中學視域下的近代物理事例

晏志武

(臨滄巿臨翔區一中 云南 臨滄 677000)

近代物理包括相對論和量子力學，其中狹義相對論描述高速運動(接近光速)物體的性質，廣義相對論研究大質量物體的引力，而量子力學則是專門針對微觀粒子的理論.這些似乎都與中學課程和日常生活相隔甚遠，一般人仿佛不可能接觸到與近代物理有關的事物.其實不然.只要注意閱讀科技刊物，留心觀看科普報道，再加上一點點查尋和思考的能力，就會發現還真有不少與近代物理有關的物理事例，它們或是肉眼看到的現象,或是已使用多次的產品.以下幾個實例，可證此言之不謬.

1 鉛蓄電池與狹義相對論

鉛蓄電池是一種結構簡單、價格低廉而又功能強大的化學電源.它就是將二氧化鉛極板(正極)和鉛極板(負極)放在稀硫酸溶液里，卻可以在兩個極板間形成2.1 V的電壓，產生80～400 A的強勁電流.其離子反應式為

PbO2+4H++2e_=Pb2++2H2O

此式也很簡單.但讓科學家們長期困惑的是,電化學計算的鉛蓄電池電能值僅為實際值的20%，另外那80%的能量又是從哪里來的呢？難道作為平常之物的鉛蓄電池會違反能量守恒定律嗎？答案最終在

和

E=mc2

這兩個著名的狹義相對論公式中找到了.事情是這樣的,一般來講，原子間的化學反應主要取決于離原子核最遠的外層電子，與內層電子無關.外層電子所受的原子核引力很弱，無需為保持距離而快速旋轉，狹義相對論的質量變化效應完全可以忽略.鉛蓄電池的特殊性在于，鉛電極釋放的電子屬于外層電子，但此電子被二氧化鉛電極捕獲后卻跑到了更接近鉛原子核的軌道上，以更快的速度運行.而碰巧的是，鉛原子核是包含82個質子的“重核”，強烈地吸引可使鉛原子外層電子速度達到光速的1%，離原子核最近的電子速度更是高達光速的60%.根據上列“質量公式”和“質能方程”，電子在鉛極板時處于較低速度的外層，狹義相對論效應引起的質量變化很小.但此電子到達二氧化鉛極板后卻處于很高速度的內層，質量會顯著增大，能量隨之大幅增多.也就是說，電子從鉛電極離開時付出的能量很少，為二氧化鉛電極帶來的能量卻很多.經過瑞典烏普薩拉大學和芬蘭赫爾辛基大學的化學家計算，狹義相對論效應剛好能夠解釋鉛酸蓄電池多放出的那80%的電能.

其實，由于原子量較大、相對論效應明顯，元素周期表中第5周期以后的元素與前面周期的元素在物理性質和化學性質上有許多差別.比如，金元素能形成Au2分子和Au-離子(與鹵素相仿)，金負離子被認為是一種擬鹵素離子；又如，氣相汞與其他金屬不同，它大部分以單原子形式存在，被稱作偽惰性氣體.

2 GPS與相對論

GPS是由幾十顆衛星組成的全球定位系統，現已被廣泛應用于軍事、交通、科技等領域，許多汽車上都安著它的地面接收裝置.可是您知道嗎，GPS定位實實在在地用到了相對論的原理.是這么回事.狹義相對論的時間公式

表明高速物體上的時間流逝會慢一些,而廣義相對論認為引力小的地方時間過得要快一些.因為GPS確定位置是依靠衛星上面的原子鐘提供的時間來實現的(時間乘以光速即為距離)，導航定位的精度取決于原子鐘的精度，所以，要提供準確的衛星定位服務就必須考慮上述相對論效應.一方面，每個GPS衛星速度約為1.4×104km/h，它的星載原子鐘每天要比地球上的鐘慢7 μs；另一方面， GPS衛星位于距離地面大約2×104km的高空，其原子鐘由于引力較小而每天比在地球表面的原子鐘又要快45 μs.兩者相減，星載時鐘每天大約比地面時鐘快38 μs.為了校準兩處的時間，衛星時鐘每秒都要和地球時鐘核對一次.

3 強雷暴與粒子加速器和反物質

粒子加速器是高能物理研究的重要設備，其結構復雜，造價高昂，公眾難得一見,而反物質(正電子、反質子等)則更是稀罕之物，在地球自然界根本就沒有.可是，粒子加速器和反物質又沒有想像的那么遙不可及.

早在1925年，英國物理學家瑞斯·威爾森(Charles Thomson Rees Wilson)就猜測雷暴可以形成天然的粒子加速器.當雷暴產生的強烈閃電與來自宇宙線的高能粒子混合時，就為雷雨云上空巨大的粒子加速器形成提供了適當的條件,即宇宙線會使大氣分子電離，電離出來的自由電子又被閃電電場向上加速至接近光速，在其沖向高層大氣時，引發軔致輻射產生伽馬射線，能量達到1.022×106eV的伽馬射線光子能夠產生正、負電子對

反物質(正電子)就此出現，且正負電子的能量均為

E=mec2

代入數據得

E=8.19×10-14J=5.11×105eV

產生兩個光子才能同時遵守能量守恒和動量守恒定律.雖然這些高能事件從開始到結束只是一剎那，但產生的電子束的能量卻與一座小型核電站不相上下.有一件真實發生的事情可以證明上述推論的正確性.

2009年12月14日，美國國家航空航天局(NASA)的物理學家邁克爾·布里格斯(Michael Briggs)發現費米太空望遠鏡傳來了一次比通常宇宙輻射強得多的5.11×105eV伽馬射線閃(TGF)，這意味著探測到了大量正電子.射線如此之強說明來源非常之近， 就在地球附近.仔細查對當時的氣象資料后，科學家得出了一個出乎意料的結論.那時，費米太空望遠鏡正處于埃及上方560 km處，一場強雷雨風暴恰在其視野之外的贊比亞上空形成.“雷暴粒子加速器”促成了一次伽馬射線閃，高能伽馬光子又產生出許多正、負電子對，有些向空中逃逸的正電子在地磁場的作用下擊中了幾千 km外費米太空望遠鏡中的電子，正、負電子相撞產生的5.11×105eV伽馬射線又被望遠鏡中近在咫尺的儀器逮個正著，射線強度當然十分了得(有興趣的學生可以對著地球儀，用左手定則判斷一下朝哪個方向運動的正電子才能在地磁場的作用下，從贊比亞跑到埃及上空).邁克爾·布里格斯及其同事重新分析了費米太空望遠鏡的以往記錄，找到了77條能量高于1.022×106eV的伽馬射線閃數據，它們全部來自地球而非遙遠的星空.雷電無疑是地球上除宇宙線、放射性物質、大型粒子加速器之外的又一個反物質來源.將于2015年升空的閃電輻射分析衛星(TARANIS)將把探測器對準地面，專門捕捉雷電產生的伽馬射線閃和反物質.

4 光合作用與量子力學

光合作用是植物、藻類利用葉綠素和某些細菌利用其細胞本身，在可見光的照射下，將二氧化碳和水(細菌為硫化氫和水)轉化為有機物，并釋放出氧氣(細菌釋放氫氣)的生化過程.這個過程對于絕大多數生物來說都是至關重要、不可或缺的，因此，光合作用歷來是科學家們關注的焦點.

某些藻類和細菌能夠把太陽能以幾近100%的效率轉移到光合反應中心，并轉化為化學能.其速度之快使太陽能的傳遞幾乎就在瞬間完成，所以,很少有能量以熱的形式耗散掉.這個發現和光合作用的經典論述相悖.傳統上認為,光能從聚光色素分子到反應中心分子是一步一步躍遷的，每一步都會有能量損失，效率不可能太高.光合作用中近乎無損耗的能量傳輸到底是如何實現的呢？2007年，美國加州大學伯克利分校化學家格拉漢姆·弗萊明(Graham Fleming)領導的研究團隊找到了原因.他們認為，光合作用的過程必須用量子力學才能準確表述.擊中一個細菌或藻類“色素天線分子”的光子會激起一波一波帶能量的粒子——應激子(特定頻率的電子振蕩)，就像石頭落入池塘會激起波紋一樣.這些應激子是相干的(頻率相同、相位差固定)，相干量子波能夠同時以兩種或多種狀態存在，因此，它們可以同時探測到多個可能的路徑，并自動選擇最有效的路徑到達光合反應中心.科學家以一個通俗比喻來解釋這種情況,如果下班高峰時駕車回家有三條可選路線，你只能走其中一條，但卻不知道此時其他的路線是否會更快或更慢一些.然而,對于量子力學來說，你可以讓這三條路線同時進行來找出最短路線,無需指出你身在何處，就能選到做功最少的路線.

對于光合作用中量子效應的理解，使科學家有望發明一種原理類似的高效太陽能設備，為解決能源危機開創一條綠色環保的道路.

上面幾個實例充分說明，科學并不是與公眾隔絕、與百姓無關的事物.科學影響著人們的生活，科學決定了人類的未來.同學們，老師們，我們是不是應該對科學技術多一分熱情，多一些關注，多一點思索呢.