
• 加速度单位：米每平方秒 $m/s^2$
  也等于牛顿每千克 $N/kg$
• 重力加速度就是天体重力产生的加速度，符号 $g$
  有一个重力常数，符号是 $G$
• 地表附近的重力加速度约为 9.81

重力引起的标准加速度（或自由落体的标准加速度），有时缩写为标准重力，通常用 $ɡ_0$ 或 $ɡ_n$ 表示，是物体在地球表面附近真空中的标称重力加速度。
标准定义为 $9.80665 m/s^2$（约 $32.17405 ft/s^2$）。
该值由第三届国际度量衡大会确定，用于将物体的标准重量定义为其质量和标称加速度的乘积。
地球表面附近物体的加速度是由于重力和地球自转的离心加速度的综合作用（但后者足够小，在大多数情况下可以忽略不计）；
两极的总重力（视重力）比赤道高约百分之二。

参见：标准重力
https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_gravity

运动