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温度背后还有物理史上的经典“大案”?

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著名物理学家理查德.费曼曾说:“就算你知道一种鸟在所有语言中的名字,仍可能对其一无所知。我很早就明白知道一个东西的名字和真正的了解一个东西并不是一回事。”

国家“三有”保护动物戴胜鸟 | 图虫

温度这个概念同样如此。我们知道怎么描述:冷、热;知道它的单位:开尔文、摄氏度或者华氏度;知道如何去测量:水银温度计或者红外测温仪。但温度的本质是什么?

只有理解了温度这个概念的本质——它描述了物质内部原子、分子等粒子的平均动能——才能理解温度为什么会有下限值,也就是我们所说的绝对零度。

在实际操作中,它是由理想气体状态方程外推得到的。所谓理想气体,是研究气体性质的一个物理模型,其性质满足如下定律:

l查理定律:一定质量一定体积的气体,其压强随温度呈线性变化;

l玻意耳-马略特定律:在定量定温下,理想气体的体积与气体的压强成反比;

l盖·吕萨定律:一定质量的气体,在压强不变的情况下,它的体积跟热力学温度成正比。

l阿伏加德罗定律:同温同压下,相同体积的任何气体含有相同的分子数。

在这些定律的基础之上,我们可以写出理想气体的状态方程,定量地描述理想气体的压强、体积以及温度之间的关系——pV=nRT。式中:p为压强(单位是Pa),V为气体体积(单位是m³),T为热力学温度(单位是K),n为气体的物质的量(单位是mol),R为摩尔气体常数,在国际单位制中R=8.31J/(mol・K)。

通过实验测量气体的体积随温度变化的关系,再将所得数据外推至气体体积为零时对应的温度值,就得到了绝对零度,这个值约为-273.15℃。

除了借助逻辑外推实验数据,换个角度,既然温度描述了物质内部原子、分子等粒子的平均动能,那么也可以把绝对零度说成是“理想气体分子停止运动时的温度”。那么,理解了温度的这种性质,就会明白,温度是存在下限值的。如果有人跟你说,零下400℃,你肯定要想想对方是不是在骗你。

上述推导,也是《张朝阳的物理课》直播中讲解的思路。从去年11月5日至今,《张朝阳的物理课》已直播十七期。在第一、二课中,张朝阳科普了“力”和“速度”,算出中国空间站每日绕地飞行圈数;第三、四课和“振动”相关,科普可见光的基本知识。第五、六课引发了关于音速和温度的大讨论。在第七、八、九课重温经典力学的两朵乌云;第十、十一课重点回顾黑体辐射曲线及其应用;第十二、十三、十四课尝试进入爱因斯坦的思想世界,推导出著名的公式“E=mc²”,并论证钟慢尺缩效应。第十五课讲解了原子的结构和原子核的衰变。第十六课意在讨论光的波粒二象性,初探量子力学。第十七课则着重探讨了康普顿散射和海森堡不确定性原理。伴随着他在“直播白板”上一个又一个的手写公式,背后的搜狐视频平台,也从直播综艺、活动直播、切入到了知识直播赛道。


先不讨论张老师教得怎么样,至少观众乐见其成。毕竟,观众不缺一位带货的主播,但大众永远需要知识的普及。若知识被束之高阁则无意义。直播这种拉近受众与知识的行为显然应当被鼓励。

事实也证明了这种判断:自去年疫情爆发以来,知识类直播呈现出了爆发式增长。这背后有两点原因。一是始于消费和娱乐的直播,经过数年的发展终究迎来了瓶颈期,各种带货主播你方唱罢我登场,但同质化却相对严重,在每天“过饱和”信息的轰炸下,观众却已经提前进入了审美疲劳;二是疫情的爆发使人们意识到科学知识的重要性,同时各种在线学习也进一步扩大了观众对“知识直播”的需求。

搜狐视频直播间也早早做出了布局。一方面对知识类播主有扶持;另一方面增加了直播间新功能,“有黑板,可以打赏、提问题,完全打造课堂的环境。”据介绍,未来还会有开小课、付费课等,激励播主传播知识,让播主不必靠爱发电。在知识直播领域,目前搜狐视频已聚集了一批在专业领域极具影响力的专家学者,分享包括汽车、美妆、情感心理、文化教育、房地产、健康、美食、母婴亲子等专业知识内容,涵盖大众衣食住行的方方面面。

知识直播,是张朝阳的个人兴趣使然,也是搜狐在直播大势之下做出的选择。张朝阳称,直播讲物理课,一部分原因是“为了配合搜狐视频做知识直播平台的战略布局”。张朝阳对这条赛道充满信心。“我觉得科学知识,这一两百年,有大量的积累,作为一个现代人的话,真的是有义务去关注,再加上一好奇心,应该去了解一下。”

那么,在人类目前这一两百年积累的大量科学知识中,为什么张朝阳直播选择了讲物理?因为这正是物理迷人的地方:它既强调逻辑性,却又强调体验和感知。

---物理学独到的迷人之处

理查德.费曼还有一句名言:Physics is to Mathis what sex is to masturbation. (物理之于数学就像性爱之于手淫)。这位曾经被按摩院请去画裸体画、偷偷打开放着原子弹机密文件的保险箱、在巴西桑巴乐团担任鼓手的诺贝尔奖得主,用这句话表明了一种观点:与数学相比,物理更注重人的体验和感受。


理查德.费曼

如何让物理规律被“感受”,也成为了区分物理学家伟大与优秀的标准。

费曼著名的O型环演示实验很好地说明了这一点。1986年,美国“挑战者”号航天飞机失事,费曼受委托调查事故原因。后来查明,事故原因是低温下用于密封的O型橡胶圈在低温下失去了弹性。然而,与其他专家用一大堆专业术语来解释问题不同,费曼只是简单地告诉会场的负责人:“请给我一杯冰水。”然后掏出一把刚从五金店买来的尖嘴钳,将一个航天飞机推进器上使用的橡皮环,用尖嘴钳夹住塞进冰水里。5分钟后,他拿出冻硬的橡皮环,松开钳子说:“发射当天的低气温使橡皮环失去膨胀性,导致推进器燃料泄漏,这就是问题的关键。”


费曼在国会作证,说明O型环在低温下失去弹性| youtube.com

费曼用一个简单而优雅的实验,不仅说明了事故的原因,更让观众有了直观的感受。在搜狐视频直播间,《张朝阳的物理课》也是同样的思路:让观众“感受”到物理知识,而非单纯地摆公式。


张朝阳使用“直播白板”,推导理想气体状态方程 | 《张朝阳物理课》

从第一堂课亲手计算出了中国空间站每日绕地球飞过的圈数,到后面分析微波炉加热食物的原理,张朝阳在直播时会精心选择生活中的切入点,一方面帮助网友“透过现象看本质”,另一方面也是优化物理知识的体验。

当然,作为一门严谨的科学,物理是经验(感受)的,但又是超脱于经验(感受)的。物理的易感知性意味着很多物理规律会跟我们的生活经验相印证,但借助逻辑的力量将这种经验外推到极限条件时又会出现矛盾。在12月5日的第九期《张朝阳的物理课》上,张朝阳便通过物理史上的经典案例——黑体辐射——展示了这种矛盾性。

---所谓“天空中飘浮着两朵乌云”

说回到温度,高温物体会以电磁波的形式向外辐射热量,也就是我们俗称的热辐射。在研究热辐射时,物理学家们定义了一个理想化的物体——黑体,并以此作为热辐射研究的标准物体。它能够完全吸收外来的全部电磁辐射,并且不会有任何的反射与透射。与此同时,黑体也会把其吸收到的能量以电磁波的形式发射出来,且在各个波段的比例是不同的。黑体的热辐射称为黑体辐射。随着温度的升高,黑体所辐射出来的电磁波的频谱分布也会发生改变。

然而,在刚刚跨入20世纪的第一年,著名物理学家、“热力学之父”——开尔文勋爵在英国皇家学会上发表演讲,认为在物理学晴朗天空的远处,还有两朵小小的、令人不安的乌云。演讲稿的修订版后来发表于1901年7月出版的 《哲学杂志》 和 《科学杂志》合刊上,并取名《在热和光动力理论上空的十九世纪乌云》。

这两朵乌云中的一朵,便是经典物理学无法解释的黑体辐射“紫外灾难”。因为,根据经典力学所推演出的用于计算黑体辐射强度的瑞利-金斯定律,虽然在低频段与实验结果吻合得很好,但在高频段出现了严重偏离,其在辐射频率升高时计算结果会趋向于无穷大。

这背后的本质,实际上是因为人们将经典物理学的结论借助逻辑外推时,出现了矛盾。因为经典物理学假设物质和能量无限可分,然而后来的量子力学却表明,能量有一个最小量,其他任何能量都等于这个最小能量的倍数。


黑体辐射谱以及颜色随温度的变化 | 李学苑

普朗克基于这个假设,修正了黑体辐射公式,使之在高频段也与实验数据吻合。然而,一开始他引入这个能量的最小量只是单纯想从数学上解决黑体辐射问题,没想到却开启了一场量子风暴。风暴过后,经典物理学中那个连续的、无限可分的世界不复存在。空间有最小尺度、能量有最小尺度,世界仿佛变成了《我的世界》一般,有了像素。换句话说,世界是量子的。

---从感受中来 到理性中去

在搜狐视频直播间,张朝阳从能量均分原理出发,通过对简谐运动、阻尼振动、电场辐射以及辐射阻尼的研究,带着网友顺利推演出“瑞利-金斯公式”,重演了这一经典过程,并介绍了普朗克的修正公式,从而带领网友触摸到了量子力学的大门。

观察生活现象+解释背后原理+推导演算公式,结合目前直播的物理课可以看出,《张朝阳的物理课》是从日常现象引入,帮助网友理解现象,提升兴趣,再“透过现象看本质”,解释知识点,推演过程,反过来解决生活中的问题。据了解,在后续课程中,张朝阳还将会通过网友日常中比较熟悉的话题,深入浅出,解释生活现象,探寻物质世界的本源,并借此激发科学学习的热潮。


张朝阳计算比热容比γ | 《张朝阳物理课》

这般费力的推演,与其说张朝阳在直播间讲解物理知识,不如说他更想展现一种物理学的思维:用逻辑去探究物质背后的规律。这种规律从感受中来,到理性中去。物理学既不是单纯的“理”,也不是单纯的“感”。它强调逻辑,但也很有趣。它源于生活,跟体验息息相关;却又超越生活,需要理性演绎。所有的一切,不管是搜狐视频直播间白板上那些手写的公式,又或者张朝阳在纸上画的简单示意图,背后其实都是对生活的热爱、好奇以及赤子之心。

最后也提个醒,《张朝阳的物理课》会于每周周五、周日12时在搜狐视频直播。

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