從宇宙到原子
——趣談物理學(xué)

文本刊綜合

2017年10月的某天，國(guó)內(nèi)外天文圈不約而同地賣起了關(guān)子，紛紛聲稱有大事宣布，卻又個(gè)個(gè)神秘兮兮、守口如瓶。網(wǎng)友紛紛猜測(cè)，難道是發(fā)現(xiàn)外星人了？

10月16日，謎底揭曉，這件大事并不是外星人來(lái)襲，而是天文學(xué)家首次探測(cè)到來(lái)自雙中子星并合的新型引力波及其伴隨的電磁信號(hào)。因?yàn)榇舜我Σㄊ录哂袠O其重要的意義，天文學(xué)家使用大量地面和空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，形成了一場(chǎng)天文學(xué)歷史上極為罕見(jiàn)的全球規(guī)模的聯(lián)合觀測(cè)。

這次“天文學(xué)界的狂歡”讓網(wǎng)友不禁感嘆：“原來(lái)科學(xué)家也喜歡‘搞事情’！”其實(shí)，科學(xué)研究并非像人們通常認(rèn)為的那樣單調(diào)乏味，很多時(shí)候它都充滿了樂(lè)趣。本期，小編就帶領(lǐng)大家走進(jìn)充滿趣味的物理世界！

身邊的物理學(xué)事件

作為最精密的自然科學(xué)學(xué)科，物理學(xué)是其他自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。大至宇宙，小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運(yùn)動(dòng)形式和規(guī)律都是它的研究對(duì)象。按照研究?jī)?nèi)容的不同，物理學(xué)又分為牛頓力學(xué)、電磁學(xué)、熱力學(xué)、天體物理學(xué)等類別。

日常生活中很多事情都與物理學(xué)息息相關(guān)。你能說(shuō)出以下新聞熱點(diǎn)中都包含了哪些物理學(xué)知識(shí)嗎？

事件一：2017年10月 10日，“中國(guó)天眼”FAST的成果“首秀”又一次讓中國(guó)科學(xué)界站在了全世界面前。在北京國(guó)家天文臺(tái)的辦公大樓里，由FAST捕獲的首批脈沖星信號(hào)第一次向外界展示。在場(chǎng)的所有人都豎起耳朵，仔細(xì)聆聽(tīng)這兩個(gè)分別來(lái)自1.6萬(wàn)光年外和4100光年外的脈沖信號(hào)。

就是這兩個(gè)聲音讓中國(guó)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)“零的突破”：我國(guó)自主設(shè)計(jì)制造的天文設(shè)備第一次發(fā)現(xiàn)脈沖星。而在此之前的50年里，人類已經(jīng)觀測(cè)到2700多顆各種類型的脈沖星。

脈沖星是死亡恒星的一種，屬于高速自轉(zhuǎn)的中子星，因發(fā)射周期性脈沖信號(hào)而得名。這種脈沖信號(hào)好比轉(zhuǎn)動(dòng)的燈塔發(fā)出忽明忽暗的光，以至于脈沖星最初被發(fā)現(xiàn)時(shí)，一度被誤認(rèn)為是外星人尋找“宇宙知音”的信號(hào)。

在這一成果引起矚目的背后，不得不提及FAST項(xiàng)目發(fā)起人、項(xiàng)目的最主要締造者南仁東先生。就在成果發(fā)布的25天前，南仁東先生離開(kāi)人世，享年72歲。FAST的這次“首秀”，或許是對(duì)南仁東先生的最好告慰。

“中國(guó)天眼之父”南仁東

事件二：2017年10月12日上午，在南京鼓樓區(qū)寶塔橋附近的馬路邊，一臺(tái)挖掘機(jī)正在一棟5層樓房的樓頂作業(yè)，引得路人紛紛圍觀。這個(gè)龐然大物是如何開(kāi)到5層樓樓頂上的？它在上面作業(yè)安全嗎？

原來(lái)，挖掘機(jī)是被塔吊機(jī)從地面吊到樓頂上的。為方便挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)不致壓塌樓頂，施工人員在挖掘機(jī)下方墊上了鋼板，這樣就能增大挖掘機(jī)履帶跟樓板的受力面積，使施工操作更加安全。

事件三：蘋(píng)果手機(jī)iPhone8Plus一經(jīng)推出便狀況連連，其中最受人詬病的便是手機(jī)易“爆炸”的問(wèn)題。手機(jī)為什么會(huì)“爆炸”？

所謂手機(jī)“爆炸”其實(shí)指的是電池因膨脹而頂破手機(jī)外殼的現(xiàn)象。電池膨脹是由于電池電解液和水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量氫氣、二氧化碳及烷類化合物擠壓電池外殼而形成。導(dǎo)致電池膨脹的原因主要有三種：充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、電池老化以及不合理的電池設(shè)計(jì)。

事件四：2017年的中秋之夜，一位“天外來(lái)客”造訪地球——在云南省迪慶藏族自治州的上空發(fā)生了一次火流星事件。

火流星是亮度非常高的一類流星。按照國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)的定義，如果流星在越過(guò)觀測(cè)者正上方（天頂）時(shí)，視星等（指觀測(cè)者用肉眼所看到的星體亮度）比“-3等”更明亮，則可被稱為火流星。這樣的亮度大約與火星、木星最亮?xí)r差不多。

火流星的直徑一般在1米左右，它們可能來(lái)自于小行星、彗星的碎片，也可能來(lái)自于星際空間的塵埃。進(jìn)入地球大氣的火流星除了在與大氣摩擦的過(guò)程中不斷被減速、加熱外，還會(huì)因其速度超過(guò)音速而壓縮它前面的空氣，形成激波，激波也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生加熱作用。隨著加熱過(guò)程的進(jìn)行，火流星會(huì)逐漸熔化，運(yùn)動(dòng)方向前后的壓強(qiáng)差還會(huì)對(duì)其產(chǎn)生擠壓作用。當(dāng)擠壓作用超過(guò)星體本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，火流星便會(huì)爆炸、碎裂，對(duì)地球造成威脅。

火流星

這次發(fā)生在云南的火流星事件由于釋放的能量較少，因此沒(méi)有造成實(shí)際的破壞。

事件五：一杯開(kāi)水倒進(jìn)杯子里搖晃1分鐘，就能變成最適合人體飲用的55℃的溫水——曾經(jīng)一款被稱為“喝水神器”的55度杯在網(wǎng)店熱銷。55度杯采用了什么材料能達(dá)到這樣的效果？對(duì)此，物理學(xué)家解釋，無(wú)論采用哪種材料，都不外乎兩種原理。

一是利用固態(tài)、液態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。如果55度杯杯體夾層里使用的物質(zhì)是某種相變化材料，如熔點(diǎn)為58℃的某種鹽，這意味著當(dāng)溫度高于58℃時(shí)，這種物質(zhì)是液態(tài)；低于58℃時(shí)則是固體。室溫條件下，夾層里的物質(zhì)是固態(tài)，而往杯子倒開(kāi)水，物質(zhì)吸熱，高于58℃后，就熔化成液態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，液態(tài)物質(zhì)吸收大量熱量，使得杯中水的溫度下降。

而把熱水倒掉時(shí)，夾層內(nèi)的物質(zhì)仍是液體。這時(shí)加入低于58℃的水，物質(zhì)就會(huì)把熱量傳給水，同時(shí)結(jié)晶變成固態(tài)，這一過(guò)程中釋放熱量，杯里的水就升溫了。

二是利用液體傳熱、儲(chǔ)熱的原理。如果55度杯內(nèi)裝的物質(zhì)無(wú)論加熱還是冷卻后都是液態(tài)，則根本不存在相變化，而是更加基礎(chǔ)的原理——單純的液體傳熱、儲(chǔ)熱同樣也可以實(shí)現(xiàn)降溫和升溫。

物理學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系

任何一門學(xué)科都不是孤立存在的，物理學(xué)與哪些學(xué)科關(guān)系最親密？

最初，物理學(xué)與自然科學(xué)聯(lián)系緊密。Physics（物理學(xué)）最早的意思就是關(guān)于自然的學(xué)問(wèn)。后來(lái)人們根據(jù)亞里士多德的研究又創(chuàng)造了Metaphysics（后物理學(xué)）一詞。

這個(gè)詞在西方慢慢代表一門學(xué)問(wèn)，在中國(guó)被翻譯成“形而上學(xué)”。后來(lái)，形而上學(xué)被德國(guó)哲學(xué)家康德轉(zhuǎn)化成了一門接近自然科學(xué)的學(xué)問(wèn)，就是今天的Philosophy（哲學(xué)）。當(dāng)我們談?wù)撜軐W(xué)和哲學(xué)家時(shí)，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到康德首先是一位物理教授。

物理學(xué)還有另外一個(gè)“表兄弟”，它就是數(shù)學(xué)Mathematics。Mathematics的含義并非僅指漢語(yǔ)翻譯的數(shù)學(xué)，因?yàn)樗粌H研究數(shù)，也研究形和邏輯，本意是“聰明人干的事情”。

數(shù)學(xué)是物理學(xué)家的語(yǔ)言，也是物理學(xué)家賴以思考的工具。物理的表述、思考都離不開(kāi)數(shù)學(xué)。

關(guān)于數(shù)學(xué)和物理學(xué)的關(guān)系，有一個(gè)重要的例子。大物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋天生就有非常強(qiáng)的數(shù)學(xué)思維能力。他小時(shí)候?qū)W習(xí)畫(huà)蛋時(shí)就想，如果能寫(xiě)出雞蛋的圖形方程，是不是就能畫(huà)好了？于是他先從和雞蛋長(zhǎng)得差不多的橢圓開(kāi)始。

橢圓的方程是兩點(diǎn)的距離之和等于常數(shù)，而雞蛋與橢圓的不同之處僅僅是雞蛋一頭大一頭小。只要給到兩點(diǎn)的距離加上不同的因子，再乘以某個(gè)因子使其等于常數(shù)，就能畫(huà)出雞蛋了——這是麥克斯韋13歲時(shí)想出的辦法。

此外，物理學(xué)家還應(yīng)該是語(yǔ)言學(xué)家。因?yàn)槲锢韺W(xué)家的任務(wù)是理解這個(gè)世界并將自己的理解傳達(dá)給他人，而語(yǔ)言是表達(dá)自我最有力的工具。

英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)了水波或光波通過(guò)兩個(gè)狹縫時(shí)，在后面的屏上得到差不多等間距的明暗相間條紋的現(xiàn)象，即波的雙縫干涉現(xiàn)象，他同時(shí)還是《大英百科全書(shū)》中該條目的撰寫(xiě)人。為更好地傳播自己的思想，他撰寫(xiě)該條目時(shí)使用了多種語(yǔ)言。

魔術(shù)中的物理原理

魔術(shù)表演最能激起人們的好奇心，在大大小小的魔術(shù)表演中，許多都運(yùn)用了物理學(xué)的知識(shí)。

1.雞蛋透視

魔術(shù)師拿出一支蠟燭，用打火機(jī)點(diǎn)燃，接著將清水倒入小碗備用。然后，魔術(shù)師拿出一枚雞蛋在燭火上方熏烤，雞蛋逐漸變黑。將“黑蛋”輕輕放入水碗，奇妙的現(xiàn)象出現(xiàn)了：黑蛋的周圍立刻變得透明，仿佛一顆碩大的黑水晶浸泡在水中。

魔術(shù)揭秘：由于燃燒不充分，雞蛋的表面出現(xiàn)了碳層，形成非親水界面的空氣層，空氣層在水中反射光線導(dǎo)致出現(xiàn)“透明”的光影。

2.膠囊空翻

魔術(shù)師拿出一枚膠囊放在左手心，并對(duì)膠囊說(shuō)：“起來(lái)！”膠囊竟然應(yīng)聲而起。魔術(shù)師左手稍傾斜，繼續(xù)說(shuō)：“來(lái)個(gè)空翻！”只見(jiàn)膠囊翻著跟頭滾落到桌面上。

魔術(shù)揭秘：這個(gè)魔術(shù)的秘密在于重心的轉(zhuǎn)移。魔術(shù)師事先準(zhǔn)備一枚膠囊和一顆小鋼珠，將膠囊打開(kāi)，把里面的藥粉倒出來(lái)，再將小鋼珠放入膠囊。當(dāng)豎著放膠囊時(shí)，鋼珠在膠囊的下端，膠囊的重心幾乎全部集中在鋼珠上。在重力作用下，膠囊向下倒，這時(shí)里面的鋼珠向下滾，重心向下轉(zhuǎn)移，使膠囊豎起，接著倒下，如此反復(fù)。觀眾看不見(jiàn)里面的鋼珠，就認(rèn)為膠囊在“翻跟斗”。

3.年年有余

魔術(shù)師向觀眾展示一個(gè)玻璃缸，玻璃缸里只有清水，并被一塊絲巾蓋住。接著，魔術(shù)師在空中抓一下，似乎把什么東西放入玻璃缸。再拿開(kāi)絲巾，玻璃缸里竟然出現(xiàn)了幾條美麗的小金魚(yú)。

魔術(shù)揭秘：在表演之前，魔術(shù)師將一塊尺寸合適的平面鏡放入裝有清水的玻璃缸，然后將小金魚(yú)放入鏡子后面的水中，由于光的反射原理，觀眾看到玻璃缸里只有清水。表演完成后，魔術(shù)師拿走絲巾的同時(shí)也拿走鏡片，小金魚(yú)就出現(xiàn)在玻璃缸中了。

小編總結(jié)：曾有媒體聲稱“新高考棄物理將成趨勢(shì)”，這讓很多喜愛(ài)或從事物理學(xué)相關(guān)工作的公眾感到悲哀。其實(shí)，物理學(xué)既重要又充滿科學(xué)探索的樂(lè)趣，是一門值得被深入研究和青睞的學(xué)科。