從宇宙到原子

2017年10月的某天，國內(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，卻又個個神秘兮兮、守口如瓶。網(wǎng)友紛紛猜測，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襲，而是天文學(xué)家首次探測到來自雙中子星并合的新型引力波及其伴隨的電磁信號。因為此次引力波事件具有極其重要的意義，天文學(xué)家使用大量地面和空間望遠鏡進行觀測，形成了一場天文學(xué)歷史上極為罕見的全球規(guī)模的聯(lián)合觀測。

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

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)最基本的運動形式和規(guī)律都是它的研究對象。按照研究內(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)。你能說出以下新聞熱點中都包含了哪些物理學(xué)知識嗎？

事件一：2017年10月10日，“中國天眼”FAST的成果“首秀”又一次讓中國科學(xué)界站在了全世界面前。在北京國家天文臺的辦公大樓里，由FAST捕獲的首批脈沖星信號第一次向外界展示。在場的所有人都豎起耳朵，仔細聆聽這兩個分別來自1.6萬光年外和4 100光年外的脈沖信號。

就是這兩個聲音讓中國實現(xiàn)了一個“零的突破”：我國自主設(shè)計制造的天文設(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)觀測到2 700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)射周期性脈沖信號而得名。這種脈沖信號好比轉(zhuǎn)動的燈塔發(fā)出忽明忽暗的光，以至于脈沖星最初被發(fā)現(xiàn)時，一度被誤認為是外星人尋找“宇宙知音”的信號。

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

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，一臺挖掘機正在一棟5層樓房的樓頂作業(yè)，引得路人紛紛圍觀。這個龐然大物是如何開到5層樓樓頂上的？它在上面作業(yè)安全嗎？

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

事件三：蘋果手機iPhone 8 Plus一經(jīng)推出便狀況連連，其中最受人詬病的便是手機易“爆炸”的問題。手機為什么會“爆炸”？

所謂手機“爆炸”其實指的是電池因膨脹而頂破手機外殼的現(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：充電時間過長、電池老化以及不合理的電池設(shè)計。

事件四：2017年的中秋之夜，一位“天外來客”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。按照國際天文聯(lián)合會的定義，如果流星在越過觀測者正上方（天頂）時，視星等（指觀測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，它們可能來自于小行星、彗星的碎片，也可能來自于星際空間的塵埃。進入地球大氣的火流星除了在與大氣摩擦的過程中不斷被減速、加熱外，還會因其速度超過音速而壓縮它前面的空氣，形成激波，激波也會對其產(chǎn)生加熱作用。隨著加熱過程的進行，火流星會逐漸熔化，運動方向前后的壓強差還會對其產(chǎn)生擠壓作用。當擠壓作用超過星體本身的抗拉強度時，火流星便會爆炸、碎裂，對地球造成威脅。

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

事件五：一杯開水倒進杯子里搖晃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到這樣的效果？對此，物理學(xué)家解釋，無論采用哪種材料，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，如熔點為58℃的某種鹽，這意味著當溫度高于58℃時，這種物質(zhì)是液態(tài)；低于58℃時則是固體。室溫條件下，夾層里的物質(zhì)是固態(tài)，而往杯子倒開水，物質(zhì)吸熱，高于58℃后，就熔化成液態(tài)。在這個過程中，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，夾層內(nèi)的物質(zhì)仍是液體。這時加入低于58℃的水，物質(zhì)就會把熱量傳給水，同時結(jié)晶變成固態(tài)，這一過程中釋放熱量，杯里的水就升溫了。

二是利用液體傳熱、儲熱的原理。如果55度杯內(nèi)裝的物質(zhì)無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、儲熱同樣也可以實現(xiàn)降溫和升溫。

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。后來人們根據(jù)亞里士多德的研究又創(chuàng)造了 Metaphysics（后物理學(xué)）一詞。

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

物理學(xué)還有另外一個“表兄弟”，它就是數(shù)學(xué)Mathematics。Mathematics的含義并非僅指漢語翻譯的數(shù)學(xué)，因為它不僅研究數(shù)，也研究形和邏輯，本意是“聰明人干的事情”。endprint

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

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

橢圓的方程是兩點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。只要給到兩點的距離加上不同的因子，再乘以某個因子使其等于常數(shù)，就能畫出雞蛋了——這是麥克斯韋13歲時想出的辦法。

此外，物理學(xué)家還應(yīng)該是語言學(xué)家。因為物理學(xué)家的任務(wù)是理解這個世界并將自己的理解傳達給他人，而語言是表達自我最有力 的工具。

英國物理學(xué)家托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)了水波或光波通過兩個狹縫時，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，他同時還是《大英百科全書》中該條目的撰寫人。為更好地傳播自己的思想，他撰寫該條目時使用了多種語言。

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，許多都運用了物理學(xué)的知識。

1.雞蛋透視

魔術(shù)師拿出一支蠟燭，用打火機點燃，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，并對膠囊說：“起來！”膠囊竟然應(yīng)聲而起。魔術(shù)師左手稍傾斜，繼續(xù)說：“來個空翻！”只見膠囊翻著跟頭滾落到桌面上。

魔術(shù)揭秘：這個魔術(shù)的秘密在于重心的轉(zhuǎn)移。魔術(shù)師事先準備一枚膠囊和一顆小鋼珠，將膠囊打開，把里面的藥粉倒出來，再將小鋼珠放入膠囊。當豎著放膠囊時，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)。觀眾看不見里面的鋼珠，就認為膠囊在“翻跟斗”。

3.年年有余

魔術(shù)師向觀眾展示一個玻璃缸，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。再拿開絲巾，玻璃缸里竟然出現(xiàn)了幾條美麗的小金魚。

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)師拿走絲巾的同時也拿走鏡片，小金魚就出現(xiàn)在玻璃缸中了。endprint