從宇宙到原子

2017年10月的某天，國內外天文圈不約而同地賣起了關子，紛紛聲稱有大事宣布，卻又個個神秘兮兮、守口如瓶。網友紛紛猜測，難道是發現外星人了？

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，形成了一場天文學歷史上極為罕見的全球規模的聯合觀測。

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

作為最精密的自然科學學科，物理學是其他自然科學學科的研究基礎。大至宇宙，小至基本粒子等一切物質最基本的運動形式和規律都是它的研究對象。按照研究內容的不同，物理學又分為牛頓力學、電磁學、熱力學、天體物理學等類別。

日常生活中很多事情都與物理學息息相關。你能說出以下新聞熱點中都包含了哪些物理學知識嗎？

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了一個“零的突破”：我國自主設計制造的天文設備第一次發現脈沖星。而在此之前的50年里，人類已經觀測到2 700多顆各種類型的脈沖星。

脈沖星是死亡恒星的一種，屬于高速自轉的中子星，因發射周期性脈沖信號而得名。這種脈沖信號好比轉動的燈塔發出忽明忽暗的光，以至于脈沖星最初被發現時，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項目發起人、項目的最主要締造者南仁東先生。就在成果發布的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，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象。電池膨脹是由于電池電解液和水發生反應，產生大量氫氣、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、木星最亮時差不多。

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——曾經一款被稱為“喝水神器”的55度杯在網店熱銷。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、液態之間的轉化。如果55度杯杯體夾層里使用的物質是某種相變化材料，如熔點為58℃的某種鹽，這意味著當溫度高于58℃時，這種物質是液態；低于58℃時則是固體。室溫條件下，夾層里的物質是固態，而往杯子倒開水，物質吸熱，高于58℃后，就熔化成液態。在這個過程中，液態物質吸收大量熱量，使得杯中水的溫度下降。

而把熱水倒掉時，夾層內的物質仍是液體。這時加入低于58℃的水，物質就會把熱量傳給水，同時結晶變成固態，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度杯內裝的物質無論加熱還是冷卻后都是液態，則根本不存在相變化，而是更加基礎的原理——單純的液體傳熱、儲熱同樣也可以實現降溫和升溫。

任何一門學科都不是孤立存在的，物理學與哪些學科關系最親密？

最初，物理學與自然科學聯系緊密。Physics（物理學）最早的意思就是關于自然的學問。后來人們根據亞里士多德的研究又創造了 Metaphysics（后物理學）一詞。

這個詞在西方慢慢代表一門學問，在中國被翻譯成“形而上學”。后來，形而上學被德國哲學家康德轉化成了一門接近自然科學的學問，就是今天的Philosophy（哲學）。當我們談論哲學和哲學家時，應該認識到康德首先是一位物理教授。

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

數學是物理學家的語言，也是物理學家賴以思考的工具。物理的表述、思考都離不開數學。

關于數學和物理學的關系，有一個重要的例子。大物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋天生就有非常強的數學思維能力。他小時候學習畫蛋時就想，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，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，就能畫出雞蛋了——這是麥克斯韋13歲時想出的辦法。

此外，物理學家還應該是語言學家。因為物理學家的任務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。

英國物理學家托馬斯·楊發現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象，即波的雙縫干涉現象，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。

魔術表演最能激起人們的好奇心，在大大小小的魔術表演中，許多都運用了物理學的知識。

1.雞蛋透視

魔術師拿出一支蠟燭，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，奇妙的現象出現了：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。

魔術揭秘：由于燃燒不充分，雞蛋的表面出現了碳層，形成非親水界面的空氣層，空氣層在水中反射光線導致出現“透明”的光影。

2.膠囊空翻

魔術師拿出一枚膠囊放在左手心，并對膠囊說：“起來！”膠囊竟然應聲而起。魔術師左手稍傾斜，繼續說：“來個空翻！”只見膠囊翻著跟頭滾落到桌面上。

魔術揭秘：這個魔術的秘密在于重心的轉移。魔術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，重心向下轉移，使膠囊豎起，接著倒下，如此反復。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，玻璃缸里竟然出現了幾條美麗的小金魚。

魔術揭秘：在表演之前，魔術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，魔術師拿走絲巾的同時也拿走鏡片，小金魚就出現在玻璃缸中了。endprint