時(shí)間和空間不是各自獨(dú)立的嗎?怎么攪和到一塊兒了?世界上最有名的方程E=mc²是怎么來(lái)的?3月11日，《張朝陽(yáng)的物理課》線下“新春第一課”首次開(kāi)講，搜狐創(chuàng)始人、董事局主席兼CEO張朝陽(yáng)與來(lái)自北京各高校的物理學(xué)子及物理愛(ài)好者們一起探討物理的奧秘。人大附中物理教師、科普視頻創(chuàng)作者李永樂(lè)也作為嘉賓現(xiàn)身，與同學(xué)們進(jìn)行了互動(dòng)交流。

第一堂線下物理課討論“相對(duì)論” 直播風(fēng)格獨(dú)特強(qiáng)調(diào)“硬核推導(dǎo)”

“這個(gè)活動(dòng)是特別獨(dú)特的。”張朝陽(yáng)在開(kāi)場(chǎng)說(shuō)道，“物理課我在線上已經(jīng)講了三十講了，覆蓋了很多話題，今天是別開(kāi)生面的第一次走到線下。”

線下“新春第一課”，張朝陽(yáng)重點(diǎn)講解了狹義相對(duì)論中最為著名的方程E=mc²，并加以解釋，為什么這個(gè)小小的公式蘊(yùn)藏了巨大的能量，可以把一丁點(diǎn)兒的質(zhì)量放大成巨大的能量。甚至，原子彈、氫彈、太陽(yáng)的能量都與此有關(guān)。張朝陽(yáng)表示，“所以這個(gè)公式非常重要，跟每個(gè)人的生活息息相關(guān)。”

“我的課比較強(qiáng)調(diào)硬核推導(dǎo)。”張朝陽(yáng)介紹，要理解狹義相對(duì)論，必須先了解光速的特殊性。他先從麥克斯韋方程組導(dǎo)出的電磁波方程入手，指出了光速與參考系無(wú)關(guān)這種反直覺(jué)推論，并且之后的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這種現(xiàn)象。他利用光速不變的事實(shí)，推導(dǎo)出時(shí)間膨脹效應(yīng)，即運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘相對(duì)于靜止的時(shí)鐘流逝慢，說(shuō)明此時(shí)時(shí)間與空間不再獨(dú)立。

張朝陽(yáng)解釋，描述時(shí)間與空間的關(guān)系的方程就是洛倫茲變換，洛倫茲變換能把一個(gè)慣性參考系的坐標(biāo)變換到另一個(gè)做相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的慣性參考系下。他在黑板上寫下了洛倫茲變換公式，并且結(jié)合同時(shí)性的相對(duì)性概念推導(dǎo)出了動(dòng)尺縮短公式，即運(yùn)動(dòng)的尺子在靜止參考系下看會(huì)比在尺子固有參考系下短。

洛倫茲變換只是坐標(biāo)的變換，張朝陽(yáng)進(jìn)一步通過(guò)洛倫茲變換導(dǎo)出了速度的變換公式，這與傳統(tǒng)牛頓力學(xué)中簡(jiǎn)單的速度矢量的疊加非常不同。有了速度變換公式，他開(kāi)始推導(dǎo)不同參考系下兩個(gè)質(zhì)量相同的小球的碰撞過(guò)程，通過(guò)動(dòng)量守恒定律與類比牛頓力學(xué)中動(dòng)量的定義，計(jì)算出了動(dòng)質(zhì)量與速度的關(guān)系。隨后將力關(guān)于位移積分，得出愛(ài)因斯坦最著名的質(zhì)能方程E=mc²，它描述能量與質(zhì)量的關(guān)系。張朝陽(yáng)又以鈾235的裂變過(guò)程為例，說(shuō)明質(zhì)量是可以轉(zhuǎn)化成能量的，而其能量可以用愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程計(jì)算出來(lái)。

現(xiàn)場(chǎng)與同學(xué)對(duì)話討論薛定諤方程 利用量子力學(xué)推導(dǎo)氫原子半徑

在其后的互動(dòng)環(huán)節(jié)中，張朝陽(yáng)還與同學(xué)們探討了各種物理問(wèn)題。包括薛定諤是如何猜測(cè)出薛定諤方程的，張朝陽(yáng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)推導(dǎo)，愛(ài)因斯坦假設(shè)了光子的存在并且提出了光的波粒二象性，德布羅意進(jìn)一步假設(shè)所有物質(zhì)都有波粒二象性，粒子可以模仿電磁波寫成波的形式，對(duì)波求時(shí)間導(dǎo)數(shù)可以提出能量，而對(duì)波求空間導(dǎo)數(shù)可以提出動(dòng)量，然后將哈密頓量中的能量與動(dòng)量換成對(duì)應(yīng)的算符，并把研究對(duì)象用波函數(shù)的形式表示，即可猜出薛定諤方程。

對(duì)于如何用不確定性原理估算出氫原子半徑?張朝陽(yáng)解釋，在經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中，電子繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)是會(huì)輻射電磁波的，最終電子會(huì)迅速塌縮到原子核里面，這么看氫原子就不能穩(wěn)定存在了，但在量子力學(xué)中動(dòng)量與位置滿足不確定性原理，電子往原子核塌縮時(shí)其位置不確定度越小，動(dòng)量不確定度就越大，動(dòng)量越大會(huì)讓電子有遠(yuǎn)離原子核的趨勢(shì)，抵消了電子往原子核塌縮的趨勢(shì)。

張朝陽(yáng)不僅做了這定性的說(shuō)明，還做了定量的計(jì)算，他利用不確定性原理將動(dòng)量表示成位置的不確定度并代入到哈密頓量中，計(jì)算出能量取最小值時(shí)的位置不確定度為玻爾半徑，也就是氫原子基態(tài)的半徑為玻爾半徑，電子并不會(huì)塌縮到原子核內(nèi)。張朝陽(yáng)驚嘆這種簡(jiǎn)單的估算計(jì)算出的結(jié)果竟然與嚴(yán)格解薛定諤方程的結(jié)果一致。

“網(wǎng)紅”物理老師李永樂(lè)現(xiàn)場(chǎng)助陣 講述愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論過(guò)程

此外，人大附中物理教師、科普視頻創(chuàng)作者李永樂(lè)也來(lái)到了“新春第一課”的現(xiàn)場(chǎng)，與張朝陽(yáng)一起和同學(xué)進(jìn)行互動(dòng)交流。

對(duì)于同學(xué)們都很關(guān)心的愛(ài)因斯坦與相對(duì)論的問(wèn)題，李永樂(lè)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充解釋，狹義相對(duì)論最大的問(wèn)題是不能處理引力，愛(ài)因斯坦提出等效原理，認(rèn)為引力場(chǎng)與以適當(dāng)加速運(yùn)動(dòng)的參考系是等價(jià)的，這擴(kuò)充了慣性系的概念，跟隨引力自由落體的參考系其實(shí)可以看成一個(gè)局部的慣性系，這暗示了引力其實(shí)是時(shí)空的一個(gè)屬性而不只是一種單純的力，因此愛(ài)因斯坦進(jìn)一步將引力幾何化，得到了廣義相對(duì)論。

此外，他還聊到了愛(ài)因斯坦的奇聞?shì)W事，講了他提出狹義相對(duì)論乃至廣義相對(duì)論的過(guò)程，以及在這個(gè)過(guò)程中他受到朋友的幫助與啟發(fā)的故事。

現(xiàn)場(chǎng)還有一個(gè)非常意外的發(fā)現(xiàn)，在參加活動(dòng)的同學(xué)中居然也“隱藏”著時(shí)尚愛(ài)好者，其中就有一位同學(xué)一直在用三星Galaxy S22 Ultra手機(jī)記筆記。后面張朝陽(yáng)還用同系列的手機(jī)Galaxy S22與李永樂(lè)老師和全體同學(xué)現(xiàn)場(chǎng)自拍合影留念，“硬核”體現(xiàn)了物理界大咖和學(xué)霸們的時(shí)尚元素。

持續(xù)打造知識(shí)直播平臺(tái)搜狐視頻吸引諸多科普播主入駐

截至目前，《張朝陽(yáng)的物理課》已直播三十多期。張朝陽(yáng)先是從經(jīng)典物理學(xué)開(kāi)始，科普了牛頓運(yùn)動(dòng)定律與能量動(dòng)量守恒原理等;而后從經(jīng)典物理的“兩朵烏云”說(shuō)起，向近現(xiàn)代物理過(guò)渡，探討了由黑體輻射研究引出的維恩、瑞利-金斯、斯特潘、普朗克等系列公式。

此后的物理課程逐步進(jìn)入量子力學(xué)領(lǐng)域，從基礎(chǔ)的薛定諤方程、算符對(duì)易關(guān)系等理論內(nèi)容，到無(wú)限深勢(shì)阱、氫原子波函數(shù)，再到諧振子量子化、氣體定容比熱的溫度階梯等更加具體實(shí)用的案例。內(nèi)容豐富、覆蓋廣泛，理論公式由淺入深、繁簡(jiǎn)交融。

從此前的物理課可以看出，《張朝陽(yáng)的物理課》的直播風(fēng)格獨(dú)樹一幟：注重推導(dǎo)，通過(guò)一步一步詳盡地?cái)?shù)學(xué)計(jì)算，推導(dǎo)出相關(guān)的物理公式，把每個(gè)公式從頭到尾拆解地十分清晰。正如張朝陽(yáng)所說(shuō)，“在好奇心驅(qū)使下，了解自然界的奧秘，了解我們?cè)谶@個(gè)世界生存的道理”。而了解道理最好的方法就是明白道理是怎么得來(lái)的，這也是為什么《張朝陽(yáng)的物理課》始終堅(jiān)持用扎實(shí)的公式推導(dǎo)過(guò)程來(lái)講授物理的原因。

該課程于每周周五、周日12時(shí)在搜狐視頻直播。同時(shí)，網(wǎng)友可以在搜狐視頻“關(guān)注流”中搜索“張朝陽(yáng)”，觀看往期完整視頻回放。

除了《張朝陽(yáng)的物理課》外，搜狐視頻在直播方面專注打造知識(shí)直播平臺(tái)，陸續(xù)邀請(qǐng)各領(lǐng)域的頭部播主長(zhǎng)期入駐，直播科普知識(shí)。包括北京交通大學(xué)理學(xué)院教師陳征博士的“奇趣的科學(xué)實(shí)驗(yàn)”;康奈爾大學(xué)物理化學(xué)博士包坤，化身“包大人玩科學(xué)”，教普通人看懂2021年諾貝爾獎(jiǎng);還有天體物理博士劉博洋科普“日全食是怎么產(chǎn)生的”，理論物理博士周思益也開(kāi)通“弦論世界”直播課等。未來(lái)還將有更多知識(shí)播主入駐搜狐視頻，一起互動(dòng)玩轉(zhuǎn)科學(xué)。

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