時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是怎么來的？3月11日，《張朝陽的物理課》線下“新春第一課”首次開講，搜狐創(chuàng)始人、董事局主席兼CEO張朝陽與來自北京各高校的物理學(xué)子及物理愛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)作者李永樂也作為嘉賓現(xiàn)身，與同學(xué)們進(jìn)行了互動交流。
第一堂線下物理課討論“相對論” 直播風(fēng)格獨(dú)特強(qiáng)調(diào)“硬核推導(dǎo)”
“這個活動是特別獨(dú)特的。”張朝陽在開場說道，“物理課我在線上已經(jīng)講了三十講了，覆蓋了很多話題，今天是別開生面的第一次走到線下。”
線下“新春第一課”，張朝陽重點(diǎn)講解了狹義相對論中最為著名的方程E=mc²，并加以解釋，為什么這個小小的公式蘊(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、太陽的能量都與此有關(guān)。張朝陽表示，“所以這個公式非常重要，跟每個人的生活息息相關(guān)。”
“我的課比較強(qiáng)調(diào)硬核推導(dǎo)。”張朝陽介紹，要理解狹義相對論，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關(guān)這種反直覺推論，并且之后的實驗也證實了這種現(xiàn)象。他利用光速不變的事實，推導(dǎo)出時間膨脹效應(yīng)，即運(yùn)動的時鐘相對于靜止的時鐘流逝慢，說明此時時間與空間不再獨(dú)立。
張朝陽解釋，描述時間與空間的關(guān)系的方程就是洛倫茲變換，洛倫茲變換能把一個慣性參考系的坐標(biāo)變換到另一個做相對勻速運(yùn)動的慣性參考系下。他在黑板上寫下了洛倫茲變換公式，并且結(jié)合同時性的相對性概念推導(dǎo)出了動尺縮短公式，即運(yùn)動的尺子在靜止參考系下看會比在尺子固有參考系下短。
洛倫茲變換只是坐標(biāo)的變換，張朝陽進(jìn)一步通過洛倫茲變換導(dǎo)出了速度的變換公式，這與傳統(tǒng)牛頓力學(xué)中簡單的速度矢量的疊加非常不同。有了速度變換公式，他開始推導(dǎo)不同參考系下兩個質(zhì)量相同的小球的碰撞過程，通過動量守恒定律與類比牛頓力學(xué)中動量的定義，計算出了動質(zhì)量與速度的關(guān)系。隨后將力關(guān)于位移積分，得出愛因斯坦最著名的質(zhì)能方程E=mc²，它描述能量與質(zhì)量的關(guān)系。張朝陽又以鈾235的裂變過程為例，說明質(zhì)量是可以轉(zhuǎn)化成能量的，而其能量可以用愛因斯坦質(zhì)能方程計算出來。
現(xiàn)場與同學(xué)對話討論薛定諤方程 利用量子力學(xué)推導(dǎo)氫原子半徑
在其后的互動環(huán)節(jié)中，張朝陽還與同學(xué)們探討了各種物理問題。包括薛定諤是如何猜測出薛定諤方程的，張朝陽進(jìn)行了現(xiàn)場推導(dǎo)，愛因斯坦假設(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，對波求時間導(dǎo)數(shù)可以提出能量，而對波求空間導(dǎo)數(shù)可以提出動量，然后將哈密頓量中的能量與動量換成對應(yīng)的算符，并把研究對象用波函數(shù)的形式表示，即可猜出薛定諤方程。
對于如何用不確定性原理估算出氫原子半徑？張朝陽解釋，在經(jīng)典電動力學(xué)中，電子繞原子核轉(zhuǎn)動是會輻射電磁波的，最終電子會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)中動量與位置滿足不確定性原理，電子往原子核塌縮時其位置不確定度越小，動量不確定度就越大，動量越大會讓電子有遠(yuǎn)離原子核的趨勢，抵消了電子往原子核塌縮的趨勢。
張朝陽不僅做了這定性的說明，還做了定量的計算，他利用不確定性原理將動量表示成位置的不確定度并代入到哈密頓量中，計算出能量取最小值時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，電子并不會塌縮到原子核內(nèi)。張朝陽驚嘆這種簡單的估算計算出的結(jié)果竟然與嚴(yán)格解薛定諤方程的結(jié)果一致。
“網(wǎng)紅”物理老師李永樂現(xiàn)場助陣 講述愛因斯坦發(fā)現(xiàn)廣義相對論過程
此外，人大附中物理教師、科普視頻創(chuàng)作者李永樂也來到了“新春第一課”的現(xiàn)場，與張朝陽一起和同學(xué)進(jìn)行互動交流。
對于同學(xué)們都很關(guān)心的愛因斯坦與相對論的問題，李永樂現(xiàn)場補(bǔ)充解釋，狹義相對論最大的收獲問題是不能處理引力，愛因斯坦提出等效原理，認(rèn)為引力場與以適當(dāng)加速運(yùn)動的參考系是等價的，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可以看成一個局部的慣性系，這暗示了引力其實是時空的一個屬性而不只是一種單純的力，因此愛因斯坦進(jìn)一步將引力幾何化，得到了廣義相對論。
在問答環(huán)節(jié)，一位來自北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院的同學(xué)提問剛剛結(jié)束的北京冬奧會上，5G直播背后的物理學(xué)原理。嘉賓李永樂老師現(xiàn)場以精簡且有趣的語言闡述了聯(lián)通5G大速率、低延時、覆蓋廣等優(yōu)勢，體現(xiàn)了大國實力下科技為生活增添美好的硬核實力。此外，他還聊到了愛因斯坦的奇聞軼事，講了他提出狹義相對論乃至廣義相對論的過程，以及在這個過程中他受到朋友的幫助與啟發(fā)的故事。
持續(xù)打造知識直播平臺 搜狐視頻吸引諸多科普播主入駐
截至目前，《張朝陽的物理課》已直播三十多期。張朝陽先是從經(jīng)典物理學(xué)開始，科普了牛頓運(yùn)動定律與能量動量守恒原理等；而后從經(jīng)典物理的“兩朵烏云”說起，向近現(xiàn)代物理過渡，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、算符對易關(guān)系等理論內(nèi)容，到無限深勢阱、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用的案例。內(nèi)容豐富、覆蓋廣泛，理論公式由淺入深、繁簡交融。
從此前的物理課可以看出，《張朝陽的物理課》的直播風(fēng)格獨(dú)樹一幟：注重推導(dǎo)，通過一步一步詳盡地數(shù)學(xué)計算，推導(dǎo)出相關(guān)的物理公式，把每個公式從頭到尾拆解地十分清晰。正如張朝陽所說，“在好奇心驅(qū)使下，了解自然界的奧秘，了解我們在這個世界生存的道理”。而了解道理最好的方法就是明白道理是怎么得來的，這也是為什么《張朝陽的物理課》始終堅持用扎實的公式推導(dǎo)過程來講授物理的原因。
該課程于每周周五、周日12時在搜狐視頻直播。同時，網(wǎng)友可以在搜狐視頻“關(guān)注流”中搜索“張朝陽”，觀看往期完整視頻回放。
除了《張朝陽的物理課》外，搜狐視頻在直播方面專注打造知識直播平臺，陸續(xù)邀請各領(lǐng)域的頭部播主長期入駐，直播科普知識。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)實驗”；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；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通“弦論世界”直播課等。未來還將有更多知識播主入駐搜狐視頻，一起互動玩轉(zhuǎn)科學(xué)。
關(guān)鍵詞： 張朝陽的物理課
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